染雾2焊接设计2.1 材料选用2.1.1 母材材料选用2.1.1.1 钢结构对材料的要求[5]钢结构所用的钢必须符合下列要求：
1）较高的抗拉强度fu 和屈服点fyfy是衡量结构承载能力的指标，fy高则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价，焊接技术教程_2焊接设计
。fu是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时fu 高可以增加结构的安全保障。2）较高的塑性和韧性塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗交变荷载作用的能力。3）良好的工艺性能良好的工艺性能不但能保证通过冷加工、热加工和焊接加工成各种形式结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不良影响。此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境能力。按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。2.1.1.2钢结构用钢的分类 [5]在钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构钢（或称普通碳素钢）和低合金结构钢。1）碳素结构钢根据国家标准《碳素结构钢》（GB700-88）的规定，将碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五种牌号，钢的牌号有屈服强度字母（Q）、屈服强度值、质量等级符号（A、B、C和D）、脱氧方法符号等四部分顺序组成。常见用钢具体参数见表2-1-1。2）低合金钢根据《低合金高强度结构钢》（GB1591-94）的规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，其中Q345、Q390为钢结构常用钢种，Q420已在九江长江大桥中成功使用。具体参数见表2-1-1。2.1.1.2钢结构用钢选用原则 [5] [6]钢材的选用在钢结构设计中是重要的一环，选择的目的是既要保证结构的安全，又要做到可靠和经济合理。选择钢材时应考虑以下几点。1）结构的重要性对重型工业建筑钢结构、大跨度钢结构、压力容器、高层或超高层民用建筑或构筑物等重要结构，应考虑选用质量好的钢材；其他按工作性质分别选用普通质量的钢材；另外，安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。2）载荷情况一般承受静载荷的结构，应主要以满足强度要求来选取。直接承受交变载荷的结构，若属于低周疲劳，在保证一定强度要求下，着重考虑材料的塑性和韧性；若属于高周疲劳，这时强度队疲劳抗力起着主导作用，应选择强度高的材料。承受冲击载荷的结构，所选材料应具有足够的延性和韧性。按刚度条件设计的结构，其工作应力一般比较小，但其壁厚较厚，此时选材不应是高强度的，而应是塑性和韧性好的一般强度的材料。在厚度方向受到拉伸载荷，应选择层状夹杂少，厚度方向塑性好的材料，以防止产生层状撕裂。3）连接方法焊接结构对材质的要求应严格一些。例如，在化学成分方面必须严格控制碳、硫、磷的含量；非焊接结构对碳当量可放宽要求。4）结构所处的温度和环境在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。露天结构易产生时效，有害介质作用的钢材易腐蚀、疲劳和断裂，应区别地选择不同的材质，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准GB/T4172《焊接结构有耐候钢》的规定。2焊接设计2.1 材料选用2.1.1 母材材料选用2.1.1.1 钢结构对材料的要求[5]钢结构所用的钢必须符合下列要求：1）较高的抗拉强度fu 和屈服点fyfy是衡量结构承载能力的指标，fy高则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价。fu是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时fu 高可以增加结构的安全保障。2）较高的塑性和韧性塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗交变荷载作用的能力。3）良好的工艺性能良好的工艺性能不但能保证通过冷加工、热加工和焊接加工成各种形式结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不良影响。此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境能力。按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。2.1.1.2钢结构用钢的分类 [5]在钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构钢（或称普通碳素钢）和低合金结构钢。1）碳素结构钢根据国家标准《碳素结构钢》（GB700-88）的规定，将碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五种牌号，钢的牌号有屈服强度字母（Q）、屈服强度值、质量等级符号（A、B、C和D）、脱氧方法符号等四部分顺序组成。常见用钢具体参数见表2-1-1。2）低合金钢根据《低合金高强度结构钢》（GB1591-94）的规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，其中Q345、Q390为钢结构常用钢种，Q420已在九江长江大桥中成功使用。具体参数见表2-1-1。2.1.1.2钢结构用钢选用原则 [5] [6]钢材的选用在钢结构设计中是重要的一环，选择的目的是既要保证结构的安全，又要做到可靠和经济合理。选择钢材时应考虑以下几点。1）结构的重要性对重型工业建筑钢结构、大跨度钢结构、压力容器、高层或超高层民用建筑或构筑物等重要结构，应考虑选用质量好的钢材；其他按工作性质分别选用普通质量的钢材；另外，安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。2）载荷情况一般承受静载荷的结构，应主要以满足强度要求来选取。直接承受交变载荷的结构，若属于低周疲劳，在保证一定强度要求下，着重考虑材料的塑性和韧性；若属于高周疲劳，这时强度队疲劳抗力起着主导作用，应选择强度高的材料。承受冲击载荷的结构，所选材料应具有足够的延性和韧性。按刚度条件设计的结构，其工作应力一般比较小，但其壁厚较厚，此时选材不应是高强度的，而应是塑性和韧性好的一般强度的材料。在厚度方向受到拉伸载荷，应选择层状夹杂少，厚度方向塑性好的材料，以防止产生层状撕裂。3）连接方法焊接结构对材质的要求应严格一些。例如，在化学成分方面必须严格控制碳、硫、磷的含量；非焊接结构对碳当量可放宽要求。4）结构所处的温度和环境在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。露天结构易产生时效，有害介质作用的钢材易腐蚀、疲劳和断裂，应区别地选择不同的材质，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准GB/T4172《焊接结构有耐候钢》的规定。5）钢材厚度厚钢材辊轧次数少 ，轧制压缩比相对薄板小。所以厚度大的钢材不仅强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差。因此，厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。推荐采用Z向钢，其材质应符合现行国家标准GB/T5313《厚度方向性能钢材》的规定。6）对于需要演算疲劳的焊接结构的钢材，应具用常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具用0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具用-20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证。吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要演算疲劳的构件相同。表2-1-1 常见结构钢力学性能及匹配焊接材料钢材
手工电弧焊焊条CO2⑤气体保护焊实心焊丝埋弧焊焊接材料牌号等级抗拉强度①Re/Mpa屈服强度冲击吸收功①型号示例型号示例焊剂型号-焊丝牌号δ≤16mmδ>50～100mmT/℃AKV/JQ235A375～460235205②——E4303③ER49-1③F4A0-H08AB2027E4303、E4328、E4315、E4316C027ER50-6D-2027F4A2-H08AQ295A390～570295235——E4303③ER49-1③ER49-6F5004-H08A⑥、F5004-H08MnA⑦B2034E4328、E4315、E4316ER50-3、ER50-6F5014-H08A⑥、F5014-H08MnA⑦Q345A470～630345275——E5003③ER49-1③F5004-H08A⑥、F5004-H08MnA⑦F5004-H10Mn2⑦B2034E5003③、E5015、E5016、E5018ER50-3F5014-H08A⑥、F5014-H08MnA⑦、F5014-H10Mn2⑦、F5011-H08A⑥、F5011-H08MnA⑦、F5011-H10Mn2⑦C034E5015、E5016、E5018ER50-2F5024-H08A⑥、F5024-H08MnA⑦、F5024-H10Mn2⑦、F5021-H08A⑥、F5021-H08MnA⑦、F5021-H10Mn2⑦D-2034F5034-H08A⑥、F5034-H08MnA⑦、F5034-H10Mn2⑦、F5031-H08A⑥、F5031-H08MnA⑦、F5031-H10Mn2⑦表2-1-1续钢材
手工电弧焊焊条CO2⑤气体保护焊实心焊丝埋弧焊焊接材料牌号等级抗拉强度①Re/Mpa屈服强度冲击吸收功①型号示例型号示例焊剂型号-焊丝牌号δ≤16mmδ>50～100mmT/℃AKV/JQ390A490～650390330——E5015、E5016、E5515-D3、E5515-G、E5516-D3、E5516-GER50-3F5011-H08MnA⑥、F5011-H10Mn2⑦、F5011-H08MnMoA⑦B2034C034F5021-H08MnA⑥、F5021-H10Mn2⑦、F5021-H08MnMoA⑦D-2034ER50-2F5031-H08MnA⑥、F5031-H10Mn2⑦、F5031-H08MnMoA⑦E-4027④④F5041④Q420A520～680420360——E5515-D3、E5515-G、E5516-D3、E5516-GER55-D2F6011-H10Mn2⑥、F6011-H08MnMoA⑦B2034C034F6021-H10Mn2⑦、F6021-H08MnMoA⑦D-2034F6031-H10Mn2⑦、F6031-H08MnMoA⑦E-4027④④F6041④①表中钢材力学性能的单值均为最小值。②板厚δ>60～100mm时的Re值。③用于一般结构，其他用于重大结构。④由供需双方协议。⑤含Ar-CO2混合气体保护焊。⑥薄板I形坡口对接。⑦中、厚板坡口对接。7）下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：①焊接结构。a．直接承受动力载荷或振动载荷且需要演算疲劳的结构。b．工作温度低于-20℃时的直接承受动力载荷或振动载荷但不需要演算疲劳的结构以及承受静力载荷的受弯及受拉德重要承重结构。c．工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。②非焊接结构。工作温度等于或低于-20℃时的直接承受动力载荷且需要演算疲劳的结构。8）承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。对焊接结构还应具有碳含量的合格证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。2.1.2焊接材料匹配[3] [7] [8] [9] [10] [11]焊接不同类别钢材时，焊接材料的匹配应符合设计要求。常见结构钢材采用焊条电弧焊、CO2气体保护焊和埋弧焊进行焊接，焊接材料可按表2-1-1中的规定。2.2 焊接方法的选用[12]选择焊接方法时必须符合以下要求：能保证焊接产品的质量优良可靠；生产率高，生产费用低，工作条件好，能获得较好的经济效益。影响这两方面的因素很多，概括如下：㈠产品特点⑴产品结构类型本单位焊接的产品按结构特点大致可分为以下三大类。1）结构类如桥梁钢结构、起重机械等的钢结构；2）机械零件类如机械产品的零部件等；3）半成品类如工字梁、管子等。这些不同结构的产品由于焊缝的长短、形状、焊接位置等个不相同，因而适用的焊接方法也会不同。结构类产品中规则的的长焊缝和环缝宜采用埋弧焊；手弧焊用于打底焊和短焊缝焊接，机械类产品接头一般较短，根据其准确度要求，选用气体保护焊（一般厚度）、电渣焊（重型构件易于立焊的）；半成品类的产品的焊接接头往往是规则的，宜采用适于机械化的焊接方法，如埋弧焊和气体保护焊。表2-1-2焊接方法影响因素焊接方法
适用材料下焊接厚度(mm)接头形式焊接位置费用自动化程度对接T接搭接平焊立焊横焊仰焊设备费焊接费手工电弧焊碳钢单道2～6多道6以上AAAABBC少少差低合金钢单道2～6多道6以上二氧化碳气保焊碳钢射流过渡:单道3～10;多道10以上短路过渡:单道0.5～6;多道6～20AAAAABC中少好低合金钢射流过渡:单道3～10;多道10以上短路过渡:单道0.5～6;多道6～20埋弧焊碳钢单道5～24多道24以上AAAADBD中少好低合金钢单道5～24多道24以上栓钉焊碳钢①②少少好低合金钢①电渣焊碳钢24以上AABCADD大少好低合金钢24以上①②栓钉的材料为ML15 和ML15Al。（GB/T6478-2001 《冷镦和冷挤压用钢》）； 栓钉的规格有：M10、M13、M16、M19、M22、M25等（GB/T10433-2002 《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》）⑵工件厚度工件的厚度可在一定程度上决定所适用的焊接方法。每种焊接方法由于所用热源不同，都有一定的适用的材料厚度范围。对于熔焊而言，是以焊透而不烧穿为前提。可焊最小的厚度是指稳定状态下单面单道焊恰好焊透而不发生烧穿的厚度。显然，焊件越薄，越须注意烧穿问题；可焊最大厚度则决定于该焊接方法在最大热输入下单面单道焊的最大熔深。焊件越厚，越须注意焊透问题。如果该结构允许开坡口又能采用双面多层多道焊，则可焊的最大厚度在技术上不再有困难，此时焊接方法由生产率和经济因素决定。在推荐的厚度范围内焊接时较易控制焊接质量和保持合理的生产率。⑶接头形式和焊接位置焊接接头形式通常由产品结构形式、使用要求和母材的厚度等因素决定。对接、搭接、T形接和角接是最基本的形式，这些接头形式对大部分熔焊方法均适用。⑷焊接位置在不能变位的情况下焊接焊件上所有的焊缝，就会因焊缝处于不同空间位置而须采用平焊、立焊、横焊、或仰焊等四种不同的位置的焊接。一种焊接方法能进行这四种位置的焊接称可全位置焊的方法。就熔焊而言，埋弧焊只适用于平焊位置，电渣焊适用于立焊。其他如焊条电弧焊、各种气体保护电弧焊均能全位置焊。各种焊接方法中以平焊最容易操作，生产率高，焊接质量容易保证，而仰焊操作最难，极易产生焊接缺陷。因此有条件的应是焊件变位，让焊缝都处于平焊位置施焊。㈡母材特性母材的特性考虑的包括母材的物理性能、力学性能和冶金性能。由于焊接结构中最常用是普通碳钢和低合金钢，几乎所有焊接方法都能选用，但随着含碳量或合金含量的增加，其焊接性能变差。高碳钢或碳当量高的合金结构钢宜采用冷却速度慢的焊接方法，已减少热影响区开裂倾向。选择好焊接方法的影响因素还包括技术水平、设备和焊接用消耗材料等。所有的因素须综合考虑，选择最经济最适用的方法。表2-1-2提供了综合各种因素而适用的焊接方法，以供参考。2.3 焊接结构设计2.3.1焊接应力 [5] [12] [13]图2-3-1长板对接焊后横截面上的纵向应力的分布2.3.1.1 焊接应力的特点和分类⑴ 特点没有外力作用的情况下，平衡于物体内的应力称内应力。引起内应力的原因很多，由焊接引起的内应力称焊接应力。焊接应力也和其他原因引起的内应力一样，有一个基本特点，即在整个焊件内构成一个平衡力系，其内力与内力矩的总和都为零：因此，在焊件横截面上内应力的分布（图2-3-1），总是既有拉应力，又有压应力，是双值同时出现的。而且应力分布图上拉应力的面积（图中用表示的影线面积）等于压应力得面积（用表示的影线面积）。⑵分类（见表2-3-1）表2-3-1焊接应力分类焊接应力
分类说明按应力在焊件内的空间位置分一维空间应力单向（或单轴）应力。应力沿焊件一个方向作用二维空间应力双向（或双轴）应力。应力在一个平面内不同方向作用三维空间应力三向（或三轴）应力。应力在空间所有方向作用按应力产生的原因分热应力焊接过程中焊件内部温度有差异所引起的应力，故又称温差应力，它随温差消失而消失。热应力是引起热裂纹的力学原因相变应力焊接过程中局部金属发生相变，其比容增加或减小而引起的应力塑变应力金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。焊接过程中在近缝高温区德金属热膨和冷缩受阻时产生这种塑性变形，从而引起焊接的内应力按应力存在的时间分焊接瞬时应力在焊接过程中，某一瞬时的焊接应力，随时间而变化。它和焊接热应力没有本质区别，当温度也随时间而变化时，热应力也是瞬时应力。统称暂时应力。焊接残余应力焊完冷却后残留在焊件内的应力。图2-3-1所示即为残余应力。它对焊接结构的强度、腐蚀和尺寸稳定性等使用性能有影响。2.3.1.2焊接残余应力对结构的影响熔化焊必然会带来焊接残余应力，焊接残余应力在钢结构中并非都是有害的。根据钢结构在工程中的受力情况、使用的材料、不同的结构设计等，正确选择焊接工艺，将不利的因素变为有利的因素。同时要做到具体情况具体分析。1）对静载强度的影响塑性良好的金属材料，焊接残余应力的存在并不影响焊接结构的静载强度。在塑性差的焊件上，因塑性变形困难，当残余应力峰值达到材料的抗拉强度时，局部首先发生开裂，最后导致钢结构整体破坏。由此可知，焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料钢结构的静载强度。2）对构件加工尺寸精度的影响对尺寸精度要求高的焊接结构，焊后一般都采用切削加工来保证构件的技术条件和装配精度。通过切削加工把一部分材料从构件上去除，使截面积相应减小，同时也释放了部分残余应力，使构件中原有残余应力的平衡得到破坏，引起构件变形。3）对受压杆件稳定性的影响焊接后工字梁（H形）中的残余压应力和外载引起的压应力叠加之和达到材料的屈服点时，这部分截面就丧失进一步承受外载的能力，削弱了有效截面积。这种压力的存在，会使工字梁的稳定性明显下降，使局部或整体失稳，产生变形。焊接残余应力对杆件稳定性的影响大小，与内应力的分布有关，若能使有效截面远离压杆的中性轴，如图2-3-2所示的H形焊接杆件，可以改善其稳定性。图中a是用气割翼板外边缘，图中ｂ是翼板上加盖板在边缘进行焊接，均使边缘存在较大拉内应力。这样的结构内应力状态其失稳临界应力比一般焊接的H形截面高。4）对应力腐蚀裂纹的影响金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和拉应力共同作用的结果。采用熔化焊焊接的构件，焊接残余应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀介质中，尽管拉应力不一定很高都会产生应力腐蚀开裂。其中残余拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响，当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加后的拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向就高，产生应力腐蚀开裂的时间就越短。所以，在腐蚀介质中服役的焊件，首先要选择抗介质腐蚀性能好的材料，此外对钢结构的焊缝及其周围处进行锤击，使焊缝延展开，消除焊接残余应力。对条件允许焊接加工的钢结构，在使用前进行消除应力退火等。2.3.1.3从设计方面调节和控制焊接残余应力（工艺措施见下章）焊接内应力是可以通过结构设计和焊接工艺措施等进行调节与控制。工艺措施将在下一章详细介绍。1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。多一条焊缝就多一处内应力源；过大的焊缝尺寸，焊接时受热区加大。使引起残余应力与变形的压缩塑变区或变形量增大。2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离。焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀，而且可能出现双向或三向复杂的应力状态。3）采用刚性较小的接头形式。2.3.2焊接变形 [5] [12] [13]2.3.2.1 焊接变形的特点和分类⑴ 特点焊件由于焊接而产生的变形称焊接变形。焊接变形与焊件形状尺寸、材料的热物理性能及加热条件等因素有关。如果是简单的金属杆件在自由状态下均匀的加热或冷却，该杆件将按热膨冷缩的基本规律在长度上产生伸长或缩短的变形，焊接时不均匀加热过程，热源只集中在焊接部位，且以一定速度向前移动。局部受热金属的膨胀能引起整个焊件发生平面内或平面外的各种形态的变形。变形是从焊接时便产生，并随焊接热源的移动和焊件上温度分布的变化而变化。一般情况下一条焊缝在施焊处受热发生膨胀变形，后面开始在凝固和冷却处发生收缩。膨胀和收缩在这条焊缝上不同部位分别产生，直至焊接结束并冷至室温，变形才停止。⑵分类焊接过程中随时间而变的变形称焊接瞬时变形，它对焊接施工过程发生影响。焊完冷后，焊件上残留下来的变形称焊接残余变形，它对结构质量和使用性能发生影响。我们关心最多的是焊接残余变形，因为它直接影响结构的使用性能。所以在没有特别说明情况下，一般所说的焊接变形，多是指焊接残余变形。按变形后的形态分，焊接残余变形可归纳成表2-3-2所示的几种类型。它们与焊件的形态、尺寸、焊缝在焊件上的位置、焊缝坡口的几何形状等因素有关。表2-3-2焊接残余变形分类类型
示意图说明板平面内的变形横向收缩垂直焊接方向的收缩纵向收缩焊接方向的收缩回转变形在开坡口焊接时，焊接过程中坡口间时而张开时而闭合的变形。在热源前方完全没有拘束的情况下，因连接焊接坡口间隙常常张开，焊接热输入量越大，张开量越大板平面外的变形横向弯曲变形（角变形）在板厚方向由于焊接而使温度分布不均匀时，沿板厚方向横向收缩不同，使板件在焊缝中心线处发生弯曲变形。又叫角变形纵向弯曲变形焊接方向偏心收缩引起的弯曲变形波浪变形在薄板焊接时，由于焊接产生的压缩残余应力，使板件出现因压曲形成的波浪变形扭曲变形细长构件，纵向焊缝的横向收缩不均匀或备料与组装质量不良，使构件绕自身轴线扭转2.3.2.2 焊接变形收缩余量计算1）纵向收缩从理论上精确计算变形量目前比较困难。工程上对于钢制细长焊件，如梁、柱等结构单层焊的纵向收缩量△L，可利用以下经验公式估算：△L=k1AHL∕A式中△L——单层焊纵向收缩量，mm；k1——系数见表2-3-3；AH——塑性变形区面积，mm2；L ——焊件长度，mm；A ——焊缝的截面积，mm2。表2-3-3k1与焊接方法的关系（材料为低碳钢）焊接方法
二氧化碳焊埋弧焊焊条电弧焊系数0.0430.071～0.0760.076多层焊的纵向收缩量，将上式中的塑性变形区面积AH改为一层焊缝金属的截面积，并将所计算的结果再与系数k2相乘。k2=1+85n=σs∕E式中n——层数。因双面角焊缝焊接热输入量有一部分重叠，所以，估算T形接头纵向收缩量时可按单面焊再乘一个系数进行，即△LT=（1.15～1.40）△L单（式中AH是指一条焊缝的截面积）。2）横向收缩对接接头的横向收缩大小与焊接线能量、坡口形式、焊缝截面积以及焊接工艺有关。对接接头的横向收缩量△B的估算可按下式进行：△B=0.2A∕δ+ 0.05b式中△B——对接接头的横向变形量，mm；A——焊缝的截面积，mm2；δ——板厚，mm；b——对接间隙，mm。2.3.2.3从设计方面控制焊接残余变形（工艺方面见下章）1）合理选择构件截面提高构件的抗变形能力设计结构时要尽量使构件稳定、截面对称，薄壁箱形构建的内板布置要合理，特别是两端的内隔板要尽量向端部布置；构件的悬出部分不易过长；构件放置或吊起时，支承部位应具有足够的刚度等。较容易变形或不易被矫正的结构形式要避免采用。可采用各种型钢、弯曲件和冲压件(如工字梁、槽钢和角钢)代替焊接结构，对焊接变形大的结构尽量采用铆接和螺栓连接。对一些易变形的细长杆件或结构可采用临时工艺筋板、冲压加强筋、增加板厚等形式提高板件的刚度。如从控制变形的角度考虑，钢桥结构的箱形薄壁结构的板材不宜太薄，如起重20t、跨度28m的箱形双梁式起重机，主体箱形梁长度达45m、断面为宽800mm、高1666mm、内侧腹板厚度为8mm，外侧腹板6mm，焊成箱形后，无论整体变形还是局部变形都比较大，而且矫正困难。因此，箱形钢结构的强度不但要考虑板厚、刚度和稳定性，而且制造和安装过程中的变形也是很重要的。2）合理选择焊缝尺寸和布置焊缝的位置焊缝尺寸过大不但增加了焊接工作量。对焊件输入的热量也多，而且也增加了焊接变形。所以，在满足强度和工艺要求的前提下，尽可能的减少焊缝长度尺寸和焊缝数量，对联系焊缝在保证工件不相互窜动的前提下，可采用局部点固焊缝；对无密封要求的焊缝，尽可能采用断续焊缝。但对易淬火钢要防止焊缝尺寸过小产生淬硬组织等。设计焊缝时，尽量设计在构件截面中心轴的附近和对称于中性轴的位置，使产生的焊接变形尽可能的相互抵消。如工字梁其截面是对称的，焊缝也对称与工字梁截面的中性轴。焊接时只要焊接顺序选用合理，焊接变形就可以得到有效的控制，特别是挠曲变形可以得到有效的控制。3）合理选择焊缝的截面和坡口形式要做到在保证焊缝承载能力的前提下，设计时应尽量采用焊缝截面尺寸小的焊缝。但要防止因焊缝尺寸过小，热量输入少，焊缝冷却速度快易造成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。因此，应根据板厚、焊接方法、焊接工艺等合理的选择焊缝尺寸，工程
《焊接技术教程_2焊接设计》()。此外，要根据钢结构的形状、尺寸大小等选择坡口形式。如平板对接焊缝，一般选用对称的坡口，对于直径和板厚都较大的圆形对接筒体，可采用非对称坡口形式控制变形。在选择坡口形式时还应考虑坡口加工的难易、焊接材料用量、焊接时工件是否能够翻转及焊工的操作方便等问题。如直径比较小的筒体，由于在内部操作困难，所以纵焊缝或环焊缝可开单面V或U形坡口。具体坡口形状和尺寸见下节内容。4）尽量减少不必要的焊缝焊缝数量与填充金属量成正比，所以，在保证强度的前提下，钢结构中应尽量减少焊缝数量，避免不必要的焊缝。为防止薄板产生波浪变形，可适当采用筋板增加钢结构的刚度，用型钢和冲压件代替焊件。2.3.3焊接接头构造的设计与选择 （主要是熔焊接头）2.3.3.1焊接接头的基本类型[12]焊接结构上的接头，按被连接构件之间的相对位置及其组成的几何形状，可归纳为图2-3-3所示的五种类型：a为对接接头；b为角接接头；c为T形接头；d为搭接接头；e为卷边接头。图2-3-3熔焊接头的基本类型图2-3-4不同板厚钢板对接接头设计（L≥3δ-δ1）2.3.3.2常用焊接接头的工作特性 [12] [6]1）对接接头图2-3-5正面搭接接头的弯曲变形将两焊件的表面构成1
接头中较厚板的厚度δ/mm
δ≤6.56.5＜δ≤1313＜δ≤1919＜δ≤3838＜δ≤5757＜δ≤152δ＞152最小焊脚尺寸K/mm3.556.58101316注：最小焊脚尺寸K不得超过较薄钢板的厚度。2.3.3.6焊接接头的静强度计算图2-3-8 工作焊缝与联系焊缝a）对接工作焊缝b）对接联系焊缝c）角工作焊缝d) 角联系焊缝㈠ 工作焊缝与联系焊缝[12]在焊接结构中的焊缝，按其所起的作用可分为工作焊缝和联系焊缝两种，见图2-3-8所示。工作焊缝又称承载焊缝，它与被连接材料是串联的，承担着全部载荷的作用，焊缝上的应力为工作应力，一旦焊缝断裂，结构立即失效；联系焊缝又称非承载焊缝，它与被连接材料是并联的，传递很小的载荷，主要起构件之间相互联系的作用。焊缝上的应力为联系应力，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效。设计焊接结构时，对工作焊缝必须进行强度计算，对联系焊缝不必计算。对于既有工作应力又有联系应力的焊缝，则只计算工作应力而忽略联系应力。㈢焊接接头的许用应力设计法[12]（1）强度条件许用应力设计法又称传统设计法或安全系数设计法。它是以满足工作能力为基本要求的一种设计方法，对于一般用途的构件，设计时应满足的强度条件为工作应力≤许用应力或者安全系数-≥许用安全系数这里的失效应力，如果为屈服准则，则为材料的屈服点，如按断裂准则，则为强度极限：在疲劳强度设计中为疲劳极限。许用应力和许用安全系数一般由国家工程主管部门根据安全和经济原则，按材料的强度、载荷、环境条件、加工质量计算精确度和构件的重要性等加以确定。我国锅炉和压力容器、起重机、桥梁、铁路车辆等行业都在各自设计规范中确定了各种材料的许用应力和许用安全系数。工作应力一般是采用工程力学的理论和方法进行分析计算：对重要构件可采用有限元法等进行分析与计算，以获得更为精确的结果。（2） 简易的焊接接头强度计算法1）焊接接头静载强度计算的假定在静载条件下，当焊缝金属和母材均具有较好塑性时，可作如下假定：①焊接残余应力对接头强度没有影响；②由于几何不连续而引起局部应力集中，对接头强度没有影响：认为焊缝上的工作应力是均匀分布，以平均应力进行计算。③忽略焊缝的余高和少量熔深，以焊缝中最小的载面为计算截面（又称危险断面）。④认为角焊缝都是在切应力作用下破坏，一律按切应力计算其强度。⑤正面角焊缝和侧面角焊缝在强度上无差别。2）坡口焊缝静载强度计算公式基于上述假定对熔透的坡口焊缝的静载强度得到了简化，表2-3-5给出了计算公式。表中熔透对接接头焊缝的静载强度计算公式与母材的静载强度计算公式完全相同，焊缝的计算厚度取被连接的两板中较薄的厚度。焊缝长度一般取焊缝的实际长度；熔透的T形接头和十字接头按对接焊缝进行强度计算，焊缝的计算厚度取立板的厚度。一般情况下，按等强度原则选择焊缝填充金属的优质碳素结构钢和低合金结构钢全熔透的坡口焊缝，可以不进行强度计算。3)角焊缝的静载强度计算公式经上述简化后得到的由角焊缝组成的接头的静载强度计算公式，见表2-3-6。表中角焊缝的计算长度一般取每条焊缝实际长度减去10mm，计算厚度取内接三角形的最小高度。在设计计算角焊缝时，一般应遵循下列原则和规范：①侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8K（K为焊脚尺寸），并不小于40mm。②角焊缝的最小焊脚尺寸补应小于4mm，当焊件厚度小于4mm时，可与焊件厚度相等。③因构造上需要的非承载角焊缝，其最小焊脚尺寸可根据焊件厚度和焊接工艺要求确定，可参照表2-3-4。④在承受静载的次要焊件中，如果计算出的角焊缝的焊脚尺寸小于规定的最小值，可采用断续焊缝。断续焊缝的焊脚尺寸可根据折算方法确定。断续焊缝之间的距离在受压构件中部应大于15δ，受拉构件中一般不应大于30δ，δ为被焊构件中较薄件的厚度。在腐蚀介质下工作的构件不应采用断续焊缝。表2-3-5坡口焊缝静载强度计算公式名称
简图计算公式备注对接焊缝受拉：σ=—焊缝的许用拉应力—焊缝的许用压应力焊缝的许用切应力δ受压：σ=受剪：τ=平面内弯矩：σ=平面外弯矩：σ=开坡口熔透T形接头或十字接头受拉：σ=受压：σ=受剪：τ=平面内弯矩：σ=平面外弯矩：σ=4）部分熔透接头的静载强度计算公式部分熔透T形接头或十字接头的焊缝静载强度计算公式同角焊缝的计算公式，见表2-3-6。但焊缝的计算厚度a应按图2-3-10来确定，图a：P＞K（或𝜃P＞𝜃K），a=P/sin𝜃P，当𝜃K =45°时，a=图b：P＜K（或𝜃P＜𝜃K），a=（P+K）sin𝜃P，当𝜃K =45°时，a=。当计算工作应力有困难时，可参考一些经验数据。如图2-3-9a的接头，取H≈0.3δ，K=1/3h；图2-3-9b的接头，取H≈0.4δ，K=1/3h，k2按最小焊脚尺寸（表2-3-4）确定。部分熔透的对接接头，其焊缝强度也按角焊缝计算，所用公式见表2-3-7。图2-3-9 厚钢板部分熔透的T形接头设计ab图2-3-10 部分熔透角焊缝的计算厚度a的确定5）承受复杂载荷的焊接接头的静载强度计算当焊接接头承受复杂载荷时，应分别求出各载荷所引起的应力，根据各应力的方向、性质和位置，确定合成应力最大的点，即危险点，并算出该点的合成应力。当危险点难以确定时，应选几个大应力点计算其合成应力，以最大值的点位危险点。最大正应力和最大切应力布在同一点时，偏于安全的做法是以最大正应力和平均切应力计算其合成应力。（3）按刚度设计选择角焊缝尺寸按刚度设计的焊接结构，如焊接机器底座、立柱和横梁等大件，一般工作应力较低。若按工作应力来设计角焊缝尺寸，其值都很小；若按等强度原则来选择焊缝，则尺寸将很大，不仅增加制造成本而且也增大了焊接残余应力与变形。因此，这类角焊缝按照刚度条件来确定焊脚尺寸。这里推荐经验法：以被焊件中较薄件的强度的33％、50％和100％作为焊缝强度来确定焊脚尺寸。以T形接头的双面角焊缝为例。其焊脚尺寸K与立板厚度δ的关系为：100％强度焊缝K=；50％强度焊缝K=；30％强度焊缝K=。100％强度的角焊缝就是等强度焊缝，它主要用于集中载荷的部位，如导轨的焊接；50％强度的角焊缝用于焊接箱体中，若为单面角焊缝，则焊脚尺寸要加倍，即K= 3/4δ；30％强度的角焊缝主要用于并不承载的角焊缝，当它小于最小焊脚尺寸（表2-3-4）时，则取最小焊脚尺寸。（4）焊缝的许用应力前面介绍的设计用的许用应力通常由国家工程主管部门根据安全和经济原则，根据材料性质、载荷、环境、加工质量、计算和检测精确度和构件的重要性等综合后确定。表2-3-8列出一般机械焊接结构中焊缝的许用应力。我国起重机行业采用的焊接许用应力见表2-3-9。表2-3-6角焊缝接头静载强度计算公式名称
简图计算公式备注搭接接头受拉或受压：τ-≤[τ′][τ′]—焊缝的许用切应力=l1+l2+l3第一法：分段计算法τ=≤[τ′]第二法：轴惯性矩计算法τ=ymax≤[τ′]第三法：极惯性矩计算法τ=rmax≤[τ′]Ip=Ix+IyIx 、Iy---焊缝计算面积对x轴、y轴的惯性矩Ip—焊缝计算面积的极惯性矩ymax—焊缝计算截面积x轴的最大距离rmax—焊缝计算截面积 O点的最大距离T形接头和十字接头拉：τ=≤[τ′]在承受压应力时，考虑到板的端面可以传递部分压力，许用应力从[τ′]提高到[σα′]压：τ=≤[σα′]平面内弯矩M1：τ=≤[τ′]平面外弯矩M2：τ=≤[τ′]弯：τ=≤[τ′]扭：τ=≤[τ′]弯= ：τymax≤[τ′]表2-3-7部分熔透对接接头焊缝静载强度计算公式名 称
简图计算公式备注部分熔透对接接头拉：τ=≤[τ′]V形坡口：α≥60°时，a=Sα＜60°时，a=0.75SU形、J形坡口：α=SIx=al（δ-a）2l—焊缝长度剪：τ=≤[τ′]弯：τ=≤ymax[τ′]表2-3-8机械焊接结构中焊缝的许用应力焊缝种类
应力状态焊缝许用应力一般E43××型及E50××型焊条电弧焊低氢焊条电弧焊、埋弧焊、半埋自动弧焊对接缝拉应力0.9[σ][σ]压应力[σ][σ]切应力0.6[σ]0.65[σ]角焊缝切应力0.6[σ]0.65[σ]注：1、表中[σ]为基本金属的拉伸许用应力。2、上表适用于低碳钢及500MPa级以下的低合金结构钢。表2-3-9起重机结构焊缝许用应力[16]焊缝种类
应力种类符号用普通方法检查的焊条电弧焊埋弧焊或用精确方法检查的焊条电弧焊对接拉伸、压缩应力[σ′]0.8[σ][σ]对接及角焊缝剪切应力[τ′]注：[σ]为基本金属的许用拉应力。[σ′]为焊缝金属的许用拉应力。[τ′]为焊缝的许用切应力㈣焊接接头的极限状态设计法 [6]《钢结构设计规范》规定，工业与民用建筑和一般构筑物的钢结构设计，除疲劳强度计算外，应采用极限状态设计法。1．对接焊缝或对接与角接组合焊缝的强度计算1）在对接接头和T 形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其强度应按下式计算：σ=≤或式中N——轴心拉力或轴心压力；——焊缝长度；t——在对接接头中为连接件的较小厚度；在T形接头中为腹板的厚板；、——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。2）在对接接头和T形接头中，承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝 ，其正应力和剪应力应分别进行计算。但在同时受有较大正应力和剪应力处（例如梁腹板横向对接焊缝的端部），应按下式计算折算应力：≤1.1注：①当承受轴心力的板件用斜焊缝对接，焊缝与作用力间的夹角𝜃符合tan𝜃 ≤1.5时，其强度可不计算。②当对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝无法采用引弧板和引出板施焊时，每条焊缝的长度计算时应各减去 2t。2.直角角焊缝的强度计算1）在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下：正面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度方向）：=≤侧面角焊缝（作用力平行于焊缝长度方向）：=≤2）在各种综合作用下，和共同作用处：式中——按焊缝有效截面（）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；——按焊缝有效截面（）计算，沿焊缝长度方向的剪应力；——角焊缝的计算厚度，对直角角焊缝等于0.7，为焊脚尺寸；——角焊缝的计算长度，对每条焊缝取起实际长度减去2；—— 角焊缝的强度设计值；——正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力载荷和间接承受动力载荷的结构，取 1.22；直接承受动力载荷的结构取1.0；3. 两焊脚边夹角为60°≤≤135°的T形接头，其斜角角焊缝的强度应按第2条中公式计算，但取=1.0，其计算厚度为：=[K-]（根部间隙＞1.5mm）或= [–]（＞1.5mm但≤5mm）。4. 部分焊透的对接焊缝和T 形对接与角接组合焊缝的强度，应按角焊缝的计算公式（第2条中公式）计算，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取=1.22，其他受力情况取=1.0，其计算厚度应采用：
V形坡口：当≥60°时，=s；当α＜60°时，=0.75s。单边V形和K形坡口：当=45°±5°，=s-3；U形、J形坡口：=s。s为坡口深度，即根部至焊缝表面（不考虑余高）的最短距离（mm）；为V形、单边V 形或K形坡口角度。当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时，抗剪强度设计值应按角焊缝的强度设计值乘以0.9