用主要的焊接方法如熔焊、壓焊和釬焊都可制成焊接結(jié)構(gòu)，用這些焊接方法連接金屬結(jié)構(gòu)形成不可拆的連接接頭—焊接接頭，分別形成熔焊接頭、壓焊接頭和釬焊接頭，從而構(gòu)成焊接結(jié)構(gòu)。但應(yīng)用最廣泛的是熔焊，這里重點(diǎn)介紹熔焊接頭。

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(qiáng)度高且硬,而韌性下降。對于高強(qiáng)度鋼，采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，如預(yù)熱、緩冷或采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(qiáng)度相對母材強(qiáng)度可能要高或低，前者稱為高匹配，后者稱為低匹配。

寬度不大的熱影響區(qū)，由于焊接溫度場梯度大，各點(diǎn)的熱循環(huán)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(guān)。特別要指出的是經(jīng)過焊接熱循環(huán)后發(fā)生的“動應(yīng)變時(shí)效”(熱應(yīng)變時(shí)效)會使接頭性能惡化。將鋼材、鋁材等經(jīng)預(yù)應(yīng)變后，會產(chǎn)生變脆的“時(shí)效”現(xiàn)象，這種預(yù)應(yīng)變及時(shí)效都是在低溫(室溫)下發(fā)生的，通常稱為“靜應(yīng)變時(shí)效”。而焊接熱影響區(qū)經(jīng)焊接熱循環(huán)后會產(chǎn)生熱應(yīng)變，焊接的高溫加速了時(shí)效脆化，所以“動應(yīng)變時(shí)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(gòu)成的焊接接頭有對接接頭、角接接頭、T形(十字)接頭、搭接接頭和塞焊接頭等。根據(jù)GB/T 985-1988《氣焊、焊條電弧焊及氣體保護(hù)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(gòu)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(xì)實(shí)線表示)。由符號字母代表的有關(guān)尺寸見表5-6。表5-6是參照GB/T 985-1988 ， GB/T 986-1988標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定列出的。選擇哪一種坡口形式除按照上述兩標(biāo)準(zhǔn)外,也可按行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由焊件厚度確定,并且有一個(gè)合適的區(qū)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(shí)，該坡口適于12~ 60mm厚的板；用埋弧焊時(shí)，適于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(zhì)量,同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)性。

電渣焊接頭是熔焊接頭中重要的一種接頭。當(dāng)焊件厚度大于30mm時(shí)即可以考慮采用電渣焊接頭，特別是大斷面的焊縫，例如焊件厚度大于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(dāng)工件采用電渣焊時(shí)要使工件位置做到焊縫由下至上，即適于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(nèi)外側(cè)應(yīng)該有擋塊，電渣焊適于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(jī)器件的拼焊等。電渣焊的焊件焊后通常要經(jīng)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(qū)、粗晶粒、高殘余應(yīng)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(zhuǎn)化為熱能而熔化焊接接頭的焊縫區(qū)而進(jìn)行的熔焊。其特點(diǎn)是可焊接各種特殊的金屬，大厚度,焊縫的深寬比大(可達(dá)25 :1)。按其特點(diǎn)應(yīng)用于核反應(yīng)堆元件，航空、航天設(shè)備中的某些特殊金屬、超高強(qiáng)度鋼及耐熱合金零件的焊接。由于電子束直徑細(xì)、焊接能量集中，焊接時(shí)不加填充金屬,形成了電子束焊接頭的一些特點(diǎn)。這種接頭也有對接、角接、T形接和搭接形式,還有一種類似于電渣焊的疊接的端接形式，只是焊件是貼緊的。

熔焊坡口形式根據(jù)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(shù)都是這種組合型的坡口。坡口形式通常根據(jù)工廠條件、工藝要求等考慮以下問題來決定。

應(yīng)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,后者有時(shí)通過加工來達(dá)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為角焊縫的特征尺寸，角焊縫的焊腳尺寸為焊縫內(nèi)接等腰直角三角形的直角邊，如圖5 -3所示。

(3)工作接頭、聯(lián)系接頭和密封接頭    

前述焊接接頭的基本類型主要是根據(jù)采用的焊接工藝來區(qū)分的。實(shí)際上也是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)焊縫的承載狀況來分的。焊接結(jié)構(gòu)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(xí)慣上又稱為工作焊縫和聯(lián)系焊縫，如圖5-4所示。前者將結(jié)構(gòu)中的作用力由一個(gè)零件傳至另一個(gè)零件，焊縫和零(構(gòu))件串聯(lián)在一起，這種焊縫必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。后者的焊縫和零(構(gòu))件并聯(lián)在一起,與零(構(gòu))件一起同時(shí)受力和變形，焊縫即使破壞，一般也不會影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全工作，傳遞作用力不是焊縫的主要任務(wù)，通?？刹贿M(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。但嚴(yán)格講,應(yīng)該認(rèn)為是整個(gè)接頭，除焊縫外，還有熔合線、熱影響區(qū)等承擔(dān)(串聯(lián)或并聯(lián))直接作用載荷或不直接承受載荷(并聯(lián))，所以有資料提出了工作接頭、聯(lián)系接頭和密封接頭。后者的主要任務(wù)是防止泄漏,故多屬于工作接頭。

(4)焊接接頭工作應(yīng)力的分布   

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(shí)際上也是一種搭接接頭。在焊接接頭中工作應(yīng)力的分布不是均勻的,也就是存在應(yīng)力集中,而各種接頭應(yīng)力集中的情形亦不相同。其中對接接頭應(yīng)力集中最小，形式最簡單，力的傳遞也較少轉(zhuǎn)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(xiàn)較大的余高和過渡處圓弧半徑較小，則應(yīng)力集中將增大，圖5 -5是對接接頭中應(yīng)力分布的情形。圖5-6則是應(yīng)力集中系數(shù)Kσ隨余高h(yuǎn)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(zhuǎn)折大，力線扭曲，應(yīng)力分布不均，易出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，其應(yīng)力分布如圖5 -7所示。由圖5-7a可見，由不開坡口角焊縫構(gòu)成的T形(十字)接頭，即圖5 -1a所示T形接頭，其最大應(yīng)力在角焊縫的根部，如Ⅰ - Ⅰ、 Ⅱ - Ⅱ截面的A點(diǎn)和Ⅲ - Ⅲ截面的B點(diǎn)。如開坡口焊透，則應(yīng)力分布大為改善，如圖5-7b所示。T形(十字)接頭也是典型的熔焊接頭，應(yīng)用亦很廣，該接頭在造船業(yè)中占所有接頭的70%，所以改善其應(yīng)力分布十分重要。對于Ⅰ形坡口的角焊縫構(gòu)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(yīng)力集中下降，當(dāng)θ角小于或大于45&deg；，即屬圖5-3d的不等邊角焊縫時(shí)，只有長邊順著力線方向(即θ<45&deg；)，才會改善應(yīng)力分布不均的狀況。

由角焊縫構(gòu)成的搭接接頭，其應(yīng)力分布很不均勻，它不是理想的結(jié)構(gòu)接頭形式，在動載和低溫時(shí)尤其應(yīng)避免采用。但由于采用搭接接頭，裝配工作十分簡便，焊前準(zhǔn)備工作簡單，構(gòu)件收縮量小，故在一些受靜載的建筑結(jié)構(gòu)中和用薄板制造的儲罐結(jié)構(gòu)中仍被采用。應(yīng)該指出：搭接接頭又可分為正面搭接和側(cè)面搭接，搭接接頭中不僅存在角焊縫橫截面上應(yīng)力分布不均的情形(和T形接頭角焊縫類似)，而且正面和側(cè)面搭接焊縫中的應(yīng)力分布也不同，側(cè)面搭接焊縫沿焊縫長度的應(yīng)力分布不均，如圖5-8所示。該圖是僅有側(cè)面搭接焊縫的情況,A_1、A₂表示搭接板的截面積，曲線為切應(yīng)力Tx的分布。由圖5-8c可見，當(dāng)焊縫長度增加,應(yīng)力分布不均加劇，中段幾乎不受力,故一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了承載搭接焊縫(側(cè)面搭接)的長度。

第三，不考慮正、側(cè)面角焊縫上應(yīng)力的差別和焊縫上應(yīng)力分布的不均，這給計(jì)算帶來了方便。由于側(cè)面搭接焊縫隨焊縫長度的增加，應(yīng)力不均勻程度增大，上述計(jì)算規(guī)定限制了計(jì)算焊縫的長度。

第四，限制角焊縫的最小焊腳尺寸，一般不應(yīng)小于4mm，當(dāng)板厚小于4mm，則焊腳尺寸可與板厚相同。圖5 -10各種搭接接頭強(qiáng)度的計(jì)算見表5-8的相關(guān)部分。

③T形接頭強(qiáng)度的計(jì)算：如圖5-7所示，T形接頭和十字接頭可以由角焊縫構(gòu)成(見圖5 -7a)，這種接頭會產(chǎn)生應(yīng)力集中，也可以由對接焊縫，如K形坡口(見圖5-7b)焊縫構(gòu)成，后者應(yīng)力集中要小得多。表5-8所列包括了兩種焊縫的強(qiáng)度計(jì)算?？梢钥闯觯呛缚p的強(qiáng)度計(jì)算與搭接角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算是一樣的，而后者又和對接焊縫強(qiáng)度的計(jì)算相同。應(yīng)該指出，T形接頭承受壓力(見圖5 -11a)時(shí)，由于立板可與蓋板抵緊，承受壓力能力大為提高，可用式(5 -20 )進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。很多情況下，集中力既不平行、又不垂直于焊縫，可以將作用力分解成兩部分，分別進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，如圖5 -11 d及表5-8中式(5 -26 )。

2)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法焊縫連接的計(jì)算。根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用焊接連接時(shí)，對于對接接頭、T形接頭、角接頭和搭接接頭上的焊縫，采用了對接焊縫、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(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、載荷特性、焊縫形式、工作環(huán)境以及應(yīng)力狀態(tài)等情況選用是否熔透和不同質(zhì)量等級，如承受疲勞構(gòu)件的對接焊縫均應(yīng)焊透且焊縫質(zhì)量為I 、II級；雖不計(jì)疲勞,但要求與母材等強(qiáng)的，也要求焊透，并應(yīng)不低于II級的焊縫質(zhì)量；重級工作制的吊車梁、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。