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焊接结构是由许多构件、部件、零件通过焊接方法连接起来的，因此焊接接头的性能和质量直接关系到焊接结构的使用性能、安全性和可靠性。 多年来，焊接工程学界对焊接接头进行了广泛的试验研究，对提高焊接结构的性能和可靠性，扩大焊接结构的应用范围起到了很大的作用。

1.焊接接头

(1) 焊接接头的基本类型

可采用电焊、压焊和钎焊等主要焊接方法制造焊接结构。 这些焊接方法用于连接金属结构以形成不可拆卸的接头——焊接接头，分别形成熔接接头、压焊接头和钎焊接头。 接头形成焊接结构。 但应用最广泛的是熔焊，这里我们重点介绍熔焊接头。

1）熔焊接头：熔焊接头由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材组成。 焊缝金属是填充材料和部分母材熔化后凝固形成的铸造组织。 焊接接头各部分结构不统一，性能也存在差异。 这是因为以上四个区域的化学成分和金相组织不同，接头处往往会改变构件原有的截面和形状，出现不连续，甚至存在缺陷，造成不同程度的应力集中，如以及焊接残余应力和变形。 、刚度大等都会对接头的性能产生影响，导致接头的力学性能参差不齐，还会出现物理化学性能的差异。 为了保证焊接结构的可靠运行，希望焊接接头具有与母材相同的力学性能，在某些情况下，还要求具有相同的物理化学性能，如导电率、导磁率等。 ，耐腐蚀，光泽和颜色一致。

就焊缝金属而言，常形成柱状晶铸件组织，一般比母材强度大、硬度大，但韧性有所降低。 对于高强度钢，采用适当的工艺措施，如预热、缓冷或采用适当的热输入，也可获得具有要求性能的焊缝金属。 一般来说，焊缝金属的强度可能高于或低于母材的强度。 前者称为高匹配，后者称为低匹配。

在宽度较小的热影响区，由于焊接温度场梯度较大，各点的热循环差异很大，造成结构和性能的差异。 这种差异与被焊金属的组织成分和焊接热输入有关。 特别要指出的是，焊接热循环后发生的“动态应变时效”（热应变时效）会使接头性能恶化。 钢、铝等预应变后，会产生脆性“老化”现象。 这种预应变和时效发生在低温（室温）下，通常称为“静态应变时效”。 焊接热影响区在焊接热循环后会产生热应变，焊接高温加速时效脆化，因此“动态应变时效”大大降低了接头的性能，应注意防止。

熔焊的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝。 以这两种焊缝为主的焊接接头有对接接头、角焊缝、丁字（十字）接头、搭接接头和塞焊接头等。 依据GB/T 985-1988《气焊、电弧焊和气体保护焊焊缝坡口基本形式和尺寸》和GB/T 986-1988《埋弧焊焊缝坡口基本形式和尺寸》焊缝坡口形式及上述形成的接头形式如图5-1所示。 图5-1为对接（见图5-1 a~n）、角接（见图5-1o~u）、T型和十字接头（见图5-1 v~Y和z、a' )和搭接接头(见图5-1 b'、c')坡口形式、尺寸、熔化形成的焊缝金属(图中用细实线表示)。 符号字母表示的相关尺寸见表5-6。 表5-6参照GB/T 985-1988和GB/T 986-1988标准列出。 选择哪种坡口形式，除了以上两种标准外，还可以根据行业和企业标准，根据焊件的厚度来确定，并有一个合适的间隔。 例如，厚度为30mm的板材对接，可选用图5-1i所示的双Y形坡口（由表5-6可知，采用焊条电弧焊时，该坡口为适用于12~60mm厚）板材； 采用埋弧焊时，适用于厚度为24～60mm的板材），也可选择如图5-1m所示的钝边双U型坡口。 无论选择哪种坡口形式，首先要保证接头的质量，还要考虑经济性。

电渣焊接头是熔焊接头中的一个重要接头。 当焊件厚度大于30mm时，可考虑电渣焊接头，特别是大断面焊缝。 如焊件厚度大于60mm，电渣焊效率高于电弧焊。 常用电渣焊接头的基本形式如图5-2所示，各种形式的电渣焊接头尺寸见表5-7。 电渣焊工件时，工件的位置应使焊缝自下而上，即适合立焊的焊缝。 电渣焊缝是由高温熔渣池将焊接材料和母材的边缘熔化并堆积而成，因此焊缝内外应有挡块。 电渣焊适用于大、特大焊接截面的焊件，如厚壁压力容器、大直径轴、大壁厚管道、大型机械部件的拼焊等。电渣焊焊件通常经过正火-回火处理或焊后高温退火热处理，消除焊接热输入大造成的热影响区宽、晶粒粗大、残余应力高等不利影响。

电子束焊接接头是一种特殊类型的熔焊接头。 它是利用聚焦的高速电子流轰击焊件，将电子的动能转化为热能，熔化焊接接头焊缝区的一种熔焊。 其特点是可以焊接各种特殊金属，厚度大，焊缝深宽比大（可达25：1）。 根据其特性，在航空、航天设备中用于核反应堆部件、部分特种金属、超高强度钢和耐热合金部件的焊接。 由于电子束直径细，焊接能量集中，焊接时不添加填充金属，形成了电子束焊头的一些特点。 这种接头还有对接接头、角接头、T型接头和搭接接头形式，也有类似于电渣焊的搭接接头形式，只是焊件紧密。

2）压焊接头：除上述熔焊接头外，电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆炸焊等统称为压焊。 其中，电阻焊和摩擦焊的特点是效率高。 它广泛应用于许多领域。 特别是在汽车行业，电阻焊和摩擦焊的应用非常普遍。 电阻焊中的点焊（包括滚点焊）和缝焊多采用搭接接头。 凸焊是点焊的一种变型，但接头形式多种多样，需要根据焊件的形状和尺寸设计出合适、巧妙的接头。 高频电阻焊一般是对接，也有采用搭接的。 电阻对焊显然是采用对接接头。 需要指出的是，由于电阻对焊技术的发展，目前已经可以焊接10万平方毫米以上的断面，所以在锅炉压力容器的制造中，特别是在钢管的环缝中，对于例如，在石油和天然气（包括陆路和海路）长输管道建设中，电阻对焊得到了应用。 摩擦焊接接头通常也是对接接头。 阻焊接头的其他形式和应用，请参考相关资料。

3）钎焊接头：钎焊接头的种类也很多，但基本类型只有对接接头和搭接接头。

(2)焊接坡口形式的选择

按焊接坡口形状可分为三类，即基本型，如图5-1b所示，第1类为I型、V型和单V型，U型形、单U形等； 有压接、背接、包缝、塞焊、开槽焊等特殊类型； 组合式，顾名思义，就是上述几种类型的组合，图5-1中的大部分都是这种组合式的槽。 坡口形式通常根据工厂条件和工艺要求考虑以下问题来确定。

1）工厂的加工条件。 比如双V型、Y型、单面V型、双单边V型、V型、工字槽可以气割、等离子弧切割，当然还有金属切割也可以使用方法。 但双U型、钝边U型、钝边J型、U型、Y型斜角一般需要用刨床加工（最近也有加工U型斜角的报道）气割），效率低于热割。 .

2）可达性好坏。 采用Y形、带垫板的Y形（见图5-1e、f）、带垫板的V形、VY形（见图5-1g）、带钝边的U形（见图5-1h）等坡度对于接头的接头，焊接时一般不需要翻面。 对于内径较小的容器或管道，以及翻转不便的结构，为避免仰焊和从内部焊接，可采用此类坡口和焊缝。 .

3）减少焊接材料的消耗。 一般熔敷金属量少，焊接材料（焊条、焊丝、焊剂、保护气体）的消耗也少，加工时间也节省。 相同的板厚：Y型比双Y型槽最多可增加熔敷金属量50%，双U型或UY型沟槽可节省更多熔敷金属。 经济斜面。

窄间隙焊还用于不宜采用电渣焊和电子束焊的特厚件焊缝。 用于电渣焊的坡口。

4）考虑焊接变形和应力。 例如，单面焊接可能会导致转角变形和焊缝根部严重的焊接残余应力。 此时应考虑材料（母材）的特性，采用适当的工艺和坡口形式，以获得合格的接头。

应该注意的是，对接焊缝和角焊缝都可能具有凹面、凸面或齐平的焊接表面，后者有时会被机加工。 除上述三种等边角焊缝外，还有三种不等边角焊缝。 图5-3所示的四种直角焊缝包括等边平面、凹形和凸形直角焊缝三种（见图5-3a~c），还有平面不等边直角焊缝（见图 5-3d）。 焊脚尺寸K为角焊缝的特征尺寸，角焊缝的焊脚尺寸为焊缝内接的等腰直角三角形的直角边，如图5-3所示。

(3)工作缝、接触缝和密封缝

上述焊接接头的基本类型主要是根据所采用的焊接工艺来区分的。 其实也是按焊接结构焊缝的承重情况来划分的。 焊接结构的焊缝按是否直接承受载荷可分为承重焊缝和非承重焊缝，又称为工作焊缝和接触焊缝，如图5-4所示。 前者将结构中的力从一个零件传递到另一个零件，焊缝和零（组件）零件串联连接。 这种焊缝必须进行强度计算。 后者的焊缝与零（分）件并联连接，与零（分）件同时受力变形。 即使焊缝损坏，一般也不会影响整个结构的安全运行。 力的传递不是焊缝。 主线任务，一般不用实力计算。 但严格来说，应该算作整体关节。 除焊缝外，还有承受（串联或并联）直接载荷或不直接承受载荷（并联）的熔合线、热影响区等。 因此，一些材料提出了工作接头、接触接头和密封接头。 后者的主要任务是防止泄漏，因此多属于工作接头。

(4) 焊接接头工作应力分布

图5-1所示的熔焊接头主要包括前面提到的对接接头、角接头、T型接头（十字接头）和搭接接头。 塞焊接头实际上是搭接接头。 焊接接头工作应力分布不均匀，即存在应力集中，各种接头的应力集中程度也不一样。 其中，对接接头应力集中最小，形式最简单，传力转弯少，是焊接接头中最合理、最典型的形式。 即使这样，如果对接接头配筋大，过渡圆弧半径小，也会增加应力集中。 图 5-5 显示了对接接头处的应力分布。 图5-6为应力集中系数Kσ随钢筋h和过渡圆弧半径r的变化。

T形（十字）接头从母材到焊缝过渡急，传力大，力线扭曲，应力分布不均，容易产生较大的应力集中。 应力分布如图5-7所示。 由图5-7a可以看出，由非坡口角焊缝组成的T型（十字）接头，即图5-1a所示的T型接头，其最大应力位于焊缝根部。角焊缝，如Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ截面A点和Ⅲ-Ⅲ截面B点。 如果贯通凹槽，则应力分布得到很大改善，如图5-7b所示。 T型（十字）接头也是一种典型的焊接接头，应用广泛。 该接头占造船业所有接头的70%，因此改善其应力分布十分重要。 对于工字坡口角焊缝形成的丁字（十字）接头，随着焊脚尺寸的增大和θ角的减小（图5-7a），应力集中程度降低。 当θ角小于或大于45°时，即属于图5-3d中的不等边角焊缝时，只有长边沿力线方向（即θ

由角焊缝组成的搭接接头应力分布很不均匀。 它不是一种理想的结构接头形式，尤其是在动载和低温下应避免使用。 但由于采用搭接接头，装配工作十分简单，焊接前的准备工作简单，构件收缩小，所以在一些静载建筑结构和罐体结构制造中仍采用的薄板。 需要指出的是，搭接可分为前搭接和侧搭接。 在搭接接头中，不仅角焊缝截面上存在应力分布不均（类似于T形接头角焊缝），而且正面和侧面的搭接接头也是如此。 侧面搭接焊缝处的应力分布也不同，侧面搭接焊缝沿焊缝长度方向的应力分布不均匀，如图5-8所示。 此图为只有侧面搭接焊缝的情况，A1和A2代表搭接板的横截面积，曲线为剪应力Tx的分布。 从图5-8c中可以看出，当焊缝长度增加时，应力分布不均增加，中间截面几乎无应力，因此有些标准规定了承重搭接焊缝（side lap）的长度。

2、焊接接头设计

(1) 焊接接头的设计特点

良好的接头设计是防止结构损坏的条件之一。 对于实际受力非常复杂的节点，设计时应考虑以下问题：

1）焊接结构宜采用形式简单、应力集中小、不破坏结构连续性的接头（焊缝），即不使或很少使力线密集或转弯的接头和焊缝。

在上述熔焊接头中，对接接头最适合上述条件，因此应优先使用，其次是T形（十字）接头，应避免搭接接头，但如上所述，在一些静荷载，为方便施工，仍用于不太重要的结构。

2）在可能的条件下，尽量将焊接接头布置在工作负荷小、构件几何尺寸和形状不变的地方。

3）角焊缝的角尺寸不宜过大，搭接角焊缝不宜过长。 如上所述，角焊缝沿截面应力分布不均匀，截面越大，应力分布不均匀程度越大，因此大截面角焊缝的承载能力较低。 然而，焊接材料和工时的消耗随着焊脚尺寸的增加而增加。 在搭接接头中，正角焊缝的刚度大于侧角焊缝的刚度，实际强度也更大，因此正角焊缝和侧角焊缝的组合搭接角焊缝中的应力分布不均匀，而侧角焊缝沿焊缝长度方向的应力分布也不均匀，对变形能力较差的重要结构和接头应特别注意。

4）钢板在厚度方向（Z方向）性能较差，形成T型（十字）接头。 如要沿厚度方向传递外力，宜选用Z向钢。

5）焊接接头刚度高，屈服前焊缝变形很小。 因此，作为铰接点的节点（如桁架的节点）可能会产生较高的附加应力。 此时可采取减少焊接断面和改变焊缝位置等措施来增加接头的柔性。

6) 充分考虑制造商的条件，提高设计接头的可制造性。 例如，焊接结构中接头种类少，焊接方法种类少，接头尺寸单一等； 施工时的可接近性好t型焊接接头，包括焊接时的可接近性和焊后的可测性（如射线探伤方便织物压片，超声波探伤有合适的探头移动范围等）； 良好的可焊性等。

7）计算接头时，不考虑应力分布不均和焊接残余应力。 下面会介绍，这个计算是基于一些假设和简化的。 但是，对于恶劣的工作条件，如低温或动态负载或接头刚度高的场合，应适当考虑这些因素。 对于在腐蚀环境中工作的焊接结构的接头，接头的详细设计也需要特别考虑。

(2) 焊接接头静载荷强度计算

1) 基于许用应力法的计算

① 对接接头强度计算：图5-9为典型的对接接头及其受力情况，可按表5-8公式计算。 从计算公式可以看出，该计算没有考虑接头处的应力集中（应力分布不均），也没有考虑焊接残余应力，而是认为工作应力沿焊缝均匀分布。 从图5-9a可以看出，当两块不同厚度的板材对接，厚度差（δ-δ1）超过规定值（按GB 985标准，允许厚度差为1~4mm）时，需要在厚板上切出斜面，斜面长度L>3（δ-δ1），也可以双面切出斜面。

②搭接接头强度计算：典型的搭接接头及受力情况如图5-10所示。 塞焊和电铆搭接接头也列于此（见图5-10g、h）。 ，搭接接头由角焊缝组成，对接接头强度计算主要是校核对接焊缝强度，搭接接头强度计算主要是计算角焊缝强度。 在计算搭接角焊缝时作了以下假设：

首先，对于该角焊缝的形状（见图5-3），不管焊缝的凸凹情况如何，均以内接等腰直角三角形的高度即K0作为计算厚度，也未考虑穿透深度的差异。 ，所以

K0≈0。 7K，K为焊脚尺寸。 当熔深较大时，如埋弧焊，可考虑K0≈0.8Kt型焊接接头，甚至等于K。

二、角焊缝总是按计算截面计算，即计算厚度（俗称喉厚）截面受剪应力破坏。 即使接头承受弯矩，抵抗弯矩产生的应力也假定为剪应力，见表5 -8、式（5-12）、式（5-15）、式（5-17）和很快。

第三，没有考虑正面角焊缝和侧面角焊缝之间的应力差异和焊缝处应力分布的不均匀性，为计算带来了方便。 由于侧面搭接焊缝的应力不均匀性随焊缝长度的增加而增大，上述计算规定限制了焊缝长度的计算。

四、限制角焊缝的最小角尺寸，一般不小于4mm。 当板厚小于4mm时，焊脚尺寸可与板厚相同。 图5-10中各种搭接接头的强度计算见表5-8的相关部分。

③ T型接头强度计算：如图5-7所示，T型接头和十字接头可以采用角焊缝形成（见图5-7a），会引起应力集中，也可以采用对接焊缝，如K型坡口（见图5-7b）焊缝，后者的应力集中要小得多。 表 5-8 包括两种焊缝的强度计算。 可以看出，角焊缝的强度计算与搭接角焊缝的强度计算相同，进而与对接焊缝的强度计算相同。 需要指出的是，T型接头在受压时（见图5-11a），由于立板可以压在盖板上，承压能力大大提高，强度可以按式（5-20​​）计算。 很多情况下，集中力与焊缝既不平行也不垂直，因此可将力分解为两部分，分别进行强度计算，如图5-11d和表5-8（5- 26).

2）采用极限状态设计法计算焊接接头。 根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》，采用焊接连接时，对接接头、T型接头、角接头和搭接接头的焊缝采用对接焊缝和直角角焊缝（图5-3）、斜角焊缝（图5-13）和对接与角接接头的组合焊缝（图5-12）。 焊缝的选择应根据结构的重要性、载荷特性、焊缝形式、工作环境和受力状态等，选择是否熔透或不同质量等级。 I类和II类； 虽不考虑疲劳，但要求与母材具有同等强度，还要求焊透，焊缝质量应不低于Ⅱ级； 重型工作系统用吊车梁，起重能力>50t的中级作业吊车梁厂家生产的吊车梁，腹板与盖板角焊缝要求坡口、焊透等。

表5-8 熔焊接头静载荷强度计算（许用应力法）

焊缝强度计算公式见表5-9。