焊接结构系由众多部件、元件以及零件借助焊接方法连接而成, 所以焊接接头的性能质量优劣, 直接同焊接结构的性能, 和安全性、可靠性有干系, 多年以来, 焊接工程界针对焊接接头展开了广泛的试验研究, 这对提升焊接结构的性能与可靠性, 以及扩大焊接结构的应用范围起了极大作用。
一、焊接接头
(1)焊接接头的基本类型
可制成焊接结构的主要焊接方法有熔焊、压焊和钎焊等, 用这些焊接方法连接金属结构会形成不可拆掉的连接接头即焊接接头, 熔焊、压焊和钎焊分别形成熔焊接头、压焊接头和钎焊接头, 进而构成焊接结构。然而熔焊是应用最为广泛的, 此处将重点对熔焊接头予以介绍。
1)熔焊接头, 它里头包含焊缝金属, 还有熔合线, 以及热影响区, 另外还有母材, 这些共同构成了熔焊接头, 其所组成的这个里头, 焊缝金属, 是填充材料以及部分母材熔化之后凝固而成的那种铸造组织, 而熔焊接头各个部分, 它们的组织是呈现不均匀状态的, 并且在性能方面, 也是存在着相应差异的。这是因为, 上头所说的四个区域, 其化学成分不一样, 金相组织也各不相同, 并且, 接头的地方常常改变了构件原本有的截面以及形状, 出现了不连续的状况, 甚至存在缺陷, 从而形成不同程度的应力集中, 另外, 有焊接残余应力以及变形的情况, 还有大的刚度等, 这些都对接头的性能产生影响，其结果表明, 接头不光力学性能不均匀, 甚至于物理化学性能也出现差异.为保证焊接结构可靠地运作, 期望焊接接头拥有与母材相同的力学性能, 部分情况下亦期望获取相类同的物理以及化学性能而言, 如有诸如导电以及导磁、抗腐蚀性能, 还有相同的光泽与颜色等。
对于焊缝金属它而言, 常常会形成柱状晶铸造组织, 普遍相较母材的强度要高而且硬, 然而韧性却下降了。针对于高强度钢, 运用适宜的工艺措施, 像预热、缓冷或者采用合适的热输入, 同样能够得到需求性能的焊缝金属。通常来讲, 焊缝金属强度相对母材强度也许会高或者低, 前者称作高匹配, 后者称作低匹配。
一个宽度并非很大的热影响区, 因为焊接温度场呈现出较大的梯度, 进而促使各点的热循环表现出极大的不相同, 而此类情况致使了在组织与性能方面同样有着各异的差异性存在。这种差异其实与被焊接的那一金属组织原本所包含的成分以及后续给予的焊接时热量输入这两者之间存在着关键联系。尤其需要去明确阐释指出的是, 经由焊接热循环之后所出现的那种被定义为“动应变时效”也就相当于热应变时效的情况实则会使得接头原有的性能出现进一步恶变的状况。把钢材还有类似型号的铝材等等材料经过预先应变流程之后, 便会产生一种致使材料变脆的“时效”现象, 而这种预先应变以及时效的整个过程全部都是在低温也就是相当于室内日常温度时具体发生的, 于是通常就被人们定义为“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, “动应变时效”大大降低了接头的性能所以要注意防止, 需留意防范。
主要有对接焊缝和角焊缝的熔焊, 以这两种焊缝为主要构成部分的焊接接头存有对接接头、角接接头、T形（十字）接头、搭接接头以及塞焊接头。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。参照图5 -1, 对接接头在图5-1 a~n中被展示, 角接接头包含于图5 -1o~u, T形和十字接头呈现于图5 -1 v~Y及z、a’ , 搭接接头处于图5 -1 b’ 、c’ , 这些接头的坡口形式、尺寸, 还有熔化后形成的焊缝金属（图里用细实线表示）被给出。有关尺寸由符号字母代表, 其参见表5-6。表5-6是依据GB/T 985-1988 , GB/T 986-1988标准规定而列出的。选择哪种坡口形式, 除依照上述两个标准而言, 还能够依据行业以及企业标准，凭借焊件厚度来确定, 而且存在一个恰当的区间。比如说厚度是30mm的板对接, 既能够选择图5 -1 i所展示的双Y形坡口, 通过表5-6查找可知, 采用焊条电弧焊时, 此坡口适合12至60mm厚的板；采用埋弧焊时, 适合24至60mm厚的板, 再者也能够挑选图5 -1 m所呈现的带有钝边的双U形坡口。不管选择哪一种坡口形式, 都得先保障接头质量的同时, 还得考虑经济性。
电渣焊接头属于熔焊接头里较为重要的一种接头, 焊件厚度大于30mm时方可考虑采用电渣焊接头, 尤其是大断面的焊缝, 像焊件厚度大于60mm, 这时电渣焊比电弧焊接头效率要高, 常用电渣焊接头的基本形式如图5 -2所示, 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使焊缝由下至上, 也就是适于垂直位置焊接的焊缝。那电渣焊的焊缝，是由焊接材料以及母材边缘在被高温的渣池熔化之后堆积而形成的, 所以, 焊缝的内侧与外侧都应当有挡块的, 电渣焊适合用于那些焊接截面大及特大的焊件，就像有厚壁压力容器, 大直径的轴, 大厚度的管道, 大机器件的拼焊之类等情况, 电渣焊的焊件在焊完之后一般是要经过正火——回火或者高温退火热处理的, 目的是要消除因大焊接热输入从而造成宽热影响区、粗晶粒、高残余应力这些不良影响。
电子束焊接接头属于熔焊接头, 是其中一种特殊的接头, 它借助聚焦的高速电子流去轰击焊件, 让电子动能转变成热能, 以此熔化焊接接头的焊缝区来开展熔焊, 其具备可焊接各类特殊金属、大厚度的特性, 并且焊缝的深宽比大, 能达到25 :1, 依据其特性应用于核反应堆元件, 以及航空、航天设备里某些特殊金属、超高强度钢和耐热合金零件的焊接操作, 因为电子束直径细、焊接能量集中, 焊接的时候不添加填充金属, 所以形成了若干电子束焊接头的特点。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, 另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)压焊接头, 除上述熔焊接头之外, 电阻焊跟摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊以及爆炸焊, 统统被称作压焊, 当中电阻焊与摩擦焊, 因具备高效率的特性, 于诸多部门被广泛运用, 尤其是在汽车工业里, 电阻焊和摩擦焊的运用极为普遍, 电阻焊中的点焊（含滚点焊）以及缝焊大多采用搭接接头, 凸焊是点焊的一种变异, 不过接头形式丰富多样, 要依据焊件形状尺寸, 设计出适用且巧妙的接头, 高频电阻焊一般是对接, 也有用搭接接头的。显然, 电阻对焊采用的是对接接头, 应当指出, 因电阻对焊工艺发展, 目前它已经能够焊接²以上的截面, 所以在锅炉压力容器制造中, 尤其在钢管道环缝中, 比如石油、天然气长输管线建设中（涵盖陆地与海洋）, 电阻对焊得到了应用。摩擦焊接头通常同样采用对接接头。其他阻焊接头形式及应用可参考相关资料。
3)多种类型的钎焊接头存在, 其中基本类型仅有对接接头、搭接接头这两种类型。
(2)熔焊坡口形式的选择
熔焊坡口形式依据其形状来划分, 能分成三类, 一类是基本型, 像图5-1b, 1所示的那类, 也就是I形、V形以及单V形、U形和单U形等；另外还有特殊型, 比如卷边的、带垫板的、锁边的以及塞焊、开槽焊这些等；再有就是组合型, 顾名思义它是由上述各型组合而成的, 图5 -2中绝大多数都是这种组合型的坡口。坡口形式一般根据工厂条件, 工艺要求等去考虑下面这些问题进而决定。
1)工厂的加工条件, 比如说, 可以采用双V形坡口, 也可以采用Y形坡口, 还能够采用单边V形坡口, 另外双单边V形坡口、V形坡口、I形坡口同样可用气割, 或者采用等离子弧切割, 自然用金属切削方法加工也是可行的。然而, 双U形坡口、带钝边U形坡口、带钝边J形坡口、U形坡口、Y形坡口通常得用刨边机进行加工, 不过最近也有关于采用气割加工U形坡口的报道, 只是这效率比起热切割来要低一些。
2)判断可达性的优劣情况, 采用Y形坡口的接头, 另外还有带垫板Y形坡口（见图5 – 1e、f）, 还有带垫板V形坡口、VY形坡口（见图5 – 1g）以及带钝边的U形坡口（见图5 – 1h）等, 在施焊的时候通常不需要翻转, 对于内径比较小的容器或者管道而言, 以及针对那些不便翻转的结构来说, 为了避免出现仰焊情况并且无法从内侧进行施焊, 那么就可以采用这种坡口以及焊缝形式。
3)通常让焊接材料的消耗量降低些, 一般熔敷金属量较少, 焊接材料（比如焊条、焊丝、焊剂以及保护气体）的消耗同样较少, 还能节省加工时长。相同板厚情况下, Y形和双Y形坡口相较, Y形坡口的熔敷金属量增长幅度最大可达50%。双U形或者UY形坡口在熔敷金属节省方面更具优势, 所以依据对于大厚度的焊接接头的实际情形而言, 大多会选用这种较为经济实惠的坡口形式。
存在不适于电渣焊、电子束焊的特厚件焊缝, 针对这种情况, 会采用窄间隙焊, 电渣焊有其特定的坡口。
4)得考量焊接变形跟应力, 譬如单面焊兴许会引发角变形以及焊缝根部极为严重的焊接残余应力, 在这种情况下就得考虑材料也就是母材的特点, 去采用恰当的工艺还有坡口形式, 进而来获取合格的接头。
需要指出的是, 论及对接焊缝也好, 角焊缝也罢, 它的焊缝表面情形多样, 既可以处于凹陷状态, 也能够是凸起的, 或者呈现为平齐形状, 至于后者, 有时非得依靠加工才能达成这一体态。有一点千万别忽视, 角焊缝在那几种等边形式的角焊缝之外, 还存在三种不等边角规格的角焊缝。接下来瞧仔细, 就好比图5 -3所展示的直角焊缝, 它一共含有四种不同呈现形式。除了类似等边形态的且兼具平的、凹进去的还有其凸出来的那种直角焊缝, 对应的就是图示的（见图5-3a~c）这三种样式之外, 可以发现还存在平的不等边直角这种别样样式哦（参照见那见图5-3d）。此刻来看焊脚尺寸中的K, 它可是角焊缝所独有的起表征作用的关键尺寸, 而为什么会这么说, 因为角焊缝的焊脚尺寸所对应的实际就是焊缝内接等腰直角三角形的里边那条直角边, 就如同图5 -3清晰表明的那般。
(3)工作接头、联系接头和密封接头
在前述焊接接头之中, 其基本类型主要是依据所采用的焊接工艺来加以区分的, 实际上也是按照焊接结构的焊缝对承载能力承受具体状况来进行区分的 ; 焊接结构体的焊缝又借助是否直接承受相应载荷被划分成承载焊缝以及非承载焊缝, 习惯而言也称其为工作焊缝以及联系焊缝, 就像图5-4所展示;前面这种将结构体里作用力从一个零件传递到另一个零件, 焊缝同零（构造）部件串联一处此中焊缝必须开展强度计算。并且, 后者的焊缝、关联零（构）件二者并联, 与零（构）件协作共担 受力以及变形, 焊缝哪怕破坏、通常也不会影响整个结构安全运行；传递作用力并非焊缝主要职责使命, 则通常可不进行强度运算, 但严格来讲、应认为接头整体, 除焊缝外、熔合线以及所涉热影响区域共同负责（承担串联或并联动作）直接作用载荷亦或不直接承受载荷（并联）, 因此资料中提出工作接头、联系接头以及密封接头。后者主要任务为防止泄漏, 故多归属于工作接头。
(4)焊接接头工作应力的分布
如图5 -1所示的熔焊接头, 像前面所说主要包含对接接头、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是一种搭接接头。在焊接接头里工作应力的分布并非均匀, 也就是存在应力集中现象, 并且各种接头应力集中的情形也不一样。其中对接接头应力集中最小, 形式最为简单, 力的传递相比之下转折较少, 所以是最为合理的、典型的焊接接头形式。即便这样, 对接接头要是出现比较大的余高, 并且过渡处圆弧半径较小, 那么应力集中将会增大, 图5 -5展示的是对接接头里应力分布的状况, 图5-6呈现的是应力集中系数Kσ顺着余高h还有过渡圆弧半径r的变化而产生变化的情形。
T形也就是十字接头, 从母材朝着焊缝过渡十分急剧, 力的传递转折显著, 力线发生扭曲, 应力分布并不均匀, 很容易出现较大的应力集中, 它的应力分布如同图5 -7展示的那样。从图5 – 7 a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, 即图5 – 1 a呈现的T形接头, 其最大应力处于角焊缝的根部, 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, 那么应力分布会得到极大改善, 就像图5 – 7 b显示的这般。T形（十字）接头属于典型的熔焊接头, 其应用广泛, 于造船业当中该接头占所有接头的70%, 因而改善其应力分布极为关键。对于由Ⅰ形坡口的角焊缝所构成的T形（十字）接头, 伴随着焊脚尺寸的加大以及θ角的减小（图5 – 7a）, 应力集中状况有所降低, 当θ角小于或者大于45°时, 也就是属于图5 – 3d的不等边角焊缝时, 只有长边依循着力线方向（即θ。注意: 因提供内容存在不完整表述, 最后“即属图5 – 3d的不等边角焊缝时,只有长边顺着力线方向(即θ)”后面的内容缺失, 这里仅按照现有可处理内容完成改写。
有角焊缝构成的搭接接头, 其应力进行分布时很不均匀, 它并非是理想的那种结构接头形式, 在动载以及低温的时候尤其应当避免采用。不过因为采用了搭接接头, 装配工作极为简便, 焊前准备工作很简单, 构件收缩量比较小, 所以在一些承受静载的建筑结构中以及用薄板制造的储罐结构里仍被采用。要明确指出, 搭接接头能够再被细分为正面搭接以及侧面搭接这两类, 在搭接接头范围内, 不仅存有角焊缝横截面上应力呈现出分布不均衡的状况, 这种情形与T形接头角焊缝是相类似的, 而且正面搭接焊缝跟侧面搭接焊缝里面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并不均匀, 就如同图5 – 8所展示的那样。该图片呈现的是仅仅存在侧面搭接焊缝的情况, A1、A 2所表示的乃是搭接板的截面积, 曲线所代表的是切应力Tx的分布。从图5-8c能够看出, 随着焊缝长度的增加, 应力分布不均匀的状况愈发严重, 焊缝的中段几乎不会受到力, 所以一些标准对承载搭接焊缝（侧面搭接）的长度作出了规定。
二、焊接接头的设计
(1)焊接接头的设计特点
防止结构破坏的条件之中, 存在优良的接头设计这一条件。接头实际受的力十分复杂, 针对这样的接头开展设计, 应当把下面这些问题考虑在内:
1)焊接结构应优先选用接头（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, 也就是不会让力线密集, 或者很少使力线出现转折的接头和焊缝形式。
上述熔焊接头当中, 对接接头是最契合上述条件的, 所以应当优先予以考虑采用, 其次就应当考虑采用T形（十字）接头, 而搭接接头则应该避免去采用, 不过就像上面所说的在一些静载的、并非十分重要的结构里, 为了施工便利依旧会有采用。
2)于存在可能性的条件范围之内, 尽可能地把焊接接头安置于工作载荷相对较小的部位之处, 还有构件几何尺寸以及形状保持不变的地方范畴内。
3)在角焊缝之中, 其焊脚尺寸不适宜过大, 对于搭接角焊缝而言, 也不宜过长。如同之前所讲述的那样, 应力的分布沿着角焊缝的截面并非均匀, 截面要是越大, 那么应力分布不均匀的这种情况程度便越大, 所以大截面的角焊缝承载能力较低。并且焊接材料以及工时消耗会随着焊脚尺寸呈平方的形式增加。在搭接接头那儿, 正面角焊缝的刚度比侧面角焊缝大, 实际强度同样大, 所以有着正侧面角焊缝的联合搭接角焊缝当中, 应力分布不均匀, 侧面角焊缝沿着焊缝长度方向的应力分布也不均匀, 因此对于重要的结构而言, 对于变形能力差的接头来讲, 更是要予以注意。
4)就钢板而言, 其于厚度方向之上也就是Z向的性能欠佳；所以当构成T形或是十字接头后, 要是打算在厚度方向去传递外力的情境下, 那就应当选用Z向钢。
5)焊接后的接头, 其刚度是比较大的, 在焊缝未达到屈服之前, 该接头的变形量是非常小的, 所以呢, 对于那种被用作为铰接点的接头, 比如说桁架所拥有的节点, 它是有可能产生高的附加应力的, 而在这个时候, 就应该采用诸如减小焊接之后的截面这样子的方式, 还有改变焊缝所处位置这一类措施, 以此来增加接头处的柔性。
6)全面考量制造厂的状况, 提升设计接头的工艺特性。像让焊接结构的接头类别稀少, 所运用的焊接方法种类有限, 接头尺寸表现为单一形式；施工期间的可达程度良好, 涵盖焊接之际的可达状况以及焊接完毕后的可检验情形（比如射线探伤利于布片, 超声探伤存有合适的探头移动范畴等）；施焊性能优良等等。
7)计算接头之际不消去应力分布不均衡与焊接残余应力, 下面还会讲述这般的计算是进行了些许假定与简化的。至于工作条件严苛的情况, 像在低温或者动载之下或者接头刚度大的场所, 那就得适度考量这些因素。而对于处于腐蚀环境里作业的焊接结构的接头, 接头的细节设计也是得特别予以考虑的。
(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
针对对接接头强度展开计算, 图5 -9呈现出典型对接接头以及其受力情形, 能够依据表5 -8里的公式来实施计算。从计算公式当中能够发现, 计算时不会考虑接头内的应力集中也就是应力分布不均这种状况, 同样不会将焊接残余应力纳入考量范围内, 并且认定工作应力沿着焊缝呈现出均匀分布的态势。从图5-9a可见端倪, 当两块不同厚度的板子进行对接, 厚度差（δ一δ1）超出规定数值的时候, 也就是按照GB 985标准, 允许的厚度差是1到4mm, 此时需要在厚板上削出斜面, 斜面长度L>3(δ一δ1), 也能够两面皆削制成斜面。
②搭接连头强度的计算, 图5-10是典型的搭接连头以及受力情况, 这里还列有塞焊和电铆焊搭接连头, 也就是图5-10中g、h所示, 除此之外, 搭接连头都是由角焊缝构成的, 跟对接接头强度计算主要针对对接焊缝强度的验算不同, 搭接连头强度计算主要是对角焊缝的强度进行计算, 在搭接角焊缝的计算里做了下述假定:
第一, 针对此种角焊缝的形状（可查看图5-3）, 把内接等腰直角三角形的高也就是K0, 当作计算厚度, 既不把焊缝的凸凹度计算进去, 也不考虑熔深存在的差别, 如此。
K0约等于0.7K, 其中K是焊脚尺寸, 当熔深较大时, 比如埋弧焊之情形下, 可考虑K0近似于0.8K, 甚至二者相等。
第二, 角焊缝全都基于计算截面来计算, 也就是按照计算厚度（通常叫做喉厚）的截面处因遭受切应力破坏加以计算算 , 即便接头承受着弯矩, 然其抵抗弯矩所产生的应变也是假定为切应力, 这从见表5-8中的式子为式(5-1的表中可以看出, 式(5-12 )、式(5-15 )、像式(5-17是这样)等等。
其三, 不考量正、侧面角焊缝之上应力的差异, 以及焊缝之上应力分布的不均衡, 这为计算带来了便利。鉴于侧面搭接焊缝伴随焊缝长度的增长, 应力不均匀程度会加大, 上面所述的计算规定对计算焊缝的长度进行了限制。
第四, 对角焊缝最小焊脚尺寸实施限制, 通常情况下不应小于4mm, 要是板厚小于4mm, 那么焊脚尺寸能够与板厚保持一致。图5 -10中各种搭接接头强度的计算, 具体内容可见表5-8相应部分。
③T形接头强度进行计算, 如图5 – 7所示, 其中T形接头以及十字接头能够由角焊缝构成, 也就是见图5 -7a这样的, 这种接头会出现应力集中情况, ③这种接头还能够由对接焊缝加以构成, 像是K形坡口, 也就是见图5 -7b那样的焊缝构成, 后者应力集中要小很多。表5 -8所罗列包含这两种焊缝的强度计算。能够看出来, 角焊缝的强度计算跟搭接角焊缝的强度计算是一样的, 而后者又跟对接焊缝强度的计算相同。应当指明, T形接头承受压力之时（可见图5 -11a）, 鉴于立板能够和盖板抵紧, 承受压力的能力大幅度提升, 能够运用式（5 -20）开展强度计算。在诸多情形下, 集中力既并非平行, 也并非垂直于焊缝, 能够把作用力划分成两部分, 依次进行强度计算, 如同图5 -11 d以及表5-8中式（5 -26）那般。
2)有关极限状态设计法焊缝连接的计算, 依据GB 50017 – 2003《钢结构设计规范》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、具有直角的角焊缝（此为图5 – 3处）、呈现斜角的角焊缝（此为图5 – 13处）, 还有对接与角接相组合的焊缝（此为图5 – 12处）等形式。焊缝需依据结构的重要程度、载荷的特性、焊缝的形式、工作所在环境以及应力的状态等情形来选用是否要熔透以及多种不同的质量等级, 像承受疲劳的构件的对接焊缝都必须要焊透并且焊缝质量是I 、II级；虽然不计入疲劳, 但要求与母材等强的, 同样要求焊透, 而焊缝质量应不低于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, 腹板与盖板间夹角的焊缝, 要求开出坡口进行焊透等。
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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