焊接接头的工作应力分布分析

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：从而，在焊缝与母材的过渡处引发应力集中，使焊件遭到意外的破坏。与其他焊接接头相比，对接接头的应力集中较小，焊后还可以很容易地进行降低或消除应力集中。由搭接接头正面角焊缝的应力分布得知，在角焊缝的根部A点和焊趾B点应力集中较大，其数值与很多因素有关。联合角焊缝的工作应力分布既有正面角焊缝，又有侧面角焊缝的搭接接头称为联合角焊缝搭接接头。

图10-5 对接接头的应力分布（σ_a为平均应力）

1.对接接头

在焊接生产的过程中，不经过机械加工的焊缝表面均或多或少的略高于母材表面，其高出部分称为焊缝余高。从表面上看，焊缝处比母材厚，焊缝的承载能力一定比母材大，其实不然，因为焊缝余高造成焊缝表面的不平滑，使焊件受力后受力线不能平滑通过。从而，在焊缝与母材的过渡处引发应力集中，使焊件遭到意外的破坏。对于动载结构，焊缝余高带来的应力集中对疲劳强度是不利的，所以，要求焊缝余高越小越好，对于重要的动载结构焊件，有时还要通过焊后削平余高或增大过渡圆弧半径的措施来降低应力集中，提高合金接头的疲劳强度。对接接头的应力分布如图10-5所示。从图中可以看到，在焊缝正面余高与母材过渡处，应力集中系数K_T高达1.6，而在焊缝背面余高与母材过渡处，应力集中系数K_T高达1.5。焊缝余高和过渡半径与应力集中的关系如图10-6所示。

与其他焊接接头相比，对接接头的应力集中较小，焊后还可以很容易地进行降低或消除应力集中。因此，对接接头是最好的接头形式，不但能可靠地承受静载，而且疲劳强度也高。

图10-6 焊缝余高和过渡半径与应力集中的关系

a）对接接头 b）r=0.5mm和r=3mm c）r=1mm

2.搭接接头

在搭接接头中，根据搭接角焊缝受力的方向，可以将其分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝，如图10-7所示。与力的作用方向垂直的角焊缝称为正面角焊缝（如图1-7中l₃段），与力的作用方向相平行的角焊缝称为侧面角焊缝（如图中l₁和l₅段），介于两者之间的是称为斜向焊缝（如图中l₂和l₄段）。由于搭接接头使焊件的截面形状发生了较大的变化，应力集中要比对接接头复杂得多。

图10-7 搭接接头的角焊缝

（1）正面角焊缝中工作应力的分布在搭接接头的正面角焊缝中，应力分布是很不均匀的。由搭接接头正面角焊缝的应力分布得知，在角焊缝的根部A点和焊趾B点应力集中较大，其数值与很多因素有关。如焊趾B点的应力集中系数，就是随着角焊缝的斜边与水平边夹角θ的变化而变化的，在焊接生产中，减小其夹角θ、增大熔深和确保根部焊透，就可以降低应力集中系数。搭接接头正面角焊缝的应力分布如图10-8所示。

图10-8 搭接接头正面角焊缝的应力公布

由于搭接接头的正面角焊缝与作用力偏心，因此，搭接接头在对称受拉力时，在接头处会产生附加弯曲变形，如图10-9所示。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离应小于其板厚的4倍。

在两道正面角焊缝构成的搭接接头中，由于每一道焊缝所担负的力与焊件的厚度、焊缝的尺寸、搭接长度和受力的情况等有关，所以担负的力不一定相等。几种不同受力情况的正面搭接接头角焊缝如图10-10所示。

图10-9 正面搭接接头的弯曲变形(https://www.chuimin.cn)

图10-10 几种不同受力情况的正面搭接接头角焊缝

在图10-10a、b中为两种受力点不同的正面搭接接头，图10-10a的受力最普遍，如果焊件的厚度和焊缝的尺寸都相等，则每道焊缝的受力也是相等的。如果是图10-10b中的受力情况，虽然两个被连接的板厚是相同的，焊缝尺寸也相同，但是，由于力的作用点不同，则每道焊缝所承受的力也是有差别的。搭接的长度越大，差别也就越大。如果是图10-10c所示的受力情况，当焊件的厚度比为2∶1，而且焊缝保持与母材等强度时，则两焊缝承担的力也不同，搭接的长度越大，则相差也就越大。

（2）侧面角焊缝中的工作应力分布在侧面角焊缝连接的搭接接头中，在焊缝中既有正应力又有切应力，其切应力沿侧面焊缝长度上的分布是不均匀的，它与外力作用的状况、截面尺寸、焊缝长度以及材料的性质等因素有关。侧面角焊缝的应力分布如图10-11所示。

图10-11 侧面角焊缝的应力分布

图10-12 侧面角焊缝与联合角焊缝搭接的应力分布

a）侧面角焊缝搭接 b）联合角焊缝搭接

由图10-11可以看出，侧面焊缝的最大应力是在两端，中部的应力比较小。当焊缝较短时（l=200mm），应力公布较均匀；当焊缝较长时（l=400mm），应力分布不均匀的程度就增加。因此，采用较长的侧面角焊缝将使应力集中增加，这是不合理的。所以，一般规范规定，侧面角焊缝长度不得大于50倍的焊角尺寸。

（3）联合角焊缝的工作应力分布既有正面角焊缝，又有侧面角焊缝的搭接接头称为联合角焊缝搭接接头。在只有侧面角焊缝焊成的搭接接头中，母材截面上的应力分布极不均匀，如图10-12a中的A—A截面的焊缝附近就有最大的正应力σ_max，τ_max也很大，其应力集中非常严重。如果，采取在正面角焊缝的联合搭接接头，如图10-12b中，在A—A截面上，不仅正面应力分布较均匀，同时，最大切应力τ_max也相对地降低了，所以，在A—A截面上两端点上的应力集中也得到了改善。由于正面角焊缝承担了一部分外力，以及正面角焊缝比侧面角焊缝的刚度大变形小的原因，所以，侧面角焊缝的切应力得到了改善，如图10-12b所示，最大的切应力在无正面角焊缝的一端。所以，联合角焊缝搭接接头，由于增添了正面角焊缝，为此，可以使搭接长度缩短，并且还可以使应力集中得到改善。

（4）盖板接头中的工作应力分布加盖板的搭接有单面盖板搭接和双面盖板搭接两种，如图10-13所示。

图10-13 加盖板接头的应力分布

a）单面盖板搭接 b）双面盖板搭接

如图10-13a所示仅用侧面角焊缝连接的盖板接头，其正应力σ在盖板上的分布是极不均匀的。远离焊缝并在构件轴线位置上的应力最小，而靠近侧面焊缝部位的应力则最大。

图10-13b是不仅有侧面角焊缝，而且还在盖板接头增添正面角焊缝，从图中可以看出，各横截面上正应力的分布，得到了明显的改善：比图10-13a中的应力集中大大降低。虽然如此，这种接头还是不宜多采用，尤其是在承受动载的结构中，其疲劳强度极低。

从电弧焊的各种接头中可以看出，所有的接头都有不同程度的应力集中。选择捍接头形式时，必须首先考虑应力集中对其性能的影响，当然，还要考虑载荷的性质等。值得特别说明的是，在常温静载下工作的结构，如果接头有较大的变形能力，在选择接头形式时，应力集中就不是主要矛盾；当结构是在低温动载下工作，在选择接头形式时，就必须首先考虑应力集中这个主要因素，一般来说，能用对接接头的就尽量不用搭接接头或丁字接头。

焊接接头的工作应力分布分析

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