关于T形接头焊脚尺寸大小的探讨

1关于T形接头焊脚尺寸大小的探讨——广西水工机械厂季志水一、关于T形接头T形接头是由一焊件的端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头，其接头形式见图1。T形接头在焊接结构中被广泛使用，特别是在水工金属结构中约有80%以上的连接是采用T形接头。如闸门主梁腹板与主梁翼缘板、主梁腹板与边梁腹板、隔板与主梁腹板和面板等的连接均为T形接头形式。按照焊件厚度和坡口制备的不同，T形接头通常可分为不开坡口、单边V形坡口、K形坡口以及双U形坡口四种形式。δ图1T形接头a不开坡口T形接头b、开坡口T形接头tbδtpαb在实际使用中，有些焊缝承受载荷，此类焊缝称为工作焊缝；有些焊缝不直接承受载荷，此类焊缝称为联系焊缝。2工作焊缝必须保证足够的焊脚尺寸以满足承载强度要求。对于一、二类焊缝要求开坡口焊接，在《水电水利工程钢闸门制造安装验收规范》（DL/T5018-2004）关于一、二类焊缝作了明确规定，其中T形接头中属于一、二类焊缝的有：闸门主梁腹板与边梁腹板和翼缘板连接的组合焊缝或角焊缝；转向吊杆的组合焊缝及角焊缝；人字闸门端柱隔板与主梁腹板及端板的组合焊缝；闸门主梁、边梁、臂柱的翼缘板与腹板的组合焊缝及角焊缝；闸门吊耳板与门叶的组合焊缝或角焊缝；主梁、边梁与门叶面板的组合焊缝或角焊缝；臂柱与连接板的组合焊缝或角焊缝等。二、T形接头焊脚尺寸大小的确定1、焊缝设计、计算原则在设计、计算焊缝大小时,考虑到焊接结构中焊缝受残余应力及应力集中的影响，其应力分布是十分复杂，很难精确地计算接头的强度，因此在静载条件下，为简化计算起见，常做以下假设：①、焊趾和余高等处的应力集中对焊接接头强度没有影响；②、残余应力对焊接接头强度没有影响；③、正面角焊缝和侧面角焊缝的强度没有差别；④、焊接接头的工作应力是均布的，以平均应力计算；⑤、角焊缝都在切应力的作用下破坏，按切应力计算强3度；⑥、角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面的最少厚度上（焊喉），其值等于内接三角形的高Kj。2、不开坡口的T形接头（见图2）角焊缝尺寸确定δt图2不开坡口T形接头KjK1K2设t≤δ，根据焊缝与母材等强度原则，角焊缝的受力计算厚度Kh=2Kj≥t，即Kj≥0.5t。考虑到焊缝本身可能存在残余应力或焊接缺陷等不利因素，在设计角焊缝尺寸时增加一定的安全系数，取Kh=2Kj=1.14t，Kj=0.57t，通过三角函数计算得出K1=K2=Kj/cos45°==0.8t。3、开坡口焊接的T形接头（以K形坡口为例，简化成图3）角焊缝尺寸确定tδK1K2Kjαβ图3开K形坡口T形接头设坡口角度为α，考虑到此类角焊缝一般规定未焊透深4度最大不许超过板厚的25%且不大于4mm，同时焊缝本身还可能存在残余应力或其他焊接缺陷等不利因素，在设计角焊缝尺寸时按最不利条件下确定，取受力计算厚度Kh=t-0.25t+2Kj=1.14t，即Kj=0.2t。下面根据已知条件t、α、Kj计算出角焊缝的焊脚尺寸K1和K2值。垂直方向的焊脚高K1=0.5t×tgα……………………………………（1）水平方向的焊脚高K2=Kj/cosβ=Kj/cos[sin-1（Kj/K1）]=Kj/cos[sin-1（Kj÷0.5t÷tgα）]…………………………………（2）设α=30°、45°、60°，取Kj=0.2t，分别代入公式（1）、（2）得出：当α=30°时，K1=0.29t、K2=0.28t当α=45°时，K1=0.5t、K2=0.22t当α=60°时，K1=0.87t、K2=0.21t三、对T形接头角焊缝尺寸的探讨从以上计算结果可以看出：1、对不开坡口的T形接头（见图2）角焊缝焊脚尺寸，如果属于直接承受拉力或剪力的工作焊缝，K1=K2=0.8t，这时焊喉高Kj=0.8t×con45°=0.57t（mm）,角焊缝的受力计算厚度为2×0.57t=1.14t（mm），即焊缝的承载能力相当于母材的1.14倍，满足了焊缝的承载强度要求；如果属于受压角焊缝或作为联系焊缝使5用的角焊缝，建议按K1=K2≤0.6t且最大不超过12mm的原则来确定焊脚尺寸；其他有特殊要求的角焊缝最好在图纸中标明焊脚尺寸。2、对于开坡口焊接的T形接头，在通常坡口角度α等于30°～60°的情况下，垂直方向的焊脚高K1一般要求焊满并盖过坡口边1～2mm；水平方向的焊脚高只需K2=0.3t就能保证焊缝受力计算厚度大于板厚的1.14倍,满足了焊缝的承载强度要求。在现行的水工金属结构设计图纸中，普遍存在对焊缝标注不够详细或过于笼统的现象，造成角焊缝往往偏大。例如对于不开坡口的T形接头，除了部分角焊缝直接标出焊脚尺寸大小外，其他角焊缝通常用一句话“……未标注的贴角焊缝的焊脚尺寸为0.8倍板厚”在“技术要求与说明”中说明；对于开坡口焊接的T形接头角焊缝，K1可根据所标出的坡口尺寸推算出（焊缝盖过坡口边1～2mm，K1参见图3），但是K2到底是多大在目前的设计图中一般没有明确，往往是根据坡口尺寸焊成一个断面形状为等腰直角三角形的角焊缝，也就是说K2=K1=0.5t×tgα°，这样形成了过大的角焊缝。例如板厚为t=30mm、K形坡口、坡口角度α=50°（参见图3），按照目前通常的焊缝设计，K2=K1=0.5×30×tg50°=18（mm），这时焊喉高Kj=18×con45°=13（mm）,角焊缝的受力计算厚度Kh=2×13+30=56(mm),相当于板厚的1.87倍，这是比较保守和浪费的。实际上从上述探讨论述可以看出，该6角焊缝只需K1=0.5t×tgα°=18（mm）、K2=0.3t=9(mm)就能满足了焊缝的承载强度要求。过大的角焊缝大多需要多层多道焊，反复的烧结造成母材及热影响区的机械性能下降，承载强度受到严重的影响，这样再大的焊缝也失去了应有的承载作用；另外过大的角焊缝增加焊接结构的残余应力，使焊后变形加大，影响到结构的装配质量和外观质量；同时也增加了焊接成本，降低了生产效率。所以金属结构T形接头角焊缝在保证承载能力满足设计要求的前提下应尽可能减少焊缝金属的填充量，按照这样的原则设计焊缝，既能满足了结构的承载强度和质量要求，又能保证焊缝外形秀气、美观，同时还能降低焊接成本、提高了工作效率和经济效益，为建设节约型社会做出更大的贡献。以上探讨仅代表本人个人观点，说得不对之处，恳请各位专家们提出批评和指正为盼！广西水工机械厂/季志水2006.01.107附件T形接头组合焊缝及角焊缝焊脚K的选取陈奎昌高景荣(中国三峡总公司金结检测中心)摘要：T形接头是钢结构中常用的焊接接头形式，焊脚尺寸的大小直接关系到结构件的机械性能和使用性能。传统的观念认为焊缝是结构中的薄弱环节，越大越放心。针对这种保守理念，提出按等强度理论计算出焊脚尺寸K，不仅可以减小热影响区范围，还可以减少无谓的浪费。关键词：T形接头；角焊缝；组合焊缝；焊脚尺寸中图分类号：TG44文献标识码：B根据国标GB/T3375“焊接术语”规定，T形接头的焊缝型式有两种：一种是不开坡口的叫角焊缝(图1)；一种是开单边V形或K形坡口的没有焊脚的焊缝叫对接焊缝(图2)。考虑到应力传递和应力集中的问题，一般都要有一个焊脚,如图3所示，这种焊缝是由对接焊缝加角焊缝组成的，所以也叫组合焊缝。有关角焊缝的外形尺寸名称见图4(a为凸形角焊缝，b为凹形角焊缝)。图1图2图3图4图2所示的对接焊缝是很少采用的，因为这种接头断面变化太大，在拐角处将引起很大的应力集中，易导致接头的脆性破坏和疲劳破坏。图1所示角焊缝的受力比较简单，即通过两侧角焊缝的计算厚度(即焊喉)来传递力8——通过该断面的抗剪应力传递接头的剪应力和拉、压应力。1角焊缝焊脚K的选取(1)接头焊缝传递拉、压应力，按等强度计算：[σ]×t=2×0.7K[τ](1)式中：t—垂直板板厚mm；[σ]—钢材抗拉、压许用应力Mpa；[τ]—钢材抗剪切许用应力Mpa；K—焊脚尺寸mm。∵[τ]=0.7[σ](2)将(2)式代入(1)式得：[σ]×t=2×0.7K×0.7[σ]则t=0.98K，一般按K=t选取。(2)接头焊缝传递剪应力，按等强度计算：[τ]×t=2×0.7K[τ](3)则t=1.4K，即K=0.714t，一般按K=0.7t选取。(3)梁柱系腹板受压区的加劲板的T形接头角焊缝这种接头主要是为防止梁柱腹板受压区失稳而设置的，它的焊缝一般不作受力计算，通常按加劲板板厚的0.5～0.6倍选取，一般不小于6mm。角焊缝的设置不外乎以上几种形式,但我们发现不少设计图纸选取的焊脚尺寸普遍偏大，象水工闸门主梁、底梁、边梁的劲板，板厚14mm，角焊缝焊脚取到，如果按上限控制，K可以焊到16mm，这不仅加大了热影响区尺寸、加大了焊接应力和变形，还浪费了材料和工时，并且对强度没有任何好处。把应该是8mm焊脚焊成16mm，所浪费的材料和工时，不是成1～2倍而是成4倍的增加。焊接材料和焊接工艺发展到今天，已经可以按等强度考虑。有些同志认为焊缝是结构中的薄弱环节，越大越放心，甚至一些标准、规范对角焊缝也是如此。如有些标准就有这样规定：手工焊，自动焊。按照该规定，假如设计要求K=6mm的角焊缝，焊到9mm也是可以的，但焊缝尺寸增加了50%，焊缝金属为原来的2.25倍。我们认为这是一种无谓的浪费，既然所有设计都有安全系数,而且我们取的安全系数都比国外大,那么角焊缝焊脚公差为什么没有负公差?还有,自动焊由于其电流密度大,在角焊缝直角端形成的熔深比手工焊大许多，而其焊脚公差反而比手工焊的大，这也不合适。由于角焊缝的受力断面是0.7K的焊喉，自动焊既然有较大的熔深那么受力断面也相应增大，K的负公差最少可以按-1mm控制，而正公差不应超过2mm。铁道部TB10212“铁路钢桥制造规范”规定主要角焊缝尺寸公差是，一般焊缝，并且附加说明中还规定手工焊焊缝全长的10%允许。水利部SL36“水工金属结构焊接通用技术条件”中规定：，我们认为这两个标准对角焊缝尺寸公差的规定较为合理。GB50205“钢结构工程施工及验9收规范”第4.7.20条的表4.7.20中角焊缝正公差没有规定，但角焊缝计算厚度不足允许≤0.3+0.05t且≤2mm，每100mm长度内不大于25mm。2开坡口对接焊缝和组合焊缝翼缘侧K的选取假如图2、图3所示的对接焊缝和组合焊缝不要求焊透，那么它仍然靠焊缝的计算厚度断面的抗剪应力传递接头的拉、压、剪应力，所以开多深坡口、取多大焊脚，都要通过计算来确定，计算方法可参照前面提到的角焊缝计算方法进行。这种焊缝与角焊缝相比，在相同计算断面的情况下，焊脚尺寸可以大大减少，传力效果也有所改善。图2、图3所示的对接焊缝如果要求焊透，那么焊缝的传力性质就变了。它是一种等强度焊缝，只要焊条是按等强度选用的，这种接头无需计算，只是为了改善力流传递，要求在翼缘板侧加一焊脚K，这就构成了组合焊缝，由于所加的焊脚不参与受力计算，所以对组合焊缝的焊脚K要求不大。GB50205中4.7.13条规定：T型接头、十字接头、角接接头等要求焊透的对接和角接组合焊缝，其焊脚尺寸应不小于t/4，见图5中(a)、(b)、(c)。这是参照日本、德国有关标准，为减少应力集中，提高抗疲劳性能而规定的；对于吊车梁上翼缘的焊脚尺寸和起重量大于等于50t的吊车梁腹板与上翼缘的连接焊缝的焊脚尺寸K可按t/2选取,见图5(d)，且不应大于10mm。图53结语综上所述，角焊缝焊脚K的选取就是K=t，K=0.7t，K=(0.5～0.6)t三种，要求焊透的组合焊缝K的选取分别是K=t/4和K=t/2且≤10mm。