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焊接基础知识培训
金属材料知识介绍
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5.2坡口形式的选择………………………………………………………………………………………………...13
1.焊接的基本知识
1.1焊接方法分类
定义：
利用原子间的扩散与结合，使分离的金属材料牢固地连接起来，成为一个整体的过程。
电子束焊
电渣焊
基本焊接方法
熔化焊
压力焊
钎焊
激光焊
气焊
电弧焊
手工电弧焊
埋弧焊
气体保护焊
等离子弧焊
原子之间的扩散与结合，通常采用加热、加压或两者并用。
可以用填充材料（或不用），将金属加热到熔化状态。
焊接方法分类：
1）熔焊:
将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。
2）压焊:
焊接过程中，必须对焊件施加压力（加压或加热），以完成焊接的方法称为压焊。
3）钎焊:
钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。
采用比母材金属熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材溶化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。
1.2.焊接电弧
由焊接电源供给、具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久放电现象称为焊接电弧。
电弧燃烧后，弧柱中充满了高温电离气体，放出大量的热能和强烈的光。
焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成。
如图1-1所示。
阴极区是电弧紧靠负电极的区域，阴极区很窄，约为0.1um-0.01um，温度约为2400K。
阳极区是指电弧紧靠正电极的区域，阳极区较阴极区宽，约为10um-1um，温度约为2600K。
电弧阳极区和阴极区之间的部分称为弧柱，弧柱区温度最高，可达6000K-8000K。
焊接电弧两端间（指电极端头和熔池表面间）的最短距离称为弧长。
1.3.焊条的组成和作用
定义：
焊条是涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。
焊芯在焊接过程中既是导电的电极，同时本身又溶化作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝金属；
药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，主要作用是在焊接过程中造气，起保护作用，防止空气进入焊缝；同时具有冶金作用，如脱氧、脱硫、脱磷和渗合金等；并具有稳弧、脱渣等作用，以保证焊条具有良好的工艺性能，形成美观的焊缝。
1.4.焊条的分类
（1）焊条按熔渣的化学性质分为两大类
1）酸性焊条：
溶渣呈酸性，药皮中含大量SiO2、TiO2、MnO等氧化物。
由于焊缝金属中氧和氢含量较多，因而塑性、韧性较低，酸性焊条一般可以交直流两用。
2）碱性焊条：
熔渣呈碱性，药皮的主要成分为CaCo3和CaF2，并有较多的铁合金作为脱氧剂和渗合金剂，因此药皮具有足够的脱氧能力。
用碱性焊条焊接时，由于焊缝中氧和氢含量较少，非金属夹杂物也较少，故具有较高的塑性和冲击韧性。
一般焊接重要结构或刚性较大的结构，以及可焊性较差的钢材均采用碱性焊条
（2）焊条按用途可分为十一大类碳钢焊条、低合金钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。
（3）焊条型号
由国家标准分别规定各类焊条的型号编制方法。
如标准规定碳钢焊条型号为"E××××"，其中，字母"E"表示焊条；前二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊接位置，"0"及"1"表示焊条适用于全位置（平焊、立焊、横焊、仰焊）焊接，"2"为平焊及平角焊，"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。
举例：
如：
E4315——表示焊条；熔敷金属抗拉强度大于43kgf/mm2（420MPa）;焊条适用于全位置焊接；该焊条药皮类型为低氢钠型，采用直流反接电源。
2.几种常用的焊接方法
电弧焊：
在电极和焊体之间造成电弧，利用电弧所产生的热量将被焊金属和焊条金属熔化，并形成一种永久接头的过程，称为电弧焊。
（1）手工电弧焊
电弧焊:
利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。
焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。
焊条电弧焊具有设备简单，操作灵活，成本低等优点，且焊接性好，对焊接接头的装配尺寸无特殊要求，可在各种条件下进行各种位置的焊接，是生产中应用最广的焊接方法。
但焊条电弧焊时有强烈弧光和烟尘污染，劳动条件差，生产率低，对工人技术水平要求较高，焊接质量不够稳定。
因此，主要应用于单件小批量生产中焊接碳素钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢和对铸铁的补焊等。
适宜板厚为3mm-20mm。
（2）埋弧自动焊
定义：
电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法称为埋弧焊。
特点：
1）生产率高；
2）焊接质量高、稳定；
3）节约金属材料；
4）改善劳动条件
应用：
常用来焊接厚度为6mm-60mm的长直焊缝和较大直径（一般不小于250mm）的环形焊缝。
（3）气体保护电弧焊
用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。
Ø氩弧焊
定义：
氩弧焊是使用氩气作为保护气体的气体保护焊。
特点：
1）焊件不易氧化；
2）便于操作，容易实现全位置自动化；
3）焊接热影响区小，焊件不易变形；
4）焊缝致密，成形美观；
5）焊接成本高。
应用：
主要用于焊接易氧化的有色金属和合金钢，如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。
为了防止保护气流破环，氩弧焊只能在室内进行。
Ø二氧化碳气体保护焊
定义：
利用CO2作为保护气体的气体保护焊，简称CO2焊。
特点：
1）电流密度大，生产效率高；
2）焊接热影响区小，焊件不易变形；
3）焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好；
4）焊接成本低。
应用：
适合于各种位置的焊接，目前，CO2焊已在全国广泛普及，大有在短时间内取代焊条电弧焊的发展势头。
3.金属材料的焊接性能
3.1.焊接性能
金属材料的焊接性能，又称为可焊性。
是指金属材料在一定的工艺条件下通过焊接形成优质接头的性能。
金属的可焊性通常分为工艺可焊性和使用可焊性两大类：
1）工艺可焊性，主要指在一定的焊接条件下，焊接接头中出现各种裂纹及其它缺陷的可能性。
2）使用可焊性，主要指在一定的焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的可靠性。
包括焊接接头的机械性能（如强度、塑性、韧性、硬度以及抗裂纹扩展的能力等）和其它特殊性能（如耐热、耐腐蚀、耐低温、抗疲劳等）。
钢的可焊性主要决定于它的化学成分。
含碳量越高，可焊性就越差，含碳量小于0.3%的碳钢、含碳量小于0.2%的普通低合金钢一般都具有良好的可焊性。
3.2.影响焊接接头性能的主要因素
影响焊缝金属的主要因素为焊缝金属的化学成份和固态时的冷却条件。
焊缝金属的化学成份对机械性能的影响；
碳----能提高焊缝金属的强度，但也是焊缝金属热裂纹的敏感元素。
锅炉压力容器用钢含碳量应低于0.25%
锰----能提高焊缝金属的强度，改善冲击韧性。
当含锰量低于2%时可以细化晶粒，降低脆性转变温度，并有脱硫，降低对热裂纹的敏感型等作用。
硅----能提高焊缝金属的强度，含量不超过0.25～0.5%时，对冲击韧性影响不大。
它也是良好的脱氧剂。
硫----为杂质，能使焊接性能变坏，使产生热裂纹的敏感元素。
磷----为杂质，含量高会使钢的塑性、韧性下降，并导致焊缝及热影响区产生冷裂纹。
3.3不同钢材的焊接性能分析
低碳钢
低碳钢的焊接性能良好，不需要采用特殊的工艺措施就可以获得优质接头，只有在母材成份不合格（碳量偏高，硫、磷含量过高等）或施工环境恶劣，焊件刚性过大等，才有可能出现焊接裂纹。
低合金钢
普通低合金钢是在低碳钢的基础上，通过添加少量金属元素（一般总量在5%以内）以提高其强度或改变其使用性能。
奥氏体不锈钢
不锈钢具有优良的化学稳定性和一定的抗腐蚀性能。
合金中铬是提高抗腐蚀性能的主要元素，但钢中含铬量大于13%时才具有抗腐蚀性。
奥氏体不锈钢的韧性、塑性都较好，焊前不需预热，焊后不需热处理，可焊性良好。
但若焊接工艺不合理或焊接材料选用不当时，会降低抗晶间腐蚀能力及产生热裂纹。
3.4焊接接头的缺陷及防止措施
缺陷的分类
焊接接头缺陷的类型很多，按在接头中的位置可分为外部缺陷和内部缺陷两大类。
1.外部缺陷:
位于接头的表面，用肉眼或低倍放大镜就可看到，如咬边、焊瘤、弧坑、表面气孔和裂纹等。
2.内部缺陷:
位于接头内部，必须通过各种无损检测方法或破坏性试验才能发现。
内部缺陷有未焊透、未熔合、夹渣、气孔、裂纹等。
缺陷产生的原因及防止措施
1.未焊透
焊接时接头根部未完全熔透的现象叫未焊透。
未焊透缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后往往会引起裂纹，是一种危险性缺陷。
产生的原因：
坡口钝边间隙太小，焊接电流太小或焊条速度过快，坡口角度小，焊条角度不对及电弧偏吹等。
防止措施：
合理选用坡口形式、装配间隙和采用正确的焊接工艺等。
2.未熔合
熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分，点焊时母材与母材之间未完全熔化结合的部分。
产生原因：
坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。
防止措施：
正确选用坡口和电流，坡口清理干净，正确操作防止焊偏等。
3.夹渣、夹杂物
夹渣：
是指焊后残留在焊缝中的溶渣。
夹杂物：
是指由于焊接冶金反应产生的、焊后残留在焊缝金属中的非金属杂质（如氧化物、硫化物等）。
以上缺陷是焊缝常见缺陷，其形状有条状和点状，外型不规则。
产生的原因：
焊接电流过小，速度过快，熔渣来不及浮起，被焊边缘和各层焊缝清理不干净，基本金属和焊接材料化学成分不当，含硫、磷量较多等。
防止措施：
正确选用焊接电流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必须把坡口清理干净。
多层焊时必须层层清除焊渣；并合理选择焊条角度和焊接速度等。
4.气孔
在焊接过程中，由于焊缝内部存在的或外界侵入的气体，在熔池金属凝固之前来不及逃逸出，而残留在焊缝金属内所形成的空穴。
按其分布，可分为单个气孔、密集气孔和链状气孔。
产生原因：
焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀，焊丝清理不干净，手工焊时电流过大，电弧过长；埋弧焊时电压过高或网路电压波动太大；气体保护焊时保护气体纯度低等，均易产生气孔。
气孔对危害：
焊缝中存在气孔，即破坏了金属的致密性，又使焊缝有效截面积减少，降低了机械性能，特别是存在链状气孔时，对弯曲和冲击韧性会有比较明显的降低。
防止措施：
不使用药皮开裂、剥落、变质及焊芯锈蚀的焊条，生锈的焊条必须除锈后才能使用。
所用焊接材料应按规定温度烘干，坡口及两侧应清理干净，并要选用合适的焊接电流、电弧电压和焊接速度。
5.咬边
由于焊接工艺参数选择不正确，或操作工艺不正确，在沿着焊趾的母材部位烧熔形成的沟槽或凹陷，称为咬边。
产生的原因：
主要是电弧热量太高，既焊接电流太大，以及运条速度不当所造成。
在角焊时，经常由于焊条角度或电弧长度不适当而造成。
埋弧焊时，往往是由于焊接速度过高而产生的。
防止措施：
选择正确的焊接电流和焊接速度，电弧不能拉得太长，保持运条均匀。
在角焊时，焊条要采用合适的角度和保持电弧长度。
埋弧焊时，应正确地选择焊接工艺参数。
6.烧穿
焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷，称为烧穿。
产生原因：
焊接电流过大，焊接速度太慢，装配间隙过大或钝边太薄等。
防止措施：
选择合适的焊接电流和焊接速度，严格控制装配间隙，单面焊可采用铜垫板，焊剂垫或自熔垫，使用脉冲电流等。
4.焊接结构设计
4.1焊接结构材料的选择
在满足结构使用要求的条件下，尽量选择焊接性能较好的材料。
一般碳的质量分数小于0.25％的碳素钢和碳的质量分数小0.20％的低合金都具有良好的焊接性，应尽量采用；碳的质量分数大于0.50％的碳素钢和碳的质量分数大于0.40％的合金钢焊接性不好，应尽量避免采用。
同一构件焊接时应尽量选用同种金属材料。
4.2焊接结构的工艺性
1）焊接结构应尽量选用型材或冲压件
设计焊接结构时应尽量采用工字钢、槽钢、角钢和钢管等成形材料以减少焊缝、简化工艺。
2）合理布置焊缝
✧焊缝布置应尽量分散，且不宜过长。
焊缝之间的距离应大于板厚的3倍，且不小于100mm，如图4.2.1
图4.2.1
✧焊缝的位置应尽量对称布置，否则会由于焊缝不在中心引起弯曲变形，见图4.2.2
图4.2.2
✧焊缝的布置不得交叉，见图4.2.3
图4.2.3
✧应尽量减少构件或焊接接头部件的应力集中，避免尖角焊缝，见图4.2.4
图4.2.4
✧焊缝应避开最大应力和应力集中的部件，见图4.2.5
图4.2.5
5.焊接接头的形式和坡口
5.1接头形式
焊接接头的基本形式有四种：
对接接头、搭接接头、T形接头和角接接头，接头形式如下图。
这四种接头形式中，对接接头节省材料，容易保证质量，应力分布均匀，应用最为广泛，但焊前准备及装配质量要求较高；搭接接头两焊件不在同一平面上，浪费金属且受力时将产生附加应力，适于薄板焊件焊件；角接接头在构成直角连接时采用，一般只起连接作用而不承受工作载荷；T形接头是结构非直线连接中应用最广泛的连接形式。
在结构焊接时具体采用哪种形式焊接接头，主要根据焊件结构形状、使用要求、焊件厚度进行选择；另外还应考虑坡口加工难易程度，焊接方法的种类等其它因素的要求。
a）对接接头b）角接接头
c）搭接接头d）T形接头
5.2坡口形式的选择
根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽称为坡口。
各种沟槽的形式参见GB／T3375－94。
用焊条电弧焊焊接板厚在6mm以下的对接焊缝时，一般可用I型坡口直接焊接，但当焊接厚度大于3mm的构件时，需开坡口；板厚在6mm－26mm时，常开单面坡口；板厚在12mm－60mm时，常开双面坡口。
单面坡口的可焊性较好，但焊条消耗量大，且焊后易产生角变形；双面坡口受热均匀，变形较小，焊条消耗量也小，但必须两面施焊，有时受构件结构限制，不易实施。
埋弧焊的接头形式与焊条电弧焊基本相同，但由于埋弧焊选用的电流大、熔深大，所以在板厚小于12mm时可直接采用I形坡口单面施焊，板厚小于24mm时可直接采用I形坡口双面施焊，焊更厚构件时需开坡口。
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