第一节焊接接头的工作应力分布.docx
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第一节焊接接头的工作应力分布
第一节焊接接头的工作应力分布
一、焊接接头的基本形式
焊接接头是指用焊接方法连接的接头（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，可以从不的角度将它们加以分类。
例如可按所采用的焊接方法、接头构造形以及坡口形状、焊缝类型等来分类。
根据所采用的焊接方法不同，接接头可以分为熔焊接头、压焊接头和钎焊接头三大类。
这三大类头又因采用的具体焊接方法不同而可进一步细分。
根据接头的构造式不同，焊接接头可以分为对接接头、T形（十字）接头、搭接接、角接接头和卷边接头。
1．对接接头在同一平面上，两板件端面相对焊接而形成的接称为对接接头，如图4-1-1所示。
2．搭接接头两板件部分重叠在一起进行焊接而形成的接头称搭接接头，如图4-1-2所示。
图4-1-1对接接头图4-2搭接接头
3．T形接头一板件与另一板件相交构成直角或近似直角的接称为T形接头，如图4-1-3所示。
4．角接接头两板件端面构成直角或近似直角的连接接头称为接接头，如图4-1-4所示。
图4-1-3T形接头图4-1-4角接接头
5．卷边接头焊件端部预先卷边，在卷边处进行焊接的接头称为卷边
接头，如图4-1-5所示。
图4-1-5卷边接头
二、焊接接头的基本力学性能
传统上把在常压和自然环境温度范围内进行的与超载变形、断裂和脆断有关的力学性能称为材料和焊接接头的力学性能。
断裂力学出现以前，经常只把拉伸、弯曲和冲击试验所测取的材料性能，称做材料的基本力学性能。
随着断裂力学的发展及其在工程中进行安全评估的日益普遍应用，断裂韧度也被列入基本力学性能的范围。
焊接接头基本力学性能的测试以及用其作为强度设计的依据进行安全评估比较复杂，主要原因是焊接接头的形状不连续性，焊接缺陷、焊接残余应力、焊接变形以及焊接接头各区的组织结构和性能的不均匀性。
对异质材料的焊接接头，除上述力学性能不均匀外，接头各部分的其他物理性能有时也可能存在较大差别。
这些都经常导致焊接接头力学性能测试结果有较大的分散性，甚至对相同接头，由于测试细节的不同，不同的测试者之间也可能得出具有显著差别的试验结果。
以下内容将针对焊接接头的这个特点，阐述接头力学性能。
1．拉伸性能
（1）母材拉伸性能母材金属沿纵向、横向和厚度方向（Z向）的性能是不一样的。
沿三个不同方向切取的拉伸试样（图4-1-6）可测取母材沿三个方向的强度和塑性。
按GB/T228--1987《金属拉伸试验法》加工试样和进行拉伸试验。
试验结果绘成图4-1-7所示的工程应力-应变图，其中纵坐标表示应力（σ），横坐标表示应变（ε）。
由拉伸试验可以测取材料的规定弹性极限σe，比例极限σp，屈服强度盯。
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），称下屈服点σsl为该材料的屈服强度。
在没有明显屈服平台的情况下（图4-1-7c），习惯上用σ0.2（取对应于试件卸载后产生0.2%的残余线应变时的应力值作为材料的屈服极限）代表材料的屈服点。
图4-1-6三个方向拉伸示意图
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）带有屈服平台b）带有上、下屈服点c）没有屈服平台
在拉伸试验中，试件断裂后，变形中的弹性部分回复而消失，但塑性部分则遗留下来。
工程中常用的两个塑性指标是伸长率δ和断面收缩率Ψ。
一般材料沿纵向的拉伸性能稍优手横向，但随着现代钢铁工业的进步，材料本身纵横向的拉伸性能的差异逐渐减少。
沿厚度名方向的拉伸试验结果有较大的分散性，2向拉伸性能较大地取决于材料的杂质成分及其加工过程。
很多材料的z向拉伸强度可能稍低于其他两个方向，但z向拉伸的塑性却显著低于其他两个方向。
z向拉伸经常用来评价材料对于垂直表面受拉力的焊接结构的适用性。
现代焊接性研究中，z向拉伸测试的δ和Ψ还被作为钢材层状撕裂敏感性的度量。
（2）焊缝金属和焊接接头的拉伸性能焊缝金属拉伸试样的受试部分应全部取在焊缝中（图4-1-8），试板的焊接应与实际工程焊接条件相同。
由于焊缝各层性能是不完全相同的，因此焊接接头力学性能试件的取样应严格按标准GB/T2649—1989进行，否则将降低试验结果的可比性。
焊缝金属的拉伸试验方法按GB/T2652—1989《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行。
测试项目和母材拉伸试验完全相同。
焊接接头拉伸试样包括了母材、热影响区、熔合区和焊缝四部分，常用的横向和纵向两种形式焊接接头的拉伸试样，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》进行。
其主要特点是受试区所包含
焊缝
＼，
广——、——]
《]（CCC《C（~《t（~《~~qc~"（ICl（'《L￡王王=LJ“（
l.j-,___.Ji'
图4-1-8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--接头纵向拉伸试样
的焊接接头各区在拉伸加载时，承受相同数值的应力，拉伸中的大部分塑性变形和最后断裂都发生在最弱区。
焊接接头力学性能不均匀性对接头横向拉伸性能有明显影响。
在高组配焊接接头横向拉伸时，大部分塑性形变发生在母材（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区域。
这种情况下，拉伸试验只能得出焊缝强度高于母材的结论，不能定量地比较焊缝的强度和塑性。
在低组配的焊接接头（即焊缝强度低于母材）横向拉伸试验中，主要的塑性形变、缩颈和断裂虽然都发生在焊缝中，但是由于塑性形变的集中和母材对焊缝形变的约束作用，这种试验测出δ和Ψ也不能用来比较焊缝金属的塑性。
因此按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取抗拉强度σb。
低组配的横向拉伸试样虽然断在焊缝，但因此得到的抗拉强度并不等于焊缝金属的抗拉强度，一般情况下前者高于后者。
应强调指出，由接头横向拉伸测取的低组配焊接接头抗拉强度受焊缝宽度H0与试样厚度δ0之比的影响，也受试样厚度δ0和试样宽度W0之比的影响（如图4-1-9）。
一般焊接结构的实际板厚，特别是构件的实际宽度均显著大于标准焊接接头横向拉伸试样的宽度和厚度，因此采用低组配的焊接结构，实际结构的抗拉强度可能高于标准横向接头拉伸试样。
800
400
t0180=0.47
j～＼
＼＼j
00.40.8
/to/6"o
图4-1-9低强度组配焊接接头横向拉伸强度
口。
一母材强度aw-焊缝强度口j--接头强度
在焊接接头纵向拉伸过程中，主要特点是焊接接头各区承受相同数值的应变。
具有高强度和低塑性焊缝的高组配焊接接头的纵向拉伸试件的断裂，首先发生在焊缝区，其抗拉强度既低于焊缝，有时还可能低于母材。
相反，具有较高塑性焊缝的低组配的接头可得到较高的纵向拉伸强度。
因此，联系焊缝以及管道和圆筒形压力容器的环焊缝，采用较好塑性的低组配的焊接接头更为合适。
2．焊接接头的硬度焊接接头的硬度按GB/T2654—1989《焊接接头及堆焊金属硬度试验方法》进行。
一般情况下金属的强度和硬度对于确定类型的材料存在一定的经验关系，作为一个例子示于表4-1-1，详细情况查阅GB/T1172—1989《黑色金属硬度及强度换算值》、GB/T3771—1983《铜合金硬度及强度换算值》。
焊接接头的硬度除用来估价接头各区的强度外，接头硬度也常与焊件的使用性能有关。
例如作为抗磨损能力的度量，耐磨堆焊件常规定其最低允许硬度数值,低于此值表示堆焊表面的耐磨性不足。
相反，对于另一些焊件，特别是在含氢介质工作的结构，由于淬硬组织易引起氢致开裂和其他氢损伤，因此有时规定焊缝的最高硬度不能超过上限数值。
焊接接头热影响区的最高硬度还被用来评价钢材的冷裂倾向。
表4-1-1黑色金属硬度和强度的换算
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
367
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
229.3
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．焊接接头的弯曲性能弯曲试验用来评价焊接接头的塑性变形能力和显示受拉表面的焊接缺陷。
按GB/T2653—1989《焊接接头弯曲及压扁试验方法》，采用横弯、纵弯和侧弯三种基本类型弯曲试样（图4-1-10），对横弯和纵弯试样，根据弯曲时受拉面的不同又可分为正弯（受拉面为焊缝正面）和背弯（受拉面为焊缝背面）。
采用三点弯曲和辊筒弯曲两种试验方法（图4-1-11）。
弯曲试验中常用弯曲角α达到技术条件规定的数
值时，以是否开裂评定受试接头是否满足要求，有时也以受拉面出现裂纹时的临界弯曲角α比较受试接头的弯曲性能。
工程中较多使用的是三点弯曲试验方法。
a）b）c）
图4-1-10三种类型弯曲试样结构图
a）横弯b）侧弯c）纵弯
瞳
白≮
豸
巾产
qY
、
q／
1·5一l
／
i
b）
1『
妻
≥
ql
I，
、JI
JI
q㈣埘伊
图4-11两种弯曲试验方法示意图
a）三点弯曲b）辊筒弯曲
弯曲试验的压头和内辊直径D根据相应试验材料的技术条件规定取用。
D和弯曲试验厚度α的比值对弯曲性能有很大影响，不同D/α条件测取的弯曲角不能进行比较。
4．管接头的压扁性能带纵焊缝和环焊缝的小直径管接头，不能取样进行弯曲试验时，按GB/T2653—1989《焊接接头弯曲及压扁试验方法》进行压扁试验。
压扁试验是将管接头外壁距离压至H时（图4-1-12），检查焊缝拉伸部位有无裂纹。
H按下式计算：
图4-1-12管接头的压扁试验
H=
式中δ—管壁厚；
D—管外径；
e—单位伸长的变形系数（由产品规范确定）。
如试验纵焊缝时，应注意使试验焊缝位于与作用力相垂直的半径平面内。
对相同几何尺寸的管接头，有时也采用对比压扁试验刚出现裂纹时H值大小的方法，比较管接头的塑性优劣。
5．焊接接头的冲击韧度焊接接头的冲击韧度是抗脆断能力的工程度量。
按GB/T2650--1989《焊接接头冲击试验方法》规定，采用V形缺口试样为标准试样（图4-1-13），根据技术条件规定，允许采用U形缺口辅助试样（图4-1-13）。
缺口开在焊接接头欲测定冲击韧度的特定区域，以测取该区的冲击韧度。
试件受冲击弯曲折断时消耗的功称为冲击吸收功，以AK表示，单位是焦耳（J），缺口处单位横截面积所消耗的功称为冲击韧度。
以αK表示，单位是J/cm2。
不同缺口形式和其他非标准试样的冲击吸收功或冲击韧度之间不能换算。
表4-1-2为国家标准对几种钢冲击吸收功的规定。
表4-1-3为日本规程规定的压力容器用钢对冲击吸收功的规定。
图4-1-13两种典型冲击试件
表4-1-2国家标准对几种钢冲击吸收功的规定
标准
钢号
屈服点/MPa
抗拉强度/MP8
最低冲击吸收功（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/T4172—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日本压力容器用钢对冲击吸收功的规定
抗拉强度/MPa
最小冲击吸收功/J
平均值
单个试件最低值
<490
20.6
13.02
490～588.3
27.4
20.5
>588.3
27.4
27.4
6．焊接接头的断裂韧度促使无裂纹的物体发生断裂的推动力是应力（例如σ），这类物体发生断裂的临界应力是材料的强度σb。
促使带裂纹的物体断裂（即裂纹扩展）的推动力是断裂参量，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），使裂纹发生断裂的临界断裂参量Kc、Jc和△c。
是材料的断裂韧度。
断裂力学研究表明，断裂参量（K或J或△）是描述裂纹尖端应力应变场的单一参量，这些参量与裂纹所在区域的应力、裂纹尺寸和裂纹几何形状有关。
例如在垂直裂纹面的正应力σ作用下，I型应力强度因子KI的一般表达式为：
KI=Yσ
式中Y—裂纹几何形状因子；
σ—裂纹所在区域的名义应力；
—裂纹尺寸。
在线弹性范围内，平面应变状态下，裂纹尖端张开位移△和J积分JI与KI的关系为：
△＝
ＪＩ＝
式中E——弹性模量；
——泊松比；
σｓ——屈服点。
断裂韧度的测量一般是采用已知断裂参量计算式的试样，按一定程序加载，测取开裂时的临界载荷及由其对应的施力点位移和裂纹嘴张开位移，按已知的断裂参量表达式计算断裂参量。
目前国内测定焊接接头断裂韧度的标准参照如下：
GB/Ｔ4161—1984《金属材料平面应变断裂韧度KIＣ试验方法》；GB/T2038—1991《金属材料延性断裂韧度JIＣ试验方法》和GB/T2358--1994《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法>进行。
断裂韧度常用来评价材料和焊接接头韧度的优劣，确定焊接结构裂纹容限，评估结构寿命和使用安全性。
7．焊接接头的微型剪切性能 为适应焊接接头各区力学性能，大梯度变化的特点，近年来提出的微型剪切试验引起焊接界的重视。
微型剪切试验是将从焊接接头中取出小断面（例如1.5mm见方或圆）的长条试样，按一定间距逐点剪断，确定各点的抗剪强度和剪切面压入率（塑性指标）。
这个方法的原理和装置，如图4-１－14所示。
抗剪强度τb、临界抗剪强度τＧ（τ0.2）和剪切面压入率α按下列公式计算：
图4－１－14微型剪切试验装置原理示意图
1—试样2—底座3—剪刀
4—位移传感器5—X-Y记录仪
6—放大器7—力传感器8—加载横梁
τb＝
τＧ＝
（τ0.2＝
） α＝
式中Fmax—试样剪断时的最大剪切力；
A０—试样的原始截面积；
FG—试样达到剪切屈服时的剪切力；
FG0.2—试样在剪切方向发生的残余塑性变形为试件边长的0.2%时的剪切力；
Amin—断裂后试样的最小断口面积。
三、应力集中的概念
由于焊缝形状和焊缝布置的特点，出现了几何形状的不连续性。
当受载时，引起了焊接接头工作应力分布的不均匀现象，使局部的峰值应力σmax比平均应力σm。
高得多。
为了正确评定构件的强度，在许多情况下都必须考虑局部峰值应力的大小及其分布，峰值应力从应力集中点起向外递降很快，即有较高的应力梯度。
为了描述应力集中程度，常以应力集中系数,KT表示。
例如，图4-1-15所示为两侧有半圆槽的试板在拉伸时的应力分布，其平均应力σm为
σm=
式中F——试板所受拉力；
B——试板宽度；
δ——试板厚度。
局部峰值应力（σmax）与平均应力σm之比值即为应力集中系数
KT=
在焊接接头中，产生应力集中的原因很多，其中最主要的原因是：
1）焊缝中产生的工艺缺陷。
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）不合理的焊缝外形。
例如对接焊缝的余高过大，角焊缝的焊趾过高以及咬边等。
3）不合理的接头设计。
如接头截面有突变，采用加衬垫的对接接头等。
焊缝布置不合理也会产生应力集中，例如只有单面焊缝的T形接头。
四、焊接接头工作应力的分布
1．对接接头的工作应力分布和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一种接头形式。
对接接头中，焊缝高于母材表面的部分称为余高。
焊缝余高使焊缝与母材的过渡处产生应力集中，如图4-1-16所示，图中所示为一光弹材料制成的对接模型，借助于偏振光实测得出试验结果，并由试验结果可以清楚地看到，这样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，在焊缝背面过渡处的应力集中系数为1.5。
图4-1-15两侧有半圆槽的试板受拉时的应力分布
图4-1-16对接接头的应力分布
对接接头应力集中系数的大小，主要取决于焊缝余高h和焊缝向母材的过渡半径r（或夹角θ。
图4-1-17表示了焊缝余高和过渡半径与应力集中系数的关系。
由此可以看出，增加余高h和减小过渡半径r，都会使应力集中系数增加，反之则减小。
对接接头模型
图4-1-17余高c和过渡半径r与应力集中系数的关系
由焊缝余高产生的应力集中对接头的强度有一定的影响，其中对对接接头的疲劳强度影响最大。
例如，对接接头在2×106次交变载荷作用下所做的试验结果表明：
其疲劳强度随着θ角的加大而减小。
当θ角从0°增加到80°时，疲劳强度几乎减少60%，如图4-1-18所示。
因此，认为焊缝余高越大越安全的观点是错误
的。
θ（°）
图4-1-18夹角θ对疲劳强度的影响
对于承受冲击载荷的焊接结构，应将重要部位的对接接头的余高打磨光，如图4-1-19a所示，不仅外形美观，而且砂轮打磨成圆滑过渡，如图4-1-19b所示，以增大过渡区半径，使应力集中系数减小。
a）b）
图4-1-19提高对接接头疲劳强度的措施
由不同板厚焊成的对接接头，在接头处会产生应力集中现象，当两板的厚度差（δ-δ1）超过GB/T985—1988规定时，在厚板连接处应作出单面或双面斜度，并使两板的中心偏差e尽量减小。
焊缝不应布置在倾斜部位，应离开倾斜部位的距离h约5mm的地方。
不同厚度板的对接接头中，图4-1-20b所示的形式为最差，图4-20c所示的形式为最好。
图4-20不同厚度板的对接接头
a）中心线一致，在锥部焊接b）中心线不一致，在锥部焊接
c）中心线一致，在平面上焊接d）中心线不一致，在平面上焊接
[a）和c）中Z=25（δ2-δ1）；b）和d）中l=5（δ2-δ1）
2.T形接头的工作应力分布由于T形接头上工作截面发生急剧的变化，所以其工作应力分布极不均匀，在角焊缝的根部和过渡处都有严重的应力集中现象。
图4-21a所示是I形坡口的十字形接头焊缝中的工作应力分布情况。
由于没有开坡口，所以在焊缝根部的应力集中严重，其应力集中系数约为3.38。
在焊趾处，截面B-B中的工作应力分布也很不均匀，B点处的应力集中系数随角焊缝的形状不同而改变，其变化规律如图4-22所示，应力集中系数KT随角度而减小，随焊脚尺寸K值的增大而减小。
但联系焊缝的应力集中系数KT却随焊脚尺寸K值的增大而增大。
图4-21T形（十字形）接头的应力分布
图4-21b所示为开坡口十字形焊接接头工作应力分布。
由于这种接头消除了未焊透现象，而且口角也较小，所以应力集中系数大大减小。
由此可知，开坡口并保证焊透是降低十字形接头应力集中的重
要措施之一。
试验证明，在尺寸和外形完全相同的情况下，联系焊缝应力集中系数低于工作焊缝的应力集中系数，如图4-23所示。
在采用十字形接头时，应尽量避免在板厚方向承受高值拉伸应力，因为焊接用轧制钢板常有夹层等缺陷，尤其厚板更为严重，易出现层状撕裂。
因此，如果有可能，应将工作焊缝转化为联系焊缝。
例如，可将图4-24a所示形式改为图4-24b所示的形式。
3．搭接接头的工作应力分布搭接接头是一种外形变化比较大的接头形式，应力集中现象比对接接头严重得多、复杂得多。
根据受力方向，可将搭接角焊缝分为正面、侧面和斜向角焊
丸
Il
V、
图4-24工作焊缝和联系焊缝
a）工作焊缝b）联系焊缝
缝，如图4-1-25所示与受力方向垂直的角焊缝（图中l3）称为正面角焊缝，与受力方向平行的角焊缝称为侧面角焊缝（图中l1和l5），与受力方向成一定角度的角焊缝（图中12和14）称为斜向角焊缝。
（1）正面角焊缝中的工作应力分布在只有正面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。
在角焊缝的根部A处和焊趾B处都有较严重的应力集中现象。
焊趾B点处的应力集中系数随着
图4-1-25搭接接头角焊缝
角焊缝斜边与水平边的夹角臼不同而改变，减小夹角口和增大熔深都会使应力集中系数减小。
因此，在一些承受动载荷的结构中，为了减小双搭板正面角焊缝的应力集中，人为地将口角减小，将双
搭板接头的各板厚取一样值，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近似一致。
为使焊趾处过渡平滑，可在焊趾附近进行机械加工。
经这样处理的正面搭接接头的工作性能接近于对接接头。
然而，这样的接头非常大，其焊条的消耗量是一般搭接接头的14倍。
这种接头的经济性很差。
图4-1-26正面搭接角焊缝的应力分布
a）b）
图4-1-27降低应力集中的正面搭接角焊缝
a）应力集中线b）机加工后焊趾处平滑过渡
（2）侧面角焊缝的工作应力在侧面角焊缝连接的搭接接头中，其工作应力更为复杂。
当接头受力时，在角焊缝中产生切应力。
沿侧面焊缝长度上的切应力分布极不均匀，不均匀程度与焊缝尺寸、板截面积和外力作用点的位置等因素有关。
图4-1-28a所示为侧面角焊缝最为普遍的受力情况。
当两板截面积相等时，沿侧面焊缝长度方向上的切应力分布如图4-1-28a中的
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