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关于T形接头焊脚尺寸大小的探讨


关于 T 形接头焊脚尺寸大小的探讨
——广西水工机械厂
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。

季志水

t t p

b

b

α

δ

a不开坡口T形接头 图1 T形接头

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。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
1

δ

b、开坡口T形接头

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
t

K1

图2 不开坡口T形接头

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
2

δ

K2

Kj

≥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
t

K1

α
K2

δ

β

Kj

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/cos β = Kj/cos [sin-1 ( Kj/K1 ) ]= Kj /cos[sin-1 ( Kj ÷ 0.5t ÷ tg α)]…………………………………(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
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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
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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 2006.01.10

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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:TG 44 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)。

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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——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 ]

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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=0.714 t,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
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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 缝全长的 10%允许 规定: ,一般焊缝 ,并且附加说明中还规定手工焊焊

。水利部 SL36“水工金属结构焊接通用技术条件”中 ,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 50 t 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。
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图5 3 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。

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