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鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的選擇與坡口設計，多數(shù)人不知道的焊縫精細化設計

焊接結(jié)構(gòu)是由許多部件、元件、零件用焊接方法連接而成的,因此焊接接頭的性能質(zhì)量好壞直接與焊接結(jié)構(gòu)的性能和安全性、可靠性有關(guān)。多年來焊接工程界對焊接接頭進行了廣泛的試驗研究,這對于提高焊接結(jié)構(gòu)的性能和可靠性,擴大焊接結(jié)構(gòu)的應用范圍起了很大作用。

一、焊接接頭

(1)焊接接頭的基本類型

用主要的焊接方法如熔焊、壓焊和釬焊都可制成焊接結(jié)構(gòu),用這些焊接方法連接金屬結(jié)構(gòu)形成不可拆的連接接頭—焊接接頭,分別形成熔焊接頭、壓焊接頭和釬焊接頭,從而構(gòu)成焊接結(jié)構(gòu)。但應用最廣泛的是熔焊,這里重點介紹熔焊接頭。

1)熔焊接頭:熔焊接頭由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)和母材所組成。而焊縫金屬是填充材料和部分母材熔化后凝固而成的鑄造組織。熔焊接頭各部分的組織是不均勻的,性能上也存在差異。這是由于以上四個區(qū)域化學成分和金相組織不同,并且接頭處往往改變了構(gòu)件原來的截面和形狀,出現(xiàn)不連續(xù),甚至有缺陷,形成不同程度的應力集中,還有焊接殘余應力和變形,大的剛度等都對接頭的性能有影響,結(jié)果使接頭不僅力學性能不均勻,而且物理化學性能也存在差異。為保證焊接結(jié)構(gòu)可靠地工作,希望焊接接頭具有與母材相同的力學性能,有些情況下還希望獲得相同的物理和化學性能,如導電、導磁、抗腐蝕性能和相同的光澤和顏色等。

就焊縫金屬而言,往往形成柱狀晶鑄造組織,一般較母材的強度高且硬,而韌性下降。對于高強度鋼,采用適當?shù)墓に嚧胧?如預熱、緩冷或采用合適的熱輸人也可獲得要求性能的焊縫金屬。一般來說,焊縫金屬強度相對母材強度可能要高或低,前者稱為高匹配,后者稱為低匹配。

寬度不大的熱影響區(qū),由于焊接溫度場梯度大,各點的熱循環(huán)大不相同,造成了組織和性能的不同。這種差別和被焊金屬的組織成分、焊接熱輸人有關(guān)。特別要指出的是經(jīng)過焊接熱循環(huán)后發(fā)生的“動應變時效”(熱應變時效)會使接頭性能惡化。將鋼材、鋁材等經(jīng)預應變后,會產(chǎn)生變脆的“時效”現(xiàn)象,這種預應變及時效都是在低溫(室溫)下發(fā)生的,通常稱為“靜應變時效”。而焊接熱影響區(qū)經(jīng)焊接熱循環(huán)后會產(chǎn)生熱應變,焊接的高溫加速了時效脆化,所以“動應變時效”大大降低了接頭的性能,要注意防止。

熔焊的焊縫主要有對接焊縫和角焊縫,以這兩種焊縫為主體構(gòu)成的焊接接頭有對接接頭、角接接頭、T形(十字)接頭、搭接接頭和塞焊接頭等。根據(jù)GB/T 985-1988《氣焊、焊條電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》和GB/T 986-1988《埋弧焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》常用的焊縫坡口基本形式與所構(gòu)成的上述接頭形式如圖5 -1所示。圖5 -1中給出了對接接頭(見圖5-1 a~n)、角接接頭(見圖5 -1o~u) 、T形和十字接頭(見圖5 -1 v~Y及z、a')及搭接接頭(見圖5 -1 b' 、c')的坡口形式、尺寸、熔化形成的焊縫金屬(圖中用細實線表示)。由符號字母代表的有關(guān)尺寸見表5-6。表5-6是參照GB/T 985-1988 , GB/T 986-1988標準規(guī)定列出的。選擇哪一種坡口形式除按照上述兩標準外,也可按行業(yè)和企業(yè)標準由焊件厚度確定,并且有一個合適的區(qū)間。例如厚度為30mm的板對接,既可以選擇圖5 -1 i所示的雙Y形坡口(由表5-6可查得:用焊條電弧焊時,該坡口適于12~ 60mm厚的板;用埋弧焊時,適于24~60mm厚的板),也可以選擇圖5 -1 m所示帶鈍邊的雙U形坡口。無論選擇哪一種坡口形式,都首先要保證接頭質(zhì)量,同時還要考慮經(jīng)濟性。

電渣焊接頭是熔焊接頭中重要的一種接頭。當焊件厚度大于30mm時即可以考慮采用電渣焊接頭,特別是大斷面的焊縫,例如焊件厚度大于60 mm,則電渣焊比電弧焊接頭效率要高。常用電渣焊接頭的基本形式如圖5 -2所示,各種形式電渣焊接頭尺寸見表5 -7。當工件采用電渣焊時要使工件位置做到焊縫由下至上,即適于垂直位置焊接的焊縫。電渣焊焊縫由焊接材料和母材邊緣被高溫的渣池熔化堆積而成,因而焊縫的內(nèi)外側(cè)應該有擋塊,電渣焊適于大和特大焊接截面的焊件,如厚壁壓力容器、大直徑的軸、大厚度的管道、大機器件的拼焊等。電渣焊的焊件焊后通常要經(jīng)正火——回火或高溫退火熱處理,以消除大焊接熱輸人造成的寬熱影響區(qū)、粗晶粒、高殘余應力的不良影響。

電子束焊接接頭是熔焊接頭中一種特殊的接頭。它是利用聚焦的高速電子流轟擊焊件,使電子動能轉(zhuǎn)化為熱能而熔化焊接接頭的焊縫區(qū)而進行的熔焊。其特點是可焊接各種特殊的金屬,大厚度,焊縫的深寬比大(可達25 :1)。按其特點應用于核反應堆元件,航空、航天設備中的某些特殊金屬、超高強度鋼及耐熱合金零件的焊接。由于電子束直徑細、焊接能量集中,焊接時不加填充金屬,形成了電子束焊接頭的一些特點。這種接頭也有對接、角接、T形接和搭接形式,還有一種類似于電渣焊的疊接的端接形式,只是焊件是貼緊的。

2)壓焊接頭:除了上述熔焊接頭外,電阻焊、摩擦焊、擴散焊、超聲波焊、冷壓焊和爆炸焊統(tǒng)稱為壓焊,其中電阻焊和摩擦焊由于其具有高效率的特點,在許多部門得到了廣泛的應用。特別是在汽車工業(yè)中,電阻焊和摩擦焊應用很普遍,電阻焊中的點焊(包括滾點焊)和縫焊多是采用搭接接頭,凸焊是點焊的一種變異,但接頭形式有多種多樣,需要根據(jù)焊件形狀尺寸,設計出適用和巧妙的接頭來。高頻電阻焊一般為對接,也有采用搭接接頭的。電阻對焊顯然是采用對接接頭,應當指出的是,由于電阻對焊工藝的發(fā)展,目前其已經(jīng)可以焊接100000mm2以上的截面,所以在鍋爐壓力容器的制造中,特別是鋼管道的環(huán)縫中,例如石油、天然氣的長輸管線建設中(包括陸地和海洋),電阻對焊獲得了應用。摩擦焊接頭通常也是采用對接接頭。其他的阻焊接頭形式和應用可參考有關(guān)資料。

3)釬焊接頭:釬焊接頭也有多種類型,但基本類型只有對接接頭和搭接接頭兩種。

(2)熔焊坡口形式的選擇

熔焊坡口形式根據(jù)其形狀,可分三類,即基本型,如圖5-1b, 1等即I形、V形和單V形、U形和單U形等;還有就是特殊型,如卷邊的、帶墊板的、鎖邊的和塞焊、開槽焊等;組合型,顧名思義這是上述各型組合而成,圖5 -1中絕大多數(shù)都是這種組合型的坡口。坡口形式通常根據(jù)工廠條件、工藝要求等考慮以下問題來決定。

1)工廠的加工條件。例如采用雙V形、Y形、單邊V形、雙單邊V形、V形、I形等坡口可用氣割、等離子弧切割,當然也可用金屬切削方法加工。但雙U形、帶鈍邊U形、帶鈍邊J形、U形、Y形坡口一般需用刨邊機加工(最近也有采用氣割加工U形坡口的報道),效率較熱切割低。

2)可達性的好壞。采用Y形、帶墊板Y形(見圖5-1e、f)、帶墊板V形、VY形(見圖5-1g)、帶鈍邊的U形(見圖5-1h)等坡口的接頭,施焊時,一般可不需翻轉(zhuǎn),對內(nèi)徑較小的容器或管道,以及不便翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu),為避免仰焊及不能從內(nèi)側(cè)施焊,則可采用這種坡口和焊縫形式。

3)減小焊接材料的消耗量,一般熔敷金屬量小,焊接材料(焊條、焊絲和焊劑、保護氣體)消耗也小,也節(jié)省加工時間。同樣板厚:Y形比雙Y形坡口的熔敷金屬量增加最大可達50%,雙U形或UY形則更加節(jié)省熔敷金屬,因此對于大厚度的焊接接頭,多采用這種較經(jīng)濟的坡口。

對于不適于電渣焊、電子束焊的特厚件焊縫還采用窄間隙焊。電渣焊的坡口。

4)考慮焊接變形與應力。例如單面焊可能引起角變形和焊縫根部的嚴重焊接殘余應力,此時要考慮材料(母材)特點,采用適當?shù)墓に嚭推驴谛问?以便獲得合格的接頭。

應該指出,無論是對接焊縫還是角焊縫,其焊縫表面都可以是凹陷的、凸起的或是平齊的,后者有時通過加工來達到。而角焊縫除了上述三種等邊角焊縫外,還有三種不等邊角焊縫,圖5 -3所示直角焊縫的四種形式,除三種等邊平的、凹的和凸的直角焊縫外(見圖5-3a~c),還有平的不等邊直角焊縫(見圖5-3d) 。焊腳尺寸K為角焊縫的特征尺寸,角焊縫的焊腳尺寸為焊縫內(nèi)接等腰直角三角形的直角邊,如圖5 -3所示。

(3)工作接頭、聯(lián)系接頭和密封接頭

前述焊接接頭的基本類型主要是根據(jù)采用的焊接工藝來區(qū)分的。實際上也是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)焊縫的承載狀況來分的。焊接結(jié)構(gòu)的焊縫又可以按直接承受載荷與否分為承載焊縫和非承載焊縫,習慣上又稱為工作焊縫和聯(lián)系焊縫,如圖5-4所示。前者將結(jié)構(gòu)中的作用力由一個零件傳至另一個零件,焊縫和零(構(gòu))件串聯(lián)在一起,這種焊縫必須進行強度計算。后者的焊縫和零(構(gòu))件并聯(lián)在一起,與零(構(gòu))件一起同時受力和變形,焊縫即使破壞,一般也不會影響整個結(jié)構(gòu)的安全工作,傳遞作用力不是焊縫的主要任務,通常可不進行強度計算。但嚴格講,應該認為是整個接頭,除焊縫外,還有熔合線、熱影響區(qū)等承擔(串聯(lián)或并聯(lián))直接作用載荷或不直接承受載荷(并聯(lián)),所以有資料提出了工作接頭、聯(lián)系接頭和密封接頭。后者的主要任務是防止泄漏,故多屬于工作接頭。

(4)焊接接頭工作應力的分布

圖5 -1所示的熔焊接頭,如前述主要有對接接頭、角接接頭、T形接頭(十字接頭)和搭接接頭,塞焊接頭實際上也是一種搭接接頭。在焊接接頭中工作應力的分布不是均勻的,也就是存在應力集中,而各種接頭應力集中的情形亦不相同。其中對接接頭應力集中最小,形式最簡單,力的傳遞也較少轉(zhuǎn)折,故是最合理的、典型的焊接接頭形式。即使如此,對接接頭如果出現(xiàn)較大的余高和過渡處圓弧半徑較小,則應力集中將增大,圖5 -5是對接接頭中應力分布的情形。圖5-6則是應力集中系數(shù)Kσ隨余高h和過渡圓弧半徑r變化而變化的情形。

T形(十字)接頭由母材向焊縫過渡急劇,力的傳遞轉(zhuǎn)折大,力線扭曲,應力分布不均,易出現(xiàn)較大的應力集中,其應力分布如圖5 -7所示。由圖5-7a可見,由不開坡口角焊縫構(gòu)成的T形(十字)接頭,即圖5 -1a所示T形接頭,其最大應力在角焊縫的根部,如Ⅰ - Ⅰ、 Ⅱ - Ⅱ截面的A點和Ⅲ - Ⅲ截面的B點。如開坡口焊透,則應力分布大為改善,如圖5-7b所示。T形(十字)接頭也是典型的熔焊接頭,應用亦很廣,該接頭在造船業(yè)中占所有接頭的70%,所以改善其應力分布十分重要。對于Ⅰ形坡口的角焊縫構(gòu)成的T形(十字)接頭,隨著焊腳尺寸的增大和θ角的減小(圖5-7a),應力集中下降,當θ角小于或大于45°,即屬圖5-3d的不等邊角焊縫時,只有長邊順著力線方向(即θ<45°),才會改善應力分布不均的狀況。

由角焊縫構(gòu)成的搭接接頭,其應力分布很不均勻,它不是理想的結(jié)構(gòu)接頭形式,在動載和低溫時尤其應避免采用。但由于采用搭接接頭,裝配工作十分簡便,焊前準備工作簡單,構(gòu)件收縮量小,故在一些受靜載的建筑結(jié)構(gòu)中和用薄板制造的儲罐結(jié)構(gòu)中仍被采用。應該指出:搭接接頭又可分為正面搭接和側(cè)面搭接,搭接接頭中不僅存在角焊縫橫截面上應力分布不均的情形(和T形接頭角焊縫類似),而且正面和側(cè)面搭接焊縫中的應力分布也不同,側(cè)面搭接焊縫沿焊縫長度的應力分布不均,如圖5-8所示。該圖是僅有側(cè)面搭接焊縫的情況,A1、A2表示搭接板的截面積,曲線為切應力Tx的分布。由圖5-8c可見,當焊縫長度增加,應力分布不均加劇,中段幾乎不受力,故一些標準規(guī)定了承載搭接焊縫(側(cè)面搭接)的長度。

二、焊接接頭的設計

(1)焊接接頭的設計特點

優(yōu)良的接頭設計是防止結(jié)構(gòu)破壞的條件之一。實際受力十分復雜的接頭,進行設計應考慮以下問題:

1)焊接結(jié)構(gòu)應該優(yōu)先采用接頭(焊縫)形式簡單、應力集中小、不破壞結(jié)構(gòu)連續(xù)性的,即不使或很少使力線密集或出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的接頭和焊縫形式。

上述熔焊接頭中,對接接頭是最符合上述條件的,因此應優(yōu)先考慮采用,其次應考慮采用T形(十字)接頭,而搭接接頭則應避免采用,但如上述在一些靜載的,不是很重要的結(jié)構(gòu)中為了施工方便仍有采用。

2)在有可能的條件下,盡量將焊接接頭布置在工作載荷較小處,以及構(gòu)件幾何尺寸和形狀不變的地方。

3)角焊縫的焊腳尺寸不宜過大,搭接角焊縫不宜過長。如前所述,應力分布沿角焊縫截面是不均勻的,截面越大,應力分布不均勻的程度越大,故大截面的角焊縫承載能力低。而焊接材料與工時消耗卻隨焊腳尺寸成平方地增加。在搭接接頭中,正面角焊縫的剛度大于側(cè)面角焊縫,實際強度也大,所以具有正側(cè)面角焊縫的聯(lián)合搭接角焊縫中的應力分布不均,側(cè)面角焊縫沿焊縫長度方向的應力分布亦不均,故對重要的結(jié)構(gòu)、變形能力差的接頭,尤其要注意。

4)鋼板在厚度方向上(Z向)性能差,因此組成T形(十字)接頭,如要在厚度方向上傳遞外力,應選用Z向鋼。

5)焊接接頭剛度大,焊縫未達屈服前變形量很小,故對于作為鉸接點的接頭(如桁架的節(jié)點)可能產(chǎn)生高的附加應力,此時應采取諸如減小焊接截面、改變焊縫位置等措施來增加接頭的柔性。

6)充分考慮制造廠的條件,提高設計接頭的工藝性。如使焊接結(jié)構(gòu)的接頭種類少,采用的焊接方法種類少,接頭尺寸單一;施工時的可達性好,包括焊接時的可達性和焊接完成后的可檢驗性(如射線探傷便于布片,超聲探傷有合適的探頭移動范圍等);施焊性好等等。

7)計算接頭時不考慮應力分布不均及焊接殘余應力,下面還要介紹到這種計算是作了一些假定和簡化的。而對于工作條件苛刻,如在低溫或動載下或接頭剛度大的場合,則要適當考慮這些因素。而對于在腐蝕環(huán)境下工作的焊接結(jié)構(gòu)的接頭,接頭的細節(jié)設計也需要特殊考慮。

(2)焊接接頭靜載強度的計算

1)以許用應力法為基礎的計算

①對接接頭強度的計算:圖5 -9為典型對接接頭及其受力情況,可按表5-8的公式進行計算。由計算公式中可以看出,計算不考慮接頭中的應力集中(應力分布不均),也不考慮焊接殘余應力,并認為工作應力沿焊縫是均勻分布的。從圖5-9a可以看出,當不同厚度的兩板對接,厚度差(δ一δ1)超過規(guī)定值時(按GB 985標準,允許厚度差1~4mm),需在厚板上削出斜面,斜面長L>3(δ一δ1),也可兩面削出斜面。

②搭接接頭強度的計算:圖5-10為典型的搭接接頭及受力情況,這里還列出了塞焊和電鉚焊搭接接頭(見圖5-10g、h),除此以外,搭接接頭都是角焊縫組成的,和對接接頭強度計算主要是驗算對接焊縫的強度一樣,搭接接頭強度計算則主要是計算角焊縫的強度。在搭接角焊縫的計算中進行了下述假定:

第一,對于此種角焊縫的形狀(見圖5 -3)都將內(nèi)接等腰直角三角形的高即K0,作為計算厚度,不計及焊縫的凸凹度,也不考慮熔深的差別,這樣

K0≈0. 7K, K為焊腳尺寸。當熔深較大,如埋弧焊時,可考慮K0≈0. 8K,甚至等于K。

第二,角焊縫一律按計算截面,即計算厚度(習慣稱喉厚)截面處受切應力破壞來計算,即使接頭承受彎矩,抵抗彎矩產(chǎn)生的應力亦假定為切應力,見表5-8中,式(5-12 )、式(5-15 )、式(5-17 )等等。

第三,不考慮正、側(cè)面角焊縫上應力的差別和焊縫上應力分布的不均,這給計算帶來了方便。由于側(cè)面搭接焊縫隨焊縫長度的增加,應力不均勻程度增大,上述計算規(guī)定限制了計算焊縫的長度。

第四,限制角焊縫的最小焊腳尺寸,一般不應小于4mm,當板厚小于4mm,則焊腳尺寸可與板厚相同。圖5 -10各種搭接接頭強度的計算見表5-8的相關(guān)部分。

③T形接頭強度的計算:如圖5-7所示,T形接頭和十字接頭可以由角焊縫構(gòu)成(見圖5 -7a),這種接頭會產(chǎn)生應力集中,也可以由對接焊縫,如K形坡口(見圖5-7b)焊縫構(gòu)成,后者應力集中要小得多。表5-8所列包括了兩種焊縫的強度計算。可以看出,角焊縫的強度計算與搭接角焊縫的強度計算是一樣的,而后者又和對接焊縫強度的計算相同。應該指出,T形接頭承受壓力(見圖5 -11a)時,由于立板可與蓋板抵緊,承受壓力能力大為提高,可用式(5 -20 )進行強度計算。很多情況下,集中力既不平行、又不垂直于焊縫,可以將作用力分解成兩部分,分別進行強度計算,如圖5 -11 d及表5-8中式(5 -26 )。

2)極限狀態(tài)設計法焊縫連接的計算。根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》,采用焊接連接時,對于對接接頭、T形接頭、角接頭和搭接接頭上的焊縫,采用了對接焊縫、直角角焊縫(圖5 -3 )、斜角角焊縫(圖5 -13)和對接與角接的組合焊縫(圖5-12)等形式。焊縫則應根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、載荷特性、焊縫形式、工作環(huán)境以及應力狀態(tài)等情況選用是否熔透和不同質(zhì)量等級,如承受疲勞構(gòu)件的對接焊縫均應焊透且焊縫質(zhì)量為I 、II級;雖不計疲勞,但要求與母材等強的,也要求焊透,并應不低于II級的焊縫質(zhì)量;重級工作制的吊車梁、起重量>50t的中級工作制的吊車梁,腹板與蓋板間的角焊縫,要求開坡口焊透等。