焊缝设计在焊接接头设计中是非常重要的。焊缝是在焊接过程中由填充金属（当使用时）和部分母材熔合后凝固而成，它起着连接金属和传递力的作用。如图5-9所示的焊接接头，按力传递的特点可归纳成对接焊缝和角焊缝两大类，前者力是直线传递，力流一般不发生偏转（图5-9a），和无焊缝类似（图5-9b）；而后者力是非直线传递，力流发生一定程度偏转，偏转程度和焊透情况有关，如图5-9c所示。
图5-9 对接焊缝和角接焊缝传力示意
a）对接焊缝（坡口熔透） b）无焊缝 c）角焊缝（不熔透）
1.焊缝的基木形式
焊缝金属的性能决定于填充材料和基体材料两者熔合后的成分和组织。熔焊接头中的焊缝按其焊前准备和工作特性可归纳成表5-1所示，按其焊前准备和截面特征可归纳为坡口焊缝、无坡口焊缝和部分坡口焊缝三种基本类型。
表5-1 熔焊典型焊缝的形式
（1）坡口焊缝根据设计或工艺需要，将工件待焊部位预加工并装配成一定形状的沟槽称为坡口。在焊接过程中用填充金属填满坡口而形成的焊缝称坡口焊缝。对接接头、T形或十宇接头和角接头都可以采用坡口焊缝。使接头全熔透的坡口焊缝属于对接焊缝，因其工作特性与无缝的“接头”已无区别。合理设计坡口焊缝，厚板可以熔透，还可以改变焊缝的受力性质、调节散热条件、调整熔深以改变稀释率、节省填充金属和控制焊接变形等。
（2）无坡口焊缝在两工件接合面之间直接焊接形成的焊缝称为无坡口焊缝。无坡口焊缝的焊前准备工作最为简单，不必作坡口加工，而巨装配也较为容易。不开坡口时形成的角焊缝不是理想的传力焊缝，力线传递弯曲，工作应力复杂，应力集中因素多。实际上，如果T形接头、十宇接头和角接头的无坡口焊缝用深熔焊工艺熔透了，力线传递情况就与坡口焊缝一样。
（3）部分坡口角焊缝在厚板结构的对接接头、T形（或十宇）接头和角接头中，只填满预开小坡口而不全熔透的焊缝称为部分坡口角焊缝。焊前不开坡口，采用深熔焊工艺也能获得这类焊缝。实质上这类焊缝是对接焊缝和角焊缝的组合体。与不开坡口角焊缝比，在同样的承载能力下它可以节省填充金属。由于这类接头承载时仍具有角焊缝性质，出于安全和简便考虑，常按角焊缝迸行强度计算。
2.焊缝的形状和尺寸
（1）焊缝宽度焊缝表面与母材的交界处叫焊趾。单道焊缝横截面中，两焊趾之间的距离称为焊缝宽度，如图5-10所示。
图5-10 焊缝宽度
a）角焊缝 b）对接焊缝
图5-11 焊缝余高
（2）焊缝余高对接焊缝中，超出表面焊趾连线的焊缝金属的高度叫余高，如图5-11所示。余高使焊缝的截面积增加，强度提高，并能增加探伤的灵敏度，但接头的承载能力却随着余高的增加而降低，这是由于焊趾处的应力集中增大所造成的，所以余高尽量取规定范围内的最小值。国家标准规定焊条电弧焊的余高值为0～3mm，埋弧焊余高值取0～4mm。
（3）焊缝熔深在焊接接头横截面上母材熔化的深度叫熔深，如图5-12所示。当填充金属材料一定时，熔深的大小决定了焊缝的化学成分。
（4）焊缝厚度在焊缝横截面中，从焊缝正面到焊缝背面的距离叫焊缝厚度，如图5-13所示。
图5-12 焊缝熔深
a）对接接头 b）搭接接头 c）T形接头
图5-13 对接焊缝的焊缝厚度(www.xing528.com)
（5）角焊缝形状如图5-14所示，根据角焊缝的外表形状，可将角焊缝分成两类：焊缝表面凸起的角焊缝叫凸形角焊缝；焊缝表面下凹的角焊缝叫凹形角焊缝。焊缝计算厚度：在角焊缝断面内最大等腰直角三角形，从直角的顶点到斜边的垂直长度（最小厚度）。焊脚：角焊缝的横截面中，从一个工件上的焊趾到另一个工件表面的最小距离。焊脚尺寸：焊缝截面中最大等腰直角三角形中直角边的长度，对于凸形角焊缝，焊脚尺寸等于焊脚；对于凹形角焊缝，焊脚尺寸小于焊脚。
（6）焊缝成形系数熔焊时，在单道焊缝横截面上焊缝宽度（B）与焊缝计算厚度（H）之比值称为焊缝成形系数，即Φ=B/H，如图5-15所示。焊缝成形系数Φ越小，则表示焊缝窄而深，这样的焊缝容易产生气孔夹渣和裂纹。所以焊缝成形系数应保持一定的数值，例如埋弧焊的焊缝成形系数要大于1.3。
3.坡口焊缝的设计
坡口焊缝设计实际上是对焊接接头的坡口迸行设计，即确定坡口的几何形状和几何尺寸。在对接、T形接头和角接接头中采用坡口主要是为了保证焊透，同时不出现其他焊接工艺缺陷。根据需要还可以利用不同的坡口形状和尺寸，或改变接头的加热或散热条件以调节焊缝的成形和结晶状态，或调整熔合比或稀释率以保证焊缝金属的内在质量，或调节和控制焊接应力与变形等。
基于焊透的目的，表5-2列出常用坡口的类型。设计和选择这些坡口，主要依据是被焊构件的厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工艺程序等。此外，还应尽量做到以下几点：
1）焊接可达性好。它是选择坡口形式的重要条件之一。一般来说，要根据构件能否翻转、翻转难易，或内外两侧的焊接条件而定。对不能翻转的和内径较小的容器、转子及轴类的对接焊缝，为了避免大量的仰焊和不能或不便从内侧施焊，都宜采用V形或U形坡口。
2）坡口易于加工。V形和X形坡口可用气割或等离子弧切割，亦可用机械切削加工。但U形和双U形坡口，一般需用刨边机加工。
3）节省焊接材料。对于同样厚度的焊接接头，采用X形坡口比V形坡口能省较多的焊接材料、电能和工时，构件越厚节省得越多。
4）焊接变形小。采用不适当的坡口形式容易产生较大的焊接变形。同样的条件下，V形坡口比U形和X形坡口产生的角变形大。如果坡口形式适宜，工艺合理，则可有效地减少焊接变形。
图5-14 角焊缝的形状
a）凸形角焊缝 b）凹形角焊缝
图5-15 焊缝成形系数的计算
表5-2 常用坡口的类型
表5-3中举了几个坡口设计的例子。还需注意，坡口对称的接头，其焊接过程中加热或散热条件基本上也是对称的；填充金属量大的坡口其熔合比或稀释率小。
表5-3 熔焊接头坡口设计的例子
对接接头、T形接头和十宇接头均可采用坡口焊缝。对接接头的坡口既可以在两工件待焊边缘上加工出来，也可以只在一个工件的待接边缘上加工出来；T形接头或十宇接头的坡口只能在立板的待接边缘上加工出来。当按前述原则选定坡口的基本形状后，设计的主要工作就是确定坡口角度、根部间隙、钝边和根部半径等几何参数。
焊条电弧焊时，为了保证焊条能够接近接头根部，并能在焊接时使侧边熔合良好，坡口角度与根部间隙之间要有一定关系，即当减小坡口角度时根部间隙必须增大。但注意，坡口角度减小，可减少填充金属；而增大间隙，却增加填充金属。图5-16列出四种均符合工艺要求的对接坡口形式，研究发现，板厚d＜20mm时，用大坡口角度和小根部间隙（δ＞20mm）时，用小坡口角度和大根部间隙的坡口形状才是经济的。
图5-16 焊条电弧焊对接坡口角度与根部间隙的关系
根部间隙过小，根部难以焊透，并需采用较小规格的焊条，从而降低焊接效率；若根部间隙过大，虽然应用衬垫可保证焊接质量，但需用较多的填充金属，从而提高焊接成本，并增大焊接变形。
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