一、焊接接头
(1)焊接接头的基本类型
用主要的焊接方法如熔焊、压焊和钎焊都可制成焊接结构,用这些焊接方法连接金属结构形成不可拆的连接接头—焊接接头,分别形成熔焊接头、压焊接头和钎焊接头,从而构成焊接结构。但应用最广泛的是熔焊,这里重点介绍熔焊接头。
1)熔焊接头:熔焊接头由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材所组成。而焊缝金属是填充材料和部分母材熔化后凝固而成的铸造组织。熔焊接头各部分的组织是不均匀的,性能上也存在差异。
这是由于以上四个区域化学成分和金相组织不同,并且接头处往往改变了构件原来的截面和形状,出现不连续,甚至有缺陷,形成不同程度的应力集中,还有焊接残余应力和变形,大的刚度等都对接头的性能有影响,结果使接头不仅力学性能不均匀,而且物理化学性能也存在差异。
为保证焊接结构可靠地工作,希望焊接接头具有与母材相同的力学性能,有些情况下还希望获得相同的物理和化学性能,如导电、导磁、抗腐蚀性能和相同的光泽和颜色等。
就焊缝金属而言,往往形成柱状晶铸造组织,一般较母材的强度高且硬,而韧性下降。对于高强度钢,采用适当的工艺措施,如预热、缓冷或采用合适的热输人也可获得要求性能的焊缝金属。一般来说,焊缝金属强度相对母材强度可能要高或低,前者称为高匹配,后者称为低匹配。
宽度不大的热影响区,由于焊接温度场梯度大,各点的热循环大不相同,造成了组织和性能的不同。这种差别和被焊金属的组织成分、焊接热输人有关。
特别要指出的是经过焊接热循环后发生的“动应变时效”(热应变时效)会使接头性能恶化。将钢材、铝材等经预应变后,会产生变脆的“时效”现象,这种预应变及时效都是在低温(室温)下发生的,通常称为“静应变时效”。
而焊接热影响区经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“动应变时效”大大降低了接头的性能,要注意防止。
熔焊的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝,以这两种焊缝为主体构成的焊接接头有对接接头、角接接头、T形(十字)接头、搭接接头和塞焊接头等。
根据GB/T 985-1988《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》和GB/T 986-1988《埋弧焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》常用的焊缝坡口基本形式与所构成的上述接头形式如图5 -1所示。
图5 -1中给出了对接接头(见图5-1 a~n)、角接接头(见图5 -1o~u) 、T形和十字接头(见图5 -1 v~Y及z、a')及搭接接头(见图5 -1 b' 、c')的坡口形式、尺寸、熔化形成的焊缝金属(图中用细实线表示)。
由符号字母代表的有关尺寸见表5-6。表5-6是参照GB/T 985-1988 , GB/T 986-1988标准规定列出的。选择哪一种坡口形式除按照上述两标准外,也可按行业和企业标准由焊件厚度确定,并且有一个合适的区间。
例如厚度为30mm的板对接,既可以选择图5 -1 i所示的双Y形坡口(由表5-6可查得:用焊条电弧焊时,该坡口适于12~ 60mm厚的板;用埋弧焊时,适于24~60mm厚的板),也可以选择图5 -1 m所示带钝边的双U形坡口。无论选择哪一种坡口形式,都首先要保证接头质量,同时还要考虑经济性。
电渣焊接头是熔焊接头中重要的一种接头。当焊件厚度大于30mm时即可以考虑采用电渣焊接头,特别是大断面的焊缝,例如焊件厚度大于60 mm,则电渣焊比电弧焊接头效率要高。
常用电渣焊接头的基本形式如图5 -2所示,各种形式电渣焊接头尺寸见表5 -7。当工件采用电渣焊时要使工件位置做到焊缝由下至上,即适于垂直位置焊接的焊缝。
电渣焊焊缝由焊接材料和母材边缘被高温的渣池熔化堆积而成,因而焊缝的内外侧应该有挡块,电渣焊适于大和特大焊接截面的焊件,如厚壁压力容器、大直径的轴、大厚度的管道、大机器件的拼焊等。
电渣焊的焊件焊后通常要经正火——回火或高温退火热处理,以消除大焊接热输人造成的宽热影响区、粗晶粒、高残余应力的不良影响。
电子束焊接接头是熔焊接头中一种特殊的接头。它是利用聚焦的高速电子流轰击焊件,使电子动能转化为热能而熔化焊接接头的焊缝区而进行的熔焊。
其特点是可焊接各种特殊的金属,大厚度,焊缝的深宽比大(可达25 :1)。按其特点应用于核反应堆元件,航空、航天设备中的某些特殊金属、超高强度钢及耐热合金零件的焊接。
由于电子束直径细、焊接能量集中,焊接时不加填充金属,形成了电子束焊接头的一些特点。这种接头也有对接、角接、T形接和搭接形式,还有一种类似于电渣焊的叠接的端接形式,只是焊件是贴紧的。
2)压焊接头:除了上述熔焊接头外,电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆炸焊统称为压焊,其中电阻焊和摩擦焊由于其具有高效率的特点,在许多部门得到了广泛的应用。
特别是在汽车工业中,电阻焊和摩擦焊应用很普遍,电阻焊中的点焊(包括滚点焊)和缝焊多是采用搭接接头,凸焊是点焊的一种变异,但接头形式有多种多样,需要根据焊件形状尺寸,设计出适用和巧妙的接头来。高频电阻焊一般为对接,也有采用搭接接头的。
电阻对焊显然是采用对接接头,应当指出的是,由于电阻对焊工艺的发展,目前其已经可以焊接100000mm²以上的截面,所以在锅炉压力容器的制造中,特别是钢管道的环缝中,例如石油、天然气的长输管线建设中(包括陆地和海洋),电阻对焊获得了应用。
摩擦焊接头通常也是采用对接接头。其他的阻焊接头形式和应用可参考有关资料。
3)钎焊接头:钎焊接头也有多种类型,但基本类型只有对接接头和搭接接头两种。
(2)熔焊坡口形式的选择
熔焊坡口形式根据其形状,可分三类,即基本型,如图5-1b, 1等即I形、V形和单V形、U形和单U形等;还有就是特殊型,如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、开槽焊等;组合型,顾名思义这是上述各型组合而成,图5 -1中绝大多数都是这种组合型的坡口。坡口形式通常根据工厂条件、工艺要求等考虑以下问题来决定。
1)工厂的加工条件。例如采用双V形、Y形、单边V形、双单边V形、V形、I形等坡口可用气割、等离子弧切割,当然也可用金属切削方法加工。但双U形、带钝边U形、带钝边J形、U形、Y形坡口一般需用刨边机加工(最近也有采用气割加工U形坡口的报道),效率较热切割低。
2)可达性的好坏。采用Y形、带垫板Y形(见图5-1e、f)、带垫板V形、VY形(见图5-1g)、带钝边的U形(见图5-1h)等坡口的接头,施焊时,一般可不需翻转,对内径较小的容器或管道,以及不便翻转的结构,为避免仰焊及不能从内侧施焊,则可采用这种坡口和焊缝形式。
3)减小焊接材料的消耗量,一般熔敷金属量小,焊接材料(焊条、焊丝和焊剂、保护气体)消耗也小,也节省加工时间。同样板厚:Y形比双Y形坡口的熔敷金属量增加最大可达50%,双U形或UY形则更加节省熔敷金属,因此对于大厚度的焊接接头,多采用这种较经济的坡口。
对于不适于电渣焊、电子束焊的特厚件焊缝还采用窄间隙焊。电渣焊的坡口。
4)考虑焊接变形与应力。例如单面焊可能引起角变形和焊缝根部的严重焊接残余应力,此时要考虑材料(母材)特点,采用适当的工艺和坡口形式,以便获得合格的接头。
应该指出,无论是对接焊缝还是角焊缝,其焊缝表面都可以是凹陷的、凸起的或是平齐的,后者有时通过加工来达到。
而角焊缝除了上述三种等边角焊缝外,还有三种不等边角焊缝,图5 -3所示直角焊缝的四种形式,除三种等边平的、凹的和凸的直角焊缝外(见图5-3a~c),还有平的不等边直角焊缝
(4)焊接接头工作应力的分布
图5 -1所示的熔焊接头,如前述主要有对接接头、角接接头、T形接头(十字接头)和搭接接头,塞焊接头实际上也是一种搭接接头。
在焊接接头中工作应力的分布不是均匀的,也就是存在应力集中,而各种接头应力集中的情形亦不相同。其中对接接头应力集中最小,形式最简单,力的传递也较少转折,故是最合理的、典型的焊接接头形式。
即使如此,对接接头如果出现较大的余高和过渡处圆弧半径较小,则应力集中将增大,图5 -5是对接接头中应力分布的情形。图5-6则是应力集中系数Kσ随余高h和过渡圆弧半径r变化而变化的情形。
T形(十字)接头由母材向焊缝过渡急剧,力的传递转折大,力线扭曲,应力分布不均,易出现较大的应力集中,其应力分布如图5 -7所示。
由图5-7a可见,由不开坡口角焊缝构成的T形(十字)接头,即图5 -1a所示T形接头,其最大应力在角焊缝的根部,如Ⅰ - Ⅰ、 Ⅱ - Ⅱ截面的A点和Ⅲ - Ⅲ截面的B点。
如开坡口焊透,则应力分布大为改善,如图5-7b所示。T形(十字)接头也是典型的熔焊接头,应用亦很广,该接头在造船业中占所有接头的70%,所以改善其应力分布十分重要。
对于Ⅰ形坡口的角焊缝构成的T形(十字)接头,随着焊脚尺寸的增大和θ角的减小(图5-7a),应力集中下降,当θ角小于或大于45°,即属图5-3d的不等边角焊缝时,只有长边顺着力线方向(即θ<45°),才会改善应力分布不均的状况。
由角焊缝构成的搭接接头,其应力分布很不均匀,它不是理想的结构接头形式,在动载和低温时尤其应避免采用。
但由于采用搭接接头,装配工作十分简便,焊前准备工作简单,构件收缩量小,故在一些受静载的建筑结构中和用薄板制造的储罐结构中仍被采用。
应该指出:搭接接头又可分为正面搭接和侧面搭接,搭接接头中不仅存在角焊缝横截面上应力分布不均的情形(和T形接头角焊缝类似),而且正面和侧面搭接焊缝中的应力分布也不同,侧面搭接焊缝沿焊缝长度的应力分布不均,如图5-8所示。
该图是仅有侧面搭接焊缝的情况,A1、A2表示搭接板的截面积,曲线为切应力Tx的分布。由图5-8c可见,当焊缝长度增加,应力分布不均加剧,中段几乎不受力,故一些标准规定了承载搭接焊缝(侧面搭接)的长度。
二、焊接接头的设计
(1)焊接接头的设计特点
1)焊接结构应该优先采用接头(焊缝)形式简单、应力集中小、不破坏结构连续性的,即不使或很少使力线密集或出现转折的接头和焊缝形式。
上述熔焊接头中,对接接头是最符合上述条件的,因此应优先考虑采用,其次应考虑采用T形(十字)接头,而搭接接头则应避免采用,但如上述在一些静载的,不是很重要的结构中为了施工方便仍有采用。
2)在有可能的条件下,尽量将焊接接头布置在工作载荷较小处,以及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。如前所述,应力分布沿角焊缝截面是不均匀的,截面越大,应力分布不均匀的程度越大,故大截面的角焊缝承载能力低。
而焊接材料与工时消耗却随焊脚尺寸成平方地增加。在搭接接头中,正面角焊缝的刚度大于侧面角焊缝,实际强度也大,所以具有正侧面角焊缝的联合搭接角焊缝中的应力分布不均,侧面角焊缝沿焊缝长度方向的应力分布亦不均,故对重要的结构、变形能力差的接头,尤其要注意。
4)钢板在厚度方向上(Z向)性能差,因此组成T形(十字)接头,如要在厚度方向上传递外力,应选用Z向钢。
5)焊接接头刚度大,焊缝未达屈服前变形量很小,故对于作为铰接点的接头(如桁架的节点)可能产生高的附加应力,此时应采取诸如减小焊接截面、改变焊缝位置等措施来增加接头的柔性。
6)充分考虑制造厂的条件,提高设计接头的工艺性。如使焊接结构的接头种类少,采用的焊接方法种类少,接头尺寸单一;施工时的可达性好,包括焊接时的可达性和焊接完成后的可检验性(如射线探伤便于布片,超声探伤有合适的探头移动范围等);施焊性好等等。
7)计算接头时不考虑应力分布不均及焊接残余应力,下面还要介绍到这种计算是作了一些假定和简化的。而对于工作条件苛刻,如在低温或动载下或接头刚度大的场合,则要适当考虑这些因素。而对于在腐蚀环境下工作的焊接结构的接头,接头的细节设计也需要特殊考虑。
(2)焊接接头静载强度的计算
1)以许用应力法为基础的计算
①对接接头强度的计算:图5 -9为典型对接接头及其受力情况,可按表5-8的公式进行计算。由计算公式中可以看出,计算不考虑接头中的应力集中(应力分布不均),也不考虑焊接残余应力,并认为工作应力沿焊缝是均匀分布的。
从图5-9a可以看出,当不同厚度的两板对接,厚度差(δ一δ1)超过规定值时(按GB 985标准,允许厚度差1~4mm),需在厚板上削出斜面,斜面长L>3(δ一δ1),也可两面削出斜面。
②搭接接头强度的计算:图5-10为典型的搭接接头及受力情况,这里还列出了塞焊和电铆焊搭接接头(见图5-10g、h),除此以外,搭接接头都是角焊缝组成的,和对接接头强度计算主要是验算对接焊缝的强度一样,搭接接头强度计算则主要是计算角焊缝的强度。在搭接角焊缝的计算中进行了下述假定:
第一,对于此种角焊缝的形状(见图5 -3)都将内接等腰直角三角形的高即K0,作为计算厚度,不计及焊缝的凸凹度,也不考虑熔深的差别,这样
K0≈0. 7K, K为焊脚尺寸。当熔深较大,如埋弧焊时,可考虑K0≈0. 8K,甚至等于K。
第二,角焊缝一律按计算截面,即计算厚度(习惯称喉厚)截面处受切应力破坏来计算,即使接头承受弯矩,抵抗弯矩产生的应力亦假定为切应力,见表5-8中,式(5-12 )、式(5-15 )、式(5-17 )等等。
第三,不考虑正、侧面角焊缝上应力的差别和焊缝上应力分布的不均,这给计算带来了方便。由于侧面搭接焊缝随焊缝长度的增加,应力不均匀程度增大,上述计算规定限制了计算焊缝的长度。
第四,限制角焊缝的最小焊脚尺寸,一般不应小于4mm,当板厚小于4mm,则焊脚尺寸可与板厚相同。图5 -10各种搭接接头强度的计算见表5-8的相关部分。
③T形接头强度的计算:如图5-7所示,T形接头和十字接头可以由角焊缝构成(见图5 -7a),这种接头会产生应力集中,也可以由对接焊缝,如K形坡口(见图5-7b)焊缝构成,后者应力集中要小得多。表5-8所列包括了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的强度计算是一样的,而后者又和对接焊缝强度的计算相同。应该指出,T形接头承受压力(见图5 -11a)时,由于立板可与盖板抵紧,承受压力能力大为提高,可用式(5 -20 )进行强度计算。
2)极限状态设计法焊缝连接的计算。根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》,采用焊接连接时,对于对接接头、T形接头、角接头和搭接接头上的焊缝,采用了对接焊缝、直角角焊缝(图5 -3 )、斜角角焊缝(图5 -13)和对接与角接的组合焊缝(图5-12)等形式。
焊缝则应根据结构的重要性、载荷特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况选用是否熔透和不同质量等级,如承受疲劳构件的对接焊缝均应焊透且焊缝质量为I 、II级;虽不计疲劳,但要求与母材等强的,也要求焊透,并应不低于II级的焊缝质量;重级工作制的吊车梁、起重量>50t的中级工作制的吊车梁,腹板与盖板间的角焊缝,要求开坡口焊透等。
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