焊缝概念知多少一、概论
钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。它的优点是：（1）焊件间可直接相连，构造简单，制作加工方便；（2）不削弱截面，用料经济；（3）连接的密闭性好，结构刚度大；（4）可实现自动化操作，提高焊接结构的质量。缺点是：（1）在焊缝附近的热影响区内，钢材的材质变脆；（2）焊接残余应力和变形使受压构件承载力降低；（3）焊接结构对裂纹很敏感，低温时冷脆的问题较为突出。
从事钢结构的工程人员，无论是设计或者施工，都避不开焊缝。本文仅简单地从钢结构工程中所涉及到的焊缝的分类、表示方法、焊缝的分类、设计要点、施工缺陷及补救措施、检测方法等方面做基础知识汇总介绍，以供初学者对其有基本概念认知。了解→熟悉→掌握焊缝和螺栓的基本知识，是从事钢结构工作的基本要求。文我们将会对门刚从设计和构造方面进行专题介绍。
二、焊缝的定义及符号
利用焊接热源的高温，将焊条/焊丝和接缝处的金属熔化冷却后所形成的结合部分，即填充金属与熔化的母材凝固后形成的区域，称为焊缝。可以简单地类比为将两块钢板或构件粘接为一体的胶水（哪里需要粘哪里，soeasy!）。通常我们说的焊缝主要指用于工业与民用钢结构中承受静荷载活动荷载，厚度≥3mm的结构焊接。
焊接符号是一种钢结构工程语言，能简单、明了地在图纸上说明焊缝的形状、几何尺寸和焊接方法。具体的多种焊缝符号表示方法见GB-。焊接符号可以表示出:(1)所焊焊缝的位置。(2)焊缝横截面形状(坡口形状)及坡口尺寸。(3)焊缝表面形状特征。(4)表示焊缝某些特征或其他要求。
1、焊接符号标注中的指引线
指引线是表示指引焊缝位置的符号。由带箭头的指引线和两条基准线(一条为实线，另一条为虚线)组成。指引线指向有关焊缝处，基准线一般应为水平线。焊缝符号及尺寸标注在基准线上，必要基准线末端加一尾部，作其它说明用(如焊接方法等)，如图3-18所示。
2、焊接符号标注方法
完整的焊缝表示方法应包括上述基本符号、辅助符号、补充符号，以及指引线、一些尺寸符号和数据等。标注箭头线时，可指向焊缝或不指向焊缝，如图3-19所示。
基准线的虚线可在基准线的实线上侧或下侧，当焊缝在接头的箭头侧，则基本符号标在基准线的实线侧（通常用这种，且省略了虚线）；如果焊缝在接头非箭头侧，则将基本符号标在基准线的虚线侧（常用在不便于标注在焊缝侧时）。标注对称焊缝或双面焊缝可不加虚线，如图3-20所示。
三、焊缝的不同分类
四、概念设计要点
焊缝的具体计算参见钢标和钢结构设计手册，本文仅对焊缝的概念设计要点进行阐述。
1、对接焊缝
对接焊缝的焊件常需加工成坡口，故又叫坡口焊缝。焊缝金属填充在坡口内，所以对接焊缝是被连接件的组成部分。坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊t≤6mm，埋弧焊t≤10mm）时，可用直边缝。对于一般厚度（t=10～20mm）的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或V形焊缝。斜坡口和离缝c共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用。对于较厚的焊件（t＞20mm），则采用U形、K形和X形坡口。对于V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。对接焊缝坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准《建筑结构焊接规程》的要求进行。凡T形，十字形或角接接头的对接焊缝称之为对接与角接组合焊缝。
对接焊缝的坡口形式A、焊缝等级确定原则：
如果焊缝中不存在任何缺陷，焊缝金属的强度是高于母材的。
钢结构中一般采用三级焊缝即可满足通常的强度要求，但其中对接焊缝的抗拉强度有较大的变异性，其设计值仅为主体钢材的85%左右，而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。当直焊缝不能满足强度要求时，可采用斜对接焊缝。
因而对有较大拉应力的对接焊缝，以及直接承受动力荷载的重要焊缝，可部分采用二级焊缝，对抗动力和疲劳性能有较高要求处可采用一级焊缝。具体参照钢标GB规范规定，焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质量等级：
(1)在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质量等级为：①作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T型对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；②作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。 (2)不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。 (3)重级工作制和起重量Q≥50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透。 焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝，其质量等级不应低于二级。 (4)不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为：①对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁，焊缝的外观质量标准应符合二级；②对其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。B、焊缝需要强度验算的情况：只对有拉应力构件中的三级对接焊缝，才需专门进行对接焊缝抗拉强度的计算。因为1、焊缝质量检验为一、二级的焊缝，其强度与主体钢材的强度相同，所以只要钢材强度满足设计要求，则此种级别的对接焊缝强度便满足要求。2、理论分析和试验结果表明，焊接缺陷对受压对接焊缝的强度无影响，所以规范规定对接焊缝的抗压设计强度和母材的设计强度相同。但是承受拉力的对接焊缝对焊缝中的缺陷非常敏感，缺陷不但降低了连接的静力强度，而且还降低了连接的疲劳强度。同时，质量检验为建筑钢结构三级的焊缝允许存在较多缺陷，其抗拉强度仅为母材强度的85%。
C、不需要进行强度计算的情况:
（1）同时满足：①保证焊缝质量（焊缝为一、二级）；②采用引弧板（保证焊缝的有效截面）。
（2）采用斜焊缝，且焊缝的长度方向与受力方向的夹角的正切小于等于1.5。
补充：设计人员最喜欢使用一、二级对接焊缝（因为不需要单独进行焊缝受力计算呀），甚至一股脑规定为完全熔透一级焊缝。虽然设计阶段省心省力，但是，这无疑加大了项目的综合成本（高级焊工工资高、焊剂成本高-大约是钢材的3倍左右、检验数量及要求高）。因此，设计人员应该合理选用焊缝形式和设计焊缝高度。
2、角焊缝
角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。两焊脚边的夹角为90°的焊缝称为直角角焊缝，直角边边长hf称为角焊缝的焊脚尺寸，he＝0.7hf为直角角焊缝的计算厚度。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角大于°或小于60°的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）。
3、焊接裂纹及其防治措施
五、构造与计算
A、直角角焊缝的构造与计算
角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。正面角焊缝的焊缝长度方向与作用力垂直，侧面角焊缝的焊缝长度方向与作用力平行，斜焊缝的焊缝长度方向与作用力倾斜，由正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝组成的混合，通常称作围焊缝。
侧面角焊缝主要承受剪力，塑性较好，强度较低。应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著。
正面角焊缝受力复杂，其破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形能力差。斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。
1．角焊缝的构造要求
（3）角焊缝的最小计算长度
侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8hf和40mm。
（4）侧面角焊缝的最大计算长度
侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大而中间小，可能首先在焊缝的两端破坏，故规定侧面角焊缝的计算长度lw≤60hf。若内力沿侧面角焊缝全长分布，可不受上述限制。
（5）搭接连接的构造要求
当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时，应使每条侧焊缝的长度不宜小于两侧焊缝之间的距离。两侧面角焊缝之间的距离也不宜大于16t（t＞12mm）或mm（t≤12mm），t为较薄焊件的厚度。
搭接连接中，当仅采用正面角焊缝时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，也不得小于25mm。
图5焊缝长度及两侧焊缝间距（6）间断角焊缝的构造要求
间断角焊缝只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中。间断角焊缝的间断距离l不宜过长，以免连接不紧密。一般在受压构件中应满足l≤15t；在受拉构件中l≤30t，t为较薄焊件的厚度。
图7连续角焊缝和间断角焊缝（7）减小角焊缝应力集中的措施
杆件端部搭接采用三面围焊时，所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地作长度为2hf的绕角焊。
2.直角角焊缝强度计算的基本公式
3．角焊缝连接的计算
（1）承受轴心力作用的角焊缝连接计算
1）采用盖板连接
当轴心力通过连接焊缝中心时，可认为焊缝应力是均匀分布的。
图8承受轴心力的盖板连接图9承受斜向轴心力
3）承受轴心力的角钢角焊缝计算
钢桁架中角钢腹杆与节点板的连接焊缝一般采用两面侧焊或三面围焊，特殊情况也可采用L形围焊。腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合。
图10角钢与节点板的连接图11承受偏心斜拉力的角焊缝工字形和H形截面梁（或牛腿）与钢柱翼缘的角焊缝连接，通常承受弯矩M和剪力V的共同作用。计算时通常假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受。
图12工字形梁（或牛腿）的脚焊缝连接
翼缘焊缝的最大弯曲应力发生在翼缘焊缝的最外纤维处，此应力满足角焊缝的强度条件
2）围焊承受剪力和扭矩作用时的计算
图13受剪力和扭矩作用的脚焊缝图13所示为采用三面围焊搭接连接。该连接角焊缝承受竖向剪力V＝F和扭矩T＝F（e1+e2）作用。
计算角焊缝在扭矩T作用下产生的应力时，是基于下列假定：
①被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而角焊缝是弹性的；
②角焊缝上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成
正比。
图中A点与A点距形心O点最远，故A点和A点由扭矩T引起的剪应力最大，焊缝群其他各处由扭矩T引起的剪应力均小于A点和A点的剪应力，故A点和A点为设计控制点。
4、斜角角焊缝的计算
两焊脚边夹角α为60°≤α≤°的T形接头的斜角角焊缝采用与直角角焊缝相同的计算公式进行计算。但不考虑焊缝的方向，一律取βf＝1.0。
B、对接焊缝的构造和计算
1．对接焊缝的强度
焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大，故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等，但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感，由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多，故其抗拉强度为母材强度的85％，而—、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。
2．对接焊缝的构造和计算
（1）对接焊缝的构造
对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5（直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算时不大于1:4）的斜角，以减小应力集中。
焊接时一般应设置引弧板和引出板，焊后将它割除。对受静力荷载的结构设置引弧（出）板有困难时，允许不设置引弧（出）板，此时可令焊缝计算长度等于实际长度减2t。
图14钢板拼接图15引弧板（2）对接焊缝的计算对接焊缝分焊透和部分焊透两种
1）焊透的对接焊缝的计算
对接焊缝是焊件截面的组成部分，计算方法与构件的强度计算一样。
a、轴心力作用的对接焊缝
图16对接焊缝受弯矩和剪力共同作用c、轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝:
当轴心力与弯矩、剪力共同作用时，焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之和，剪应力、折算应力仍分别按式（22）和式（23）验算。
2）部分焊透的对接焊缝
部分焊透的对接焊缝必须在设计图上注明坡口的形式和尺寸。其强度计算方法与前述直角角焊缝相同，在垂直于焊缝长度方向的压力作用下，取βf＝1.22，其他受力情况取βf＝1.0。
六、施工缺陷及补救措施
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。常见的缺陷有裂纹（裂纹是焊缝连接中最危险的缺陷）、焊瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等；以及焊缝尺寸不符合要求、焊缝成形不良等。
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适；焊件表面油污未清除干净等。 2、焊缝质量检验
《钢结构工程施工质量验收规范》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作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及射线检验并符合相应级别的质量标准。焊缝质量的外观检验检查外观缺陷和几何尺寸，内部无损检验检查内部缺陷。
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。该方法使用灵活、经济，对内部缺陷反应灵敏，但不易识别缺陷性质；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r射线透照或拍片。 三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；设计要求全焊透的一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤检验，并应符合国家相应质量标准的要求。 一级焊缝超声波和射线探伤的比例均为%，二级焊缝超声波探伤和射线探伤的比例均为20%且均不小于mm。 当焊缝长度小于mm时，应对整条焊缝探伤。
