3.3 对接焊缝的构造和计算

3.3.1 对接焊缝的构造

对接焊缝常做成带坡口的形式，故又称为坡口焊缝。常用的坡口形式有直边形、单边V形、V形、U形、K形和X形（图 3.11）。做坡口是为了便于施焊，保证焊接质量，应根据焊件的厚度选用不同的坡口形式。坡口形状参数有：斜坡角度 α 、钝边厚度 p 和间隙宽度 c 。

当焊件厚度 t ≤6 mm（手工焊）或 t ≤10 mm（埋弧焊）时，可采用直边形焊缝；对于一般厚度的焊件（ t = 8~ 20 mm），可采用单边V或V形焊缝，斜坡口和间隙c形成一个焊条能够施焊的空间，使焊缝易于焊透；对于焊件厚度 t >20 mm,应采用施焊空间更大的U形、K形或X形焊缝。

当间隙 c 过大时，为防止熔化金属溢出，可采用垫板，如图 3.11（g），（h），施焊成型后，垫板可除去，也可保留。

对接焊缝的两端，常因不能熔透而出现凹形的焊口，焊口处常产生裂纹和应力集中。所以，对接焊缝施焊时应采用引弧板（图 3.12）消除此影响；在一些特殊情况下无法采用引弧板时（如T形接头的对接焊缝），每条焊缝的计算长度（有效长度）=焊缝长度-2 t （ t 为较薄焊件的厚度）。

在对接焊缝的拼接处，当两块焊件的宽度或厚度相差 4 mm以上时，应分别把较宽或较厚一侧的板件做成坡度不大于 1 ∶ 2.5 的斜边与窄或薄的焊件焊接，使截面缓和过渡以减小应力集中（图 3.13）。

3.3.2 对接焊缝的强度计算

焊缝的强度计算，就是要设计焊缝，或验算焊缝是否满足强度条件，保证连接的可靠性。计算时，取焊缝连接部分为分析对象，根据受力情况，由力学分析方法不难得到对接焊缝的强度计算公式。

（1）对接焊缝受轴心力作用

图 3.14 表示受轴向力作用的受拉构件连接，对接焊缝与轴力垂直，焊缝截面的应力均匀分布，强度计算公式为：

式中 N ——轴心拉力或压力；

l _w ——焊缝的计算长度，未使用引弧板时, l _w = l -2 t ,采用引弧板时 l _w = l ;

l ——焊缝的几何长度；

t ——被连接件的较小厚度，在T形连接中为腹板厚度；

——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（查附表 1.3）。

对于焊缝质量等级为一、二级的对接焊缝，其强度与钢材强度相等。因此，如果连接中使用了引弧板，则钢材强度满足焊缝强度，可不验算。而焊缝质量为三级的焊缝，其强度低于钢材强度，必须按公式（3.1）计算。

如果直焊缝的强度不满足，可使用斜对接焊缝（图 3.15），使焊缝的长度增加，应力减小。若取焊缝与作用力之间的夹角 θ ≤56.3° （ tan θ ≤1.5），斜焊缝的强度不会低于钢材，可不验算。

例 3.1 如图 3.14 和图 3.15 所示，两块钢板通过对接焊缝连接成一个整体，钢板宽度 l =540 mm,厚度 t = 22 mm,轴拉力设计值为 N = 3 100 kN。钢材为Q355B,手工焊，焊条为E50型，对接焊缝为三级，施焊时加引弧板（引出板），试验算该对接焊缝的强度。（注：由于对接焊缝一般采用焊透的对接焊缝形式，因此如果不做特别说明，对接焊缝就是指焊透的对接焊缝）

解 直对接焊缝的计算长度 l _w = 540 mm,由式（3.1）得焊缝正应力为：

由计算可知，采用直对接焊缝不满足要求，改用斜对接焊缝并取 θ =56°，则焊缝计算长度 l _w = = 651（mm）。斜对接焊缝的应力计算如下：

正应力

剪应力

此题也印证了：当三级焊缝受拉采用斜对接焊缝并取tan θ ≤1.5 时，对接焊缝能够满足强度要求，故可不必验算。

（2）对接焊缝受弯矩、剪力共同作用

图 3.16 为钢结构中采用对接焊缝连接的工字形截面梁，焊缝受弯矩和剪力共同作用。截面上正应力、剪应力分布如图示，在上、下翼缘边有最大正应力，在腹板中部有最大剪应力，且都属于单向应力状态，应分别验算这两点的抗弯强度和抗剪强度：

式中 I _w ——焊缝计算截面的惯性矩；

S _w ——计算剪应力处以外的焊缝计算截面对中和轴的面积矩；

W _w ——焊缝计算截面的抵抗矩；

t _w ——腹板厚度；

——对接焊缝的抗剪强度设计值。

另外，在翼缘与腹板相交处，同时受较大正应力和剪应力，且属于双向应力状态，该点的应力按折算应力计算。考虑折算应力只是在局部出现，焊缝的强度设计值可提高 10%，故得计算公式如下：

式中 σ ₁ ——腹板与翼缘交接处由弯矩引起的正应力；

τ ₁ ——腹板与翼缘交接处的剪应力。

（3）对接焊缝受轴心力、弯矩和剪力共同作用

如图 3.17 所示，将轴心力作用在焊缝截面上产生的正应力与弯矩产生的正应力叠加。此时，最大正应力仍在翼缘边，单向受力；其余部分均受正应力和剪应力作用，处于双向应力状态，但最大应力点还是在翼缘与腹板相交处。

计算公式如下：

例 3.2 图 3.18 所示牛腿与钢柱连接，牛腿上作用一集中力 F = 3.8×10 ⁵ N（静载），采用对接焊缝，焊缝截面为工字形。材料为Q355B钢，采用手工焊，焊条为E50 型，焊缝质量等级为三级，施焊时上下翼缘加引弧板，验算连接是否可靠。

解 由于集中力 F 的作用，在焊缝截面产生竖向剪力 V = F ;弯矩 M = F · e =3.8×10 ⁵ ×200=7.6×10 ⁷ N。因此，连接受剪力与弯矩共同作用，分别按式（3.2）~式（3.4）验算。

a）查焊缝强度和焊缝截面的几何参数计算

查附表 1.3 得对接焊缝的强度设计值： = 260 N/mm ² , = 175 N/mm ² 。

b）焊缝强度验算

由式（3.2）、式（3.3）验算焊缝截面上的最大正应力和最大剪应力

c）验算对接焊缝在翼缘和腹板相连处的折算应力

由式（3.4）得

连接可靠。 +rDhWk/tknxA0ObCHMcLdoLdD4Jz2IIBzMGCj5U1sQRKMNIRu1iD7bO+d/D1zy3t