焊接技术基础教程

中国石油管道焊接培训中心刘光云LiuguangyunChinaPetroleumPipelineWeldingTrainingCenter主要内容中国石油管道焊接培训中心一、电弧的形成二、电弧和熔池的保护三、弧焊电源的特性要求四、焊接材料五、焊接接头七、焊接缺陷八、管道焊接技术六、焊接变形和焊接应力焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体(工件)产生原子间或分子间结合力而连接成一体的连接方法。被连接的两个物体可以是各种同类或不同类的金属、非金属(石墨、陶瓷、塑料等)，也可以是一种金属与一种非金属。目前，在工业生产中应用的焊接方法已达百余种。根据它们的焊接过程特点可将其分为熔焊、压焊和钎焊三大类，每大类又可按不同的方法细分为若干小类，如图1所示：一、电弧的形成电弧焊时，熔化金属的热源是焊接电弧。电弧是发生在电极与气体介质中的持续大功率放电。通常情况下气体是不导电的，为了使其导电，必须使之电离，即必须在气体中形成足够数量的自由电子和正离子。①引弧②形成熔池③形成焊缝+-二、电弧和熔池的保护在电弧高温下，金属与空气中的主要成分氧和氮发生化学反应，熔池金属与空气接触，也生成氧化物和氮化物，熔池凝固后就可能导致接头性能变坏，因此必须用气体或熔渣来覆盖保护电弧和熔池，以阻碍或减少熔池金属与空气的接触。保护方法亦会影响电弧的稳定性和其他特性。二、电弧和熔池的保护图2示出焊条对焊接电弧和熔池的保护情况。涂覆于焊条外的药皮，在电弧热的作用下产生气体，阻止空气与熔池接触。药皮中还含有混合物的成分，在电弧高温作用下熔化，它可与金属表面的有害物质如氧化物等发生作用，生成熔渣，浮于熔池表面，并在新凝固的金属表面结成渣壳，对其起保护作用，以防止凝固了的金属与空气接触。二、电弧和熔池的保护图2焊条电弧焊时电弧和熔池的保护1—焊芯2—药皮3—气体4—电弧5—焊件6—熔渣二、电弧和熔池的保护CO2气体保护焊埋弧自动焊三、弧焊电源的特性要求1.焊条电弧焊基本焊接电路图3是焊条电弧焊的基本焊接电路。它由交流或直流弧焊电源、焊钳、电缆、焊条、电弧、焊件及地线等组成。图3焊条电弧焊基本焊接电路1—弧焊电源2—工件3—焊条4—电弧5—焊钳焊条电弧焊电源可以采用直流弧焊电源或交流弧焊电源。用直流弧焊电源焊接时，工件和焊条与电源输出端正、负极的接法称极性。工件接直流电源正极（+），焊条接负极（-）时，称正接或正极性；工件接直流电源负极（-），焊条接正极（+）时，称反接或反极性。三、弧焊电源的特性要求三、弧焊电源的特性要求DC+DCEPDC-DCENa）正接b）反接2.电源的空载电压及电流调节范围电源外电路开路时，其输出端电压称为电源空载电压。从引弧和电弧的稳定性考虑，电源的空载电压越高越好，但是从安全和降低弧焊电源成本的角度考虑，则要求空载电压越低越好。因为空载电压高不仅不利于焊工人身安全，而且设备体积大，质量大，功率因子低，效率低，不经济。国标对焊条电弧焊空载电压的规定为：交流电压不得超过80V，直流电压不得超过100V。目前国产交流弧焊电源的空载电压，多在70～80V之间，直流弧焊电源的空载电压在60～70V之间。生产实践证明，交流弧焊电源的空载电压低于65V时，会给焊接过程造成困难。按工艺要求，若要采用更高的空载电压，则需加装空载自动降压装置。在不施焊的间隙时间内，该装置能自动降低弧焊电源的输出电压，进行焊接时，又能自动恢复至未降低时的电压值。3.弧焊电源的种类及选择焊接电流有交流、直流和脉冲三种基本类型，相应的弧焊电源有交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源三种类型。选择焊条电弧焊电源应主要考虑以下因素：（1）焊接电流的种类（2）弧焊电源的功率和电流范围（3）工作条件和经济性等四、焊接材料焊接生产中广泛使用焊接材料主要包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体等。焊接材料的质量对保证焊接过程的稳定和获得满足使用要求的焊缝金属起着决定的作用。归纳起来，焊接材料应具有以下作用：保证电弧稳定燃烧和焊接熔滴顺利过渡；在焊接过程中保护液态熔池金属，以防止空气侵入；进行冶金反应和过渡合金元素，调整和控制焊缝金属的成分与性能；防止气孔、裂纹等焊接缺陷的产生；改善焊接工艺性能，在保证焊接质量的前提下尽可能提高焊接效率。1.焊条电焊条的分类方法很多，可分别按用途、熔渣的碱度、焊条药皮的主要成分、焊条性能特征等不同角度对电焊条进行分类。图5焊条示意图焊条型号焊条型号编制方法如下：字母“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；E43系列－熔敷金属抗拉强度≥420MPa(43kgf/mm2)E50系列－熔敷金属抗拉强度≥490MPa(50kgf/mm2)第三位数字表示焊条的焊接位置，“0”及“1”表示焊条适用于全位置焊接（平、立、仰、横），“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。在第四位数字后附加“R”表示耐吸潮焊条，附加“M”表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条，附加“-1”表示冲击性能有特殊规定的焊条。E5015低氢钠型平、立、仰、横直流反接E5016低氢钾型平、立、仰、横交流或直流反接E5015—碳钢焊条，就是常用的J507焊条。50—抗拉强度≥490MPa（50kgf/mm2），1—平、立、仰、横全位置焊接，15—低氢钠型，直流反接。焊条牌号J422药皮种类及电源各类（钛钙型）42抗拉强度结构钢焊条J507药皮种类及电源种类（低氢型）50抗拉强度结构钢焊条焊条牌号焊条AWSE6010（相当于GBE4310）E-表示电焊条；60-表示抗拉强度≥60千磅/平方英寸（420MPa）；10-表示焊条药皮类型为高纤维素钠型。1ksi（kilopoundspersquareinch）≈6.895MPa在实际生产中，通常将焊条分为两大类---酸性焊条和碱性焊条（又称低氢型焊条），即按熔渣中酸性氧化物与碱性氧化物的比例分类。当熔渣中酸性氧化物的比例高时为酸性焊条，反之即为碱性焊条。从焊接工艺性能来比较，酸性焊条电弧柔软，飞溅小，熔渣流动性和覆盖性均好，因此，焊缝外表美观，焊波细密，成形平滑；碱性焊条的熔滴过渡是短路过渡，电弧不够稳定，熔渣的覆盖性差，焊缝形状凸起，且焊缝外观波纹粗糙，但在向上立焊时，容易操作。在选用焊条时应注意下列原则：（1）考虑焊件的机械性能、化学成分（2）考虑焊件的工作条件及使用性能（3）考虑简化工艺、提高生产率、降低成本焊条除根据上述原则选用外，有时为了保证焊件的质量还需通过试验来最后确定。又为了保障焊工的身体健康，在允许的情况下应尽量多采用酸性焊条。2.焊丝焊丝是焊接时作为填充金属或同时作为导电的金属丝，它是埋弧焊、气体保护焊、自保护、电渣焊和等各种工艺方法的焊接材料。随着焊接工艺方法的迅速发展，焊丝的生产增长很快。（1）按照适用的焊接方法可分为埋弧焊焊丝、CO2焊焊丝、钨极氩弧焊焊丝、熔化极氩弧焊焊丝、自保护焊焊丝及电渣焊焊丝等。（2）按照焊丝的形状结构可分为实心焊丝、药芯焊丝及活性焊丝等。（3）按照适用的金属材料可分为低碳钢、低合金钢用焊丝，硬质合金堆焊焊丝，以及铝、铜与铸铁焊丝等。3.焊剂埋弧焊时，能够熔化形成熔渣和气体，对熔化金属起保护并进行复杂的冶金反应的一种颗粒状物质叫焊剂。（1）焊接时覆盖焊接区，防止空气中氮、氧等有害气体侵入熔池，减慢冷却速度，改善结晶状况及气体逸出条件，从而减少气孔。（2）对焊缝金属渗合金，改善焊缝的化学成分和提高力学性能。渗合金元素主要为锰和硅，为此，焊剂中应含有足够数量的氧化锰和二氧化硅。（3）防止焊缝中产生气孔和裂纹。焊剂中有一定数量的萤石，它有去氢作用，防止焊缝中产生氢气孔。另外，焊剂中的萤石和氧化锰对熔池金属有去硫作用，可防止焊缝中产生裂纹。4.保护气体(1)CO2气体为了得到致密的焊缝，CO2作为保护气体，气体纯度应大于99.5%，也就是其中杂质的含量不应该超过0.5%，尤其是其中含水量影响最大，按质量计算不得超过0.05%，应符合标准HG/T2537-1993焊接用二氧化碳的要求。焊接用CO2气体以液态形式贮存于气瓶中供用户使用。GB7144-1999《气瓶颜色标记》中CO2气钢瓶外表涂银白色并写有黑色“CO2”字样。气瓶中CO2气体的数量只能用称重法测定，而不能用气瓶内的气压来测定。气瓶的压力与温度有关，当温度为0-20℃时，瓶中压力为40～60大气压（4.5～6.8MPa）以上。所以气瓶不得放在火炉、暖气等热源附近，也不得放在烈日下暴晒，以防止发生爆炸。(2)氩气氩气（Ar）是惰性气体，几乎不与金属发生化学反应，也不溶于金属中。Ar的原子量为39.944，比空气重1.4倍，而比热容和导热系数比空气小，所以氩气在焊接时对电弧和熔池具有良好的保护作用，并具有良好的稳弧性。五、焊接接头1.焊接接头基本形式用焊接方法连接的接头称为焊接接头，常用的基本接头形式有对接、搭接、角接和T形接头，如图6所示。选择接头形式时，主要根据产品的结构，并综合考虑受力条件、加工成本等因素。例如，对接接头具有受力均匀、节省金属等优点，故应用最多。但是，对接接头对下料尺寸和组装的要求比较严格。T型接头焊缝大多数情况下只承受较小剪切应力或仅作为联系焊缝。搭接接头对装配要求不高，也易于装配，但接头承载能力低，一般用在不重要的结构中。2.坡口坡口是根据设计或工艺需要，在工件的待焊部位加工成一定几何形状并经装配后构成的沟槽。加工方法：用机械、火焰或电弧开坡口的目的：保证焊缝根部焊透；获得良好的焊缝成形以及便于清渣；对于合金钢来说，坡口还能起到调节母材金属和填充金属比例的作用。间隙b坡口角度a钝边P图7接头坡口形式3.间隙和钝边（1）间隙焊前，在焊接接头根部之间预留的空隙叫根部间隙。作用：在于焊接打底焊道时，能保证根部可以焊透。（2）钝边焊件开坡口时，沿焊件厚度方向未开坡口的端面部分叫钝边。作用：防止焊缝根部焊穿。焊条电弧焊，当焊件的厚度大于6mm时，就需要开坡口焊接。坡口形式及其尺寸一般随板厚而变化，同时还与焊接方法、焊接位置、热输入量、坡口加工方法以及工件材质等有关。4.选择坡口时应遵循的原则（1）能够保证工件焊透（焊条弧焊熔深一般为2～4mm），且便于焊接操作。如在容器内部不便焊接的情况下，要采用单面坡口在容器的外面焊接。（2）坡口形状应容易加工。（3）尽可能提高焊接生产率和节省焊条。（4）尽可能减小焊后工件的变形。5.焊接位置熔焊时，焊件接缝所处的空间位置称为焊接位置。按焊缝空间位置的不同可分为平焊、立焊、横焊和仰焊等位置，见图8所示。此外，水平固定管的对接焊缝，包括了平焊、立焊和仰等焊接位置，类似这样的焊接位置施焊时，称为全位置焊接，如图10所示。在平焊位置施焊时，熔滴可借助重力落入熔池。熔池中气体、熔渣容易浮出表面。因此，平焊可以用较大电流焊接，生产率高，焊缝成形好，焊接质量容易保证，劳动条件较好。因此，一般应尽量在平焊位置施焊。当然，在其他位置施焊，也能保证焊接质量，但对焊工操作技术要求较高，劳动条件较差。图10水平固定管全位置焊接热影响区(HAZ):在焊接或切割过程中,材料因受热的影响(但未熔化)而发生组织与力学性能变化的区域叫做热影响区,英文缩写HAZ.热影响区位置:是在母材上和焊缝相邻部分.焊接接头示意图1-焊缝2-熔合区3-热影响区4-母材焊缝熔合区母材六、焊接变形和焊接应力焊接应力与变形产生的原因：焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。•当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无残余变形。•当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产生残余变形。焊件焊后的变形形式主要有：尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。焊接变形与应力的危害工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂