摘 要: 在建筑钢结构中对熔透焊的应用存在一些的误区,本文试对问题的实质进行分析、探索,为其合理应用提出一些实质性意见和建议
关键词：等强 应力集中 角焊缝 部分熔透焊缝 全熔透焊缝 工艺纪律
一、问题的提出
全熔透焊缝通常指平对接焊缝和T形连接焊缝，本文是针对T形接头而言。该类接头多为双面角焊缝或坡口角焊缝（部分熔透焊）。然而在现行的钢结构设计图纸上出现T形接头有许多要求是全熔透焊。主要原因之一是现行的有关规范上的一些要求。
在GB50017—2003 《钢结构设计规范》的7.1.1中,“1.在需进行要疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，…不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透…”。因在JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》中把T形接头称作对接与角接组合焊缝，容易给人造成误解，把T形接头也作为对接接头来要求。
在GB50017—2003 《钢结构设计规范》的7.4.3 梁柱连接节点处柱腹板横向加劲肋应满足下列要求：“…横向加劲肋…，用焊透的T形对接焊缝与柱翼缘连接。当梁与H形或工字形截面柱的腹板垂直相连形成刚接时，横向加劲肋与柱腹板的连接也宜采用焊透对接焊缝。”
在CECS102：2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》上的7.2.11条中，有“刚架构件的翼缘与端板的连接应采用全熔透对接焊缝，…”。
由于要求范围大，有强制性，就容易使设计者走进误区.致使在现在的钢结构工程设计中动辄就是熔透焊,给工程造成很大的损失。在我国建筑钢结构设计中之所以熔透焊缝会大量采用，除在规范上的要求外，笔者认为主要是：
一是认为全熔透焊缝至少保证了焊缝的截面积与翼板的横载面相同，这样就保证了焊缝与母材等强，就不会有问题了。
二是认为全熔透焊缝的质量可靠，因它规定要用探伤的方法来检查，而部分熔透焊缝与角焊缝只是外观检查，不作探伤检查，内部质量不够可靠。以至许多本来可以用部分熔透焊或角焊缝来实现的，也都用全熔透焊来要求。
三是规范中把角焊缝定为三级焊缝更加深了其误解。
设计人员的不负责任的保守设计是多用全熔透焊缝的主要根源。
二、熔透焊的缺点
1．T形熔透焊缝施焊成本高，工艺性差
在实际的构件施焊时，为保证接头和T形全熔透焊焊缝的质量, 在一般情况下是采取一侧焊缝焊好后，用碳弧气刨的方法在反面进行清根，然后再焊接的办法。
而这种焊接后反面碳弧气刨清根再焊接的方法一般是在返修时才采用的，在正式施工时应尽量避用。因该方法存在以下缺点：
⑴．清根时把装配时用作定位的钝边部分刨掉后，使原来钝边的限止焊缝收缩的支撑力失去，
使原来对坡口焊缝横向收缩的约束失去，接头在残余收缩应力作用下进一步产生收缩。所以焊缝的横向收缩量增大，使构件精度控制难度加大。而由于经三次热循环（正面焊、反面气刨，反面焊接）接头热影响区的性能降低，特别是粗晶加重，翼板的层间结合力降低，Z向性能下降。
⑵．在对H型钢的翼板进行气刨清根时，有时由于腹板的阻挡,熔渣屑将反喷向焊工，所以可操作性很差。在梁柱连接节点处柱腹板的横向加劲肋与柱翼缘、腹板的连接，在清根时反喷也很严重。
⑶．由于碳弧气刨用的是压缩空气砍，气刨表面全部是氧化铁，由于气刨后的槽道狭窄，清理打磨困难，不能有效磨掉，使焊接后焊缝金属中氧化铁含量偏高。特别是焊接采用二氧化碳气保焊，因脱氧性差，就更不利。
⑷．气刨后焊接，被焊金属多次加热，对热影响区组织和性能影响较大，接头性能下降。
⑸．该焊缝的施工要比焊缝计算厚度与母材等强的部分熔透焊缝或双面角焊缝用的总工时（包括开坡口、装配定位焊、焊接、矫正、气刨、探伤）多2-4倍。
2．T形熔透焊接点的力流线弯曲半径小，应力集中程度大于部分熔透焊缝和角焊缝，由于熔透焊的焊脚小（通常焊脚为t/4，），所以接头在焊趾处更容易形成结构的应力集中区。
从图2中可见受力后很大一部分力主要通过焊缝的外层，角焊缝的力流线明显比熔透焊过渡平缓。而接头的应力集中有时是比动载和疲劳更容易造成开裂的原因。
三、选择焊缝应考虑的因素
选择焊缝应考虑的因素是一个很大的题目。笔者认为一个T形接头是采用熔透焊缝、坡口角焊缝还是角焊缝不能单从是否要求等强来规定，而应根据情况作具体分析后才能确定。考虑的因素主要有以下几个方面：
1．焊缝强度
首先必须纠正只有熔透焊才能是等强、抗疲劳、抗震的错误观点。无论是角焊缝、坡口角焊缝都可承担等强、抗疲劳、抗震、抗裂的作用。角焊缝在焊脚和熔深一定时也完全可使与母材等强或超强。
对于焊缝强度设计值，在GB50017-2003中，角焊缝的强度设计值远小于三级对接焊缝，例如≤16mm的Q345钢的焊缝的强度设计值，一、二级对接焊缝为310 N/mm2，三级为265N/mm2，而角焊缝的强度设计值仅为200 N/mm2。这样很容易带来误解，认为角焊缝的强度差。规范中这样不设任何前提，没有可比性的两种焊缝放在一个表上是不妥的。它易误导了设计人员对角焊缝的合理使用。实际上角焊缝的焊缝金属的强度并不比对接焊缝差。如是考虑到把角焊缝由于不便于探伤而只能将其定为三级焊缝，这是不科学不合理的，必须纠正。
有资料表示，梁与端板的连接，其端板与梁的翼板的连接都是采用双面角焊缝，其焊缝厚度a=t/2，a为焊缝厚，t为梁翼板厚。［1］。
“在T形（或十字）接头中角焊缝尺寸：按等强考虑，双面角焊缝的焊脚尺寸应为：
就是直接承受动载荷或疲劳的T型熔透焊缝，在焊缝的端部是最容易发生开裂的地方，所以端部的焊脚高要按t/2来要求，也可用增加筋板来实现(见图3)。使该节点的总的强度、抗震抗裂性超过其连接件（母材）。或在工艺上要求包边包角或带加强高的焊缝封头(见图4 )，使总的强度应超过接头中部。该措施应是比单要求熔透焊更为重要。许多钢结构厂为了美观，错误的把该焊缝在最后磨成与板边一样平，应纠正。
2．板厚与刚度
在考虑到接头形式与结构状态情况下，板厚小用角焊的原则在上面已有说明，对于薄板如采用熔透焊不但是个成本上的浪费，而且对装配质量，接头质量也是不利的。而采用角焊缝工艺性好。节头的综合质量也比熔透焊好。
连接焊缝的设计，除强度外，还必须考虑刚度，焊缝连接接头的刚度尽量与被连接件一致，或略大于连接件，使整个结构的刚度过渡是平滑的。
美国的轻钢厂房结构，H型钢均采用薄板（＜6mm）、大高度，它的翼板与腹板的焊接均采用单面角焊缝，其焊缝厚度远小于腹板的板厚。就是从构件的刚度考虑的。因为该焊缝受力后产生屈曲前，腹板的刚性已经失稳产生弯曲。
但当T形接头的板厚过大时，就要考虑采用熔透焊，目的主要是为避免产生层状撕裂。
虽在规范中有“凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透”，但它指的是平对接焊缝，而对于T型焊缝，如在结构的连接设计中要求与母材等强，除直接承受动载和需要验算疲劳的以外，通常宜按焊缝计算厚度与母材等强的部分熔透焊缝或等强的角焊缝来实现。
四、设计上应正确使用熔透焊
如图5，是某银行业务运营大楼钢结构工程的圆管柱转换成H型柱的构件，设计为全熔透结构，不但复杂，工艺性差，而且质量难保证。而建议改进的方案不但结构受力合理，工艺性好，整体的质量更容易控制，焊缝都可用角焊缝。
又如图6，是H型柱柱顶的牛腿组合结构，原设计方案是左右两牛腿分开单独预制后再与H柱组焊在一起，焊缝全都是熔透焊，此方案装配精度难保证，焊接工艺可达性差。建议改进的方案是把左右的牛腿设计成一个整体，预制好后再与H形柱组焊在一起，这样装配简易因基本是焊缝的长度方向受力，焊缝均可采用角焊缝，组焊质量容易控制。
对于焊接强度，熔透焊可作无损探伤，二级焊缝只是个质量标准，超声波探伤只能控制气孔、夹渣、未焊透等空缺型缺陷，而其它的如焊缝金属的成份、组织、性能、残余应力状态等仍是失控的。而就是合格的焊缝，也存在焊缝的成份、组织、性能、尺寸形状的不一致性，强度计算时不会考虑进去，而对焊缝裂纹的产生却可起极大的作用。这些都决定了设计的焊缝许用应力必须降低
对于承受动载的、结构会因该焊接接头断裂而产生重大事故的焊缝强度的设计绝对不能是焊缝截面积与母材相等的概念，有时必须远大于母材截面的承载力，该焊接接头才是安全的。
如钢柱的牛腿设计，设计者为引合业主降低用钢量要求，把牛腿的宽度缩小到近极限，而与柱的连接焊缝强度认为只要是熔透就与母材等强，使牛腿的安全可靠性大为降低。在柱的宽度较大情况下，把连接处牛腿翼板的宽度放大与柱板同宽，见图7，使增加了受力焊缝长度，增加了连接的可靠性。
许多图纸中钢柱与底板的焊接，不管是否为抗震设防，柱翼板与底板都采用全熔透要求。特别是带加筋板的靴式柱脚，由于筋板的均在柱翼板的外部，受力后力矩基本上转移到筋板与底板的连接焊缝上，所以对要抗震设防的，筋板与柱和底板的焊缝反而应该熔透焊，而与底板的连接宜为磨平顶紧的部分熔透焊或角焊缝（视操作可达性而定）。
对于要进行的全熔透焊，工厂的工艺部门要进行技术攻关，改变K型坡口的全熔透焊一定要反面清根的落后工艺。从坡口的改进，如进行技改，用成型铣刀，铣成J型坡口；在打底焊上改变靠气刨清根来清除焊接缺陷的观念，提高打底焊的焊缝质量，必要是采用焊条电弧焊来弥补气保焊焊丝干伸长度过长，气体保护不好，使熔池性能下降的缺点。
五、必须重视工艺要求与工艺纪律
我国建筑钢结构行业中，特别是在钢结构安装现场作业，由于施工条件相对较差，对角焊缝，因不探伤，很难放心焊缝的内部质量，单凭外观有时很难判断内部的焊接质量问题。
在当前钢结构工厂对构件中的部分熔透焊缝和角焊缝的施焊主要是外表达到焊脚高而已。而对熔深与内部夹渣和未熔合往往是失控的。这也许就是现在设计中全熔透焊缝要求泛滥的重要原因之一。要解决此问题的唯一途径就是强化工艺要求严严肃工艺纪律。
现在虽有规定焊工要有上岗证，操作证，都经过技能考试。但在实际上往往只是在投标书和施工组织设计的文本中把焊工操作证复印在里面，在实际生产中真正施工的焊工是否有证却不一定。有操作证的也无法反映焊工技术的高低。
部分熔透焊与角焊缝除了检查焊脚高外，焊缝的质量的保证靠的是工艺规程，靠的是工艺纪律，靠的是质量控制措施。如因为某种焊接方法的质量控制麻烦就躲避它，而去采用熔透焊是一种偷懒的做法，不是一个科学的态度。
六、探讨性建议
针对存在的问题，笔者试对钢结构熔透焊与角焊缝的合理应用提出几点建议：
1．对工艺文件的要求正规化，把工艺纪律检查列入钢结构制作、安装施工单位、监理单位的质量管理范畴。
2．建议增加对角焊缝的熔深（p）的检查，见图9。因熔深未超过根部就是未熔透。建议增加对部分熔透焊缝（图10的中间图）的坡口深（H）的熔透性检查。在现场可用超声波探伤法探测熔深，进行抽查。并把此要求纳入工艺文件。从而使角焊缝与部分熔透焊缝的熔深得到保障。
3．薄板与厚板宜采有不同的焊缝要求，综合考虑我国当前的状态，建议在一般性结构中要求全熔透的焊缝，可按下图考虑。见图10 。在门式刚架厂房钢梁与端板的熔透焊要求可以按t＞14mm的进行全熔透。
以上这些与现行规范有冲突的意见与行业内专家交流，并供广大钢结构设计人员参考。任何规范与标准都是在实践中不断改进与完善的。T形焊缝接头是钢结构中应用最多的节点，本文提出的对T形熔透焊合理应用的探讨性方案只望为提高一点钢结构的内在质量，促进我国钢结构早日赶上世界水平。
参考文献
[1].《Biegesteife Stirmplatten-Verbindungen mit hochfesten vorgespannten schrauben Erläuterungen IH E8 》 DSTV/DAST Ausgabe Jamuar1978
[2] C.W.勃劳杰著 张伟昌等译《焊件设计》1985 机械工业出版社，3页。
