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1、,钢结构的焊接,1.钢结构的连接方法,2,2.焊接连接的特性,3.对接焊缝的构造和计算,4.角焊缝的构造和计算,5.焊接残余应力与变形,3,一、焊缝连接,钢结构的连接方法,优点：不削弱截面，方便施工，连接刚度大；,缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感。,4,一、钢结构常用焊接方法,1.手工电弧焊,A、焊条的选择：焊条应与焊件钢材相适应。,原理：利用电弧产生热量 熔化焊条和母材形 成焊缝。,焊接连接的特性,5,Q390、Q420钢选择E55型焊条(E5500-5518),Q345钢选择E50型焊条(E5000-5048),B、焊条的表示方法：,E焊条(Electrode),第1、2位数字为熔
2、融金属的最小抗拉强度（kgf/mm2),第3、4适用焊接位置、电流及药皮的类型。,不同钢种的钢材焊接，宜采用与低强度钢材相适应的焊条。,缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，效率低。,优点：方便，特别在高空和野外作业，小型焊接；,Q235钢选择E43型焊条（E4300-E4328),C、优、缺点,6,7,A、焊丝的选择应与焊件等强度。B、优、缺点：优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低，焊接质量好。缺点：设备投资大，施工位置受限等。,送丝器,机器,8,优、缺点：优点：焊接速度快，焊接质量好。缺点：施工条件受限制等。,9,1.焊接连接形式,对接,10,搭接,11,（1）对接焊缝,（2
3、）角焊缝,12,3.焊缝位置,13,1.焊缝缺陷,14,焊缝缺陷：裂纹,15,焊缝缺陷：气孔,焊缝缺陷：气孔,16,焊缝缺陷：未焊透,17,焊缝缺陷：缩孔,18,焊缝缺陷：,19,焊缝缺陷：气孔,20,咬边缺陷（1）咬边定义答：焊接电弧将母材融化后未及时填充液态金属而留下的鸿沟称作咬边。（2）咬边对焊缝的影响答：咬边不但降低焊件的断面尺寸而且在咬边处应力集中，当焊件受载后易从咬边处产生开裂。（3）咬边产生的原因答：焊接电流或电弧电压过高，焊接速度过慢、操作手法不正确等因素。（4）解决办法答：适当调整焊接电流，电弧电压及焊接速度、采用正确的操作手法。,21,气孔（1）气孔的定义答：焊接时有些气孔
4、未来得及逸出焊缝而产生的空穴称作气孔。（2）气孔对焊缝的影响答：降低焊缝的致密性、气孔处应力集中、加剧了合金元素的氧化、致使焊缝金属翠化等。（3）气孔对焊缝的影响答：待焊处油污锈垢过多、焊接电弧过长、电弧电压过高、保护气体挺度不够等。（4）解决办法答：焊前仔细清理待焊处的油污锈垢、尽量采用短弧焊接、适当调整电弧电压及保护气体流量等。,22,夹渣（1）夹渣的定义答：焊缝中过多的杂物未来得及逸出在焊缝中残留的夹杂物称作夹渣。（2）夹渣对焊缝的影响答：夹渣不但降低焊缝的截面尺寸而且在夹渣两端应力高度集中，当焊缝受载后易在夹渣两端产生延伸性裂纹。（3）夹渣产生的原因答：焊接电流过小、焊接速度过快、操作
5、手法不正确、待焊处的杂质过多等。（5）夹渣种类答：孤立夹渣、条形夹渣（4）解决办法答：焊前仔细清理待焊处的杂物、适当调整焊接电流及焊接速度、适当调整操作手法等。,23,焊瘤（1）焊瘤的定义答：液态金属流淌到焊缝以外形成的瘤状熔敷金属（2）焊瘤对焊缝的影响答：焊瘤不但影响外在美观而且在焊瘤处应力集中，在焊瘤底部还存在未融合等缺陷。（3）焊瘤产生的原因答：焊接电流过大，焊接速度过慢、操作手法不正确等（4）解决办法答：适当调整焊接电流及焊接速度、才用正确的操作手法。,24,未焊透（1）未焊透的定义答：指焊件底部未完全融化结合（2）未焊透对焊缝的影响答：未焊透不但将级焊缝的断面尺寸而且在未融合处应力集
6、中（3）未焊透产生的原因答：母材坡口不合格、焊接电流电弧电压过小、焊接速度过快、操作手法不正确等（4）解决办法答：合理加工母材坡口、正确选用焊接电流电弧电压，焊接速度及操作手法等,25,裂纹（1）裂纹的定义答：在焊缝新界面形成的裂痕（2）裂纹对焊缝的影响答：裂纹是焊接缺陷中最大的缺陷之一，易产生质量事故（3）裂纹产生的原因答：焊接应力过大、质脆因素等（4）解决办法答：焊前进行预热、焊中锤击、控制层间温度、焊后缓冷及热处理（5）裂纹种类答：有纵向裂纹、横向裂纹、（条状裂纹、星状裂纹、放射性裂纹）等。,26,焊缝过大或过小（1）焊缝过大或过小的定义答：指焊缝大于或小于图样要求（2）对焊缝的影响答：
7、焊缝过大不但增加了焊接工作量而且增加了焊接变形节焊接残余应力，焊缝过小降低焊件的强度（3）产生的原因及解决办法答：按图样要求施焊并符合标准,27,焊缝成型不良（1）焊缝成型不良有哪些答：焊偏、焊缝宽度、凸度不均匀、焊波过于粗大等（2）对焊缝的影响答：不但影响外在美观而且还存在一些焊接缺陷（3）解决办法答：提高焊接技术水平从而提高焊接质量,28,焊接变形（1）焊接变形的定义答：焊接后焊件产生尺寸上的变化称作焊接变形（2）焊接变形对焊件的影响答：焊接变形不但降低焊件的尺寸精度而且降低了焊件的使用稳定性（3）产生原因答：焊件收到了不同程度的加热及冷却、焊件焊接时受环境影响等（4）解决办法答：采用焊前
8、预热降低焊接变形、采用合理的焊接顺序、焊件焊接时底部一定要放平防止焊件受热塑性状态后，下垂变形。(5)焊接变形种类答：收缩变形、角变形、错变形、弯曲变形、扭曲变形、破浪变形等,29,外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸；内部无损检验：检验内部缺陷。,内部检验主要采用超声 波，有时还用磁粉检验 荧光检验等辅助检验方法。还可以采用X射线或射线透照或拍片。,30,钢结构工程施工及验收规范规定：,焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。,三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准。,一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。,31,钢结构设计规范（GB
9、50017-2003）中，对焊缝质量等级的选用有如下规定：,(1)需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。,(2)在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。,32,（）重级工作制和起重量 的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的形接头焊透的对接与角接组合焊缝，不应低于二级。,（）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷载且需要验算疲劳和起重量的中级工作制吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。,33,34,详细参见表3-1，图3-13,35,1、对接焊缝的坡口形式:,对接焊
10、缝的构造与计算,对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。,t-焊件厚度,(1)当:t6mm(手工焊),t10mm(埋弧焊)时可不做坡 口,采用直边缝;,(2)t=720mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;,(3)t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。,36,2、V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行补焊；3、对接焊缝的起、灭弧点易出现缺陷，故一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能做引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1，t1较薄焊件厚度；4、当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中
11、。,37,38,对接焊缝分为：焊透和部分焊透（自学）两种；动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。,39,40,1、轴心力作用下的对接焊缝计算,式中：N轴心拉力或压力；t板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；ftw、fcw 对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。,当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。,另:当tan1.5时,不用验算!,41,因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：,故其强度计算公式为：,式中：Ww焊缝截面模
12、量；Sw-焊缝截面面积矩；Iw-焊缝截面惯性矩。,（1）板件间对接连接,42,A、对于焊缝的max和max应满足式3-2和3-3要求；,B、对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应 力尚应满足下式要求：,1.1考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。,43,求解思路：,（1）受力特征,(3)有效截面及截面特性,（4）应力,（2）计算内容,（5）强度,习题：3-2,44,1、角焊缝的形式:,角焊缝的构造与计算,直角角焊缝、斜角角焊缝,（1）直角角焊缝,45,（2）斜角角焊缝,对于135o或60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。,46,（1）侧面角焊缝（侧焊缝）,2.直角角焊缝的
13、受力分析,47,试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。,A.应力分析,48,49,50,A.应力分析,正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%-55%以上。,51,52,斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。,53,1、最大焊脚尺寸hf,max,为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:,hf,max1.2t1（钢管结构除外）式中:t1-较薄焊件厚度。,对于板件边缘的角焊
14、缝,尚应满足以下要求：当 t6mm时，hf,maxt；当 t6mm时，hf,maxt-(12)mm；,为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:,54,式中:t2-较厚焊件厚度 另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm;对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;当t24mm时,hf,min=t2,侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：,55,注：1、当实
15、际长度大于以上值时，计算时不与考虑；2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。,对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：,56,当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力 不均，规范规定：,57,B、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲 太大，规范规定：,58,C.当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕 角焊，且转角处必须连续施焊。,1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：,59
16、,60,3、由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的故上式又可表达为：,61,62,将能量强度条件可得：,上式即为规范给定的角焊缝强度计算通用公式f正面角焊缝强度增大系数；静载时取1.22，动载时取1.0。,63,对于正面角焊缝，f=0，可得：,对于侧面角焊缝，f=0，可得：,以上各式中：he=0.7hf；lw角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其 实际长度减去2hf。,64,四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算,1、轴心力作用下,(1)轴心力作用下的盖板对接连接:,A、仅采用侧面角焊缝连接：,B、采用三面围焊连接：,65,(2)T形角焊缝连接,代入式3-13验算焊缝
17、强度，即:,66,(3)角钢角焊缝连接,A、仅采用侧面角焊缝连接,由力及力矩平衡得:,故:,67,68,对于校核问题:,对于设计问题:,69,B、采用三面围焊,由力及力矩平衡得:,余下的问题同情况A，即:,70,对于校核问题:,对于设计问题:,71,C、采用L形围焊,由平衡条件可得:,对于设计问题:,72,2、N、M、V共同作用下,(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算,73,(2)V、M共同作用下焊缝强度计算,对于A点：,式中：Iw全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；h1两翼缘焊缝最外侧间的距离。,74,对于B点：,强度验算公式：,式中：h2、lw,2腹板焊缝的计算长度；he,2腹板焊缝截面有效高
18、度。,将F向焊缝群形心简化得:V=F T=F(e1+e2),75,假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。,故：该连接的设计控制点 为A点和A点,76,T作用下A点应力:,将其沿x轴和y轴分解:,侧缝,正缝,77,剪力V作用下,A点应力:,A点垂直于焊缝长度方向的应力为:,A点平行于焊缝长度方向的应力为:,强度验算公式：,思考:以上计算方法为近似计算，为什么?,一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1、焊接残余应力的分类 A、纵向
19、焊接残余应力沿焊缝长度方向;B、横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向;C、沿厚度方向的焊接残余应力。2、焊接残余应力产生的原因（1）纵向焊接残余应力,78,79,焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。,产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的
20、趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。,80,81,在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力x,y 外，还存在沿厚
21、度方向的焊接残余应力z，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。,82,1、对结构静力强度的影响,83,因焊接残余应力自相平衡，故：,当板件全截面达到fy，即N=Ny时：,2、对结构刚度的影响,84,A、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：,因为B-b 2。,85,结论：焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。,另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第4章）。,对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向
22、。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。,86,4、对疲劳强度的影响,在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。,焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。,87,88,89,90,91,92,1、设计上的措施；（1）焊接位置的合理安排（2）焊缝尺寸要适当（3）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉（5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2、加工工艺上的措施（1）采用合理的施焊顺序（2）采用反变形处理（3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理,93,94,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
