焊接结构, 是经由许多部件、元件以及零件, 运用焊接方法连接而成的, 因而焊接接头的性能质量优劣, 直接同焊接结构的性能以及安全性、可靠性存在关联。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, 扩展焊接结构的应用范围, 起到了极大的作用。
一、焊接接头
(1)焊接接头的基本类型
利用主要的焊接方法, 像熔焊、压焊以及钎焊, 皆能够制成焊接结构, 借助这些焊接方法去连接金属结构进而形成不可拆的连接接头也就是焊接接头, 分别形成熔焊接头、压焊接头和钎焊接头, 以此构成焊接结构。然而应用最为广泛的是熔焊, 在此重点介绍熔焊接头。
1)熔焊接头, 它由四部分构成, 分别是, 焊缝金属还有熔合线, 以及热影响区和母材。其中焊缝金属, 是填充材料连同部分母材熔化之后凝固形成的铸造组织。而且熔焊接头各部分的组织并非均匀一致, 其性能方面也存在着差异。那是因为上述四个区域的化学成分不一样, 金相组织也不同, 而且接头处常常改变了构件原本的截面以及形状, 出现了不连续的状况, 甚至存在缺陷, 进而形成不一致程度的应力集中, 另外还有焊接残余应力以及变形, 较大的刚度等都对接头的性能产生影响, 其结果致使接头不但力学性能不均匀, 并且物理化学性能同样存在差异。为确保焊接结构能够可靠地运作, 期望焊接接头具备与母材一样的力学性能, 在某些情形下还期望获取相同的物理和化学性能, 似导电、导磁、抗腐蚀性能以及相同的光泽和颜色等等。
说到焊缝金属, 常常会形成柱状晶铸造组织, 通常比母材的强度要高并且更硬, 然而韧性却降低了。对于高强度钢, 运用恰当的工艺措施, 像预热、缓冷或者采用适宜的热输入, 也能够得到符合要求性能的焊缝金属。一般来讲, 焊缝金属强度和母材强度相比, 有可能更高或者更低, 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的组织成分、焊接热输入相关。尤其要指出的是, 经焊接热循环产生的“动应变时效”（热应变时效）会使接头性能变差。钢材、铝材等预应变后会出现变脆的“时效”现象, 该预应变及时效皆在低温（室温）下发生, 通常称作“静应变时效”。在焊接之后, 热影响区经历焊接热循环进而产生了热应变, 焊接所产生的高温促使时效脆化加速, 以至于“动应变时效”对决头性能有着极大程度降低, 对此必须要予以注重并防止。
熔焊的焊缝主要包含对接焊缝与角焊缝, 以这两种焊缝作为主体而构成的焊接接头有对接接头、角接接头、T形（十字）接头、搭接接头以及塞焊接头等等。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里, 给出了对接接头, 其形式如(见图5-1 a~n) , 还有角接接头, 其情况是(见图5 -1o~u) , T形和十字接头是(见图5 -1 v~Y及z、a’) , 以及搭接接头是(见图5 -1 b’ 、c’) 它们各自的坡口形式、尺寸、熔化形成的焊缝金属, 此部分在图中是用细实线表示的。由符号字母代表的有关尺寸在表5-6 , 表5-6是 根据GB/T 985-1988 , 和GB/T 986-1988标准规定所列出的。选择何种坡口形式, 除开依照上述那两个标准之外, 还能够依据行业以及企业标准, 凭借焊件的厚度去决定, 并且存在一个恰当的区间。比如说厚度是30mm的板对接, 第一种情况是能够选择图5 -1 i所展示的双Y形坡口, 通过表5-6是能够查到的, 当使用焊条电弧焊时，这种坡口适用的是12~ 60mm厚的板, 而当使用埋弧焊时, 适用的则是24~60mm厚的板；第二种情况是还能够选择图5 -1 m所呈现的带钝边的双U形坡口。不论挑选哪一种坡口形式 , 其一最先都一定要确保接头质量 , 其另一种情况则同时还得去考量经济性。
熔焊接头涵盖多种, 而电渣焊接头, 是其中颇为重要的一种。若焊件的厚度大于30mm, 便能够思量采用电渣焊接头。尤其是针对如焊件厚度大于60mm这般大断面的焊缝而言, 相对于电弧焊接头, 电渣焊所得接头的效率显然更高。常用电渣焊接头的基本形式呈现于如图5-2所示状态, 各种形式电渣焊接头的尺寸已被详细标定在表5-7当中。当选用电渣焊来处理工件时, 需保证工件的位置能够达成焊缝的走向自下朝向上方, 也就是要达成适用于垂直位置进行焊接的焊缝条件。电渣焊焊缝是由焊接材料以及母材边缘被高温的渣池熔体交融堆积而致使形成的, 所以焊缝的内外侧理应具备有能够起到阻挡作用的块状物体, 电渣焊是适合用于大型以及特大型那种具有焊接截面的焊件的方法, 比如像那种有着厚壁的压力容器、大直径尺寸的轴、大厚度规格的管道、大机器部件的拼接焊接等等。电渣焊的焊件在焊接完成之后通常是需要经过正火然后进行回火或者进行高温退火热处理的, 目的是为了把由于大焊接热输入所造成的宽热影响区域、粗晶粒状况、高残余应力等这些不好的影响给消除掉 句号。
它是熔焊接头里一种特殊的接头, 被称作电子束焊接接头。它采用聚焦的高速电子流去轰击焊件, 这样子电子的动能被转化产生热能从而熔化焊接到头那里焊缝区才行熔焊。它有可焊接各种特殊金属的特点, 还有大厚度的情况同时焊缝深宽比特别大, 能到25 /1。按照它的这些特点, 应用在核反应堆元件, 还有航空、航天设备里一些特殊金属也包括超高强度钢以及耐热合金零件的焊接。因为电子束直径细, 并且焊接能量集中, 焊接的时候不添加填充金属, 所以形成了电子束焊接接头上一些特点。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, 另外还有一种端接形式, 这种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、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊以及爆炸焊合计统称为压焊, 当中电阻焊与摩擦焊鉴于其具备高效率这类特性, 于诸多部门已然获得广泛应用, 尤其是在汽车工业领域, 电阻焊与摩擦焊的应用极为普遍, 电阻焊里之中的点焊包含滚点焊和缝焊在很大程度上多是采用搭接接头之形式, 如果是凸焊它属于点焊的一种变异情况, 然而接头形式存在多种多样的情形, 需要依据焊件的形状尺寸, 设计出能适用的巧妙接头, 高频电阻焊大体来讲一般为对接, 不过也存在采用搭接接头的状况。电阻对焊明显是采用对接接头, 应当指明, 因电阻对焊工艺的发展, 当下其已然能够焊接²以上的截面, 所以在锅炉压力容器的制造里, 尤其是钢管道的环缝中, 比如石油、天然气的长输管线建设中（含陆地与海洋）, 电阻对焊得以获得应用。摩擦焊接头通常也是采用对接接头。其他的阻焊接头形式以及应用能够参考相关资料。
3)钎焊接头, 它存在着多种不同的类型, 然而, 其基本类型仅仅只有对接接口以及搭接接头这两种情况。
(2)熔焊坡口形式的选择
即: 由于其不同形状, 熔焊坡口形式被划分成三类了, 其一为基本型, 像图5 – 1b 、图5 – 1等里面的I形、V形以及那些单V形、U形和单U形等；其二是特殊型, 例如带有卷边的、附带垫板的、有着锁边的以及塞焊、开槽焊这类；其三是组合型, 顾名思义它是前面所述各型组合起来形成的, 图5 – 1里绝大多数都是这种组合型的坡口。坡口形式一般是依据工厂条件、工艺要求等诸如此类的情况考虑下面这些问题进而决定的。
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形这般的坡口, 能够使用气割、等离子弧切割来处理, 当然, 也能够采用金属切削方法去进行加工。不过, 双Ｕ形、带钝边U形、带钝边Ｊ形、U形、Ｙ 形坡口通常需要借助刨边机来加工（最近有报道称也有采用气割加工U形坡口的情况）, 效率相较于热切割会更低。
2)可达性究竟是好还是坏呢 会采用Y形 带垫板Y形 也就是像见到的图5 – 1e f那样的 带垫板V形 和像VY形 从见到的图5 – 1g可见那样的 还有带钝边的U形类似图5 – 1h那样的等坡口 的接头 在施焊的时候 一般情况下是可以不进行翻转才是的对内径比较小的容器或者管道 以及对于那些不方便进行翻转的结构 鉴于要避免仰焊并且不许能从内侧来施焊而采取这种操作模式 所以才会采用这种坡口还有焊缝形式。
3)首先, 减小焊接材料的消耗量, 在此情况下, 一般熔敷金属量小, 进而焊接材料（焊条、焊丝和焊剂、保护气体）消耗也小, 不光如此, 还节省加工时间。其次, 同样板厚, Y形比双Y形坡口的熔敷金属量增加最大可达50%, 但是双U形或UY形却更加节省熔敷金属。所以, 对于大厚度的焊接接头, 多采用这种较经济的坡口。
对于特殊厚度的焊件焊缝中, 那些不适用于电渣焊、电子束焊的情况, 还会采用窄间隙焊, 其中涉及到电渣焊的特定坡口形状。
4)对焊接变形以及应力予以考量, 举例来说, 单面焊这种方式有可能致使角变形出现, 并且在焊缝根部产生程度较为严重的焊接残余应力, 在这样的情形之下, 需要对材料（也就是母材）所具备的特点加以考虑, 运用适宜的工艺以及坡口形式, 以此达成获得合格接头的目的。
应当指明, 不管是对接焊缝, 还是角焊缝, 其焊缝表面能够是凹陷形态的、凸起形态的亦或是平齐形态的, 后面这种情况有时借助加工得以达成。而且角焊缝除开上述三种等边角焊缝之外, 还存在三种不等边角焊缝, 图5 -3所展示直角焊缝的四种形式, 除去三种等边且平的、凹的以及凸的直角焊缝之外（参照图5-3a~c）, 还有平的不等边直角焊缝（参照图5-3d）。焊脚尺寸K属于角焊缝的特征尺寸, 角焊缝的焊脚尺寸是焊缝内接等腰直角三角形的直角边, 就如同图5 -3所呈现的那样。
(3)工作接头、联系接头和密封接头
首先, 前述焊接接头的基本类型在区分的时候最主要依靠采用的焊接工艺, 实际上这也是按照焊接结构焊缝的承载状况来划分的, 而焊接结构的焊缝能按照直接承受载荷与否分为承载焊缝和非承载焊缝, 这二者习惯上又分别被叫做工作焊缝和联系焊缝, 就像图5-4所展示的那样, 对了, 前者会将领头结构里的作用力从一个零件传递到另一个零件, 焊缝跟零（构）件是串联的状态！这种焊缝是一定要进行强度计算呀。后者的焊缝跟零（构）件相并联, 二者一同受力且变形, 即便焊缝遭破坏, 大多也不影响整个结构安全运作, 传递作用力并非焊缝主要职责, 一般可不做强度计算。然而严格来说, 应视作整个接头, 除焊缝外, 熔合线、热影响区等承担（串联或并联）直接作用载荷或不直接负重（并联）, 因此有资料提及工作接头、联系接头以及密封接头。而后一种接头主要职能是防泄漏, 故而多属工作接头。
(4)焊接接头工作应力的分布
如图5 -1所示的熔焊接头, 像前面所说主要存在对接接头、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是均匀的, 也就是说存在应力集中, 并且各类接头应力集中的情形也不一样相同。其中对接接头应力集中是最小的, 形式是最简单的, 力的传递也有着较少的转折, 所以也就成为了最合理的、典型的焊接接头形式。就算是这样, 对接接头要是出现了较大的余高, 并且过渡处圆弧半径比较小, 那么应力集中就会增大, 图5 -5为对接接头里应力分布的状况。图5-6则表示应力集中系数Kσ会随着余高h以及过渡圆弧半径r的变化而产生变化的情况。
T形也就是十字接头, 从母材朝着焊缝过渡特别急剧, 在力的传递方面转折挺大, 力线呈现扭曲状态, 并且应力分布不均衡, 容易出现较为大的应力集中, 它的应力分布状如图5 -7所呈那样。依据图5-7a能够看出来, 由不开坡口角焊缝搭配而成的T形的也是十字接头, 也就是图5 -1a所展示的T形接头, 它最大应力处于角焊缝的根部位置, 就像Ⅰ – Ⅰ、Ⅱ – Ⅱ截面当中的A点以及Ⅲ – Ⅲ截面内的B点那样。倘若开坡口并焊透, 那么应力分布会得到极大改善, 就像图5-7b所显示的那般。T形也就是十字接头, 也是典型的熔焊接头, 其应用也很广泛。该接头在造船业里占所有接头的70%, 所以改善它的应力分布十分重要。对于由Ⅰ形坡口的角焊缝构成的T形也就是十字接头, 随着焊脚尺寸的增大以及θ角的减小, 这里的图为5 – 7a, 应力集中下降。当θ角小于或者大于45°, 也就是属于图5 – 3d的不等边角焊缝时, 只有长边顺着力线方向, 也就是θ。
由角焊缝构成的搭接接头, 其应力分布非常之不均衡，它可不是什么理想的结构接头形式, 在面临动载以及低温状况的时候, 尤其应当躲避选用。然而, 因为采用了搭接接头, 装配工作极为简便易行, 焊前准备工作特别简单, 构件收缩量微小, 所以在一些承受静载的建筑结构当中以及用薄板制造的储罐结构当中依旧被加以采用。需要明确指出的是, 搭接接头是能够被进一步详细区分为正面搭接以及侧面搭接这两种类型的。在搭接接头之中, 不是仅仅存在着角焊缝横截面上应力分布不均匀的这么一种状况, 这种状况和T形接头角焊缝的情形是相类似的, 而且正面搭接焊缝以及侧面搭接焊缝之中各自的应力分布也是存在差异的, 侧面搭接焊缝它沿着焊缝长度方向的应力分布是不均匀的, 就如同图5-8所展示的那样。这个图呈现的是只有侧面搭接焊缝的这么一种情况, A1、A2所代表的是搭接板的截面积, 其中的曲线所表征的是切应力Tx的分布情况。如图5-8c所示, 当焊缝长度有所增加时, 应力分布不均匀程度会进一步加剧。而且其中段基本不会受力。所以一些标准就规定了承载搭接焊缝亦即侧面搭接的长度。
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, 有一个是优良的接头设计。接头实际受力极为复杂, 针对这种接头来进行设计, 应当考虑以下这些问题:
1)焊接结构应优先采用这样的接头（焊缝）形式, 它形式要简单, 应力集中程度要小, 不能破坏结构连续性, 也就是那种不会让或只需少量让力线密集或者出现转折的接头和焊缝形式。
上面所说的熔焊接头里头, 对接接头是最契合上边那些条件的呀, 所以呢应该优先思量采用它, 接下来呢要考虑采用T形（十字）接头, 然而搭接接头是要避开采用的, 不过就像上面说的那样, 在一些承受静力载荷的、并非特别重要的结构当中, 为了让施工变得更便利, 依旧是有采用搭接接头这种情况的。
2)若存在可能的条件, 需尽可能尝试把焊接接头设置于工作载荷相对较小之处, 此为其一所在, 其二所在则是构件几何尺寸与形状未曾发生变化情形的部位。
3)角焊缝的焊脚尺寸不适宜过大, 搭接角焊缝也不适宜过长，如前面所表述的那样, 应力分布沿着角焊缝截面是不均等的, 截面越大, 应力分布不均等的程度越厉害, 所以大截面的角焊缝承载能力低 , 然而焊接材料与所用时间消耗却是随着焊脚尺寸呈平方级增大的。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, 故而有着正侧面角焊缝的联合搭接角焊缝之中的应力分布不均匀, 侧面角焊缝顺着焊缝长度方向的应力分布也是不均匀的, 所以对于重要的结构、变形能力差的接头, 特别要予以留意。
4)钢板于厚度方向也就是Z向的性能欠佳, 所以构成T形或者十字接头时, 要是需在厚度方向传递外力, 那就应选用Z向钢。
5)焊接接头有着较大的刚度, 在焊缝尚未达到屈服现象以前, 其变形的量度极小。所以, 对于像桁架的节点这样作为铰接点的接头而言, 极有可能会产生较高的附加应力。在这种情形下, 应当采纳诸如减小焊接截面、改变焊缝所处位置等方式, 以此来增加接头的柔性程度。
6)对于制造厂的条件要予以充分的思量, 进而提升设计接头的工艺性, 像要让焊接结构的接头种类变少, 所采用的焊接方法种类也要变少, 接头尺寸保持单一；施工时的可达性要好, 这涵盖焊接时能够有效抵达以及焊接结束后的可检验性, 比如用射线探伤时便于布置片子, 超声探伤有适宜的探头移动范围那些情况；还要保证施焊性良好等等。
7)求解接头之际, 不将应力分布不均衡以及焊接残余应力纳入思量范围, 接下来还会阐述, 这般计算乃是进行了某些假定以及简化处理的。并且, 针对于工作条件严苛的状况, 有如在低温环境下, 或者处于动载条件下, 又或者接头刚度较大的这些具体场合, 那么就需要适度地对这些因素予以考量。而且, 对于处于腐蚀环境里开展工作的焊接结构的接头而言, 接头的细节设计同样需要进行特殊的斟酌。
(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
对于对接接头强度所展开的计算公式解读: 一幅命名作图5一9的典型对接接头以及与之相关的受力态势景象, 能够依据在表5一8内所列出的公式去进行运算求解。从得到的这套計算准则之中能够领会出来, 计值过程对存在于接头里面的应力集中现象（也就是应力分布不均衡状态）并不着手考量、也不将焊接所遗留下的残余应力纳入计值范畴, 并且认定工作应力在焊缝沿线是呈现均匀分布形态的。由图5一9a这个维度能够察觉到, 当两块厚度不相同的板材进行对接的时候, 厚度之间所产生的差值（δ一δ 1）要是超越了既定的值（按照GB 985标准来衡量, 许可存在的厚度差值范围是1~4毫米）, 那么就要求在厚一些的整块板材之上切削出倾斜面向下的形状, 切削出来的斜面长度L要大于3（δ一δ l）、也能够在板材两侧都切削出倾斜面向下的形状。
②关于搭接接头强度来计算, 图5-10呈现出典型的搭接接头以及受力状况, 当中还列有塞焊和电铆焊搭接接头, 也就是图5-10g、h所示的那样, 除此之外, 搭接接头均是由角焊缝构成的, 如同对接接头强度计算主要是去验算对接焊缝的强度那般, 搭接接头强度计算主要是对角焊缝的强度进行计算, 在针对搭接角焊缝的计算里做了下述这样的假定:
首先, 针对于这样的角焊缝的形状, 也就是图5 -3所呈现出来模样的（情况）, 皆是把内接等腰直角三角形的高度也就是K0, 当作是计算的厚度来对待, 不去计及焊缝位置所凸出凹下的程度度数内容物概念量额度数值概念, 同样也不考虑熔深彼此之间存有差异程度大小范围（额度）, 为此。
焊脚尺寸是K, K0约等于0.7K, 这是K0的一种近似情况。当遇到熔深比较大的状况时, 比如说埋弧焊的时候 , 这种情况下可对K0进行考虑 , K0约等于0.8K , 甚至会出现等于K的情形。
第二, 角焊缝全部依照计算截面, 也就是计算厚度（通常称作喉厚）截面那里承受切应力破坏进而展开计算, 即便接头承受着弯矩，对于抵抗弯矩所产生的应力同样假定为切应力, 可见表5-8里, 式(5-12 )、式(5-15 )、式(5-17 )等。
第三, 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, 于此种情形下给计算带来了便利。因为侧面搭接焊缝伴随焊缝长度的递增, 应力不均匀的程度呈现增大态势, 所以上述计算规定对计算焊缝的长度予以了限制。
第四, 对角焊缝的最小焊脚尺寸作出限制, 通常情况下不应小于4mm, 要是板厚小于4mm, 那么焊脚尺寸能够和板厚保持一样。图5 -10里各种搭接接头强度的计算情况, 查看表5-8的相关部分！
③T形接头强度进行计算, 如下所示, T形接头以及十字接头能够由角焊缝构成 , 具体如图5 -7所示 , 这种接头会出现应力集中情况 , 此外 ，T形接头和十字接头也是能够由对接焊缝构成的 , 例如K形坡口焊缝的对接焊缝 , 具体就如同见图5-7b那里所显示的 , 相比之下 , 由对接焊缝构成的接头应力集中程度要小很多。表5-8所列出的内容涵盖了两种焊缝的强度计算。经观察能够发现 , 角焊缝的强度计算跟搭接角焊缝的强度计算是一致的 , 而搭接角焊缝的强度计算又和对接焊缝强度的计算一样。要说明的是 T 形接头承受压力（如图 5 -11a 所示）, 因立板能与盖板抵紧所以承受压力能力大幅提高，此时可用式（5 -20）来开展强度计算。在诸多情形下, 集中力既非平行于焊缝也不垂直于焊缝, 能够把作用力拆分成两部分, 分别去做强度计算, 就像图 5 -11 d 和表 5-8 中式（5 -26）那样。
2)关于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》, 当采用焊接连接时, 针对对接接头、T形接头、角接头以及搭接接头上的焊缝, 采用了对接焊缝这种形式, 采用了直角角焊缝（图5 – 3）这种形式, 采用了斜角角焊缝（图5 – 13）这种形式, 还采用了对接与角接的组合焊缝（图5 – 12）这种形式。结构的重要性、载荷特性、焊缝形式等情况各异, 焊缝需据此去选用是否熔透以及不同质量等级, 像承受疲劳构建的对接焊缝, 通通应当焊透, 而且焊缝质量为I、II级, 虽并不计疲劳, 然而要求与母材等强的, 同样要求焊透, 并且焊缝质量应不低于II级, 重级工作制的吊车梁、起重量>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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