焊接结构是由许多通过焊接连接而成的构件、元件和零件。因此，焊接接头的性能和质量直接关系到焊接结构的使用性能、安全性和可靠性。多年来，焊接工程界对焊接接头进行了广泛的试验研究，对提高焊接结构的性能和可靠性，扩大焊接结构的应用范围起到了很大的作用。
1. 焊接接头
（1）焊接接头基本类型
熔焊、压焊、钎焊等主要焊接方法均可用于制作焊接结构。这些焊接方法用于将金属结构连接起来，形成不可分离的连接接头——焊接接头，形成熔焊接头、压焊接头和钎焊接头，从而形成焊接结构。但应用最为广泛的是熔焊，这里重点讲解熔焊接头。
（1）熔焊接头：熔焊接头由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材组成。焊缝金属是由填充材料和部分母材熔化、凝固而形成的铸造组织。熔焊接头各部位的组织是不均匀的，性能上也存在差异。这是因为上述四个区域的化学成分和金相组织不同，接头往往会改变构件原来的截面和形状，造成不连续，甚至产生缺陷，形成不同程度的应力集中、焊接残余应力与变形、较大的刚度等，这些都影响接头的性能。因此，接头的力学性能是不均匀的，物理化学性能也存在差异。为了保证焊接结构可靠地工作，希望焊接接头具有与母材相同的力学性能，有时还希望获得相同的物理化学性能，如导电性、导磁性、耐腐蚀性，以及相同的光泽和颜色。
焊缝金属常形成柱状晶铸态组织，一般强度和硬度均高于母材，但韧性较低。对于高强度钢，也可采用适当的工艺措施，如预热、缓冷或适当的热输入，以获得满足要求性能的焊缝金属。一般来说，焊缝金属强度可能高于母材强度，也可能低于母材强度，前者称为高匹配，后者称为低匹配。
宽度较小的热影响区，焊接温度场的梯度较大，各点热循环差别很大，导致组织和性能的差异。这种差异与焊接金属的组织成分和焊接热输入有关。需要特别指出的是，焊接热循环后产生的“动态应变时效”（热应变时效）会使接头性能恶化。钢、铝等材料在预应变后，就会发生脆性的“时效”现象。这种预应变和时效发生在低温下（室温），通常称为“静态应变时效”。焊接热影响区在焊接热循环后会产生热应变，焊接的高温又加速了时效脆化，所以“动态应变时效”大大降低了接头的性能，应注意防止。
熔化焊的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝，由这两种焊缝主要构成的焊接接头有对接接头、角接接头、丁字（十字）接头、搭接接头和塞焊接头等。根据GB/T 985-1988《气焊、电弧焊和气体保护焊焊接坡口基本形式与尺寸》和GB/T 986-1988《埋弧焊焊接坡口基本形式与尺寸》，常用的焊接坡口基本形式和上述接头形式如图5-1所示。图5-1给出了对接接头(见图5-1的a~n)、角接头(见图5-1o~u)、丁字接头和十字接头(见图5-1的v~Y和z、a')以及搭接接头(见图5-1的b'、c')的坡口形式、尺寸及熔化形成的焊缝金属(图中用细实线表示)。用符号字母表示的有关尺寸见表5-6。表5-6是参照GB/T 985-1988和GB/T 986-1988的规定列出的。坡口形式的选择除上述两个标准外，还可根据行业、企业标准，由焊件厚度决定，有一个合适的范围。例如，对于厚度为30mm的板材，可以选择图5-1i所示的双Y型坡口（从表5-6可查，当采用电弧焊时，此种坡口适用于厚度为12~60mm的板材；当采用埋弧焊时，适用于厚度为24~60mm的板材），也可以选择图5-1m所示的钝边双U型坡口。无论选择哪种坡口形式，首先要保证接头质量，还要考虑经济性。
电渣焊接头是熔化焊接头中一种重要的接头类型。当焊件厚度大于30mm时，可考虑采用电渣焊接头，特别是大截面焊缝。例如，当焊件厚度大于60mm时，电渣焊比电弧焊接头效率高。常用电渣焊接头基本形式如图5-2所示，各种形式的电渣焊接头尺寸见表5-7。工件电渣焊时，应使工件位置使焊缝自下而上，即适用于立位焊。电渣焊焊缝是由焊接材料和母材边缘经高温渣池熔化、堆积而成的，因此，焊缝内外应有块状。电渣焊适用于焊接截面较大、特大的焊缝，如厚壁压力容器、大直径轴、大厚度管道、大型机械零件等。电渣焊缝焊后通常进行正火回火或高温退火热处理，以消除焊接热输入大引起的热影响区宽、晶粒粗大、残余应力大的不利影响。
电子束焊接接头是一种特殊的熔化焊接接头，它是利用聚焦的高速电子流轰击焊件，将电子动能转化为热能，使焊缝焊缝区熔化，进行熔化焊接。其特点是能焊接各种特殊金属，厚度大，焊缝深宽比大（可达25：1）。根据其特点，用于核反应堆部件、航空航天设备中某些特殊金属、超高强度钢和耐热合金零件的焊接。由于电子束直径细，焊接能量集中，焊接时不加入填充金属，形成了电子束焊接接头的一些特点。该类接头也有对接、角接、T型接头和搭接接头形式，还有一种类似于电渣焊搭接接头的终端接头形式，只是焊件靠得很近。
（2）压焊接头：除上述熔焊接头外，电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆炸焊等都统称为压焊。其中，电阻焊和摩擦焊由于效率高，在许多部门得到广泛应用。特别是在汽车工业中，电阻焊和摩擦焊应用十分广泛。电阻焊中的点焊（包括滚动点焊）和缝焊多采用搭接接头。凸焊是点焊的一种变型，但接头形式多种多样，需根据焊件的形状、尺寸，设计合适而巧妙的接头。高频电阻焊一般为对接焊，也有采用搭接接头的。电阻对接焊显然采用对接接头。需要指出的是，由于电阻对接焊技术的发展，现已能焊接截面10万mm2以上的焊件。因此，在锅炉压力容器制造中，特别是在钢质管道的环缝中，如长距离石油、天然气管道（包括陆、海）的建设中，已应用了电阻对接焊。摩擦焊接头通常也采用对接接头。其他电阻焊接头形式及应用情况，请查阅有关资料。
(3)钎焊接头:钎焊接头的类型很多，但基本类型只有对接接头和搭接接头。
（2）熔焊坡口形式的选择
熔化焊坡口按其形状可分为三类，即基本型，如I型、V型及单V型、U型及单U型等，如图5-1b、1所示；还有特殊型式，如卷边型、带垫型、锁紧型、塞焊型、槽焊型等；组合型，顾名思义就是以上几种型式的组合，图5-1中坡口大多为这种组合型。坡口形式通常根据工厂情况、工艺要求等问题确定。
（1）工厂加工条件。例如双V形、Y形、单面V形、双单面V形、V形、I形等坡口，可用气割、等离子弧切割，当然还有金属切割等方法加工。但双U形、钝边U形、钝边J形、U形、Y形坡口一般需用刨床加工（近期也有用气割加工U形坡口的报道），效率不如热切割。
（2）可达性。对于Y形、带垫板的Y形（见图5-1e、f）、带垫板的V形、VY形（见图5-1g）、带钝边的U形（见图5-1h）等坡口接头，焊接时一般不必翻转接头。对于内径较小的容器或管道，以及不方便翻转的结构，可采用这种坡口和焊缝形式，避免仰焊和从内侧焊接。
（3）减少焊接材料消耗。一般熔敷金属量少，焊接材料（焊条、焊丝及焊剂、保护气）消耗也少，节省加工工时。对于同样的板厚：Y型坡口的熔敷金属量比双Y型坡口可提高50%以上。双U型或UY型坡口节省的熔敷金属更多。因此，对于较厚的焊接接头，常采用这种较经济的坡口。
对于不宜采用电渣焊或电子束焊的特厚焊缝，也采用窄间隙焊接。
（4）考虑焊接变形和应力。例如单面焊可能引起焊缝根部角变形和严重的焊接残余应力。此时应考虑材料（母材）的特性，采用适当的工艺和坡口形式，以获得合格的接头。
需要指出的是，对接焊缝和角焊缝的焊缝表面均可为凹面、凸面或平面，后者有时是通过加工实现的。角焊缝除上述三种等边角焊缝外，还有三种不等边角焊缝。图5-3所示的四种直角焊缝形式包括等边平面、凹面和凸面直角焊缝三种形式（见图5-3a~c），以及平面不等边直角焊缝（见图5-3d）。焊脚尺寸K是角焊缝的特征尺寸。角焊缝的焊脚尺寸为焊缝内接的等腰直角三角形的直角边钢结构焊接坡口要求，如图5-3所示。
（3）工作接头、连接接头和密封接头
以上所讲的焊接接头基本类型，主要是按照所采用的焊接工艺来区分的，其实也是按照焊接结构焊缝的受力情况来划分的。焊接结构的焊缝按其是否直接承受载荷，可分为承力焊缝和非承力焊缝，通常称为工作焊缝和连接焊缝，如图5-4所示。前者把结构中的力从一个部位传递到另一个部位，焊缝与部位（结构）是串联的，这种类型的焊缝必须进行强度计算。后者的焊缝与部位（结构）是并联的，与部位（结构）一起受力、变形，即使焊缝损坏，一般也不影响整个结构的安全运行。传递力不是焊缝的主要任务，通常不需要进行强度计算。但严格地说，应认为整个接头除焊缝外，还具有熔合线、热影响区等承受（串联或并联）直接载荷或不直接承受（并联）载荷的部位，因此有的资料提出了工作接头、连接接头和密封接头等。后者的主要任务是防止泄漏，因此大多属于工作接头。
（4）焊接接头工作应力分布
如上所述，图5-1所示的熔化焊接头主要有对接接头、角接接头、T型接头（十字接头）和搭接接头等。塞焊接头实际上也是搭接接头的一种。焊接接头内工作应力的分布并不均匀，即存在应力集中现象，各种接头的应力集中情况也各不相同。其中对接接头的应力集中最小，形式最简单，受力较少，因此是最合理、最典型的焊接接头形式。即使如此，如果对接接头的余高较大，过渡处的圆弧半径较小，应力集中现象也会加剧，图5-5是对接接头内的应力分布情况。图5-6给出了应力集中系数Kσ随余高h和过渡圆弧半径r变化的情况。
T形（十字）接头从母材到焊缝的过渡锐利，力传递较大，力线扭曲，应力分布不均匀，容易产生较大的应力集中。其应力分布如图5-7所示。如图5-7a所示，由不带坡口的角焊缝组成的T形（十字）接头，即图5-1a所示的T形接头，其最大应力在角焊缝根部，如截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ的A点，截面Ⅲ-Ⅲ的B点。若开坡口，焊缝焊透，应力分布将大大改善，如图5-7b所示。T形（十字）接头也是典型的熔化焊接头，应用也十分广泛。这种接头占船舶工业全部接头的70%，因此改善其应力分布十分重要。对于工字形坡口角焊缝形成的T形（十字）接头，随着焊脚尺寸的增大和角度θ的减小（图5-7a），应力集中减小。当角度θ小于或大于45°时，即图5-3d中的不等边角焊缝，只有长边沿力线方向（即θ
角焊缝形成的搭接接头应力分布很不均匀，不是一种理想的结构接头形式，尤其在动荷载和低温条件下应尽量避免使用。但由于搭接接头装配十分方便，焊前准备简单，构件收缩量小，在一些受静荷载的薄板建筑结构、储罐结构中仍有采用。需要指出的是，搭接接头又可分为正面搭接接头和侧面搭接接头。在搭接接头中，不仅角焊缝横截面上存在不均匀的应力分布(与T型接头角焊缝相似)，而且正面和侧面搭接焊缝中的应力分布也不同。侧面搭接焊缝沿焊缝长度方向的应力分布是不均匀的，如图5-8所示。此图表示的只是侧面搭接焊缝的情况。A1和A2表示搭接板的横截面积，曲线为剪应力Tx的分布。如图5-8c所示，当焊缝长度增加时，应力分布不均匀现象更加严重，中间段几乎不受应力，因此有些标准对承载搭接焊缝（侧搭接）的长度作了规定。
2.焊接接头设计
（1）焊接接头设计特点
良好的节点设计是防止结构损伤的条件之一。对于实际受力非常复杂的节点，设计时应考虑以下问题：
（1）焊接结构最好采用形式简单、应力集中较小、不破坏结构连续性的接头（焊缝），即不产生或很少产生集中力线或转折点的接头和焊缝。
上述熔焊接头中，对接接头最符合上述条件，应优先采用，其次是丁字（十字）接头，而应避免采用搭接接头。但正如上文所述，为了施工方便，在一些受静载作用且不太重要的结构中，仍会采用搭接接头。
（2）尽可能将焊接接头置于工作载荷较小、构件几何尺寸和形状保持不变的地方。
（3）角焊缝的焊脚尺寸不宜过大，搭接角焊缝不宜过长。如前所述，角焊缝沿横截面的应力分布是不均匀的，横截面越大，应力分布不均匀的程度越大。因此，横截面大的角焊缝承载能力低。但焊接材料和工时的消耗量按焊脚尺寸的平方增加。在搭接接头中，正面角焊缝的刚度大于侧面角焊缝，实际强度也较大。因此，正面和侧面角焊缝组合的搭接角焊缝中应力分布不均匀，侧面角焊缝沿焊缝长度方向的应力分布也不均匀。因此，对变形能力差的重要结构和接头应特别注意。
（4）钢板在厚度方向（Z方向）的性能较差，因此，在形成T形（十字）接头时，若需沿厚度方向传递外力，应选用Z方向钢。
（5）焊接接头刚度较大，焊缝在屈服前变形很小，因此对作为铰点的接头（如桁架的节点）可能产生较大的附加应力，此时应采取减小焊缝截面、改变焊缝位置等措施，增加接头的柔性。
（6）充分考虑制造厂的条件，提高设计接头的工艺性。例如，焊接结构中接头数目应少，焊接方法应少，接头尺寸应单一；施工时的可达性应好，包括焊接时的可达性和焊后的检查性（如X射线探伤的方便安置和超声波探伤的探头移动范围要合适）；焊接性要好等。
（7）计算接头时，未考虑应力分布不均匀和焊接残余应力。下文将介绍，本计算做了一些假设和简化。对于恶劣的工作条件，如低温或动载荷或接头刚度较大的场合，应适当考虑这些因素。对于在腐蚀环境下工作的焊接结构的接头，接头的详细设计也需要特别考虑。
（2）焊接接头静载强度计算
（1）按许用应力法计算
①对接接头强度计算：图5-9给出了典型的对接接头及其应力情况，可根据表5-8中的公式进行计算。从计算公式中可以看出，计算不考虑接头内的应力集中（应力分布不均匀）或焊接残余应力钢结构焊接坡口要求，而假定工作应力沿焊缝均匀分布。从图5-9a可以看出，当两块不同厚度的板材对接时，当厚度差（δ-δ1）超过规定值时（按GB 985标准，厚度差允许为1~4mm），厚板上需切出倒角，且倒角长度L>3（δ-δ1），或两侧均切出倒角。
②搭接接头强度计算：图5-10给出了典型的搭接接头及其应力情况。塞焊和电铆接搭接接头也列在这里（见图5-10g、h）。另外，搭接接头都是由角焊缝构成的。正如对接接头强度计算主要校核对接焊缝的强度一样，搭接接头强度计算主要计算角焊缝的强度。在搭接角焊缝计算中作了如下假设：
首先，对于这种类型的角焊缝形状（见图5-3），内接等腰直角三角形的高度，即
K0作为厚度计算，没有考虑焊缝的凸凹，也没有考虑熔深的差异。
K0≈0.7K，K为焊脚尺寸，当熔深较大时，如埋弧焊，可考虑K0≈0.8K，甚至等于K。
第二，角焊缝总是按计算截面计算的，即计算厚度（俗称喉厚）是按截面处的剪应力损伤计算的。即使接头受到弯矩作用，抵抗弯矩产生的应力也假定为剪应力，见表5-8、公式（5-12）、公式（5-15）、公式（5-17）等。
第三，不考虑正、侧面角焊缝的应力差异及焊缝上应力分布的不均匀性，使计算方便。由于侧面搭接焊缝的应力不均匀性随焊缝长度的增加而增大，因此上述计算规定对计算焊缝的长度进行了限制。
四、角焊缝的最小焊脚尺寸一般不应小于4mm。当板厚小于4mm时，焊脚尺寸可与板厚相同。图5-10各种搭接接头强度计算见表5-8有关部分。
③ T型接头强度计算：如图5-7所示，T型接头与十字接头均可采用角焊缝(见图5-7a)，角焊缝会产生应力集中，也可采用对接焊缝，如K型坡口焊缝(见图5-7b)，后者的应力集中小得多。表5-8包括了两种焊缝的强度计算。可见，角焊缝的强度计算与搭接角焊缝的强度计算相同，与对接焊缝的强度计算相同。需要指出的是，当T型接头承受压力时(见图5-11a)，由于可将立板压紧在盖板上，因此承压能力大大提高，可采用公式(5-20)进行强度计算。很多情况下集中力既不平行于焊缝，也不垂直于焊缝，因此可以将集中力分解为两部分，分别进行强度计算，如图5-11d和表5-8中公式（5-26）所示。
（2）极限状态设计法中焊接接头的计算。根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》，当对接接头、T型接头、角接接头和搭接接头采用焊接时，应采用对接焊缝、直角角焊缝（图5-3）、斜角角焊缝（图5-13）以及对接与角接接头组合焊缝（图5-12）。应根据结构的重要性、荷载特点、焊缝形式、工作环境和受力状态等选择焊缝。例如，承受疲劳的构件的对接焊缝应采用满焊，焊缝质量应为I级或II级；虽然不考虑疲劳，但要求强度与母材相同，也要求采用满焊，且焊缝质量不应低于II级；重型吊车梁和起重量大于50t的中型吊车梁，要求腹板与盖板间的角焊缝采用坡口焊透。
表5-8 熔化焊接接头静载强度计算（许用应力法）
焊缝强度计算公式如表5-9所示。
