關于T形接頭焊腳尺寸大小的探讨

一、關于T 形接頭

T形接頭是由一焊件的端面與另一焊件表面構成直角或近似直角的接頭，其接頭形式見圖1。T形接頭在焊接結構中被廣泛使用，特别是在水工金屬結構中約有80%以上的連接是采用T形接頭。如閘門主梁腹闆與主梁翼緣闆、主梁腹闆與邊梁腹闆、隔闆與主梁腹闆和面闆等的連接均為T形接頭形式。按照焊件厚度和坡口制備的不同，T形接頭通常可分為不開坡口、單邊V形坡口、K形坡口以及雙U形坡口四種形式。

在實際使用中，有些焊縫承受載荷，此類焊縫稱為工作焊縫；有些焊縫不直接承受載荷，此類焊縫稱為聯系焊縫。工作焊縫必須保證足夠的焊腳尺寸以滿足承載強度要求。對于一、二類焊縫要求開坡口焊接，在《水電水利工程鋼閘門制造安裝驗收規範》（DL/T5018-2004）關于一、二類焊縫作了明确規定，其中T形接頭中屬于一、二類焊縫的有：閘門主梁腹闆與邊梁腹闆和翼緣闆連接的組合焊縫或角焊縫；轉向吊杆的組合焊縫及角焊縫；人字閘門端柱隔闆與主梁腹闆及端闆的組合焊縫；閘門主梁、邊梁、臂柱的翼緣闆與腹闆的組合焊縫及角焊縫；閘門吊耳闆與門葉的組合焊縫或角焊縫；主梁、邊梁與門葉面闆的組合焊縫或角焊縫；臂柱與連接闆的組合焊縫或角焊縫等。

二、T形接頭焊腳尺寸大小的确定

1、焊縫設計、計算原則

在設計、計算焊縫大小時,考慮到焊接結構中焊縫受殘餘應力及應力集中的影響，其應力分布是十分複雜，很難精确地計算接頭的強度，因此在靜載條件下，為簡化計算起見，常做以下假設：

①、焊趾和餘高等處的應力集中對焊接接頭強度沒有影響；

②、殘餘應力對焊接接頭強度沒有影響；

③、正面角焊縫和側面角焊縫的強度沒有差别；

④、焊接接頭的工作應力是均布的，以平均應力計算；

⑤、角焊縫都在切應力的作用下破壞，按切應力計算強度；

⑥、角焊縫的破斷面（計算斷面）在角焊縫截面的最少厚度上（焊喉），其值等于内接三角形的高Kj。

2、不開坡口的T形接頭（見圖2）角焊縫尺寸确定

設t≤δ，根據焊縫與母材等強度原則，角焊縫的受力計算厚度Kh=2Kj≥t，即Kj≥0.5t。考慮到焊縫本身可能存在殘餘應力或焊接缺陷等不利因素，在設計角焊縫尺寸時增加一定的安全系數，取Kh=2Kj=1.14t，Kj=0.57t，通過三角函數計算得出K1=K2=Kj/cos45°= =0.8t。

3、開坡口焊接的T形接頭（以K形坡口為例，簡化成圖3）角焊縫尺寸确定

設坡口角度為α，考慮到此類角焊縫一般規定未焊透深度最大不許超過闆厚的25%且不大于4mm，同時焊縫本身還可能存在殘餘應力或其他焊接缺陷等不利因素，在設計角焊縫尺寸時按最不利條件下确定，取受力計算厚度Kh=t-0.25t 2Kj=1.14t ，即Kj=0.2t。下面根據已知條件t、α、Kj計算出角焊縫的焊腳尺寸K1和K2值。

垂直方向的焊腳高

K1=0.5t×tgα……………………………………（1）

水平方向的焊腳高

K2=Kj/cosβ=Kj/cos[sin-1(Kj/K1)]=Kj/cos[sin-1（Kj÷0.5t÷tgα）]………………………（2）

設α=30°、45°、60°，取Kj=0.2t，分别代入公式（1）、（2）得出：

當α=30°時，K1=0.29t、K2=0.28t

當α=45°時，K1=0.5t、K2=0.22t

當α=60°時，K1=0.87t、K2=0.21t

三、對T形接頭角焊縫尺寸的探讨

從以上計算結果可以看出：1、對不開坡口的T形接頭（見圖2）角焊縫焊腳尺寸，如果屬于直接承受拉力或剪力的工作焊縫，K1=K2=0.8t，這時焊喉高Kj=0.8t×con45°=0.57t（mm）,角焊縫的受力計算厚度為2×0.57t=1.14t（mm），即焊縫的承載能力相當于母材的1.14倍，滿足了焊縫的承載強度要求；如果屬于受壓角焊縫或作為聯系焊縫使用的角焊縫，建議按K1=K2≤0.6t且最大不超過12mm的原則來确定焊腳尺寸；其他有特殊要求的角焊縫最好在圖紙中标明焊腳尺寸。2、對于開坡口焊接的T形接頭，在通常坡口角度α等于30°～60°的情況下，垂直方向的焊腳高K1一般要求焊滿并蓋過坡口邊1～2mm；水平方向的焊腳高隻需K2=0.3t就能保證焊縫受力計算厚度大于闆厚的1.14倍,滿足了焊縫的承載強度要求。

在現行的水工金屬結構設計圖紙中，普遍存在對焊縫标注不夠詳細或過于籠統的現象，造成角焊縫往往偏大。例如對于不開坡口的T形接頭，除了部分角焊縫直接标出焊腳尺寸大小外，其他角焊縫通常用一句話“未标注的貼角焊縫的焊腳尺寸為0.8倍闆厚”在“技術要求與說明”中說明；

對于開坡口焊接的T形接頭角焊縫，K1可根據所标出的坡口尺寸推算出（焊縫蓋過坡口邊1～2mm，K1參見圖3），但是K2到底是多大在目前的設計圖中一般沒有明确，往往是根據坡口尺寸焊成一個斷面形狀為等腰直角三角形的角焊縫，也就是說K2=K1=0.5t×tgα°，這樣形成了過大的角焊縫。例如闆厚為t=30mm、K形坡口、坡口角度α=50°（參見圖3），按照目前通常的焊縫設計， K2=K1=0.5×30×tg50°=18（mm），這時焊喉高Kj=18×con45°=13（mm）,角焊縫的受力計算厚度Kh=2×13 30=56(mm),相當于闆厚的1.87倍，這是比較保守和浪費的。實際上從上述探讨論述可以看出，該角焊縫隻需K1=0.5t×tgα°=18（mm）、K2=0.3t=9(mm)就能滿足了焊縫的承載強度要求。

過大的角焊縫大多需要多層多道焊，反複的燒結造成母材及熱影響區的機械性能下降，承載強度受到嚴重的影響，這樣再大的焊縫也失去了應有的承載作用；另外過大的角焊縫增加焊接結構的殘餘應力，使焊後變形加大，影響到結構的裝配質量和外觀質量；同時也增加了焊接成本，降低了生産效率。所以金屬結構T形接頭角焊縫在保證承載能力滿足設計要求的前提下應盡可能減少焊縫金屬的填充量，按照這樣的原則設計焊縫，既能滿足了結構的承載強度和質量要求，又能保證焊縫外形秀氣、美觀，同時還能降低焊接成本、提高了工作效率和經濟效益，為建設節約型社會做出更大的貢獻。

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