焊縫概念知多少

一、概論

鋼結構的連線方法可分為焊縫連線、螺栓連線和鉚釘連線三種。焊接連線是現代鋼結構最主要的連線方法。它的優點是：（1）焊件間可直接相連，構造簡單，製作加工方便；（2）不削弱截面，用料經濟；（3）連線的密閉性好，結構剛度大；（4）可實現自動化操作，提高焊接結構的質量。缺點是：（1）在焊縫附近的熱影響區內，鋼材的材質變脆；（2）焊接殘餘應力和變形使受壓構件承載力降低；（3）焊接結構對裂紋很敏感，低溫時冷脆的問題較為突出。

從事鋼結構的工程人員，無論是設計或者施工，都避不開焊縫。本文僅簡單地從鋼結構工程中所涉及到的焊縫的分類、表示方法、焊縫的分類、設計要點、施工缺陷及補救措施、檢測方法等方面做基礎知識彙總介紹，以供初學者對其有基本概念認知。瞭解→熟悉→掌握焊縫和螺栓的基本知識，是從事鋼結構工作的基本要求。下一篇文我們將會對門剛從設計和構造方面進行專題介紹。

二、焊縫的定義及符號

利用焊接熱源的高溫，將焊條/焊絲和接縫處的金屬熔化冷卻後所形成的結合部分，即填充金屬與熔化的母材凝固後形成的區域，稱為焊縫。可以簡單地類比為將兩塊鋼板或構件粘接為一體的膠水（哪裡需要粘哪裡，so easy！）。通常我們說的焊縫主要指用於工業與民用鋼結構中承受靜荷載活動荷載，厚度≥3mm的結構焊接。

焊接符號是一種鋼結構工程語言，能簡單、明瞭地在圖紙上說明焊縫的形狀、幾何尺寸和焊接方法。

具體的多種焊縫符號表示方法見

G

B324-2008

。焊接符號可以表示出：

（1）所焊焊縫的位置。

（2）焊縫橫截面形狀（坡口形狀）及坡口尺寸。

（3）焊縫表面形狀特徵。

（4）表示焊縫某些特徵或其他要求。

1

、

焊接符號標註中的指引線

指引線是表示指引焊縫位置的符號。由帶箭頭的指引線和兩條基準線（一條為實線，另一條為虛線）組成。指引線指向有關焊縫處，基準線一般應為水平線。焊縫符號及尺寸標註在基準線上，必要基準線末端加一尾部，作其它說明用（如焊接方法等），如圖3-18所示。

2

、

焊接符號標註方法

完整的焊縫表示方法應包括上述基本符號、輔助符號、補充符號，以及指引線、一些尺寸符號和資料等。標註箭頭線時，可指向焊縫或不指向焊縫，如圖3-19所示。

基準線的虛線可在基準線的實線上側或下側，當焊縫在接頭的箭頭側，則基本符號標在基準線的實線側（通常用這種，且省略了虛線）；如果焊縫在接頭非箭頭側，則將基本符號標在基準線的虛線側（常用在不便於標註在焊縫側時）。標註對稱焊縫或雙面焊縫可不加虛線，如圖3-20所示。

三、焊縫的不同分類

四、概念設計要點

焊縫的具體計算參見鋼標和鋼結構設計手冊，本文僅對焊縫的概念設計要點進行闡述。

1、

對接焊縫

對接焊縫的焊件常需加工成坡口，故又叫坡口焊縫。焊縫金屬填充在坡口內，所以對接焊縫是被連線件的組成部分。坡口形式與焊件厚度有關。當焊件厚度很小（手工焊t≤6mm，埋弧焊t≤10mm）時，可用直邊縫。對於一般厚度（t=10～20mm）的焊件可採用具有斜坡口的單邊V形或V形焊縫。斜坡口和離縫c共同組成一個焊條能夠運轉的施焊空間，使焊縫易於焊透；鈍邊p有托住熔化金屬的作用。對於較厚的焊件（t＞20mm），則採用U形、K形和X形坡口。對於V形縫和U形縫需對焊縫根部進行補焊。對接焊縫坡口形式的選用，應根據板厚和施工條件按現行標準《建築結構焊接規程》的要求進行。凡T形，十字形或角接接頭的對接焊縫稱之為對接與角接組合焊縫。

對接焊縫的坡口形式

A、焊縫等級確定原則：

如果焊縫中不存在任何缺陷，焊縫金屬的強度是高於母材的。

鋼結構中一般採用三級焊縫即可滿足通常的強度要求，但其中對接焊縫的抗拉強度有較大的變異性，其設計值僅為主體鋼材的85%左右，而一、二級檢驗的焊縫的抗拉強度可認為與母材強度相等。當直焊縫不能滿足強度要求時，可採用斜對接焊縫。

因而對有較大拉應力的對接焊縫，以及直接承受動力荷載的重要焊縫，可部分採用二級焊縫，對抗動力和疲勞效能有較高要求處可採用一級焊縫。具體參照鋼標GB50017規範規定，焊縫應根據結構的重要性、荷載特性、焊縫形式、工作環境以及應力狀態等情況，按下述原則分別選用不同的質量等級：

（1）在需要進行疲勞計算的構件中，凡對接焊縫均應焊透，其質量等級為：①作用力垂直於焊縫長度方向的橫向對接焊縫或T型對接與角接組合焊縫，受拉時應為一級，受壓時應為二級；②作用力平行於焊縫長度方向的縱向對接焊縫應為二級。

（2）不需要計算疲勞的構件中，凡要求與母材等強的對接焊縫應予焊透，其質量等級當受拉時應不低於二級，受壓時宜為二級。

（3）重級工作制和起重量Q≥50t的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣之間以及吊車桁架上弦杆與節點板之間的T形接頭焊縫均要求焊透。

焊縫形式一般為對接與角接的組合焊縫，其質量等級不應低於二級。

（4）不要求焊透的T形接頭採用的角焊縫或部分焊透的對接與角接組合焊縫，以及搭接連線採用的角焊縫，其質量等級為：①對直接承受動力荷載且需要驗算疲勞的結構和吊車起重量等於或大於50t的中級工作制吊車梁，焊縫的外觀質量標準應符合二級；②對其他結構，焊縫的外觀質量標準可為三級。

B、焊縫需要強度驗算的情況：只對有拉應力構件中的三級對接焊縫，才需專門進行對接焊縫抗拉強度的計算。因為1、焊縫質量檢驗為一、二級的焊縫，其強度與主體鋼材的強度相同，所以只要鋼材強度滿足設計要求，則此種級別的對接焊縫強度便滿足要求。2、理論分析和試驗結果表明，焊接缺陷對受壓對接焊縫的強度無影響，所以規範規定對接焊縫的抗壓設計強度和母材的設計強度相同。但是承受拉力的對接焊縫對焊縫中的缺陷非常敏感，缺陷不但降低了連線的靜力強度，而且還降低了連線的疲勞強度。同時，質量檢驗為建築鋼結構三級的焊縫允許存在較多缺陷，其抗拉強度僅為母材強度的85%。

C、不需要進行強度計算的情況：

（1）同時滿足：①保證焊縫質量（焊縫為一、二級）；②採用引弧板（保證焊縫的有效截面）。

（2）採用斜焊縫，且焊縫的長度方向與受力方向的夾角的正切小於等於1。5。

補充：設計人員最喜歡使用一、二級對接焊縫（因為不需要單獨進行焊縫受力計算呀），甚至一股腦規定為完全熔透一級焊縫。雖然設計階段省心省力，但是，這無疑加大了專案的綜合成本（高階焊工工資高、焊劑成本高-大約是鋼材的3倍左右、檢驗數量及要求高）。因此，設計人員應該合理選用焊縫形式和設計焊縫高度。

2、角焊縫

角焊縫按其截面形式可分為直角角焊縫和斜角角焊縫。兩焊腳邊的夾角為90°的焊縫稱為

直角角焊縫

，直角邊邊長hf稱為

角焊縫

的焊腳尺寸

，he＝0。7hf為直角角焊縫的

計算厚度

。斜角角焊縫常用於鋼漏斗和鋼管結構中。對於夾角大於135°或小於60°的斜角角焊縫，不宜用作受力焊縫（鋼管結構除外）。

3、焊接裂紋及其防治措施

五、構造與計算

A

、直角角焊縫的構造與計算

角焊縫按其與作用力的關係可分為正面角焊縫、側面角焊縫和斜焊縫。

正面角焊縫

的焊縫長度方向與作用力垂直，

側面角焊縫

的焊縫長度方向與作用力平行，

斜焊縫

的焊縫長度方向與作用力傾斜，由正面角焊縫、側面角焊縫和斜焊縫組成的混合，通常稱作圍焊縫。

側面角焊縫主要承受剪力，塑性較好，強度較低。應力沿焊縫長度方向的分佈不均勻，呈兩端大而中間小的狀態。焊縫越長，應力分佈不均勻性越顯著。

正面角焊縫受力複雜，其破壞強度高於側面角焊縫，但塑性變形能力差。斜焊縫的受力效能和強度值介於正面角焊縫和側面角焊縫之間。

1．角焊縫的構造要求

（3）角焊縫的最小計算長度

側面角焊縫或正面角焊縫的計算長度不得小於8hf和40mm。

（4） 側面角焊縫的最大計算長度

側面角焊縫在彈性階段沿長度方向受力不均勻，兩端大而中間小，可能首先在焊縫的兩端破壞，故規定側面角焊縫的計算長度lw≤60hf。若內力沿側面角焊縫全長分佈，可不受上述限制。

（5）搭接連線的構造要求

當板件端部僅有兩條側面角焊縫連線時，應使每條側焊縫的長度不宜小於兩側焊縫之間的距離。兩側面角焊縫之間的距離也不宜大於16t（t＞12mm）或190mm（t≤12mm），t為較薄焊件的厚度。

搭接連線中，當僅採用正面角焊縫時，其搭接長度不得小於焊件較小厚度的5倍，也不得小於25mm。

圖5 焊縫長度及兩側焊縫間距

（6） 間斷角焊縫的構造要求

間斷角焊縫只能用於一些次要構件的連線或受力很小的連線中。間斷角焊縫的間斷距離l不宜過長，以免連線不緊密。一般在受壓構件中應滿足l≤15t；在受拉構件中l≤30t，t為較薄焊件的厚度。

圖7 連續角焊縫和間斷角焊縫

（7） 減小角焊縫應力集中的措施

杆件端部搭接採用三面圍焊時，所有圍焊的轉角處必須連續施焊。對於非圍焊情況，當角焊縫的端部在構件轉角處時，可連續地作長度為2hf的繞角焊。

2.

直角角焊縫強度計算的基本公式

3

．角焊縫連線的計算

（1）承受軸心力作用的角焊縫連線計算

1）採用蓋板連線

當軸心力透過連線焊縫中心時，可認為焊縫應力是均勻分佈的。

圖8 承受軸心力的蓋板連線

圖

9

承受斜向軸心力

3）承受軸心力的角鋼角焊縫計算

鋼桁架中角鋼腹杆與節點板的連線焊縫一般採用兩面側焊或三面圍焊，特殊情況也可採用L形圍焊。腹杆受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，焊縫所傳遞的合力的作用線應與角鋼杆件的軸線重合。

圖10 角鋼與節點板的連線

圖11 承受偏心斜拉力的角焊縫

工字形和H形截面梁（或牛腿）與鋼柱翼緣的角焊縫連線，通常承受彎矩M和剪力V的共同作用。計算時通常假設腹板焊縫承受全部剪力，彎矩則由全部焊縫承受。

圖

12

工字形梁（或牛腿）的腳焊縫連線

翼緣焊縫的最大彎曲應力發生在翼緣焊縫的最外纖維處，此應力滿足角焊縫的強度條件

2）圍焊承受剪力和扭矩作用時的計算

圖13 受剪力和扭矩作用的腳焊縫

圖13所示為採用三面圍焊搭接連線。該連線角焊縫承受豎向剪力

V

＝

F

和扭矩

T

＝

F

（

e

1+

e

2）作用。

計算角焊縫在扭矩

T

作用下產生的應力時，是基於下列假定：

① 被連線件是絕對剛性的，它有繞焊縫形心

O

旋轉的趨勢，而角焊縫是彈性的；

② 角焊縫上任一點的應力方向垂直於該點與形心的連線，且應力大小與連線長度

r

成

正比。

圖中

A

點與A“ 點距形心

O

點最遠，故

A

點和A”點由扭矩

T

引起的剪應力最大，焊縫群其他各處由扭矩

T

引起的剪應力均小於

A

點和A“點的剪應力，故

A

點和A”點為設計控制點。

4

、斜角角焊縫的計算

兩焊腳邊夾角 α為60°≤ α ≤ 135° 的T形接頭的斜角角焊縫採用與直角角焊縫相同的計算公式進行計算。但不考慮焊縫的方向，一律取 βf＝1。0。

B

、

對接焊縫的構造和計算

1

．對接焊縫的強度

焊接缺陷對受壓、受剪的對接焊縫影響不大，故可認為受壓、受剪的對接焊縫與母材強度相等，但受拉的對接焊縫對缺陷甚為敏感，由於三級檢驗的焊縫允許存在的缺陷較多，故其抗拉強度為母材強度的85％，而—、二級檢驗的焊縫的抗拉強度可認為與母材強度相等。

2

．對接焊縫的構造和計算

（1）對接焊縫的構造

對接焊縫的拼接處，當焊件的寬度不同或厚度在一側相差4mm以上時，應分別在寬度方向或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大於1：2。5（直接承受動力荷載且需要進行疲勞計算時不大於1：4）的斜角，以減小應力集中。

焊接時一般應設定引弧板和引出板，焊後將它割除。對受靜力荷載的結構設定引弧（出）板有困難時，允許不設定引弧（出）板，此時可令焊縫計算長度等於實際長度減2t。

圖14 鋼板拼接 圖15 引弧板

（2）對接焊縫的計算

對接焊縫分焊透和部分焊透兩種

1） 焊透的對接焊縫的計算

對接焊縫是焊件截面的組成部分，計算方法與構件的強度計算一樣。

a

、

軸心力作用的對接焊縫

圖16 對接焊縫受彎矩和剪力共同作用

c

、

軸心力、彎矩和剪力共同作用的對接焊縫

:

當軸心力與彎矩、剪力共同作用時，焊縫的最大正應力應為軸心力和彎矩引起的應力之和，剪應力、折算應力仍分別按式（22）和式（23）驗算。

2）部分焊透的對接焊縫

部分焊透的對接焊縫必須在設計圖上註明坡口的形式和尺寸。其強度計算方法與前述直角角焊縫相同，在垂直於焊縫長度方向的壓力作用下，取βf＝1。22，其他受力情況取βf＝1。0。

六、施工缺陷及補救措施

焊縫缺陷是指焊接過程中產生於焊縫金屬或附近熱影響區鋼材表面或內部的缺陷。常見的缺陷有裂紋（

裂紋是焊縫連線中最危險的缺陷

）、焊瘤、燒穿、弧坑、氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透等；以及焊縫尺寸不符合要求、焊縫成形不良等。

產生裂紋的原因很多，如鋼材的化學成分不當；焊接工藝條件如電流、電壓、焊速、施焊次序等選擇不合適；焊件表面油汙未清除乾淨等。

2、焊縫質量檢驗

《鋼結構工程施工質量驗收規範》規定焊縫按其檢驗方法和質量要求分為一級、二級和三級。三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質量標準；一級、二級焊縫則除外觀檢查外，還要求一定數量的超聲波檢驗及射線檢驗並符合相應級別的質量標準。焊縫質量的外觀檢驗檢查外觀缺陷和幾何尺寸，內部無損檢驗檢查內部缺陷。

焊縫質量檢驗一般可用外觀檢查及內部無損檢驗，前者檢查外觀缺陷和幾何尺寸，後者檢查內部缺陷。

內部無損檢驗目前廣泛採用超聲波檢驗。該方法使用靈活、經濟，對內部缺陷反應靈敏，但不易識別缺陷性質；有時還用磁粉檢驗、熒光檢驗等較簡單的方法作為輔助。此外還可採用X射線或r射線透照或拍片。

三級焊縫只要求對全部焊縫作外觀檢查且符合三級質量標準；設計要求全焊透的一級、二級焊縫則除外觀檢查外，還要求用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗，超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應採用射線探傷檢驗，並應符合國家相應質量標準的要求。

一級焊縫超聲波和射線探傷的比例均為100%，二級焊縫超聲波探傷和射線探傷的比例均為20%且均不小於200mm。

當焊縫長度小於200mm時，應對整條焊縫探傷。