第三章钢结构链接对接焊缝
钢结构第三章
第三章习题参考答案注意：①要求学生尽量图示；②若无特别说明，焊缝计算长度可不考虑起弧、落弧的影响。
③题中“（考虑荷载分项系数后）”的意思为荷载设计值，时刻提醒学生别忘了结构可靠度理论。
3.1 解：①对接焊缝：3125010208.318550012w t w N MPa f MPa l t σ⨯===>=⨯，不满足要求，改用斜对接焊缝，取切割斜度为1.5:l ，即5.1tan =θ、o 56=θ。
②围角焊缝、双拼接板：设盖板宽2460b mm =，注意拼接板截面面积必须验算：2246050012t ⨯≥⨯，取28t mm =（常用的板厚以偶数居多）。
角焊缝的焊脚尺寸h f 应根据板件厚度确定：由于此处的焊缝在板件边缘施焊，且拼接盖板厚度t 2=8mm>6mm ，t 2< t 1，则()()max 21~281~26~7f h t mm mm =-=-=min 5f h mm ===取角焊缝的焊脚尺寸h f ＝6mm ，角焊缝的强度设计值2/160mm N f wf =，则()f e w f e w f f h l h f b h f N -=-422β代入数据，注意围焊缝只有一个起弧点和一个落弧点，有()31250102 1.221600.7646041600.766l ⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯-解、取整得 l ＝195mm上、下各一块拼接板的长度为 2l 10219510400mm L =+=⨯+= 最后选定的上、下拼接板的尺寸为2—460×8×400。
3.2 解：注意仅腹板在此拼接、翼缘在此无拼接，即翼缘处无焊缝、当然也无需验算，但截面依然是工字形的，不少同学仅按腹板矩形截面计算是完全错误的。
焊缝处1026.375M kN m =⋅、172.5V kN =3394112801032(2808)1000 2.979101212x I mm =⨯⨯-⨯-⨯=⨯ 63x S 280165085008250 3.27610mm =⨯⨯+⨯⨯=⨯ 63x1S 28016508 2.27610mm =⨯⨯=⨯最大剪应力为：3622max9172.510 3.2761023.7N/mm 125N/mm 2.979108w x v x VS f I t τ⨯⨯⨯===<=⨯⨯ 上翼缘和腹板交接处“l ”点的正应力：621191026.37510500172.3N/mm 2.97910x My I σ⨯⨯===⨯ 剪应力：362119172.510 2.2761016.5N/mm 2.979108x x VS I t τ⨯⨯⨯===⨯⨯ 由于“1”点同时受有较大的正应力和剪应力(无需单独验算)，故应验算折算应力：22174.7/ 1.1185204/N mm N mm =<⨯=均满足要求。
钢结构A-3.钢结构的连接(焊缝)
侧面角焊缝 f＝0，力N与焊缝长度方向平行。
N f f fw helw
以上各式中： he=0.7hf； lw—角焊缝计算长度，考虑起灭弧 缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。
角焊缝的抗剪强度： Q235钢
Q345钢
160MPa 200MPa
Q390钢、Q420钢
220MPa
焊接连接形式和焊缝形式
接头形式：
对接接头 搭接接头 T形接头 角部连接
焊缝类别：
对接焊缝—— 坡口焊缝 Groove Weld 角焊缝 ——侧面角焊缝、正面角焊缝 Fillet Weld 多为直角焊缝，少数为斜角焊缝
2 2 2 σ 1.8(τ τ∥) f uw
d
a
∥
a
c
d c
角焊缝有效截面上的应力
式中： fuw --焊缝金属的抗拉强度
出于偏于安全考虑，且与母材的能量强度理论的折算 应力公式一致，欧洲钢结构协会（ECCS），将上式的1.8 改为3，即：
2 2 2 σ 3( τ τ∥) f uw
有效截面：有效厚度×计算长度 计算时假定有效截面上应力均匀 分布。
直角角焊缝截面
2）有效截面上的应力状态 在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力： —正应力，与焊缝长度方向（面外垂直） ∥—剪应力，与焊缝长度方向（面内平行） —剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直） 国际标准化组织（ISO）推荐 下式确定角焊缝的极限强度
电阻焊是利用电流通过焊件接触点表面的电阻所产生的 热量来熔化金属，再通过压力使其焊合。冷弯薄壁型钢的焊 接，常用电阻点焊，板叠总厚度一般不超过12mm，焊点应主 要承受剪力，其抗拉(撕裂)能力较差。
钢结构设计原理刘智敏第三章课后题答案
钢结构设计原理刘智敏第三章课后题答案第3章钢结构的连接12. 如图3-57所⽰的对接焊缝，钢材为Q235，焊条为E43型，采⽤焊条电弧焊，焊缝质量为三级，施焊时加引弧板和引出板。
已知，试求此连接能承受的最⼤荷载。
解：因有引弧板和引出板，故焊缝计算长度l w=500mm，则焊缝正应⼒应满⾜：其中，故有，故此连接能承受的最⼤荷载为。
13. 图3-58所⽰为⾓钢2∟140×10构件的节点⾓焊鏠连接，构件重⼼⾄⾓钢肢背距离，钢材为Q235BF，采⽤⼿⼯焊，焊条为E43型，，构件承受静⼒荷载产⽣的轴⼼拉⼒设计值为N=1100kN，若采⽤三⾯围焊，试设计此焊缝连接。
解:正⾯⾓焊缝且故可取，此时焊缝的计算长度正⾯焊缝的作⽤：则由平衡条件得：所以它们的焊缝长度为，取370mm，，取95mm。
17. 如图3-61所⽰的焊接⼯字形梁在腹板上设⼀道拼接的对接焊缝，拼接处作⽤有弯矩，剪⼒，钢材为Q235B钢，焊条⽤E43型，半⾃动焊，三级检验标准，试验算该焊缝的强度。
解：（1）确定焊缝计算截⾯的⼏何特征x轴惯性矩：中性轴以上截⾯静矩：单个翼缘截⾯静矩：（2）验算焊缝强度焊缝最⼤拉应⼒（翼缘腹板交接处）：查表知，，所以焊缝强度不满⾜要求。
19. 按⾼强度螺栓摩擦型连接和承压型连接设计习题18中的钢板的拼接，采⽤8.8级M20(=21.5mm)的⾼强度螺栓，接触⾯采⽤喷吵处理。
（1）确定连接盖板的截⾯尺⼨。
（2）计算需要的螺栓数⽬并确定如何布置。
（3）验算被连接钢板的强度。
解：（1）摩擦型设计查表得每个8.8级的M20⾼强度螺栓的预拉⼒，对于Q235钢材接触⾯做喷砂处理时。
单个螺栓的承载⼒设计值：所需螺栓数：（2）承压型设计查表知，。
单个螺栓的承载⼒设计值：所需螺栓数：螺栓排列图如下所⽰验算被连接钢板的强度a.承压型设计查表可知，当满⾜要求。
b.摩擦型设计净截⾯强度验算：满⾜要求；⽑截⾯强度验算：满⾜要求。
20. 如图3-62所⽰的连接节点，斜杆承受轴⼼拉⼒设计值，端板与柱翼缘采⽤10个8.8级摩擦型⾼强度螺栓连接，抗滑移系数，求最⼩螺栓直径。
《钢结构设计原理》3-1 钢结构的连接-焊缝连接
8
3.1.3 螺栓连接 普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。 1 普通螺栓连接 普通螺栓分为A、B、C三级。 A与B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。 A级和B级螺栓材料性能等级则为5.6级或8.8级。 C级螺栓材料性能等级为4.6级或4.8级。 小数点前面的数字表示螺栓成品的抗拉强度不 小于400N/mm2，小数点及小数点以后数字表示 其屈强比为0.6或0.8。
焊件常需做成坡口，焊缝金属填充在坡口内。
坡口形式与焊件厚度有关：
焊件厚度很小(小于等于10mm)：直边缝。
一般厚度(t=10~20mm) :具有斜坡口的单边V形或V形焊
缝。
斜坡口和离缝b共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，
使焊缝易于焊透；钝边p有托住熔化金属的作用。
较厚的焊件(t＞20mm)，则采用U形、K形和X形坡口。 V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。
16
3.2焊缝和焊接连接形式
3.2.2 焊接连接的形式
1.焊接连接形式
被连接板件的相互位置：对接、搭接、T形连接和角部
连接四种。
连接所采用的焊缝主要有坡口焊缝和角焊缝。
对接连接：主要用于厚度相同或接近相同的两构件的
相互连接。
采用对接焊缝，两构件在同一平面内，传力均匀平缓，
没有明显的应力集中，用料经济，但是焊件边缘需要
围焊缝 正面、侧面、斜焊缝组成的混合焊缝。
2021年8月30日
第六届全国混凝土结构基本理论及 工程应用学术会议
25
侧面角焊缝 主要承受剪 应力，塑性较好，弹性模 量低，强度也较低。
传力线通过时产生弯折， 应力沿焊缝长度方向的分 布不均匀，呈两端大而中 间小的状态。
焊缝越长，应力分布不均 匀性越显著，但在届临塑 性工作阶段时，产生应力 重分布，可使应力分布的 不均匀现象渐趋缓和。
(钢结构设计原理)第三章钢结构的连接
对于工字形或T形截面除应分别验算最大正应力与最大剪应力 外，还应验算腹板与翼缘交接处的折算应力:
12312 1.1ftw （3-4）
式中 : 1、1——为腹板与翼缘 交接处的正应力和剪应力。
1.1为考虑到最大折算应力只 在局部出现，而将强度设计值适 当提高系数。
弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝
工字形截面梁在弯曲时，弯曲正应力主要由上、下翼缘承担，剪应力 主要由腹板承担，这使得截面上各处的材料能达到充分的利用。
轴力、弯矩和剪力作用的对接焊缝的强度计算
轴力、弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算
轴力、弯矩和剪力联合作用下的对接焊缝
牛腿处对接焊缝的强度计算
轴力、弯矩和剪力作用对接焊缝的强度计算
轴力和弯矩作用下对接焊缝产生正应力，剪力作用下产生剪应力，
铆钉连接
铆钉连接
19世纪20～30年代出现铆钉连接。把铆钉 加热到1000～1500℃，用铆钉枪铆合。
优点
*塑性和韧性较好； *传力可靠，质量易于检查和保证； *可用于承受动载的重型结构。
缺点
*工艺复杂，噪音大，劳动条件差，用钢量大； *现已很少采用。
栓钉连接
栓（焊）钉连接
*栓钉将钢板与混凝土板连接起来； *栓钉承受剪力。
钢结构常用的焊接方法
钢结构常用的焊接方法
电弧焊 埋弧焊 电渣焊 气体保护焊 电阻焊
熔化焊
手工电弧焊
手工电弧焊
原理：利用电弧产生热量熔化 焊条和母材形成焊缝。 优点：方便，适用于任意空间 位置的焊接，特别适用于在高 空和野外作业，小型焊接。
缺点 质量波动大，要求焊工等 级高，劳动强度大，生产效率低。
夹角，其计算公式为：
Nlsw tinftw或fcw
钢结构-第三章 钢结构连接方法
自动焊的焊缝质量稳定，焊缝内部缺陷较少， 塑性好，冲击韧性好，适合于焊接较长的直接 焊缝。半自动焊因人工操作，适用于焊曲线或 任意形状的焊缝。自动和半自动焊应采用与主 体金属相适应的焊丝和焊剂，焊丝应符合国家 标准的规定，焊剂应根据焊接工艺要求确定。
钢结构连接方式
* 气体保护焊是用惰性气体（或CO2）气体作
为电弧的保护介质，使熔化金属与空气隔绝， 以保持焊接过程稳定。气体保护焊电弧加热 集中，焊接速度快，熔深大，故焊缝强度比 手工焊的高。且塑性和抗腐蚀性好，适合于 厚钢板的焊接。
钢结构连接方式
（二）焊缝符号集及标注方法
《焊缝符号表示法》规定：焊缝符号一般由基本符 号与指引线组成，必要时还可加上补充符号和焊缝尺寸。 基本符号：表示焊缝的横截面形状，如用“ ”表 示角焊缝,用“V”表示V形坡口的对接焊缝； 补充符号：补充说明焊缝的某些特征，用“ ” 表示现场安装焊缝，用“ ”表示焊件三面带有焊缝； 指引线 ：一般由横线和带箭头的斜线组成，箭头 指向图形相应焊缝处，横线上方和下方用来标注基本符号 和焊缝尺寸等。
钢结构连接方式
本章小结
*一、知识点
* 1.钢结构的连接方法主要有焊接连接、螺栓连接和铆钉连接三
种方式。
* 2.钢结构常用的焊接方法、焊缝连接；对接焊缝和角焊缝的构
造；焊缝符号集及标注方法；焊缝质量检验和焊缝质量级别。
* 3. 普通螺栓连接的构造；
*二、重点内容
* 1.钢结构的连接方法 * 2.普通螺栓连接的构造
钢结构连接方式
A、B级螺栓（精制螺栓）采用8.8级钢材制作，经机床车削加工而成，表 面光滑，尺寸准确，且配用Ⅰ类孔（即螺栓孔在装配好的构件上钻成或扩钻成，孔 壁光滑，对孔准确）。由于其加工精度高，与孔壁接触紧密，其连接变形小，受力 性能好，可用于承受较大剪力和拉力的连接。但制造和安装较费工，成本高，故在 钢结构中较少采用。
第三章钢结构连接角焊缝设计
(3) 在次要构件或次要焊接连接中，可采用断续角 焊缝。断续角焊缝之间的净距，不应大于15t（对 受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的 厚度。
第三章钢结构连接角焊缝设计
第 15 页
3.3.3 角焊缝受力特点
第三章钢结构连接角焊缝设计
第 16 页
侧焊缝受力特点 f
f
lw
he
第三章钢结构连接角焊缝设计
2hf
必
b≤16t （t >12mm）
b≤190mm（t ≤ 12mm）
当宽度b超过此规定时，应加正面角焊缝或...
第三章钢结构连接角焊缝设计
第 12 页
3.3.2 角焊缝截面尺寸
（6）搭接连接的构造要求
t1
t2
5t1,25
在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的5倍，且不得小于25mm。
第三章钢结构连接角焊缝设计
第5页
Ae
hf
hf
有效截面（破坏截面）面积 Ae= he lw =0.7hf lw
第三章钢结构连接角焊缝设计
第6页
角焊缝截面
（3）按焊缝方向与受力方向分
侧焊缝 （与力平行）
端焊缝 （与力垂直）
第三章钢结构连接角焊缝设计
第7页
3.3.2 角焊缝的构造要求
（1）、（2）角焊缝焊脚尺寸 hf
（5）角焊缝的最小计算长度lwmin
lwm in8hf,且 40m m
当焊件的焊接长度不受限制时，在满足最大焊缝长度的要 求下，小而长的焊缝比大而短的焊缝好。
第三章钢结构连接角焊缝设计
第 11 页
3.3.2 角焊缝截面尺寸
（6）搭接连接的构造要求
lw
A、角焊缝的端部位于构件转角处
3.3 对接焊缝的构造和计算
S x = 260 × 16 × 198 + 190 × 12 × 190/2 = 1.04 × 10 6 mm 3 S x1 = 260 × 16 × 198 = 8.24 × 10 5 mm 3 V=F=550KN, M=Fe=550×0.3=165KN·m M=Fe=550× 最大正应力为： h M 165 × 10 6 × 206 σ max = 2 = = 89.2 N/mm 2 < f t w = 185N/mm 2 Iw 3.81 × 10 8 最大剪应力为：
σ 1 = σ max •
剪应力：
190 = 82.3 N / mm 2 206
VS x1 550 × 10 3 × 8.24 × 10 5 τ1 = = = 99.1N/mm 2 < f vw = 125N/mm 2 lxt 3.81 × 10 8 × 12 由于“1”点同时受有较大的正应力和剪应力，故应验算 由于“1”点同时受有较大的正应力和剪应力，故应验算 折算应力：
钢结构/ 钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.3 对接焊缝的构造和计算
1
3.3 对接焊接的构造和计算 一、对接焊缝的构造要求
对接焊缝的焊件为了保证焊透常需做成坡口，故又叫坡口焊 缝。对接焊缝的坡口形式有直线形(不切坡口)、半V 缝。对接焊缝的坡口形式有直线形(不切坡口)、半V形(单边 V形)、全V形、双V形(X形)、U形、K形等等，如下图所示， 、全V形、双V (X形 形、K 其中图(a)、(b)、(c)、(e)均可考虑在下面加垫板(g)。坡口形 其中图(a)、(b)、(c)、(e)均可考虑在下面加垫板(g)。坡口形 式和尺寸(间隙b、钝边p和坡口角α 式和尺寸(间隙b、钝边p和坡口角α等)的选择没有一成不变的 模式，应根据板厚、施工条件( 模式，应根据板厚、施工条件(设备条件、采用手工焊或自 动焊、焊件是否能翻身、选用的焊接参数等) 动焊、焊件是否能翻身、选用的焊接参数等)具体情况而定， 主要目的是为了既要保证焊透，又要尽量减少焊缝金属和使 施工方便。
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外观检查：检查外观缺陷和几何尺寸； 内部无损检验：检验内部缺陷。
无损检测： 一级焊缝全数检验 二级焊缝抽检20％以上
超声波检测设备
第三章钢结构链接对接焊缝
焊缝质量等级的选用有如下规定： (1) 需要进行疲劳计算的构件中，垂直于作用力方向 的横向对接焊缝受拉时应为一级，受压时应为二级。
(2) 在不需要进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等 强的受拉对接焊缝应不低于二级；受压时宜为二级。
第三章钢结构链接对接焊缝
（３）重级工作制和起重量 Ｑ＞５０ｔ的中级工作 制吊车梁的腹板与上翼缘板之间以及吊车桁架上弦杆 与节点板之间的Ｔ形接头焊透的对接与角接组合焊缝， 不应低于二级。
H08Mn2Si
焊剂：431型
Q235（A3） Q345
Q390、Q420
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第三章钢结构链接对接焊缝
18
3.气体保护焊
利用二氧化碳气体或其他惰性气体作 为保护介质。
优点：焊接速度快，焊接质量好。 缺点：施工地点受限制。
4.电阻焊
利用电流通过焊件接触点表面电 阻所产生的热来熔化金属，再通过加 压使其焊合。
适用于冷弯薄壁型钢之间的焊接。
第三章钢结构链接对接焊缝
3.2.2 焊缝分类及焊缝连接形式
焊缝按截面形式不同可分为两种类型：对接焊缝和角焊缝
焊缝形式
对接焊缝
角焊缝
第对三接 章焊 钢缝 结构链接对接焊缝角焊缝
（1）对接焊缝
正对接焊缝 （2）角焊缝
斜对接焊缝 T型对接焊缝
第三章钢结构链接对接焊缝
第三章钢结构链接对接焊缝
铆钉连接
第三章钢结构链接对接焊缝
铆钉连接 1）工艺 孔比钉直径大1mm,加热900～1000℃,
铆 钉枪. 2）特点 连接刚度大,传力可靠,但是,对施工技术要
求很高，劳动强度大，施工速度慢，将 逐 步被高强螺栓所取代。
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第三章钢结构链接对接焊缝
9
3.2 焊接连接
优点： 不削弱截面，方便施工，连接刚度大,密
（４）角焊缝质量等级一般为三级，直接承受动力荷 载且需要验算疲劳和起重量Ｑ＞５０ｔ的中级工作制 吊车梁的角焊缝的外观质量应符合二级。
第三章钢结构链接对接焊缝
3.2.4 焊缝代号、螺栓及其孔眼图例
、
、
焊剂
、 、、、、、、、、、 、
焊件
焊剂漏斗
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埋弧第三自章动钢结焊构链接对接焊缝
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优点：自动化程度高，焊接速度快，劳动强度低， 焊接质量好。
缺点：设备投资大，施工位置受限等。
第三章钢结构链接对接焊缝
第三章钢结构链接对接焊缝
焊丝： H08A
H08MnA H08MnA
H10MnSi H10MnSi
按施焊时焊工所持焊条与焊件间的相对位置关 系，焊缝分为：
平焊
焊缝施焊位置
横焊
立焊
仰焊
平焊
横焊
立焊
仰焊
第三章钢结构链接对接焊缝
焊缝位置
第三章钢结构链接对接焊缝
平接
连接形式
搭接
T形连接
角接
第三章钢结构链接对接焊缝
3.2.3 焊缝缺陷及焊缝质量检验
1、焊缝缺陷：焊接过程中产生于焊缝金属或附近热栓
图3.2 螺栓连接
第三章钢结构链接对接焊缝
焊缝连接
第三章钢结构链接对接焊缝
焊接连接的特点 优点： 不削弱截面，方便施工，连接刚度
大,密闭性好； 缺点： 材质易脆，存在残余应力，对裂纹
敏感
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第三章钢结构链接对接焊缝
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螺栓连第三接章钢结构链接对接焊缝
裂纹
气孔
夹渣
咬肉（边）
第三章钢结构链接对接焊缝
第三章钢结构链接对接焊缝
2 焊缝的质量检验
三级
检 验
二级
标 准
一级
肉眼外观检查 用于一般连接－－所有焊缝均应作外观检验， 不允许有可见裂纹等缺陷。其它缺陷如咬边、 表面气孔、夹渣等按规范要求；
肉眼外观检查 ＋ 超声波 用于有较大拉应力的较重要连接－－不得存在 裂纹、表面气孔、夹渣、电弧擦伤等缺陷
第三章钢结构链接对接焊缝
连接设计原则：
安全可靠 传力明确 构造简单 制造方便 节约钢材
第三章钢结构链接对接焊缝
3.1 钢结构的连接方法
3.1.1 钢结构连接种类
焊缝连接、铆钉连接、螺栓连接
对接焊缝 1、焊接
角焊缝
2、铆接
(a)
(b)
(c)
钢结构的连接方法
(a) 、(b)第焊三缝章钢连结接构链；接(对c接)铆焊缝钉连接
优点：方便，特别在高空和野外作业； 缺点：质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，
效率低。
第三章钢结构链接对接焊缝
焊机
焊条 保护气体
焊钳
焊件
电弧
熔池 导线
第三章钢结构链接对接焊缝
手工电弧焊
焊条：焊条应与焊件钢材相适应（等强度要求）。
Q235—E43××焊条； Q345—E50××焊条； Q390（Q420）—E55××焊条。 E——焊条；型号由四部分组成 E×× ×× 前两位数 — 焊缝金属最小抗拉强度(430N/mm2)； 后两位数 — 焊接位置、电流及药皮类型。 不同钢种的钢材相焊接时，宜采用与低强度钢材相适 应的焊条。
第三章钢结构链接对接焊缝
《钢结构工程施工及验收规范》规定： 焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级
和三级。
一、二级焊缝除外观检查外，尚要求一定数 量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。
三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合 三级质量标准。
第三章钢结构链接对接焊缝
3.焊缝质量等级及选用 《钢结构设计规范》（GB50017--2003）中，对
第三章钢结构链接对接焊缝
2. 自动（半自动）埋弧焊
电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。
优点：质量好，效率高； 缺点：需要专用设备。
焊丝转盘 送丝器
焊济料斗
电极 焊缝
移动方向 焊剂 焊件
第三章钢结构链接对接焊缝
2. 自动（半自动）埋弧焊
电弧在焊剂层下燃烧的一种方法。
焊丝转盘 熔渣
送丝器
、、、、、、
、 、 、
闭性好
缺点：材质易脆，存在残余应力，对裂纹敏感
适用范围： 最广泛的连接方式。除不能用于
少数直接承受动力荷载（如重级工作制吊车梁、 柱）
第三章钢结构链接对接焊缝
3.2.1 钢结构常用焊接方法
手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊、气体保护焊、电阻焊
1.手工电弧焊
打火引弧---电弧周围的金属液化(溶池)—焊条熔化— 滴入溶池—与焊件的熔融金属结和冷却即形成焊缝。