角焊缝是钢结构焊接中最为常用的焊缝形式之一, 对于如何选取角焊缝焊脚尺寸是实际工作当中经常会遇到的问题。焊脚尺寸的大小直接关系到结构件的机械性能和使用性能。焊脚尺寸过大, 不但造成焊材、人力、工时等无谓消耗, 导致成本增加, 而且还会增大焊件热影响区范围, 导致焊接变形量增大;焊脚尺寸过小, 施焊过程的热量很快被焊件吸收, 焊缝冷却过快, 易变脆, 无法满足设计强度要求而造成安全隐患。如何合理的选取角焊缝焊脚尺寸是本文阐述的重点。
1中外标准中关于角焊缝焊脚尺寸的规定
1.1角焊缝最小焊脚尺寸
1.1.1 AISC 360《美国钢结构建筑设计规范》
AISC 360《美国钢结构建筑设计规范》中关于焊缝规定是按照美国焊接学会编制的AWS D1.1《钢结构焊接规范》来执行。其中AWS D1.1中对于角焊缝焊脚尺寸的最小值在5.14中规定如下:
除用以加强坡口焊缝的角焊缝外, 最小角焊缝尺寸应如表1中所示。除非设计图纸中规定较大尺寸的焊缝, 否则在所有的情况下应用最小角焊缝尺寸 (焊缝尺寸无需超过连接部件中较薄件厚度的情况除外) , 见表1:
1.1.2 GB50017《钢结构设计规范》
GB50017《钢结构设计规范》中关于角焊缝最小焊脚尺寸在8.2.7中规定如下:
角焊缝的焊脚尺寸不得小于1.5 t, (t为较厚焊件的厚度, 当采用低氢型碱性焊条施焊时, t可采用较薄焊件的厚度) 。但对埋弧自动焊, 最小焊脚尺寸可减小1mm;对于T型连接的单面角焊缝, 应增加1mm.当焊件厚度等于或小于4mm时, 则最小焊脚尺寸应于焊件厚度相同。
1.1.3规范AISC 360与GB50017对比
对于母材板厚 (T) 小于20mm时, 我们简单对比GB50017和AISC两种规范中焊脚尺寸最小值, 见表2:
两种规范所要求的角焊缝最小焊脚尺寸非常接近, 我国规范中较美国规范略微保守一些。角焊缝的焊脚尺寸最小值不能低于以上规定。之所以要规定最小角焊尺寸有两方面的考虑:
⑴对于非低氢焊接方法, 规定最小角焊缝尺寸为要保证足够的线能量, 以减小在热影响区或焊缝金属中产生裂纹的可能性。
⑵当有最低预热温度和道间温度工艺要求, 并采用低氢方法或非低氢方法来减小开裂的可能性时, 规定的最小角焊缝焊脚尺寸是为了能与较薄连接件 (厚度) 保持合理的比例。
1.2最大焊脚尺寸
1.2.1 AISC 360《美国钢结构建筑设计规范》
AISC 360 (AWS D1.1) 关于角焊缝最大焊脚尺寸规定只提及在搭接接头中, 沿母材棱边的最大角焊缝尺寸按以下规定 (见图1)
(1) 母材厚度小于6mm, 为母材厚度。
(2) 母材厚度等于大于6mm, 为母材厚度减2mm.
除此之外, 板厚大于200mmmm角焊缝焊脚尺寸最大值未做规定。
1.2.2 GB50017《钢结构设计规范》
GGBB5500001177《钢结构设计规范》中关于角焊缝最大焊脚尺寸也在88..22..77中明确规定如下:
角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍 (钢管结构除外) , 但板件 (厚度为tt) 边缘的角焊缝最大焊脚尺寸应符合下列要求:
1.2.3规范AISC 360与GB50017对比
由上述可知, AISC 360 (AWS D1.1) 和GB50017关于最大角焊缝 (搭接情况) 基本一致的。而除此之外AWS D1.1没有角焊缝焊脚尺寸的上限规定, 凡是母材厚度T>20mm时, 焊脚尺寸要求不小于8mm。
对于母材厚度大于且要求等强设计的重要承载部件, 如果单纯设计成角焊缝形式, 焊脚该多少就焊多少是不明智不可取的, 举例如下:
如:板材厚度为25mm的T型结构承受拉、压应力, 设计成双面角焊缝连接, 要求焊缝与母材等强, 如下图2所示:
t>20mm时, AWS D1.1中, 焊脚尺寸要求不小于8mm, 没有上限规定;GB50017中, 焊脚尺寸K的选取范围区间:
显然焊脚尺寸取最小值8mm是不能满足强度要求的, 按最大值30mm选取又太过于保守, 究竟焊脚尺寸要取多大才能满足等强设计要求, 我们通过如下计算:
(1) 接头焊缝传递拉、压应力, 按等强度计算:
式中:t—垂直板板厚mm
[σ]—钢材抗拉、压许用应力MPa
—钢材抗剪切许用应力Kmm
K—焊脚尺寸
将 (2) 式代入 (1) 式得:
则t=0.91K就按K=t选取。
则焊脚尺寸要25mm才能满足等强设计要求, 对于更厚的母材焊脚尺寸还会相应增大, 如按此焊脚尺寸焊接将耗费大量的熔敷金属, 焊接变形大, 效率低, 吃力不讨好, 是得不偿失的。
2结语
AISC 360与GB50017规范中关于角焊缝的焊脚尺寸的选取对于钢结构中角焊缝焊脚尺寸选取具有很强指导性: (t) 20mm
当所选用母材厚度 (t) 不大于20mm时, 角焊缝连接焊接接头对照表2选取角焊缝焊脚尺寸 (k) :t≤6mm, k≥3mm;6
对于母材厚度 (t) 大于20mm的结构件设计成角焊缝连接, 应采取坡口部分熔透或全熔透加角焊缝的组合焊缝更为合理, 此时角焊缝只是用来加强静载或动载结构的坡口焊缝, 其焊脚尺寸等于t/4 (t为垂直板板厚) , 但不必大于10mm。
摘要：通过AISC 360《美国钢结构建筑设计规范》与GB50017《钢结构设计规范》关于角焊缝焊脚尺寸规定的对比, 分析中外权威规范中角焊缝焊脚尺寸选取的适用范围, 为合理确定角焊缝连接焊接构件焊脚尺寸提供选取依据。
关键词：角焊缝,焊脚尺寸
参考文献
[1] GB50017《钢结构设计规范》作者:中华人民共和国建设部.主编, 出版社:中国计划出版社, 出版日期:2003-10-1, 版次:1.
[2] AWS D1.1《钢结构焊接规范》美国焊接学会 (AWS) D1结构焊接委员会编制, 第21版.
[3] AISC 360《美国钢结构建筑设计规范》, 美国钢结构学会2005年3月9日发布.