焊接基础知识培训讲义

一、焊接冶金和金属焊接性

1.焊接的物理本质

焊接技术，又称连接工程，是一种重要的材料加工工艺。一般而言，其定义为：被焊工件（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。

2.电弧的组成

电弧是指一种气体放电现象。电弧由阴极区、阳极区、弧柱区组成。根据工件材质的不同，在焊接时采用恰当的焊接电源，并连接线路，焊工进行施焊，进而产生电弧。一般阴极产生电子，其高速向阳极运动，通过粒子碰撞在阳极产生大量热量，一般就是为了熔化焊条、焊丝及母材；由于阳离子体积较大，速度很低，到达阴极的离子很少，所以阴极热量较少。所以在焊接过程当中，阳极区产热远远大于阴极区。同时在阳极与阴极之间，由于阴极有源源不断的电子予以补充，进而保证焊接过程的持续进行。

3.熔池、焊条、焊剂、焊丝

熔池的形成，熔化焊时，在热源的作用下焊条熔化的同时被焊金属也发生局部熔化。母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材所组成的具有一定几何形状的液体金属叫熔池。常用焊接材料：焊条、焊丝、焊剂。管道安装工程常用低合金钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、低温钢焊条等。

4.焊接方法

常用焊接方法有埋弧焊（SAW）、焊条电弧焊（SMAW）、惰性气体保护焊（GTAW）、活性气体保护焊（GMAW）。其中，埋弧焊主要用于压力容器纵环缝焊接，现已陆续应用于管道工程自动焊焊接；焊条电弧焊是一种常用的焊接方法，其对焊接作业人员技术要求较高，广泛用于容器及管道中纵环缝及角焊缝焊接。惰性气体保护焊常用于容器及管道纵环缝打底焊接，其焊接一次合格率较高，但是对焊工技术水平要求较高，生产率也较低。活性气体保护焊广泛用于容器非受压元件的角焊缝的焊接作业，其焊接速度较快，生产率较高，对作业人员的技术要求也较低；现已在管道工程当中应用，例如西气东输管线，但在石油装置当中应用较少，将是以后的行业发展方向。

5.金属焊接性

金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。也就是说，金属焊接性的概念有两方面的内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定使用条件下可靠运行的能力。这也说明，焊接性不仅包括工艺性能，而且包括使用性能。

从理论上分析，只要在熔化状态下能够相互形成溶液或共晶的任意两种金属或合金都可以经过熔焊形成接头。同种金属或合金当然是可以形成焊接接头的。许多异种金属或合金之间也是可以形成焊接接头的，只是有时是需要通过中间过渡层的。因此，可以认为上述几种情况都可以看作是“具有一定焊接性” 的。差别只在于有的工艺过程很简单，有的工艺过程很复杂；有的接头质量高、性能好，有的接头质量低、性能差。所以，金属焊接工艺过程简单而形成接头质量高、性能好时，就称作焊接性好；反之，就称作焊接性差。一般而言，钢材碳当量越高，冷裂倾向也越大，焊接性越差。

6常见焊接缺陷及预防措施

6.1管道工程焊缝余高要求

焊缝表面不得有低于母材的局部凹陷。当焊接接头中薄者厚度小于或等于6mm时，焊缝余高应不大于1.5mm；当焊接接头中薄者厚度大于6mm时，焊缝余高应不大于2.5mm。

6.2焊接缺陷产生原因及控制措施

常见的焊接缺陷有未熔合、夹渣、气孔、裂纹、未焊透及外观成型差等，现将以上缺陷的产生原因及预防措施分析如下。

a）未熔合产生的原因有：焊接电流过小；焊接速度过快；焊条角度不对；产生了磁偏吹现象；焊接处于下坡焊位置，母材未熔化时已被铁水覆盖；母材表面有污物或氧化物影响熔敷金属与母材间的熔化结合等。按其所在部位，未熔合分为坡口未熔合、层间未熔合、根部未熔合。在实际作业过程中，焊工应根据焊接工艺文件要求，控制焊接工艺参数，尤其是焊接电流、焊接速度；焊条摆动幅度应尽可能使熔池饱满，避免产生熔合不良；组对后由技术人员检查对口错变量；对管子壁厚不一致进行过渡处理(如下图所示)。

b）夹渣往往是焊前清理不彻底，焊接速度过快以及焊条摆动太快，焊渣未浮出熔池表面，滞留于焊缝当中，进而形成夹渣。在实际作业过程中，作业人员应根据焊接工艺文件要求，彻底清理工件表面油、锈及其他杂物，控制焊接工艺参数，尤其是焊接电流、焊接速度；焊条摆动幅度应尽可能使熔渣漂浮在焊缝表面，进而形成焊渣予以清除；多层多道焊接时，层间清理必须彻底；严格控制清根质量。

c）气孔往往也是焊前清理不彻底以及焊条未烘干，焊接速度过快，气体上浮速度小于焊缝凝固速度，进而气体滞留于焊缝当中，进而形成气孔。在实际作业当中，作业人员应该注意检查焊前清理，避免残留多余的油脂、锈蚀以及其他杂物，严格根据焊接工艺文件要求，控制焊接工艺参数，尤其是焊接电流、焊接速度。按规定对焊材进行烘干；配备焊条保温桶；采取防风措施；控制氩气纯度；焊接前进行预热；雨、雾天气禁止施焊。

d）裂纹通常是由于作业人员操作不当，焊接线能量过大，尤其是厚板焊接。由于厚板焊接时，焊缝具有较大的拘束应力，加之焊接线能量过大，熔池在凝固当中，没有足够的液体予以补充，在凝固以后形成裂纹。在实际焊接作业时，作业人员应严格根据工艺文件的要求，控制好焊接线能量，尤其是厚板焊接，应尽可能采取多层多道焊，进而有效控制焊缝的热输入量，减少焊接残余应力，进而控制裂纹的发生倾向。必要时可以通过焊后脱氢处理（焊后加热350℃，保温1～2小时，可将绝大部分扩散氢去除），减少焊缝金属的氢含量，进而降低焊缝当中产生冷裂纹的倾向。在生产上，对于易产生冷裂纹的焊件常要求进行脱氢处理。控制焊材发放，进行光谱分析，防止错用；进行焊前预热；采取焊后缓冷或热处理。

e）未焊透：焊缝冷却速度过快及坡口间隙较小等原因，导致焊缝局部尚未熔合，焊缝已凝固，进而形成未焊透。检查坡口角度及加工质量；控制组对间隙；使用较大电流来焊接是防止未焊透的基本方法；采用短弧焊也可有效防止未焊透的产生。

f)外观成型差：焊接电流过大、焊接电压过高等原因，导致焊缝表面出现焊瘤、鱼鳞纹间搭接较少等表面缺陷，导致焊缝表面成型较差。检查坡口角度、组对间隙；检查对口错变量，对管子壁厚、外径不一致的进行过渡处理；控制焊接层数。

二、焊接设备

常用焊接设备有埋弧自动焊机、手工电弧焊机、惰性气体保护焊机、CO2气体保护焊机。其中，埋弧自动焊机的功能是提供电能、焊丝、焊剂，实现要求的工艺过程（包括引弧、焊接、熄弧停止），机械化、自动化地焊接出优质的焊缝。并尽量提高生产率，改善卫生条件。一般埋弧自动焊机有以下部分组成，焊接电源、送丝机构、焊剂输送与回收装置、控制箱及控制盘、焊机行走机构。埋弧自动焊机分为两种类型，即等速送丝式和变速送丝式埋弧焊机。前者用于细焊丝或高电流密度的焊接；后者用于粗焊丝或低电流密度的焊接。焊条电弧焊焊机就是一个弧焊整流器，其对焊接作业人员技术要求较高，不仅要求焊条需和工件保持一定的角度，而且严格控制电流与电压，其中电流是通过焊机自行调节，而电压是通过弧长反映的，所以需通过焊工手工实现。惰性气体保护焊机主要由焊接电源、控制系统，其中控制系统主要有引弧装置、稳弧装置、消除直流分量措施以及水电气路控制。焊接电源具有陡降或垂直下降的外特性，即是通过等流调节来实现其对焊接过程的控制的。CO2气体保护焊机是由气源、电源、焊丝输送机构、焊枪、焊接程序控制系统及焊机行走机构。

三、焊接接头型式、焊接符号及基本方法

1.接头形式

常用焊接接头型式有对接接头、搭接接头、角接头、T型接头三种。其中，对接接头一般用于筒体纵环缝以及接管与接管、接管与法兰的对接焊缝。角接头常见于接管与筒体、垫板与筒体的焊接接头。T型接头常用于筋板焊接及其他焊接结构当中，为了保持一定的加工精度，对作业人员技术要求较高。

2.焊接符号及基本方法

常用焊接符号根据坡口型式的不同，相应很多不同的结构形式，这些符号在标准中都有明确的表示。其大多依据坡口形式而定，一是为了节约焊接材料，二是便于作业人员进行实际操作，即具有良好的可达性。

四、焊接安全与质量管理

1.焊接作业过程中的安全

1.1焊工作业的危险因素及有害因素

在压力容器及管道制造、安装生产中，焊接作业人员经常与易燃、易爆物质、机械、电器接触。同时在以下作业环境当中，如高空作业、容器罐内部、狭小空间等。所以，就有可能发生火灾、爆炸、触电、灼伤、急性中毒、高空坠落和物体打击等的可能性。此外，还有物理有害因素和化学有害因素。在焊接环境当中，可能存在的物理有害因素是：弧光、高频电磁波、热辐射、噪声和射线等；可能存在的化学因素有：焊接烟尘和有害气体。

在压力容器及管道焊接结构当中，熔化焊方法应用最为广泛，所以接触焊接烟尘的人员较多，是影响且最大的有害因素之一。所以有害因素，在空气当中滞留时间过长，会直接影响作业人员健康。

1.2焊接设备安全技术

设备安装，焊接电源配电系统开关、熔断器是否合格、安全可靠；导线绝缘是否良好；为了确保安全，防止发生触电事件，所有电焊机外壳都必须接地；电焊机勿超载运行；接地安全可靠；电焊机保养良好；焊钳接线可靠、无裸露导体；电缆勿超载运行；严禁用金属结构、轨道等搭接代替电缆。

1.3焊工安全操作技术

首先，安全用电是作业人员必须掌握和牢记的。在有关资料当中指出：通过人体电流，超过0.05A时，就有生命危险；0.1A的电流通过人体只要1s，就会发生触电死亡事故。因此，作业人员必须提高警惕，防止触电事故的发生。因此，在施焊以前，首先检查焊接设备、工具是否安全可靠，绝缘有无破损、接地是否良好，一切正常方可使用；同时，在焊接以前，还应做好绝缘工作，如戴皮手套、穿绝缘鞋，以保证身体与焊件或潮湿地面绝缘；更换焊条时，要求焊工手套保持干燥并绝缘可靠，特别是身体出汗或衣服潮湿时，不得靠在焊件上以免触电；作业空间狭小，如容器内部，须两人轮换，以便相互照顾；当使用手提灯作业时，所用电压不得超过36V；在潮湿或容器内部使用，电压不得超过12V。设备故障，立即切断电源，并通知电工维修；遇人触电，立即切断电源。

其次，防火防爆措施，作业现场，必须有防火设施和器材。电器设备着火，应立即断电，采用干粉灭火器灭火。禁止在易燃、易爆（如油漆）物品房间内或其附近进行焊接作业，如果在其附近，必须保持安全距离在5m以外。严禁焊接有可燃性液体、可燃性气体及具有高压的容器及带电设备；对于存有残余油脂、可燃性液体、可燃性气体的容器，应先用蒸汽吹洗，确定吹干后再施焊；对于密闭容器，严禁进行焊接。周围空气中含有可燃性气体和粉尘的压力容器，禁止施焊。

再者，罐内及密闭环境焊接安全措施。在石油化工行业生产设备当中，如锅炉、压力容器、压力管道，其介质大部分含有毒、易燃、易爆及腐蚀性物质，进入这些设备作业，由于内部空间狭小，空气流动不好，可能积聚大量毒气、有害气体，如果冒险进去动火作业，，不仅容易发生火灾、爆炸事故，还容易发生中毒或窒息事故，因此，施焊以前，必须做好准备工作。设备隔离，保证设备不带电；清洗和置换，采用蒸汽或不燃性气体吹扫；取样分析；通风，应打开人孔、手孔等有利通风通道；设专人监护，其应有生产经验，熟悉工艺条件，且有安全意识。现场清理，现场无易燃、易爆物品，方可施焊。

1.3焊工安全操作技术

改善劳动条件，车间注意通风、除尘、排尘；在焊接材料方面，尽量采用低尘低毒焊条或焊剂；工艺方面，可采用自动化程度较高的焊接方法，如埋弧焊；尽量采用选用小线能量，减少有毒气体的蒸发量。个人防护以及弧光防护，根据劳动部门要求，使用劳保用品，穿着符合要求的工作服装、鞋、手套等，以防电弧辐射和飞溅烧伤，焊工应配戴面罩，采用埋弧焊时，须在焊丝端部设防护罩，以免刺伤眼睛。热防护，通风、隔热、改变工艺；高频电磁波防护，接地良好，正确选用高频频率，减少高频作业时间；烟尘及有毒气体防护，通风；佩戴静电口罩、滤化布口罩；容器内，应设局部通风排尘设施，减少有毒及合金元素的蒸发；射线防护，氩弧焊及等离子弧焊，避免采用放射性电极材料。噪声防护，等离子弧焊、碳弧气爆噪声较大，可采取隔离声源。

2.焊接作业过程质量管理

勿使用未经烘烤的焊条及烘干超过两次的焊条，进行受压元件的焊接；严格按照焊接工艺文件的要求进行焊接作业；加强过程检验监控，例如错变等关键点；焊工养成良好的习惯，提高自身作业技术水平；焊工培训，了解管道焊接的技术要求，提高自身对管道焊接的认识；分析焊接缺陷产生的原因，了解解决方法，提高认识，提高焊缝一次通过率；加强焊工自检、互检、他检等检验措施，并提供适当的奖惩措施。