二、焊接

　　(一)焊接的分类及特点

　　按照焊接过程中金属所处的状态及工艺的特点，可以将焊接方法分为熔化焊(熔焊)、压力焊(压焊)和钎焊三大类。

　　1.熔化焊

　　(1)气焊。主要优点：

　　①设备简单、费用低、移动方便、使用灵活。

　　②通用性强，对铸铁及某些有色金属的焊接有较好的适应性。

　　③无须电源，因而在无电源场合和野外工作时有实用价值。

　　主要缺点：

　　①生产效率较低。气焊火焰温度低，加热速度慢。

　　②焊接后工件变形和热影响区较大，焊接变形大。

　　③焊接过程中，熔化金属受到的保护差，焊接质量不易保证。

　　④较难实现自动化。

　　(2)电弧焊

　　1)手工焊条电弧焊(手弧焊)

　　手弧焊的主要优点：

　　①操作灵活，可以在任何有电源的地方进行维修及中短缝的焊接作业，特别适用于机械难以达到部位的焊接。

　　②设备简单，使用方便。

　　③应用范围广。选择合适的焊条可以焊接多种常用的金属材料，如碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及合金。可适用于各种厚度和各种结构形状的焊接。

　　手弧焊的主要缺点：

　　①焊接的生产率低;

　　②劳动条件差;

　　③焊接质量不够稳定。

　　2)埋弧焊(03，05，10，11，12，15)

　　埋弧焊的主要优点：

　　①热效率较高，熔深大，工件的坡口可较小(一般不开坡口单面一次熔深可达 20mm)，减少了填充金属量。

　　②焊接速度高，焊接厚度为 8～10mm 的钢板时，单丝埋弧焊速度可达 50～80cm/min。

　　③焊接质量好。焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池金属较慢地凝固，减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。

　　④在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果胜过其他焊接方法。

　　埋弧焊的缺点：

　　①由于采用颗粒状焊剂，这种焊接方法一般只适用于水平位置焊缝连接。

　　②难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。

　　③不能直接观察电弧与坡口的相对位置，容易焊偏。

　　④只适于长焊缝的焊接。

　　⑤不适合焊接厚度小于 1mm 的薄板。

　　由于埋弧焊熔深大，生产效率高，机械化操作的程度高，因而适于焊接中厚板结构的长焊缝和大直径圆筒的环焊缝，尤其适用于大批量生产。

　　(3)气体保护电弧焊(气电焊)

　　气电焊与其他熔化焊方法相比，具有以下特点：

　　①电弧和熔池的可见性好。

　　②焊接过程操作方便，没有熔渣或很少有熔渣。

　　③焊接速度较快，熔池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小。

　　④可以焊接化学活泼性强和易形成高熔点氧化膜的镁、铝、钛及其合金。

　　⑤有利于焊接过程的机械化和自动化，特别是空间位置的机械化焊接。

　　⑥在室外作业时，需设挡风装置，否则气体保护效果不好，甚至很差。

　　⑦电弧的光辐射强。

　　⑧焊接设备比较复杂，比焊条电弧焊设备价格高。

　　1)钨极惰性气体保护焊(TIG 焊 TIG-Tungsten Inert Gas)。

　　钨极惰性气体保护焊具有下列优点：

　　①钨极不熔化，只起导电和产生电弧作用，比较容易维持电弧的长度，焊接过程稳定，易实现机械化;保护效果好，焊缝质量高。

　　②由于能很好地控制热输入，所以它是焊接薄板金属和打底焊的一种极好方法，几乎可以适用于所有金属的连接，尤其适用于焊接化学活泼性强的铝、镁、钛和锆等有色金属和不锈钢、耐热钢等各种合金。对于某些黑色和有色金属的厚壁重要构件(如压力容器及管道)，为了保证高的焊接质量，也采用钨极惰性气体保护焊。

　　钨极惰性气体保护焊的缺点：(14)

　　①熔深浅，熔敷速度小，生产率较低。

　　②只适用于薄板(6mm 以下)和超薄板的焊接。

　　③气体保护幕易受周围气流的干扰，不适宜野外作业。

　　④惰性气体(氩气、氦气)较贵，生产成本高。

　　这种焊接方法的焊缝质量高，但与其他电弧焊相比，其焊接速度较慢。

　　2)熔化极气体保护焊(MIG 焊 Metal Inert-gas Welding)。

　　MIG 焊的特点：

　　①几乎可以焊接所有金属，尤其适用于焊接有色金属、不锈钢、耐热钢、碳钢、合金钢等材料。

　　②焊接速度较快，熔敷效率较高，劳动生产率高。

　　③MIG 焊可直流反接，焊接铝、镁合金时有良好的阴极雾化作用，可有效去除氧化膜，提高了接头的焊接质量。

　　④不采用钨极，成本比 TIG 焊低。

　　3)CO2气体保护焊。

　　主要优点：

　　①焊接生产效率高，其生产率是手工焊条电弧焊的 1～4 倍。

　　②焊接变形小、焊接质量较高。

　　③焊缝抗裂性能高，焊缝低氢且含氮量也较少。

　　④焊接成本低，只有埋弧焊、焊条电弧焊的 40%～50%。

　　⑤焊接时电弧为明弧焊，可见性好，操作简便，可进行全位置焊接。

　　不足之处：

　　①焊接飞溅较大，焊缝表面成形较差。

　　②不能焊接容易氧化的有色金属。

　　③抗风能力差，给室外作业带来一定困难。

　　④很难用交流电源进行焊接，焊接设备比较复杂。

　　(4)等离子弧焊。等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊。广泛应用于焊接、喷涂和堆焊。

　　等离子弧焊与钨极惰性气体保护焊相比，有以下特点：(15)

　　①等离子弧能量集中、温度高，焊接速度快，生产率高。

　　②穿透能力强，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得锁孔效应，一次行程可完成 8mm 以下直边对接接头单面焊双面成型的焊缝，焊缝致密，成形美观。

　　③电弧挺直度和方向性好，可焊接薄壁结构(如 1mm 以下的金属箔的焊接)(06)

　　④设备比较复杂、气体耗量大，费用较高，只宜于室内焊接。

　　(5)电渣焊。电渣焊总是以立焊方式进行，不能平焊。

　　电渣焊的焊接效率可比埋弧焊提高 2～5 倍，焊接时坡口准备简单。焊后一般要进行热处理(通常用正火)以改善组织和性能。电渣焊主要应用于 30mm 以上的厚件，可与铸造及锻压相结合生产组合件，以解决铸、锻能力的不足，因此特别适用于重型机械制造，可进行大面积堆焊和补焊。

　　(6)激光焊。

　　激光焊的特点：(18)

　　①激光束能量密度很高，焊速快，热影响区和焊接变形很小，尺寸精度高。在大气中焊接，也不需外加保护，就能获得高质量焊缝。

　　②可焊多种金属、合金、异种金属及某些非金厲材料，如各种碳钢、铜、铝、银、钼、镍、钨及异种金属以及陶瓷、玻璃和塑料等。

　　③激光可透过透明材料对封闭结构内部进行无接触焊接(如电子真空管、显像管的内部接线等)。

　　④特别适于焊接微型、精密、排列非常密集、对热敏感性强的工件，如厚度小于 0.5mm 的薄板、直径小于 0.6mm 的金属丝。

　　⑤激光焊设备投资大，养护成本高，焊机功率受限。

　　⑥对激光束波长吸收率低和含有大量低沸点元素的材料一般不宜采用。

　　2.压力焊(16)

　　(1)电阻焊。电阻焊有三种基本类型，即点焊、缝焊、对焊。

　　1)点焊。一种高速、经济的连接方法，多用于薄板的非密封性焊接。

　　2)缝焊。多用于焊接有密封性要求的薄壁结构。

　　3)对焊。接头性能差，多用于对接头强度和质量要求不是很高的直径小于 20mm 的棒料、管材、门窗等构件的焊接。

　　(2)电渣压力焊。电渣压力焊适用于现浇钢筋混凝土结构中竖向或斜向钢筋的连接，与电弧焊相比，它功效高、成本低，我国在一些高层建筑的柱、墙钢筋施工中已取得了很好的效果。

　　3.钎焊

　　钎焊接头与熔焊接头相比，强度较低，耐热性差。

　　钎焊可用于各种黑色金属及有色金属和合金以及异种金属的连接，适宜于小而薄和精度要求高的零件。

　　(1)钎焊的分类。 按钎料熔点的不同，可分为硬钎焊和软钎焊两种。按照加热的方法的不同分为火焰钎焊、电阻钎焊、感应钎焊。

　　钎焊的优点：

　　①对母材的物理化学性能没有明显的不利影响。

　　②钎焊时加热温度低，可对焊件整体加热，引起的应力和变形比较小，容易保证焊件的尺寸精度。

　　③有对焊件整体加热的可能性，可用于结构复杂、开敞性差的焊件，并可一次完成多缝多零件的连接。

　　④容易实现异种金属、金属与非金属的连接。

　　⑤对热源要求较低，工艺过程简单。

　　钎焊的缺点：

　　①钎焊接头的强度一般比较低，耐热能力差。(08)

　　②多采用搭接接头形式，增加了母材消耗和结构重量。

　　【例题】可直流反接，焊接铝、镁等金属时有良好的阴极雾化作用，有效去除氧化膜的焊接方法为( )。

　　A.钨极惰性气体保护焊

　　B.二氧化碳气体保护焊

　　C.熔化极气体保护焊

　　D.等离子弧焊

　　『正确答案』C

　　『答案解析』本题考查的是焊接的分类及特点。MIG 焊可直流反接，焊接铝、镁等金属时有良好的阴极雾化作用，可有效去除氧化膜，提高了接头的焊接质量。参见教材 P73。

　　(二)常用焊接材料的选择及焊接设备

　　1.焊接材料的选用

　　(1)焊条的组成和分类

　　(2)焊条选用的原则(15，18)

　　1)考虑焊缝金属的力学性能和化学成分。

　　对于普通结构钢，通常要求焊缝金属与母材等强度，应选用熔敷金属抗拉强度等于或稍高于母材的焊条;

　　在焊接结构刚性大、接头应力高、焊缝易产生裂纹的不利情况下，应考虑选用比母材强度低一级的焊条。

　　对于合金结构钢有时还要求合金成分与母材相同或接近。

　　当母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高时，焊缝中易产生裂纹，应选用抗裂性能好的低氢型焊条。

　　2)考虑焊接构件的使用性能和工作条件。

　　对承受动荷载和冲击荷载的焊件，除满足强度要求外，主要应保证焊缝金属具有较高的塑性和韧性，可选用塑性、韧性指标较高的低氢型焊条。

　　对接触腐蚀介质的焊件，应根据介质的性质及腐蚀特征选用不锈钢类焊条或其他耐腐蚀焊条。

　　在高温、低温、耐磨或其他特殊条件下工作的焊件，应选用相应的耐热钢、低温钢、堆焊或其他特殊用途焊条。

　　3)考虑焊接结构特点及受力条件。

　　对结构形状复杂、刚性大的厚大焊件，在焊接过程中，冷却速度快，收缩应力大，易产生裂纹，应选用抗裂性好、韧性好、塑性高、氢裂纹倾向低的焊条。如低氢型焊条、超低氢型焊条和高韧性焊条。

　　4)考虑施焊条件。

　　当焊件的焊接部位不能翻转时，应选用适用于全位置焊接的焊条。对受力不大、焊接部位难以清理的焊件，应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的酸性焊条。

　　5)考虑生产效率和经济性。

　　对焊接工作量大的结构，有条件时应尽量选用高效率焊条，如铁粉焊条、重力焊条、底层焊条、立向下焊条和高效不锈钢焊条等。

　　在酸性焊条和碱性焊条都可满足要求时，应尽量选用酸性焊条。为了保障焊工的身体健康，在允许的情况下应尽量采用酸性焊条。

　　(3)焊丝和焊剂的选用。

　　耐热钢、低温钢、耐蚀钢的焊接可选用中硅或低硅型焊剂配合相应的合金钢焊丝。

　　普通结构钢、低合金钢的焊接可选用高锰、高硅型焊剂，如 HJ431 和 HJ430 焊剂。

　　对焊接韧性要求较高的低合金钢厚板，应选用低锰、低硅型或无锰中硅型焊剂，如 HJ172、HJ170焊剂。

　　焊接不锈钢以及其他高合金钢时，应选用以氟化物为主要组分的焊剂，如 HJ171 和 HJ172 焊剂或HJ107Nb 无锰中硅型焊剂，亦可采用 SJ602 烧结焊剂。

　　铁素体、奥氏体等高合金钢，一般选用碱度较高的熔炼焊剂或烧结陶质焊剂，以降低合金元素的烧损及掺加较多的合金元素。

　　【例题】采用电弧焊焊接时，正确的焊条选用方法有( )。

　　A.对接触腐蚀介质的焊件，应选用低合金钢焊条

　　B.当母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高时，焊缝中易产生裂纹，应选用抗裂性能好的低氢型焊条。

　　C.焊接表面有油、锈、污等难以清理的结构件时，应选用熔渣成分主要为 SiO2、TiO2、Fe2O3等的焊条(酸性)

　　D.为保障焊工身体健康，条件允许的情况下尽量采用酸性焊条

　　『正确答案』BCD

　　『答案解析』本题考查的是常用焊接材料的选择及焊接设备。选项 A 错误，对接触腐蚀介质的焊件，应根据介质的性质及腐蚀特征选用不锈钢焊条或其他耐腐蚀焊条;选项 B 正确，当母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高时，焊缝中易产生裂纹，应选用抗裂性能好的低氢型焊条;选项 C 正确，对受力不大、焊接部位难以清理的焊件，应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的酸性焊条 ;选项 D 正确，为了保障焊工的身体健康，在允许的情况下应尽量采用酸性焊条 。参见教材 P76～77。

　　2.焊接参数选择

　　电弧焊的焊接参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等。

　　①焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层次等因素(08)。不影响焊接质量前提下，为了提高劳动生产率，一般倾向选择大直径焊条。

　　②焊接电流的选择。焊接电流的大小，对焊接质量及生产率有较大影响。其中最主要的因素是焊条直径和焊缝空间位置。

　　含合金元素较多的合金钢焊条，一般电阻较大，热膨胀系数大，焊接过程中电流大，焊条易发红，造成药皮过早脱落，影响焊接质量，而且合金元素烧损多，因此焊接电流相应减小。

　　③电弧电压的选择。电弧电压是由电弧长来决定。电弧长，则电弧电压高;电弧短，则电弧电压低。

　　要求电弧长度小于或等于焊条直径，即短弧焊。在使用酸性焊条焊接时，为了预热待焊部位或降低熔池温度，有时将电弧稍微拉长进行焊接，即所谓的长弧焊。

　　④焊接层数的选择。中、厚板焊条电弧焊，往往采用多层焊。层数多对提高焊缝的塑性、韧性有利。

　　⑤电源种类和极性的选择。

　　直流电源，电弧稳定，飞溅小，焊接质量好，一般用在重要的焊接结构或厚板大刚度结构的焊接上。

　　其他情况下，应首先考虑用交流焊机。因为交流焊机构造简单，造价低，使用维护也较直流焊机方便。

　　(09)

　　一般情况下，使用碱性焊条或薄板的焊接采用直流反接，而酸性焊条通常采用正接。(04)

　　(三)焊接接头、坡口及组对

　　1.焊接接头的分类及基本类型

　　按焊接方法不同，焊接接头可以分为熔焊接头、压焊接头和钎焊接头三大类。

　　焊接接头的基本类型可归纳为 5 种，即对接接头、T 形(十字)接头、搭接接头、角接接头和端接接头。

　　2.熔焊接头与坡口

　　熔焊接头的坡口根据其形状的不同，可分为基本型、组合型和特殊型三类。

　　基本型坡口主要有：I 形坡口、V 形坡口，单边 V 形坡口、U 形坡口、J 形坡口等。

　　组合坡口是由两种或两种以上的基本型坡口组合而成。

　　特殊型坡口主要有卷边坡口，带垫板坡口，锁边坡口，塞焊、槽焊坡口。(18)

　　3.焊接接头的选用原则

　　4.管材的坡口、组对与焊接

　　(1)管材的坡口

　　管材的坡口主要有三种：I 形坡口、V 形坡口和 U 形坡口。

　　①I 形坡口。I 形坡口适用于管壁厚度在 3.5mm 以下的管口焊接。

　　②V 形坡口。V 形坡口适用于中低压钢管焊接，坡口的角度为 60°～70°，坡口根部有钝边，厚度为 2mm 左右。

　　③U 形坡口。U 形坡口适用于高压钢管焊接，管壁厚度在 20～60mm 之间，坡口根部有钝边，其厚度为 2mm 左右。

　　【例题】焊接接头的基本类型可归纳为五种，不属于基本类型的接头是( )。

　　A.T 型接头

　　B.角接接头

　　C.端接接头

　　D.套管接头

　　『正确答案』D

　　『答案解析』本题考查的是焊接接头、坡口及组对。焊接接头的基本类型可归纳为 5 种：对接接头、T 形(十字)接头、搭接接头、角接接头和端接接头。参见教材 P79。

　　三、焊接过程质量检验

　　(一)焊前检查

　　(1)母材和焊材

　　(2)零部件主要结构尺寸

　　(3)组对质量

　　(4)坡口清理检查

　　(5)焊接前的确认

　　(二)焊接中检验

　　(1)定位焊缝

　　(2)焊接线能量。焊接线能量综合了焊接电流、电弧电压和焊接速度三大焊接工艺参数对焊接热循环的影响。对有冲击力韧性要求的焊缝，施焊时应测量焊接线能量并记录。

　　(3)多层(道)焊

　　(4)后热

　　(三)焊后成品质量检验

　　1.外观检查

　　(1)焊缝表面

　　(2)几何尺寸

　　2.无损探伤

　　(1)表面及近表面缺陷检查。渗透探伤和磁粉探伤，磁粉探伤只适用于检查碳钢和低合金钢等磁性材料的焊接接头，渗透探伤则更适合于检查奥氏体钢不锈钢、镍基合金等非磁性材料焊接接头。

　　(2)内部缺陷的检查。常用的有射线探伤和超声波探伤。

　　(3)压力管道、压力容器焊接接头强度试验。

　　(4)致密性检查(泄露试验)。按结构设计要求及制造条件分为气密性试验，氨气渗漏试验，煤油试漏法，真空箱试验法等。