角焊缝形式、构造要求及受力特点

1．角焊缝的形式

角焊缝连接方式由于其施工方便在工程结构中经常被采用，可用于搭接连接和T形连接中。角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。正面角焊缝的焊缝与作用力垂直；侧面角焊缝的焊缝长度方向与作用力平行；斜焊缝的焊缝长度方向与作用力方向斜交。

角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。当两焊角边的夹角 α 为 90° 时，称为直角角焊缝，是工程中最常见的角焊缝形式。直角角焊缝通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面，如图 3.22（a）所示。在直接承受动力荷载的结构中，为了减少应力集中，正面角焊缝的截面常采用如图 3.22（b）所示的形式，侧面角焊缝的截面则做成凹面式，如图 3.22（c）所示。

图3.22　直角角焊缝截面

两焊角边的夹角 α 不是 90° 的焊缝称为斜角角焊缝（图 3.23）。斜角角焊缝常用于钢管结构中。对于夹角 α ＞ 135° 或 α ＜ 60° 的斜角角焊缝，除钢管结构外，不宜用作受力焊缝。

图3.23　斜角角焊缝截面

2．角焊缝的构造要求

1）最小焊脚尺寸

角焊缝的焊脚尺寸不能过小，否则焊接时产生的热量较小，而焊件厚度较大，致使施焊时冷却速度过快，产生淬硬组织，导致母材开裂，在高强钢材中这种现象尤为严重。《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）规定：角焊缝最小焊脚尺寸宜按表 3.2 取值，承受动荷载时角焊缝焊脚尺寸不宜小于5 mm。

表3.2　角焊缝最小焊脚尺寸　单位：mm

注：1.采用不预热的非低氢焊接方法进行焊接时，t等于焊接连接部位中较厚件厚度，宜采用单道焊缝；采用预热的非低氢焊接方法或低氢焊接方法进行焊接时，t等于焊接连接部位中较薄件厚度。
2.焊缝尺寸hf不要求超过焊接连接部位中较薄件厚度的情况除外。

2）最大焊脚尺寸

为了避免焊缝收缩时产生较大的焊接残余应力和残余变形，且热影响区扩大，容易产生热脆，较薄焊件容易烧穿。《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）规定，除钢管结构外，角焊缝的焊脚尺寸应满足：

式中　t1——较薄焊件厚度（mm），如图3.24所示。

搭接焊缝沿母材棱边的最大焊脚尺寸：当板厚不大于 6 mm 时，应为母材厚度；当板厚大于 6 mm 时，应为母材厚度减去 1～2 mm。如图 3.25 所示。

图3.24　最大焊脚尺寸

图3.25　搭接焊缝沿母材棱边的最大焊脚尺寸

3）角焊缝的最小计算长度

角焊缝的焊脚尺寸大而长度较小时，焊件的局部加热严重，焊缝起落弧所引起的缺陷相距较近，加之焊缝中可能产生的其他缺陷（气孔、非金属夹杂等）使焊缝可靠性降低。对搭接连接的侧面角焊缝而言，如果焊缝长度过小，焊缝集中在很短的距离内，且传力线弯折大，造成严重的应力集中现象，使焊缝承载能力降低。为了使焊缝能够具有一定的承载能力，角焊缝的计算长度不得小于 8hf和 40 mm，焊缝计算长度应为扣除引弧、收弧长度后的焊缝长度。断续角焊缝焊段的最小长度不应小于最小计算长度。

4）侧面角焊缝的最大计算长度

侧面角焊缝在弹性阶段沿长度方向受力不均匀，两端大而中间小。焊缝越长，应力集中越明显。在静力荷载作用下，如果焊缝长度适宜，当焊缝两端处的应力达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀。但是，如果焊缝长度超过某一限值时，有可能首先在焊缝的两端破坏，故一般规定侧面角焊缝的计算长度lw≤60hf。

角焊缝的搭接焊接连接中，当焊缝计算长度 lw超过 60hf时，焊缝的承载力设计值应乘以折减系数fα，并不小于0.5。

5）搭接连接的构造要求

在搭接连接中，当仅采用正面角焊缝传递轴向力时，其搭接长度不得小于焊件较小厚度的 5 倍，也不得小于 25 mm，并应施焊纵向或横向双角焊缝（图3.26）。(www.xing528.com)

图3.26　搭接连接

当板件端部仅有两条侧面角焊缝连接时（图 3.27），试验结果表明，连接的承载力与 B/lw有关。B 为两侧焊缝的距离，lw为侧焊缝的计算长度。当B/lw＞1时，连接的承载力随着 B/lw的增大而明显下降。这主要是由于应力传递的过分弯折使构件中应力所造成的分布不均匀影响。为使连接强度不致过分降低，应使每条侧焊缝的计算长度不小于两侧焊缝之间的距离，即 B/lw＜1。只采用纵向角焊缝连接型钢杆件端部时，型钢杆件的宽度不应大于 200 mm，当宽度大于200 mm时，应加横向角焊缝或中间塞焊；型钢杆件每一侧纵向角焊缝的长度不应小于型钢杆件的宽度，以免因焊缝横向收缩，而引起板件向外发生较大拱曲。

图3.27　焊缝长度及两侧焊缝间距

用搭接焊缝传递荷载的套管连接可只焊一条角焊缝，其管材搭接长度 L 不应小于 5（t1＋t2），且不应小于 25 mm（t1、t2分别为搭接板厚度和钢管壁厚）。搭接焊缝焊脚尺寸应符合设计要求（图 3.28）。

图3.28　管材套管连接的搭接焊缝最小长度

6）减小角焊缝应力集中的措施

杆件端部的搭接采用三面围焊时，在转角处截面发生突变，产生应力集中，如在此处起灭弧，可能出现弧坑或咬边等缺陷，从而加大应力集中程度。故所有围焊的转角处必须连续施焊。对于非围焊情况，当角焊缝的端部在构件转角处时，可连续地实施长度不小于 2hf的绕角焊（图 3.27）。

3．角焊缝的受力特点及强度

角焊缝的应力分布比较复杂，端缝与侧缝工作性能差别较大。端缝在外力作用下应力的分布如图 3.29 所示。从图中看出，焊缝的根部产生应力集中，通常总是在根脚处首先出现裂缝，然后扩及整个焊缝截面以致断裂。侧缝的应力分布如图 3.30 所示，焊缝的应力沿焊缝长度的分布并不均匀，焊缝长度越长，其分布越不均匀。因此，角焊缝的强度会受到很多因素的影响，有明显的分散性。

图3.29　端焊缝应力分布

图3.30　侧焊缝应力分布

角焊缝中正面角焊缝的应力状态要比侧缝复杂得多，有明显的应力集中现象，塑性性能也差，但正面角焊缝的破坏强度比侧缝的破坏强度要高一些，两者之比为1.35～1.55。

侧面角焊缝主要承受剪应力，塑性较好，但强度较低，传力线通过侧面角焊缝时发生弯折，因而应力沿焊缝长度方向分布不均匀，应力分布呈两端大而中间小的曲线形状，焊缝越长，应力分布不均匀越显著，进入塑性工作阶段后会产生应力重分布，使应力不均匀的分布现象趋于缓和。

斜面角焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。

4．焊缝破坏面有效厚度

不论端缝或侧缝，角焊缝假定沿焊脚 α /2 面破坏，α 为焊脚边的夹角。焊缝的破坏面又称为角焊缝的有效截面，破坏面上焊缝厚度称为有效厚度he（图 3.31）。当两焊件间隙 b≤1.5 mm 时，he＝0.7hf；当1.5 mm ＜ b≤5 mm 时，he＝0.7(hf－b)。hf为焊脚尺寸。

图3.31　直角角焊缝计算厚度

两焊脚边夹角60°≤α≤135° T 形连接的斜角角焊缝，其计算厚度he的计算应符合下列规定（图 3.32）：

当根部间隙b≤1.5 mm 时，he＝hfcos(α/2)。

当根部间隙 1.5 mm ＜ b≤5 mm 时，

当α＜60°时，斜角角焊缝计算厚度 he可按《钢结构焊接规范》（GB 50661）的有关规定计算取值。

图3.32　T形连接的根部间隙和焊缝截面