焊接結構是由許多部件、元件、零件用焊接方法連接而成的,因此焊接接頭的性能質量好壞直接與焊接結構的性能和安全性、可靠性有關。
多年來焊接工程界對焊接接頭進行了廣泛的試驗研究,這對於提高焊接結構的性能和可靠性,擴大焊接結構的應用範圍起了很大作用。
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、壓焊和釺焊都可製成焊接結構,用這些焊接方法連接金屬結構形成不可拆的連接接頭—焊接接頭,分別形成熔焊接頭、壓焊接頭和釺焊接頭,從而構成焊接結構。但應用最廣泛的是熔焊,這裡重點介紹熔焊接頭。
1)熔焊接頭:熔焊接頭由焊縫金屬、熔合線、熱影響區和母材所組成。而焊縫金屬是填充材料和部分母材熔化後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。
這是由於以上四個區域化學成分和金相組織不同,並且接頭處往往改變了構件原來的截面和形狀,出現不連續,甚至有缺陷,形成不同程度的應力集中,還有焊接殘餘應力和變形,大的剛度等都對接頭的性能有影響,結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。
為保證焊接結構可靠地工作,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。對於高強度鋼,採用適當的工藝措施,如預熱、緩冷或採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,後者稱為低匹配。
寬度不大的熱影響區,由於焊接溫度場梯度大,各點的熱循環大不相同,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。
特別要指出的是經過焊接熱循環後發生的“動應變時效”(熱應變時效)會使接頭性能惡化。將鋼材、鋁材等經預應變後,會產生變脆的“時效”現象,這種預應變及時效都是在低溫(室溫)下發生的,通常稱為“靜應變時效”。
而焊接熱影響區經焊接熱循環後會產生熱應變,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、搭接接頭活塞焊接頭等。
根據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尺寸見表5-6。表5-6是參照GB/T 985-1988 , GB/T 986-1988標準規定列出的。選擇哪一種坡口形式除按照上述兩標準外,也可按行業和企業標準由焊件厚度確定,並且有一個合適的區間。
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,該坡口適於12~ 60mm厚的板;用埋弧焊時,適於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量,同時還要考慮經濟性。
電渣焊接頭是熔焊接頭中重要的一種接頭。當焊件厚度大於30mm時即可以考慮採用電渣焊接頭,特別是大斷面的焊縫,例如焊件厚度大於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。當工件採用電渣焊時要使工件位置做到焊縫由下至上,即適於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,因而焊縫的內外側應該有擋塊,電渣焊適於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。
電渣焊的焊件焊後通常要經正火——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、粗晶粒、高殘餘應力的不良影響。
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,使電子動能轉化為熱能而熔化焊接接頭的焊縫區而進行的熔焊。
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)。按其特點應用於核反應堆元件,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。
由於電子束直徑細、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,還有一種類似於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、冷壓焊和爆炸焊統稱為壓焊,其中電阻焊和摩擦焊由於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)和縫焊多是採用搭接接頭,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。
電阻對焊顯然是採用對接接頭,應當指出的是,由於電阻對焊工藝的發展,目前其已經可以焊接100000mm²以上的截面,所以在鍋爐壓力容器的製造中,特別是鋼管道的環縫中,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採用對接接頭。其他的阻焊接頭形式和應用可參考有關資料。
3)釺焊接頭:釺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中絕大多數都是這種組合型的坡口。坡口形式通常根據工廠條件、工藝要求等考慮以下問題來決定。
1)工廠的加工條件。例如採用雙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。採用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,對內徑較小的容器或管道,以及不便翻轉的結構,為避免仰焊及不能從內側施焊,則可採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形則更加節省熔敷金屬,因此對於大厚度的焊接接頭,多采用這種較經濟的坡口。
對於不適於電渣焊、電子束焊的特厚件焊縫還採用窄間隙焊。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餘應力,此時要考慮材料(母材)特點,採用適當的工藝和坡口形式,以便獲得合格的接口。
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,後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為角焊縫的特徵尺寸,角焊縫的焊腳尺寸為焊縫內接等腰直角三角形的直角邊,如圖5 -3所示。
(3)工作接頭、聯繫接頭和密封接頭
前述焊接接頭的基本類型主要是根據採用的焊接工藝來區分的。實際上也是根據焊接結構焊縫的承載狀況來分的。
焊接結構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繫焊縫,如圖5-4所示。前者將結構中的作用力由一個零件傳至另一個零件,焊縫和零(構)件串聯在一起,這種焊縫必須進行強度計算。
後者的焊縫和零(構)件並聯在一起,與零(構)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構的安全工作,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、熱影響區等承擔(串聯或並聯)直接作用載荷或不直接承受載荷(並聯),所以有資料提出了工作接頭、聯繫接頭和密封接頭。後者的主要任務是防止洩漏,故多屬於工作接頭。
(4)焊接接頭工作應力的分佈
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佈不是均勻的,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,對接接頭如果出現較大的餘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佈的情形。圖5-6則是應力集中係數Kσ隨餘高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,力的傳遞轉折大,力線扭曲,應力分佈不均,易出現較大的應力集中,其應力分佈如圖5 -7所示。
由圖5-7a可見,由不開坡口角焊縫構成的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,則應力分佈大為改善,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,該接頭在造船業中佔所有接頭的70%,所以改善其應力分佈十分重要。
對於Ⅰ形坡口的角焊縫構成的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角小於或大於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°),才會改善應力分佈不均的狀況。
由角焊縫構成的搭接接頭,其應力分佈很不均勻,它不是理想的結構接頭形式,在動載和低溫時尤其應避免採用。
但由於採用搭接接頭,裝配工作十分簡便,焊前準備工作簡單,構件收縮量小,故在一些受靜載的建築結構中和用薄板製造的儲罐結構中仍被採用。
應該指出:搭接接頭又可分為正面搭接和側面搭接,搭接接頭中不僅存在角焊縫橫截面上應力分佈不均的情形(和T形接頭角焊縫類似),而且正面和側面搭接焊縫中的應力分佈也不同,側面搭接焊縫沿焊縫長度的應力分佈不均,如圖5-8所示。
該圖是僅有側面搭接焊縫的情況,A1、A2表示搭接板的截面積,曲線為切應力Tx的分佈。由圖5-8c可見,當焊縫長度增加,應力分佈不均加劇,中段幾乎不受力,故一些標準規定了承載搭接焊縫(側面搭接)的長度。
二、焊接接頭的設計
(1)焊接接頭的設計特點
優良的接頭設計是防止結構破壞的條件之一。實際受力十分複雜的接頭,進行設計應考慮以下問題:
1)焊接結構應該優先採用接頭(焊縫)形式簡單、應力集中小、不破壞結構連續性的,即不使或很少使力線密集或出現轉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,因此應優先考慮採用,其次應考慮採用T形(十字)接頭,而搭接接頭則應避免採用,但如上述在一些靜載的,不是很重要的結構中為了施工方便仍有采用。
2)在有可能的條件下,儘量將焊接接頭佈置在工作載荷較小處,以及構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,應力分佈沿角焊縫截面是不均勻的,截面越大,應力分佈不均勻的程度越大,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於側面角焊縫,實際強度也大,所以具有正側面角焊縫的聯合搭接角焊縫中的應力分佈不均,側面角焊縫沿焊縫長度方向的應力分佈亦不均,故對重要的結構、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,故對於作為鉸接點的接頭(如桁架的節點)可能產生高的附加應力,此時應採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)充分考慮製造廠的條件,提高設計接頭的工藝性。如使焊接結構的接頭種類少,採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後的可檢驗性(如射線探傷便於布片,超聲探傷有合適的探頭移動範圍等);施焊性好等等。
7)計算接頭時不考慮應力分佈不均及焊接殘餘應力,下面還要介紹到這種計算是作了一些假定和簡化的。而對於工作條件苛刻,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。而對於在腐蝕環境下工作的焊接結構的接頭,接頭的細節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(應力分佈不均),也不考慮焊接殘餘應力,並認為工作應力沿焊縫是均勻分佈的。
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,這裡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,對於此種角焊縫的形狀(見圖5 -3)都將內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,甚至等於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、側面角焊縫上應力的差別和焊縫上應力分佈的不均,這給計算帶來了方便。由於側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,一般不應小於4mm,當板厚小於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成(見圖5 -7a),這種接頭會產生應力集中,也可以由對接焊縫,如K形坡口(見圖5-7b)焊縫構成,後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,而後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,由於立板可與蓋板抵緊,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、又不垂直於焊縫,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)極限狀態設計法焊縫連接的計算。根據GB 50017-2003《鋼結構設計規範》,採用焊接連接時,對於對接接頭、T形接頭、角接頭和搭接接頭上的焊縫,採用了對接焊縫、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。
焊縫則應根據結構的重要性、載荷特性、焊縫形式、工作環境以及應力狀態等情況選用是否熔透和不同質量等級,如承受疲勞構件的對接焊縫均應焊透且焊縫質量為I 、II級;雖不計疲勞,但要求與母材等強的,也要求焊透,並應不低於II級的焊縫質量;中級工作制的吊車梁、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。
表5-8熔焊接頭靜載強度的計算(許用應力法)
焊縫強度的計算公式見表5-9。
