第一節　焊接連接

焊接是20世紀初發展起來的新技術。焊接具有省工省料、不削弱桿件截面，易于采用自動化作業，并可用于復雜形狀構件的連接等優點，焊接的缺點是質量檢驗費事、連接的剛度大，在內應力影響下容易引起結構的殘余變形。焊接構件的厚度：對于碳素鋼一般不超過40mm；對于低合金鋼一般不超過30mm。

現代起重機金屬結構所采用的焊接主要是電焊和氣焊兩類。氣焊主要用于焊薄鋼板。電焊分為電弧焊、電阻焊（焊薄鋼板）和電渣焊（焊厚度和截面較大的構件），其中以電弧焊應用最廣。電弧焊又分為手工焊、自動焊和半自動焊。采用電弧焊的焊接連接又稱為焊縫連接。

一、焊接接頭形式及焊縫形式

連接兩塊板件的焊接接頭形式主要有三種，即對接、搭接和頂接（T字形接頭和角接頭統稱頂接），見表4-1。傳遞軸力的構件通常用對接接頭或搭接接頭；主要承受彎曲的組合箱形截面構件通常用頂接。

焊縫形式按構造可分為對接焊縫和角焊縫兩類（表4-1）。對接焊縫在對接、頂接中都有應用，其特點是板邊要刨削加工成各種形狀的坡口。角焊縫不需開坡口且不要求刨削板件，氣割或剪切后即可施焊，故加工較簡單；用于搭接接頭時，則不要求尺寸很精確而便于安裝。

對接焊縫的靜力和動力性能較好，而且省料，但加工要求較高。角焊縫構造簡單、施工方便，但靜力及動力性能較差。

二、焊縫連接的構造要求

在設計接頭時應避免焊縫立體交叉和在一處焊縫大量集中，同時焊縫應盡可能對稱于構件的重心布置，盡量采用較小的焊縫尺寸。

在施工圖上要用焊縫代號標記焊縫的種類和尺寸。焊縫代號主要包括指引線、圖形符號和輔助符號三部分。有關焊縫代號問題可參看GB/T 324-2008《焊縫符號表示法》、GB/T 12212-2012《技術制圖焊縫符號的尺寸、比例及簡化表示法》。

1.對接焊縫

對接焊縫焊接在同一平面內兩塊鋼板對齊的邊緣。施焊時兩板邊緣之間應保持等寬的間隙，且板邊應加工成一定形狀的坡口。對接焊縫的坡口形式應根據板厚和施工條件按現行GB/T 985.1-008《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口》和GB/T 985.2-2008《埋弧焊的推薦坡口》的要求選用。常用坡口形式見表4-2所示四種。

采用手工焊時，若板厚δ<8mm，可制成不開坡口的直邊焊而間隙b=0.3δ；若δ=8～25mm，則用V形坡口其夾角α=60°；若δ>25mm，可用雙面開坡口的X形焊縫或用單面開坡口斜度較陡的U形焊縫。用埋弧自動焊時，由于加熱強烈而熔深大，板邊加工要求與手工焊略有不同。若板厚d≤16mm，且從兩面施焊時一般可不開坡口。板厚較大時則需開坡口，但坡口的斜度比手工焊時略大。

對接焊縫的厚度一般不小于所連接板件中較薄的板厚，這樣可保證對接焊縫的強度不低于基材。對接焊縫一般應采用雙面施焊，即從一面施焊后，翻過來再焊另一面。雙面施焊的焊縫截面積較單面焊時小得多，焊后的凸凹變形也易控制。不得已時也可單面施焊，但需保證焊縫根部完全焊透。不同寬度或厚度（相差4mm以上）的構件對接時，為使傳力平順，減少應力集中，應將較寬或較厚板從一側或二側加工成不大于1∶4的過渡斜度（圖4-1）。

用于低溫或承受動力載荷結構的對接焊縫，施焊時應在對接焊縫兩端設置引弧板（引弧板的厚度和坡口形式應與基材相同），待焊完后再將引弧板割除，如圖4-2所示。

2.角焊縫

角焊縫連接不在同一平面內的兩塊鋼板，并在相交處施焊（圖4-3）。當角焊縫夾角為90°時稱為直角角焊縫，即一般所指的角焊縫。夾角α>120°或α<60°的斜角角焊縫不宜用作受力焊縫，鋼管結構除外。

角焊縫的截面形式有凸形和凹形兩種（圖4-4）。用手工焊時，由于熔深小，角焊縫的表面常做成凸形或接近直線形；用埋弧自動焊時因熔深較大，角焊縫的表面可以做成凹形或接近直線形。凹形焊縫傳力時應力集中小。

受動載荷的主要承載結構，角焊縫的表面應呈微凹弧形或直線形，焊縫直角邊的比例：對側焊縫為1∶1，對端焊縫為1∶1.5（長邊順作用力方向）。

角焊縫中的實際應力情況非常復雜，計算時通常把角焊縫的截面視為等腰直角三角形（圖4-4），其直角邊的長度稱為角焊縫的焊腳尺寸，用hf表示。直角三角形斜邊上的高稱為角焊縫的計算厚度或有效厚度，用he表示，he=hfsin45°=0.7hf，這是手工焊角焊縫的計算厚度。自動焊時由于熔深較大，對直線形焊縫通常取he=hf，而凹形焊縫取he=0.7hf。若角焊縫兩直角邊不等，則焊腳尺寸按短邊計算，這樣偏于安全。角焊縫的計算面積定義為計算厚度he與角焊縫計算長度lf之積。若內力沿側向角焊縫全長分布時，焊縫的計算長度取為其實際長度減去2hf（如果焊縫為自身閉合或特別注意了在焊縫長度的端部避免出現凹弧時，則不必減去此尺寸）。

角焊縫的尺寸應符合下列要求。

（1）角焊縫的最小焊腳尺寸參見表4-3的規定。

對于碳素鋼最小焊腳尺寸也可按式（4-1）確定：

式中　tmax——連接件中較厚焊件的厚度（mm）。

對于合金鋼按式（4-1）計算時，其計算值再加2mm。

（2）當焊件厚度t≤4mm時，取hf=t。

（3）最大焊腳尺寸hf≤1.2tmin（tmin為連接件中較薄板的厚度）；但板件邊緣的最大焊腳尺寸應符合下列規定：

當t≤6mm時　　hf≤t

當t>6mm時　　hf≤t-（1～2）mm

（4）角焊縫（側焊縫或端焊縫）的最小計算長度lf≥40mm及8hf。

（5）側焊縫最大計算長度lf≤60hf（承受靜載荷時）或40hf（承受動載荷時）。若焊縫長度超過上述規定，則超過部分在計算中不予考慮。若內力沿焊縫全長分布（如梁的翼緣焊縫），則計算長度不受此限。

三、焊縫計算

焊縫的受力狀況比較復雜，因此精確計算由載荷引起的焊縫應力是很困難的，而且也沒有必要。焊縫的破壞往往和焊縫中有氣孔、裂紋等缺陷而引起的應力集中以及焊接殘余應力有關，這就給精確計算焊縫帶來許多困難。多年來工程實踐表明，現實可行的辦法是人為引入一個計算截面（或稱有效截面）的概念，并假定應力在計算截面上均勻分布建立基本計算公式，再根據實驗數據，規定按此基本公式計算時的許用應力值。

1.對接焊縫

對接焊縫的計算截面積等于焊縫計算厚度與焊縫計算長度的乘積。一般取對接焊縫的計算厚度等于被連接件的板厚；當被連接的兩板厚度不等時，則取較薄的板厚t。未采用引弧板施焊時，焊縫的計算長度取實際長度減去2t，這是因為焊縫的起點和終點附近有未焊透處或未填平的火口等，因此將起點和終點處各減去t。為增大焊縫的計算長度，宜用小引弧板將焊縫的起點和終點引出鋼板之外（圖4-2），待焊完后再將小引弧板切除。這樣焊縫的計算長度等于焊縫實際長度，對接焊縫的計算截面近似等于被連接板件的截面，所以對接焊縫的計算方法與構件基材的強度計算相同。

（1）承受軸心拉力或壓力的對接焊縫計算（圖4-5）

焊縫截面應力按下式驗算：

對接斜焊縫

式中　N——軸心拉力或壓力；

lf——焊縫計算長度，采用引弧板時，取焊縫實長，否則取焊縫實長減2δ；

δ——焊縫計算厚度，取連接件中較薄板的厚度，對T形接頭取為腹板厚度；

α——斜焊縫與構件軸線的夾角；

[σh]、[τh]——對接焊縫的許用正應力、剪應力，由表4-4查取。

目前由于焊接技術的不斷發展和完善，采用自動焊時一般能保證焊透，使對接正焊縫與基材等強度。若用半自動焊或手工焊時，為保證焊透，要求焊完正面焊縫之后，再用氣焰或其他方法在反面清除焊根，直到看到正面的焊肉為止，然后再進行反面施焊。對接斜焊縫費料，在焊接工藝能保證對接正焊縫與基材等強度的情況下，一般不采用對接斜焊縫。

在焊接工藝不夠完善的情況下，無法保證對接正焊縫與基材等強度，建議采用α=45°的對接斜焊縫，此時不必進行焊縫強度驗算。

（2）承受彎矩和剪力共同作用時的對接焊縫計算

如圖4-6所示，以工字鋼對接為例，對接焊縫的截面亦為工字形，在彎矩M和剪力Q作用下，對接焊縫的強度按下列公式計算：

最大正應力（圖4-6中計算點1）

式中　Wf——焊縫截面的抗彎模量。

最大剪應力（圖4-6中計算點0）

式中　If——焊縫截面對中性軸的慣性矩；

Sf——焊縫截面中性軸以上部分對中性軸的靜面矩。

對于焊縫中正應力和剪應力都比較大的地方（圖4-6中計算點2），根據GB/T 3811-2008《起重機設計規范》對接焊縫復合應力按下式計算：

式中　σ2、τ2——計算點2的正應力和剪應力。

2.角焊縫

角焊縫分為側焊縫和端焊縫兩種。側焊縫平行于所傳遞的力，而端焊縫垂直于所傳遞的力。側焊縫也稱為縱向焊縫，端焊縫則稱為橫向焊縫。兩種焊縫聯合使用而形成圍焊縫。側焊縫的破壞主要是受剪破壞（圖4-7），因此按剪切驗算其強度。端焊縫受拉、彎、剪作用，應力狀況比較復雜。為簡化計算，端焊縫也按剪切驗算強度，這樣偏于安全，同時使端焊縫采用與側焊縫相同的公式驗算強度。

（1）承受軸心拉力（或壓力）的角焊縫計算

如圖4-8所示，兩塊板件對齊而不對焊，兩面加一對拼接板，再用角焊縫將拼接板和板件焊接。通常，角焊縫計算時，一律取角焊縫45°分角面（即計算厚度所在截面）為計算截面（有效截面），并假定剪應力在角焊縫的計算截面上是均勻分布的。

角焊縫的計算截面積為he∑lf，其中he是角焊縫的計算厚度，手工焊時he=0.7hf，自動焊時he=hf；lf是角焊縫的計算長度，若內力沿側向角焊縫全長分布時，焊縫的計算長度取為實際長度減去2hf（如果焊縫為自身閉合或特別注意了在焊縫長度的端部避免出現凹弧時，則不必減去此尺寸），∑lf是接頭中在焊縫一側的各段角焊縫計算長度之和。

角焊縫按下式驗算強度：

實驗說明：沿側焊縫長度方向剪應力的分布是兩端大中間小（圖4-9），焊縫愈長則兩端剪應力與中間差別愈大。故規范規定，側焊縫的最大計算長度不應超過60hf（受靜載時）或40hf（受動載時）。

圖4-10所示是鋼板搭接接頭，兩塊鋼板上下搭接用角焊縫焊接。搭接接頭施工簡便，不要求加工板邊，也無需準確對位。但搭接接頭受力情況不如對接接頭，故只在軸力不大時采用。搭接接頭中兩板的重疊長度應不小于較薄板件厚度的5倍，以免兩板上下偏心引起的附加彎矩太大，削弱焊縫的實際承載能力。搭接接頭用端焊縫傳力時，接頭兩端必須都有端焊縫，如圖4-10（a）所示；如圖4-10（b）所示那樣只在接頭一端有端焊縫是不允許的，因為接頭受力之后兩板容易張開而扯壞焊縫。在搭接接頭中，公式（4-7）的∑lf按接頭中全部角焊縫的計算長度計算。

（2）承受扭矩和剪力共同作用時的角焊縫計算

圖4-11是一種用角焊縫圍焊成的托架結構，用來承受偏心載荷。偏心載荷2P由前后兩塊鋼板共同承受，若取其中一塊板連同其上的角焊縫進行分析時，應按承受載荷P計算。偏心載荷P可以轉化為通過焊縫形心的軸力P和扭矩Mn=P·a。通過焊縫形心的軸力P在焊縫計算截面上引起均布的剪應力τP，其方向平行于軸力P而大小為

關于扭矩Mn引起的焊縫應力，一般采用比較保守的彈性計算法，它以下列假定為前提：

①所連板件是絕對剛性的，而焊縫是彈性的。

②在扭矩作用下，連接件產生繞焊縫形心的相對轉動，焊縫上任一點的剪應力方向垂直于該點與形心的連線，其大小與此連線的長度r成正比。

如圖4-11所示，根據假定，角焊縫上任一點K的剪應力為

τ=Cr

式中　C——比例常數；

r——焊縫上任一點至形心的距離，。

焊縫上K點所在微段dl（其面積為dA=he·dl）傳遞的剪力為

dN=τdA=CrdA

剪力dN繞O點的力矩為

dMn=rdN=Cr2dA

焊縫截面上各微段所傳遞剪力繞O點的總力矩與外扭矩Mn相平衡，故

由此求得比例常數為

式中　　Ip——焊縫計算截面對其形心O點的極慣性矩，按下式計算：

其中　　Ix——焊縫計算截面對x軸的慣性矩，

Iy——焊縫計算截面對y軸的慣性矩。

因此焊縫上任一點K處的剪應力為

通常為計算方便起見，不直接求τ，而是求剪應力τ沿坐標軸方向的分量τx及τy，即

通過焊縫形心O點的軸力P引起的剪應力τP應和τy疊加，故K點處的總剪應力為

焊縫強度驗算應選擇距形心O點最遠的端點，其剪應力最大。

（3）承受彎矩和剪力共同作用時的角焊縫計算

圖4-12所示T形截面支托與柱采用角焊縫連接，計算時通常假定剪力Q由腹板焊縫（豎直焊縫）平均承受，彎矩M則由全部焊縫承受，彎矩在焊縫計算截面產生的剪應力τM與其至焊縫計算截面形心軸的距離y成正比。剪力Q及彎矩M引起的焊縫計算截面的剪應力分別按下式計算：

式中　 ——腹板連接焊縫（豎直焊縫）的計算面積；

If——焊縫計算截面的慣性矩；

y——焊縫截面上計算點至形心軸的距離。

τQ與τM在焊縫計算截面上互相垂直，應計算二者在腹板焊縫上的向量和。腹板焊縫下邊緣點的最大組合剪應力為

（4）角鋼的角焊縫計算

圖4-13是角鋼與節點板的搭接接頭。用角焊縫連接角鋼和節點板時，應注意使角鋼肢尖焊縫所受之力N2與肢背所受之力N1的合力位置在角鋼的重心線上，即使N2∶N1=e1∶e2。由于肢尖和肢背焊縫的焊腳尺寸和計算厚度一般相同，為使肢尖和肢背焊縫所受剪應力τ相等，肢尖的焊縫長度l2與肢背焊縫長度l1之比應滿足l2∶l1=N2∶N1=e1∶e2，通常取：

等肢角鋼　　l2∶l1=0.3∶0.7

不等肢角鋼并以短肢焊連節點板l2∶l1=0.25∶0.75

不等肢角鋼并以長肢焊連節點板l2∶l1=0.35∶0.65

由式（4-7），一根角鋼所需焊縫總長度為

有時將角鋼焊連節點板的肢斜切，而采用三邊圍焊。這時仍按上述比例計算l1及l2值，若斜邊長度為C，則將布置在肢背，而將布置的肢尖。

【例題4-1】　如圖4-14所示，用角焊縫和拼接板連接兩塊鋼板，拼接板的尺寸為900×550×10，材料為Q235，[σh]=175MPa， ，角焊縫焊腳尺寸hf=8mm，試確定該拼接接頭所能承受的最大拉力。

【解】　（1）連接焊縫所能承受的最大拉力

N1=0.7hf·4lf[τh]=0.7×8×4×450×124=1250（kN）

（2）拼接板所能承受的最大拉力

N2=2×10×550×175=1925（kN）

由此可見，該拼接接頭的承載能力是由焊縫的承載能力決定的，所以該拼接接頭所能承受的最大拉力為1250kN。

【例題4-2】　如圖4-13所示角鋼與節點板的搭接接頭，角鋼2×125×80×10承受的拉力為N=470kN，不等肢角鋼以長肢與節點板焊接，鋼材為Q235，角焊縫焊腳尺寸hf=8mm，試確定焊縫長度并加以分配。

【解】　一根角鋼承受的拉力為N/2，其所需焊縫長度按下式計算：

焊縫實際長度應取焊縫計算長度加上2hf，則

角鋼肢背焊縫長度　　l1=338.4×0.65+2×8≈236（mm）

角鋼肢尖焊縫長度　　l2=338.4×0.35+2×8≈134（mm）

【例題4-3】　角焊縫布置及幾何尺寸如圖4-15所示，偏心載荷P=100kN，焊縫計算厚度he=7mm，試驗算焊縫強度。基材用Q345鋼，[τh]=182MPa。

【解】　首先求焊縫形心位置：

再計算Ix、Iy及Ip值：

Ip=Ix+Iy=2.57×107+8.66×106=3.436×107（mm4）

距O點最遠的點是焊縫的端點A，則

xA=105mm及yA=100mm

扭矩　　Mn=100000×（350-45）=3.05×107（N·mm）

扭矩引起的剪應力分量：

過焊縫形心的軸力引起的剪應力：

A點最大總剪應力：

所以焊縫強度滿足要求。

四、焊縫連接的疲勞強度

起重機金屬結構經常受變載荷作用時會發生疲勞現象。焊縫連接的疲勞強度主要取決于結構工作級別（應力譜和應力循環次數）、材料種類、接頭連接形式（應力集中情況）、連接處的最大應力及應力循環特性等。通常工作級別E4級（含）以上的結構件應驗算疲勞強度。

焊縫連接的疲勞強度計算及其許用應力詳見第三章。

由于焊縫中有氣孔、裂紋和夾渣等缺陷引起應力集中現象以及焊接殘余應力對疲勞強度的不利影響，焊縫連接的疲勞強度一般比基材低。

分析低合金鋼焊接疲勞強度試驗資料，有如下現象或結論：

（1）通常焊縫的疲勞強度都低于基材，因此對工作級別E4級（含）以上的焊接件需驗算疲勞。自動焊的對接焊縫，經機械加工磨平焊縫的凸起部分，而熔合線附近沒有凹坑或磨痕，用X光透視未發現不容許缺陷的接頭，但試驗測得的疲勞強度仍略低于基材。

（2）未經機械加工的自動焊對接焊縫，其疲勞強度比機械加工磨光的對接焊縫低得多。未經探傷的自動焊對接焊縫由于可能含有制造規范所不容許的缺陷，必須采用較低的疲勞強度。因此對于對接接頭表面應進行機械加工，對于焊縫質量應進行嚴格檢查。

（3）自動焊的焊縫疲勞強度較高，半自動焊次之，手工焊最低。因此應盡量采用自動焊和半自動焊。手工焊宜用于次要構件和受力較小的連接。

（4）角焊縫的疲勞強度比對接焊縫低得多。用角焊縫傳遞軸力的接頭，以用端焊縫和側焊縫圍焊較好，這樣應力分布均勻，應力集中程度低，故疲勞強度可提高。若只用側焊縫連接，則在側焊縫端部首先發生疲勞破壞，從而降低疲勞強度。