第一节 焊接连接
焊接是20世纪初发展起来的新技术。焊接具有省工省料、不削弱杆件截面，易于采用自动化作业，并可用于复杂形状构件的连接等优点，焊接的缺点是质量检验费事、连接的刚度大，在内应力影响下容易引起结构的残余变形。焊接构件的厚度：对于碳素钢一般不超过40mm；对于低合金钢一般不超过30mm。
现代起重机金属结构所采用的焊接主要是电焊和气焊两类。气焊主要用于焊薄钢板。电焊分为电弧焊、电阻焊（焊薄钢板）和电渣焊（焊厚度和截面较大的构件），其中以电弧焊应用最广。电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊。采用电弧焊的焊接连接又称为焊缝连接。
一、焊接接头形式及焊缝形式
连接两块板件的焊接接头形式主要有三种，即对接、搭接和顶接（T字形接头和角接头统称顶接），见表4-1。传递轴力的构件通常用对接接头或搭接接头；主要承受弯曲的组合箱形截面构件通常用顶接。
焊缝形式按构造可分为对接焊缝和角焊缝两类（表4-1）。对接焊缝在对接、顶接中都有应用，其特点是板边要刨削加工成各种形状的坡口。角焊缝不需开坡口且不要求刨削板件，气割或剪切后即可施焊，故加工较简单；用于搭接接头时，则不要求尺寸很精确而便于安装。
对接焊缝的静力和动力性能较好，而且省料，但加工要求较高。角焊缝构造简单、施工方便，但静力及动力性能较差。
表4-1 焊接接头及焊缝形式
二、焊缝连接的构造要求
在设计接头时应避免焊缝立体交叉和在一处焊缝大量集中，同时焊缝应尽可能对称于构件的重心布置，尽量采用较小的焊缝尺寸。
在施工图上要用焊缝代号标记焊缝的种类和尺寸。焊缝代号主要包括指引线、图形符号和辅助符号三部分。有关焊缝代号问题可参看GB/T 324-2008《焊缝符号表示法》、GB/T 12212-2012《技术制图焊缝符号的尺寸、比例及简化表示法》。
1.对接焊缝
对接焊缝焊接在同一平面内两块钢板对齐的边缘。施焊时两板边缘之间应保持等宽的间隙，且板边应加工成一定形状的坡口。对接焊缝的坡口形式应根据板厚和施工条件按现行GB/T 985.1-008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》和GB/T 985.2-2008《埋弧焊的推荐坡口》的要求选用。常用坡口形式见表4-2所示四种。
表4-2 对接焊缝常用坡口形式及标注方法
表中符号：p—钝边高度；a—坡口角度；b—根部间隙；R—根部半径。
采用手工焊时，若板厚δ<8mm，可制成不开坡口的直边焊而间隙b=0.3δ；若δ=8～25mm，则用V形坡口其夹角α=60°；若δ>25mm，可用双面开坡口的X形焊缝或用单面开坡口斜度较陡的U形焊缝。用埋弧自动焊时，由于加热强烈而熔深大，板边加工要求与手工焊略有不同。若板厚d≤16mm，且从两面施焊时一般可不开坡口。板厚较大时则需开坡口，但坡口的斜度比手工焊时略大。
对接焊缝的厚度一般不小于所连接板件中较薄的板厚，这样可保证对接焊缝的强度不低于基材。对接焊缝一般应采用双面施焊，即从一面施焊后，翻过来再焊另一面。双面施焊的焊缝截面积较单面焊时小得多，焊后的凸凹变形也易控制。不得已时也可单面施焊，但需保证焊缝根部完全焊透。不同宽度或厚度（相差4mm以上）的构件对接时，为使传力平顺，减少应力集中，应将较宽或较厚板从一侧或二侧加工成不大于1∶4的过渡斜度（图4-1）。
用于低温或承受动力载荷结构的对接焊缝，施焊时应在对接焊缝两端设置引弧板（引弧板的厚度和坡口形式应与基材相同），待焊完后再将引弧板割除，如图4-2所示。
图4-1 不同宽度或厚度的构件对接
（a）不同宽度；（b）不同厚度。
图4-2 引弧板示意图
2.角焊缝
角焊缝连接不在同一平面内的两块钢板，并在相交处施焊（图4-3）。当角焊缝夹角为90°时称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝。夹角α>120°或α<60°的斜角角焊缝不宜用作受力焊缝，钢管结构除外。
角焊缝的截面形式有凸形和凹形两种（图4-4）。用手工焊时，由于熔深小，角焊缝的表面常做成凸形或接近直线形；用埋弧自动焊时因熔深较大，角焊缝的表面可以做成凹形或接近直线形。凹形焊缝传力时应力集中小。
受动载荷的主要承载结构，角焊缝的表面应呈微凹弧形或直线形，焊缝直角边的比例：对侧焊缝为1∶1，对端焊缝为1∶1.5（长边顺作用力方向）。
图4-3 角焊缝的形式
（a）手工焊；（b）自动焊。
图4-4 角焊缝的计算截面
角焊缝中的实际应力情况非常复杂，计算时通常把角焊缝的截面视为等腰直角三角形（图4-4），其直角边的长度称为角焊缝的焊脚尺寸，用hf表示。直角三角形斜边上的高称为角焊缝的计算厚度或有效厚度，用he表示，he=hfsin45°=0.7hf，这是手工焊角焊缝的计算厚度。自动焊时由于熔深较大，对直线形焊缝通常取he=hf，而凹形焊缝取he=0.7hf。若角焊缝两直角边不等，则焊脚尺寸按短边计算，这样偏于安全。角焊缝的计算面积定义为计算厚度he与角焊缝计算长度lf之积。若内力沿侧向角焊缝全长分布时，焊缝的计算长度取为其实际长度减去2hf（如果焊缝为自身闭合或特别注意了在焊缝长度的端部避免出现凹弧时，则不必减去此尺寸）。
角焊缝的尺寸应符合下列要求。
（1）角焊缝的最小焊脚尺寸
参见表4-3的规定。
对于碳素钢最小焊脚尺寸也可按式（4-1）确定：
式中 tmax——连接件中较厚焊件的厚度（mm）。
对于合金钢按式（4-1）计算时，其计算值再加2mm。
表4-3 角焊缝最小焊脚尺寸
注：表中数值分子用于碳素钢，分母用于低合金钢。
（2）当焊件厚度t≤4mm时，取hf=t。
（3）最大焊脚尺寸hf≤1.2tmin（tmin为连接件中较薄板的厚度）；但板件边缘的最大焊脚尺寸应符合下列规定：
当t≤6mm时 hf≤t
当t>6mm时 hf≤t-（1～2）mm
（4）角焊缝（侧焊缝或端焊缝）的最小计算长度lf≥40mm及8hf。
（5）侧焊缝最大计算长度lf≤60hf（承受静载荷时）或40hf（承受动载荷时）。若焊缝长度超过上述规定，则超过部分在计算中不予考虑。若内力沿焊缝全长分布（如梁的翼缘焊缝），则计算长度不受此限。
三、焊缝计算
焊缝的受力状况比较复杂，因此精确计算由载荷引起的焊缝应力是很困难的，而且也没有必要。焊缝的破坏往往和焊缝中有气孔、裂纹等缺陷而引起的应力集中以及焊接残余应力有关，这就给精确计算焊缝带来许多困难。多年来工程实践表明，现实可行的办法是人为引入一个计算截面（或称有效截面）的概念，并假定应力在计算截面上均匀分布建立基本计算公式，再根据实验数据，规定按此基本公式计算时的许用应力值。
1.对接焊缝
对接焊缝的计算截面积等于焊缝计算厚度与焊缝计算长度的乘积。一般取对接焊缝的计算厚度等于被连接件的板厚；当被连接的两板厚度不等时，则取较薄的板厚t。未采用引弧板施焊时，焊缝的计算长度取实际长度减去2t，这是因为焊缝的起点和终点附近有未焊透处或未填平的火口等，因此将起点和终点处各减去t。为增大焊缝的计算长度，宜用小引弧板将焊缝的起点和终点引出钢板之外（图4-2），待焊完后再将小引弧板切除。这样焊缝的计算长度等于焊缝实际长度，对接焊缝的计算截面近似等于被连接板件的截面，所以对接焊缝的计算方法与构件基材的强度计算相同。
（1）承受轴心拉力或压力的对接焊缝计算（图4-5）
焊缝截面应力按下式验算：
对接斜焊缝
式中 N——轴心拉力或压力；
lf——焊缝计算长度，采用引弧板时，取焊缝实长，否则取焊缝实长减2δ；
δ——焊缝计算厚度，取连接件中较薄板的厚度，对T形接头取为腹板厚度；
α——斜焊缝与构件轴线的夹角；
[σh]、[τh]——对接焊缝的许用正应力、剪应力，由表4-4查取。
目前由于焊接技术的不断发展和完善，采用自动焊时一般能保证焊透，使对接正焊缝与基材等强度。若用半自动焊或手工焊时，为保证焊透，要求焊完正面焊缝之后，再用气焰或其他方法在反面清除焊根，直到看到正面的焊肉为止，然后再进行反面施焊。对接斜焊缝费料，在焊接工艺能保证对接正焊缝与基材等强度的情况下，一般不采用对接斜焊缝。
在焊接工艺不够完善的情况下，无法保证对接正焊缝与基材等强度，建议采用α=45°的对接斜焊缝，此时不必进行焊缝强度验算。
表4-4 焊缝的许用应力①
图4-5 对接焊缝计算图
（a）对接正焊缝；（b）对接斜焊缝。
（2）承受弯矩和剪力共同作用时的对接焊缝计算
如图4-6所示，以工字钢对接为例，对接焊缝的截面亦为工字形，在弯矩M和剪力Q作用下，对接焊缝的强度按下列公式计算：
最大正应力（图4-6中计算点1）
式中 Wf——焊缝截面的抗弯模量。
最大剪应力（图4-6中计算点0）
式中 If——焊缝截面对中性轴的惯性矩；
Sf——焊缝截面中性轴以上部分对中性轴的静面矩。
对于焊缝中正应力和剪应力都比较大的地方（图4-6中计算点2），根据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》对接焊缝复合应力按下式计算：
式中 σ2、τ2——计算点2的正应力和剪应力。
图4-6 受弯矩和剪力作用的对接焊缝
图4-7 侧焊缝的破坏
2.角焊缝
角焊缝分为侧焊缝和端焊缝两种。侧焊缝平行于所传递的力，而端焊缝垂直于所传递的力。侧焊缝也称为纵向焊缝，端焊缝则称为横向焊缝。两种焊缝联合使用而形成围焊缝。侧焊缝的破坏主要是受剪破坏（图4-7），因此按剪切验算其强度。端焊缝受拉、弯、剪作用，应力状况比较复杂。为简化计算，端焊缝也按剪切验算强度，这样偏于安全，同时使端焊缝采用与侧焊缝相同的公式验算强度。
（1）承受轴心拉力（或压力）的角焊缝计算
如图4-8所示，两块板件对齐而不对焊，两面加一对拼接板，再用角焊缝将拼接板和板件焊接。通常，角焊缝计算时，一律取角焊缝45°分角面（即计算厚度所在截面）为计算截面（有效截面），并假定剪应力在角焊缝的计算截面上是均匀分布的。
图4-8 角焊缝计算图
图4-9 剪应力沿侧焊缝分布图
角焊缝的计算截面积为he∑lf，其中he是角焊缝的计算厚度，手工焊时he=0.7hf，自动焊时he=hf；lf是角焊缝的计算长度，若内力沿侧向角焊缝全长分布时，焊缝的计算长度取为实际长度减去2hf（如果焊缝为自身闭合或特别注意了在焊缝长度的端部避免出现凹弧时，则不必减去此尺寸），∑lf是接头中在焊缝一侧的各段角焊缝计算长度之和。
角焊缝按下式验算强度：
实验说明：沿侧焊缝长度方向剪应力的分布是两端大中间小（图4-9），焊缝愈长则两端剪应力与中间差别愈大。故规范规定，侧焊缝的最大计算长度不应超过60hf（受静载时）或40hf（受动载时）。
图4-10所示是钢板搭接接头，两块钢板上下搭接用角焊缝焊接。搭接接头施工简便，不要求加工板边，也无需准确对位。但搭接接头受力情况不如对接接头，故只在轴力不大时采用。搭接接头中两板的重叠长度应不小于较薄板件厚度的5倍，以免两板上下偏心引起的附加弯矩太大，削弱焊缝的实际承载能力。搭接接头用端焊缝传力时，接头两端必须都有端焊缝，如图4-10（a）所示；如图4-10（b）所示那样只在接头一端有端焊缝是不允许的，因为接头受力之后两板容易张开而扯坏焊缝。在搭接接头中，公式（4-7）的∑lf按接头中全部角焊缝的计算长度计算。
图4-10 搭接接头
（2）承受扭矩和剪力共同作用时的角焊缝计算
图4-11是一种用角焊缝围焊成的托架结构，用来承受偏心载荷。偏心载荷2P由前后两块钢板共同承受，若取其中一块板连同其上的角焊缝进行分析时，应按承受载荷P计算。偏心载荷P可以转化为通过焊缝形心的轴力P和扭矩Mn=P·a。通过焊缝形心的轴力P在焊缝计算截面上引起均布的剪应力τP，其方向平行于轴力P而大小为
图4-11 受扭矩和剪力共同作用时角焊缝计算图
关于扭矩Mn引起的焊缝应力，一般采用比较保守的弹性计算法，它以下列假定为前提：
①所连板件是绝对刚性的，而焊缝是弹性的。
②在扭矩作用下，连接件产生绕焊缝形心的相对转动，焊缝上任一点的剪应力方向垂直于该点与形心的连线，其大小与此连线的长度r成正比。
如图4-11所示，根据假定，角焊缝上任一点K的剪应力为
τ=Cr
式中 C——比例常数；
r——焊缝上任一点至形心的距离，
。
焊缝上K点所在微段dl（其面积为dA=he·dl）传递的剪力为
dN=τdA=CrdA
剪力dN绕O点的力矩为
dMn=rdN=Cr2dA
焊缝截面上各微段所传递剪力绕O点的总力矩与外扭矩Mn相平衡，故
由此求得比例常数为
式中 Ip——焊缝计算截面对其形心O点的极惯性矩，按下式计算：
其中 Ix——焊缝计算截面对x轴的惯性矩，
Iy——焊缝计算截面对y轴的惯性矩。
因此焊缝上任一点K处的剪应力为
通常为计算方便起见，不直接求τ，而是求剪应力τ沿坐标轴方向的分量τx及τy，即
通过焊缝形心O点的轴力P引起的剪应力τP应和τy叠加，故K点处的总剪应力为
焊缝强度验算应选择距形心O点最远的端点，其剪应力最大。
（3）承受弯矩和剪力共同作用时的角焊缝计算
图4-12所示T形截面支托与柱采用角焊缝连接，计算时通常假定剪力Q由腹板焊缝（竖直焊缝）平均承受，弯矩M则由全部焊缝承受，弯矩在焊缝计算截面产生的剪应力τM与其至焊缝计算截面形心轴的距离y成正比。剪力Q及弯矩M引起的焊缝计算截面的剪应力分别按下式计算：
式中 
——腹板连接焊缝（竖直焊缝）的计算面积；
If——焊缝计算截面的惯性矩；
y——焊缝截面上计算点至形心轴的距离。
τQ与τM在焊缝计算截面上互相垂直，应计算二者在腹板焊缝上的向量和。腹板焊缝下边缘点的最大组合剪应力为
图4-12 支托与柱的焊缝连接
图4-13 角钢与节点板的搭接焊缝
（4）角钢的角焊缝计算
图4-13是角钢与节点板的搭接接头。用角焊缝连接角钢和节点板时，应注意使角钢肢尖焊缝所受之力N2与肢背所受之力N1的合力位置在角钢的重心线上，即使N2∶N1=e1∶e2。由于肢尖和肢背焊缝的焊脚尺寸和计算厚度一般相同，为使肢尖和肢背焊缝所受剪应力τ相等，肢尖的焊缝长度l2与肢背焊缝长度l1之比应满足l2∶l1=N2∶N1=e1∶e2，通常取：
等肢角钢 l2∶l1=0.3∶0.7
不等肢角钢并以短肢焊连节点板l2∶l1=0.25∶0.75
不等肢角钢并以长肢焊连节点板l2∶l1=0.35∶0.65
由式（4-7），一根角钢所需焊缝总长度为
有时将角钢焊连节点板的肢斜切，而采用三边围焊。这时仍按上述比例计算l1及l2值，若斜边长度为C，则将
布置在肢背，而将
布置的肢尖。
【例题4-1】 如图4-14所示，用角焊缝和拼接板连接两块钢板，拼接板的尺寸为900×550×10，材料为Q235，[σh]=175MPa， 
，角焊缝焊脚尺寸hf=8mm，试确定该拼接接头所能承受的最大拉力。
图4-14 用角焊缝和拼接板的接头
【解】 （1）连接焊缝所能承受的最大拉力
N1=0.7hf·4lf[τh]=0.7×8×4×450×124=1250（kN）
（2）拼接板所能承受的最大拉力
N2=2×10×550×175=1925（kN）
由此可见，该拼接接头的承载能力是由焊缝的承载能力决定的，所以该拼接接头所能承受的最大拉力为1250kN。
【例题4-2】 如图4-13所示角钢与节点板的搭接接头，角钢2×125×80×10承受的拉力为N=470kN，不等肢角钢以长肢与节点板焊接，钢材为Q235，角焊缝焊脚尺寸hf=8mm，试确定焊缝长度并加以分配。
【解】 一根角钢承受的拉力为N/2，其所需焊缝长度按下式计算：
焊缝实际长度应取焊缝计算长度加上2hf，则
角钢肢背焊缝长度 l1=338.4×0.65+2×8≈236（mm）
角钢肢尖焊缝长度 l2=338.4×0.35+2×8≈134（mm）
【例题4-3】 角焊缝布置及几何尺寸如图4-15所示，偏心载荷P=100kN，焊缝计算厚度he=7mm，试验算焊缝强度。基材用Q345钢，[τh]=182MPa。
图4-15 焊缝尺寸简图
【解】 首先求焊缝形心位置：
再计算Ix、Iy及Ip值：
Ip=Ix+Iy=2.57×107+8.66×106=3.436×107（mm4）
距O点最远的点是焊缝的端点A，则
xA=105mm及yA=100mm
扭矩 Mn=100000×（350-45）=3.05×107（N·mm）
扭矩引起的剪应力分量：
过焊缝形心的轴力引起的剪应力：
A点最大总剪应力：
所以焊缝强度满足要求。
四、焊缝连接的疲劳强度
起重机金属结构经常受变载荷作用时会发生疲劳现象。焊缝连接的疲劳强度主要取决于结构工作级别（应力谱和应力循环次数）、材料种类、接头连接形式（应力集中情况）、连接处的最大应力及应力循环特性等。通常工作级别E4级（含）以上的结构件应验算疲劳强度。
焊缝连接的疲劳强度计算及其许用应力详见第三章。
由于焊缝中有气孔、裂纹和夹渣等缺陷引起应力集中现象以及焊接残余应力对疲劳强度的不利影响，焊缝连接的疲劳强度一般比基材低。
分析低合金钢焊接疲劳强度试验资料，有如下现象或结论：
（1）通常焊缝的疲劳强度都低于基材，因此对工作级别E4级（含）以上的焊接件需验算疲劳。自动焊的对接焊缝，经机械加工磨平焊缝的凸起部分，而熔合线附近没有凹坑或磨痕，用X光透视未发现不容许缺陷的接头，但试验测得的疲劳强度仍略低于基材。
（2）未经机械加工的自动焊对接焊缝，其疲劳强度比机械加工磨光的对接焊缝低得多。未经探伤的自动焊对接焊缝由于可能含有制造规范所不容许的缺陷，必须采用较低的疲劳强度。因此对于对接接头表面应进行机械加工，对于焊缝质量应进行严格检查。
（3）自动焊的焊缝疲劳强度较高，半自动焊次之，手工焊最低。因此应尽量采用自动焊和半自动焊。手工焊宜用于次要构件和受力较小的连接。
（4）角焊缝的疲劳强度比对接焊缝低得多。用角焊缝传递轴力的接头，以用端焊缝和侧焊缝围焊较好，这样应力分布均匀，应力集中程度低，故疲劳强度可提高。若只用侧焊缝连接，则在侧焊缝端部首先发生疲劳破坏，从而降低疲劳强度。