焊接接头的强度分析及校核方法

计算焊接强度，就是计算焊接接头的强度和焊缝承载力的大小，所以与焊接接头的形式和焊缝的形式有直接关系。

1.焊接接头形式

一般焊接接头有搭接接头、对接接头、角接接头、T形接头四种形式。焊接接头形式的选择，是根据焊件的厚度、结构形式、强度要求以及施工条件等情况决定的。

（1）搭接接头 两块钢板相叠而在顶端边缘进行焊接的接头，称为搭接接头，如图7-13a所示。

根据结构形式和对强度的要求不同，搭接接头有开I形坡口、圆孔内塞焊与长孔内角焊三种形式。

Ⅰ形搭接接头，一般用于厚度12mm以下的钢板，其重叠部分为3～5倍板厚，并采用双面焊接。这种接头强度较差，故很少采用。

当遇有双层钢板的面积较大时，为了保证结构强度，可根据需要选用圆孔内塞焊或长孔内角焊。特别是在被焊结构的狭小处以及密闭的焊接结构，选用圆孔内塞焊或长孔内角焊更为合适。圆孔和长孔的大小及数量，要根据板厚和对结构的强度要求而定。

（2）对接接头 两块钢板的边缘相对，并且表面在一个平面上焊接的接头，叫对接接头（见图7-13b）。对接接头在各种冷作结构中，是采用最多的一种接头形式。

按照焊件厚度和坡口形式的不同，对接接头可分为开I形坡口、V形坡口、X形坡口、单边U形坡口和双边U形坡口5种形式。钢板厚度在6mm以下的一般开I形坡口。

（3）角接接头 两块钢板成直角或某一角度，而在板的顶端边缘上焊接的接头，称为角接接头（见图7-13c）。角接接头一般用于焊接不重要的场合。

（4）T形接头 两块钢板成T形结合的接头，称为T形接头（见图7-13d）。这种接头形式用途也比较广，特别在造船厂，船体结构大约70%是采用这种形式接头的。

图7-13 各种接头形式

a）搭接接头 b）对接接头 c）角接接头 d）T形接头

2.焊缝形式

焊缝形式分类方法很多，一般按空间位置可分平焊缝、立焊缝、横焊缝、仰焊缝四种形式，如图7-14所示。按结构形式可分为对接焊缝、角焊缝、塞焊缝三种。按焊缝断续情况，又可分为连续焊缝和间断焊缝两种形式。间断焊缝只适用于强度要求不高，以及不需要密闭的结构焊接。

3.焊接接头的强度计算

焊接接头的强度计算是根据等强度原理考虑的，即焊缝的截面面积要相等于焊接件的截面面积。

如果焊件受纵向拉力时，焊接接头承受的拉力计算公式为

F=[σ_p]A

式中 [σ_p]——焊件基本金属在拉伸时的许用应力（MPa）；

A——焊件的横截面面积（mm²）。

如果焊件受纵向压缩力作用时，焊接接头承受的压力计算公式为

F=[σ_c]A

式中 [σ_c]——焊件基本金属在压缩时的许用应力（MPa）。

如果焊件以梁的形式受弯曲力作用时，焊接接头承受的力矩计算公式为

M=[σ_p]W

式中 W——焊件的截面矩量，或称为截面系数。其值等于截面对中性轴的惯性矩除以离中性轴最远纤维的距离。各种型钢的截面矩量可在材料手册中查出。

图7-14 焊缝按空间位置的分类

a）平焊缝 b）立焊缝 c）横焊缝 d）仰焊缝

（1）搭接接头的焊缝情况与强度计算

1）搭接接头的焊缝情况。搭接焊缝是利用角焊缝形成的，如图7-15所示。角焊缝的方向与作用力的方向垂直称为正面焊缝，如图7-15a所示；如果是平行的，则称为侧面焊缝，如图7-15b所示；如果有一定角度，就称为斜焊缝，如图7-15c所示；如果包含正面和侧面两种焊缝，就叫组合焊缝，如图7-15d所示。(www.xing528.com)

焊条电弧焊时，搭接角焊缝横截面的形状有两种，如图7-16所示。

①正常的。即焊缝的横向截面呈等腰三角形，焊脚尺寸K等于板厚δ，如图7-16a所示。

②凹面的。即截面呈底边比高度大的曲线三角形，焊缝金属和基本金属平缓连接，如图7-16b所示。

在搭接焊缝中，正面焊缝的搭接宽度c不得小于5δ。

从图7-16中可以看出，作用力F的作用线通过角焊缝时，会产生弯折，因此应力集中较严重，在焊缝根部上往往形成强烈的应力，易于开裂破坏。这种情况，反应在正常的等腰三角形焊缝中最为严重。因此，在承受动载荷时，应采用凹形焊缝。

图7-15 搭接焊缝的种类

a）正面焊缝 b）侧面焊缝 c）斜焊缝 d）组合焊缝

图7-16 搭接角焊横截面的形状

为了不使侧面焊缝中产生过分不均匀的应力，一般规定：侧面焊缝的长度应<60δ，正面与斜焊缝的长度应>40mm。

2）搭接接头的强度计算。正面焊缝在承受拉力或压力时，它的破裂通常是沿着直角平分的最小截面开始的。但是，考虑到偏心力矩的存在和局部应力集中，使焊缝工作条件变坏，所以焊缝的许用应力取值较低，使它等于许用切应力。在普通工程中，正面焊缝的强度是按剪切力进行计算的，这种方法是近似、假定性的。

如图7-17所示的搭接接头形式中，由一道正面焊缝构成搭接接头时，它的许用承受力计算公式为

F=0.7[τ′]lδ

式中 [τ′]——焊缝金属的许用切应力（MPa）；

l——焊缝工作长度（mm）。

由两道搭接焊缝焊接时，它的许用承受力为一道焊缝的2倍。

（2）对接接头的强度计算 如果焊件受拉伸作用，则许用拉力为

F=[σ_p]lδ

如果焊件受压缩作用，则许用压力为：

F=[σ_c]lδ

（3）T形接头强度计算 因为T形接头主要用于受弯曲作用的焊件中，所焊接钢板没有焊透，在留有缝隙的情况下，焊缝计算采用最小面积的截面，计算强度采用角焊缝的抗剪强度。

图7-18所示为焊缝受弯曲力矩M作用时，它的强度计算公式为

式中 M——弯曲力矩（N·mm）；

W——焊缝截面矩量（mm³）。

W=δh²/6

圈7-17 搭接角焊缝

a）一道正面焊缝 b）二道搭接焊缝

图7-18 在弯曲力矩作用下的T形接头