3.2 焊接方法和焊缝形式

3.2.1 钢结构的焊接方法

焊接方法较多，但在钢结构中常用的焊接方法是电弧焊及电阻焊。电弧焊有手工电弧焊、埋弧自动（或半自动）焊以及气体保护焊等。

（1）电弧焊

1）手工电弧焊

图 3.2 是手工电弧焊施焊的原理示意图。施焊前，用导线将焊件之一和电焊机的一个电极相连；电焊机的另一电极通过焊钳与焊条的裸露端相连。施焊时，将焊条的另一端点到焊接件上，形成暂时短路，随即将焊条稍稍抬起，使两电极间产生电子放射和气体电离而形成电弧。电弧产生高达 3 000℃的高温，使钢材熔化形成熔池，焊条中的焊丝也熔化滴落在熔池中，与焊件钢材熔融结合。与此同时，由焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖熔池，防止空气中氧、氮等有害气体与熔化的液态金属接触，避免形成脆性易裂化合物。随着焊条的缓慢移动，熔融区逐步冷却后形成焊缝，完成焊接连接。

建筑钢结构常用焊条为E43××、E50××、E55××和E60××系列。其中字母E表示焊条,E后紧邻的两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，如E43 表示焊条最小抗拉强度 f _u = 430 N/ mm ² （43 kg·f/ mm ² ）。第三和第四位数字用于表达药皮类型、焊接位置和电流类型。

手工电弧焊的焊条应与焊件钢材相匹配，对Q235 钢选用E43 型焊条,Q355、Q390 钢选用E50 或E55 型焊条,Q420、Q460 钢选用E55 或E60 焊条。例如E5003 焊条，适用于主体金属为Q355 钢的平焊、横焊及平角焊，药皮为钛型，交流或直流正反接，主要焊接较薄的构件。当焊接不同强度的钢材时，可采用与低强度钢材相适应的焊条。各种焊条型号及其用途可查阅相关国家标准（GB/T 5117—2012,GB/T 5118—2012）。

2）埋弧焊（自动或半自动）

埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。焊丝送进和电弧移动均由机构自动控制的称埋弧自动焊（图 3.3）；焊丝送进由机构控制，而电弧移动靠人工操作的则称埋弧半自动焊。

埋弧焊的焊丝伸出长度小，又被焊剂所覆盖，能对较细的焊丝采用大电流，因而电弧热量集中，熔深大，适用于厚板的焊接。采用自动或半自动化操作，焊接程序规范化，焊缝的化学成分均匀，形成的焊缝质量好，焊件变形小。埋弧自动焊接或半自动焊接采用的焊丝和焊剂，也必需与焊件钢材强度相匹配，符合现行标准对焊丝和焊剂的要求。

3）气体保护焊

气体保护焊简称气电焊，是利用惰性气体或二氧化碳气体作为保护介质，在电弧周围形成局部的保护层，使被熔化的钢材不与空气接触，因而电弧加热集中，焊接速度快，熔化深度大，焊缝强度高，塑性好。二氧化碳气体保护焊采用高锰高硅型焊丝，具有较强的抗锈能力，焊缝不易产生气孔。气电焊适用于低碳钢、低合金高强度钢以及其他合金钢的焊接。

（2）电阻焊

电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊接常用这种接触点焊（图 3.4）。电阻焊适用于板叠厚度不超过 12 mm的焊接。

3.2.2 焊缝形式及焊接接头形式

焊缝的形式主要有两种：对接焊缝和角焊缝（图 3.5）。

焊接接头形式可根据受力合理、构造简单、施焊方便的原则选择对接焊缝或角焊缝。常见的焊接接头形式有以下 4 种：平接、搭接、T形连接和角接，如图 3.6 所示。

图 3.6（a）、（b）都属于平接，其中图 3.6（a）直接用对接焊缝连接，这种连接的特点是要求下料准确，板边常需开坡口，制造费工，但传力路线简捷，受力性能好，疲劳强度高，节省材料。图 3.6（b）是用上、下两块盖板和角焊缝连接的，其特点是允许下料尺寸有较大的偏差（offset），制造省工，但多用了两层盖板，费料且有应力集中影响，疲劳强度较低。

图 3.6（c）是用角焊缝的搭接连接，这种连接传力不均匀，疲劳强度较低，但构造简单，施工方便，在屋架的腹杆与节点板的连接中被广泛采用。

图 3.6（d），（e）都属于T形连接，其中（d）是用角焊缝的T形连接，构造简单，应用广泛，但疲劳强度较低。（e）是用K形坡口对接焊缝的T形连接。

图 3.6（f），（g），（h）都属于角接，角接主要用于制作箱形截面构件，可采用角焊缝，也可采用对接焊缝。当板件较厚且受力较小时，还可采用如图 3.6（i）所示的未焊透对接焊缝。

焊缝按施焊时焊工所持焊条与焊件间的相对位置分为平焊、横焊、立焊和仰焊 4 种（图3.7）。平焊施焊方便，质量最好；立焊和横焊的质量及生产效率比平焊次之；仰焊的操作条件最差，焊缝质量不易保证，应尽量避免。

3.2.3 焊缝缺陷和焊缝质量检验

（1）焊缝缺陷

焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。常见的焊缝缺陷有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透（图 3.8）以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。

裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷，按裂纹产生的时间，可分为热裂纹和冷裂纹（图 3.9）。热裂纹是在施焊时产生的，冷裂纹是在焊缝冷却过程中产生的。

在施焊时，主体金属和焊条的熔化金属相混合，并在加热停止后开始金属结晶，结晶时，正在冷却的金属受到冷却引起的拉应力作用，而这些拉应力作用在尚未获得足够强度的热金属上，容易引起热裂纹。这些裂纹起初并不明显，但以后在外荷载作用下可能导致脆性破坏，当有动力荷载作用时，这种裂纹尤其危险。主体金属中碳和其他杂质的含量较高，大晶粒组织，焊接厚度大等都能促成热裂纹的产生；有内部应力集中因素（气泡及夹渣）的沸腾钢，也有产生热裂纹的倾向，故在直接承受动力荷载的焊接结构中宜采用镇静钢。

如果在焊接的热影响区剧烈冷却，也可能产生淬硬组织，其韧性及塑性大大降低。冷却时产生的拉应力会产生与焊缝平行的冷裂纹。含碳量较高、使用沸腾钢及主体金属过厚等都能促成冷裂纹的出现。

产生裂纹的原因很多，如钢材的化学成分不当，焊接工艺条件（如电流、电压、焊速、施焊次序等）选择不合理，焊件表面油污未清除干净等。因此，可采用合理的施焊次序以减小焊接应力，避免出现裂纹；或进行预热、缓慢冷却或焊后处理以减少裂纹的形成。

（2）焊缝质量检验

焊缝缺陷将削弱焊缝的受力面积，而且在缺陷处形成应力集中，裂缝往往从缺陷处开始，成为连接破坏的根源，对焊接结构十分不利。因此，焊缝质量检查极为重要。焊缝检验就是检验焊缝及焊接热影响区域的有无各种缺陷，并作相应的处理，评价焊接质量、性能是否达到设计要求，确保焊缝安全可靠。

焊缝质量检验一般可用外观检查及内部无损检验，前者检查外观缺陷和几何尺寸，后者检查内部缺陷。内部无损检验目前广泛采用超声波检验。超声波检验使用灵活、经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质，因此，有时还用磁粉检验、荧光检验等较简单的方法作为辅助。此外，还可采用X射线或γ射线透照拍片，但其应用不及超声波探伤广泛。

《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205—2020）规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝做外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准，其中一级焊缝探伤比例为 100%，二级焊缝探伤比例为 20%，三级焊缝可不做探伤检查。角焊缝由于连接处钢板之间存在未熔合的部位，故一般按三级焊缝进行外观检查，特殊情况下可以要求按二级焊缝进行外观检查。

3.2.4 焊缝代号

焊缝代号用于钢结构施工图上对焊缝进行标注，标明焊缝形式、尺寸和辅助要求等。标注方法应符合《建筑结构制图标准》（GB/T 50105—2010）规定。表 3.1 列出一些常用的焊缝代号和标注方法，注意不同焊缝的代号和标注特点。

例如，标注单面焊缝时，当箭头指向焊缝所在的一面时，应将图形符号和尺寸标注在横线上方；当箭头指在焊缝所在的另一面（相对应的那边）时，应将图形符号和尺寸标注在横线的下方。标注双面焊缝时，应在横线的上下方都标注符号和尺寸，上方表示箭头一面的符号和尺寸，下方表示另一面的符号和尺寸；当两面尺寸相同时，只需在横线上方标注尺寸即可。焊缝符号表示焊缝的形式，如用“□”表示角焊缝，用“V”表示V形坡口对接焊缝，用“K”表示焊透的K形坡口对接焊缝；用“ ”表示塞焊缝；辅助符号表示焊缝的辅助要求，如用“ ”表示现场安装焊缝，用“ ”表示三面围焊等。

当焊缝分布比较复杂或用上述注标方法不能表达清楚时，可在标注焊缝代号的同时，在图上加栅线表示焊缝（图 3.10）。