焊接技術(shù)教程(2焊接設(shè)計(jì))
焊接技術(shù)教程
3焊接制造3.1常見焊接方法工藝要求3.1.1 焊條電弧焊工藝要求（定位焊）[12] [16]目前常用此種焊接方法進(jìn)行定位焊，。以下是定位焊接的要求：
（1） 焊條
定位焊用的焊條應(yīng)和正式焊接用的相同，焊前同樣進(jìn)行再烘干。不許使用費(fèi)條或不知型號(hào)的焊條。
（2） 位置
雙面焊且背面須清根的焊縫，定位焊縫最好布置在背面；形狀對(duì)稱的構(gòu)件，定位焊縫也應(yīng)對(duì)稱布置；有交叉焊縫的地方不設(shè)定位焊縫，至少離開交叉點(diǎn)50mm；定位焊縫應(yīng)距設(shè)計(jì)焊縫端部30mm以上。
（3） 焊縫尺寸
定位焊的尺寸視結(jié)構(gòu)的剛性大小而定，原則是：在滿足轉(zhuǎn)配強(qiáng)度要求的前提下，盡可能小一些。從減小變形和填充金屬考慮，可縮小定位焊的間距。TB10212-1998《鐵路鋼橋制造規(guī)范》規(guī)定，定位焊接的長度為50～100mm，焊腳尺寸不得大于設(shè)計(jì)焊腳尺寸的1/2。埋弧焊的定位焊尺寸和位置：板厚小于25mm時(shí)，定位焊縫長50～70mm，間距300～500mm；板厚大于25mm時(shí)，定位焊縫長70～100mm，間距200～300mm。
（4） 工藝
施焊條件應(yīng)和正式焊縫的焊接相同，由于焊道短，冷卻快，焊接電流應(yīng)比正常焊接的電流大15％～20％。對(duì)于剛度大或有淬火傾向的焊件，應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱，以防止焊縫開裂；收弧時(shí)注意填滿弧坑，防止該處開裂。在允許的條件下，可選用塑性和抗裂性較好而強(qiáng)度略低的焊條進(jìn)行定位焊接。對(duì)于開裂的定位焊縫，必須先查明原因，然后再清除開裂的焊縫，在保證桿件尺寸正確的條件下補(bǔ)充定位焊。
3.1.2 埋弧焊工藝要求[12] [5] [16] （1）打底焊道
熔深大師自動(dòng)埋弧焊的基本特點(diǎn)，焊接有坡口的對(duì)接接頭時(shí)，為保證能焊透但不至于燒穿， 在接頭根部焊接第一道焊縫，稱為打底焊道。焊接方法可以是焊條電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。使用的焊條或填充焊絲必須使其焊縫金屬具有相似于埋弧焊焊縫金屬的化學(xué)成分和性能。打底焊道尺寸必須足夠大，以承受住施工過程中所施加的任何載荷。焊完打底焊道之后，須打磨或刨削接頭根部，以保證在無缺陷的清潔金屬上熔敷第一道正面埋弧焊縫。
如果打底焊道的質(zhì)量符合要求，則可保留作為整個(gè)接頭的一部分。焊接質(zhì)量要求高時(shí)，可在埋弧焊縫完成之后用碳弧氣刨或機(jī)械加工方法將此打底焊道除掉。然后再焊上永久性的埋弧焊縫。
（2）其它要求
1）采用埋弧焊焊接的焊縫，應(yīng)在焊縫的端部連接引弧、熄弧板（引板）；引板的材質(zhì)、厚度和坡口應(yīng)與所焊件相同。引板長度不小于80mm；
2）埋弧自動(dòng)焊縫焊接過程中不應(yīng)斷弧，如有斷弧則必須將停弧處刨成1：5斜坡，并搭接50mm再引弧施焊，焊后搭接處應(yīng)修磨均勻。
3.1.3 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝要求[12] [16]（1）CO2氣體純度應(yīng)不大于99.5﹪，氣體流量：細(xì)絲（小于1.6mm）短路過渡焊接時(shí)一般5～15L/min，粗絲（大于1.6mm）焊接時(shí)在10～20L/min。如果焊接電流較大，焊接速度較快，焊絲伸出長度較長或在室外作業(yè)，氣體流量應(yīng)適當(dāng)加大。
（2）如有要求可采用藥芯焊絲焊接，具體工藝見相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
3.1.4 栓釘（螺柱）焊要求[12] [16] （1）栓釘和保護(hù)瓷環(huán)規(guī)格符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。
（2）栓釘焊端和母材表面應(yīng)具有清潔的表面，無漆層、軋鱗和油水污垢等。但允許有少量銹跡。
（3）質(zhì)量控制。投產(chǎn)前應(yīng)對(duì)所選的焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，通常是與生產(chǎn)相同的條件下對(duì)焊成接頭作破壞性試驗(yàn)。如彎曲等。
3.1.5 焊縫磨修和返修焊要求[16] 1．桿件焊接后，兩端的引板或產(chǎn)品試板必須用氣割切掉，并磨平切口，不得損傷桿件；
2．垂直應(yīng)力方向的對(duì)接焊縫必須除去余高，并順應(yīng)力方向磨平；
3．焊腳尺寸、焊坡或余高等超出規(guī)定的上限值的焊縫及小于1mm且超差的咬邊必須修磨勻順；
3焊接制造3.1常見焊接方法工藝要求3.1.1 焊條電弧焊工藝要求（定位焊）[12] [16]目前常用此種焊接方法進(jìn)行定位焊。以下是定位焊接的要求：
（1） 焊條
定位焊用的焊條應(yīng)和正式焊接用的相同，焊前同樣進(jìn)行再烘干。不許使用費(fèi)條或不知型號(hào)的焊條。
（2） 位置
雙面焊且背面須清根的焊縫，定位焊縫最好布置在背面；形狀對(duì)稱的構(gòu)件，定位焊縫也應(yīng)對(duì)稱布置；有交叉焊縫的地方不設(shè)定位焊縫，至少離開交叉點(diǎn)50mm；定位焊縫應(yīng)距設(shè)計(jì)焊縫端部30mm以上。
（3） 焊縫尺寸
定位焊的尺寸視結(jié)構(gòu)的剛性大小而定，原則是：在滿足轉(zhuǎn)配強(qiáng)度要求的前提下，盡可能小一些。從減小變形和填充金屬考慮，可縮小定位焊的間距。TB10212-1998《鐵路鋼橋制造規(guī)范》規(guī)定，定位焊接的長度為50～100mm，焊腳尺寸不得大于設(shè)計(jì)焊腳尺寸的1/2。埋弧焊的定位焊尺寸和位置：板厚小于25mm時(shí)，定位焊縫長50～70mm，間距300～500mm；板厚大于25mm時(shí)，定位焊縫長70～100mm，間距200～300mm。
（4） 工藝
施焊條件應(yīng)和正式焊縫的焊接相同，由于焊道短，冷卻快，焊接電流應(yīng)比正常焊接的電流大15％～20％。對(duì)于剛度大或有淬火傾向的焊件，應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱，以防止焊縫開裂；收弧時(shí)注意填滿弧坑，防止該處開裂。在允許的條件下，可選用塑性和抗裂性較好而強(qiáng)度略低的焊條進(jìn)行定位焊接。對(duì)于開裂的定位焊縫，必須先查明原因，然后再清除開裂的焊縫，在保證桿件尺寸正確的條件下補(bǔ)充定位焊。
3.1.2 埋弧焊工藝要求[12] [5] [16] （1）打底焊道
熔深大師自動(dòng)埋弧焊的基本特點(diǎn)，焊接有坡口的對(duì)接接頭時(shí)，為保證能焊透但不至于燒穿， 在接頭根部焊接第一道焊縫，稱為打底焊道。焊接方法可以是焊條電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。使用的焊條或填充焊絲必須使其焊縫金屬具有相似于埋弧焊焊縫金屬的化學(xué)成分和性能。打底焊道尺寸必須足夠大，以承受住施工過程中所施加的任何載荷。焊完打底焊道之后，須打磨或刨削接頭根部，以保證在無缺陷的清潔金屬上熔敷第一道正面埋弧焊縫。
如果打底焊道的質(zhì)量符合要求，則可保留作為整個(gè)接頭的一部分。焊接質(zhì)量要求高時(shí)，可在埋弧焊縫完成之后用碳弧氣刨或機(jī)械加工方法將此打底焊道除掉。然后再焊上永久性的埋弧焊縫。
（2）其它要求
1）采用埋弧焊焊接的焊縫，應(yīng)在焊縫的端部連接引弧、熄弧板（引板）；引板的材質(zhì)、厚度和坡口應(yīng)與所焊件相同。引板長度不小于80mm；
2）埋弧自動(dòng)焊縫焊接過程中不應(yīng)斷弧，如有斷弧則必須將?；√幣俪?：5斜坡，并搭接50mm再引弧施焊，焊后搭接處應(yīng)修磨均勻。
3.1.3 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝要求[12] [16]（1）CO2氣體純度應(yīng)不大于99.5﹪，氣體流量：細(xì)絲（小于1.6mm）短路過渡焊接時(shí)一般5～15L/min，粗絲（大于1.6mm）焊接時(shí)在10～20L/min，
工程
《焊接技術(shù)教程_3焊接制造》(.unjs)。如果焊接電流較大，焊接速度較快，焊絲伸出長度較長或在室外作業(yè)，氣體流量應(yīng)適當(dāng)加大。
（2）如有要求可采用藥芯焊絲焊接，具體工藝見相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
3.1.4 栓釘（螺柱）焊要求[12] [16] （1）栓釘和保護(hù)瓷環(huán)規(guī)格符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。
（2）栓釘焊端和母材表面應(yīng)具有清潔的表面，無漆層、軋鱗和油水污垢等。但允許有少量銹跡。
（3）質(zhì)量控制。投產(chǎn)前應(yīng)對(duì)所選的焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，通常是與生產(chǎn)相同的條件下對(duì)焊成接頭作破壞性試驗(yàn)。如彎曲等。
3.1.5 焊縫磨修和返修焊要求[16] 1．桿件焊接后，兩端的引板或產(chǎn)品試板必須用氣割切掉，并磨平切口，不得損傷桿件；
2．垂直應(yīng)力方向的對(duì)接焊縫必須除去余高，并順應(yīng)力方向磨平；
3．焊腳尺寸、焊坡或余高等超出規(guī)定的上限值的焊縫及小于1mm且超差的咬邊必須修磨勻順；
4．焊縫咬邊超過1mm或焊腳尺寸不足時(shí)，可采用手弧焊進(jìn)行返修焊；
5．應(yīng)采用碳弧氣刨或其他機(jī)械方法清除焊接缺陷，在清除缺陷時(shí)應(yīng)刨出利于返修焊的坡口，并用砂輪磨掉坡口表面的氧化皮，露出金屬光澤；
6．焊接裂紋的清除長度應(yīng)由裂紋端各外延50mm；
7．用埋弧焊返修焊縫時(shí)，必須將焊縫清除部位的兩端刨成1：5的斜坡；
8．翻修焊縫應(yīng)按原焊縫質(zhì)量要求檢驗(yàn)；同一部位的返修焊不宜超過兩次。
3.1.6 其它要求[16] 1．焊工和無損檢測人員必須通過考試并取得資格證書，且只能從事資格證書中認(rèn)定范圍內(nèi)的工作。
2．焊接工藝必須根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告編制，施焊時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，焊接工藝評(píng)定應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
3．焊接工藝宜在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境濕度應(yīng)小于80%；焊接低合金鋼的環(huán)境溫度不低于5℃，焊接普通碳素鋼不應(yīng)低于0℃；主要桿件應(yīng)在組裝后24h 內(nèi)焊接。
4．焊接前必須徹底清除等焊區(qū)域內(nèi)的有害物，焊接時(shí)嚴(yán)禁在母材的非焊接部位引弧，焊接后應(yīng)清理焊縫表面的熔渣及兩側(cè)的飛濺。
5．焊接材料應(yīng)通過焊接工藝評(píng)定確定；焊劑、焊條必須按產(chǎn)品說明書烘干使用；焊劑中的臟物，焊絲上的油銹等必須清除干凈；CO2氣體的純度應(yīng)大于99.5%。
6．焊前預(yù)熱溫度應(yīng)通過焊接性試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定確定；預(yù)熱范圍一般為焊縫每側(cè)100mm以上，距焊縫30~50mm范圍內(nèi)測溫。
7．采用埋弧焊、CO2氣體(混合氣體)保護(hù)焊及低氫型焊條手工焊方法焊接的接頭，組裝前必須徹底清除待焊區(qū)域的鐵銹、氧化鐵皮、油污、水分等有害物，使其表面顯露出金屬光澤。清除范圍應(yīng)符合圖3-1-1的規(guī)定。
圖3-1-1組裝前的清除范圍
3.2 焊接工藝評(píng)定[16] [17] [18]具體可參照GBT19866-2005《焊接工藝規(guī)程及評(píng)定的一般原則》、TB10212-1998《鐵路鋼橋制造規(guī)范》附錄C和 DL/T868-2004《電力行業(yè)焊接評(píng)定規(guī)程》。
3.3 焊接殘余應(yīng)力與變形的控制[5] [12] [13]3.3.1控制焊接殘余應(yīng)力的工藝措施（1）采用合理的焊接順序和方向
1） 先焊接收縮量較大的焊縫，使焊縫能較自由的收縮。
2） 焊縫交叉時(shí)，先焊錯(cuò)開的短焊縫，后焊直通長焊縫，使焊縫有較大的橫向收縮余地。
3） 先焊在工作時(shí)受力較大的焊縫，使內(nèi)應(yīng)力合理分布。
（2）降低焊縫的拘束度
在焊接鑲塊的封閉焊縫或其它拘束度大的焊縫時(shí)，可采用反變形法降低焊件的局部剛度，從而減小焊縫的拘束度 。
（3）錘擊焊縫
可用頭部帶小圓弧的工具錘擊焊縫，使焊縫得到延展，降低內(nèi)應(yīng)力，錘擊應(yīng)保持均勻適度，避免錘擊過分，以防止產(chǎn)生裂縫。一般不錘擊第一層和表面層。
（4）局部加熱造成反變形（加熱減應(yīng)區(qū)法）在焊接結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位加熱使之伸長，加熱區(qū)的伸長帶動(dòng)焊接部位，使它產(chǎn)生一個(gè)與焊縫收縮方向相反的變形。在加熱區(qū)冷卻收縮時(shí)，焊縫就可能比較自由地收縮，從而減少內(nèi)應(yīng)力。
（5）采用線能量小的工藝措施和焊接方法，或強(qiáng)制冷卻措施。
（6）預(yù)拉伸補(bǔ)償焊縫收縮（機(jī)械拉伸或加熱拉伸）。
3.3.2 焊后降低或消除殘余應(yīng)力的方法 有用機(jī)械力或沖擊能的辦法和熱處理方法。具體工藝措施略。
3.3.3控制焊接變形的工藝措施（1）反措施
當(dāng)構(gòu)件剛度過大(如大型箱形梁等),采用上述強(qiáng)制反變形有困難時(shí)，可以先將梁的腹板在下料拼板時(shí)作成上撓的，然后再進(jìn)行裝配焊接（如橋式起重機(jī)箱形大梁）。
在薄板上焊接骨架時(shí)，對(duì)薄板采用加熱（SH法）、機(jī)械預(yù)拉伸（SS法）、或者兩者同時(shí)使用(SSH法）使其伸長，然后再薄板上裝配焊接骨架，薄板預(yù)拉伸和加熱后再冷卻所產(chǎn)生的拉應(yīng)力可以有效地降低焊接應(yīng)力防止失穩(wěn)波浪變形。
在薄板對(duì)接時(shí)也可采用在焊縫兩側(cè)一定距離處適當(dāng)寬度上加熱，使焊縫得到拉伸，從而減少壓縮塑性變形，降低殘余內(nèi)應(yīng)力，而消除波浪變形，此法即為低應(yīng)力無變形法（LSND法）。
（2）剛性固定法
對(duì)防止彎曲變形的效果遠(yuǎn)不如反變形法。但對(duì)角變形和波浪變形較有效。例如法蘭面的角變形。
焊接薄板時(shí)為防止波浪變形，在焊縫兩側(cè)緊壓固定，加壓位置應(yīng)盡量接近焊縫并保持壓力均勻。為此，可采用帶一定撓度的壓塊或者采用琴鍵式的多點(diǎn)壓塊。
（3）選用合理的焊接方法和規(guī)范
選用能量比較集中的焊接方法，如CO2保護(hù)焊、等離子弧焊代替氣焊和手工電弧焊進(jìn)行薄板焊接可減少變形量。
焊縫不對(duì)稱的焊件，可通過選用適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)，在沒有反變形或夾具的條件下，控制彎曲變形。
在焊縫兩側(cè)采用直接水冷或水冷銅塊散熱，可限制和縮小焊接熱場，減少變形。但對(duì)有淬火傾向的鋼材應(yīng)慎用。
（4）選擇合理的裝配焊接次序
把結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)胤殖刹考謩e裝配焊接，然后再拼焊成整體。使不對(duì)稱的焊縫或收縮量較大的焊縫能自由地收縮而不影響整體結(jié)構(gòu)。按照這個(gè)原則生產(chǎn)復(fù)雜的大型焊接結(jié)構(gòu)既有利于控制焊接變形，又能擴(kuò)大作業(yè)面，縮短生產(chǎn)周期。
3.3.4矯正焊接殘余變形的方法(1) 機(jī)械矯正法
利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者互相抵消。
(2) 火焰矯正法
本法是利用火焰局部加熱時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，來達(dá)到矯正變形的目的。
(3) 強(qiáng)電磁脈沖矯正法（電磁錘法）
其基本原理與電磁成形相同，不過反其道而行之，可以利用它來矯正變形。
2焊接設(shè)計(jì)
2焊接設(shè)計(jì)
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(duì)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(qiáng)度fu 和屈服點(diǎn)fy
fy是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的指標(biāo)，fy高則可減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材和降低造價(jià)，。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(shí)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(dòng)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(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(shí)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(jì)規(guī)范具體規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服點(diǎn)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(yàn)的合格保證；對(duì)某些承受動(dòng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)《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(hào)，鋼的牌號(hào)有屈服強(qiáng)度字母（Q）、屈服強(qiáng)度值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C和D）、脫氧方法符號(hào)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-94）的規(guī)定，低合金高強(qiáng)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(jì)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(jì)合理。選擇鋼材時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。
1） 結(jié)構(gòu)的重要性
對(duì)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(jí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)強(qiáng)度隊(duì)疲勞抗力起著主導(dǎo)作用，應(yīng)選擇強(qiáng)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(jì)的結(jié)構(gòu)，其工作應(yīng)力一般比較小，但其壁厚較厚，此時(shí)選材不應(yīng)是高強(qiáng)度的，而應(yīng)是塑性和韌性好的一般強(qiáng)度的材料。在厚度方向受到拉伸載荷，
應(yīng)選擇層狀?yuàn)A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(duì)材質(zhì)的要求應(yīng)嚴(yán)格一些。例如，在化學(xué)成分方面必須嚴(yán)格控制碳、硫、磷的含量；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)碳當(dāng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)薄板小。所以厚度大的鋼材不僅強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)GB/T5313《厚度方向性能鋼材》的規(guī)定。
2焊接設(shè)計(jì)
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(duì)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(qiáng)度fu 和屈服點(diǎn)fy
fy是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的指標(biāo)，fy高則可減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材和降低造價(jià)。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(shí)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(dòng)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(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(shí)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(jì)規(guī)范具體規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服點(diǎn)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(yàn)的合格保證；對(duì)某些承受動(dòng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)《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(hào)，鋼的牌號(hào)有屈服強(qiáng)度字母（Q）、屈服強(qiáng)度值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C和D）、脫氧方法符號(hào)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-94）的規(guī)定，低合金高強(qiáng)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(jì)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(jì)合理。選擇鋼材時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。
1） 結(jié)構(gòu)的重要性
對(duì)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(jí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)強(qiáng)度隊(duì)疲勞抗力起著主導(dǎo)作用，應(yīng)選擇強(qiáng)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(jì)的結(jié)構(gòu)，其工作應(yīng)力一般比較小，但其壁厚較厚，此時(shí)選材不應(yīng)是高強(qiáng)度的，而應(yīng)是塑性和韌性好的一般強(qiáng)度的材料。在厚度方向受到拉伸載荷，
應(yīng)選擇層狀?yuàn)A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(duì)材質(zhì)的要求應(yīng)嚴(yán)格一些。例如，在化學(xué)成分方面必須嚴(yán)格控制碳、硫、磷的含量；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)碳當(dāng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)薄板小。所以厚度大的鋼材不僅強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)GB/T5313《厚度方向性能鋼材》的規(guī)定。
6）對(duì)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(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于0℃但高于-20℃時(shí)，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具用0℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有-20℃沖擊韌性的合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于-20℃時(shí)，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具用-20℃沖擊韌性的合格保證；對(duì)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(jí)工作制吊車梁，對(duì)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(xué)性能及匹配焊接材料
表2-1-1續(xù)
① 表中鋼材力學(xué)性能的單值均為最小值。
② 板厚δ>60～100mm時(shí)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(hù)焊。
⑥ 薄板I形坡口對(duì)接。
⑦ 中、厚板坡口對(duì)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(dòng)力載荷或振動(dòng)載荷且需要演算疲勞的結(jié)構(gòu)。
b． 工作溫度低于-20℃時(shí)的直接承受動(dòng)力載荷或振動(dòng)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(shí)的直接承受動(dòng)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(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。對(duì)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(yàn)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(shí)，焊接材料的匹配應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。常見結(jié)構(gòu)鋼材采用焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊和埋弧焊進(jìn)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(shí)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(fèi)用低，工作條件好，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
影響這兩方面的因素很多，概括如下：
㈠ 產(chǎn)品特點(diǎn)
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(diǎn)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(jī)械等的鋼結(jié)構(gòu)；
2） 機(jī)械零件類 如機(jī)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(gè)不相同，因而適用的焊接方法也會(huì)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(jī)械類產(chǎn)品接頭一般較短，根據(jù)其準(zhǔn)確度要求，選用氣體保護(hù)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(jī)械化的焊接方法，如埋弧焊和氣體保護(hù)焊。
表2-1-2焊接方法影響因素
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(duì)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(shí)焊接方法由生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)因素決定。在推薦的厚度范圍內(nèi)焊接時(shí)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(duì)接、搭接、T形接和角接是最基本的形式，這些接頭形式對(duì)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(huì)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(jìn)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(hù)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(xué)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(dāng)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(jì)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(jì)
2.3.1焊接應(yīng)力 [5] [12] [13]
2.3.1.1 焊接應(yīng)力的特點(diǎn)和分類
⑴ 特點(diǎn)
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(gè)基本特點(diǎn)，即在整個(gè)焊件內(nèi)構(gòu)成一個(gè)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(shí)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）。
圖2-3-1長板對(duì)接焊后橫截面上的縱向應(yīng)力的分布
⑵ 分類（見表2-3-1）
表2-3-1焊接應(yīng)力分類
2.3.1.2焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響
熔化焊必然會(huì)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(jì)等，正確選擇焊接工藝，將不利的因素變?yōu)橛欣囊蛩?。同時(shí)要做到具體情況具體分析。
1）對(duì)靜載強(qiáng)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(qiáng)度。在塑性差的焊件上，因塑性變形困難，當(dāng)殘余應(yīng)力峰值達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，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(qiáng)度。
2）對(duì)構(gòu)件加工尺寸精度的影響
對(duì)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(shí)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。
圖2-3-2帶氣割邊及帶蓋板的焊接桿件的內(nèi)應(yīng)力
3）對(duì)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(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，這部分截面就喪失進(jìn)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(huì)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(duì)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(yuǎn)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(jìn)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(duì)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。其中殘余拉應(yīng)力大小對(duì)腐蝕速度有很大的影響，當(dāng)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(shí)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊縫及其周圍處進(jìn)行錘擊，使焊縫延展開，消除焊接殘余應(yīng)力。對(duì)條件允許焊接加工的鋼結(jié)構(gòu)，在使用前進(jìn)行消除應(yīng)力退火等。
2.3.1.3從設(shè)計(jì)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(jì)和焊接工藝措施等進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。工藝措施將在下一章詳細(xì)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(shí)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(diǎn)和分類
⑴ 特點(diǎn)
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(shí)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(dòng)。局部受熱金屬的膨脹能引起整個(gè)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(shí)便產(chǎn)生，并隨焊接熱源的移動(dòng)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(shí)間而變的變形稱焊接瞬時(shí)變形，它對(duì)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(duì)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?yàn)樗苯佑绊懡Y(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
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(jì)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(shí)可按單面焊再乘一個(gè)系數(shù)進(jìn)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(duì)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(duì)接接頭的橫向收縮量△B的估算可按下式進(jìn)行：
△B=0.2A∕δ+ 0.05b
式中 △B——對(duì)接接頭的橫向變形量，mm；
A——焊縫的截面積，mm2；
δ——板厚，mm；
b——對(duì)接間隙，mm。
2.3.2.3從設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)要盡量使構(gòu)件穩(wěn)定、截面對(duì)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(shí)，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?？刹捎酶鞣N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(duì)焊接變形大的結(jié)構(gòu)盡量采用鉚接和螺栓連接。
對(duì)一些易變形的細(xì)長桿件或結(jié)構(gòu)可采用臨時(shí)工藝筋板、沖壓加強(qiáng)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(jī)，主體箱形梁長度達(dá)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(qiáng)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，
工程
《2焊接設(shè)計(jì)_焊接技術(shù)教程》(.unjs)。對(duì)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(qiáng)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(duì)聯(lián)系焊縫在保證工件不相互竄動(dòng)的前提下，可采用局部點(diǎn)固焊縫；對(duì)無密封要求的焊縫，盡可能采用斷續(xù)焊縫。但對(duì)易淬火鋼要防止焊縫尺寸過小產(chǎn)生淬硬組織等。
設(shè)計(jì)焊縫時(shí)，盡量設(shè)計(jì)在構(gòu)件截面中心軸的附近和對(duì)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(duì)稱的，焊縫也對(duì)稱與工字梁截面的中性軸。焊接時(shí)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(jì)時(shí)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。
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(duì)接焊縫，一般選用對(duì)稱的坡口，對(duì)于直徑和板厚都較大的圓形對(duì)接筒體，可采用非對(duì)稱坡口形式控制變形。在選擇坡口形式時(shí)還應(yīng)考慮坡口加工的難易、焊接材料用量、焊接時(shí)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(qiáng)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(dāng)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(jì)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(duì)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(duì)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
2.3.3.2常用焊接接頭的工作特性 [12] [6]
1）對(duì)接接頭
將兩焊件的表面構(gòu)成135°～180°夾角的接頭均稱對(duì)接接頭。優(yōu)點(diǎn):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(diǎn)：焊前準(zhǔn)備工作量大，組裝費(fèi)工時(shí)，而且焊接變形也較大。
對(duì)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(yuǎn)，均能使應(yīng)力集中減小或消失，提高接頭的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)兩塊被連接板的厚度相差較大時(shí)，按GB/T985、GB/T986，須將厚板削薄至薄板厚度相同時(shí)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(dòng)力載荷且需要進(jìn)行疲勞計(jì)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。
圖2-3-4不同板厚鋼板對(duì)接接頭設(shè)計(jì)（L≥3δ-δ1）
2）搭接接頭
搭接接頭時(shí)兩平板部分地相互搭置，用角焊縫進(jìn)行連接的接頭 。優(yōu)點(diǎn)：焊前準(zhǔn)備工作量較小，裝配較容易，對(duì)焊工技術(shù)水平要求較對(duì)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(diǎn)：母材和焊接材料消耗大，接頭動(dòng)載強(qiáng)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(duì)接接頭的盡量不采用搭接接頭。
圖2-3-5正面搭接接頭的彎曲變形
搭接接頭受軸向力時(shí)，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(qiáng)度低，應(yīng)在背面加焊一條焊縫。當(dāng)背面無法焊時(shí)，可采用鋸齒狀焊縫。搭接接頭承受拉力時(shí)，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(dòng)載時(shí)）或60K(靜載時(shí))，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(diǎn)：能承受各種方向外力和力矩。缺點(diǎn)：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(diǎn)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(duì)重要構(gòu)件，尤其是在動(dòng)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(gè)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(dú)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(jì)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(jì)和選擇。合理的接頭設(shè)計(jì)和選擇不盡能保證結(jié)構(gòu)的局部和整體強(qiáng)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(jì)和選擇焊接接頭形式時(shí)須考慮的幾個(gè)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(zhǔn)備和焊接所需費(fèi)用。
2.3.3.4 坡口的設(shè)計(jì)與選擇 [12] [13][14] [15]
1）設(shè)計(jì)與選擇坡口的原則
對(duì)接、T形接和角接接頭中為了保證焊透常在焊前對(duì)待焊邊緣加工出各種形狀的坡口，如何設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(hào)的可達(dá)性。例如，有些情況不便或不能兩面施焊時(shí)，宜選擇單面V形或U形坡口；
③ 坡口容易加工，且費(fèi)用低。
④ 要有利于控制焊接變形。雙面對(duì)稱坡口角變形小。
2）標(biāo)準(zhǔn)的坡口形狀和尺寸
國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T985-88《氣焊、手工電弧焊及氣體保護(hù)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(jì)外，一般焊接結(jié)構(gòu)的焊縫坡口陡可以直接從國家標(biāo)準(zhǔn)中選用。
2.3.3.5 焊縫設(shè)計(jì)
㈠.焊縫質(zhì)量等級(jí) [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(jí)：
1.在需要計(jì)算疲勞結(jié)構(gòu)
中，凡對(duì)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(duì)接與角接組合焊縫，受拉時(shí)應(yīng)為一級(jí)，受壓時(shí)應(yīng)為二級(jí)；縱向?qū)雍缚p應(yīng)為二級(jí)。
2.在不需要計(jì)算疲勞的構(gòu)件中，凡要求與母材等強(qiáng)的對(duì)接焊縫，受拉時(shí)不應(yīng)低于二級(jí)。受壓時(shí)宜為二級(jí)。因一級(jí)或二級(jí)對(duì)接焊縫的抗拉強(qiáng)度正好與母材的相等，而三級(jí)焊縫只有母材強(qiáng)度的85%。
3.重級(jí)工作制和Q≥50t的中級(jí)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(diǎn)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(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，但由于承擔(dān)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(jí)不低于二級(jí)。焊縫形式一般為對(duì)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(duì)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(jí)為一級(jí)或二級(jí)。因此對(duì)直接承受動(dòng)力載荷且需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)和吊車起重量等于或大于50t的中級(jí)工作制吊車梁，焊縫只能規(guī)定其外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合二級(jí)；其他結(jié)構(gòu)，焊縫的外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可為三級(jí)。
（二）.焊縫設(shè)計(jì)要點(diǎn)[12][6]
1. 角焊縫
⑴角焊縫斷面形式
實(shí)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(jì)算厚度，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)稱它為計(jì)算斷面。
圖2-3-6常用角焊縫斷面形狀及其計(jì)算斷面
a）標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)采用低氫型堿性焊條施焊時(shí)，t可采用較薄焊件的厚度)。但對(duì)埋弧自動(dòng)焊，最小焊腳尺寸可減小1mm；對(duì)T形連接的單面焊縫，應(yīng)增加1mm。當(dāng)焊件厚度等于或小于4mm時(shí)，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(dāng)t≤6mm時(shí)，K≤t；當(dāng)t＞6mm時(shí)，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(dāng)焊件的厚度相差較大且等焊腳尺寸不能符合以上兩條時(shí)，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?yàn)樵黾雍改_長度并不能提高靜載強(qiáng)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(jì)算長度不得小于8K和40mm，不宜大于60K，當(dāng)大于時(shí)，其超過部分在計(jì)算中不予考慮。若內(nèi)力沿側(cè)面角焊縫全長分布時(shí)，其計(jì)算長度不受此限。
⑤ 在直接承受動(dòng)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(duì)正面角焊縫宜為1：1.5（長邊順內(nèi)力方向）；對(duì)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(dāng)板件的端部僅有兩側(cè)面角焊縫連接時(shí)，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(shí)兩側(cè)面角焊縫之間的距離不宜大于16t（當(dāng)t＞12mm）或190mm（當(dāng)t≤12mm），t為較薄焊件的厚度。
⑷ 其他要求
① 桿件與節(jié)點(diǎn)板德連接焊縫宜采用兩面?zhèn)群福部捎萌鎳?，?duì)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(dāng)角焊縫的端部在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處作長度為2K的繞角焊時(shí)，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(jì)或選擇坡口焊縫時(shí)，必須注意施焊可達(dá)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(xiàng)：
①焊條電弧焊時(shí)，為了保證焊條能夠接近接頭根部，并能在多層焊時(shí)側(cè)邊熔合良好，當(dāng)減小坡口角時(shí)，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(shí)，用大坡口角度而用小根部間隙，δ＞20mm時(shí)用小坡口角度大根部間隙的坡口形式才算經(jīng)濟(jì)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(hù)焊由于焊絲細(xì)，且使用特殊導(dǎo)電嘴，可以實(shí)現(xiàn)厚板（＞200mm）L 形坡口的窄間隙（＜10mm)的對(duì)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(shí)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(dāng)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(shí)，可允許用較大焊接電流，根部間隙可為零；立焊時(shí)根部間隙宜大些，焊厚板時(shí)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(dāng)。背面有永久性襯墊時(shí)，應(yīng)取消鈍邊，因?yàn)檫@時(shí)的鈍邊會(huì)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(shí)，根部半徑一般取R=6～8mm，隨板厚增加和坡口角減小而適當(dāng)增大。
⑥若條件允許，板厚結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)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。
⑦背面無襯墊的對(duì)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(jìn)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(yùn)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(qiáng)度要求和制造成本。在靜載等強(qiáng)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(qiáng)的焊縫設(shè)計(jì)。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(shí)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(jì)的。不開坡口的角焊縫消耗填充金屬最多，其優(yōu)點(diǎn)是焊件不需特殊加工，同時(shí)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(jì)上無
優(yōu)越性，唯一優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)另一側(cè)施焊有困難時(shí)，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。
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
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(jī)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(shí)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(qiáng)度要求的前提下，正確地設(shè)計(jì)焊縫的形狀和尺寸。
①對(duì)于對(duì)接接頭，按強(qiáng)度要求確定出焊縫的有效厚度α后，采用兩面對(duì)稱焊的對(duì)接接頭。
②對(duì)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(qiáng)度計(jì)算確定。
T形接頭部分熔透的焊縫實(shí)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(dāng)背面施焊有困難時(shí)，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
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(qiáng)度計(jì)算
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(dān)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(huì)立即失效。
設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)工作焊縫必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)聯(lián)系焊縫不必計(jì)算。對(duì)于既有工作應(yīng)力又有聯(lián)系應(yīng)力的焊縫，則只計(jì)算工作應(yīng)力而忽略聯(lián)系應(yīng)力。
圖2-3-8 工作焊縫與聯(lián)系焊縫
a）對(duì)接工作焊縫 b）對(duì)接聯(lián)系焊縫
c）角工作焊縫 d) 角聯(lián)系焊縫
㈢ 焊接接頭的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法[12]
（1）強(qiáng)度條件
許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法又稱傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法或安全系數(shù)設(shè)計(jì)法。它是以滿足工作能力為基本要求的一種設(shè)計(jì)方法，對(duì)于一般用途的構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的強(qiáng)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(zhǔn)則，則為材料的屈服點(diǎn)，如按斷裂準(zhǔn)則，則為強(qiáng)度極限：在疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)原則，按材料的強(qiáng)度、載荷、環(huán)境條件、加工質(zhì)量計(jì)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(jī)、橋梁、鐵路車輛等行業(yè)都在各自設(shè)計(jì)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(xué)的理論和方法進(jìn)行分析計(jì)算：對(duì)重要構(gòu)件可采用有限元法等進(jìn)行分析與計(jì)算，以獲得更為精確的結(jié)果。
（2） 簡易的焊接接頭強(qiáng)度計(jì)算法
1）焊接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算的假定
在靜載條件下，當(dāng)焊縫金屬和母材均具有較好塑性時(shí)，可作如下假定：
① 焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭強(qiáng)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(duì)接頭強(qiáng)度沒有影響：認(rèn)為焊縫上的工作應(yīng)力是均勻分布，以平均應(yīng)力進(jìn)行計(jì)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(jì)算截面（又稱危險(xiǎn)斷面）。
④ 認(rèn)為角焊縫都是在切應(yīng)力作用下破壞，一律按切應(yīng)力計(jì)算其強(qiáng)度。
⑤ 正面角焊縫和側(cè)面角焊縫在強(qiáng)度上無差別。
2）坡口焊縫靜載強(qiáng)度計(jì)算公式
基于上述假定對(duì)熔透的坡口焊縫的靜載強(qiáng)度得到了簡化，表2-3-5給出了計(jì)算公式。表中熔透對(duì)接接頭焊縫的靜載強(qiáng)度計(jì)算公式與母材的靜載強(qiáng)度計(jì)算公式完全相同，焊縫的計(jì)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(shí)際長度；熔透的T形接頭和十字接頭按對(duì)接焊縫進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，焊縫的計(jì)算厚度取立板的厚度。
一般情況下，按等強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
3)角焊縫的靜載強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)算公式，見表2-3-6。表中角焊縫的計(jì)算長度一般取每條焊縫實(shí)際長度減去10mm，計(jì)算厚度取內(nèi)接三角形的最小高度。在設(shè)計(jì)計(jì)算角焊縫時(shí)，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(jì)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(bǔ)應(yīng)小于4mm，當(dāng)焊件厚度小于4mm時(shí)，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(jì)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(qiáng)度計(jì)算公式
30％強(qiáng)度焊縫 K=。
100％強(qiáng)度的角焊縫就是等強(qiáng)度焊縫，它主要用于集中載荷的部位，如導(dǎo)軌的焊接；50％強(qiáng)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(qiáng)度的角焊縫主要用于并不承載的角焊縫，當(dāng)它小于最小焊腳尺寸（表2-3-4）時(shí)，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(jì)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(jì)原則，根據(jù)材料性質(zhì)、載荷、環(huán)境、加工質(zhì)量、計(jì)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(jī)械焊接結(jié)構(gòu)中焊縫的許用應(yīng)力。我國起重機(jī)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(qiáng)度計(jì)算公式
表2-3-8機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)中焊縫的許用應(yīng)力