38第二章焊接接頭及其靜載強度在焊件需連接部位，用焊接方法制造而成的接頭稱為焊接接頭，一般簡稱接頭。接頭是焊接結構的重要組成部分。通過對大量焊接結構失效事故的分析表明，接頭部位往往是結構破壞的起點。造成這種情況的原因是多方面的，歸納起來主要有兩點：焊接接頭本身的力學性能不均勻；接頭部位所受工作應力分布不均勻。因此，研究焊接接頭的性能特征和應力分布規律，對提高焊接結構的使用可靠性具有十分重要的意義。第一節焊接接頭的類型一、焊接接頭的組成現代焊接技術發展迅速，新的焊接方法不斷出現，接頭類型更是繁多，但應用最廣的焊接方法是熔焊。本章將以熔焊接頭為重點進行分析。焊接接頭是由焊縫金屬、熔合區、熱影響區和母材組成，如圖2-1所示。圖2-1熔焊焊接接頭的組成a)對接接頭斷面圖b)搭接接頭斷面圖1焊縫金屬2熔合區3熱影響區4母材焊縫金屬是由焊接填充金屬及部分母材金屬熔化結晶后形成的，其組織和化學成分不同于母材金屬。熱影響區受焊接熱循環的影響，組織和性能都發生變化，特別是熔合區的組織和性能變化更為明顯。因此，焊接接頭是一個成分、組織和性能都不均勻的連接體。此外，焊接接頭因焊縫的形狀和布置的不同，將會產生不同程度的應力集中。所以，不均勻性和應力集中是焊接接頭的兩個基本屬性。影響焊接接頭性能的主要因素見圖2-2。這些因素可歸納為力學的和材質的兩個方面。圖2-2影響焊接接頭性能的主要因素力學方面影響焊接接頭性能的因素有接頭形狀不連續性、焊接缺陷（如未焊透和焊接裂紋）、殘余應力和殘余變形等。接頭形狀的不連續性，如焊縫的余高和施焊過程中可能造成的接頭錯位等，都是應力集中的根源。材質方面影響焊接接頭性能的因素主要有焊接熱循環所引起的組織變化、焊接材料引起的焊縫39化學成分的變化、焊后熱處理所引起的組織變化以及矯正變形引起的加工硬化等。焊接接頭是組成焊接結構的關鍵元件，它的性能與焊接結構的性能和安全有著直接的關系。因此，不斷提高焊接接頭的質量，是保證焊接結構安全可靠工作的重要方面。二、焊縫及焊接接頭的基本形式焊縫及接頭的形式較多，應根據焊件的厚度、工作條件、受力情況等因素進行選擇。1焊縫的基本形式焊縫是構成焊接接頭的主體部分，對接焊縫和角焊縫是焊縫的基本形式。（1）對接焊縫對接焊縫的焊接接頭可采用卷邊、平對接或加工成V形、U形、X形、K形等坡口，如圖2-3所示。各種坡口尺寸可根據國家標準（GB985-98和GB986-98）或根據具體情況確定。圖2-3對接焊縫的典型坡口形式a)=13mmb)=38mmc)=326mmd)=2060mme)=1260mmf)12mm對接焊縫開坡口的根本目的，是為了確保接頭的質量，同時也從經濟效益考慮。坡口形式的選擇取決于板材厚度、焊接方法和工藝過程。通常必須考慮以下幾個方面：1）可焊到性或便于施焊。這是選擇坡口形式的重要依據之一，也是保證焊接質量的前提。一般而言，要根據構件能否翻轉，翻轉難易，或內外兩側的焊接條件而定。對不能翻轉和內徑較小的容器、轉子及軸類的對接焊縫，為了避免大量的仰焊或不便從內側施焊，宜采用V形或U形坡口。2）降低焊接材料的消耗量。對于同樣厚度的焊接接頭，采用X形坡口比V形坡口能節省較多的焊接材料、電能和工時，構件越厚，節省得越多，成本越低。3）坡口易加工。V形和X形坡口可用氧氣切割或等離子弧切割，亦可用機械切削加工。對于U形或雙U形坡口，一般需用刨邊機加工。在圓筒體上應盡量少開U形坡口，因其加工困難。4）減少或控制焊接變形。采用不適當的坡口形狀容易產生較大的變形。如平板對接的V形坡口，其角變形就大于X形坡口。因此，如果坡口形式合理，工藝正確，可以有效地減少或控制焊接變形。上面只是列舉了選擇坡口的一般規則，具體選擇時，則需要根據具體情況綜合考慮。例如，從節約焊接材料出發，U形坡口較V形坡口好，但加工費用高；雙面坡口明顯地優于單面坡口，同時焊接變形小。雙面坡口焊接時需要翻轉焊件，增加了輔助工時，所以在板厚小于25mm時，一般采用V形坡口。受力大而要求焊接變形小的部位應采用U形坡口。利用焊條電弧焊焊接6mm以下鋼板時，選用I形坡口就可得到優質焊縫；用埋弧自動焊焊接14mm以下的鋼板，采用I形坡口也能焊透。坡口角的大小與板厚和焊接方法有關，其作用是使電弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，40焊縫金屬量越多，焊接變形也會增大，一般在60左右。兩連接件之間的距離稱為間隙，采用間隙是為了保證根部能焊透。一般情況下，坡口角度小，需要同時增加間隙；而間隙較大時，又容易燒穿，為此，需要采用鈍邊防止燒穿。間隙過大時，還需要加墊板。（2）角焊縫角焊縫按其截面形狀可分為平角焊縫、凹角焊縫、凸角焊縫和不等腰角焊縫四種，如圖2-4所示。角焊縫的大小用焊腳尺寸K表示，應用最多的是截面為直角等腰的角焊縫。各種截面形狀角焊縫的承載能力與載荷性質有關。靜載時，如母材金屬塑性良好，角焊縫的截面形狀對承載能力沒有顯著影響；動載時，凹角焊縫比平角焊縫的承載能力高，凸角焊縫的最低。不等腰角焊縫，長邊平行于載荷方向時，承受動載效果較好。圖2-4角焊縫截面形狀及其計算斷面a)平角焊縫b)凹角焊縫c)凸角焊縫d)不等腰角焊縫為了提高焊接效率、節約焊接材料、減小焊接變形，當板厚大于13mm時，可以采用開坡口的角焊縫。在等強度條件下，坡口角焊縫的焊接材料消耗量僅為普通角焊縫的60%。2接頭的基本形式焊接接頭的基本形式有四種：對接接頭、搭接接頭、T形接頭和角接接頭，見圖2-5。選用接頭形式時，應該熟悉各種接頭的優缺點。圖2-5焊接接頭的基本形式a)對接接頭b)搭接接頭c)T形接頭d)角接接頭（1）對接接頭在同一平面內，兩板件相對端面焊接而形成的接頭叫對接接頭。對接接頭從強度角度看是比較理想的接頭形式，也是廣泛應用的接頭形式之一。在焊接結構上和焊接生產中，常見的對接接頭的焊縫方向與載荷方向相垂直，也有少數與載荷方向成斜角的斜焊縫對接接頭，見圖2-6，這種接頭的焊縫承受較低的正應力。過去由于焊接水平低，為了安全可靠，往往采用這種斜縫對接。但是，隨著焊接技術的發展，焊縫金屬具有優良的性能，并不低于母材金屬的性能，而斜縫對接因浪費材料和工時，所以一般不再采用。圖2-6斜縫對接接頭（2）搭接接頭兩板件部分重疊起來進行焊接所形成的接頭稱為搭接接頭。41搭接接頭的應力分布極不均勻，疲勞強度較低，不是理想的接頭形式。但是，搭接接頭的焊前準備和裝配工作比對接接頭簡單得多，其橫向收縮量也比對接接頭小，所以在受力較小的焊接結構中仍能得到廣泛的應用。搭接接頭中，最常見的是角焊縫組成的搭接接頭，一般用于12mm以下的鋼板焊接。除此之外，還有開槽焊、塞焊、鋸齒狀搭接等多種形式。開槽焊搭接接頭的結構形式見圖2-7。先將被連接件沖壓切成槽，然后用焊縫金屬填滿該槽，槽焊焊縫斷面為矩形，其寬度為被連接件厚度的2倍，開槽長度應比搭接長度稍短一些。當被連接件的厚度不大時，可采用大功率的埋弧焊或CO2氣體保護焊，不開槽也有可能熔透，使兩個焊件連接起來。圖2-7開槽焊搭接接頭塞焊是在被連接的鋼板上鉆孔，用來代替槽焊的開槽，用焊縫金屬將孔填滿使兩板連接起來，有時也叫電鉚焊，見圖2-8。當被連接板厚小于5mm時，可以采用大功率的埋弧焊或CO2氣體保護焊直接將鋼板熔透而不必鉆孔。這種接頭施焊簡單，特別對于一薄一厚的兩焊件連接最為方便，生產效率較高。圖2-8塞焊接頭圖2-9鋸齒縫搭接接頭鋸齒縫搭接接頭形式見圖2-9，這是單面搭接接頭的一種形式。直縫單面搭接接頭的強度和剛度比雙面搭接接頭低得多，所以只能用在受力很小的次要部位。對背面不能施焊的接頭，可用鋸齒形焊縫搭接，這樣能提高焊接接頭的強度和剛度。若在背面施焊困難，用這種接頭形式比較合理。（3）T形（