第一节焊接接头的工作应力分布 - 图文

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4-1-3 T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

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《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（ζ），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ζe，比例极限ζp，屈服强度盯。和抗拉强度ζs。对于具有上屈服点（ζsu）和下屈服点（ζsl）的材料（图4-1-7b），称下屈服点ζsl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ζ0.2（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

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是受试区所包含

焊缝 ＼ ， 广——、——] 《] ( CCC 《C( ~ 《t( ~ 《~~qc ~\《L￡王王=LJ“( l . j-,___.J i'

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ζb。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

t0 180= 0.47 j～＼ ＼＼j

0 0.4 0.8 /to/6\

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

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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 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 HRC 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 ζb／MPa HV 260.7 249.6 239.1 229.3 220.1 211.5 203.4 195.7 188.5 181.7 175.3 169.2 163.5 158.1 152.9 148.0 143.4 138.9 134.7 130.7 126.8 123.2 119.7 116.3 113.1 110.0 107.0 104.2 101.5 289 281 274 268 261 255 249 243 237 231 226 221 216 211 206 196 187 178 170 163 156 149 143 135 128 119 113 110 108 HRC 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 ζb/MPa 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 4

296 31 98.9 105 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

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