自助下单地址（拼多多砍价，ks/qq/dy赞等业务）：点我进入

第一节焊接接头的工作应力分布 1.焊接接头的基本形式 焊接接头是指通过焊接连接的接头（简称接头）。 焊接接头包括焊缝、熔合区、热影响区和母材。 焊接接头的种类和形式很多，可以从不同的角度进行分类。 例如，可按采用的焊接方法、接头配置形状和坡口形状、焊缝类型等进行分类。按采用的焊接方法不同，接头可分为熔焊接头、压焊接头三类和钎焊接头。 这三类封头因采用的具体焊接方法又可进一步细分。 根据接头结构型式的不同，焊接接头可分为对接接头、丁字（十字）接头、搭接接头、角接头和卷边接头。 1、对接接头在同一平面上，将两板端面焊接而成的接头称为对接接头，如图4-1-1所示。 2、搭接 将两块板搭接焊接而成的接头称为搭接，如图4-1-2所示。 图 4-1-1 对接 图 4-2 搭接 3. T 型接头 一块板与另一块板相交成直角或近似直角的连接称为 T 型接头，如图图 4-1-3。 4、角接头 两板端面成直角或近似直角的连接接头称为接头，如图4-1-4所示。 图 4-1-3 T 型接头 图 4-1-4 角接头 5. 卷边接头 焊件端部预压接，在卷边处焊接的接头称为卷边接头，如图图 4-1-5。 图4-1-5 压接接头 2 焊接接头的基本力学性能 传统上，在常压和自然环境温度范围内与过载变形、断裂和脆性断裂有关的力学性能称为材料和焊接接头。 机械性能。

在断裂力学出现之前，只有通过拉伸、弯曲和冲击试验测得的材料性能，常被称为材料的基本力学性能。 随着断裂力学的发展及其在工程安全评价中的日益普遍应用，断裂韧性也被纳入基本力学性能范围。 焊接接头基本力学性能试验和基于强度设计的安全性评价较为复杂，主要是由于焊接接头形状不连续性、焊接缺陷、焊接残余应力、焊接变形以及各区域的组织和性能。焊接接头的不均匀性。 对于异种材料的焊接接头焊接接头弯曲试验方法，除了上述力学性能参差不齐外，接头各部分的其他物理性能有时可能存在较大差异。 这些往往导致焊接接头力学性能试验结果存在较大的离散性。 即使是同一个接头，由于测试细节的不同，不同的测试人员也可能得到具有显着差异的测试结果。 下面的内容将围绕焊接接头的这一特点，对接头的力学性能进行描述。 1、拉伸性能 （1）母材的拉伸性能 母材的性能沿纵向、横向和厚度方向（Z方向）是不同的。 沿三个不同方向切割的拉伸试样（图4-1-6）可以测量母材沿三个方向的强度和塑性。 按GB/T228--1987《金属拉伸试验方法》加工试样，进行拉伸试验。 将试验结果绘制成如图4-1-7所示的工程应力-应变图，其中纵坐标代表应力（σ），横坐标代表应变（ε）。 材料的规定弹性极限σe、比例极限σp和屈服强度可通过拉伸试验测定。

和抗拉强度σs。 对于具有上屈服点（σsu）和下屈服点（σsl）的材料（图4-1-7b），下屈服点σsl称为材料的屈服强度。 在没有明显屈服平台的情况下（图4-1-7c），习惯上取σ0.2（取试件卸载后0.2%残余线应变对应的应力值作为屈服极限） material) 来表示材料的屈服点。 图4-1-6 三向拉伸图 L—纵向拉伸试样 T—横向拉伸试样 Z—Z向拉伸试样 图4-1-7 工程拉伸应力-应变图 a) b) 带屈服平台 b) 带上和较低的屈服点 c) 无屈服平台 在拉伸试验中，试样断裂后，变形中的弹性部分恢复消失，但塑性部分仍然存在。 工程中常用的两个塑性指标是伸长率δ和断面收缩率ψ。 一般来说，材料的纵向拉伸性能略好于横向，但随着现代钢铁工业的进步，材料本身在纵向和横向拉伸性能的差异逐渐减小。 沿厚度方向的拉伸试验结果具有较大的离散性，二维拉伸性能在很大程度上取决于材料的杂质成分及其加工工艺。 许多材料的 z 向拉伸强度可能略低于其他两个方向，但 z 向拉伸塑性明显低于其他两个方向。 Z 方向张力通常用于评估材料对垂直表面承受张力的焊接结构的适用性。 在现代可焊性研究中，z 向拉伸试验的 δ 和 ψ 也被用作衡量钢层状撕裂敏感性的指标。 (2) 焊缝金属和焊接接头的拉伸性能 焊缝金属拉伸试样的试验部位应取在焊缝内(图4-1-8)，试板的焊接应与实际工程焊接一致条件一样。

由于焊缝各层性能不完全相同，焊接接头力学性能试件的取样应严格按照GB/T2649-1989标准进行，否则试验结果的可比性不佳减少。 焊缝金属拉伸试验方法按GB/T2652-1989《焊缝和熔敷金属拉伸试验方法》执行。 试验项目与母材拉伸试验完全相同。 焊接接头拉伸试样包括母材、热影响区、熔合区和焊缝四部分。 焊接接头常用的拉伸试样有横向和纵向两种，如图4-1-8所示。 焊接接头横向拉伸试验按GB/T2651-1989《焊接接头拉伸试验方法》执行。 其主要特点是试验区所含焊缝如图4-1-8所示。 典型的三种焊接拉伸试样 1--焊缝金属拉伸试样 2--接头横向拉伸试样 3--接头纵向拉伸过程中的塑性变形和最终断裂发生在最薄弱的区域。 焊接接头力学性能的不均匀性对接头的横向拉伸性能有显着影响。 高成分焊接接头横向拉伸时，大部分塑性变形发生在母材（焊接低碳钢）或热影响区（焊接调质钢），缩颈和断裂也发生在上述-提到的领域。 在这种情况下，拉伸试验只能得出焊缝强度高于母材的结论，不能定量比较焊缝的强度和塑性。 在低构型（即焊缝强度低于母材强度）的焊接接头横向拉伸试验中，虽然主要的塑性变形、缩颈和断裂均发生在焊缝，但由于塑性变形和母材对焊缝变形的约束作用，本试验测得的δ和ψ不能用来比较焊缝金属的塑性。

因此，按照GB/T2651-1989《焊接接头拉伸试验方法》，横向焊接接头拉伸试验只测定抗拉强度σb。 低成分横向拉伸试样虽然在焊缝处断裂，但其产生的抗拉强度并不等于焊缝金属的抗拉强度，一般前者高于后者。 需要强调的是，用接头横向拉力测得的低组合焊接接头抗拉强度受焊缝宽度H0与试件厚度δ0之比的影响，也受试件厚度δ0与试件宽度W0之比的影响（如如图 4-1-9 所示）。 一般焊接结构的实际板厚，特别是构件的实际宽度，明显大于标准焊接接头横向拉伸试样的宽度和厚度。 因此，实际结构的抗拉强度可能高于低配置焊接结构的标准横向抗拉强度。 接头拉伸试样。 800400t0180=0.470.40.8 图4-1-9 低强度拼装焊接接头横向抗拉强度。 1、母材强度aw-焊缝强度口j-接头强度在焊接接头纵向拉伸过程中焊接接头弯曲试验方法，主要特点是焊接接头各区承受的应变值相同。 高强低塑性焊缝的高成分焊接接头纵向拉伸试样的断裂首先发生在焊缝区，其抗拉强度低于焊缝，有时甚至低于母材。 相反，具有较低成分和较高焊缝塑性的接头产生较高的纵向拉伸强度。 因此，在与管道和圆柱形压力容器的焊缝和环焊缝连接时，宜采用塑性较好、构型较低的焊接接头。 2、焊接接头硬度 焊接接头硬度按GB/T2654-1989《焊接接头及堆焊金属硬度试验方法》执行。

一般来说，金属对某类材料的强度和硬度之间存在一定的经验关系，如表4-1-1所示。 详见GB/T1172-1989《黑色金属硬度与强度换算值》、GB/T3771-1983《铜合金硬度与强度换算值》。 焊接接头的硬度除了评价接头各区域的强度外，还往往与焊件的性能有关。 例如，作为耐磨性的衡量标准，耐磨堆焊焊缝往往规定了最低允许硬度值，低于该值就意味着堆焊表面的耐磨性不足。 相反，对于其他焊件，特别是在含氢介质中工作的焊件，由于淬硬组织容易引起氢致开裂和其他氢损伤，有时规定焊缝的最大硬度不能超过上限价值。 焊接接头热影响区的最大硬度也用于评价钢的冷裂倾向。 表4-1-1 黑色金属硬度与强度换算 HV HRC σb/MPa HV HRC σb/MPa 713 688 664 642 620 599 579 561 543 525 509 493 478 463 449 436 423 411 399 388 377 36 7 357 347 338 329 320 312 304 296 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 260.7 249.6 239 .1 2 29.3 220.1 211.5 203.4 195.7 188.5 181.7 175.3 169.2 163.5 158.1 152.9 148.0 143.4 138.9 134.7 130.7 126.8 123.2 119.7 116.3 113.1 110.0 107.0 104.2 101.5 98.9 289 281 274 268 261 255 249 243 237 231 226 221 216 211 206 196 187 178 170 163 156 149 143 135 128 119 113 110 108 105 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 96.4 94.0 91.7 89.5 87.4 85.4 83.5 81.6 79.9 78.2 76.7 75.2 73.7 72.4 70.8 67.5 64.4 61.4 58.7 56.2 53.9 51.8 49.8 47.2 44.9 42.3 40.7 39.8 39.0 38.3 3． 焊接接头的弯曲行为弯曲试验用于评估焊接接头的塑性变形能力，并揭示受拉表面上的焊接缺陷。

根据GB/T2653-1989《焊接接头弯曲压扁试验方法》，采用横向弯曲、纵向弯曲和侧向弯曲三种基本类型的弯曲试样（图4-1-10）。 根据弯曲时受拉面的不同，可分为正弯（受拉面为焊缝正面）和后弯（受拉面为焊缝背面）。 采用三点弯曲和滚筒弯曲两种试验方法（图4-1-11）。 弯曲试验中常用的弯曲角度α达到技术条件规定的值时，以是否开裂来评价被试接头是否满足要求，有时将被试接头的弯曲性能与临界值进行比较。拉伸面出现裂纹时的弯曲角度α。 工程上多采用三点弯曲试验法。 图4-11 两种弯曲试验方法示意图 a) 三点弯曲 b) 滚轮弯曲 弯曲试验的压头和滚轮内径D按相应试验材料的技术条件取。 D与弯曲试验厚度α之比对弯曲性能影响很大，不同D/α条件下测得的弯曲角度无法比较。 4、管接头的压扁性能 对于有纵向焊缝和环向焊缝的小口径管接头，当不能取样进行弯曲试验时，应按GB/T2653-1989《钢管弯曲压扁试验方法》进行压扁试验。焊缝”。 压扁试验是检查管接头外壁受压至距离H时，焊缝的拉伸部分是否有裂纹（图4-1-12）。 H按下式计算： 图4-1-12 EMBEDE管接头压扁试验公式。 3 δ——管壁厚度； D——管道外径； e——单位伸长变形系数（由产品规格确定）。

例如，在测试纵向焊缝时，应注意使测试焊缝位于垂直于施加力的径向平面内。 对于相同几何尺寸的管接头，有时采用压扁试验中首次出现裂纹时比较H值的方法来比较管接头的塑性。 5、焊接接头的冲击韧性 焊接接头的冲击韧性是抗脆性断裂的工程量度。 根据GB/T2650--1989《焊接接头冲击试验方法》，采用V型缺口试样作为标准试样（图4-1-13），根据技术条件允许使用U型缺口辅助试样（图 4-1-13）。 4-1-13）。 在待测冲击韧性的焊接接头的特定区域开缺口，以测量该区域的冲击韧性。 试样受冲击弯曲断裂时所消耗的功称为冲击吸收功，用AK表示，单位为焦耳（J），缺口处单位截面积所消耗的功称为冲击韧性。 以αK表示，单位为J/cm2。 不同缺口形式和其他非标试样的冲击吸收功或冲击韧性不能换算。 表4-1-2是国家标准对几种钢材吸收冲击功的规定。 表4-1-3为日本规范中压力容器用钢材吸收冲击功的规定。 图4-1-13 两种典型冲击试件 表4-1-2 国家标准对几种钢材冲击吸收功的规定 标准钢种 屈服点/MPa 抗拉强度/MP8 最小冲击吸收功（不小于）AK/ J GB3531—1996 16MnDR 255～315 450～620 24 09Mn2VDR 270～290 430～570 27 09MnNiDR 260～300 430～570 27 15MnNiDR 290～325 460～630 27 GB/T4 172—1984 16CuCr 216～245 382～402 27.4 12MnCrCu 265～294 412～421 27.4 15MnCrCu 312～343 470～490 27.4 15MnCuCr-QT 412～441 549～696 31.3 表4-1-3 日本压力容器钢冲击吸收功规定抗拉强度/MPa 最低冲击吸收能值/J 单个试样的平均值 588.3 27.4 27.4 6. 焊接接头的断裂韧性断裂是材料的强度σb。

促进有裂纹物体断裂（即裂纹扩展）的驱动力是断裂参数，即裂纹尖端应力强度因子K、裂纹尖端张开位移和J积分（J）、临界断裂参数Kc， Jc和c。 是材料的断裂韧性。 断裂力学研究表明，断裂参数（K或J或）是描述裂纹尖端应力应变场的单一参数，这些参数与裂纹中的应力、裂纹尺寸和裂纹几何形状有关地区。 例如，在垂直裂纹面的法向应力σ下，Ⅰ型应力强度因子KI的一般表达式为： KI=Yσ EMBED EmbED Equation.3 Y——裂纹的几何形状因子； σ——裂纹所在区域的名义应力； EMBEDEquation.3 - 裂纹尺寸。 在线弹性范围内，在平面应变状态下，裂纹尖端张开位移与J积分JI和KI的关系为： EMBEDEquation.3 JI = EMBED Equation.3 EMBEDEquation.3 - 泊松比； σs——屈服点。 断裂韧性一般是用已知断裂参数计算公式的试样，按一定的程序加载，测量开裂时的临界载荷及其对应的受力点位移和裂口张开位移。 ，根据已知的断裂参数。 参数表达式计算断裂参数。 国内现行测定焊接接头断裂韧度的标准如下：GB/T4161-1984《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》； GB/T2038-1991《金属材料延展断裂韧性JIC试验方法》和GB/T T2358--1994《金属裂纹尖端张开位移试验方法》进行。

断裂韧性常用于评价材料和焊接接头的韧性，确定焊接结构的裂纹容限，评价结构寿命和安全性。 7、焊接接头微剪切性能为适应焊接接头力学性能梯度变化大的特点，近年来提出的微剪切试验引起了焊接行业的重视。 微剪试验是从焊缝处取出一小截面（如1.5mm的正方形或圆形）的长试样，按一定间隔逐点切割，测定剪切强度和剪切面压痕率每个点的（可塑性）。 指数）。 该方法的原理和装置如图4-1-14所示。 剪切强度τb、临界剪切强度τG（τ0.2）和剪切面压痕率α按下式计算： 图4-1-14 微剪试验装置示意图1—样品2—底座 3—剪刀 4—位移传感器 5—XY 记录仪 6—放大器 7—力传感器 8—加载梁 EMBEDEquation.3 EMBEDEquation.3 (τ0.2=EMBED Equation.3 EMBEDEquation.3 Fmax—试样时的最大剪切力被剪切；A0——试样的原始横截面积；FG——试样达到剪切屈服时的剪切力；FG0.2——试样在剪切方向的残余塑性变形为0.2时的剪切力%试样边长；剪切力；Amin——试样断裂后的最小断裂面积三、应力集中的概念由于焊缝形状和焊缝排列的特点，存在几何不连续.

加载时，造成焊接接头工作应力分布不均匀现象，使局部峰值应力σmax高于平均应力σm。 高得多。 为了正确评估部件的强度，在许多情况下必须考虑局部峰值应力的大小和分布。 峰值应力从应力集中点向外迅速减小，即存在较高的应力梯度。 为了描述应力集中的程度，常用应力集中系数KT来表示。 例如，图4-1-15为两边有半圆槽的试板受拉时的应力分布，其平均应力σm为EMBEDE方程3 F——试板的拉力； B——试板宽度； δ——试板厚度。 局部峰值应力（σmax）与平均应力σm之比为应力集中系数KT= EMBED 公式3 在焊接接头中，产生应力集中的原因有很多，其中最主要的有： 1）产生的过程在焊接缺陷中。 如气孔、夹渣、裂纹和未焊透等，其中以焊接裂纹和未焊透引起的应力集中最为严重。 2）焊缝形状不合理。 例如对接焊缝补强过大，角焊缝焊趾过高，咬边等。 3）接头设计不合理。 如果接头的截面突然发生变化，则应使用带缓冲的对接接头等。 焊缝布置不合理也会造成应力集中，如只有一侧焊缝的T形接头。 四、焊接接头工作应力分布 1、对接接头工作应力分布及性能 对接接头是最常用的接头形式之一，也是工作应力分布比较均匀的接头形式。

在对接接头中，高于母材表面的焊缝部分称为加强件。 焊缝加固在焊缝与母材过渡处引起应力集中，如图4-1-16所示。 该图显示了一个由光弹性材料制成的对接模型。 结果，从试验结果可以明显看出，该尺寸的对接接头在焊缝与母材过渡处的应力集中系数约为1.6，而后部过渡处的应力集中系数约为1.6。焊缝为 1.5。 图4-1-15 两侧带半圆槽试板受拉应力分布 图4-1-16 对接接头应力分布 到母材的过渡半径r（或角度θ）。 图4-1-17给出了焊缝补强、过渡半径和应力集中系数之间的关系。 可见，增大配筋h，减小过渡半径r，应力集中系数增大，反之则减小。 对接接头模型 图4-1-17 钢筋c与过渡半径r和应力集中系数的关系 一定的影响，其中对接接头的疲劳强度影响最大。 例如，对接接头在2106交变载荷下的试验结果表明，疲劳强度随着θ角的增大而降低。 当θ角从0°增加到80°时，疲劳强度下降近60%，如图4-1-18所示。 因此，认为焊缝加固越大越安全的观点是错误的。 图4-1-18 角度θ对疲劳强度的影响对于承受冲击载荷的焊接结构，重要部位的对接加强件应进行抛光处理，如图4-1-19a所示，不仅外形美观，而且同样将砂轮抛光至平滑过渡，如图4-1-19b所示，通过增大过渡区半径减小应力集中系数。

图4-1-19 提高对接接头疲劳强度的措施 对于不同板厚焊接的对接接头，会在接头处产生应力集中。 ，厚板接缝处应做单面或双面斜坡，并尽量减小两板的中心偏差e。 焊缝不应布置在倾斜部位，距倾斜部位的距离h宜为5mm左右。 在不同厚度的板材对接接头中，图4-1-20b形式最差，图4-20c形式最好。 图4-20 不同厚度板材对接 a) 中心线一致，焊在锥面 b) 中心线不一致，焊在锥面 c) 中心线一致，焊在平面 d) 中心线不一致，焊在平面 2. 工作T型接头的应力分布 由于T型接头工作截面急剧变化，工作应力分布极不均匀，角焊缝根部和过渡处应力集中严重。 图4-21a为工字坡口十字形接头焊缝的工作应力分布。 由于没有坡口，焊缝根部应力集中严重，其应力集中系数约为3.38。 在焊趾处，BB截面的工作应力分布也很不均匀，B点的应力集中系数随角焊缝的形状而变化，其变化规律如图4-22所示。 角度减小，并且随着焊脚尺寸K值的增大而减小。 但是，与焊缝相关的应力集中系数KT随着焊脚尺寸K值的增大而增大。

图 4-21 T 形（十字形）接头的应力分布 图 4-21b 为斜角十字形焊接接头的工作应力分布。 由于这种接头消除了不完全熔透并且裂口较小，因此大大降低了应力集中系数。 由此可见，坡口和保证贯通是降低十字接头应力集中的重要措施之一。 试验证明，在尺寸和形状完全相同的情况下，接触焊缝的应力集中系数低于工作焊缝，如图4-23所示。 采用十字形接头时，尽量避免在板厚方向产生高值拉应力，因为焊接用轧制钢板常有夹层等缺陷，特别是厚板，容易出现层状撕裂。 因此，如果可能，应将工作焊缝转换为接触焊缝。 例如，图4-24a所示的表格可以改为图4-24b所示的表格。 3、搭接接头的工作应力分布 搭接接头是一种形状变化比较大的接头形式，其应力集中现象比对接接头严重和复杂得多。 按受力方向，搭接角焊缝可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜角焊缝 图 4-24 工作焊缝和接触焊缝 a) 工作焊缝 b) 接触焊缝，如图 4-1 垂直角焊缝到-25所示的应力方向（图中l3）称为正面角焊缝，平行于受力方向的角焊缝称为侧面角焊缝（图中l1和l5）。 受力方向成一定角度（图中12、14）的角焊缝称为斜角焊缝。 (1) 前角焊缝的工作应力分布在只有前角焊缝的搭接接头中，工作应力分布极不均匀，如图4-1-26所示。

角焊缝根部A处和焊趾B处存在严重的应力集中现象，焊趾B点处的应力集中系数随斜边与水平边之间的角承口不同而变化。图4-1-25中搭接接头的角焊缝，减小开角和增加熔深都会降低应力集中系数。 因此，在一些承受动载荷的结构中，为了降低双搭接板前角焊缝的应力集中，人为减小口角，取双搭接板接头各板的厚度为相同的值，如图4-27所示。 并使角焊缝两直角边之比为1：3.8，此时其长边与受力方向大致一致。 为了使焊趾处过渡平滑，可在焊趾附近进行机械加工。 这样处理的前搭接接头工作性能接近对接接头。 然而，这种接头非常大，焊条消耗量是典型搭接接头的 14 倍。 这个联合的经济很差。 图4-1-26 正面搭接角焊缝应力分布 图4-1-27 应力集中降低的正面搭接角焊缝 a) 应力集中线 b) 机加工后焊趾处平滑过渡 (2) 侧面 角焊缝工作应力在由侧角焊缝连接的搭接接头中，焊缝更复杂。 当接头受力时，角焊缝中会产生剪切应力。 The distribution of shear stress along the length of the side weld is extremely uneven, and the degree of unevenness is related to factors such as the size of the weld, the cross-sectional area of ​​the plate, and the location of the point where the external force acts. Figure 4-1-28a shows the most common stress situation for side fillet welds. When the cross-sectional area of ​​the two plates is equal, the shear stress distribution along the length direction of the side weld is shown as qxa in 4-1-28a. (qxa is the shear force borne by the unit weld length), that is, the two ends are large and the middle is small. The main reason for this distribution is the uneven elastic deformation of the weld. It can be seen from Figure 4-28a that the external force Fx' passing through the upper plate gradually decreases from F to zero from left to right, and the external force Fx" passing through the lower plate gradually increases from zero to F from left to right. Thus, the upper plate The elastic deformation of the overlapping section with the lower plate also gradually decreases and increases from left to right, and the relative displacement also gradually decreases and increases from left to right, that is, 1′2′