焊接强度计算：等强度原理、截面系数和焊缝长度限制

计算焊接强度就是计算焊接接头的强度和焊缝承载能力的强弱。焊接接头的强度计算是根据等强度原理来考虑的，也就是焊缝的截面面积要等于焊件的截面面积。

1.焊接接头所承受作用力的计算

（1）受纵向拉力时 焊件受纵向拉力作用时，焊接接头承受的拉力计算公式为

F=[σ_p]A （5⁃2）

式中[σ_p]——焊件基本金属在拉伸时的许用应力；

A——焊件的横截面面积。

（2）受纵向压力时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 （5⁃3）

式中[σ_c]——焊件基本金属在压缩时的许用应力；

A——焊件的横截面面积。

（3）受弯曲力矩时焊件以梁的形式受弯曲力矩作用时，焊接接头承受的弯矩计算公式为

M=[σ_p]W （5⁃4）

式中M——弯矩（力偶面与横截面垂直的内力）；

[σ_p]——焊件基本金属拉伸时的许用应力；

W——焊件的“截面矩量”或称为截面系数。

注意：截面系数的数值等于截面对中性轴的惯性矩除以离中性轴最远的距离。各种型钢的截面系数可以在型钢表中查出。

2.焊接接头与焊缝强度的关系

（1）搭接接头的焊缝情况 搭接接头中，最常见的是角焊缝组成的接头形式。如果角焊缝的方向与作用力的方向垂直，就叫作正面焊缝；如果焊缝的方向与作用力的方向平行，就叫作侧面焊缝；如果两者所成角度既不是0°，也不是90°，而是任意的角度β，就叫作斜面焊缝；如果包含两种以上的焊缝，就叫作组合焊缝。图5-35所示为焊缝的形式示例。

图5-35 焊缝形式示例

（2）搭接角焊缝的两种类型 即等腰直角三角形和普通直角三角形。其中k为焊脚高度，t为板厚，e为搭叠宽度，如图5-36所示。

（3）角焊缝截面形状与承载能力的关系

1）动载荷时，凹角焊缝比平角焊缝承载能力强，能保证焊缝金属和基本金属平缓连接，搭叠宽度c不得小于5δ。

图5-36搭接焊缝尺寸

a）k=δ b）k＞δ

2）拉伸力作用线通过角焊缝时，将产生弯折应力，且应力集中现象较为严重，在焊脚的根部往往形成强烈应力，反应在正常的等腰三角形焊缝中最为严重，因此在承受动载荷的场合，应采用凹形焊缝。为了不使侧面焊缝中产生过分的不均匀应力，一般规定，侧面焊缝的长度l不应超过60mm，但是正面焊缝与斜面焊缝的长度均不应小于40mm。

3）角焊缝的强度也取决于焊脚的高度，随着焊接直角边的增大，焊缝强度极限则减小，所以焊脚高度有如下规定“如果受静载荷作用，则不应大于1.5δ；如果受动载荷作用，则不应大于1.2δ（δ是所连接板材的最小厚度）而焊缝最小焊脚高度不应小于4mm。

3.各种形式焊接接头的强度计算

根据受力分析，考虑到偏心力矩的存在和局部应力集中现象，它们将使焊缝的工作条件变坏，所以焊缝的许用应力取得较低。在普通工程中，正面焊缝的强度是按切应力进行计算的，这种方法是假定性的，而且是近似的。

图5-37 单边搭接接头

（1）搭接接头许用承受力的计算

1）单边焊缝（见图5-37）：

F=[τ′]×0.7kl （5⁃5）

式中[τ′]——焊缝金属的许用剪切应力；

l——焊缝工作长度；

k——焊脚高度。

对边焊缝：

F=2[τ′]×0.7kl （5⁃6）

（2）对接接头许用承受力的计算（见图5⁃35）

1）焊件受拉伸作用，许用拉力公式为

F=2[σ_p′]δl （5⁃7）

式中[σ_p′]——焊缝中的许用拉应力；(www.xing528.com)

δ——板厚；

l——焊缝长度。

2）焊件受压缩作用，许用压力公式为

F=2[σ_c′]δl （5⁃8）

式中[σ_c′]——焊缝中的许用压应力；

δ——板厚；

l——焊缝长度。

（3）T形接头许用承受力的计算 T形接头主要用于受弯曲作用的焊件中，如图5⁃38所示，在焊接钢板没有焊透，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。

1）当T形接头受拉力作用时，许用拉力计算公式为

F=2[τ′]×0.7kl （5⁃9）

式中[τ′]——焊缝中许用剪应力；

l——焊缝长度；

k——焊脚高度。

图5⁃38 T形接头

2）当T形接头受弯曲力矩M作用时，应满足如下关系：

σ=M/W≤[σ_p′] （5⁃10）

式中[σ_p′]——焊缝许用拉伸应力；

M——弯曲力矩；

W——焊缝截面矩量。

对于焊缝截面矩量前面已讲过，它又称为截面系数，型材的截面矩量可在型钢表中查出，而非型材焊件的截面矩量则可用公式算出（见图5-39），即

式中W——截面矩量；

l——焊缝长度；

h——板材宽度。

图5⁃39 弯矩作用下的组合焊缝

3）当同一T形接头上同时作用弯曲力矩M和纵向拉力F时，应满足如下关系：

式中M——弯曲力矩；

W——截面矩量；

F——纵向拉力；

A——横截面积。

4.焊接缺陷及其弥补方法

由于在焊接技术上对焊缝检验及连接的构造形式等方面在近年来有了很大的改进，使焊接工艺在承受动载荷的构件中也得到了广泛采用。但是，由于焊缝的疲劳强度低，仍是焊件存在的严重缺陷。

1）疲劳强度降低的原因：焊缝表面及接头两边凸凹不平，或者焊缝中存在裂纹、夹渣和气泡等隐患，导致严重的应力集中。焊缝区的材料硬化和变脆，通常疲劳破坏发生在焊缝的热影响区或焊缝末端。针对疲劳强度降低的缺陷及原因，在实际生产中，可以采取一定措施，虽然这些措施不能根除焊件存在的缺陷，但也可以大大改善焊接质量。

2）虽然对接接头易受焊接缺陷的影响，但是由于对接接头具有传力均匀、疲劳强度高的优点，因此在承受动载荷的焊件中应用较多。在经过铲除未焊透的焊缝、补焊焊根，并将焊缝表面凸起部分刨平等处理后，可使强度等于原焊件金属强度。

3）对板料厚度不同的对接焊缝，应按1∶5的坡度从焊缝处，将板料较厚的一端进行逐渐削薄，使传递内力均匀。另外，斜焊缝的疲劳强度较直焊缝高，所以缺陷对斜焊缝影响较小。

4）对于搭接接头的角焊缝，在连接处截面有急剧变化，应力集中现象比较严重，因此，其疲劳强度较低。正面焊缝的疲劳破坏通常起源于焊缝的角根处；侧面焊缝破坏的起点通常在焊缝两端；组合焊缝的破坏则常常起源于两种焊缝的交接处，它的疲劳强度较单正面或侧面焊缝要高一些。

5）对于承受动载荷作用的钢结构，应对角焊缝采取一些措施，减少应力集中的影响，提高它的疲劳强度，比如焊缝截面为凹面，以及将焊缝表面和棱角用砂轮磨平，将焊接板料逐渐削薄和将板料的两边逐渐减小等。

6）一些具体情况应加以重视，如采用搭接不如采用对接，采用角接不如采用T形接法；在焊缝形式方面，采用仰焊不如采用平焊，采用焊条电弧焊不如采用埋弧焊，因为埋弧焊穿透力大，焊波可以减薄，强度还能提高。焊件的实际强度只能按最小计算，因为破坏是从最薄弱处开始的。另外，还有安全系数，在某些情况下，有时会出现脱离实际现象，比如，将焊波加大加厚以提高焊缝强度，实际上却适得其反，不但没有起到加强作用，反而增加应力集中而削弱了强度。

如果用上述几种方法，仍达不到强度要求，可以再考虑一些焊件的接头形式，也可以大大提高焊缝强度，比如，采用角钢对接斜焊缝，角钢对接直焊缝加斜补强板或加强筋等方法。