对接焊缝分为焊透和不焊透两种。

1)焊透的对接焊缝的计算

对接焊缝的强度与所用钢材的牌号、焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关。

如果焊缝中不存在任何缺陷,焊缝金属的强度是高于母材的。但由于焊接技术问题,焊缝中可能有气孔、夹渣、咬边、未焊透等缺陷。实验证明,焊接缺陷对受压、受剪的对接焊缝影响不大,故可认为受压、受剪的对接焊缝与母材强度相等,但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感。当缺陷面积与焊件截面积之比超过5%时,对接焊缝的抗拉强度将明显下降。由于三级检验的焊缝允许存在的缺陷较多,故其抗拉强度为母材强度的85%,而一、二级检验的焊缝的抗拉强度可认为与母材强度相等。

由于对接焊缝是焊件截面的组成部分,焊缝中的应力分布情况基本上与焊件原来的情况相同,故计算方法与构件的强度计算一样。

(1)轴心受力的对接焊缝

轴心受力的对接焊缝(图3.13),可按式(3.1)计算:

式中　N——轴心拉力或压力;

lw——焊缝的计算长度,当未采用引弧板时,取实际长度减去2t(t为较薄钢板的厚度);

he——对接连接的计算厚度(mm),在对接连接节点中取连接件的较小厚度,在T形连接节点中取腹板厚度;

——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值。

由于一、二级检验的焊缝与母材强度相等,故只有三级检验的焊缝才需按式(3.1)进行抗拉强度验算。如果用直缝不能满足强度要求时,可采用如图3.13(b)所示的斜对接焊缝。计算证明,焊缝与作用力间的夹角θ满足tanθ≤1.5时,斜焊缝的强度不低于母材强度,可不再进行验算。

【例3.1】　试验算图3.13所示钢板的对接焊缝的强度。图中a=540mm,t=22mm,轴心力的设计值N=2150kN。钢材为Q235B,手工焊,焊条为E43型,三级检验标准的焊缝,施焊时加引弧板。

图3.13　对接焊缝受轴心力

【解】　直缝连接其计算长度lw=54cm。

这说明当tanθ≤1.5时,焊缝强度能够保证,可不必计算。

(2)承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝

图3.14(a)所示是对接接头受到弯矩和剪力的共同作用,由于焊缝截面是矩形,正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形,其最大值应分别满足下列强度条件:

式中　Ww——焊缝截面抵抗矩;

Sw——焊缝截面面积矩;

Iw——焊缝截面惯性矩。

在对接和T形连接中[图3.14(b)],承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接角接组合焊缝,其最大正应力和剪应力应按式(3.3)和式(3.4)分别进行计算。但在同时受有较大正应力和剪应力处(如梁腹板横向对接焊缝的端部)应按式(3.4)计算折算应力:

式中　σ1,τ1——验算点处的焊缝正应力和剪应力;

1.1——考虑到最大折算应力只在局部出现,而将强度设计值适当提高的系数。

图3.14　对接焊缝受弯矩和剪力联合作用

(3)承受轴心力、弯矩和剪力共同作用的对接焊缝(www.daowen.com)

当轴心力与弯矩、剪力共同作用时,焊缝的最大正应力应为轴心力和弯矩引起的应力之和(图3.15),计算公式见式(3.5)。

式中　σN——轴心力产生的正应力。

剪应力按式(3.3)验算,折算应力仍按式(3.4)验算。

图3.15　对接焊缝受轴心力、弯矩和剪力联合作用

【例3.2】　验算图3.16所示Q235B热轧普通工字钢I20a的对接焊缝强度。对接截面承受弯矩M=45kN·m,剪力V=80kN,采用手工焊焊条E43型(按Ⅱ级焊缝质量检验)。

【解】　由型钢表可查得:Ix=2369cm4,Wx=236.9cm3,Sx=136.1cm3。

又:Iw=Ix,Ww=Wx,Sw=Sx。

由附表1.2查得:。

此外,还要验算腹板边缘A点对接焊缝的折算应力:

图3.16　工字钢对接焊缝示意图

A点以下翼缘焊缝截面对中和轴的面积矩:

所以=190.06N/mm2<1.1×215N/mm2=236.5N/mm2,对接焊缝满足强度要求。

2)部分焊透的对接焊缝

当受力很小,焊缝主要起联系作用;或焊缝受力虽然较大,但采用焊透的对接焊缝将使强度不能充分发挥时,可采用不焊透的对接焊缝。比如用4块较厚的板焊成箱形截面的轴心受压构件,显然用图3.17(a)所示焊透的对接焊缝是不必要的;如采用角焊缝[图3.17(b)],外形又不平整;采用不焊透的对接焊缝[图3.17(c)],可以省工省料,较为美观大方。

图3.17　箱形截面轴心受压构件的焊缝连接

部分焊透的对接焊缝必须在设计图上注明坡口的形式和尺寸。坡口形式分V形、单边V形、U形和J形,如图3.17所示。由图可见,不焊透的对接焊缝实际上可视为在坡口内焊接的角焊缝,故其强度计算方法与前述直角角焊缝相同,但偏安全地取βf=1.0。

对于双边V形坡口[图3.18(a)],α≥60°时,焊缝有效厚度he取等于焊缝根部至焊缝表面(不考虑余高)的最短距离s,即he=s;当α<60°时,考虑到焊缝根部处不易焊满,故将he降低,即he=0.75s。

对于单边V形和K形坡口,当α=45°±5°时,he=s-3mm。

对于U形和J形坡口,当α=45°±5°时,he=s。

当熔合线处焊缝截面边长等于或接近于最短距离s时[图3.18(b)、(c)、(d)],应验算焊缝在熔合线上的抗剪强度,其强度设计值取0.9倍角焊缝的强度设计值。

图3.18　部分焊透对接焊缝的截面

部分焊透对接焊缝的最小有效厚度为为坡口所在焊件的较大厚度(mm)。