焊接接头的静载强度

在焊件需连接部位，用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头，一般简称接头。

接头是焊接结构的重要组成部分。通过对大量焊接结构失效事故的分析表明，接头部位往往是结构破坏的起点。造成这种情况的原因是多方面的，归纳起来主要有两点：焊接接头本身的力学性能不均匀；接头部位所受工作应力分布不均匀。因此，研究焊接接头的性能特征和应力分布规律，对提高焊接结构的使用可靠性具有十分重要的意义。

第一节 焊接接头的类型

一、焊接接头的组成

现代焊接技术发展迅速，新的焊接方法不断出现，接头类型更是繁多，但应用最广的焊接方法是熔焊。本章将以熔焊接头为重点进行分析。焊接接头是由焊缝金属、熔合区、热影响区和母材组成，如图2-1所示。

图2-1 熔焊焊接接头的组成

a) 对接接头断面图 b) 搭接接头断面图 1－焊缝金属 2－熔合区 3－热影响区 4－母材

焊缝金属是由焊接填充金属及部分母材金属熔化结晶后形成的，其组织和化学成分不同于母材金属。热影响区受焊接热循环的影响，组织和性能都发生变化，特别是熔合区的组织和性能变化更为明显。因此，焊接接头是一个成分、组织和性能都不均匀的连接体。此外，焊接接头因焊缝的形状和布置的不同，将会产生不同程度的应力集中。所以，不均匀性和应力集中是焊接接头的两个基本属性。

影响焊接接头性能的主要因素见图2-2。这些因素可归纳为力学的和材质的两个方面。

图2-2 影响焊接接头性能的主要因素

力学方面影响焊接接头性能的因素有接头形状不连续性、焊接缺陷（如未焊透和焊接裂纹）、残余应力和残余变形等。接头形状的不连续性，如焊缝的余高和施焊过程中可能造成的接头错位等，都是应力集中的根源。

材质方面影响焊接接头性能的因素主要有焊接热循环所引起的组织变化、焊接材料引起的焊缝

38

化学成分的变化、焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形引起的加工硬化等。

焊接接头是组成焊接结构的关键元件，它的性能与焊接结构的性能和安全有着直接的关系。因此，不断提高焊接接头的质量，是保证焊接结构安全可靠工作的重要方面。

二、焊缝及焊接接头的基本形式

焊缝及接头的形式较多，应根据焊件的厚度、工作条件、受力情况等因素进行选择。 1．焊缝的基本形式

焊缝是构成焊接接头的主体部分，对接焊缝和角焊缝是焊缝的基本形式。

（1）对接焊缝 对接焊缝的焊接接头可采用卷边、平对接或加工成V形、U形、X形、K形等坡口，如图2-3所示。各种坡口尺寸可根据国家标准（GB985-98和GB986-98）或根据具体情况确定。

图2-3 对接焊缝的典型坡口形式

a) δ=1～3mm b) δ=3～8mm c) δ=3～26mm d) δ=20～60mm e) δ=12～60mm f) δ>12mm

对接焊缝开坡口的根本目的，是为了确保接头的质量，同时也从经济效益考虑。坡口形式的选择取决于板材厚度、焊接方法和工艺过程。通常必须考虑以下几个方面：

1）可焊到性或便于施焊。这是选择坡口形式的重要依据之一，也是保证焊接质量的前提。一般而言，要根据构件能否翻转，翻转难易，或内外两侧的焊接条件而定。对不能翻转和内径较小的容器、转子及轴类的对接焊缝，为了避免大量的仰焊或不便从内侧施焊，宜采用V形或U形坡口。

2）降低焊接材料的消耗量。对于同样厚度的焊接接头，采用X形坡口比V形坡口能节省较多的焊接材料、电能和工时，构件越厚，节省得越多，成本越低。

3）坡口易加工。V形和X形坡口可用氧气切割或等离子弧切割，亦可用机械切削加工。对于U形或双U形坡口，一般需用刨边机加工。在圆筒体上应尽量少开U形坡口，因其加工困难。

4）减少或控制焊接变形。采用不适当的坡口形状容易产生较大的变形。如平板对接的V形坡口，其角变形就大于X形坡口。因此，如果坡口形式合理，工艺正确，可以有效地减少或控制焊接变形。

上面只是列举了选择坡口的一般规则，具体选择时，则需要根据具体情况综合考虑。例如，从节约焊接材料出发，U形坡口较V形坡口好，但加工费用高；双面坡口明显地优于单面坡口，同时焊接变形小。双面坡口焊接时需要翻转焊件，增加了辅助工时，所以在板厚小于25mm时，一般采用V形坡口。受力大而要求焊接变形小的部位应采用U形坡口。利用焊条电弧焊焊接6mm以下钢板时，选用I形坡口就可得到优质焊缝；用埋弧自动焊焊接14mm以下的钢板，采用I形坡口也能焊透。

坡口角的大小与板厚和焊接方法有关，其作用是使电弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，

39

焊缝金属量越多，焊接变形也会增大，一般在60°左右。

两连接件之间的距离称为间隙，采用间隙是为了保证根部能焊透。一般情况下，坡口角度小，需要同时增加间隙；而间隙较大时，又容易烧穿，为此，需要采用钝边防止烧穿。间隙过大时，还需要加垫板。

（2）角焊缝 角焊缝按其截面形状可分为平角焊缝、凹角焊缝、凸角焊缝和不等腰角焊缝四种，如图2-4所示。角焊缝的大小用焊脚尺寸K表示，应用最多的是截面为直角等腰的角焊缝。各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关。静载时，如母材金属塑性良好，角焊缝的截面形状对承载能力没有显著影响；动载时，凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高，凸角焊缝的最低。不等腰角焊缝，长边平行于载荷方向时，承受动载效果较好。

图2-4 角焊缝截面形状及其计算断面

a) 平角焊缝 b) 凹角焊缝 c) 凸角焊缝 d) 不等腰角焊缝

为了提高焊接效率、节约焊接材料、减小焊接变形，当板厚大于13mm时，可以采用开坡口的角焊缝。在等强度条件下，坡口角焊缝的焊接材料消耗量仅为普通角焊缝的60% 。

2．接头的基本形式

焊接接头的基本形式有四种：对接接头、搭接接头、T形接头和角接接头，见图2-5。选用接头形式时，应该熟悉各种接头的优缺点。

图2-5 焊接接头的基本形式

a) 对接接头 b) 搭接接头 c) T形接头 d) 角接接头

（1）对接接头 在同一平面内，两板件相对端面焊接而形成的接头叫对接接头。

对接接头从强度角度看是比较理想的接头形式，也是广泛应用的接头形式之一。在焊接结构上和焊接生产中，常见的对接接头的焊缝方向与载荷方向相垂直，也有少数与载荷方向成斜角的斜焊缝对接接头，见图2-6，这种接头的焊缝承受较低的正应力。过去由于焊接水平低，为了安全可靠，往往采用这种斜缝对接。但是，随着焊接技术的发展，焊缝金属具有优良的性能，并不低于母材金属的性能，而斜缝对接因浪费材料和工时，所以一般不再采用。

图2-6 斜缝对接接头

（2）搭接接头 两板件部分重叠起来进行焊接所形成的接头称为搭接接头。

40

搭接接头的应力分布极不均匀，疲劳强度较低，不是理想的接头形式。但是，搭接接头的焊前准备和装配工作比对接接头简单得多，其横向收缩量也比对接接头小，所以在受力较小的焊接结构中仍能得到广泛的应用。

搭接接头中，最常见的是角焊缝组成的搭接接头，一般用于12mm以下的钢板焊接。除此之外，还有开槽焊、塞焊、锯齿状搭接等多种形式。

开槽焊搭接接头的结构形式见图2-7。先将被连接件冲压切成槽，然后用焊缝金属填满该槽，槽焊焊缝断面为矩形，其宽度为被连接件厚度的2倍，开槽长度应比搭接长度稍短一些。当被连接件的厚度不大时，可采用大功率的埋弧焊或CO2气体保护焊，不开槽也有可能熔透，使两个焊件连接起来。

图2-7 开槽焊搭接接头

塞焊是在被连接的钢板上钻孔，用来代替槽焊的开槽，用焊缝金属将孔填满使两板连接起来，有时也叫电铆焊，见图2-8。当被连接板厚小于5mm时，可以采用大功率的埋弧焊或CO2气体保护焊直接将钢板熔透而不必钻孔。这种接头施焊简单，特别对于一薄一厚的两焊件连接最为方便，生产效率较高。

图2-8 塞焊接头

图2-9 锯齿缝搭接接头

锯齿缝搭接接头形式见图2-9，这是单面搭接接头的一种形式。直缝单面搭接接头的强度和刚度比双面搭接接头低得多，所以只能用在受力很小的次要部位。对背面不能施焊的接头，可用锯齿形焊缝搭接，这样能提高焊接接头的强度和刚度。若在背面施焊困难，用这种接头形式比较合理。

（3）T形（十字）接头 T形（十字）接头是将相互垂直的被连接件，用角焊缝连接起来的接头，见图2-10。这种接头是典型的弧焊接头，能承受各种方向的力和力矩，见图2-11。这类接头应避免采用单面角焊缝，因为这种接头的根部有很深的缺口（图2-10a），其承载能力低。

对较厚的钢板，可采用K形坡口（图2-10b），根据受力状况决定是否需要焊透。对要求完全焊

41

透的T形接头，采用单边V形坡口（图2-10c）从一面焊，焊后在背面清根焊满，比采用K形坡口施焊可靠。

图2-10 T形（十字）接头

图2-11 T形接头承载能力

图2-12 角接接头形式

（4）角接接头 两板件端面构成为30°～135°度夹角的焊接接头称作角接接头。

角接接头多用于箱形构件，常用的形式见图2-12。其中图2-12a是最简单的角接接头，但承载能力差；图2-12b采用双面焊缝从内部加强角接接头，承载能力较大；图2-12c和图2-12d开坡口易焊透，有较高的强度，而且在外观上具有良好的棱角，但应注意层状撕裂问题；图2-12e、f易装配，省工时，是最经济的角接头；图2-12g是保证接头具有准确直角的角接接头，并且刚度高，但角钢厚度应大于板厚；图2-12h是最不合理的角接接头，焊缝多且不易施焊。

第二节 电弧焊接头的工作应力分布

一、 应力集中

为了表示焊接接头工作应力分布的不均匀程度，这里引入应力集中的概念。

所谓应力集中，是指接头局部区域的最大应力值（max）较平均应力值（av）高的现象。而应力集中的大小，常以应力集中系数KT表示。

KTmaxav在焊接接头中产生应力集中的原因是：

（1）焊缝中有工艺缺陷 焊缝中经常产生的缺陷，如气孔、夹杂、裂纹和未焊透等，都会在其周围引起应力集中，其中尤以裂纹和未焊透引起的应力集中最严重。

42

（2）焊缝外形不合理 如对接焊缝的余高过大，角焊缝为凸出形等（图2-4c），在焊趾处都会形成较大的应力集中。

（3）焊接接头设计不合理 如接头截面的突变、加盖板的对接接头等，均会造成严重的应力集中。焊缝布置不合理，如只有单侧焊缝的T形接头，也会引起应力集中。

二、 电弧焊接头的工作应力分布

不同的焊接接头在外力作用下，其工作应力分布都不一样。 1．对接接头

在焊接结构生产中，对接接头的焊缝略高于母材金属板面，高出的部分称为余高。由于余高造成了构件表面不平滑，在焊缝与母材金属的过渡处引起应力集中，如图2-13所示。在焊缝余高与母材金属的过渡焊趾处，应力集中系数KT为1.6，在焊缝背面与母材金属的过渡处，应力集中系数KT为1.5。KT的大小与余高h和焊缝向母材金属过渡的半径r有关，如图2-14所示。减小r和增大h，均使KT增加。当余高h为零时，KT=1，应力集中消失。如果余高太大，虽然使焊缝截面增厚，但却使应力集中程度也增加，因此生产中应适当控制余高量，不应当以增加余高的方法来增加焊缝的承载能力。余高不得超过国家有关标准规定的0～3mm范围。

图2-13 接头的应力分布（a为平均应力）

图2-14 余高和过渡半径与应力集中系数的关系

由余高带来的应力集中，对动载结构的疲劳强度是十分不利的，所以此时要求它越小越好，国家标准规定：在承受动载荷情况下，焊接接头的焊缝余高应趋于零。因此，对重要的动载结构，可采用削平余高或增大过渡圆弧的措施来降低应力集中，以提高接头的疲劳强度。

对接接头外形的变化与其它形式的接头相比是不大的，所以它的应力集中较小，而且易于降低和消除。因此，对接接头是最好的接头形式，不但静载可靠，而且疲劳强度也较高。

2．T形接头（十字接头）

由于T形接头（十字接头）焊缝向母材金属过渡较急剧，接头在外力作用下力线扭曲很大，造成应力分布极不均匀，在角焊缝的根部和过渡处，易产生很大的应力集中，如图2-15所示。

43

图2-15 T形（十字）接头的应力分布

图2-15a是Ⅰ形坡口T形（十字）接头中正面焊缝的应力分布状况。由于整个厚度没有焊透，焊缝根部应力集中很大。在焊趾截面B－B上应力分布也不均匀，B点的应力集中系数KT值随角焊缝的形状而变，应力集中KT随θ角减小而减小，也随焊脚尺寸K增大而减小。

图2-15b是开K形坡口并焊透的T形（十字）接头，这种接头使应力集中程度大大降低，应力集中系数KT∠1，事实上已经不存在应力集中问题了。这是因为：由于θ角大幅度降低而使焊缝向母材金属过渡平缓，消除了焊趾截面的应力集中；由于开坡口并焊透而消除了焊跟部的应力集中。因此，保证焊透是降低T形（十字）接头应力集中的重要措施之一。因此，在焊接结构生产中，对重要的T形（十字）接头必须开坡口焊透或采用深熔法进行焊接。

3．搭接接头

搭接接头使构件形状发生较大的变化，其应力集中比对接接头的情况要复杂得多。在搭接接头中，根据搭接角焊缝受力的方向，可以将搭接角焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝三种，见图2-16。焊缝与力的作用方向相垂直的角焊缝称为正面角焊缝（L3段）；而相平行的称为侧面角焊缝（L1、L5段）；介于两者之间的称为斜向角焊缝（L2、L4段）。

图2-16 搭接接头角焊缝

（1）正面角焊缝的工作应力分布 在正面角焊缝的搭接接头中，应力分布很不均匀，见图2-17。在角焊缝的焊根A点和焊趾B点，都有较大的应力集中。焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边与水平边的夹角而改变。减小角和增大熔深，焊透根部，可以降低焊趾处和焊根处的应力集中系数。

图2-17 正面搭接角焊缝的应力分布

（2）侧面角焊缝的工作应力分布 侧面角焊缝的工作应力分布见图2-18。其特点是最大应力在两端，中部应力最小，而且焊缝较短时应力分布较均匀，焊缝较长时，应力分布不均匀的程度就增加。因此，采用过长的侧面角焊缝是不合理的，通常规定侧面角焊缝不得大于50K（K为焊脚尺寸）。

图2-18 侧面角焊缝的工作应力分布

44

（3）联合角焊缝的工作应力分布 既有侧面角焊缝又有正面角焊缝的搭接接头称为联合角焊缝搭接接头。在只有用侧面角焊缝焊成的搭接接头中，母材金属断面上的应力分布不均匀（图2-18），例如，横截面A—A的焊缝附近就有最大的正应力max分布，其应力集中非常严重。增添正面角焊缝后的应力分布见图2-19。在A—A截面上正应力分布较为均匀，最大切应力max降低，致使在A—A截面上两端点上的应力集中得到改善。由于正面角焊缝承担一部分外力，以及正面角焊缝比侧面角焊缝刚度大，变形小，所以侧面角焊缝的切应力也得到改善。为此在设计搭接接头时，如增添正面角焊缝，不但可以改善应力分布，还可以缩短搭接长度，图2-19为联合角焊缝的应力分布。

图2-19 联合角焊缝的应力分布

（4）盖板接头中的工作应力分布 加盖板接头，有双盖板搭接和单盖板搭接两种。仅用侧面角焊缝连接的盖板接头见图2-20a，在盖板范围内各横截面正应力的分布极不均匀，靠近侧面焊缝的部位应力最大，远离焊缝并在构件的轴线位置上应力最小。增添正面角焊缝连接的盖板接头见图2-20b，其各横截面正应力的分布得到明显改善，应力集中大大降低。但是，这种接头在承受动载荷的结构中疲劳强度极低，因而盖板接头还是不宜采用。

在各种角焊缝构成的搭接接头中，实验证明，在相同的焊脚尺寸的条件下，正面角焊缝的单位长度强度较侧面角焊缝高，而斜向角焊缝的单位长度强度介于二者之间。

综合上述，各种电弧焊接头，都有不同程度的应力集中。实践证明，并不是在所有情况下应力集中都将影响强度。当材料具有足够的塑性时，结构在静载破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。例如侧面搭接接头在加载时，如果母材和焊缝金属都有较好的塑性，起初焊缝工作于弹性极限内，其切应力的分布是不均匀的，如图2-21所示。继续加载，焊缝的两端点达到屈服极限（τs），则该处应力停止上升，而焊缝中段各点的应力尚未达到τs，故应力随着加载继续上升，到达屈服极限的区域逐渐扩大，应力分布曲线变平，最后各点都达到τs。如再加载，直至使焊缝全长同时达到强度极限，最后导致破坏。这说明接头在塑性变形的过程中能发生应力均匀化，只要接头材料具有足够的塑性，应力集中对静载强度就没有影响。

图2-20 加盖板接头的应力分布

图2-21 侧面搭接接头的工作应力均匀化

45

第三节 焊接接头的静载强度计算

一、工作焊缝和联系焊缝

任何一个焊接结构上，都有若干条焊缝，根据其传递载荷的方式和重要程度，一般可分为两种：一种焊缝与被连接的元件是串联的，它承担着传递全部载荷的作用，即焊缝一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，见图2-22a、b，其应力称为工作应力；另一种焊缝与被连接的元件是并联的，它仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称为联系焊缝，见图2-22c、d，其应力称为联系应力。在结构设计时无需计算联系焊缝的强度，只计算工作焊缝的强度。对于具有双重性的焊缝，它既有工作应力又有联系应力，则只计算工作应力，而不考虑联系应力。

图2-22 工作焊缝和联系焊缝

a、b) 工作焊缝 c、d) 联系焊缝

二、焊接接头强度计算的假设

焊接接头的强度计算，和其它结构的强度计算相同，均需要计算在一定载荷作用下产生的应力值。但是焊接接头的应力分布，尤其是角焊缝构成的T字接头和搭接接头等的应力分布非常复杂，精确计算接头的强度是困难的，常用的计算方法都是在一些假设的前提下进行的，称之为简化计算法。在静载条件下为了计算方便常作如下假设：

1）残余应力对接头强度没有影响。

2）焊趾处和余高处的应力集中，对接头强度没有影响。 3）接头的工作应力是均布的，以平均应力计算。 4）正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别。 5）焊脚尺寸的大小对角焊缝的强度没有影响。

6）角焊缝都是在切应力的作用下被破坏，故按切应力计算强度。

7）角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面的最小高度上，其值等于内接三角形高a，见图2-4，a称为计算高度，直角等腰角焊缝的计算高度：

Ka0.7K28） 余高和少量的熔深对接头的强度没有影响，但是，在采用熔深较大的埋弧焊和CO2气体保护

焊时，应予以考虑，见图2-23。其角焊缝计算断面高度a为：

a=（K+p）cos45º

当K≤8mm时，可取a等于K；当K＞8mm时，可取p=3mm。

46

图2-23 深熔焊的角焊缝

三、 电弧焊接头的静载强度计算

静载强度计算方法，目前仍然采用许用应力法。而接头的强度计算实际上是计算焊缝的强度。因此，强度计算时的许用应力值均为焊缝的许用应力。

电弧焊接头的静载强度计算的一般表达式为:

σ≤[σ′]或τ≤[τ′]

式中：σ、τ为平均工作应力；[σ′]、[τ′]为焊缝的许用应力。下面分析各类接头的静载强度计算式及其应用。

1．对接接头的静载强度计算

计算对接接头的强度时，可不考虑焊缝余高，所以计算基本金属强度的公式完全适用于计算这种接头。焊缝计算长度取实际长度，计算厚度取两板中较薄者。如果焊缝金属的许用应力与基本金属相等，则可不必进行强度计算。

图2-24 对接接头受力情况

全部焊透的对接接头的各种受力情况见图2-24。图中F为接头所受的拉（或压）力，Q为切力，M1为平面内弯矩，M2为垂直平面的弯矩。

各种受力情况的强度计算公式如下： （1）受拉或受压 受拉时

Ft'L1Ft

（2-1）

p'p受压时 L  1

式中 F——接头所受的拉力或压力（N）；

L——焊缝长度（mm）；

1——接头中较薄板的厚度（mm）；

t、p——接头受拉或受压时焊缝中所承受的工作应力（MPa）

；

[t]——焊缝受拉或受弯时的许用应力（MPa）；

'[p]——焊缝受压时的许用应力（MPa）； ' 47

例1 两块板厚为5mm、宽为500mm的钢板对接在一起，两端受28400N的拉力，材料为Q235—A钢，[t]＝142MPa，试校核其焊缝强度。

解 已知F=284000N，L=500mm，1=5mm，[t]＝142MPa，代入式（2-1）得

''tF28400N113.6MPa't142MPaL1500mm5mm所以该对接接头焊缝强度满足要求，结构工作时是安全的。 （2）受剪切

Q[']L1

(2-2)

式中 Q——接头所受的切力（N）；

L——焊缝长度（mm）；

； 1——接头中较薄板的厚度（mm）；  ——接头焊缝中所承受的切应力（MPa）[']——焊缝许用切应力（MPa）。

例2 两块板厚为10mm的钢板对接，焊缝受29300N的切力，材料为Q235—A钢，试设计焊缝的长度（钢板宽度）。

解 由式(2-2)可得

LQ1[']

由已知条件知Q=29300N，1=10mm；由表2-3中查得[τˊ]＝93MPa，代入上式得

L29300N29.9mm1098MPa取L＝32mm。即当焊缝长度(板宽)为32mm时，该对接接头焊缝强度能满足要求。 （3）受弯矩

1） 受板平面内弯矩M1

2） 受垂直板面弯矩M2

式中 M1——板平面内弯矩（N·mm）；

M2——垂直板面弯矩（N·mm）； L——焊缝长度（mm）；

； 1——接头中较薄板的厚度（mm）

； ——接头受弯矩作用时焊缝中所承受的工作应力（MPa）[t']——焊缝受拉或受弯时的许用应力（MPa）。

48

6M11L2t'(33)6M212Lt'(34)例3 两块相同厚度的钢板对接接头，材料为Q345，钢板宽度为300mm，焊缝质量用普通方法检查，受垂直板面弯矩3000000N·mm，试计算焊缝所需的厚度（板厚）。

解 由式（2-4） 可得

16M2L[t']

由已知条件M2=3000000N·mm，L=300mm，由表2-3中查得[t']＝201MPa。代入上式得

16300000017.2mm300201

取1＝18mm，即当焊缝厚度（板厚）为18mm时，该对接接头焊缝强度能满足要求。 2．搭接接头的静载强度计算

（1）受拉、压的搭接接头计算 各种搭接接头的受力情况见图2-25。由于焊缝和受力方向相对位置的不同，可分成正面搭接受拉或压、侧面搭接受拉或压和联合搭接受拉或压三种焊缝。

图2-25 各种搭接接头受力情况

a) 正面搭接受拉或压 b) 侧面搭接受拉或压 c) 联合搭接受拉或压 三种焊缝的计算公式如下： 1） 正面搭接受拉或压计算公式

2） 侧面搭接受拉或压计算公式

F[']1.4KL

3） 联合搭接受拉或压计算公式

F[']1.4KL

F[']0.7KL

式中 F——搭接接头所受的拉力或压力（N）；

K——焊脚尺寸（mm）； L——焊缝长度（mm）；

L——正、侧面焊缝总长度（mm）；

； ——搭接接头角焊缝所承受的切应力（MPa）[']——焊缝金属许用切应力（MPa）。

49

例4 将100mm100mm10mm的角钢用角焊缝搭接在一块钢板上，见图2-26。受拉伸时要求与角钢等强度，试计算接头的合理尺寸K和L应该是多少？

图2-26 角钢与钢板组成搭接接头

解 从材料手册查得角钢断面面积A=19.2cm2；许用拉应力[t']＝160MPa＝160N/mm2，焊缝许用切应力[]=100MPa＝100N/mm2

角钢的允许载荷[F]=A[t']=1920mm2×160 N/mm2=307200N。

假定接头上各段焊缝中切应力都达到焊缝许用切应力值，即＝[]。若取K＝10mm，用焊条电弧焊，则所需的焊缝总长度为

L[F]0.7K[']307200N0.710mm100N/mm2439mm''角钢一端的正面角焊缝L3=100mm，则两侧焊缝总长度为339mm。根据材料手册查得角钢的拉力作用线位置e＝28.3mm，按杠杆原理，则侧面角焊缝L2应承受全部侧面角焊缝应该承受载荷的28.3%。故

L233928.3mm96mm100另外一侧的侧面角焊缝长度应该是：

L133910028.3mm243mm100取L1＝250mm，L2＝100mm

（2）受弯矩的搭接接头计算

1）分段计算法 分段计算法的示意图见图2-27，外加力矩M必须与水平焊缝产生的内力矩MH和垂直焊缝产生的内力矩MV之和相平衡，即：M＝MH+MV

当焊缝不是深熔焊缝，其应力值达到时 水平焊缝中的力矩

MH0.7KL(hK)

垂直焊缝中的力矩

0.7Kh2MV6

MMH0.7Kh2MV[0.7KL(hK)]650

M0.7Kh20.7KL(hK)6[']图2-27 分段计算法示意图

图2-28 轴惯性矩计算法示意图

2）轴惯性矩计算法 轴惯性矩计算法的示意图见图2-28。计算的基本假设是焊缝中某点的应力值与其至中性轴的距离成正比，因此，最大应力值将出现在离中性轴最远的ymax处。

计算公式为：

maxMymax[']I式中 M ——作用在接头上的外加弯矩（N·mm）；

ymax ——焊缝至x轴的最大距离（mm）； Ix ——焊缝对x轴的计算惯性矩（mm4）； max ——焊缝受到的最大切应力（MPa）；

['] ——焊缝的许用切应力（MPa）。

例5 由三面角焊缝组成的悬臂搭接接头见图2-29。当焊缝总长为500mm，h=300mm，K=10mm时，在梁的端头作用一弯矩M=28000000N·mm，试计算接头是否安全经济，并比较两种计算方法的结果。焊缝金属许用切应力[']＝100MPa。

解 （1）分段计算法 由计算公式

mm根据原始据M=28000000N·mm，K=10mm，h=300mm，L= ＝ 100 mm 。

5003002M0.7KL(hK)0.7Kh62[']将数据代入上式得

51

280000000.71030020.710100(30010)62N/mm286.96N/mm86.96MPa

86.96MPa<100MPa，即 所以接头是安全的。

（2）轴惯性矩计算法 由计算公式 根据原始数据

[']maxMymaxI,ymaxh300K(10)160mm22M=28000000N·mm，

Ix的计算

IxIx12Ix2hK33001032.51041212mm4

Ix1

Ix2KL3hK1010033001044LK100102485.510mm12212222故IxIx12Ix2=(2.5+2×2485.8)×104=4974.1×104 mm4 将数据代入原式

max280000004974.11041690.06 N/mm290.06MPa90.06MPa<100MPa，即

所以接头是安全的。

max[']从上述计算结果可以看出，分段计算和轴惯性矩法得出的结果大体相同，只是分段计算法运算较为简便，特别是当已知载荷，设计焊缝长度或焊脚尺寸时，用分段计算法更为方便。

图2-29 悬臂搭接接头

52

图2-30 受偏心载荷的搭接接头

（3）受偏心载荷的搭接接头计算 如果接头承受的载荷不是单纯的弯矩，而是垂直于x轴方向的偏心载荷F，见图2-30。此时焊缝中既有由弯矩M=FL引起的切应力M，又有由切力引起的切应力Q。因此，应分别计算出M和Q，再按下式计算合成应力合

22合MQ[']

式中M按受弯矩的搭接接头进行计算，Q按下式进行计算： QF

0.7KL例6 一偏心受载的搭接接头见图2-30。已知焊缝长度h=400mm，l0=100mm，焊脚尺寸K=10mm。外加载荷F=30000N,梁长L=100cm，试校核焊缝强度。焊缝的许用切应力[']=100MPa。

解 用分段计算法计算M

MM0.7Kh20.7Kl0(hK)6

由F力引起的弯矩M=FL=30000×1000=30000000N.mm。 代入原始数据

M3000000000.71040020.710100(40010)6F

0.7KlN/mm263.34N/mm263.34MPa

计算Q:

Ql为焊缝总长，即l(400100100)mm600mm

Q30000N/mm27.14N/mm2=7.14MPa

0.710600计算合成切应力合

2222

合MQ63.3427.142N/mm=63.74N/mm=63.74MPa

由于 63.74MPa<100MPa 即 合['] 所以此搭接接头是安全的。

53

（4）双缝搭接接头计算 双缝搭接接头只有两条角焊缝焊成，根据焊缝长度和焊缝之间距离的对比关系，可分成长焊缝小间距搭接接头和短焊缝大间距搭接接头两种形式，见图2-31。

长焊缝小间距搭接接头的计算

M3FL0.7Kl2 QF 1.4Kl当F⊥焊缝时，合MQ 当F∥焊缝时，合MQ

短焊缝大间距搭接接头的计算

22MFL 0.7KlhQF 1.4Kl当F∥焊缝时， 合MQ 当F⊥焊缝时， 合MQ

图2-31 双缝搭接接头

a） 长焊缝小间距搭接接头 a1）F⊥焊缝 b1）F∥焊缝 b）短焊缝大间距搭接接头 a2）F∥焊缝 b2）F⊥焊缝

3．T形接头的静载强度计算

（1）载荷平行于焊缝的T形接头计算 如图2-32所示，如果开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属截面等于母材金属截面（A=h）。当开I形坡口时，计算公式为：

M3FL20.7Kh222 QF

1.4Kh

图2-32 T形接头（载荷平行于焊缝）

由于产生最大应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时有两个切应力起作用，一个是由M=FL引起的M，另一个是由Q=F引起的Q。M和Q是互相垂直的，所以合成切应力合

54

22合MQ

图2-33 T形接头的焊脚尺寸设计

例7一T形接头见图2-33。已知焊缝金属的许用切应力[']=100MPa，试设计角焊缝的焊脚尺寸K。

解 计算M

M3FL

0.7Kh2将原始数据代入上式得

M计算Q

375000200500 20.7K0.7K300Q=

F

1.4Kh75000250

1.4K3001.4K将原始数据带入上式得

Q 计算合

22合MQ(50022502)() 0.7K1.4K利用强度校核公式合['] 即(50022502)()100 0.7K1.4K(故K50022502)()0.71.4=7.3mm

100取K=8mm

(2) 弯矩垂直于板面的T形接头计算 如图2-34所示，如开坡口并焊透，其强度按对接接头计算。当接头开I形坡口用角焊缝连接，强度计算公式如下

M=

W[']

L[(1.4K)22] W

6(1.4K)

55

图2-34 T形接头（弯矩垂直板面）计算

4．复杂截面构件接头的应力计算

进行计算时，首先应弄清接头的受载状况，分别算出各载荷引起的应力，然后计算其合成应力。在计算合成应力之前，还必须明确各应力的方向、性质和位置。应该确定危险点上的最高合成应力，如果危险点难以确定时，应选几个高应力点计算合成应力，其中合成应力最高的为危险点。

复杂截面连接常见的形式有箱形、环形、工字形和T形，见图2-35。

复杂截面的连接接头多数承受弯矩，进行计算时，首先求得接头上各焊缝对O—O轴的计算惯性矩Ia，然后用轴惯性矩法公式计算最高应力。计算惯性矩Ia及ymax的近似公式见表2-1。如果构件同时受弯矩M及轴向力N时，焊缝中的应力按下式分别计算：

表2-1 计算惯性矩Ia及ymax的近似公式

序号 (1) (2) (3) 截面形式 图2—35a 图2—35b 图2—35c Ia计算公式 ymax ymax=ymax=ymax=IaIaIa0.7K[(hK)33Bh2] 6hK 2DK 2HK 264[(D1.4K)4D4] 0.7K3[h3(B2K)h23BH2] 6由于N和M方向相同，所以合成应力

合=N+M

图2-35 复杂截面的连接形式

a) 箱形截面连接 b) 环形截截面连接 c、d) I字形、T形截面连接

如果构件同时承受横向力F和轴向力N，见图2-36，此时同时承受弯矩M=FL及轴向力N和切力Q=F的作用。由于构件承受切力Q时，只有腹板承受，切力只能由连接腹板的焊缝承受，并假定切应力是沿焊缝均匀分布的。

图2-36 工字形截面连接计算

56

当计算连接焊缝的强度时，应验算两个位置的合成应力： 一个是翼板外侧受拉焊缝的合成应力，其计算公式为

MN合ymax[']

Ia0.7Kl式中l—接头焊缝的总长度。

另一个是计算腹板立焊缝端点的合成应力，其计算公式为 合(MhN22)Q['] Ia20.7Kl四、焊缝许用应力

焊缝许用应力的大小与许多因素有关，它不但与焊接工艺材料有关，而且也与焊接检验方法的精确程度密切相关。

随着焊接技术的不断发展，以及焊接检验方法的日益改进，焊接接头的可靠性不断提高，焊缝的许用应力也相应增大。确定焊缝的许用应力有两种方法。

第一种方法：按基本金属的许用应力乘以一个系数，确定焊缝的许用应力。这个系数主要是根据所用焊接方法和焊接材料而确定的。若用一般焊条和手工焊成的焊缝，应采用较低的系数，用低氢型焊条或机械化焊焊成的焊缝，采用较高的系数，见表2-2。

表2-2 焊缝金属的许用应力

焊缝许用应力 焊缝种类 应力状态 一般420MPa及490MPa 级焊条电弧焊 拉应力 对接焊缝 压应力 切应力 角焊缝 切应力 0.9[] [] 0.6[] 0.6[] 低氢焊条电弧焊、 自动焊和半自动焊 [] [] 0.65[] 0.65[] 注：1. []为基本金属的拉伸许用应力。

2. 适用于低碳钢及490MPa级以下的低合金结构钢。

第二种方法：采用已经规定的具体数值，这种方法多为某类产品行业所用。为了本行业的方便和技术上的统一，常根据产品的特点、工作条件、所用材料、工艺过程和质量检验方法等，制订出相应的焊缝许用应力的具体数值，见表2-3。

57

表2-3 焊缝金属的许用应力 （MPa） 机械化焊、手工焊和用 E43型焊条电弧焊 机械化焊、手工焊和用E50型焊条电弧焊 构件的钢号 应力种类 号 Q215钢 Q235钢 Q345（16Mn）钢 符 焊缝种类 第一组第二、三组第一组第二、三组第一组第二组第三组 抗 压 机械化焊或用精确方法[P] 152 136 166．5 152 235 226 210 对接焊缝 抗 拉 检查手工焊的焊缝质量 用普通方法检查手工焊焊缝的质量 [t'] 152 136 166.5 152 235 226 210 [t'] ['] 127 117.5 142 127 201 191 181 抗 剪 93 83 98 93 142 136 127 角焊缝 抗拉、抗压、 抗剪 ['] 107 107 117.5 117.5 166.5 166.5 166.5 注：1.钢材按其尺寸分组，见表2-4。

2.检查焊缝的普通方法系指外观检查、测量尺寸、钻孔检查等方法；精确方法是在普通方法的基础上，用射

线或超声波进行补充检查。

表2-4 钢材的分组尺寸 （mm） 钢材的钢号 组别 钢棒的直径或厚度 第一组 第二组 第三组 ≤40 >40~100>15~20 >20Q215钢或Q235钢 型钢或异型钢厚度 ≤15 4~20 >20~40 17~25 26~36≤16 钢板的厚度 Q345（16Mn）钢 钢材的直径或厚度 注：1.棒钢包括圆钢、方钢、扁钢及六角钢。型钢包括角钢、工字钢和槽钢。

58

2.工字钢和槽钢的厚度系指腹板的厚度。

复习思考题

1． 焊接接头的两个基本属性是什么？

2． 焊接接头及焊缝有哪几种基本形式？各有何特点？ 3． 为什么不能过多地增加对接焊缝的余高值？

4． 从强度观点看，为什么说对接接头是最好的接头形式？ 5． 为什么说搭接接头不是一种理想的接头形式？ 6． 搭接接头为什么宜采用联合搭接接头形式？ 7． 设计搭接接头时，增加正面角焊缝有什么好处？ 8． 为什么焊接结构中最好不要采用盖板接头？

9． 什么是应力集中？焊缝外形上什么地方容易产生应力集中？

10．焊接接头产生应力集中的原因有哪些？为什么说应力集中对塑性材料的静载强度无影响？ 11．T形接头在什么地方有较大的应力集中？怎样减小T形接头的应力集中? 12．应力集中系数KT=1.8，表示什么意思？

13．什么是工作焊缝？什么是联系焊缝？设计结构时要计算哪种焊缝的强度？为什么？ 14．怎样区分工作焊缝和联系焊缝？哪一种焊缝要进行强度计算？

15．一对接接头，板厚10mm，宽600mm，两端受400000N的拉力，材料为Q235-钢，焊缝质量用普通方法检查，试校核其焊缝强度？

16．图2-29的悬臂梁搭接接头，h=400mm，K=8mm，在梁的端头作用一弯矩M=3000000N·mm，焊缝金属的许用应力[']=100MPa，试设计焊缝长度L。 17．熟悉电弧焊接头静载强度的计算公式及其应用。 18．确定焊缝许用应力的方法有哪两种？各用于什么场合？

59