2016起重機檢驗師焊接技術

2016起重機檢驗師焊接技術

起重機械檢驗員（QZ-1）培訓教材一一基礎知識

第3章焊接技術

3.1焊接基礎知識

3.1.1焊接的定義與分類

將兩塊分離的金屬其接頭部分局部加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，采取施

加壓力或不加壓，或填充其他金屬，利用原子間的擴散與結合等方法使

它們連接成整體的過程稱為焊接。

在焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力而完成焊接的

方法稱為熔化焊，也稱熔焊，常用的熔化焊方法有電弧焊、氣焊、電渣

焊等。

采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料

熔點、低于母材熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并

與母材相互擴散實現(xiàn)連接焊件的方法稱為釬焊。

而在焊接時利用壓力使待焊部位的表面在固態(tài)下直接緊密接觸，并使

待焊接部位的溫度升高，通過調節(jié)溫度，壓力和時間，使待焊表面充分

進行擴散而實現(xiàn)原子間結合，該方法稱為壓力焊。壓力焊是典型的固相

焊接方法，這類焊接有兩種形式，一是將被焊金屬接觸部分加熱至塑性狀

態(tài)或局部熔化狀態(tài)，然后施加一定的壓力，以使金屬原子間相互結合形

成牢固的焊接接頭，如鍛焊、接觸焊、摩擦焊等；二是不進行加熱，僅

在被焊金屬接觸面上施加足夠大的壓力，借助于壓力所引起的塑性變形,

以使原子間相互接近而獲得牢固的壓擠接頭，這種壓力焊的方法有冷壓焊、

爆炸焊等。

如此按焊接方式的不同可分為熔化焊、壓力焊和釬焊三大類：

熔化焊焊接具有強度高、緊密性好、工藝簡單、操作方便、重量輕和

勞動強度低等優(yōu)點，其中的電弧焊廣泛用于起重機金屬結構的制造。因

此本節(jié)重點對此進行介紹。

3.1.2常用焊接方法

3.1.2.1手工電弧焊（焊條電弧焊）

1.手工電弧焊特點

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第3章焊接技術

圖3.1焊條電弧焊過程示意圖

手工電弧焊是利用焊條與焊件之間的電弧熱，將焊條及部分焊件熔化

而形成焊縫的焊接方法。焊接過程中焊條藥皮熔化分解生成氣體和熔渣，

在氣體和熔渣的共同保護下，有效地排除了周圍空氣對熔化金屬的有害

影響。通過高溫下熔化金屬與熔渣間的冶金反應，還原并凈化焊縫金屬，

從而得到優(yōu)質的焊縫（如圖3.1）。

手工電弧焊設備簡單，便于操作，適用于室內外各種位置的焊接，可

以焊接碳鋼、低合金鋼、耐熱鋼、不銹鋼等各種材料，在設備制造中應

用十分廣泛，比如鋼板對接，鋼結構腹板與翼板的連接及各種結構件的

連接，都可以采用手工電弧焊。手工電弧焊的缺點是生產效率低，勞動強

度大，對焊工的技術水平及操作要求較高。

2.手工電弧焊設備常用的手工電弧焊電源有交流電焊機、旋轉式直

流電焊機和硅整流式直流電焊機三種。交流電焊機是手工電弧焊中應用

最廣泛的設備。交流電焊機實際上是一個特制的降壓變壓器，可

將初級電壓380V或220V降到焊接空載電壓60-80V,其內部加有

一個比較大的感抗線圈，以保證電弧穩(wěn)定燃燒，并能在一定范圍內調節(jié)

焊接電流的大小。交流電焊機具有結構簡單，成本低，效率高，節(jié)省電

能和使用維護方便等特點。

旋轉式直流電焊機由一個發(fā)電機和一個拖動它的電動機機組組成，由

交流網(wǎng)路供電使電動機旋轉，帶動發(fā)電機電樞旋轉發(fā)出直流電供焊接之

用。焊接電流可在較大范圍內均勻調節(jié)以滿足焊接工藝的要求，電弧燃

燒穩(wěn)定。

硅整流式直流電焊機也稱手弧焊整流器，是一種將工頻交流電整流變

為直流電的手工電弧焊設備。與旋轉式直流電焊機比較，它具有噪聲小，

效率高，用料少，成本低等優(yōu)點。這種設備多采用硅整流元件，因而通

常稱之為硅整流電焊機。近年，這種電焊機正逐步代替了旋轉式直流電焊

機。

直流電焊機的特點是直流電弧燃燒很穩(wěn)定，所以用小電流焊接時常常

選用，在焊接合金鋼、不銹鋼時，也常選用直流電源。直流電源又分正

接、反接兩種接法。正接是指工件接正極、焊條接負極：否則，就是反

接。在焊接鍋爐壓力容器受壓部件等重要結構時，常選用低氫型焊條以保

證質量，這種焊條一般都要求用直流反接電源。

3.手工電弧焊焊條

涂有藥皮的供手工電弧焊用的熔化電極稱為焊條。它由焊芯和藥皮兩

部分組成。

（1）焊芯焊條中被藥皮包覆的金屬芯稱為焊芯。焊芯的作用為：

①作為電極產生電?。?/p>

②焊芯在電弧的作用下熔化后，作為填充金屬與熔化了的母材混合

形成焊縫。焊芯分類及牌號：

a.焊芯分類根據(jù)GB/TI4959.94《熔化焊用鋼絲》標準規(guī)定，專用

于制造焊芯和焊絲的鋼材可分為：碳素結構鋼和合金結構鋼兩類。

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b.焊芯牌號編制焊芯牌號一律用漢語接音字母H作字首，其后緊跟

鋼號，表示方法與優(yōu)質碳素結構鋼、合金結構鋼相同。

若鋼號末尾注有字母A,則為高級優(yōu)質焊絲，硫、磷含量較低，其質

量分數(shù)W0.030%o若末尾注有字母E或C為特級焊條鋼，硫、磷含

量更低，E級硫、磷質量分數(shù)WO.020%,C級硫、磷質量分數(shù)W0.015%。

（2）藥皮涂敷在焊芯表面的有效成分稱為藥皮。藥皮的作用為：

①穩(wěn)弧作用一焊條藥皮中含有穩(wěn)弧物質，可保證電弧容易引燃和燃

燒穩(wěn)定；

②保護作用一焊條藥皮熔化后產生大量的氣體籠罩著電弧區(qū)和熔池,

基本上能把熔化金屬與空氣隔絕開，保護熔融金屬，熔渣冷卻后，在高

溫焊縫表面上形成渣殼，可防止焊縫表面金屬不被氧化并減緩焊縫的冷

卻速度，改善焊縫成形;

③冶金作用一藥皮中加有脫氧劑和合金劑，通過熔渣與熔化金屬的

化學反應，可減少氧、硫等有害物質對焊縫金屬的危害，又由于電弧的

高溫影響，焊縫金屬中所含的某些合金元素被燒損（氧化或氮化），這樣會

使焊縫的力學性能降低。通過在焊條藥皮中加入鐵合金或純合金元素，使

之隨藥皮的熔化而過渡到焊縫金屬中去，以彌補合金元素燒損，使焊縫

金屬獲得符合要求的力學性能；

④改善焊接的工藝性能一通過調整藥皮成分，可改變藥皮的熔點和

凝固溫度，使焊條末端形成套筒，產生定向氣流，有利于熔滴過渡，可

適應各種焊接位置的需要；

⑤焊條藥皮組成物按其作用不同可分為：穩(wěn)弧劑、造渣劑、造氣劑、

脫氧劑、合金劑、稀渣劑、粘結劑和增塑劑八類。

（3）焊條的種類焊條根據(jù)用途可分為：碳鋼焊條、低合金鋼焊條、

不銹鋼焊條、格和格鋁耐熱鋼焊條、低溫鋼焊

條、堆焊焊條、鋁及鋁合金焊條、銀及銀合金焊條、銅及銅合金焊條、

鑄鐵焊條和特殊用途焊條等。

如按焊條藥皮熔化后所形成熔渣的酸堿性不同又可分為：堿性焊條（熔

渣堿度>L5）和酸性焊條（熔渣堿度<1.5）兩大類。

酸性焊條藥皮中主要含有TiO2、MnO2、SiO2等酸性氧化物及少量有

機物，氧化性較強，施焊時藥皮中合金元素燒損較大，焊縫金屬的氧氮

含量較高，故焊縫金屬的沖擊韌性較低。酸性渣難于脫硫脫磷，因而焊

條的抗裂性較差。但焊條工藝性能良好，成形美觀，特別是對銹、油、水

分等成分的敏感度不大，抗氣孔能力強，所以被廣泛地用于一般結構的

焊接。

堿性焊條藥皮中主要含有CaC02、CaF2、CaSiO3、MgC03等堿性氧化

物，并含有較多的鐵合金，如錦鐵、鋁鐵、鋼鐵、硅鐵等作為脫氧劑和

滲合金劑，使焊條有足夠的脫氧能力。堿性渣流動性好，在冷卻過程中

渣的粘度增加很快。堿性焊條的最大特點是焊縫金屬中含氫量低，所以也

叫“低氫焊條二堿性焊條藥皮中的某些成分能有效地脫硫脫磷，故其抗

裂性能良好，有利于提高焊縫金屬的力學性能，特別是沖擊韌性較高。

堿性焊條多用于焊接重要結構。堿性焊條的缺點是對銹、油、水分較敏感，

容易在焊縫中產生氣孔缺陷；電弧穩(wěn)定性差，一般只用于直流電源施焊，

在深坡口中施焊時，脫渣性不好；發(fā)塵量較大，焊接中需要加強通風。

（4）手工電弧焊焊接規(guī)范焊接規(guī)范是影響焊接質量和焊接生產率的

各個焊接工藝參數(shù)的總稱。手工電弧焊時，焊接規(guī)范主

要包括焊接電流、電弧電壓、焊條種類和直徑、焊機種類和極性、焊

接速度、焊接層數(shù)等。?52?

第3章焊接技術

①焊接電流一焊接電流是影響焊接質量和生產率的主要因素之一。

增大電流，可增大焊縫熔深，提高生產率，但電流過大，會使焊條芯過

熱，藥皮脫落，又會造成咬邊、燒穿、焊瘤等缺陷，同時金屬組織也會

因過熱而發(fā)生變化；若電流過小，則容易造成未焊透、夾渣等缺陷。

②電弧電壓一電弧電壓主要影響焊縫熔化寬度，電壓越高，熔化寬

度越大。而電弧電壓是由電弧長度決定的，電弧長則電弧電壓高，電弧

短則電弧電壓低。手工電弧焊時電弧不宜過長，因而電弧電壓不高，變

化范圍也不大，一般為20?25V。

③焊條直徑一焊條直徑主要根據(jù)被焊工件的厚度來選擇，工件越薄,

所用焊條越細；工件越厚，所用焊條越粗。直徑3?5mm的焊條用得最

廣。當工件厚度大于12mm時，焊條直徑可取4?6mm。平焊時，可選

用較粗的焊條以提高生產率。但對多層焊的第一層焊道，應使用不超過

3.2mm的焊條，以保證根部焊透。以后各層可根據(jù)工件厚度而選用較粗

的焊條。

④焊接速度一焊接速度指焊條沿焊接方向移動的速度。手工電弧焊

的焊接速度一般不作特殊的規(guī)定，而由焊工根據(jù)焊縫尺寸和焊條特性自

行掌握。通常，焊接速度不超過10m/h,工件愈薄，焊接速度應愈大。

⑤焊接層數(shù)一在中厚鋼板焊接時，應采用多層焊。對同一厚度的鋼

材，其它條件不變時，焊接層數(shù)增加，有利于提高焊接接頭的塑性及韌

性。焊接層數(shù)可根據(jù)實踐經(jīng)驗決定，一般取鋼材厚度與焊條直徑比的整

倍數(shù)。

(5)手工電弧焊的焊接位置手工電弧焊可以在不同的位置進行操作。

熔焊時，焊接接頭所處的空間位置稱為焊接位置,GB/

T3375-94《焊接術語》中用傾角和轉角兩個參數(shù)來劃分不同的焊接

位置。其中平、立、橫、仰是四種基本焊接位置，圖3.2為對接焊縫和

角焊四種基本焊接位置的示意圖。共列出了七種焊接位置，在這七種位

置所進行的焊接分別：平焊、立焊、橫焊、仰焊、平角焊、立角焊、仰角

焊。

PA一平焊位置PB一平角焊位置PC一橫焊位置PD一仰角焊位置

PE一仰焊位置PF一立焊位置PG一立角焊位置

圖3.2常用焊接位置對于不同的焊接位置，由于需要采用

不同的焊接方法、焊接規(guī)范以及不同的操作手法，從而焊縫

外觀形態(tài)及內部缺陷的發(fā)生也各有不同。

3.1.2.2埋弧自動焊

1.埋弧自動焊的特點

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焊接過程中，主要的焊接操作如引燃及熄滅電弧、焊條（焊絲）送進及

移動，或工件等都由機械自動完成時稱為自動電弧焊。而電弧被掩埋在

焊劑層下面燃燒并實施焊接的，叫做埋弧自動焊或稱熔劑層下自動焊，

通常簡稱埋弧焊，如圖3.3所示。

圖3.3埋弧焊的焊接過程示意圖

埋弧自動焊的焊絲即作為電極起到引燃電弧的作用又在電弧加熱下

熔化而填充焊縫。焊接時，顆粒狀焊劑復蓋著部分焊絲和焊接熔池，電

弧基本上是在密封的空間里燃燒，熔化的焊劑膜可靠地保護著電弧和熔

池，避免受到大氣的作用，并防止了飛濺。與手工電弧焊相比，埋弧自動

焊有下列優(yōu)點：

（1）埋弧自動焊能采用大的焊接電流，電弧熱量集中，熔深大，焊

絲可連續(xù)送進，因此其生產率比手工電弧焊高5-10倍。

（2）埋弧自動焊施焊中看不到弧光，焊接煙霧也很少，又是機械自

動操作，因而勞動條件得到了很大改善。

（3）埋弧自動焊熱量集中，焊接金屬飛濺損失小，沒有廢棄的焊條

頭，工件厚度薄時，還可以不開坡口，從而可以節(jié)省焊材和電能。

（4）由于焊劑和熔渣嚴密包圍著焊接區(qū)，避免了空氣的侵入。而較

高的焊速減小了熱影響區(qū)的尺寸，焊劑和熔渣的復蓋減慢了焊縫的冷卻

速度，這些因素都有利于使焊接接頭獲得良好的組織與性能。同時，自

動操作使焊接規(guī)范參數(shù)穩(wěn)定，焊縫成分均勻，外型光滑美觀，因而焊接質

量良好、穩(wěn)定。

埋弧自動焊的缺點：設備比較復雜昂貴、焊接位置受到限制，一般只

能在平焊位置焊接、又由于電弧不可見，因而對接頭加工與裝配要求嚴

格。

埋弧自動焊常用于焊接長的直線焊縫及大直徑圓筒構件的環(huán)焊縫。

2.埋弧自動焊的焊絲與焊劑

埋弧自動焊的焊接材料是焊絲與焊劑。焊絲是裸體金屬絲，與手工電

弧焊的焊芯相似，在焊接中不斷熔化并填充于焊縫之中。焊劑的作用則

與手工電弧焊焊條的藥皮類似。

（1）焊絲埋弧自動焊常用焊絲直徑為I.6?5mm,通常拉制成型并

成捆包裝。在保管中應防止生銹，在使用前應清除銹蝕和油污，并防止

錯用焊絲。

選用焊絲的主要原則是：對于碳素鋼和普通低合金鋼，應保證焊縫的

力學性能；對于格鋁鋼和不銹耐酸鋼等合金鋼，應盡可能保證焊縫的化

學成分與焊件相似；異種鋼焊接時，則可按強度等級較低的鋼材選用抗

裂性能較好的焊絲。

（2）焊劑是焊接過程中保證焊接質量的重要材料，其作用有以下幾

占?

八、、?

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第3章焊接技術

①焊劑在電弧加熱下熔化后生成的熔渣，可以防止空氣中的氧、氮

等氣體侵入熔池，從而避免焊縫出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷；

②向熔池補充被燒損的合金元素，使得焊縫的力學性能得到改善和

提高；

③促使焊縫成形良好，表面光潔平直。良好的焊劑應能保證焊縫金

屬獲得所需要的化學成分與力學性能、穩(wěn)定燃燒的電弧以及對銹、油

及其它雜質的敏感性要小，而硫、磷含量要低以保證焊縫中不產生裂

紋和氣孔等缺陷。焊劑在高溫狀態(tài)下要有合適的熔點和粘度和焊后良好

的脫渣性，以保證焊縫成形良好并具有合適的粒度及足夠的機械強度，

以保證其多次重復使用。

3.埋弧自動焊焊接規(guī)范

埋弧自動焊的一個主要優(yōu)點是焊縫成形好。在電弧焊中，焊縫成形通

?？捎煤缚p成形系數(shù)（形狀系數(shù)）及熔合比這兩個指標來表示。

焊縫成形系數(shù)是指焊縫熔化寬度與熔化深度之比。成形系數(shù)小，表示

焊縫深而窄，焊接熱影響區(qū)較小，這有利于充分利用電弧熱能及減小焊

接變形。但成形系數(shù)過小時，焊縫結晶中低熔點雜質及氣體不易從熔池

內逸出，焊縫容易產生裂紋、氣孔和夾渣。故一般將成形系數(shù)控制在1.3?

2.0o

母材在焊縫中所占的截面百分比，稱為熔合比。熔合比可以影響焊縫

的化學成分、金相組織和力學性能。特別是在填充金屬與母材的化學成

分不同時，在焊縫中緊臨母材的部位，化學成分的變化比較大，變化的

幅度與兩種金屬化學成分之差及熔合比的大小有關。電弧焊熔合比可在

10%?100%的范圍內調節(jié)，埋弧自動焊的熔合比在60%?70%之間。

埋弧自動焊的主要焊接規(guī)范參數(shù)有焊接電流、電壓、焊接速度、焊絲

直徑和伸出長度。

（1）焊接電流和電壓一焊接電流增大時，焊縫熔深增加而熔寬變化

不大、反之焊接電壓增大時，焊縫的熔寬明顯增加，而熔深有所下降。

這是因為焊接電流增大時，電弧產生的熱量增加，電弧吹力增強，將焊

接熔池內的液態(tài)金屬從焊絲下部排開，直接加熱熔池底部的未熔化金屬，

從而使熔深加大。同時，由于電弧深入熔池，電弧露出部分減少，活動

能力降低，所以熔寬基本保持不變。因此焊接電流的增加使焊縫成形系

數(shù)下降，熔合比增大。而電壓增大時電弧長度增大，焊件被電弧加熱的面

積增大，從而使焊縫熔寬增加。由于弧長增加，電弧擺動作用加劇，電

弧對液態(tài)金屬的作用力減弱，熔池底部得到的電弧熱減少，因而熔深減

小。因此，在增加焊接電流時，應相應提高電弧電壓，以使成形系數(shù)適

當，以保證得到適當?shù)暮缚p形狀。

（2）焊接速度一當其他條件不變時，焊接速度增加，焊縫單位長度

內得到的電弧熱量減少，焊絲在單位長度焊縫上的熔化量也減少，因而

焊縫的熔寬及余高高度都要減小。熔深隨焊接速度的變化趨勢則較為復

雜：當焊接速度較小而增加時，熔深隨之增加；當焊接速度達到一定值而

繼續(xù)增加時，則熔深反而小。過分增加焊接速度會造成未焊透、氣孔、

咬邊等缺陷。焊接速度過低且電壓又很高時，會造成“磨菇形”焊縫，

易在焊縫內部形成裂紋。

（3）焊絲直徑及伸出長度一當其它參數(shù)不變時，焊絲直徑增大，弧

柱直徑隨之增加，電弧加熱的范圍擴大，使得焊縫熔寬增加而熔深減小。

反之，焊絲直徑減小，電流密度相對增加，熔深增加而熔寬減小。當焊

絲伸出長度增加時，由于電阻增大，伸出部分的焊絲所受到的預熱作用增

強，焊絲熔化速度加快，使得熔深變小，焊縫余高增大。埋弧自動焊焊

絲伸出長度通常為30?40mm,伸出長度的變化范圍為5?10mm。

3.1.2.3二氧化碳氣體保護焊

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以二氧化碳氣體作為保護氣體，依靠焊絲與工件之間產生的電弧熱熔

化焊絲和工件金屬的電弧焊接方法，叫二氧化碳氣體保護焊，簡稱C02

保護焊。形成焊接接頭。（如圖3.4所示）這是一種高效率的焊接方法,

以CO2氣體作保護氣體，依靠焊絲與焊件之間的電弧來熔化金屬而形成

優(yōu)良的焊縫接頭。由于采用自動送絲，敷化金屬量大，生產效率高，質

量穩(wěn)定。因此，在國內外獲得廣泛應用，與其它電弧焊相比有以下特點：

（1）生產效率高，C02保護焊穿透力強，熔深大、而且焊絲熔化率

高，所以熔敷速度快、生產效率可比手工電弧焊高3倍；

（2）焊接成本低，C02保護焊的成本只有埋弧焊與手工電弧焊成本

的40%-50%；

（3）消耗能量低，C02保護焊和藥皮焊條相比3mm厚鋼板對接焊

縫，每米焊縫的用電降低30%,25mm鋼板對接焊縫時用電降低60%；

（4）適用范圍寬，不論何種位置都可以進行焊接，薄板可焊到1mm,

最厚幾乎不受限制（采用多層焊）。而且焊接速度快、變形??；

（5）抗銹能力強，焊縫含氫量低抗裂性能強；

（6）焊后不需清渣，引弧操作便于監(jiān)視和控制，有利于實現(xiàn)焊接過

程機械化和自動化。

圖3.4二氧化碳氣體保護焊的工作原理

二氧化碳氣體包圍著電弧和熔池，可以有效地防止氧氣對熔化金屬的

有害作用。但二氧化碳與惰性氣體不同，它本身是氧化性氣體，在高溫

下可以將金屬元素氧化，且在電弧高溫下，二氧化碳被分解成一氧化碳

和原子態(tài)的氧，這些原子態(tài)的氧更易使鐵和其它合金元素氧化、燒損，從

而降低了焊縫的合金含量及力學性能。生成的氧化錦、二氧化硅等構成

浮渣浮在熔池表面，反應生成大量的一氧化碳，在熔池冷卻過程中因來

不及全部析出而形成許多氣孔。

由于鎬、硅等元素比鐵更容易與氧結合，因此在煉鋼中常用錦、硅作

脫氧劑。在二氧化碳氣體保護焊中，也可以利用這些元素脫氧，從而解

決二氧化碳對鐵的氧化問題，同時彌補合金元素的燒損。故在選用二氧

化碳氣體保護焊焊絲時，必須保證焊絲中含有足夠數(shù)量的合金元素，主要

是鎰、硅元素。其它脫氧元素，如鋁、碳等，不宜用于二氧化碳氣體保

護焊，因為鋁在電弧高溫下氧化燒損過于嚴重，難于過渡到熔池中去，

而碳的脫氧生成物是一氧化碳，容易在焊接過程中產生飛濺并在焊縫中形

成氣孔。

常用的二氧化碳氣體保護焊的焊絲是H08Mn2siA、H04Mn2SiTiA等,

使用的二氧化碳氣體多由瓶裝供應，通過管路，噴嘴輸送至焊接區(qū)域。

由于二氧化碳氣體保護焊具有成本低、焊接質量好、生產效率高且其

操作性靈活等優(yōu)點，故在起重機金屬構件中大多用于低碳鋼、低合金鋼

的焊接。

二氧化碳氣體保護焊的缺點是當采用較大電流焊接時，飛濺較大，煙

霧較多，弧光強，焊縫表面成形不夠光滑美觀。控制或操作不當時，容

易產生氣孔。

3.1.2.4氮弧焊

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第3章焊接技術

氫弧焊是以惰性氣體氧氣作為保護氣體的一種電弧焊接方法。電弧發(fā)

生在電極與焊件之間，在電弧周圍通以氨氣，形成連續(xù)封閉氣流，保護

電弧和熔池不受空氣的侵害。而氧氣是惰性氣體，即使在高溫之下，M

氣也不與金屬發(fā)生化學作用，且不溶解于液態(tài)金屬，因此焊接質量較高。

根據(jù)電極是否熔化分為不熔化極筑弧焊及熔化極氫弧焊。不熔化極

氨弧焊通常叫鴇極氤弧焊，它以鴇棒作電極，在氤氣保護下，靠鴇極與工

件間產生的電

弧熱，熔化基本金屬進行焊接，如圖3.5所示。必要時，也可另加填

充焊絲。在焊接過程中鋁極不發(fā)生明顯的熔化和消耗，只起發(fā)射電子引

燃電弧及傳導電流的作用。鋁極氮弧焊電弧穩(wěn)定，可使用小電流焊接薄

工件，并可單面焊雙面成形，近年在設備制造和安裝中得到廣泛應用。特

別是采用鴇極嬴弧焊打底，然后用手工電弧焊或其它焊接方法形成焊縫,

可以避免根部未焊透等缺陷，提高焊接質量。

1一噴嘴2—電極3一電弧4一焊縫5一焊件

6一熔池7—填充焊絲8—保護氣圖

3.5鴇極氮弧焊不意圖

熔化極氮弧焊是采用連續(xù)送進的焊絲作電極，在氧氣保護下，依靠焊

絲與工件之間產生的電弧熱，熔化基本金屬與焊絲形成焊縫。氫弧焊所

用的焊絲，其化學成分應與母材基本相同，焊絲直徑一般不大于3mm。

所用氤氣一般用瓶裝供應，通過管道和噴嘴送至焊接區(qū)。氮氣中含有少量

氧、氮、二氧化碳和水分等雜質，會降低氨氣的保護作用，造成氣孔缺

陷，降低焊接接頭的力學性能與抗腐蝕性能，因此要求氮氣的純度應大

于99.95%。

總體來說，氮弧焊有下列優(yōu)點：

（1）適于焊接各種鋼材、有色金屬及合金，焊接質量優(yōu)良：

（2）電弧和熔池用氣體保護，清晰可見，便于實現(xiàn)全位置自動化焊

接；

（3）電弧在保護氣流壓縮下燃燒，熱量集中，熔池較小，焊接速度

較快，熱影響區(qū)較小，工件焊接變形較??；

（4）電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫致密，成形美觀。但氮弧焊也有缺點：

其使用的氮氣成本較昂貴，設備和控制系統(tǒng)比較復雜，鴇極氮弧焊的生產

效

率較低，且只能焊薄壁構件。氫弧焊可用于各種焊接接頭形式，但

不同接頭形式下氧氣的保護效果不

同。對于對接接頭和T字

型接頭，氧氣流具有良好的保護效果。但對角接接頭的保護作用較差,

空氣容易侵入焊縫區(qū)，所以應預加擋板以提高氤氣的保護效果。

氫弧焊的焊接規(guī)范參數(shù)主要有焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲

直徑、氮氣流量、噴嘴直徑等，這些規(guī)范參數(shù)的大小又因焊接形式的不

同而不同。其中短氣流量是影響焊接質量的重要因素，M氣流量增大，

可以增大氣流的剛度，提高抗外界干擾的能力，增強保護效果。但是氧氣

流量過大時，會產生不規(guī)則的紊流，影響電弧穩(wěn)定，并將空氣卷入電弧

區(qū)、反而降低焊接質量。

-57-

起重機械檢驗員（QZ-1）培訓教材一一基礎知識

3.1.3焊接接頭及常用鋼材的焊接

3.1.3.1焊接接頭形式

“焊縫”和“焊接接頭”是兩個不同概念。焊縫是指焊件經(jīng)焊接后所

形成的結合部分，而焊接接頭則是由兩個或兩個以上零件用焊接組合或

已經(jīng)焊合的接點。檢驗接頭性能應考慮焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)甚至母

材等不同部位的相互影響，焊縫和焊接接頭的型式關系見圖3.6o

焊縫形式分為：對接焊縫、角焊縫、槽焊縫、端接焊縫以及塞焊縫等

5種。

圖3.6焊縫和焊接接頭的型式關系

焊接接頭形式分為：對接接頭、角接接頭、T形接頭、端接接頭、搭

接接頭、塞焊搭接接頭、十字接頭、槽焊接頭、套管接頭、斜對接接頭、

卷邊接頭、鎖底接頭等共12種形式。

從焊接角度來看，任何結構的金屬構件都是由各種不同的焊接接頭和

母材構成的，而無論是何種焊接接頭都是焊縫連接的，焊縫是組成不同

形式接頭的基礎。焊接接頭的使用性能由焊縫的焊接工藝來決定，因此

焊接工藝評定試件分類是以焊縫為對象而非焊接接頭，但從檢驗角度來看,

任何焊接接頭形式，以及焊接接頭任何部位的性能都是同等重要的，其

中的薄弱環(huán)節(jié)尤其是關注的重點。

3.1.3.2焊接接頭的組成

圖3.7是以對接焊縫為例來說明焊接接頭的組成，其中1?2是焊縫,

2是熔合區(qū)，2?3是熱影響區(qū)。

圖3.7焊接接頭示意圖

焊縫是焊件經(jīng)過焊接后形成的結合部分，多由熔化的母材和焊材組成,

因焊接方法不同也有完全由熔化的母材組成。熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫

與母材的過渡區(qū)域，由于其過渡區(qū)域很窄，曾被稱為熔合線，該區(qū)域是

剛好被加熱到熔點與凝固溫度之間的部分。而熱影響區(qū)則是在焊接過程中,

母材受焊接熱量影響發(fā)生了金相組織及材料力學性能變化的部分。

3.1.3.3焊接接頭的組織和性能

在焊接接頭中，焊縫的形成是金屬由高溫下液態(tài)冷卻而至常溫時的固

態(tài)狀。此間金屬經(jīng)歷了兩次結晶過程，首先是從液相轉變至固相的一次

結晶過程，其次是固相態(tài)下的組織轉變的二次結晶過程。第一次的結晶

過程首先在熔池的邊緣溫度最低的熔合區(qū)附近發(fā)生，隨著熔池溫度的降低,

晶體逐漸長大，因受到低溫側晶體的阻隔，晶體只能向熔池中心發(fā)展而

生成柱狀晶體，當柱狀晶體長大至相互接觸時，一次結晶過程即告結束。

一次結晶結束后，熔池轉變?yōu)楣腆w焊縫。高溫焊縫金屬冷卻到室?58?

第3章焊接技術

溫時組織將進一步發(fā)生轉變，這種相變過程稱為焊縫金屬的二次結晶。

二次結晶的焊縫組織基本上取決于焊縫的成分和冷卻條件。

3.1.3.4常用鋼材的焊接

L低碳鋼的焊接

Q235、10、15、20等低碳鋼是應用最廣泛的焊接結構材料，由于其

含碳量低于0.25%,塑性很好，淬硬傾向小，不易產生裂紋，所以焊接

性最好。焊接時，采用任何焊接方法和最普通的焊接工藝即可獲得優(yōu)質

的焊接接頭。但由于施焊條件、結構形式不同，焊接時還需注意以下問題：

（1）在低溫環(huán)境下焊接厚度大、剛度大的結構時，應該進行預熱，

否則容易產生裂紋；

（2）重要結構焊后要進行去應力退火以消除焊接應力。低碳鋼對焊

接方法幾乎沒有限制，應用最多的是焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和

電阻焊。低

碳鋼的碳含量較低，且除C、Mn、Si、S、P等常規(guī)元素外，沒有其

他合金元素，只有很少含量的受控制的其他元素，因而焊接性良好。焊

接時有以下特點：可裝配成各種不同的接頭；焊前一般不需預熱；塑性

較好，適合制造各類大型結構件和壓力容器等。

低碳鋼幾乎可采用各種焊接方法進行焊接，并均能獲得良好的焊接質

量。焊條電弧焊是應用最多的一種方法，焊接的關鍵是選擇焊條。直徑

大于或等于3000mm,且壁厚大于等于50mm的情況下，以及壁厚大于

或等于90mm的產品的第一層焊道的焊接，焊前都應進行預熱。預熱溫

度可視具體情況而定.一般為80~150℃o對于焊接受壓件，當壁厚大

于或等于20mm時，應考慮采取焊后熱處理或相應的消除應力措施；壁

厚大于30mm時，必須進行焊后熱處理，溫度為600~650℃；壁厚大于

200mm時，待焊至焊件厚度的1/2時，應進行一次中間熱處理后，再繼

續(xù)焊接。中間熱處理溫度為550?600℃,焊后熱處理溫度為600?650℃。

采用電弧焊時，焊接材料的選擇參見表3.1o

表3.1低碳鋼焊接材料的選擇

2.中碳鋼的焊接

含碳量在0.25%?0.60%之間的中碳鋼，有一定的淬硬傾向，焊接接

頭容易產生低塑性的淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。中碳鋼的焊接結

構多為鍛件和鑄鋼件或進行補焊。焊條應選用抗裂性好的低氫型焊條（如

J426、J427、J506、J507等），焊縫有等強度要求時，選擇相當強度級別的

焊條。對于補焊或不要求等強度的接頭，可選擇強度級別低、塑性好的

焊條，以防止裂紋的產生。焊接時，應采取焊前預熱、焊后緩冷等措施

以減小淬硬傾向，減小焊接應力。接頭處開坡口進行多層焊，采用細焊條

小電流，可以減少母材金屬的熔入量，降低裂紋傾向。

3.低合金高強度鋼的焊接

低合金高強度鋼（俗稱低合金鋼）按其屈服強度可以分為九級：300MPa.

350MPa、400MPa、450MPa、500MPa、550MPa、600MPa、700MPa、800MPa。

強度級別W400MPa的低合金鋼,Ceq<0.4%,焊接性良好，其焊接工

藝和焊接材料的選擇與低碳鋼基本相同，一般不需采取特殊的工藝措施。

只有焊件?59?

起重機械檢驗員（QZ-1）培訓教材一一基礎知識

較厚、結構剛度較大和環(huán)境溫度較低時，才進行焊前預熱，以免產生

裂紋。強度級別2450MPa的低合金結構鋼，Ceq>O.4%,存在淬硬

和冷裂問題，其焊接性與中碳鋼相當，焊接時需要采取一些工藝措施，

如焊前預熱（預熱溫度150℃左右）可以降低冷卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織;

適當調節(jié)焊接參數(shù)，可以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，保證焊接接頭獲得

優(yōu)良性能；焊后熱處理能消除殘余應力，避免冷裂。低合金鋼的含碳量

較低，對硫、磷控制較嚴，焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和電渣焊均

可用于此類鋼的焊接，以焊條電弧焊和埋弧焊較常用；選擇焊接材料時，

通常從等強度原則出發(fā)，為了提高抗裂性，盡量選用堿性焊條和堿性焊

劑，對于不要求焊縫和母材等強度的焊件，亦可選擇強度級別略低的焊

接材料，以提高塑性，避免冷裂。熱軋及正火鋼可以用各種焊接方法焊

接，不同的焊接方法

對產品質量無顯著影響。熱軋及正火鋼

可以用各種切割方法下料，如氣割、電弧氣刨、等離子弧切割等。強

度級別較高的鋼，雖然在熱切割邊緣會形成淬硬層，但在后續(xù)的焊接時

可溶入焊縫而一般不會影響焊接質量。熱軋及正火鋼焊接時，對焊接質

量影響最大的是焊接材料和焊接參數(shù)。如Q295鋼可選用E43XX型焊

條，焊絲選用H08、HI0MnA；Q345選用E50XX型焊條，焊絲選用H08A、

H08MnA>HI0Mn2o

3.2焊接工藝評定及焊接工藝規(guī)程

3.2.1焊接工藝評定的基本概念

焊接工藝評定是確保產品質量的重要措施，無論是國內、國外，已經(jīng)

有很多有關此方面的規(guī)范。起重機明確采用《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)

程》中“附錄I焊接工藝評定二

3.2.1.1焊接工藝評定的目的

焊接工藝評定（簡稱PQR）的目的在于評定及驗證施焊單位制訂的焊

接工藝指導書（簡稱WPS）是否合適，評價施焊單位是否有能力焊出符

合規(guī)程和產品技術條件要求的焊接接頭。在投產前，用擬定的焊接工藝

（焊接方法、焊接材料、母材及其厚度、接頭形式和各種焊接參數(shù)等）按有

關標準對所焊試件進行試驗，測定焊接接頭能否達到設計要求或滿足使

用。這是生產準備階段的焊接工藝的規(guī)范化試驗，也是對不需要制作產

品焊接試板的接頭性能提供數(shù)據(jù)的旁證。

焊接工藝評定的驗證針對生產需要的焊接工藝，最后歸納并確定為焊

接工藝規(guī)程（WPS）,作為指導焊接生產的工藝文件。焊接工藝正確與否的

標志在于焊接接頭的使用性能是否符合要求。若符合要求，則證明所擬

定的焊接工藝是正確的。當用于焊接產品時，則產品焊接接頭的使用性能

同樣可以滿足要求。

3.2.1.2焊接工藝評定的一般過程

《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》中“附錄I焊接工藝評定”，中規(guī)定

的焊接工藝評定一般過程是：擬定焊接工藝指導書、施焊試件和制取試

樣、檢驗試件和試樣，評價焊接接頭是否具有所要求的使用性能并提出

焊接工藝評定報告、對擬定的焊接工藝指導書進行評定。

1.擬定焊接工藝指導書

焊接技術人員根據(jù)有關產品法規(guī)，產品的技術要求，以及相關的焊接

技術資料，編制相應的焊接工藝規(guī)程或焊接工藝指導書（未評定過的，或

稱PWPS）,該焊接工藝規(guī)程的內容與指導生產的焊接工藝規(guī)程內容相同，

但僅用來指導焊接工藝評定試驗。該焊接工藝評定合格后，證明先前擬定

的焊接工藝指導書或焊接工藝規(guī)程是正確的，相應的焊接工藝規(guī)程也生

效，也可用作實際生產的焊接工藝規(guī)程。根據(jù)合格的焊接工藝評定，還

可編制多份焊接工藝規(guī)程指導生產。

-60-

第3章焊接技術

2.焊接試件并檢查

工藝評定所用試件的數(shù)量與尺寸，由試樣的試驗需要來決定，要制備

足夠的數(shù)量。焊接試驗時應按照焊接工藝規(guī)程（未評定過的）為指導，由本

單位技能熟練的焊接人員使用本單位焊接設備焊接試件。試件的檢驗主

要是外觀檢查和無損檢測，但該檢驗的目的不在于焊縫外觀達到何種要求,

也不只在于焊縫達到無損檢測幾級標準，所以雖然在試件檢驗項目中規(guī)

定了外觀檢查、無損檢測，其主要是在于了解試件施焊情況，避開焊接

缺陷取樣。

3.試樣制取與檢驗

根據(jù)工藝評定規(guī)范的要求，制訂評定規(guī)范所需的試樣尺寸和數(shù)量并進

行檢驗，記錄各項檢驗結果。如果性能試驗不合格，則分析原因，重新

按照焊接工藝評定程序編制焊接工藝指導書，焊接試樣，制取試樣并檢

驗。檢測所用的設備、儀器應定期校驗或檢定合格，工藝評定檢驗后的試

件應保存。

4.編寫焊接工藝評定報告

所要求評定的項目檢驗全部合格后，即可編寫焊接工藝評定報告，焊

接工藝評定報告應經(jīng)施焊單位技術負責人審批，并存入技術檔案。焊接

工藝評定技術資料包括焊接工藝試驗條件和各項檢驗結果，該部分資料

應保存至工藝評定失效為止。

5.對擬定的焊接工藝指導書進行評定，并編制正式的焊接工藝指導

書

焊接工藝指導書是為制造符合規(guī)范要求的產品焊縫而提供的具有指

導性的、經(jīng)過評定合格的且結合實際結構編制的焊接工藝文件，作為焊

工操作時應予嚴格遵守，同時也是檢驗人員對產品質量控制的依據(jù)。

3.2.2焊接工藝評定的規(guī)則

3.2.2.1焊接工藝因素

焊接工藝評定中的重要因素是指影響焊接接頭力學性能（沖擊性能除

外）的焊接條件，如焊接方法、母材類別及規(guī)格、焊條牌號、保護氣體種

類以及混合氣體的配比、預熱溫度等。

當有沖擊性能要求時，，影響焊接接頭沖擊性能的焊接條件，如焊接電流

的種類和極性、焊接熱輸入等就成為重要因素。

次要因素是指對所測定的焊接接頭力學性能無明顯影響的焊接條件,

如坡口形式、焊接位置、錘擊焊縫等。

3.2.2.2焊接方法

特種設備常用的焊接方法有手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、氧弧

焊、等離子弧焊等。焊接方法的改變，則需要重做工藝評定，當產品的

一條焊縫采用兩種或兩種以上焊接方法或重要因素不同的焊接工藝時，

可按每種焊接方法或焊接工藝分別進行評定，也可使用兩種或兩種以上焊

接方法或焊接工藝進行組合評定。

3.2.23焊接接頭

坡口形式與尺寸對各種焊接方法而言都是次要因素，它的變更對焊接

接頭力學性能和彎曲性能無明顯影響，但坡口形式與尺寸對焊縫抗裂性、

生產效率、焊接缺陷和勞動保護卻有很重要的作用。

3.2.2.4填充金屬

焊接工藝評定規(guī)范中，焊條、焊絲、焊劑按牌號（或化學成分）分類。

焊條、焊絲、焊劑的類別號改變時要重新評定焊接工藝（另有規(guī)定除外）。

3.2.2.5母材

-61-

起重機械檢驗員（QZ-1）培訓教材一一基礎知識

對母材分類的目的是減少焊接工藝評定的數(shù)量，為此將化學成分、力

學性能及焊接性能接近的鋼材歸納在同一類中。重要因素相同時.，同類

的評定合格，可認為該類別中其他母材也評定合格。

按《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》中“附錄I焊接工藝評定”當重要

因素不變時:

1.不同類別號母材組成的焊接接頭，即使各自母材都評定合格，其

組成的焊接接頭仍需重新評定。但類別號為2的母材評定適用于它們與

類別號為1的母材組成的焊接接頭，如Q345與Q235B組成的焊接接

頭，若Q345已經(jīng)評定合格時，在重要因素都滿足時，即可不必在重新評

定。

2.同類別中，一種母材評定合格的焊接工藝，可適用同類別號的其

他母材。

3.2.2.6母材金屬和熔敷金屬厚度

在焊接工藝評定規(guī)范中，都有評定合格后適用于母材厚度和焊縫熔敷

金屬厚度有效范圍表，可根據(jù)某一評定試件厚度確定適用的母材厚度和

焊縫金屬厚度有效范圍。表3.2,表3.3分別為《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)

察規(guī)程》中“附錄I焊接工藝評定”中規(guī)定的對接焊縫厚度評定適用范圍

以及熔敷金屬厚度有效范圍。

表3.2附錄I規(guī)定的母材厚度有效范圍

表3.3附錄I規(guī)定的熔敷金屬厚度有效范圍

3.2.2.7焊接電特性和焊接技術

在電特性欄中應注明采用的是直流電還是交流電。若用直流電需指出

是正接還是反接，并列出施焊評定試件所用的焊接參數(shù)（焊接電流、電弧

電壓、焊接速度等）。

焊接工藝中所用焊接參數(shù)（例如焊接電流或電弧電壓）不宜超過評定報

告中的士15%。當有要求做沖擊韌性試驗時，增加熱輸入要重新評定焊

接工藝。熱輸入是指每條焊道的熱輸入，當規(guī)定進行沖擊試驗時每條焊

道的熱輸入都應嚴格控制。

在焊接技術欄中應注明每種工藝、每種焊接材料的焊接層數(shù)；每道焊

道熔敷金屬的最大厚度；是單絲還是多絲焊；是單面焊還是雙面焊，每

面是單道焊還是多道焊；是直線焊還是擺動焊；施焊時是否采用敲擊、

焊前和層間的清理以及清根方式等。

1.保護氣體按氣體成分分類，如采用混合氣體則按氣體成分和比例

劃分，改變混合氣體的配比，或取消氣體保護，或使用非標準保護氣體

時，均需重新工藝評定。

2.預熱分為實行或不實行。實行預熱時，以預熱溫度下限分類。預

熱溫度不得低于評定合格值50℃以下。

-62-

第3章焊接技術

3.焊后熱處理焊分為實行或不實行。如實行焊后熱處理，則按正火、

正火加回火和消除應力熱處理分類。改變焊后熱處理類別，要重新評定

焊接工藝。當規(guī)定進行沖擊試驗時，焊后熱處理的溫度和時間范圍改變

后要重新評定焊接工藝。

3.2.3焊接工藝評定試驗要求和結果評價

焊接工藝評定試驗項目和方法原則上應完全按照焊接工藝評定規(guī)范,

不得任意增加或縮減試驗項目，也不得任意改變試驗方法，否則就失去

了焊接工藝評定的合法性和合理性。

3.2.3.1檢驗項目

1.對接焊縫工藝評定試件的檢驗項目有外觀檢查、無損檢測和力學

性能試驗。常規(guī)力學性能試驗項目包括拉伸試驗、彎曲（面彎、背彎、側

彎）試驗和沖擊試驗

2.角焊縫工藝評定試件的檢驗項目有外觀檢查、金相檢驗（宏觀）。

3.23.2合格標準

焊接工藝評定試件不同，檢驗項目也不同。其中，對接焊縫工藝試件

的檢驗項目較多，合格標準的規(guī)定內容也較多。這里我們重點介紹《蒸

汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》中“附錄I焊接工藝評定”中關于對接焊縫

工藝評定試件的檢驗項目和合格標準的規(guī)定。

1.外觀檢查，試件接頭表面不得有裂紋。

2.無損檢測，對接焊縫工藝評定試件按產品焊縫相同要求進行無損

檢測，無損檢測結果不得有裂紋，對氣孔不作規(guī)定。

3.常規(guī)力學性能試驗，分別對試樣進行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊

試驗的等。

3.23.3焊接工藝評定報告

1.焊接工藝評定試驗完成后，需將試驗結果填入焊接工藝評定報告。

通常為便于對照，都把事先編制用于焊接工藝評定的一份焊接工藝作為

焊接工藝評定報告的附件。

一份完整的焊接工藝評定報告應記錄評定試驗時所使用的全部重要

參數(shù)。其內容包括：評定項目名稱、評定報告編號及相對應的焊接工藝

指導書編號、評定試驗采用的焊接方法、焊接位置、所依據(jù)的產品技術

標準編號、試板的坡口形式、實際坡口尺寸、試板焊接接頭焊接順序和焊

縫的層次、試板母材金屬的牌號、規(guī)格、類別號，母材的化學成分化驗

結果和力學性能的實測數(shù)據(jù)、焊接試板所用的焊接材料，牌號等。

當然，還有焊接參數(shù)、預熱溫度、熱處理參數(shù)、試樣的力學性能試驗

結果及評定結論等內容。

2.報告應按施焊單位程序文件要求應由編制、審核人簽名并得到技

術負責人的批準。

3.2.4焊接工藝文件

保證產品的焊接質量是制造企業(yè)的重要的技術、管理工作，故應按照

焊接技術要求和相關標準制定的有關焊接工藝方面的文件。根據(jù)企業(yè)現(xiàn)

行的情況，一般的焊接工藝文件包括以下幾種：

1.焊接工藝評定前擬定的用于指導焊接工藝評定的焊接工藝規(guī)程或

稱工藝指導書。評定合格后，該工藝規(guī)程也可用于相應產品的焊接；

2.評定合格后，根據(jù)工藝評定制定的焊接工藝規(guī)程；

3.針對產品制定的焊接接頭編號卡或焊縫識別卡；

4.針對產品制定的焊接順序卡或稱焊接接頭工藝卡。

5.針對某一鋼種，某一焊接方法或某一特定的焊接工作制定的通用

焊接接工藝守則（或規(guī)程）。?63?

起重機械檢驗員（QZ-1）培訓教材一一基礎知識

無論焊接工藝評定前制定的焊接工藝規(guī)程（或焊接工藝指導書）還是評

定合格后制定的焊接工藝規(guī)程，都是焊接生產的主要指導性工藝文件，

是焊工焊接操作的依據(jù)。焊接工藝規(guī)程應發(fā)到生產班組的有關部門，焊

工在焊接產品之前必須認真閱讀焊接工藝規(guī)程中的全部內容，并在工作過

程中遵照執(zhí)行。

6.焊接工藝規(guī)程的內容一般包括如下幾個方面：

1）焊接工藝規(guī)程的編號和日期；

2）相應的焊接工藝評定報告編號；

3）焊接方法及自動化程度；

4）接頭形式、有無襯墊及襯墊材料牌號；

5）坡口簡圖、焊縫示意圖（焊道分布和順序）；

6）焊接位置、立焊的焊接方向；

7）母材鋼號、分類號、母材及熔敷金屬的厚度范圍、管子直徑范圍；

8）焊接材料的牌號、標準號、類別、規(guī)格，鴇極的類型、牌號、直

徑，保護氣體的名稱、成分和流量（包括背面和尾部保護）；

9）焊前預熱、層問溫度；

10）焊接電特性參數(shù)（包括電流種類和極性、焊接電流、電弧電壓、焊

接速度、送絲速度、擺動速度和幅值等）；

11）操作技術和焊接程序；

12）熱處理（焊后退火處理、正火、回火處理）等。

3.3焊接應力及變形

焊接技術已經(jīng)廣泛應用在機械設備制造中，便利和高效是其特點，但

焊接過程中所產生的焊接應力和變形，不但會產生工藝缺陷，給焊接結

構的力學性能也帶來影響，造成焊接構件的強度、剛度及穩(wěn)定性等性能

的降低，甚至產生斷裂失效。因此，了解焊接變形和焊接應力，是控制焊

接質量的重要途徑。

3.3.1焊接變形和應力的形成

3.3.1.1焊接變形原理

焊接是在高溫狀態(tài)下進行的，焊接時熔池溫度高達1700℃以上，構

件受熱是局部的、不均勻的，焊縫區(qū)域受熱后要膨脹，但是焊縫四周的

金屬又處于冷態(tài)，阻止受熱金屬的膨脹，使受熱金屬（焊縫金屬）產生

了壓縮應力。同時，金屬在高溫時，其屈服點os很低（當溫度為700℃,

其屈服點僅為原來的10%左右），當被加熱金屬內的壓縮應力超過屈服點

os后，）焊縫內的熱金屬就會造成塑性壓縮變形，此種塑性壓縮變形是

不可逆的。隨著加熱金屬的冷卻，壓縮應力隨之減小、消失；進一步冷去

加熱區(qū)段開始產生并增加反方向的應力（拉伸應力）。但由于周圍冷金屬

的阻止，使得熱金屬（焊縫）不能得到充分的收縮，因而又使其內部呈

現(xiàn)拉伸應力，造成結構變形。

從上述分析可以看出，焊接應力與變形的產生，是焊縫區(qū)域受熱不均

勻和焊縫周圍金屬的約束所致，而熱膨脹過程中出現(xiàn)的塑性壓縮變形，

便是冷卻中產生殘余變形的根源。

在鋼板上面縱向焊一條焊縫，此焊縫長為L,寬為B。把焊上去的焊

縫看成是加在鋼板上的熱能，將焊縫的投影面積看成是一分離的板條B

XLo板條受熱后，假定四周沒有冷金屬的約束，板條勢必膨?64?

第3章焊接技術

脹，膨脹長度膨脹寬度4B。但是實際上板條BXL不是分離

的，四周會受到冷金屬的約束而無法膨脹，所以板條是縮短了長度△!_、

寬度AB。板條的縮短是由于產生殘余壓應力。0,且。0＞。5所致。

因而板條產生塑性變形（縮短）。

當焊接完畢，溫度降低時，。0亦下降，板條要收縮，但是由于四周

冷金屬的阻止，使得板條無法得到充分的縮短，因而產生了殘余應力（拉

應力）。板條內的拉應力使四周的冷金屬造成壓縮，四周的板受到壓縮應

力，在平面內將出現(xiàn)波形。對于厚度在8mm以下的薄板，因為它的臨界

應力比屈服點低得多，因此當焊縫收縮時，焊縫內呈現(xiàn)的殘余拉應力（即

四周冷金屬所受到的壓應力）會超過臨界應力，因而板易喪失穩(wěn)定性而

出現(xiàn)波浪形，在板邊會產生皺折，見圖3.8所示。

圖3.8焊接波浪變形

假如在板的邊緣堆焊，且板是狹長的，則存在板內的拉應力會使板條

呈現(xiàn)彎曲變形。又因為焊縫是堆焊于鋼板的上面，板的受熱在厚度上分

布是不均勻的，因此板要以焊縫處為轉折點而產生角變形。角變形與板

厚有關，厚板比薄板的角變形小，這是因為厚板的抗彎模數(shù)大，塑性變形

小。角變形又與焊趾的大小有關，加大焊趾容易造成角變形。因此，從

防止變形的觀點出發(fā)，在保證焊縫強度的條件下，連續(xù)的角焊縫比間斷

的角焊縫變形要小。所以，焊接會引起結構的縱向和橫向收縮變形、角變

形、波浪形及構件邊緣的皺折等，并能引起結構的總體變形。

3.3.1.2焊接殘余變形分類焊接殘余變形是焊接后殘存于結構中的變

形。

大致可分下列六類：1.收縮變形收縮變形是指構件焊后在（或

垂直于）焊縫方向產生的收縮。2.彎曲變形

構件焊后發(fā)生彎曲變形，如圖3,9所示。彎曲可由焊縫的縱向及橫向

收縮引起。彎曲變形常見于焊接的梁、柱、管道等焊件，對這類焊接結

構的生產造成較大的危害。彎曲變形的大小以撓度/的數(shù)值來度量，是

焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離，撓度越大，彎曲變形越

大。

圖3.9構件的彎曲變形

3.角變形

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起重機械檢驗員（QZ-1）培訓教材一一基礎知識

角變形是指焊后構件的平面圍繞焊縫產生的角位移，常見的角變形如

圖3.10所示。當焊接（單面）較厚鋼板時，由于在鋼板厚度方向上的溫度

分布不勻，溫度高一側受熱膨脹較大，另一側膨脹小甚至不膨脹。導致

焊接面膨脹受阻，出現(xiàn)較大的橫向壓縮塑性變形。在冷卻時就產生了在鋼

板厚度方向上收縮不均勻的現(xiàn)象，施焊的一面收縮大，另一面收縮小。

這種在焊后由于焊縫的橫向收縮使得兩連接件間相對角度發(fā)生變化的變

形稱為角變形。角變形造成了構件平面的偏轉。在堆焊、對接、搭接和T

形接頭的焊接時往往會產生角變形。

圖3.10幾種角變形

4.波浪變形

波浪變形如圖3.7所示。容易在薄板焊接結構中產生。造成波浪變形

的原因有兩種，一種是由于薄板結構焊接時的縱向和橫向的壓應力使薄

板失去穩(wěn)定而造成波浪形的變形，另一種原因是角焊縫的橫向收縮引起

的角變形所造成。

5.錯邊變形

圖3.11(a)和圖3.11(b)分別所示為長度方向與厚度方向的錯邊

變形。引起錯邊變形的主要原因有裝配不良；組成焊件的兩零件在裝夾

時夾緊程度不一致；組成焊件的兩零件的剛度不同或它們的熱物理性質

不同；電弧偏離坡口中心等。

(a)長度方向錯邊

圖3.11錯邊變形(b)厚度方向錯邊

6.螺旋變形

即焊后在結構上出現(xiàn)的扭曲，如圖3.12所示，產生螺旋變形的原因

很多，例如裝配質量不好，即在裝配之后焊接之前的焊件位置和尺寸不

符合圖樣的要求；構件的零部件形狀不正確，而強行裝配；焊件在焊接

時位置擱置不當；焊接順序及方向不當，造成整體焊縫在縱向和橫向的應

力和變形。

圖3.12焊接螺旋變形

3.3.1.3焊接變形的危害性

焊接變形是焊接結構生產中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，焊接變形對產品制造和

使用有以下幾方面危害：?66?

第3章焊接技術

1.增加制造成本，浪費工時

在生產中，有時焊件出現(xiàn)了變形，就需要花許多工時去矯正，比較復

雜的變形，矯正的工作量比焊接工作量還要大，有時變形大，甚至造成

廢品。

2.降低產品質量和性能

部件在焊接組裝時產生變形，使整個裝配質量降低。例如，矩形箱式

梁由于各段的組焊變形，在環(huán)縫焊接時就會出現(xiàn)錯邊。如果不予矯正就

進行裝配、焊接，將會造成應力集中，在外載荷作用時;局部的附加應

力使其安全系數(shù)下降。

3.成形外觀差，承載能力降低

焊接變形還會導致產品的成形差，外觀不美觀，如箱體直線度、鋼梁

繞度降低等，承載能力也下降。

3.3.1.4焊接殘余應力

1.產生焊接殘余應力的原因

焊件焊后的熱應力超過彈性極限，使得冷卻后焊件中留有未能消除的

應力，稱為殘余焊接應力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局

部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。

2.焊接殘余應力的影響

對于鋼結構焊件，焊接殘余應力的存在對機械加工精度、疲勞斷裂以

及構件穩(wěn)定性都有諸多不利的影響，應采取必要的措施減小或消除殘余

應力。

焊接殘余應力對機械加工精度的影響表現(xiàn)在機械切削加工時把一部

分材料從焊件上切去，如果焊件中存在著殘余應力，那么把一部分材料

切去的同時，也把原先在那里的殘余應力一起去掉，從而破壞了原來焊

件中內應力的平衡，應力的重新分布使焊件產生變形，加工精度也就受到

了影響。

對疲勞斷裂的影響表現(xiàn)在當構件在循環(huán)載荷作用下，在其塑性變形區(qū)

內萌生裂紋，繼而穩(wěn)定擴展且最終失穩(wěn)斷裂這一現(xiàn)象。構件的疲勞強度

主要取決于缺口處與橫截面驟變處的應力集中情況、循環(huán)應力的幅值或

范圍等決定性因素，而靜載平均應力或預應力的影響次之。靜載平均應力

或預應力可能因外載或殘余應力而引起。并且同樣會在缺口處與橫截面

驟變處增大。由外載產生的平均應力通常與載荷循環(huán)數(shù)無關，但殘余應

力卻可能會因構件的一次性過載、循環(huán)載荷本身特點、蠕變與松弛以及裂

紋的形成等而變化。一般來說，殘余拉應力不利于疲勞強度。

焊接殘余應力對腐蝕與磨損的影響表現(xiàn)在在腐蝕環(huán)境介質作用下，構

件表面處若存在較高的拉應力，便可能引發(fā)應力腐蝕開裂，且開裂還會

因氫擴散而加劇。因此，若有可能發(fā)生應力腐蝕開裂，則構件表面處的

焊接殘余拉應力便極具破壞性。而磨損是構件表面的不良機械性磨耗，表

現(xiàn)為材料表面的細小粒狀剝落或殘余變形。材料表面處的拉應力會加劇

磨損。

對構件穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)出的幾何形狀不穩(wěn)定性是指桿、梁、板、殼

等在低于屈服點的名義負載應力作用下，可能發(fā)生的彈性或彈一塑性屈服,