电子束焊接(焊接接头的选择和坡口设计)
焊接结构是由许多部件、元件和零件通过焊接方法连接而成的，因此焊接接头的性能质量直接关系到焊接结构的性能、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，为提高焊接结构的性能和可靠性，扩大焊接结构的应用范围发挥了巨大作用。
(相关资料图)
一、焊接接头
(1)焊接接头的基本类型
主要的焊接方法，如熔焊、压焊和钎焊，可用于制造焊接结构。这些焊接方法可以用来连接金属结构，形成不可分割的连接接头——焊接接头，可以分别形成熔焊接头、压焊接头和钎焊接头，从而形成焊接结构。而熔焊是应用最广泛的一种，这里主要介绍熔焊接头。
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。焊接金属是通过熔化填充材料和部分基底金属形成的铸造结构。焊接接头各部分的显微组织不均匀，性能也存在差异。这是因为上述四个区域的化学成分和金相组织不同，在连接处经常改变构件的原始截面和形状，产生不连续甚至缺陷，造成不同程度的应力集中，焊接残余应力和变形，刚度较大，都对接头的性能产生影响。因此，接头不仅具有不均匀的机械性能，而且具有物理和化学性能的差异。为了保证焊接结构的可靠运行，希望焊接接头具有与母材相同的力学性能，在某些情况下，还希望获得相同的物理化学性能，如导电性、磁导率、耐腐蚀性、光泽和颜色等。
就焊缝金属而言，常形成柱状晶铸态组织，一般比母材强度高，硬度大，而韧性下降。对于高强度钢，采用适当的工艺措施，如预热、缓冷或适当的传热，可以获得所需性能的焊缝金属。一般来说，焊缝金属的强度可能高于或低于母材金属的强度。前者叫高配，后者叫低配。
在宽度较小的热影响区，由于焊接温度场梯度较大，各点的热循环差异较大，导致组织和性能的差异。这种差异与待焊金属的显微组织和成分以及焊接传热有关。特别是焊接热循环后的“动态应变时效”(热应变时效)，会恶化接头性能。预应变后，钢，铝等。会出现变脆的“老化”现象。这种预应变和时效发生在低温(室温)下，通常称为“静态应变时效”。但焊接热影响区在焊接热循环后会产生热应变，过高的焊接温度会加速时效脆化。因此，“动态应变时效”会大大降低接头的性能，应注意预防。
焊接接头主要有对接焊缝和角焊缝，主要由这两种焊缝组成的焊接接头有对接接头、角焊缝、T形(十字)接头、搭接接头和塞焊接头。根据GB/T 985-1988《气焊、焊条电弧焊和气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》和GB/T 986-1988《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》，常见的焊缝坡口基本形式和上述接头形式如图5-1所示。图5 -1显示了对接接头(见图5-1 a~n)、角接接头(见图5 -1o~u)、T形和十字接头(见图5 -1 v~Y和Z，A′)和搭接接头(见图5-1 b′，C′)熔化形成的坡口形式、尺寸和焊缝金属。用符号字母表示的相关尺寸见表5-6。表5-6参照GB/T 985-1988和GB/T 986-1988标准列出。除了以上两个标准外，坡口形式的选择还可以根据行业和企业标准由焊件厚度决定，并有一个合适的间隔。例如，对于厚度为30mm的板材对接，可以选择图5 -1 i所示的双Y形坡口(从表5-6可以看出:当采用焊条电弧焊时，该坡口适用于厚度为12~ 60mm的板材；采用埋弧焊时，适用于24~60mm厚板)，或可选用如图5 -1 m所示的钝边双U型坡口。无论选择哪种坡口，首先要保证接头的质量，还要考虑经济性。
电渣焊接头是熔焊接头中的一种重要接头。当焊件厚度大于30mm时，可考虑电渣焊接头，尤其是大截面焊缝。例如，如果焊件厚度大于60 mm，电渣焊比电弧焊接头效率更高。常见电渣焊接头的基本形式如图5 -2所示，各种电渣焊接头的尺寸见表5 -7。工件采用电渣焊时，工件的位置应自下而上，即适合立焊的焊缝。电渣焊焊缝是由高温渣池将焊接材料和母材边缘熔化堆积而成，所以焊缝的内外侧都要有挡块。电渣焊适用于大型和超大焊接截面的焊件，如厚壁压力容器、大直径轴、大厚度管道和大型机器零件的对接焊。电渣焊焊件通常在焊后进行正火-回火或高温退火热处理，以消除焊接传热大带来的热影响区宽、晶粒粗大、残余应力高等不利影响。
电子束焊接接头是熔焊接头中的一种特殊接头。是熔焊利用聚焦的高速电子流轰击焊件，使电子的动能转化为热能熔化焊接接头的焊缝区域。其特点是可以焊接各种大厚度、大高宽比(高达25 :1)的特殊金属。根据其特点，应用于核反应堆部件、一些特殊金属、超高强度钢以及航空航天设备中耐热合金零件的焊接。由于电子束直径小，焊接能量集中，焊接时没有填充金属，形成了电子束焊头的一些特点。这种接头还有对接接头、角接接头、丁字接头和搭接接头，还有一种类似电渣焊的搭接接头，只是焊件比较紧。
2)压力焊接接头:除上述熔焊接头外，电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊、爆炸焊统称为压力焊，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广泛。电阻焊中，点焊(包括滚点焊)和缝焊多为搭接。凸焊是点焊的一种变体，但接头形式多种多样，需要根据焊件的形状和尺寸来设计合适而巧妙的接头。高频电阻焊一般是对焊，也有搭接的。电阻对焊明显采用对接。需要指出的是，由于电阻对焊技术的发展，目前可以焊接10万毫米以上的截面。因此，电阻对焊在锅炉和压力容器的制造中得到了应用，特别是在钢质管道的环缝中，如长输石油和天然气管道(包括陆地和海洋)的建设中。摩擦焊接头通常是对接接头。关于焊接电阻接头的其他形式和应用，请参考相关资料。
3)钎焊接头:钎焊接头的类型也很多，但基本类型只有对接接头和搭接接头。
(2)焊接坡口形式的选择
根据其形状，焊接坡口可分为三种类型，即基本型，如图5-1b、1等所示。，即工字形、V字形和单V字形、U字形和单U字形等。也有特殊类型，如卷边、衬垫、有缝、塞焊、槽焊等。组合，顾名思义，就是以上几种类型的组合。图5 -1中的大多数沟槽都是这种组合类型。坡口形式通常根据工厂条件、工艺要求等确定。考虑以下问题。
1)工厂的加工条件。比如双V形、Y形、单面V形、双面V形、V形、I形等坡口，可以气割、等离子弧切割，当然还有金属切割。而双U型、钝边U型、钝边J型、U型、Y型槽一般需要刨削加工(最近也有报道U型槽采用气割加工)，效率低于热切割。
2)可达性的质量。使用Y形接头、带垫板的Y形接头(见图5-1e、F)、带垫板的V形接头、VY形接头(见图5-1g)和带钝边的U形接头(见图5-1h)。焊接时，一般不需要翻面。对于内径较小、结构不便于翻转的容器或管道，为避免仰焊，不能从内部焊接，则
3)减少焊接材料的消耗。一般熔敷金属量少，焊接材料(焊条、焊丝和焊剂、保护气体)消耗也少，也节省了加工时间。同板厚:Y型坡口比双Y型坡口最多能增加50%的熔敷金属，而双U型坡口或U型坡口更能节省熔敷金属，所以这种坡口对于厚度大的焊接接头更经济。
窄间隙焊接也用于不适合电渣焊和电子束焊的超厚零件。电渣焊坡口。
4)考虑焊接变形和应力。例如，单面焊接可能会在焊缝根部产生角变形和严重的焊接残余应力。这时要考虑材料(母材)的特性，采用合适的工艺和坡口形式，才能获得合格的接头。
需要指出的是，无论是对接焊缝还是角焊缝，焊缝表面都可以是凹的、凸的甚至是平的，后者有时是通过机械加工来实现的。至于角焊缝，除了上述三种等角焊缝外，还有三种不等角焊缝。图5 -3所示的四种形式的直角焊缝包括平的、凹的和凸的直角焊缝(见图5-3a~c)和平的不等边直角焊缝(见图5-3d)。圆角尺寸k为角焊缝的特征尺寸，圆角尺寸为焊缝内接的等腰直角三角形的直角边，如图5 -3所示。
(3)工作接头、接触接头和密封接头
前述焊接接头的基本类型主要根据所采用的焊接工艺来区分。其实也是根据焊接结构焊缝的受力情况来划分的。结构的焊缝按是否直接受力可分为承重焊缝和非承重焊缝，习惯上称为工作焊缝和接触焊缝，如图5-4所示。前者是将结构中的力从一个部分传递到另一个部分，焊缝与构件串联，所以必须计算这个焊缝的强度。后者的焊缝与构件并联，同时与构件一起受力变形。即使焊缝损坏，一般也不会影响整个结构的安全。传递力不是焊缝的主要任务，所以通常不需要计算强度。但是，严格来说，应该算是整个关节。除焊缝外，还有熔合线、热影响区等。承受直接载荷(串联或并联)或不承受直接载荷(并联)。因此，有数据建议工作接头、接触接头和密封接头。后者的主要任务是防漏，所以多属于工作缝。
(4)焊接接头的工作应力分布
图5 -1所示的熔焊接头主要有对接接头、角接接头、丁字接头(十字接头)和搭接接头，塞焊接头实际上是搭接接头。焊接接头中工作应力的分布是不均匀的，即存在应力集中，各种接头的应力集中是不同的。其中，对接接头应力集中最小，形式最简单，传力转折点少，是最合理、最典型的焊接接头形式。即便如此，如果对接接头过度高度较大，过渡处圆弧半径较小，应力集中也会增大。图5 -5显示了对接接头中的应力分布。图5-6显示了应力集中系数Kσ随超高H和过渡圆弧半径r的变化。
t形(十字)接头从母材到焊缝过渡剧烈，传力转折点大，力线扭曲，应力分布不均匀，容易产生较大的应力集中。应力分布如图5 -7所示。从图5-7a可以看出，由非坡口角焊缝组成的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I-I、II-II截面的A点和III-III截面的B点。如果将坡口焊透，应力分布将大大改善，如图5-7b所示。t形(十字)接头也是一种典型的熔焊接头，应用广泛。它占船舶工业所有接头的70%，因此改善其应力分布非常重要。对于I形坡口角焊缝形成的T形(十字)接头，应力集中随着焊脚尺寸的增大和θ角的减小而减小(图5-7a)。当θ角小于或大于45°时，即属于图5-3d的不等角焊缝，只有长边是沿着力线方向(即θ3(δ-δ1)，斜面可以两边切割。
②搭接接头强度的计算:图5-10所示为典型的搭接接头及其受力情况。这里还列出了塞焊和电铆焊的搭接接头(见图5-10g，H)。况且搭接接头都是由角焊缝组成的，就像对接接头的强度计算主要是校核对接焊缝的强度一样，搭接接头的强度计算主要是计算角焊缝的强度。在计算搭接角焊缝时，做了以下假设:
首先，对于这种角焊缝的形状(见图5 -3)，将内接等腰直角三角形的高度，即K0，作为计算厚度，不考虑焊缝的凸凹度和熔深的差异，这样，
0 ≈ 0.7k，其中k是焊脚尺寸。当熔深较大时，如埋弧焊，K0≈0。8K甚至等于K都可以考虑。
第二，所有角焊缝都要按计算截面处的剪应力损伤计算，即计算厚度(俗称喉厚)截面。即使接头承受弯矩，抵抗弯矩的应力也假定为剪应力，如表5-8，公式(5-12)、(5-15)、(5-17)等。
第三，没有考虑正面和侧面角焊缝上的应力差异以及焊缝上应力的不均匀分布，给计算带来了方便。由于侧搭接焊缝随焊缝长度增加，应力不均匀程度增加，上述计算规则限制了焊缝长度的计算。
第四，限制最小角焊缝焊脚尺寸，一般不应小于4mm。当板厚小于4mm时，圆角尺寸可与板厚相同。图5 -10各种搭接接头的强度计算见表5-8的相关部分。
③T型接头的强度计算:如图5-7所示，T型接头和十字接头可采用角焊缝(见图5 -7a)，这种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)，这种焊缝的应力集中要小得多。表5-8包括两种焊缝的强度计算。可以看出，角焊缝的强度计算与搭接角焊缝相同，后者与对接焊缝相同。需要指出的是，当T型接头受压时(见图5 -11a)，由于立板可以紧靠盖板，承压能力大大提高，所以强度可以用公式(5 -20)计算。在许多情况下，集中力既不平行于焊缝，也不垂直于焊缝，所以可以把力分成两部分，分别计算强度，如图5 -11 d和表5-8 (5 -26)所示。
2)用极限状态设计法计算焊缝连接。根据《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)，当采用焊接时，采用对接焊缝、直角角焊缝(图5 -3)、斜角焊缝(图5 -13)以及对接和角焊缝的组合焊缝(图5-12)。焊缝应根据结构的重要性、载荷特性、焊缝形式、工作环境和应力状态等进行选择。，它们是否有渗透力和不同的质量等级。例如，疲劳承载构件的对接焊缝应具有熔深，焊缝质量应为I级和II级；不考虑疲劳，如果要求与母材强度相当，还要求有完整的熔透，焊缝质量不得低于ⅱ级；重型吊车梁、起重能力> 50t的中型吊车梁、腹板与盖板之间的角焊缝等。需要坡口穿透。
表5-8熔化焊接头静载荷强度的计算(容许应力法)
焊缝强度的计算公式见表5-9。
