焊接接头的设计？
焊接结构是由许多零件、部件和零件通过焊接方法连接而成的，因此焊接接头的性能和质量直接关系到焊接结构的性能、安全性和可靠性。多年来，焊接工程界对焊接接头进行了广泛的试验研究，为提高焊接结构的性能和可靠性，扩大焊接结构的应用范围发挥了巨大作用。
(1)焊接接头的基本类型
焊接结构可以通过主要的焊接方法制成，例如熔焊、压焊和钎焊。通过这些焊接方法将金属结构连接起来，形成不可分割的连接接头——焊接接头，分别形成熔焊接头、压焊接头和钎焊接头，从而形成焊接结构。但应用最广泛的还是熔焊，这里主要介绍熔焊头。
1)熔焊接头:熔焊接头由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材组成。焊接金属是通过熔化填料和部分基底金属形成的铸造结构。熔焊接头各部分的显微组织不均匀，性能也存在差异。这是因为上述四个区域的化学成分和金相组织不同，在接头处往往改变了构件原有的截面和形状，导致不连续甚至缺陷，产生不同程度的应力集中，焊接残余应力和变形，刚度较大，这些都影响接头的性能。这样一来，不仅接头的力学性能参差不齐，而且理化性能也不一样。为了保证焊接结构的可靠运行，希望焊接接头具有与母材相同的力学性能，在某些情况下，还希望获得相同的物理化学性能，如导电性、磁导率、耐腐蚀性以及相同的光泽和颜色。
就焊缝金属而言，常形成柱状晶铸态组织，一般比母材更强更硬，但韧性下降。对于高强度钢，采用适当的工艺措施，如预热、缓冷或采用适当的热输入，也可获得所需性能的焊缝金属。一般来说，焊缝金属的强度可能高于或低于母材，前者称为高匹配，后者称为低匹配。
在宽度较小的热影响区，由于焊接温度场梯度较大，各点的热循环差异很大，导致组织和性能不同。这种差异与焊接金属的微观结构和成分以及焊接热输入有关。特别需要指出的是，焊接热循环后的“动态应变时效”(热应变时效)会恶化接头的性能。经过预应变后，钢和铝会变成脆性的“时效”现象，这种现象发生在低温(室温)下，通常称为“静态应变时效”。但焊接热影响区在焊接热循环后会产生热应变，焊接的高温加速了时效脆化，所以“动态应变时效”大大降低了接头的性能，应注意防止。
熔焊主要有对接焊缝和角焊缝，主要由这两种焊缝组成的焊接接头有对接、角接、丁字(十字)接头、搭接和塞焊头。根据GB/T 985-1988《气焊、焊条电弧焊和气体保护焊焊缝坡口基本形式和尺寸》和GB/T 986-1988《埋弧焊焊缝坡口基本形式和尺寸》，常见的焊缝坡口基本形式和上述接头形式如图5-1所示。图5给出了对接接头(见图5-1 a~n)、角接接头(见图5 -1o~u)、丁字接头和十字接头(见图5 -1 v~Y和Z，A′)、搭接接头(见图5)。用符号字母表示的相关尺寸见表5-6。表5-6参照GB/T 985-1988和GB/T 986-1988标准列出。除了以上两个标准外，选择哪种坡口形式还可以根据行业和企业标准根据焊件厚度来确定，有一个合适的间隔。比如厚度为30mm的板材对接，可以选择图5 -1 i所示的双Y形坡口(从表5 -6可以看出:当采用焊条电弧焊时，坡口适用于厚度为12~ 60mm的板材；采用埋弧焊时，适用于24~60mm厚板)，也可以选择如图5-1 m所示的钝边双U型坡口，无论选择哪种坡口形式，首先要保证接头质量，同时要考虑经济性。
电渣焊接头是熔焊接头中的一种重要接头。当焊件厚度大于30mm时，可考虑电渣焊接头，尤其是大截面焊缝。例如，如果焊件厚度大于60 mm，电渣焊的效率高于电弧焊接头。常用电渣焊接头的基本形式见图5 -2，各种形式电渣焊接头的尺寸见表5 -7。当工件采用电渣焊时，工件的位置应自下而上，即适合立焊的焊缝。电渣焊焊缝是由焊接材料和母材边缘经高温渣池熔化堆积而成的，所以在焊缝的内外侧都要有挡块。电渣焊适用于焊接大型和超大焊接截面的零件，如厚壁压力容器、大直径轴、大厚度管道和大型机器零件。电渣焊通常要求焊后正火-回火或高温退火，以消除大型焊接热输入引起的热影响区宽、晶粒粗大和残余应力高等不利影响。
电子束焊接接头是熔焊接头中的一种特殊接头。它是用聚焦的高速电子流轰击焊件，使电子的动能转化为热能，使焊接接头的焊缝区熔化的熔焊。特点是焊接各种特殊金属，厚度大，高宽比大(高达25 :1)。根据其特点，应用于核反应堆部件、一些特殊金属、超高强度钢以及航空、航天设备中耐热合金零件的焊接。由于电子束直径细，焊接能量集中，无填充金属，形成了电子束焊头的一些特点。这种接头也有对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头，也有类似电渣焊的搭接接头端接形式，只是焊件比较紧。
2)压力焊接接头:除上述熔焊接头外，电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊、爆炸焊统称为压力焊，其中电阻焊和摩擦焊由于效率高，在许多部门得到广泛应用。特别是在汽车工业中，电阻焊和摩擦焊应用广泛。电阻焊中，点焊(包括滚点焊)和缝焊多采用搭接。凸焊是点焊的一种变体，但接头形式多种多样，需要根据焊件的形状和尺寸来设计合适而巧妙的接头。高频电阻焊一般是对焊，也有搭接的。电阻对焊明显采用对接。需要指出的是，由于电阻对焊技术的发展，目前已能焊接100000mm2以上的断面，所以电阻对焊已应用于锅炉压力容器的制造，特别是钢管的环缝，如长输油气管道(包括陆上和海上)的建设。对接接头通常用于摩擦焊接头。焊点的其他形式和应用可以参考相关资料。
3)钎焊接头:钎焊接头的类型也很多，但基本类型只有对接接头和搭接接头。
(2)焊接坡口形式的选择
焊接坡口形式按其形状可分为三种，即基本型，如图5-1b、1所示，即工字形、V字形和单V字形、U字形和单U字形等。也有特殊类型，如包边、加垫、包边、塞焊、槽焊；组合型，顾名思义，就是以上几种类型的组合，图5 -1中的大部分沟槽都是这种组合型。沟槽形式通常根据工厂条件、工艺要求和其他考虑因素来确定。
1)工厂加工条件。比如双V形、Y形、单面V形、双面V形、V形、I形等沟槽可以用气割、等离子弧切割，当然也可以用金属切割加工。而双U型、钝边U型、钝边J型、U型、Y型槽一般需要刨削加工(最近也有报道用气割加工U型槽)，效率比热切割低。
2)可达性好坏。采用Y形、Y形带垫板(见图5-1e，F)、V形带垫板、VY形(见图5-1g)、U形带钝边(见图5-1h)等坡口接头，焊接时一般不需要翻面。对于内径较小的容器或管道，
3)减少焊接材料的消耗。一般熔敷金属量少，焊接材料(焊条、焊丝和焊剂、保护气体)消耗也少，也节省了加工时间。同样厚度:Y型坡口比双Y型坡口最多能增加50%的熔敷金属，双U型坡口或UY型坡口更能节省熔敷金属，所以这种坡口对于厚度大的焊接接头更经济。
窄间隙焊也用于不适合电渣焊和电子束焊的超厚零件的焊缝。电渣焊坡口。
4)考虑焊接变形和应力。例如，单面焊接可能会在焊缝根部产生角变形和严重的焊接残余应力。这时要考虑材料(母材)的特性，采用合适的工艺和坡口形式，才能获得合格的接头。
需要指出的是，无论是对接焊缝还是角焊缝，焊缝表面都可以是凹的、凸的或平坦的，后者有时是通过机械加工来实现的。除了上述三种等角焊缝，还有三种不等角焊缝。图5 -3所示的四种形式的直角焊缝包括等边平、凹凸直角焊缝(见图5-3a~c)和平不等边直角焊缝(见图5-3d)三种。焊脚尺寸k是角焊缝的特征尺寸，角焊缝的焊脚尺寸是与等腰直角三角形内接的直角边，如图5 -3所示。
(3)工作接头、接触接头和密封接头
上述焊接接头的基本类型主要是根据所采用的焊接工艺来区分的。其实也是根据焊接结构焊缝的受力情况来划分的。焊接结构的焊缝按是否直接受力可分为承重焊缝和非承重焊缝，也称工作焊缝和接触焊缝，如图5-4所示。前者是把结构中的力从一个部分传递到另一个部分，焊缝和构件是串联的，所以必须计算这个焊缝的强度。后者的焊缝与构件并联，构件同时受力变形。即使焊缝损坏，一般也不会影响整个结构的安全工作。焊缝的主要任务不是传递力，所以通常不需要进行强度计算。但严格来说，要考虑到整个接头除焊缝外，还有熔合线、热影响区等承受直接载荷(串联或并联)或不直接承受载荷(并联)，所以有数据提出工作接头、接触接头和密封接头。后者的主要任务是防止渗漏，所以属于工作缝。
(4)焊接接头的工作应力分布
图5 -1所示的熔焊接头主要有对接接头、角接接头、T形接头(十字接头)和搭接接头，塞焊接头实际上是搭接接头。焊接接头中工作应力的分布是不均匀的，即存在应力集中，各种接头中应力集中的情况也是不同的。其中，对接接头应力集中最小，形式最简单，传力转折点少，是最合理、最典型的焊接接头形式。即便如此，如果对接接头剩余高度较大，过渡处圆弧半径较小，应力集中也会增大，如图5 -5所示。图5-6表明应力集中系数Kσ随超高h和过渡圆弧半径r而变化。
t形(十字形)接头从母材到焊缝过渡剧烈，传力转折点大，力线扭曲，应力分布不均匀，容易产生较大的应力集中，如图5 -7所示。从图5-7a可以看出，由角焊缝组成的T形(十字形)接头，即图5 -1a所示的T形接头，其最大应力在角焊缝根部，如截面I-I、II-II的A点和截面III-III的B点。如果将坡口焊透，应力分布将大大改善，如图5-7b所示。t形(十字)接头也是一种典型的熔焊接头，应用广泛。这种接头占造船工业所有接头的70%，因此改善其应力分布非常重要。对于I型坡口角焊缝形成的T形(十字)接头，随着焊脚尺寸的增大和θ角的减小(图5-7a)，应力集中程度降低。当θ角小于或大于45°时，即属于图5-3d的不等角焊缝，只有长边顺着力线方向(即θ
由角焊缝组成的搭接接头应力分布不均匀，不是理想的结构接头形式，特别是在动载荷和低温条件下应尽量避免。但由于采用搭接，装配工作非常简单，焊前准备简单，构件收缩量小，所以在一些静荷载建筑结构和薄板制成的储罐结构中仍有使用。需要指出的是，搭接可以分为正面搭接和侧面搭接。在搭接接头中，不仅角焊缝截面上的应力分布不均匀(类似于T形接头角焊缝)，而且正面搭接焊缝和侧面搭接焊缝的应力分布也不相同，沿焊缝长度方向的应力分布也不均匀，如图5-8所示。该图仅显示了侧面搭接焊缝。A1和A2表示搭接板的横截面积，曲线表示剪应力Tx的分布。从图5-8c可以看出，当焊缝长度增加时，应力分布不均匀加剧，中间部分几乎不受力，所以有些标准规定了承力搭接焊缝(侧搭接)的长度。
二、焊接接头的设计
(1)焊接接头的设计特点优良的接头设计是防止结构破坏的条件之一。实际受力复杂的接头设计应考虑以下问题:
1)焊接结构应优先考虑形式简单、应力集中小、不破坏结构连续性的接头(焊缝)，即力线集中或转折很少或没有的接头和焊缝形式。
在上述熔焊接头中，对接接头最适合上述条件，因此应优先考虑，其次是T形(十字形)接头，应避免搭接，但如上所述，为了施工方便，仍在一些静态和不重要的结构中使用。
2)在可能的条件下，尽量将焊接接头布置在工作载荷较小、构件几何尺寸和形状不变的地方。
3)角焊缝的焊脚尺寸不宜过大，搭接角焊缝不宜过长。如上所述，应力分布沿着角焊缝截面是不均匀的。截面越大，应力分布越不均匀，因此大截面角焊缝的承载能力较低。然而，焊接材料和工时的消耗随着焊脚尺寸成正方形而增加。搭接接头中，正面角焊缝的刚度大于侧面角焊缝，实际强度也更大。因此，具有前角焊缝的接头搭接角焊缝中的应力分布是不均匀的，并且沿焊缝长度的侧角焊缝中的应力分布也是不均匀的。因此，对结构和变形能力较差的重要节点要特别注意。
4)钢板在厚度方向(Z方向)的性能较差，所以形成T形(十字)接头。如果要在厚度方向传递外力，应选择Z向钢。
5)焊接接头刚度大，屈服前焊缝变形很小，对于作为铰点的接头(如桁架接头)可能产生较高的附加应力。此时应采取减小焊接截面、改变焊缝位置等措施来增加接头的柔性。
6)充分考虑制造商的条件，提高设计接头的工艺性。比如焊接结构的接头类型少，焊接方法种类少，单个接头尺寸小；施工时的可达性好，包括焊接时的可达性和焊后的可测性(比如X射线探伤方便布放，超声波探伤有合适的探头移动范围等。);良好的可焊性等。
7)计算接头时没有考虑应力分布不均匀和焊接残余应力，将介绍这种计算是做了一些假设和简化。对于恶劣的工作条件，如低温或动载荷或接头刚度较高的场合，应适当考虑这些因素。对于在腐蚀环境中工作的焊接结构的接头，接头的详细设计也需要特别考虑。
(2)焊接接头静载强度的计算
1)基于容许应力法的计算
①对接接头强度的计算:图5 -9所示为典型的对接接头及其应力，可根据表5-8中的公式计算。从计算公式可以看出，计算中没有考虑接头中的应力集中(应力分布不均匀)和焊接残余应力，认为工作应力沿焊缝均匀分布。从图5-9a可以看出，当两块不同厚度的板对接，厚度差(δ-δ1)超过规定值(根据GB 985标准，允许厚度差为1~4mm)时，需要在厚板上切割一个斜面，斜面长度为L >；3(δ-δ1)，或者两面都可以切斜角。
②搭接接头强度的计算:图5-10给出了一个典型的搭接接头及其应力，这里也有塞焊和电铆搭接接头(见图5-10g，h)。另外，搭接接头都是由角焊缝组成的，就像对接接头的强度计算主要是校核对接焊缝的强度一样，搭接接头的强度计算主要是计算角焊缝的强度。在计算搭接角焊缝时，进行了以下假设:
首先，对于这个角焊缝的形状(见图5 -3)，将内接等腰直角三角形的高度。
K0作为计算厚度，没有考虑焊缝的凸凹性，也没有考虑熔深的差异，所以
K0≈0。7K，其中k是焊脚尺寸。当熔深较大时，如埋弧焊，K0≈0。8K甚至等于k都可以考虑。
二、角焊缝按计算截面计算，即计算厚度处的剪应力损伤(以前叫喉厚)。即使接头承受弯矩，抵抗弯矩产生的应力假定为剪应力，如表5-8，公式(5-12)、(5-15)、(5-65438)。
第三，没有考虑正面和侧面角焊缝上的应力差异以及焊缝上的应力分布不均匀，给计算带来了方便。由于应力的不均匀程度随着焊缝长度的增加而增加，上述计算规则限制了焊缝长度的计算。
第四，角焊缝的最小焊脚尺寸一般不应小于4毫米。当板厚小于4mm时，支腿尺寸可与板厚相同。图5 -10各种搭接接头的强度计算见表5-8。
③T型接头的强度计算:如图5-7所示，T型接头和十字接头可以由会产生应力集中的角焊缝(见图5 -7a)组成，也可以由应力集中小得多的对接焊缝组成，如K型坡口焊缝(见图5-7b)。表5-8包括两种焊缝的强度计算。可以看出，角焊缝的强度计算与搭接角焊缝相同，后者与对接焊缝相同。需要指出的是，T型接头承压时(见图5 -11a)，由于立板可以紧靠盖板，承压能力大大提高，强度可以用公式(5 -20)计算。在很多情况下，集中力既不平行于焊缝，也不垂直于焊缝，所以可以把力分成两部分，分别计算强度，如图5 -11 d和表5-8 (5 -26)所示。
2)用极限状态设计法计算焊缝连接。根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》，当采用焊接连接时，对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头采用对接焊缝、直角角焊缝(图5 -3)、斜角焊缝(图5 -13)和对接角焊缝组合(图5-3)。焊缝应根据结构的重要性、载荷特性、焊缝形式、工作环境和应力状态等进行选择。例如，疲劳承载构件的对接焊缝应全熔透，焊缝质量应为I级和II级；虽然不考虑疲劳，但如果要求和母材一样强，还要求熔深，焊缝质量不能低于ⅱ级；重型工作系统的吊车梁和起重量>:50t中间吊车梁的腹板和盖板之间的角焊缝需要坡口焊透。
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