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起重机械检验员（QZ-1）培训教材——基础知识·50·第3章焊接技术3.1焊接基础知识3.1.1焊接的定义与分类将两块分离的金属其接头部分局部加热到熔化或半熔化状态，采取施加压力或不加压，或填充其他金属，利用原子间的扩散与结合等方法使它们连接成整体的过程称为焊接。在焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力而完成焊接的方法称为熔化焊，也称熔焊，常用的熔化焊方法有电弧焊、气焊、电渣焊等。采用比母材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、低于母材熔点的温度，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称为钎焊。而在焊接时利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊接部位的温度升高，通过调节温度，压力和时间，使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合，该方法称为压力焊。压力焊是典型的固相焊接方法，这类焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊等；二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压力焊的方法有冷压焊、爆炸焊等。如此按焊接方式的不同可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类：熔化焊焊接具有强度高、紧密性好、工艺简单、操作方便、重量轻和劳动强度低等优点，其中的电弧焊广泛用于起重机金属结构的制造。因此本节重点对此进行介绍。3.1.2常用焊接方法3.1.2.1手工电弧焊（焊条电弧焊）1.手工电弧焊特点第3章焊接技术·51·图3.1焊条电弧焊过程示意图手工电弧焊是利用焊条与焊件之间的电弧热，将焊条及部分焊件熔化而形成焊缝的焊接方法。焊接过程中焊条药皮熔化分解生成气体和熔渣，在气体和熔渣的共同保护下，有效地排除了周围空气对熔化金属的有害影响。通过高温下熔化金属与熔渣间的冶金反应，还原并净化焊缝金属，从而得到优质的焊缝（如图3.1）。手工电弧焊设备简单，便于操作，适用于室内外各种位置的焊接，可以焊接碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈钢等各种材料，在设备制造中应用十分广泛，比如钢板对接，钢结构腹板与翼板的连接及各种结构件的连接，都可以采用手工电弧焊。手工电弧焊的缺点是生产效率低，劳动强度大，对焊工的技术水平及操作要求较高。2.手工电弧焊设备常用的手工电弧焊电源有交流电焊机、旋转式直流电焊机和硅整流式直流电焊机三种。交流电焊机是手工电弧焊中应用最广泛的设备。交流电焊机实际上是一个特制的降压变压器，可将初级电压380V或220V降到焊接空载电压60～80V，其内部加有一个比较大的感抗线圈，以保证电弧稳定燃烧，并能在一定范围内调节焊接电流的大小。交流电焊机具有结构简单，成本低，效率高，节省电能和使用维护方便等特点。旋转式直流电焊机由一个发电机和一个拖动它的电动机机组组成，由交流网路供电使电动机旋转，带动发电机电枢旋转发出直流电供焊接之用。焊接电流可在较大范围内均匀调节以满足焊接工艺的要求，电弧燃烧稳定。硅整流式直流电焊机也称手弧焊整流器，是一种将工频交流电整流变为直流电的手工电弧焊设备。与旋转式直流电焊机比较，它具有噪声小，效率高，用料少，成本低等优点。这种设备多采用硅整流元件，因而通常称之为硅整流电焊机。近年，这种电焊机正逐步代替了旋转式直流电焊机。直流电焊机的特点是直流电弧燃烧很稳定，所以用小电流焊接时常常选用，在焊接合金钢、不锈钢时，也常选用直流电源。直流电源又分正接、反接两种接法。正接是指工件接正极、焊条接负极：否则，就是反接。在焊接锅炉压力容器受压部件等重要结构时，常选用低氢型焊条以保证质量，这种焊条一般都要求用直流反接电源。3.手工电弧焊焊条涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极称为焊条。它由焊芯和药皮两部分组成。（1）焊芯焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。焊芯的作用为：①作为电极产生电弧；②焊芯在电弧的作用下熔化后，作为填充金属与熔化了的母材混合形成焊缝。焊芯分类及牌号：a．焊芯分类根据GB／Tl4959．94《熔化焊用钢丝》标准规定，专用于制造焊芯和焊丝的钢材可分为：碳素结构钢和合金结构钢两类。起重机械检验员（QZ-1）培训教材——基础知识·52·b．焊芯牌号编制焊芯牌号一律用汉语接音字母H作字首，其后紧跟钢号，表示方法与优质碳素结构钢、合金结构钢相同。若钢号末尾注有字母A，则为高级优质焊丝，硫、磷含量较低，其质量分数≤0．030％。若末尾注有字母E或C为特级焊条钢，硫、磷含量更低，E级硫、磷质量分数≤O．020％，C级硫、磷质量分数≤0．015％。（2）药皮涂敷在焊芯表面的有效成分称为药皮。药皮的作用为：①稳弧作用－焊条药皮中含有稳弧物质，可保证电弧容易引燃和燃烧稳定；②保护作用－焊条药皮熔化后产生大量的气体笼罩着电弧区和熔池，基本上能把熔化金属与空气隔绝开，保护熔融金属，熔渣冷却后，在高温焊缝表面上形成渣壳，可防止焊缝表面金属不被氧化并减缓焊缝的冷却速度，改善焊缝成形；③冶金作用－药皮中加有脱氧剂和合金剂，通过熔渣与熔化金属的化学反应，可减少氧、硫等有害物质对焊缝金属的危害，又由于电弧的高温影响，焊缝金属中所含的某些合金元素被烧损(氧化或氮化)，这样会使焊缝的力学性能降低。通过在焊条药皮中加入铁合金或纯合金元素，使之随药皮的熔化而过渡到焊缝金属中去，以弥补合金元素烧损，使焊缝金属获得符合要求的力学性能；④改善焊接的工艺性能－通过调整药皮成分，可改变药皮的熔点和凝固温度，使焊条末端形成套筒，产生定向气流，有利于熔滴过渡，可适应各种焊接位置的需要；⑤焊条药皮组成物按其作用不同可分为：稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、稀渣剂、粘结剂和增塑剂八类。（3）焊条的种类焊条根据用途可分为：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铬和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、堆焊焊条、铝及铝合金焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铸铁焊条和特殊用途焊条等。如按焊条药皮熔化后所形成熔渣的酸碱性不同又可分为：碱性焊条(熔渣碱度1.5)和酸性焊条(熔渣碱度1.5)两大类。酸性焊条药皮中主要含有TiO2、MnO2、SiO2等酸性氧化物及少量有机物，氧化性较强，施焊时药皮中合金元素烧损较大，焊缝金属的氧氮含量较高，故焊缝金属的冲击韧性较低。酸性渣难于脱硫脱磷，因而焊条的抗裂性较差。但焊条工艺性能良好，成形美观，特别是对锈、油、水分等成分的敏感度不大，抗气孔能力强，所以被广泛地用于一般结构的焊接。碱性焊条药皮中主要含有CaC02、CaF2、CaSiO3、MgCO3等碱性氧化物，并含有较多的铁合金，如锰铁、钼铁、钒铁、硅铁等作为脱氧剂和渗合金剂，使焊条有足够的脱氧能力。碱性渣流动性好，在冷却过程中渣的粘度增加很快。碱性焊条的最大特点是焊缝金属中含氢量低，所以也叫“低氢焊条”。碱性焊条药皮中的某些成分能有效地脱硫脱磷，故其抗裂性能良好，有利于提高焊缝金属的力学性能，特别是冲击韧性较高。碱性焊条多用于焊接重要结构。碱性焊条的缺点是对锈、油、水分较敏感，容易在焊缝中产生气孔缺陷；电弧稳定性差,一般只用于直流电源施焊，在深坡口中施焊时，脱渣性不好；发尘量较大，焊接中需要加强通风。（4）手工电弧焊焊接规范焊接规范是影响焊接质量和焊接生产率的各个焊接工艺参数的总称。手工电弧焊时，焊接规范主要包括焊接电流、电弧电压、焊条种类和直径、焊机种类和极性、焊接速度、焊接层数等。第3章焊接技术·53·①焊接电流－焊接电流是影响焊接质量和生产率的主要因素之一。增大电流，可增大焊缝熔深，提高生产率，但电流过大，会使焊条芯过热，药皮脱落，又会造成咬边、烧穿、焊瘤等缺陷，同时金属组织也会因过热而发生变化；若电流过小，则容易造成未焊透、夹渣等缺陷。②电弧电压－电弧电压主要影响焊缝熔化宽度，电压越高，熔化宽度越大。而电弧电压是由电弧长度决定的，电弧长则电弧电压高，电弧短则电弧电压低。手工电弧焊时电弧不宜过长，因而电弧电压不高，变化范围也不大，一般为20～25V。③焊条直径－焊条直径主要根据被焊工件的厚度来选择，工件越薄，所用焊条越细；工件越厚，所用焊条越粗。直径3～5mm的焊条用得最广。当工件厚度大于12mm时，焊条直径可取4～6mm。平焊时，可选用较粗的焊条以提高生产率。但对多层焊的第一层焊道，应使用不超过3.2mm的焊条，以保证根部焊透。以后各层可根据工件厚度而选用较粗的焊条。④焊接速度－焊接速度指焊条沿焊接方向移动的速度。手工电弧焊的焊接速度一般不作特殊的规定，而由焊工根据焊缝尺寸和焊条特性自行掌握。通常，焊接速度不超过10m／h，工件愈薄，焊接速度应愈大。⑤焊接层数－在中厚钢板焊接时，应采用多层焊。对同一厚度的钢材，其它条件不变时，焊接层数增加，有利于提高焊接接头的塑性及韧性。焊接层数可根据实践经验决定，一般取钢材厚度与焊条直径比的整倍数。(5)手工电弧焊的焊接位置手工电弧焊可以在不同的位置进行操作。熔焊时，焊接接头所处的空间位置称为焊接位置,GB／T3375—94《焊接术语》中用倾角和转角两个参数来划分不同的焊接位置。其中平、立、横、仰是四种基本焊接位置，图3.2为对接焊缝和角焊四种基本焊接位置的示意图。共列出了七种焊接位置，在这七种位置所进行的焊接分别：平焊、立焊、横焊、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一横焊位置PD一仰角焊位置PE一仰焊位置PF一立焊位置PG一立角焊位置图3.2常用焊接位置对于不同的焊接位置，由于需要采用不同的焊接方法、焊接规范以及不同的操作手法，从而焊缝外观形态及内部缺陷的发生也各有不同。3.1.2.2埋弧自动焊1．埋弧自动焊的特点起重机械检验员（QZ-1）培训教材——基础知识·54·焊接过程中，主要的焊接操作如引燃及熄灭电弧、焊条(焊丝)送进及移动，或工件等都由机械自动完成时称为自动电弧焊。而电弧被掩埋在焊剂层下面燃烧并实施焊接的，叫做埋弧自动焊或称熔剂层下自动焊，通常简称埋弧焊,如图3.3所示。图3.3埋弧焊的焊接过程示意图埋弧自动焊的焊丝即作为电极起到引燃电弧的作用又在电弧加热下熔化而填充焊缝。焊接时，颗粒状焊剂复盖着部分焊丝和焊接熔池，电弧基本上是在密封的空间里燃烧，熔化的焊剂膜可靠地保护着电弧和熔池，避免受到大气的作用，并防止了飞溅。与手工电弧焊相比，埋弧自动焊有下列优点：（1）埋弧自动焊能采用大的焊接电流，电弧热量集中，熔深大，焊丝可连续送进，因此其生产率比手工电弧焊高5～l0倍。（2）埋弧自动焊施焊中看不到弧光，焊接烟雾也很少，又是机械自动操作，因而劳动条件得到了很大改善。（3）埋弧自动焊热量集中，焊接金属飞溅损失小，没有废弃的焊条头，工件厚度薄时,还可以不开坡口，从而可以节省焊材和电能。（4）由于焊剂和熔渣严密包围着焊接区，避免了空气的侵入。而较高的焊速减小了热影响区的尺寸，焊剂和熔渣的复盖减慢了焊缝的冷却速度，这些因素都有利于使焊接接头获得良好的组织与性能。同时，自动操作使焊接规范参数稳定，焊缝成分均匀，外型光滑美观，因而焊接质量良好、稳定。埋弧自动焊的缺点：设备比较复杂昂贵、焊接位置受到限制，一般只能在平焊位置焊接、又由于电弧不可见，因而对接头加工与装配要求严格。埋弧自动焊常用于焊接长的直线焊缝及大直径圆筒构件的环焊缝。2．埋弧自动焊的焊丝与焊剂埋弧自动焊的焊接材料是焊丝与焊剂。焊丝是裸体金属丝，与手工电弧焊的焊芯相似，在焊接中不断熔化并填充于焊缝之中。焊剂的作用则与手工电弧焊焊条的药皮类似。（1）焊丝埋弧自动焊常用焊丝直径为l．6～5mm，通常拉制成型并成捆包装。在保管中应防止生锈，在使用前应清除锈蚀和油污，并防止错用焊丝。选用焊丝的主要原则是：对于碳素钢和普通低合金钢，应保证焊缝的力学性能；对于铬钼钢和不锈耐酸钢等合金钢，应尽可能保证焊缝的化学成分与焊件相似；异种钢焊接时，则可按强度等级较低的钢材选用抗裂性能较好的焊丝。（2）焊剂是焊接过程中保证焊接质量的重要材料，其作用有以下几点：第3章焊接技术·55·①焊剂在电弧加热下熔化后生成的熔渣，可以防止空气中的氧、氮等气体侵入熔