2焊接設(shè)計2.1 材料選用2.1.1 母材材料選用2.1.1.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求[5] 鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼必須符合下列要求：
1） 較高的抗拉強度fu 和屈服點fyfy是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的指標，fy高則可減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材和降低造價，焊接技術(shù)教程_2焊接設(shè)計
。fu是衡量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，它直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，同時fu 高可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。2） 較高的塑性和韌性塑性和韌性好，結(jié)構(gòu)在靜載和動載作用下有足夠的應(yīng)變能力，既可減輕結(jié)構(gòu)脆性破壞的傾向，又能通過較大的塑性變形調(diào)整局部應(yīng)力，同時又具有較好的抵抗交變荷載作用的能力。3） 良好的工藝性能良好的工藝性能不但能保證通過冷加工、熱加工和焊接加工成各種形式結(jié)構(gòu)，而且不致因加工而對結(jié)構(gòu)的強度、塑性、韌性等造成較大的不良影響。此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體工作條件，有時還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫和腐蝕性環(huán)境能力。按以上要求，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具體規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。2.1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼的分類 [5] 在鋼結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要有兩種：碳素結(jié)構(gòu)鋼（或稱普通碳素鋼）和低合金結(jié)構(gòu)鋼。1） 碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700-88）的規(guī)定，將碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五種牌號，鋼的牌號有屈服強度字母（Q）、屈服強度值、質(zhì)量等級符號（A、B、C和D）、脫氧方法符號等四部分順序組成。常見用鋼具體參數(shù)見表2-1-1。2） 低合金鋼根據(jù)《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-94）的規(guī)定，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼分為Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五種，其中Q345、Q390為鋼結(jié)構(gòu)常用鋼種，Q420已在九江長江大橋中成功使用。具體參數(shù)見表2-1-1。2.1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼選用原則 [5] [6]鋼材的選用在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中是重要的一環(huán)，選擇的目的是既要保證結(jié)構(gòu)的安全，又要做到可靠和經(jīng)濟合理。選擇鋼材時應(yīng)考慮以下幾點。1） 結(jié)構(gòu)的重要性對重型工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)、大跨度鋼結(jié)構(gòu)、壓力容器、高層或超高層民用建筑或構(gòu)筑物等重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮選用質(zhì)量好的鋼材；其他按工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的鋼材；另外，安全等級不同，要求的鋼材質(zhì)量也應(yīng)不同。2） 載荷情況一般承受靜載荷的結(jié)構(gòu)，應(yīng)主要以滿足強度要求來選取。直接承受交變載荷的結(jié)構(gòu)，若屬于低周疲勞，在保證一定強度要求下，著重考慮材料的塑性和韌性；若屬于高周疲勞，這時強度隊疲勞抗力起著主導(dǎo)作用，應(yīng)選擇強度高的材料。承受沖擊載荷的結(jié)構(gòu)，所選材料應(yīng)具有足夠的延性和韌性。按剛度條件設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其工作應(yīng)力一般比較小，但其壁厚較厚，此時選材不應(yīng)是高強度的，而應(yīng)是塑性和韌性好的一般強度的材料。在厚度方向受到拉伸載荷，應(yīng)選擇層狀夾雜少，厚度方向塑性好的材料，以防止產(chǎn)生層狀撕裂。3） 連接方法焊接結(jié)構(gòu)對材質(zhì)的要求應(yīng)嚴格一些。例如，在化學成分方面必須嚴格控制碳、硫、磷的含量；非焊接結(jié)構(gòu)對碳當量可放寬要求。4） 結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼。露天結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生時效，有害介質(zhì)作用的鋼材易腐蝕、疲勞和斷裂，應(yīng)區(qū)別地選擇不同的材質(zhì)，宜采用耐候鋼，其質(zhì)量要求應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB/T4172《焊接結(jié)構(gòu)有耐候鋼》的規(guī)定。2焊接設(shè)計2.1 材料選用2.1.1 母材材料選用2.1.1.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求[5] 鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼必須符合下列要求：1） 較高的抗拉強度fu 和屈服點fyfy是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的指標，fy高則可減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材和降低造價。fu是衡量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，它直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，同時fu 高可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。2） 較高的塑性和韌性塑性和韌性好，結(jié)構(gòu)在靜載和動載作用下有足夠的應(yīng)變能力，既可減輕結(jié)構(gòu)脆性破壞的傾向，又能通過較大的塑性變形調(diào)整局部應(yīng)力，同時又具有較好的抵抗交變荷載作用的能力。3） 良好的工藝性能良好的工藝性能不但能保證通過冷加工、熱加工和焊接加工成各種形式結(jié)構(gòu)，而且不致因加工而對結(jié)構(gòu)的強度、塑性、韌性等造成較大的不良影響。此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體工作條件，有時還要求鋼材具有適應(yīng)低溫、高溫和腐蝕性環(huán)境能力。按以上要求，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具體規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。2.1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼的分類 [5] 在鋼結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要有兩種：碳素結(jié)構(gòu)鋼（或稱普通碳素鋼）和低合金結(jié)構(gòu)鋼。1） 碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700-88）的規(guī)定，將碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五種牌號，鋼的牌號有屈服強度字母（Q）、屈服強度值、質(zhì)量等級符號（A、B、C和D）、脫氧方法符號等四部分順序組成。常見用鋼具體參數(shù)見表2-1-1。2） 低合金鋼根據(jù)《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-94）的規(guī)定，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼分為Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五種，其中Q345、Q390為鋼結(jié)構(gòu)常用鋼種，Q420已在九江長江大橋中成功使用。具體參數(shù)見表2-1-1。2.1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼選用原則 [5] [6]鋼材的選用在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中是重要的一環(huán)，選擇的目的是既要保證結(jié)構(gòu)的安全，又要做到可靠和經(jīng)濟合理。選擇鋼材時應(yīng)考慮以下幾點。1） 結(jié)構(gòu)的重要性對重型工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)、大跨度鋼結(jié)構(gòu)、壓力容器、高層或超高層民用建筑或構(gòu)筑物等重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮選用質(zhì)量好的鋼材；其他按工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的鋼材；另外，安全等級不同，要求的鋼材質(zhì)量也應(yīng)不同。2） 載荷情況一般承受靜載荷的結(jié)構(gòu)，應(yīng)主要以滿足強度要求來選取。直接承受交變載荷的結(jié)構(gòu)，若屬于低周疲勞，在保證一定強度要求下，著重考慮材料的塑性和韌性；若屬于高周疲勞，這時強度隊疲勞抗力起著主導(dǎo)作用，應(yīng)選擇強度高的材料。承受沖擊載荷的結(jié)構(gòu)，所選材料應(yīng)具有足夠的延性和韌性。按剛度條件設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其工作應(yīng)力一般比較小，但其壁厚較厚，此時選材不應(yīng)是高強度的，而應(yīng)是塑性和韌性好的一般強度的材料。在厚度方向受到拉伸載荷，應(yīng)選擇層狀夾雜少，厚度方向塑性好的材料，以防止產(chǎn)生層狀撕裂。3） 連接方法焊接結(jié)構(gòu)對材質(zhì)的要求應(yīng)嚴格一些。例如，在化學成分方面必須嚴格控制碳、硫、磷的含量；非焊接結(jié)構(gòu)對碳當量可放寬要求。4） 結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼。露天結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生時效，有害介質(zhì)作用的鋼材易腐蝕、疲勞和斷裂，應(yīng)區(qū)別地選擇不同的材質(zhì)，宜采用耐候鋼，其質(zhì)量要求應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB/T4172《焊接結(jié)構(gòu)有耐候鋼》的規(guī)定。5） 鋼材厚度厚鋼材輥軋次數(shù)少 ，軋制壓縮比相對薄板小。所以厚度大的鋼材不僅強度較小，而且塑性、沖擊韌性和焊接性能也較差。因此，厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)好的鋼材。推薦采用Z向鋼，其材質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB/T5313《厚度方向性能鋼材》的規(guī)定。6）對于需要演算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具用常溫沖擊韌性的合格保證。當結(jié)構(gòu)工作溫度不高于0℃但高于-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具用0℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有-20℃沖擊韌性的合格保證。當結(jié)構(gòu)工作溫度不高于-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具用-20℃沖擊韌性的合格保證；對Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有-40℃沖擊韌性的合格保證。吊車起重量不小于50t的中級工作制吊車梁，對鋼材沖擊韌性的要求應(yīng)與需要演算疲勞的構(gòu)件相同。表2-1-1 常見結(jié)構(gòu)鋼力學性能及匹配焊接材料鋼 材
手工電弧焊焊條CO2⑤氣體保護焊實心焊絲埋弧焊焊接材料牌號等級抗拉強度①Re/Mpa屈服強度沖擊吸收功①型號示例型號示例焊劑型號-焊絲牌號δ≤16mmδ>50～100mmT/℃AKV/JQ235A375～460235205②——E4303③ER49-1③F4A0-H08AB2027E4303、E4328、E4315、E4316C027ER50-6D-2027F4A2-H08AQ295A390～570295235——E4303③ER49-1③ER49-6F5004-H08A⑥、F5004-H08MnA⑦B2034E4328、E4315、E4316ER50-3、ER50-6F5014-H08A⑥、F5014-H08MnA⑦Q345A470～630345275——E5003③ER49-1③F5004-H08A⑥、F5004-H08MnA⑦F5004-H10Mn2⑦B2034E5003③、E5015、E5016、E5018ER50-3F5014-H08A⑥、F5014-H08MnA⑦、F5014-H10Mn2⑦、F5011-H08A⑥、F5011-H08MnA⑦、F5011-H10Mn2⑦C034E5015、E5016、E5018ER50-2F5024-H08A⑥、F5024-H08MnA⑦、F5024-H10Mn2⑦、F5021-H08A⑥、F5021-H08MnA⑦、F5021-H10Mn2⑦D-2034F5034-H08A⑥、F5034-H08MnA⑦、F5034-H10Mn2⑦、F5031-H08A⑥、F5031-H08MnA⑦、F5031-H10Mn2⑦表2-1-1續(xù)鋼材
手工電弧焊焊條CO2⑤氣體保護焊實心焊絲埋弧焊焊接材料牌號等級抗拉強度①Re/Mpa屈服強度沖擊吸收功①型號示例型號示例焊劑型號-焊絲牌號δ≤16mmδ>50～100mmT/℃AKV/JQ390A490～650390330——E5015、E5016、E5515-D3、E5515-G、E5516-D3、E5516-GER50-3F5011-H08MnA⑥、F5011-H10Mn2⑦、F5011-H08MnMoA⑦B2034C034F5021-H08MnA⑥、F5021-H10Mn2⑦、F5021-H08MnMoA⑦D-2034ER50-2F5031-H08MnA⑥、F5031-H10Mn2⑦、F5031-H08MnMoA⑦E-4027④④F5041④Q420A520～680420360——E5515-D3、E5515-G、E5516-D3、E5516-GER55-D2F6011-H10Mn2⑥、F6011-H08MnMoA⑦B2034C034F6021-H10Mn2⑦、F6021-H08MnMoA⑦D-2034F6031-H10Mn2⑦、F6031-H08MnMoA⑦E-4027④④F6041④① 表中鋼材力學性能的單值均為最小值。② 板厚δ>60～100mm時的Re值。③ 用于一般結(jié)構(gòu)，其他用于重大結(jié)構(gòu)。④ 由供需雙方協(xié)議。⑤ 含Ar-CO2混合氣體保護焊。⑥ 薄板I形坡口對接。⑦ 中、厚板坡口對接。7）下列情況的承重結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不應(yīng)采用Q235沸騰鋼：①焊接結(jié)構(gòu)。a． 直接承受動力載荷或振動載荷且需要演算疲勞的結(jié)構(gòu)。b． 工作溫度低于-20℃時的直接承受動力載荷或振動載荷但不需要演算疲勞的結(jié)構(gòu)以及承受靜力載荷的受彎及受拉德重要承重結(jié)構(gòu)。c． 工作溫度等于或低于-30℃的所有承重結(jié)構(gòu)。② 非焊接結(jié)構(gòu)。工作溫度等于或低于-20℃時的直接承受動力載荷且需 要演算疲勞的結(jié)構(gòu)。8）承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有碳含量的合格證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證。2.1.2焊接材料匹配[3] [7] [8] [9] [10] [11] 焊接不同類別鋼材時，焊接材料的匹配應(yīng)符合設(shè)計要求。常見結(jié)構(gòu)鋼材采用焊條電弧焊、CO2氣體保護焊和埋弧焊進行焊接，焊接材料可按表2-1-1中的規(guī)定。2.2 焊接方法的選用[12]選擇焊接方法時必須符合以下要求：能保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)良可靠；生產(chǎn)率高，生產(chǎn)費用低，工作條件好，能獲得較好的經(jīng)濟效益。影響這兩方面的因素很多，概括如下：㈠ 產(chǎn)品特點⑴ 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型本單位焊接的產(chǎn)品按結(jié)構(gòu)特點大致可分為以下三大類。1） 結(jié)構(gòu)類 如橋梁鋼結(jié)構(gòu)、起重機械等的鋼結(jié)構(gòu)；2） 機械零件類 如機械產(chǎn)品的零部件等；3） 半成品類 如工字梁、管子等。這些不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品由于焊縫的長短、形狀、焊接位置等個不相同，因而適用的焊接方法也會不同。結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品中規(guī)則的的長焊縫和環(huán)縫宜采用埋弧焊；手弧焊用于打底焊和短焊縫焊接，機械類產(chǎn)品接頭一般較短，根據(jù)其準確度要求，選用氣體保護焊（一般厚度）、電渣焊（重型構(gòu)件易于立焊的）；半成品類的產(chǎn)品的焊接接頭往往是規(guī)則的，宜采用適于機械化的焊接方法，如埋弧焊和氣體保護焊。表2-1-2焊接方法影響因素焊接方法
適用材料下焊接厚度(mm)接頭形式焊接位置費用自動化程度對接T接搭接平焊立焊橫焊仰焊設(shè)備費焊接費手工電弧焊碳鋼單道2～6 多道6以上AAAABBC少少差低合金鋼單道2～6 多道6以上二氧化碳氣保焊碳鋼射流過渡:單道3～10;多道10以上短路過渡:單道0.5～6;多道6～20AAAAABC中少好低合金鋼射流過渡:單道3～10;多道10以上短路過渡:單道0.5～6;多道6～20埋弧焊碳鋼單道5～24 多道24以上AAAADBD中少好低合金鋼單道5～24 多道24以上栓釘焊碳鋼①②少少好低合金鋼①電渣焊碳鋼24以上AABCADD大少好低合金鋼24以上① ②栓釘?shù)牟牧蠟镸L15 和ML15Al。（GB/T6478-2001 《冷鐓和冷擠壓用鋼》）； 栓釘?shù)囊?guī)格有：M10、M13、M16、M19、M22、M25等（GB/T10433-2002 《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》）⑵ 工件厚度工件的厚度可在一定程度上決定所適用的焊接方法。每種焊接方法由于所用熱源不同，都有一定的適用的材料厚度范圍。對于熔焊而言，是以焊透而不燒穿為前提�？珊缸钚〉暮穸仁侵阜�(wěn)定狀態(tài)下單面單道焊恰好焊透而不發(fā)生燒穿的厚度。顯然，焊件越薄，越須注意燒穿問題；可焊最大厚度則決定于該焊接方法在最大熱輸入下單面單道焊的最大熔深。焊件越厚，越須注意焊透問題。如果該結(jié)構(gòu)允許開坡口又能采用雙面多層多道焊，則可焊的最大厚度在技術(shù)上不再有困難，此時焊接方法由生產(chǎn)率和經(jīng)濟因素決定。在推薦的厚度范圍內(nèi)焊接時較易控制焊接質(zhì)量和保持合理的生產(chǎn)率。⑶ 接頭形式和焊接位置焊接接頭形式通常由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、使用要求和母材的厚度等因素決定。對接、搭接、T形接和角接是最基本的形式，這些接頭形式對大部分熔焊方法均適用。⑷ 焊接位置在不能變位的情況下焊接焊件上所有的焊縫，就會因焊縫處于不同空間位置而須采用平焊、立焊、橫焊、或仰焊等四種不同的位置的焊接。一種焊接方法能進行這四種位置的焊接稱可全位置焊的方法。就熔焊而言，埋弧焊只適用于平焊位置，電渣焊適用于立焊。其他如焊條電弧焊、各種氣體保護電弧焊均能全位置焊。各種焊接方法中以平焊最容易操作，生產(chǎn)率高，焊接質(zhì)量容易保證，而仰焊操作最難，極易產(chǎn)生焊接缺陷。因此有條件的應(yīng)是焊件變位，讓焊縫都處于平焊位置施焊。㈡ 母材特性母材的特性考慮的包括母材的物理性能、力學性能和冶金性能。由于焊接結(jié)構(gòu)中最常用是普通碳鋼和低合金鋼，幾乎所有焊接方法都能選用，但隨著含碳量或合金含量的增加，其焊接性能變差。高碳鋼或碳當量高的合金結(jié)構(gòu)鋼宜采用冷卻速度慢的焊接方法，已減少熱影響區(qū)開裂傾向。選擇好焊接方法的影響因素還包括技術(shù)水平、設(shè)備和焊接用消耗材料等。所有的因素須綜合考慮，選擇最經(jīng)濟最適用的方法。表2-1-2提供了綜合各種因素而適用的焊接方法，以供參考。2.3 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1焊接應(yīng)力 [5] [12] [13]圖2-3-1長板對接焊后橫截面上的縱向應(yīng)力的分布2.3.1.1 焊接應(yīng)力的特點和分類 ⑴ 特點沒有外力作用的情況下，平衡于物體內(nèi)的應(yīng)力稱內(nèi)應(yīng)力。引起內(nèi)應(yīng)力的原因很多，由焊接引起的內(nèi)應(yīng)力稱焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力也和其他原因引起的內(nèi)應(yīng)力一樣，有一個基本特點，即在整個焊件內(nèi)構(gòu)成一個平衡力系，其內(nèi)力與內(nèi)力矩的總和都為零：因此，在焊件橫截面上內(nèi)應(yīng)力的分布（圖2-3-1），總是既有拉應(yīng)力，又有壓應(yīng)力，是雙值同時出現(xiàn)的。而且應(yīng)力分布圖上拉應(yīng)力的面積（圖中用表示的影線面積）等于壓應(yīng)力得面積（用表示的影線面積）。⑵ 分類（見表2-3-1）表2-3-1焊接應(yīng)力分類焊接應(yīng)力
分類說明按應(yīng)力在焊件內(nèi)的空間位置分一維空間應(yīng)力單向（或單軸）應(yīng)力。應(yīng)力沿焊件一個方向作用二維空間應(yīng)力雙向（或雙軸）應(yīng)力。應(yīng)力在一個平面內(nèi)不同方向作用三維空間應(yīng)力三向（或三軸）應(yīng)力。應(yīng)力在空間所有方向作用按應(yīng)力產(chǎn)生的原因分熱應(yīng)力焊接過程中焊件內(nèi)部溫度有差異所引起的應(yīng)力，故又稱溫差應(yīng)力，它隨溫差消失而消失。熱應(yīng)力是引起熱裂紋的力學原因相變應(yīng)力焊接過程中局部金屬發(fā)生相變，其比容增加或減小而引起的應(yīng)力塑變應(yīng)力金屬局部發(fā)生拉伸或壓縮塑性變形后引起的內(nèi)應(yīng)力。焊接過程中在近縫高溫區(qū)德金屬熱膨和冷縮受阻時產(chǎn)生這種塑性變形，從而引起焊接的內(nèi)應(yīng)力按應(yīng)力存在的時間分焊接瞬時應(yīng)力在焊接過程中，某一瞬時的焊接應(yīng)力，隨時間而變化。它和焊接熱應(yīng)力沒有本質(zhì)區(qū)別，當溫度也隨時間而變化時，熱應(yīng)力也是瞬時應(yīng)力。統(tǒng)稱暫時應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力焊完冷卻后殘留在焊件內(nèi)的應(yīng)力。圖2-3-1所示即為殘余應(yīng)力。它對焊接結(jié)構(gòu)的強度、腐蝕和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。2.3.1.2焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響 熔化焊必然會帶來焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)中并非都是有害的。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在工程中的受力情況、使用的材料、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，正確選擇焊接工藝，將不利的因素變?yōu)橛欣囊蛩亍Ｍ瑫r要做到具體情況具體分析。1）對靜載強度的影響塑性良好的金屬材料，焊接殘余應(yīng)力的存在并不影響焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度。在塑性差的焊件上，因塑性變形困難，當殘余應(yīng)力峰值達到材料的抗拉強度時，局部首先發(fā)生開裂，最后導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體破壞。由此可知，焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料鋼結(jié)構(gòu)的靜載強度。2）對構(gòu)件加工尺寸精度的影響對尺寸精度要求高的焊接結(jié)構(gòu)，焊后一般都采用切削加工來保證構(gòu)件的技術(shù)條件和裝配精度。通過切削加工把一部分材料從構(gòu)件上去除，使截面積相應(yīng)減小，同時也釋放了部分殘余應(yīng)力，使構(gòu)件中原有殘余應(yīng)力的平衡得到破壞，引起構(gòu)件變形。3）對受壓桿件穩(wěn)定性的影響焊接后工字梁（H形）中的殘余壓應(yīng)力和外載引起的壓應(yīng)力疊加之和達到材料的屈服點時，這部分截面就喪失進一步承受外載的能力，削弱了有效截面積。這種壓力的存在，會使工字梁的穩(wěn)定性明顯下降，使局部或整體失穩(wěn)，產(chǎn)生變形。焊接殘余應(yīng)力對桿件穩(wěn)定性的影響大小，與內(nèi)應(yīng)力的分布有關(guān)，若能使有效截面遠離壓桿的中性軸，如圖2-3-2所示的H形焊接桿件，可以改善其穩(wěn)定性。圖中a是用氣割翼板外邊緣，圖中ｂ是翼板上加蓋板在邊緣進行焊接，均使邊緣存在較大拉內(nèi)應(yīng)力。這樣的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)其失穩(wěn)臨界應(yīng)力比一般焊接的H形截面高。4）對應(yīng)力腐蝕裂紋的影響金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下發(fā)生的延遲開裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕裂紋主要是由材質(zhì)、腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。采用熔化焊焊接的構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力是不可避免的。焊件在特定的腐蝕介質(zhì)中，盡管拉應(yīng)力不一定很高都會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。其中殘余拉應(yīng)力大小對腐蝕速度有很大的影響，當焊接殘余應(yīng)力與外載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)力值越高，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向就高，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的時間就越短。所以，在腐蝕介質(zhì)中服役的焊件，首先要選擇抗介質(zhì)腐蝕性能好的材料，此外對鋼結(jié)構(gòu)的焊縫及其周圍處進行錘擊，使焊縫延展開，消除焊接殘余應(yīng)力。對條件允許焊接加工的鋼結(jié)構(gòu)，在使用前進行消除應(yīng)力退火等。2.3.1.3從設(shè)計方面調(diào)節(jié)和控制焊接殘余應(yīng)力（工藝措施見下章） 焊接內(nèi)應(yīng)力是可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝措施等進行調(diào)節(jié)與控制。工藝措施將在下一章詳細介紹。1） 盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。多一條焊縫就多一處內(nèi)應(yīng)力源；過大的焊縫尺寸，焊接時受熱區(qū)加大。使引起殘余應(yīng)力與變形的壓縮塑變區(qū)或變形量增大。2） 避免焊縫過分集中，焊縫間應(yīng)保持足夠的距離。焊縫過分集中不僅使應(yīng)力分布更不均勻，而且可能出現(xiàn)雙向或三向復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。3） 采用剛性較小的接頭形式。2.3.2焊接變形 [5] [12] [13]2.3.2.1 焊接變形的特點和分類 ⑴ 特點焊件由于焊接而產(chǎn)生的變形稱焊接變形。焊接變形與焊件形狀尺寸、材料的熱物理性能及加熱條件等因素有關(guān)。如果是簡單的金屬桿件在自由狀態(tài)下均勻的加熱或冷卻，該桿件將按熱膨冷縮的基本規(guī)律在長度上產(chǎn)生伸長或縮短的變形，焊接時不均勻加熱過程，熱源只集中在焊接部位，且以一定速度向前移動。局部受熱金屬的膨脹能引起整個焊件發(fā)生平面內(nèi)或平面外的各種形態(tài)的變形。變形是從焊接時便產(chǎn)生，并隨焊接熱源的移動和焊件上溫度分布的變化而變化。一般情況下一條焊縫在施焊處受熱發(fā)生膨脹變形，后面開始在凝固和冷卻處發(fā)生收縮。膨脹和收縮在這條焊縫上不同部位分別產(chǎn)生，直至焊接結(jié)束并冷至室溫，變形才停止。⑵分類焊接過程中隨時間而變的變形稱焊接瞬時變形，它對焊接施工過程發(fā)生影響。焊完冷后，焊件上殘留下來的變形稱焊接殘余變形，它對結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能發(fā)生影響。我們關(guān)心最多的是焊接殘余變形，因為它直接影響結(jié)構(gòu)的使用性能。所以在沒有特別說明情況下，一般所說的焊接變形，多是指焊接殘余變形。按變形后的形態(tài)分，焊接殘余變形可歸納成表2-3-2所示的幾種類型。它們與焊件的形態(tài)、尺寸、焊縫在焊件上的位置、焊縫坡口的幾何形狀等因素有關(guān)。表2-3-2焊接殘余變形分類類型
示意圖說明板平面內(nèi)的變形橫向收縮垂直焊接方向的收縮縱向收縮焊接方向的收縮回轉(zhuǎn)變形在開坡口焊接時，焊接過程中坡口間時而張開時而閉合的變形。在熱源前方完全沒有拘束的情況下，因連接焊接坡口間隙常常張開，焊接熱輸入量越大，張開量越大板平面外的變形橫向彎曲變形（角變形）在板厚方向由于焊接而使溫度分布不均勻時，沿板厚方向橫向收縮不同，使板件在焊縫中心線處發(fā)生彎曲變形。又叫角變形縱向彎曲變形焊接方向偏心收縮引起的彎曲變形波浪變形在薄板焊接時，由于焊接產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力，使板件出現(xiàn)因壓曲形成的波浪變形扭曲變形細長構(gòu)件，縱向焊縫的橫向收縮不均勻或備料與組裝質(zhì)量不良，使構(gòu)件繞自身軸線扭轉(zhuǎn)2.3.2.2 焊接變形收縮余量計算 1）縱向收縮從理論上精確計算變形量目前比較困難。工程上對于鋼制細長焊件，如梁、柱等結(jié)構(gòu)單層焊的縱向收縮量△L，可利用以下經(jīng)驗公式估算：△L=k1AHL∕A式中 △L——單層焊縱向收縮量，mm；k1——系數(shù)見表2-3-3；AH——塑性變形區(qū)面積，mm2；L ——焊件長度，mm；A ——焊縫的截面積，mm2。表2-3-3 k1與焊接方法的關(guān)系（材料為低碳鋼）焊接方法
二氧化碳焊埋弧焊焊條電弧焊系數(shù)0.0430.071～0.0760.076多層焊的縱向收縮量，將上式中的塑性變形區(qū)面積AH改為一層焊縫金屬的截面積，并將所計算的結(jié)果再與系數(shù)k2相乘。k2=1+85n=σs∕E式中 n——層數(shù)。因雙面角焊縫焊接熱輸入量有一部分重疊，所以，估算T形接頭縱向收縮量時可按單面焊再乘一個系數(shù)進行，即△LT=（1.15～1.40）△L單（式中AH是指一條焊縫的截面積）。2）橫向收縮對接接頭的橫向收縮大小與焊接線能量、坡口形式、焊縫截面積以及焊接工藝有關(guān)。對接接頭的橫向收縮量△B的估算可按下式進行：△B=0.2A∕δ+ 0.05b式中 △B——對接接頭的橫向變形量，mm；A——焊縫的截面積，mm2；δ——板厚，mm；b——對接間隙，mm。2.3.2.3從設(shè)計方面控制焊接殘余變形（工藝方面見下章） 1）合理選擇構(gòu)件截面提高構(gòu)件的抗變形能力設(shè)計結(jié)構(gòu)時要盡量使構(gòu)件穩(wěn)定、截面對稱，薄壁箱形構(gòu)建的內(nèi)板布置要合理，特別是兩端的內(nèi)隔板要盡量向端部布置；構(gòu)件的懸出部分不易過長；構(gòu)件放置或吊起時，支承部位應(yīng)具有足夠的剛度等。較容易變形或不易被矯正的結(jié)構(gòu)形式要避免采用。可采用各種型鋼、彎曲件和沖壓件(如工字梁、槽鋼和角鋼)代替焊接結(jié)構(gòu)，對焊接變形大的結(jié)構(gòu)盡量采用鉚接和螺栓連接。對一些易變形的細長桿件或結(jié)構(gòu)可采用臨時工藝筋板、沖壓加強筋、增加板厚等形式提高板件的剛度。如從控制變形的角度考慮，鋼橋結(jié)構(gòu)的箱形薄壁結(jié)構(gòu)的板材不宜太薄，如起重20t、跨度28m的箱形雙梁式起重機，主體箱形梁長度達45m、斷面為寬800mm、高1666mm、內(nèi)側(cè)腹板厚度為8mm，外側(cè)腹板6mm，焊成箱形后，無論整體變形還是局部變形都比較大，而且矯正困難。因此，箱形鋼結(jié)構(gòu)的強度不但要考慮板厚、剛度和穩(wěn)定性，而且制造和安裝過程中的變形也是很重要的。2）合理選擇焊縫尺寸和布置焊縫的位置焊縫尺寸過大不但增加了焊接工作量。對焊件輸入的熱量也多，而且也增加了焊接變形。所以，在滿足強度和工藝要求的前提下，盡可能的減少焊縫長度尺寸和焊縫數(shù)量，對聯(lián)系焊縫在保證工件不相互竄動的前提下，可采用局部點固焊縫；對無密封要求的焊縫，盡可能采用斷續(xù)焊縫。但對易淬火鋼要防止焊縫尺寸過小產(chǎn)生淬硬組織等。設(shè)計焊縫時，盡量設(shè)計在構(gòu)件截面中心軸的附近和對稱于中性軸的位置，使產(chǎn)生的焊接變形盡可能的相互抵消。如工字梁其截面是對稱的，焊縫也對稱與工字梁截面的中性軸。焊接時只要焊接順序選用合理，焊接變形就可以得到有效的控制，特別是撓曲變形可以得到有效的控制。3）合理選擇焊縫的截面和坡口形式要做到在保證焊縫承載能力的前提下，設(shè)計時應(yīng)盡量采用焊縫截面尺寸小的焊縫。但要防止因焊縫尺寸過小，熱量輸入少，焊縫冷卻速度快易造成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。因此，應(yīng)根據(jù)板厚、焊接方法、焊接工藝等合理的選擇焊縫尺寸，工程
《焊接技術(shù)教程_2焊接設(shè)計》(http://www.lotusphilosophies.com)。此外，要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸大小等選擇坡口形式。如平板對接焊縫，一般選用對稱的坡口，對于直徑和板厚都較大的圓形對接筒體，可采用非對稱坡口形式控制變形。在選擇坡口形式時還應(yīng)考慮坡口加工的難易、焊接材料用量、焊接時工件是否能夠翻轉(zhuǎn)及焊工的操作方便等問題。如直徑比較小的筒體，由于在內(nèi)部操作困難，所以縱焊縫或環(huán)焊縫可開單面V或U形坡口。具體坡口形狀和尺寸見下節(jié)內(nèi)容。4）盡量減少不必要的焊縫焊縫數(shù)量與填充金屬量成正比，所以，在保證強度的前提下，鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量，避免不必要的焊縫。為防止薄板產(chǎn)生波浪變形，可適當采用筋板增加鋼結(jié)構(gòu)的剛度，用型鋼和沖壓件代替焊件。2.3.3焊接接頭構(gòu)造的設(shè)計與選擇 （主要是熔焊接頭）2.3.3.1焊接接頭的基本類型[12] 焊接結(jié)構(gòu)上的接頭，按被連接構(gòu)件之間的相對位置及其組成的幾何形狀，可歸納為圖2-3-3所示的五種類型：a為對接接頭；b為角接接頭；c為T形接頭；d為搭接接頭；e為卷邊接頭。圖2-3-3熔焊接頭的基本類型圖2-3-4不同板厚鋼板對接接頭設(shè)計（L≥3δ-δ1）2.3.3.2常用焊接接頭的工作特性 [12] [6] 1）對接接頭圖2-3-5正面搭接接頭的彎曲變形將兩焊件的表面構(gòu)成135°～180°夾角的接頭均稱對接接頭。優(yōu)點:傳力效率最高，應(yīng)力集中較低,并易保證焊透和排除工藝缺陷，具有較好的綜合性能，使重要零件和結(jié)構(gòu)連接的首選接頭。缺點：焊前準備工作量大，組裝費工時，而且焊接變形也較大。對接接頭應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中產(chǎn)生在焊趾處。如果在焊趾處加工成過渡圓弧半徑或削平焊縫余高h，均能使應(yīng)力集中減小或消失，提高接頭的疲勞強度。當兩塊被連接板的厚度相差較大時，按GB/T985、GB/T986，須將厚板削薄至薄板厚度相同時再焊接見圖2-3-4。為了防止因板厚不同引起作用力偏心傳遞，兩塊板的中心線應(yīng)盡可能重合，見圖2-3-4b。直接承受動力載荷且需要進行疲勞計算的結(jié)構(gòu)，斜角坡度不應(yīng)大于1：4，其它結(jié)構(gòu)坡度不能大于1：2.5。2）搭接接頭搭接接頭時兩平板部分地相互搭置，用角焊縫進行連接的接頭 。優(yōu)點：焊前準備工作量較小，裝配較容易，對焊工技術(shù)水平要求較對接接頭低，且橫向收縮量也較小，可用于工作環(huán)境良好，不重要的結(jié)構(gòu)中。缺點：母材和焊接材料消耗大，接頭動載強度低，搭接面有間隙，若外漏易發(fā)生腐蝕，若封閉澤不能在高溫工作。能采用對接接頭的盡量不采用搭接接頭。搭接接頭受軸向力時，以焊趾和焊根處的應(yīng)力集中最大，增加根部熔深可降低。只有正面角焊縫的搭接接頭，強度低，應(yīng)在背面加焊一條焊縫。當背面無法焊時，可采用鋸齒狀焊縫。搭接接頭承受拉力時，正向角焊縫與作用力偏心，接頭上產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，使應(yīng)力集中加劇。為了減少彎曲應(yīng)力，兩條正面角焊縫之間的距離不應(yīng)小于其板厚的4倍，但也不宜大于40K（動載時）或60K(靜載時)，否則應(yīng)力集中大，K為側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸。見圖2-3-5。3） T形接頭和十字接頭T形接頭是將一件端面與另一件表面構(gòu)成直角或近似直角的接頭。三件相交組成“十”字形的接頭叫十字接頭。優(yōu)點：能承受各種方向外力和力矩。缺點：接頭在外力作用下力線扭曲很大，造成極不均勻的應(yīng)力分布。在外力作用下，應(yīng)力集中點在根部和過渡處。立板開坡口并焊透的接頭，應(yīng)力集中可大為降低。對重要構(gòu)件，尤其是在動載下工作的T形和十字接頭應(yīng)開坡口并焊透。該類型接頭應(yīng)盡量避免在其板厚方向承受高拉應(yīng)力，因軋制的鋼板常有夾層缺陷，尤其是厚板更易產(chǎn)生層狀撕裂，所以應(yīng)將工作焊縫轉(zhuǎn)化為聯(lián)系焊縫。如兩個方向都受力，則宜采用圓形、方形或特殊形狀的軋鋼、鍛鋼插入件。4)角接接頭兩焊件端部夾角在30°～135°范圍內(nèi)的接頭。角接接頭獨立使用的承載能力很低，一般都用它組成箱體結(jié)構(gòu)、容器結(jié)構(gòu)后期作用。2.3.3.3設(shè)計與選擇焊接接頭須考慮的因素 [12]焊接接頭有圖2-3-3所示的基本形式。須正確的設(shè)計和選擇。合理的接頭設(shè)計和選擇不盡能保證結(jié)構(gòu)的局部和整體強度，還可以簡化生產(chǎn)工藝，節(jié)省制造成本；反之，則可能影響結(jié)構(gòu)的安全使用，甚至無法施焊。下列為設(shè)計和選擇焊接接頭形式時須考慮的幾個因素：① 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀 、尺寸、材質(zhì)及技術(shù)要求；② 焊接方法及接頭的基本特性；③ 接頭承受載荷的性質(zhì)、大小，如拉伸、壓縮、彎曲、交變載荷和沖擊等；④ 接頭的工作環(huán)境，如溫度、腐蝕介質(zhì)等；⑤ 焊接變形與控制，以及施焊的難易程度；⑥ 接頭焊前的準備和焊接所需費用。2.3.3.4 坡口的設(shè)計與選擇 [12] [13] [14] [15] 1）設(shè)計與選擇坡口的原則對接、T形接和角接接頭中為了保證焊透常在焊前對待焊邊緣加工出各種形狀的坡口，如何設(shè)計和選擇坡口，主要取決被焊件的厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工藝程序。（相關(guān)內(nèi)容在下面的坡口焊縫設(shè)計中說明）。此外，還應(yīng)盡量做到：① 填充材料應(yīng)最少。例如，同樣厚度平板對接，雙面V形坡口比單面V形坡口節(jié)省一半的填充金屬材料；② 具有號的可達性。例如，有些情況不便或不能兩面施焊時，宜選擇單面V形或U形坡口；③ 坡口容易加工，且費用低。④ 要有利于控制焊接變形。雙面對稱坡口角變形小。2）標準的坡口形狀和尺寸國家標準GB/T985-88《氣焊、手工電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口基本形式與尺寸》和GB/T986-88《埋弧焊焊縫坡口基本形式與尺寸》（見附錄Ⅰ和附錄Ⅱ）。因此，除有特殊要求的焊縫坡口需另行設(shè)計外，一般焊接結(jié)構(gòu)的焊縫坡口陡可以直接從國家標準中選用。2.3.3.5 焊縫設(shè)計㈠.焊縫質(zhì)量等級 [6]焊縫應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、載荷特性、焊縫形式、工作環(huán)境以及應(yīng)力狀態(tài)等情況，按下述原則分別選用不同的質(zhì)量等級：1.在需要計算疲勞結(jié)構(gòu)中，凡對接焊縫均應(yīng)焊透。作用力垂直于焊縫長度方向的橫向?qū)雍缚p或T 形對接與角接組合焊縫，受拉時應(yīng)為一級，受壓時應(yīng)為二級；縱向?qū)雍缚p應(yīng)為二級。2.在不需要計算疲勞的構(gòu)件中，凡要求與母材等強的對接焊縫，受拉時不應(yīng)低于二級。受壓時宜為二級。因一級或二級對接焊縫的抗拉強度正好與母材的相等，而三級焊縫只有母材強度的85%。3.重級工作制和Q≥50t的中級工作制吊車梁腹板與上翼緣之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的T形接頭焊縫處于構(gòu)件的彎曲受壓區(qū)，主要承受剪應(yīng)力和輪壓產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力，沒有受到明確的拉應(yīng)力作用，按理不會產(chǎn)生疲勞破壞，但由于承擔軌道偏心等帶來的不利影響，國內(nèi)外均發(fā)現(xiàn)連接及附近經(jīng)常開裂。所以規(guī)定，應(yīng)予焊透，質(zhì)量等級不低于二級。焊縫形式一般為對接與角接的組合焊縫。4.不要求焊透T形接頭采用的角焊縫以及不焊透的對接與角接組合焊縫，以及搭接連接采用的角焊縫，由于內(nèi)部探傷困難，不能要求其質(zhì)量等級為一級或二級。因此對直接承受動力載荷且需要驗算疲勞的結(jié)構(gòu)和吊車起重量等于或大于50t的中級工作制吊車梁，焊縫只能規(guī)定其外觀質(zhì)量標準應(yīng)符合二級；其他結(jié)構(gòu)，焊縫的外觀質(zhì)量標準可為三級。（二）.焊縫設(shè)計要點[12] [6]1. 角焊縫⑴ 角焊縫斷面形式實際應(yīng)用的角焊縫大致有圖2-3-6所示的幾種斷面形式。圖中K為焊腳尺寸，α為計算厚度，強度計算時稱它為計算斷面。圖2-3-6常用角焊縫斷面形狀及其計算斷面a）標準角焊縫 b)外凸焊縫 c）內(nèi)凹焊縫 d）不等腰角焊縫 e）深熔焊縫⑶ 尺寸要求① 焊縫的焊腳尺寸K（mm）不得小于1.5，t（mm）為較厚焊件厚度(當采用低氫型堿性焊條施焊時，t可采用較薄焊件的厚度)。但對埋弧自動焊，最小焊腳尺寸可減小1mm；對T形連接的單面焊縫，應(yīng)增加1mm。當焊件厚度等于或小于4mm時，則最小焊腳尺寸與焊件厚度相同。② 角焊縫的焊腳尺寸不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍（鋼管結(jié)構(gòu)除外）但板件（厚度為t）邊緣的角焊縫最大焊腳尺寸，尚應(yīng)符合：當t≤6mm時，K≤t；當t＞6mm時，K≤t-（1～2）mm。圓孔或槽孔內(nèi)的角焊縫焊腳尺寸尚不宜大于圓孔或槽孔短徑的1/3。③ 當焊件的厚度相差較大且等焊腳尺寸不能符合以上兩條時，可采用不等焊腳尺寸，與較薄焊件接觸的焊腳邊應(yīng)符合第②款的要求；與較厚焊件接觸的焊腳邊應(yīng)符合①的要求。不等焊腳角焊縫不宜在靜載下采用，因為增加焊腳長度并不能提高靜載強度，反而增加填充金屬量。④ 側(cè)面角焊縫或正面角焊縫的計算長度不得小于8K和40mm，不宜大于60K，當大于時，其超過部分在計算中不予考慮。若內(nèi)力沿側(cè)面角焊縫全長分布時，其計算長度不受此限。⑤ 在直接承受動力載荷的結(jié)構(gòu)中，角焊縫表面應(yīng)做成直線形或凹形。焊腳尺寸的比例：對正面角焊縫宜為1：1.5（長邊順內(nèi)力方向）；對側(cè)面角焊縫可為1：1。⑥ 在次要構(gòu)件或次要焊縫連接中，可采用斷續(xù)角焊縫。斷續(xù)角焊縫焊段的長度不得小于10K或50mm，其靜距不應(yīng)大于15t（受壓構(gòu)件）或30t（受拉構(gòu)件），t為較薄焊件的厚度。⑦ 當板件的端部僅有兩側(cè)面角焊縫連接時，每條側(cè)面角焊縫長度不宜小于兩側(cè)面角焊縫之間的距離；同時兩側(cè)面角焊縫之間的距離不宜大于16t（當t＞12mm）或190mm（當t≤12mm），t為較薄焊件的厚度。⑷ 其他要求① 桿件與節(jié)點板德連接焊縫宜采用兩面?zhèn)群�，也可用三面圍焊，對角鋼桿件可采用L形圍焊，所有圍焊的轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。② 當角焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處作長度為2K的繞角焊時，轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。③ 在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍，并不得小于25mm。④ 角焊縫兩焊腳邊的夾角α一般為90°（直角角焊縫）。夾角α＞135°（焊縫表面較難成型，受力狀況不良）或α＜60°（焊縫施焊條件差，根部將留有空隙和焊渣）的斜角角焊縫，不宜用作受力焊縫（鋼管結(jié)構(gòu)除外）。2．坡口焊縫采用坡口焊縫的主要目的是為了保證接頭能焊透而不出現(xiàn)工藝缺陷。在設(shè)計或選擇坡口焊縫時，必須注意施焊可達性，其中主要考慮坡口角度、根部間隙、鈍邊和根部半徑等參數(shù)。下列是注意事項：①焊條電弧焊時，為了保證焊條能夠接近接頭根部，并能在多層焊時側(cè)邊熔合良好，當減小坡口角時，根部間隙必須增大。注意，前者減小，可用較少的填充金屬量。而后者增大，卻增加填充金屬量。研究發(fā)現(xiàn)，板厚δ＜20mm時，用大坡口角度而用小根部間隙，δ＞20mm時用小坡口角度大根部間隙的坡口形式才算經(jīng)濟的。② 根部間隙過小，根部難以熔透，并須采用較小規(guī)定的焊條，從而減慢焊接過程;若根部間隙過大，雖然應(yīng)用襯墊可保證焊接質(zhì)量，但需較多的填充金屬，從而提高焊接成本，并增加焊接變形。③ 熔化氣體保護焊由于焊絲細，且使用特殊導(dǎo)電嘴，可以實現(xiàn)厚板（＞200mm）L 形坡口的窄間隙（＜10mm)的對接焊。④開坡口的接頭，不留鈍邊的坡口稱銳坡口，背面無襯墊情況下焊接第一層焊道時極易燒穿，而且需用較多的填充金屬，故一般都留鈍邊。鈍邊的高度以既保證熔透又不至燒穿為度。焊條電弧焊V或U形坡口的鈍邊一般取0～3mm，雙面V或U形坡口取0～2mm。埋弧焊的熔深比焊條電弧焊大，故鈍邊可適當加大以減小填充金屬。留鈍邊的接頭，根部間隙的大小主要決定于焊接工藝與焊接位置。在保證焊透的前提下，間隙盡可能小。平焊時，可允許用較大焊接電流，根部間隙可為零；立焊時根部間隙宜大些，焊厚板時可在3mm以上。在單面焊背面成形操作工藝中，根部間隙一般較大，約與所用焊條的直徑相當。背面有永久性襯墊時，應(yīng)取消鈍邊，因為這時的鈍邊會減小接頭根部與襯墊之間的熔合。⑤J形或U形坡口上常做出根部半徑，主要是為了在深坡口內(nèi)焊條或焊絲能接近焊縫根部，并降低第一層焊道的冷卻速度，以保證根部良好的熔合和成型。焊條電弧焊時，根部半徑一般取R=6～8mm，隨板厚增加和坡口角減小而適當增大。⑥若條件允許，板厚結(jié)構(gòu)宜設(shè)計或選用雙面開坡口的焊縫，雙面V形焊縫不僅比單面V形焊縫少用一半的填充材料，而且可作兩面交替焊接，把焊接角度控制到最小。圖2-3-7T形接頭角焊縫與坡口焊縫比較δ—板厚 K—焊腳尺寸 Aω—焊縫總截面際⑦背面無襯墊的對接接頭，在鈍邊部位常有未焊透或夾雜等缺陷，一般都要求從背面進行清根�，F(xiàn)廣泛采用碳弧氣刨方法清根。清根深度應(yīng)確保露出無缺陷的焊縫金屬，而且清根后的溝槽輪廓形狀也應(yīng)便于運條施焊。3.T形接頭的焊縫T形(或十字)接頭的焊縫可以是角焊縫、坡口焊縫或者兩者的組合。選擇何種焊縫決定于強度要求和制造成本。在靜載等強條件下，成本便成為考慮的主要因素。圖2-3-7示出三種與母材等強的焊縫設(shè)計。這三種焊縫截面積（填充金屬）的比較，以開雙面V形坡口焊縫最省。但這種接頭需額外的坡口加工，而且焊接時要求用小直徑焊條和較小的電流打底以防根部燒穿。因此，這種坡口焊縫只在較厚板的T形接頭中采用才是經(jīng)濟的。不開坡口的角焊縫消耗填充金屬最多，其優(yōu)點是焊件不需特殊加工，同時可以用直徑大的焊條，以大電流施焊。熔敷率高。由于貼角焊縫的填充金屬隨板厚的平方而增加，所以它適用于小厚板的T形接頭。單面V形坡口焊縫在經(jīng)濟上無優(yōu)越性，唯一優(yōu)點是當另一側(cè)施焊有困難時，可以選用。它比單面貼角焊縫要安全可靠的多，T形接頭不推薦用這種單面貼角焊縫。必須指出，只承受壓載荷的T形（或十字）接頭，如端面接觸良好（磨平頂緊），大部分載荷由端面直接傳遞，焊縫所承受載荷減小，故焊縫可以不焊透，角焊縫尺寸也可減小。4.部分熔透接頭的焊縫重型機器的焊接結(jié)構(gòu)，往往是為了保證具有足夠的剛度而增加鋼板的厚度，其實際工作應(yīng)力卻很小。在這種情況下構(gòu)件之間連接的焊縫一般并不須要全部熔透，而是在滿足強度要求的前提下，正確地設(shè)計焊縫的形狀和尺寸。①對于對接接頭，按強度要求確定出焊縫的有效厚度α后，采用兩面對稱焊的對接接頭。②對于T形接頭，如果是聯(lián)系焊縫，則取最小的焊角尺寸K，參考表2-3-4選用。如果是工作焊縫，在厚鋼板情況下，建議采用兩面開小坡口的部分熔透的角焊縫，其尺寸通過強度計算確定。T形接頭部分熔透的焊縫實際上是坡口焊縫與角焊縫組合的焊縫。在同樣承載能力下，它比兩面不開坡口的角焊縫節(jié)省大量填充金屬。當背面施焊有困難時，可采用單面開小坡口的角焊縫背面只焊一道角焊縫并按最小焊角尺寸確定，見表2-3-4。表2-3-4 角焊縫的最小焊腳尺寸接頭中較厚板的厚度δ/mm
δ≤6.56.5＜δ≤1313＜δ≤1919＜δ≤3838＜δ≤5757＜δ≤152δ＞152最小焊腳尺寸K/mm3.556.58101316注：最小焊腳尺寸K不得超過較薄鋼板的厚度。2.3.3.6焊接接頭的靜強度計算圖2-3-8 工作焊縫與聯(lián)系焊縫a）對接工作焊縫 b）對接聯(lián)系焊縫c）角工作焊縫 d) 角聯(lián)系焊縫㈠ 工作焊縫與聯(lián)系焊縫[12]在焊接結(jié)構(gòu)中的焊縫，按其所起的作用可分為工作焊縫和聯(lián)系焊縫兩種，見圖2-3-8所示。工作焊縫又稱承載焊縫，它與被連接材料是串聯(lián)的，承擔著全部載荷的作用，焊縫上的應(yīng)力為工作應(yīng)力，一旦焊縫斷裂，結(jié)構(gòu)立即失效；聯(lián)系焊縫又稱非承載焊縫，它與被連接材料是并聯(lián)的，傳遞很小的載荷，主要起構(gòu)件之間相互聯(lián)系的作用。焊縫上的應(yīng)力為聯(lián)系應(yīng)力，焊縫一旦斷裂，結(jié)構(gòu)不會立即失效。設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，對工作焊縫必須進行強度計算，對聯(lián)系焊縫不必計算。對于既有工作應(yīng)力又有聯(lián)系應(yīng)力的焊縫，則只計算工作應(yīng)力而忽略聯(lián)系應(yīng)力。㈢ 焊接接頭的許用應(yīng)力設(shè)計法[12]（1）強度條件許用應(yīng)力設(shè)計法又稱傳統(tǒng)設(shè)計法或安全系數(shù)設(shè)計法。它是以滿足工作能力為基本要求的一種設(shè)計方法，對于一般用途的構(gòu)件，設(shè)計時應(yīng)滿足的強度條件為工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力或者 安全系數(shù)-≥許用安全系數(shù)這里的失效應(yīng)力，如果為屈服準則，則為材料的屈服點，如按斷裂準則，則為強度極限：在疲勞強度設(shè)計中為疲勞極限。許用應(yīng)力和許用安全系數(shù)一般由國家工程主管部門根據(jù)安全和經(jīng)濟原則，按材料的強度、載荷、環(huán)境條件、加工質(zhì)量計算精確度和構(gòu)件的重要性等加以確定。我國鍋爐和壓力容器、起重機、橋梁、鐵路車輛等行業(yè)都在各自設(shè)計規(guī)范中確定了各種材料的許用應(yīng)力和許用安全系數(shù)。工作應(yīng)力一般是采用工程力學的理論和方法進行分析計算：對重要構(gòu)件可采用有限元法等進行分析與計算，以獲得更為精確的結(jié)果。（2） 簡易的焊接接頭強度計算法1）焊接接頭靜載強度計算的假定在靜載條件下，當焊縫金屬和母材均具有較好塑性時，可作如下假定：① 焊接殘余應(yīng)力對接頭強度沒有影響；② 由于幾何不連續(xù)而引起局部應(yīng)力集中，對接頭強度沒有影響：認為焊縫上的工作應(yīng)力是均勻分布，以平均應(yīng)力進行計算。③ 忽略焊縫的余高和少量熔深，以焊縫中最小的載面為計算截面（又稱危險斷面）。④ 認為角焊縫都是在切應(yīng)力作用下破壞，一律按切應(yīng)力計算其強度。⑤ 正面角焊縫和側(cè)面角焊縫在強度上無差別。2）坡口焊縫靜載強度計算公式基于上述假定對熔透的坡口焊縫的靜載強度得到了簡化，表2-3-5給出了計算公式。表中熔透對接接頭焊縫的靜載強度計算公式與母材的靜載強度計算公式完全相同，焊縫的計算厚度取被連接的兩板中較薄的厚度。焊縫長度一般取焊縫的實際長度；熔透的T形接頭和十字接頭按對接焊縫進行強度計算，焊縫的計算厚度取立板的厚度。一般情況下，按等強度原則選擇焊縫填充金屬的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼全熔透的坡口焊縫，可以不進行強度計算。3)角焊縫的靜載強度計算公式經(jīng)上述簡化后得到的由角焊縫組成的接頭的靜載強度計算公式，見表2-3-6。表中角焊縫的計算長度一般取每條焊縫實際長度減去10mm，計算厚度取內(nèi)接三角形的最小高度。在設(shè)計計算角焊縫時，一般應(yīng)遵循下列原則和規(guī)范：① 側(cè)面角焊縫或正面角焊縫的計算長度不得小于8K（K為焊腳尺寸），并不小于40mm。② 角焊縫的最小焊腳尺寸補應(yīng)小于4mm，當焊件厚度小于4mm時，可與焊件厚度相等。③ 因構(gòu)造上需要的非承載角焊縫，其最小焊腳尺寸可根據(jù)焊件厚度和焊接工藝要求確定，可參照表2-3-4。④ 在承受靜載的次要焊件中，如果計算出的角焊縫的焊腳尺寸小于規(guī)定的最小值，可采用斷續(xù)焊縫。斷續(xù)焊縫的焊腳尺寸可根據(jù)折算方法確定。斷續(xù)焊縫之間的距離在受壓構(gòu)件中部應(yīng)大于15δ，受拉構(gòu)件中一般不應(yīng)大于30δ，δ為被焊構(gòu)件中較薄件的厚度。在腐蝕介質(zhì)下工作的構(gòu)件不應(yīng)采用斷續(xù)焊縫。表2-3-5坡口焊縫靜載強度計算公式名稱
簡圖計算公式備注對接焊縫受拉：σ=—焊縫的許用拉應(yīng)力—焊縫的許用壓應(yīng)力焊縫的許用切應(yīng)力δ受壓：σ=受剪：τ=平面內(nèi)彎矩：σ=平面外彎矩：σ=開坡口熔透T形接頭或十字接頭受拉：σ=受壓：σ=受剪：τ=平面內(nèi)彎矩：σ=平面外彎矩：σ=4）部分熔透接頭的靜載強度計算公式部分熔透T形接頭或十字接頭的焊縫靜載強度計算公式同角焊縫的計算公式，見表2-3-6。但焊縫的計算厚度a應(yīng)按圖2-3-10來確定，圖a：P＞K（或𝜃P＞𝜃K），a=P/sin𝜃P，當𝜃K =45°時，a=圖b：P＜K（或𝜃P＜𝜃K），a=（P+K）sin𝜃P，當𝜃K =45°時，a=。當計算工作應(yīng)力有困難時，可參考一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)。如圖2-3-9a的接頭，取H≈0.3δ，K=1/3h；圖2-3-9b的接頭，取H≈0.4δ，K=1/3h，k2按最小焊腳尺寸（表2-3-4）確定。部分熔透的對接接頭，其焊縫強度也按角焊縫計算，所用公式見表2-3-7。圖2-3-9 厚鋼板部分熔透的T形接頭設(shè)計a b圖2-3-10 部分熔透角焊縫的計算厚度a的確定5）承受復(fù)雜載荷的焊接接頭的靜載強度計算當焊接接頭承受復(fù)雜載荷時，應(yīng)分別求出各載荷所引起的應(yīng)力，根據(jù)各應(yīng)力的方向、性質(zhì)和位置，確定合成應(yīng)力最大的點，即危險點，并算出該點的合成應(yīng)力。當危險點難以確定時，應(yīng)選幾個大應(yīng)力點計算其合成應(yīng)力，以最大值的點位危險點。最大正應(yīng)力和最大切應(yīng)力布在同一點時，偏于安全的做法是以最大正應(yīng)力和平均切應(yīng)力計算其合成應(yīng)力。（3）按剛度設(shè)計選擇角焊縫尺寸按剛度設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)，如焊接機器底座、立柱和橫梁等大件，一般工作應(yīng)力較低。若按工作應(yīng)力來設(shè)計角焊縫尺寸，其值都很��；若按等強度原則來選擇焊縫，則尺寸將很大，不僅增加制造成本而且也增大了焊接殘余應(yīng)力與變形。因此，這類角焊縫按照剛度條件來確定焊腳尺寸。這里推薦經(jīng)驗法：以被焊件中較薄件的強度的33％、50％和100％作為焊縫強度來確定焊腳尺寸。以T形接頭的雙面角焊縫為例。其焊腳尺寸K與立板厚度δ的關(guān)系為：100％強度焊縫 K=；50％強度焊縫 K=；30％強度焊縫 K=。100％強度的角焊縫就是等強度焊縫，它主要用于集中載荷的部位，如導(dǎo)軌的焊接；50％強度的角焊縫用于焊接箱體中，若為單面角焊縫，則焊腳尺寸要加倍，即K= 3/4δ；30％強度的角焊縫主要用于并不承載的角焊縫，當它小于最小焊腳尺寸（表2-3-4）時，則取最小焊腳尺寸。（4）焊縫的許用應(yīng)力前面介紹的設(shè)計用的許用應(yīng)力通常由國家工程主管部門根據(jù)安全和經(jīng)濟原則，根據(jù)材料性質(zhì)、載荷、環(huán)境、加工質(zhì)量、計算和檢測精確度和構(gòu)件的重要性等綜合后確定。表2-3-8列出一般機械焊接結(jié)構(gòu)中焊縫的許用應(yīng)力。我國起重機行業(yè)采用的焊接許用應(yīng)力見表2-3-9。表2-3-6角焊縫接頭靜載強度計算公式名稱
簡 圖計算公式備 注搭接接頭受拉或受壓：τ-≤[τ′][τ′]—焊縫的許用切應(yīng)力=l1+l2+l3第一法：分段計算法τ=≤[τ′]第二法：軸慣性矩計算法τ=ymax≤[τ′]第三法：極慣性矩計算法τ=rmax≤[τ′]Ip=Ix+IyIx 、Iy ---焊縫計算面積對x軸、y軸的慣性矩Ip—焊縫計算面積的極慣性矩ymax—焊縫計算截面積x軸的最大距離rmax—焊縫計算截面積 O點的最大距離T形接頭和十字接頭拉：τ=≤[τ′]在承受壓應(yīng)力時，考慮到板的端面可以傳遞部分壓力，許用應(yīng)力從[τ′]提高到[σα′]壓：τ=≤[σα′]平面內(nèi)彎矩M1：τ=≤[τ′]平面外彎矩M2：τ=≤[τ′]彎：τ=≤[τ′]扭：τ=≤[τ′]彎= ：τymax≤[τ′]表2-3-7部分熔透對接接頭焊縫靜載強度計算公式名 稱
簡圖計算公式備 注部分熔透對接接頭拉：τ=≤[τ′]V形坡口：α≥60°時，a=Sα＜60°時，a=0.75SU形、J形坡口：α=SIx=al（δ-a）2l—焊縫長度剪：τ=≤[τ′]彎：τ=≤ymax[τ′]表2-3-8機械焊接結(jié)構(gòu)中焊縫的許用應(yīng)力焊縫種類
應(yīng)力狀態(tài)焊縫許用應(yīng)力一般E43××型及E50××型焊條電弧焊低氫焊條電弧焊、埋弧焊、半埋自動弧焊對接縫拉應(yīng)力0.9[σ][σ]壓應(yīng)力[σ][σ]切應(yīng)力0.6[σ]0.65[σ]角焊縫切應(yīng)力0.6[σ]0.65[σ]注：1、表中[σ]為基本金屬的拉伸許用應(yīng)力。 2、上表適用于低碳鋼及500MPa級以下的低合金結(jié)構(gòu)鋼。表2-3-9起重機結(jié)構(gòu)焊縫許用應(yīng)力[16]焊縫種類
應(yīng)力種類符號用普通方法檢查的焊條電弧焊埋弧焊或用精確方法檢查的焊條電弧焊對接拉伸、壓縮應(yīng)力[σ′]0.8[σ][σ]對接及角焊縫剪切應(yīng)力[τ′]注：[σ]為基本金屬的許用拉應(yīng)力。[σ′]為焊縫金屬的許用拉應(yīng)力。[τ′]為焊縫的許用切應(yīng)力㈣ 焊接接頭的極限狀態(tài)設(shè)計法 [6]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，工業(yè)與民用建筑和一般構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，除疲勞強度計算外，應(yīng)采用極限狀態(tài)設(shè)計法。1．對接焊縫或?qū)优c角接組合焊縫的強度計算1）在對接接頭和T 形接頭中，垂直于軸心拉力或軸心壓力的對接焊縫或?qū)优c角接組合焊縫，其強度應(yīng)按下式計算：σ=≤或式中N——軸心拉力或軸心壓力；——焊縫長度；t——在對接接頭中為連接件的較小厚度；在T形接頭中為腹板的厚板；、——對接焊縫的抗拉、抗壓強度設(shè)計值。2） 在對接接頭和T形接頭中，承受彎矩和剪力共同作用的對接焊縫或?qū)优c角接組合焊縫 ，其正應(yīng)力和剪應(yīng)力應(yīng)分別進行計算。但在同時受有較大正應(yīng)力和剪應(yīng)力處（例如梁腹板橫向?qū)雍缚p的端部），應(yīng)按下式計算折算應(yīng)力：≤1.1注： ①當承受軸心力的板件用斜焊縫對接，焊縫與作用力間的夾角𝜃符合tan𝜃 ≤1.5時，其強度可不計算。② 當對接焊縫和T形對接與角接組合焊縫無法采用引弧板和引出板施焊時，每條焊縫的長度計算時應(yīng)各減去 2t。2. 直角角焊縫的強度計算1）在通過焊縫形心的拉力、壓力或剪力作用下：正面角焊縫（作用力垂直于焊縫長度方向）：=≤側(cè)面角焊縫（作用力平行于焊縫長度方向）：=≤2）在各種綜合作用下，和共同作用處：式中——按焊縫有效截面（）計算，垂直于焊縫長度方向的應(yīng)力；——按焊縫有效截面（）計算，沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力；——角焊縫的計算厚度，對直角角焊縫等于0.7，為焊腳尺寸；——角焊縫的計算長度，對每條焊縫取起實際長度減去2；—— 角焊縫的強度設(shè)計值；——正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)：對承受靜力載荷和間接承受動力載荷的結(jié)構(gòu)，取 1.22；直接承受動力載荷的結(jié)構(gòu)取1.0；3. 兩焊腳邊夾角為60°≤≤135°的T形接頭，其斜角角焊縫的強度應(yīng)按第2條中公式計算，但取=1.0，其計算厚度為：=[K-]（根部間隙＞1.5mm）或= [–]（＞1.5mm但≤5mm）。4. 部分焊透的對接焊縫和T 形對接與角接組合焊縫的強度，應(yīng)按角焊縫的計算公式（第2條中公式）計算，在垂直于焊縫長度方向的壓力作用下，取=1.22，其他受力情況取=1.0，其計算厚度應(yīng)采用：
V形坡口：當≥60°時，=s；當α＜60°時，=0.75s。單邊V形和K形坡口：當=45°±5°，=s-3；U形、J形坡口：=s。s為坡口深度，即根部至焊縫表面（不考慮余高）的最短距離（mm）；為V形、單邊V 形或K形坡口角度。當熔合線處焊縫截面邊長等于或接近于最短距離s時，抗剪強度設(shè)計值應(yīng)按角焊縫的強度設(shè)計值乘以0.9