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焊接坡口的设计与选择

 1）设计与选择坡口的原则

对接、T形接和角接接头中为了保证焊透常在焊前对待焊边缘加工出各种形状的坡口，如何设计和选择坡口，主要取决被焊件的厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工艺程序。（相关内容在下面的坡口焊缝设计中说明）。此外，还应尽量做到：

填充材料应最少。例如，同样厚度平板对接，双面V形坡口比单面V形坡口节省一半的填充金属材料；

具有号的可达性。例如，有些情况不便或不能两面施焊时，宜选择单面V形或U形坡口；

坡口容易加工，且费用低。

要有利于控制焊接变形。双面对称坡口角变形小。

   2）标准的坡口形状和尺寸

国家标准GB/T985-88《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口基本形式与尺寸》和GB/T986-88《埋弧焊焊缝坡口基本形式与尺寸》（见附录Ⅰ和附录Ⅱ）。因此，除有特殊要求的焊缝坡口需另行设计外，一般焊接结构的焊缝坡口陡可以直接从国家标准中选用。

焊缝设计要点是什么

角焊缝

角焊缝断面形式

实际应用的角焊缝大致有图2-3-6所示的几种断面形式。图中K为焊脚尺寸，α为计算厚度，强度计算时称它为计算断面。

  图2-3-6常用角焊缝断面形状及其计算断面

         a）标准角焊缝  b)外凸焊缝   c）内凹焊缝  d）不等腰角焊缝  e）深熔焊缝

尺寸要求

焊缝的焊脚尺寸K（mm）不得小于1.5，t（mm）为较厚焊件厚度(当采用低氢型碱性焊条施焊时，t可采用较薄焊件的厚度)。但对埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可减小1mm；对T形连接的单面焊缝，应增加1mm。当焊件厚度等于或小于4mm时，则最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。

角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍（钢管结构除外）但板件（厚度为t）边缘的角焊缝最大焊脚尺寸，尚应符合：当t≤6mm时，K≤t；当t＞6mm时，K≤t-（1～2）mm。圆孔或槽孔内的角焊缝焊脚尺寸尚不宜大于圆孔或槽孔短径的1/3。

当焊件的厚度相差较大且等焊脚尺寸不能符合以上两条时，可采用不等焊脚尺寸，与较薄焊件接触的焊脚边应符合第②款的要求；与较厚焊件接触的焊脚边应符合①的要求。不等焊脚角焊缝不宜在静载下采用，因为增加焊脚长度并不能提高静载强度，反而增加填充金属量。

侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于8K和40mm，不宜大于60K，当大于时，其超过部分在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限。

在直接承受动力载荷的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形。焊脚尺寸的比例：对正面角焊缝宜为1：1.5（长边顺内力方向）；对侧面角焊缝可为1：1。

在次要构件或次要焊缝连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝焊段的长度不得小于10K或50mm，其静距不应大于15t（受压构件）或30t（受拉构件），t为较薄焊件的厚度。

当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时，每条侧面角焊缝长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离；同时两侧面角焊缝之间的距离不宜大于16t（当t＞12mm）或190mm（当t≤12mm），t为较薄焊件的厚度。

其他要求

杆件与节点板德连接焊缝宜采用两面侧焊，也可用三面围焊，对角钢杆件可采用L形围焊，所有围焊的转角处必须连续施焊。

当角焊缝的端部在构件转角处作长度为2K的绕角焊时，转角处必须连续施焊。

在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm。

角焊缝两焊脚边的夹角α一般为90°（直角角焊缝）。夹角α＞135°（焊缝表面较难成型，受力状况不良）或α＜60°（焊缝施焊条件差，根部将留有空隙和焊渣）的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）。

2．坡口焊缝

采用坡口焊缝的主要目的是为了保证接头能焊透而不出现工艺缺陷。在设计或选择坡口焊缝时，必须注意施焊可达性，其中主要考虑坡口角度、根部间隙、钝边和根部半径等参数。下列是注意事项：

①焊条电弧焊时，为了保证焊条能够接近接头根部，并能在多层焊时侧边熔合良好，当减小坡口角时，根部间隙必须增大。注意，前者减小，可用较少的填充金属量。而后者增大，却增加填充金属量。研究发现，板厚δ＜20mm时，用大坡口角度而用小根部间隙，δ＞20mm时用小坡口角度大根部间隙的坡口形式才算经济的。

根部间隙过小，根部难以熔透，并须采用较小规定的焊条，从而减慢焊接过程;若根部间隙过大，虽然应用衬垫可保证焊接质量，但需较多的填充金属，从而提高焊接成本，并增加焊接变形。

熔化气体保护焊由于焊丝细，且使用特殊导电嘴，可以实现厚板（＞200mm）L 形坡口的窄间隙（＜10mm)的对接焊。

④开坡口的接头，不留钝边的坡口称锐坡口，背面无衬垫情况下焊接第一层焊道时极易烧穿，而且需用较多的填充金属，故一般都留钝边。钝边的高度以既保证熔透又不至烧穿为度。焊条电弧焊V或U形坡口的钝边一般取0～3mm，双面V或U形坡口取0～2mm。埋弧焊的熔深比焊条电弧焊大，故钝边可适当加大以减小填充金属。留钝边的接头，根部间隙的大小主要决定于焊接工艺与焊接位置。在保证焊透的前提下，间隙尽可能小。平焊时，可允许用较大焊接电流，根部间隙可为零；立焊时根部间隙宜大些，焊厚板时可在3mm以上。在单面焊背面成形操作工艺中，根部间隙一般较大，约与所用焊条的直径相当。背面有永久性衬垫时，应取消钝边，因为这时的钝边会减小接头根部与衬垫之间的熔合。

⑤J形或U形坡口上常做出根部半径，主要是为了在深坡口内焊条或焊丝能接近焊缝根部，并降低第一层焊道的冷却速度，以保证根部良好的熔合和成型。焊条电弧焊时，根部半径一般取R=6～8mm，随板厚增加和坡口角减小而适当增大。

⑥若条件允许，板厚结构宜设计或选用双面开坡口的焊缝，双面V形焊缝不仅比单面V形焊缝少用一半的填充材料，而且可作两面交替焊接，把焊接角度控制到最小。

⑦背面无衬垫的对接接头，在钝边部位常有未焊透或夹杂等缺陷，一般都要求从背面进行清根。现广泛采用碳弧气刨方法清根。清根深度应确保露出无缺陷的焊缝金属，而且清根后的沟槽轮廓形状也应便于运条施焊。

3.T形接头的焊缝

T形(或十字)接头的焊缝可以是角焊缝、坡口焊缝或者两者的组合。选择何种焊缝决定于强度要求和制造成本。在静载等强条件下，成本便成为考虑的主要因素。

图2-3-7示出三种与母材等强的焊缝设计。这三种焊缝截面积（填充金属）的比较，以开双面V形坡口焊缝最省。但这种接头需额外的坡口加工，而且焊接时要求用小直径焊条和较小的电流打底以防根部烧穿。因此，这种坡口焊缝只在较厚板的T形接头中采用才是经济的。不开坡口的角焊缝消耗填充金属最多，其优点是焊件不需特殊加工，同时可以用直径大的焊条，以大电流施焊。熔敷率高。由于贴角焊缝的填充金属随板厚的平方而增加，所以它适用于小厚板的T形接头。单面V形坡口焊缝在经济上无优越性，唯一优点是当另一侧施焊有困难时，可以选用。它比单面贴角焊缝要安全可靠的多，T形接头不推荐用这种单面贴角焊缝。

必须指出，只承受压载荷的T形（或十字）接头，如端面接触良好（磨平顶紧），大部分载荷由端面直接传递，焊缝所承受载荷减小，故焊缝可以不焊透，角焊缝尺寸也可减小。

4.部分熔透接头的焊缝   

重型机器的焊接结构，往往是为了保证具有足够的刚度而增加钢板的厚度，其实际工作应力却很小。在这种情况下构件之间连接的焊缝一般并不须要全部熔透，而是在满足强度要求的前提下，正确地设计焊缝的形状和尺寸。

①对于对接接头，按强度要求确定出焊缝的有效厚度α后，采用两面对称焊的对接接头。

②对于T形接头，如果是联系焊缝，则取最小的焊角尺寸K，参考表2-3-4选用。如果是工作焊缝，在厚钢板情况下，建议采用两面开小坡口的部分熔透的角焊缝，其尺寸通过强度计算确定。

T形接头部分熔透的焊缝实际上是坡口焊缝与角焊缝组合的焊缝。在同样承载能力下，它比两面不开坡口的角焊缝节省大量填充金属。当背面施焊有困难时，可采用单面开小坡口的角焊缝背面只焊一道角焊缝并按最小焊角尺寸确定，见表2-3-4。

表2-3-4 角焊缝的最小焊脚尺寸

                                             注：最小焊脚尺寸K不得超过较薄钢板的厚度

控制焊接变形的工艺措施

（1）反措施  

当构件刚度过大(如大型箱形梁等),采用上述强制反变形有困难时，可以先将梁的腹板在下料拼板时作成上挠的，然后再进行装配焊接（如桥式起重机箱形大梁）。

在薄板上焊接骨架时，对薄板采用加热（SH法）、机械预拉伸（SS法）、或者两者同时使用(SSH法）使其伸长，然后再薄板上装配焊接骨架，薄板预拉伸和加热后再冷却所产生的拉应力可以有效地降低焊接应力防止失稳波浪变形。

在薄板对接时也可采用在焊缝两侧一定距离处适当宽度上加热，使焊缝得到拉伸，从而减少压缩塑性变形，降低残余内应力，而消除波浪变形，此法即为低应力无变形法（LSND法）。

（2）刚性固定法   

对防止弯曲变形的效果远不如反变形法。但对角变形和波浪变形较有效。例如法兰面的角变形。

焊接薄板时为防止波浪变形，在焊缝两侧紧压固定，加压位置应尽量接近焊缝并保持压力均匀。为此，可采用带一定挠度的压块或者采用琴键式的多点压块。

（3）选用合理的焊接方法和规范    

选用能量比较集中的焊接方法，如CO2保护焊、等离子弧焊代替气焊和手工电弧焊进行薄板焊接可减少变形量。

焊缝不对称的焊件，可通过选用适当的焊接工艺参数，在没有反变形或夹具的条件下，控制弯曲变形。

在焊缝两侧采用直接水冷或水冷铜块散热，可限制和缩小焊接热场，减少变形。但对有淬火倾向的钢材应慎用。

（4）选择合理的装配焊接次序   

把结构适当地分成部件，分别装配焊接，然后再拼焊成整体。使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能自由地收缩而不影响整体结构。按照这个原则生产复杂的大型焊接结构既有利于控制焊接变形，又能扩大作业面，缩短生产周期。