焊接结构, 是通过焊接方法, 将众多备件、装置、部件连接而成的, 所以焊接接头的性能质量优劣, 与焊接结构的性能、安全性、以及可靠性直接相关。多年以来, 焊接工程领域, 针对焊接接头展开了广泛的检验探究, 这对于提升焊接结构的性能、可靠性, 以及拓展焊接结构的应用范畴, 发挥了极为重要的作用。
一、焊接接头
(1)焊接接头的基本类型
可成焊接结构的主要焊接方法有熔焊、压焊以及钎焊, 用这些焊接方法连接金属结构会形成不可拆的连接接头 焊接接头, 则分别产生熔焊接头、压焊接头和钎焊接头, 进而构成焊接结构。不过熔焊这一焊接方法的应用最为广泛, 这里着重介绍熔焊接头。
1)那种称作熔焊接头的, 是由焊缝金属、熔合线、热影响区以及母材共同构成的。其中, 焊缝金属乃是填充材料 和部分母材熔化之后凝固形成的铸造组织。熔焊接头各不同部分的组织并非均匀一致, 在性能方面同样存在着差异。这出于以上四个区域的化学成分同金相组织不一样 , 并且接头处常常改变了构件原本的截面 , 还有其形状呢 , 出现不连续状况 , 即便产生缺陷情况 , 进而形成多种程度表现的应力集中, 并且还存在焊接遗留下来的应力问题和变形现象 ,具备大的刚度此类况态 , 都会对接头的性能产生影响 , 最终致使接头不但力学性能呈现均匀化不足态势: 并且物理化学性能方面也存有差异。为确保焊接结构能够可靠地开展工作 , 期望焊接接头拥有和母材一致的力学性能 , 在某些状况下 , 还期望获取相同的物理性能以及化学性能 , 好比导电性能 、导磁性能 、抗腐蚀性能 , 以及相同水平的光泽和颜色等。
针对于焊缝金属来讲, 常常会形成柱状晶铸造组织, 通常比母材的强度要高并且硬, 不过韧性会下降。对于高强度钢而言, 采取恰当的工艺措施, 像是预热、缓冷或者选用合适的热输入, 也能够获取符合要求性能的焊缝金属。一般情形下, 焊缝金属强度相对母材强度可能会高或者低, 前者被称作高匹配, 后者被称作低匹配。
热影响区宽度不大, 因焊接温度场梯度大, 各点热循环差异显著, 致使组织和性能不同。这种差别与被焊金属组织成分、焊接热输入相关。尤其要指出, 经过焊接热循环后出现的“动应变时效”（热应变时效）会使接头性能变差。把钢材、铝材等进行预应变后, 会产生变脆的“时效”现象, 此预应变及时效均在低温（室温）下发生, 一般称作“静应变时效”。经焊接热循环后, 焊接热影响区会产生热应变, 焊接的高温加速了时效脆化, 所以“动应变时效”大大降低了接头的性能, 要注意去防止。
熔焊的焊缝主要包含对接焊缝以及角焊缝, 由这两种焊缝作为主体而构成的焊接接头存在对接接头、角接接头、T形（十字）接头、搭接接头还有塞焊接头。依据GB/T 985 – 1988《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》以及GB/T 986 – 1988《埋弧焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》, 常用的焊缝坡口基本形式与所构成的上述接头形式如图5 – 1所示。在图5 -1当中, 给出了关于对接接头的情况, 对接接头相关内容可见图5-1 a至n ；角接接头的情况也有给出, 角接接头可见图5 -1o至u ；关于T形和十字接头的情况同样给出了, T形和十字接头可见图5 -1 v至Y以及（z、a’） ；搭接接头的情况也有呈现, 搭接接头可见图5 -1（b’ 、c ‘)。这些之中包含坡口形式、尺寸, 还有熔化形成的焊缝金属, 图中焊缝金属用细实线来表示。由符号字母所代表的有关尺寸, 具体见表5-6。表5-6是参照GB/T 985-1988标准而列出规定的列表, 同时也是参照GB/T 986-1988标准规定列出的。除上述两标准外, 选择哪一种坡口形式, 可按行业与企业标准, 依据焊件厚度来确定, 且存在一个合适区间。比如说板对接厚度为30mm时, 既能选用图5 -1 i所示的双Y形坡口（从表5-6能查到: 用焊条电弧焊时, 此坡口适用于厚度为12至60mm的板；用埋弧焊时, 适用于24至60mm厚的板）, 又能选择图5 -1 m所示的带钝边双U形坡口。不管选择哪种坡口形式, 都得先确保接头质量, 与此同时还得将经济性考虑进去。
电渣焊接头, 属于熔焊接头里重要的那种接头。焊件厚度大于30mm时, 就能考虑采用电渣焊接头, 尤其针对大断面的焊缝, 像焊件厚度大于60mm的情况, 电渣焊相对于电弧焊接头, 效率会更高。常用电渣焊接头的基本形式, 如图5 -2展示的那样, 各种形式电渣焊接头尺寸, 见表5 -7。工件采用电渣焊时, 要让工件位置达成焊缝从下往上, 也就是适于垂直位置焊接的那种焊缝。被高温的渣池熔断堆积出了电渣焊焊缝, 其由焊接材料与母材边缘构成, 故而焊缝内外侧都应由挡块, 适用于焊接截面又大又特大型焊件的电渣焊, 例如焊接厚壁压力容器, 大直径的轴, 厚度大的管道, 还能用于大机器件的拼焊等, 电渣焊完成后它的焊件通常必须经过正火与回火或者高温下的退火热处理程序, 去除由大焊接和热输入所形成诸多不良影响, 像是宽广的热影响范围, 格外粗大的晶粒, 强度比较高的残余应力。
熔焊接头里有一种特殊的接头, 那就是电子束焊接接头。它通过聚焦的高速电子流去轰击焊件, 将电子动能转化成热能, 以此熔化焊接接头的焊缝区来实施熔焊。其特点为能够焊接各种特殊金属。其厚度高。焊缝的深宽比极大, 可达25 :1。它依据这些特点运用于核反应堆元件。应用于航空、航天设备里的某些特殊金属。应用于超高强度钢及耐热合金零件的焊接。因为电子束直径细。因为焊接能量集中。焊接时不添加填充金属。所以形成了电子束焊接头的一些特点。这种接头存在对接形式, 存在角接形式, 存在T形接形式, 存在搭接形式, 此外还有一种端接形式, 该端接形式类似于电渣焊的叠接, 只是焊件处于贴紧状态。
2)被称作压焊接头的, 是除了上述熔焊接头之外的, 包含电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊以及爆炸焊的统称, 其中电阻焊和摩擦焊因具备高效率的特性, 在众多部门得以广泛应用。尤其是在汽车工业领域, 电阻焊和摩擦焊的应用极为普遍, 电阻焊里的点焊（涵盖滚点焊）以及缝焊大多采用搭接接头, 凸焊是点焊的一种变体, 然而接头形式存在多种多样的情况, 需要依据焊件形状尺寸, 设计出适宜且巧妙的接头。高频电阻焊通常是对接, 也存在采用搭接接头的情况。电阻对焊明显是采用对接接头方式, 需要指出的重点是, 鉴于电阻对焊工艺的不断发展, 现在它已然能焊接²以上面积的截面, 所以说来, 在锅炉压力容器的制造进程当中；特别是在钢管道的形成环缝的环节里, 比如说石油、天然气的漫长的传输管线建设当中（涵盖陆地以及海洋的情况）, 电阻对焊得到了适用。摩擦焊接头一般也是运用对接接头的形式。其他的电阻焊接头的形式以及应用状况可以参照相关的资料。
3)钎焊接头存在着多种类型, 然而其基本类型仅仅是对接接头和搭接接头这两种。
(2)熔焊坡口形式的选择
其形状决定熔焊坡口形式分为三类, 一类是基本型, 像图5 – 1b中的I形、V形以及单V形、U形和单U形等；另一类是特殊型, 例如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、开槽焊等；还有一类是组合型, 它由上述各型组合而成, 图5 – 1里绝大多数都是这种组合型的坡口。坡口形式通常根据工厂条件、工艺要求等考虑相关问题来决定。
1)工厂具备加工条件, 像双V形、Y形、单边V形、双单边V形、V形、I形等坡口, 能够用气割、能用等离子弧切割，当然也能够采用金属切削方法来加工。然而双U形、带钝边U形、带钝边J形、U形、Y形坡口, 一般情况下需要用刨边机进行加工, 最近有采用气割加工U形坡口的报道, 其效率比热切割要低。
2)对于可达性好不好这一情况, 使用带有垫板呈现Y形（能够看到图 5 – 1E、F状态）、V形且带有垫板、VY 形（呈现如图 5 – 1g 的样子）、U 形并有着钝边（就如看见图 5 – 1h的坡面接口）等坡口样式的接头, 进行施焊操作当中, 基本上大概不需要辗转翻转, 针对容器或者管道之内径比较小一些的物体, 还有不方便进行翻转的某种结构, 以防止出现仰焊这一举动, 及不能够采用内侧进行焊接之时, 那么则行得通采用这种样式的某一种坡口以及焊缝外在形态。
3)为了减小焊接材料的消耗量, 通常熔敷金属量较少时, 焊接材料（包含焊条、焊丝以及焊剂、保护气体）的消耗也会相应减少, 并且还能节省加工时间。同样的板厚情况下, Y形坡口相较于双Y形坡口, 其熔敷金属量增加幅度最大可以达到50%, 而双U形或者UY形坡口则更能节省熔敷金属, 所以针对大厚度的焊接接头, 大多会采用这种更为经济的坡口形式。
这种特厚件焊缝, 若不适于电渣焊、电子束焊的话, 那么还会采用窄间隙焊, 而电渣焊则有其对应的坡口。
4)考量焊接变形和应力, 比如说单面焊兴许会致使角变形以及焊缝根部存在极为严重的焊接残余应力, 在这种情形下需要斟酌材料（母材）特性, 运用恰当的工艺以及坡口形式, 进而得以获取合格的接头。
需要表明的是, 不管是对接焊缝, 还是角焊缝, 其焊缝表面能够是凹陷的, 能够是凸起的, 也能够是平齐的, 后面这种情况有时借助加工得以达成。角焊缝除了上述那三种等边角焊缝之外, 还有三种不等边角焊缝, 图5 -3所展示的直角焊缝存在四种形式, 除了三种类别为等边平的、凹的以及凸的直角焊缝之外（可参照图5 -3a至c）, 还有平的不等边直角焊缝（可参照图5 -3d）。焊脚尺寸K属于角焊缝固有的特征尺寸, 角焊缝的焊脚尺寸是焊缝中内接等腰直角三角形的直角边, 像图5 -3呈现的那样。
(3)工作接头、联系接头和密封接头
焊接接头的基本类型, 主要是依据所采用的焊接工艺予以区分的, 实际上而言, 也是按照焊接结构焊缝的承载状况来划分的。焊接结构的焊缝, 又能够依照直接承受载荷与否, 区分为承载焊缝与非承载焊缝, 习惯上又被称作工作焊缝和联系焊缝, 如图5-4所示。前面那种, 会把结构里的作用力, 从一个零件传递至另一个零件, 焊缝与零部件是串联在一起的, 这种焊缝是必须要进行强度计算的。后者的焊缝, 跟零（构）件是并联着在一起的, 它是与零（构）件一块儿, 再一同受力以及变形, 焊缝就算是破坏了, 一般情形下, 也不会对整体结构的安全工作造成影响。那焊缝, 传递作用力并非它的主要任务, 正常情况下是不用进行强度计算的。然而严格来讲, 应该当作是整个接头, 除了焊缝之外, 还有熔合线、热影响区等等, 它们承担着（串联或并联）直接作用载荷, 要不就是不直接承受载荷而是处于（并联）状况, 所以有资料就提出了工作接头、联系接头以及密封接头。后者的主要任务在于防止泄漏, 所以大多属于工作接头。
(4)焊接接头工作应力的分布
呈现于图5 -1的熔焊接头, 和之前所讲的一样, 主要涵盖对接接头、角接接头、T形接头（十字接头）以及搭接接头, 塞焊接头实际上同样属于一种搭接接头。在焊接接头里, 工作应力的分布并非是均匀的, 也就是说存在应力集中的情况, 并且各种接头当中, 应力集中的情形也是不一样的。其中对接接头应力集中程度最低, 形式最为简单, 力的传递过程中转折也较少, 所以它是最为合理的、具备典型性的焊接接头形式。即便处于这样的状况下, 要是对接接头当中呈现出比较大的余高, 并且过渡处的圆弧半径比较小, 那么应力集中就会增大, 图5 -5所展示的是对接接头里边应力分布的情形, 图5-6所呈现的是应力集中系数Kσ随着余高h以及过渡圆弧半径r变动而变动的情形。
T形, 也就是十字接头, 它从母材朝着焊缝过渡的时候十分急剧, 力的传递转折程度极大, 力线发生扭曲, 应力分布并不均匀, 很容易出现比较大的应力集中, 它的应力分布就如同图5 -7所展示的那样。从图5-7a能够看出, 由不开坡口角焊缝所构成的T形, 也就是十字接头, 也就是图5 -1a所呈现的T形接头, 它最大的应力处于角焊缝的根部位置, 就像Ⅰ – Ⅰ、 Ⅱ – Ⅱ截面的A点以及Ⅲ – Ⅲ截面的B点。要是开坡口焊透的话, 那么应力分布就会得到极大改善, 就如同图5-7b所显示的那样。T形（十字）接头属于非常典型的熔焊接头, 其应用极为广泛, 在造船业里这种接头占据了所有接头的70%, 因而改善它的应力分布相当重要。存在针对Ⅰ形坡口的角焊缝所构成的T形（十字）接头, 伴随焊脚尺寸的变大以及θ角的变小（参考图5-7a）, 应力集中会下降, 当θ角小于或者大于45°的时候, 也就是属于图5-3d的不等边角焊缝时, 只有长边朝着力线方向（也就是θ。
搭接接头是由角焊缝构成的, 其应力分布极为不均匀, 它并非理想的结构接头形式, 处在动载以及低温条件时尤其应当避免采用。然而, 因为采用搭接接头, 装配工作非常简便, 焊前准备工作比较简单, 构件收缩量较小, 所以在一些承受静载的建筑结构里以及用薄板制造的储罐结构中依旧被采用。要明确指出, 搭接接头能够被划分成正面搭接以及侧面搭接这两类, 搭接接头当中不但有角焊缝横截面上应力分布并不均一的这种状况存在, 这种状况就如同T形接头角焊缝一般。而且正面搭接焊缝与侧面搭接焊缝中的应力分布也是不一样的, 侧面搭接焊缝沿着焊缝长度方向应力分布不均匀, 正如图5 – 8展示的这个样子。有一张图示描绘的是仅仅具备一些侧面搭接焊缝这种情况下的情形, 在这里A1、A 2所代表意义为搭接板的截面积, 还有一条曲线呈现的是切应力Tx的排列分布。如图 5 – 8c 能看到, 当焊缝的长度有所增加时, 应力分布不均匀朝着加剧的方向发展, 中段基本上不承受力, 所以一些标准对承载搭接焊缝（侧面搭接）的长度作了规定。
二、焊接接头的设计
(1)焊接接头的设计特点
有助于防止结构破坏的条件当中, 存在优良的接头设计这一个因素。接头其实际受力是复杂异常的, 针对接头着手进行设计, 应当详细考虑以下这些问题:
1)焊接结构应当优先采用这样的接头（焊缝）形式, 这种形式要简单, 应力集中要小, 不能破坏结构连续性, 也就是说不能让力线密集发生, 尽量也不要让力线出现转折, 而这种形成合力或只有一小点使的那个东西或者力线出现或有转折的接头和焊缝形式不采用。
上述熔焊接头之内, 对接接头是最为契合上述条件的, 所以应当优先予以考虑采用, 其次应当考虑采用T形（十字）接头, 然而搭接接头则应当避免采用，不过像上述在一些静载的、并非十分重要的结构里为了施工便利依旧有采用。
2)有可能的情形下, 尽可能把焊接接头, 安置于工作载荷较低之处, 还有构件几何尺寸与形状未变的地方。
3)角焊缝的焊脚尺寸不适合过大, 搭接角焊缝不适合过长。如同前面所讲, 应力分布顺着角焊缝截面是不均匀的, 截面越大, 应力分布不均匀的程度就越大, 所以大截面的角焊缝承载能力低。而且焊接材料与工时消耗是随着焊脚尺寸呈平方地增长。在搭接接头里头, 正面角焊缝的刚度比侧面角焊缝大, 实际强度同样大, 所以具备正侧面角焊缝的联合搭接角焊缝当中的应力分布不均匀, 侧面角焊缝顺着焊缝长度方向往应力分布上也不均匀, 因此对于重要的结构、变形能力差的接头来说, 特别需要留意。
4)如果钢板在厚度方向也就是Z向的性能不算好, 那么等构成T形又或者十字接头时, 要是需要在厚度方向去传递外力, 就得选用Z向钢才行。
5)焊接而成的接头, 其刚度较大, 在焊缝未到达屈服状态之前, 变形量是很小的, 所以对于那种作为铰接点的接头, 像是桁架的节点处, 就有可能产生较高的附加应力, 在这种情况下, 应该采取像减小焊接截面、改变焊缝位置等之类的措施, 以此来增加接头的柔性。
6)全面考量制造厂的状况, 提升设计接头的工艺特性。比如, 让焊接结构的接头类别少, 运用的焊接方法种类少, 接头尺寸唯一；施工期间的可达程度高, 涵盖焊接时的可达状况以及焊接结束后的可检验情形（像射线探伤利于布片, 超声探伤有恰当的探头移动幅度等）；施焊性能佳等等。
7)算接头之际, 不把应力分布不均以及焊接残余应力纳入考量范围, 下面还会讲到这般计算是采取了某些假定还有简化举措的。然而针对工作条件严苛者, 像是处于低温状况下或者动载情形下抑或是接头刚度大的场合, 就得适度顾及这些因素。并且对于在有腐蚀环境中工作的焊接结构的接头而言, 接头的细节设计同样需要特殊予以考虑。
(2)焊接接头静载强度的计算
1)以许用应力法为基础的计算
对于对接接头强度的计算而言 , 图5 -9呈现的是典型对接接头以及其受力状况 , 能够依照表5 -8里的公式来开展计算。从计算公式当中能够发现 , 计算的时候不考虑接头里面的应力集中 , 也就是应力分布不均衡的情况 , 同时也不考虑焊接残余应力 , 并且认定工作应力沿着焊缝是均匀分布的。从图5 -9a能够看出 , 要是不同厚度的两块板进行对接 , 厚度差 , 那就是(δ一δ1)超过规定的值的时候。按照GB 985标准来看 , 允许的厚度差为1~4mm , 此时需要在厚板上削出斜面 , 且斜面长L>3(δ一δ1) , 也能够两面都削出斜面。
②关于搭接接头强度的计算, 图 5 – 10 呈现的是典型的搭接接头以及受力状况, 此处还将塞焊和电铆焊搭接接头列出了（可见图 5 – 10g、h）, 除此之外, 搭接接头皆是由角焊缝构成的情况, 跟对接接头强度计算主要是去验算对接焊缝的强度不同, 搭接接头强度计算主要是去计算角焊缝的强度, 在搭接角焊缝的计算里进行了下述假定:
第一, 针对于此种角焊缝的形状, 也就是图5 – 3所示的那种状况, 会把内接等腰直角三角形的高, 也就是K0, 当作计算厚度, 不去计较焊缝的凸凹程度，同时也不考虑熔深的差异, 如此这般。
K0约等于0.7K, 其中K是焊脚尺寸, 当熔深比较大, 像是埋弧焊这种情况时, 可以思索K0约等于0.8K, 甚至等同于K。
第二, 角焊缝全都依据计算截面, 也就是按照计算厚度（通常所说的喉厚）截面处遭受切应力破坏展开计算, 即便是接头担负弯矩, 对抗弯矩所产生的应力也是假定为切应力, 可见表 5-8 中, 式(5-12 )、式(5-15 )、式(5-17 )等 等。
对于第三点而言, 不分析正、侧面角焊缝之上应力存在的差别以及焊缝之上应力分布呈现出的不均状态, 如此便给计算带来了便利之处。因为侧面搭接焊缝会随着焊缝长度不断增加, 其应力不均匀程度会有所增大, 所以上述计算规定对计算焊缝的长度形成了限制。
其四, 对角焊缝最小焊脚尺寸加以限制, 通常情况下不应小于4mm, 要是板厚没有达到4mm, 那么焊脚尺寸能够和板厚保持一样。图5 -10里各种搭接接头相应强度的计算, 参照情况可见表5-8的相关段落。
③关于T形接头强度的计算, 如图5 – 7所示, T形接头跟十字接头能够由角焊缝构成（见图5 – 7a）, 这种接头会出现应力集中，还能够由对接焊缝, 像K形坡口（见图5 – 7b）焊缝构成, 后面这种应力集中要小很多。表5 – 8所列出的涵盖了两种焊缝的强度计算。能够看出, 角焊缝的强度计算跟搭接角焊缝的强度计算是一样的, 而后面这个又和对接焊缝强度的计算相同。应该明确指出, 当T形接头承受压力（具体情况见图5 -11a）的时候, 鉴于立板能够与盖板紧密抵紧, 所以承受压力的能力将会大为提高，此时可用式（5 -20）来进行强度计算。在很多种情况下, 集中力不但不与焊缝平行, 而且也不与焊缝垂直, 这种情况下可以把作用于其上的力分解成两部分, 继而分别开展强度计算, 如同图5 -11 d以及表5-8中式（5 -26）所呈现的那样。
2)关于极限状态设计法焊缝连接的计算。按照GB 50017 – 2003《钢结构设计规范》, 当采用焊接连接时, 在对接接头、T形接头、角接头以及搭接接头上的焊缝, 采用了对接焊缝、直角角焊缝（图5 – 3）、斜角角焊缝（图5 – 13）以及对接与角接的组合焊缝（图5 – 12）等形式。有的焊缝, 要依据结构的重要程度、载荷特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态这类情况, 去选用是否熔透以及不同质量等级, 像承受疲劳的构件的对接焊缝, 都得焊透, 而且焊缝质量是I、II级；有的虽不计疲劳, 不过要求与母材等强, 那也得要求焊透, 并且焊缝质量应不低于II级；重级工作制的吊车梁、起重量大于50t的中级工作制的吊车梁, 腹板与盖板间的角焊缝，要求开坡口焊透等。
表5-8熔焊接头静载强度的计算(许用应力法)
焊缝强度的计算公式见表5-9。
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