常用焊接材料及设备

1.焊接材料

(1)手工电弧焊焊接材料。

1)焊条的组成。焊条是涂有药皮的供电弧焊使用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。焊条的直径通常为3.2、4、5或6mm等几种规格，常用的是3.2、4和5mm三种，其长度一般在250～450mm之间。

①焊芯。焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接时，焊芯本身熔化为填充金属与母材金属熔合形成焊缝。

②药皮。压涂在焊芯表面的涂层称为药皮。药皮是由各种矿物类、铁合金有机物和化工产品(水玻璃类)原料组成。药皮在焊接过程中起着极为重要的作用。若采用无药皮的光杆焊条焊接，则在焊接过程中，空气中的氧和氮会大量侵入熔化金属，将金属铁和有益元素碳、硅、锰等氧化和氮化，并形成各种氧化物和氮化物残留在焊缝中，造成焊缝夹渣或裂纹。而熔入熔池中的气体可能使焊缝产生大量气孔，这些因素都能使焊缝的机械性能(强度、冲击值等)大大降低，同时使焊缝变脆。此外采用光杆焊条焊接，电弧很不稳定，飞溅严重，焊缝成形很差。

药皮除具有机械保护作用，还要加入一些还原剂，使电弧燃烧中产生的氧化物还原，以保证焊缝质量。

通过在焊条药皮中加入铁合金或纯合金元素，使之随着药皮的熔化而过渡到焊缝金属中去，以弥补合金元素烧损和提高焊缝金属的机械性能。

总之，药皮的作用改善了焊接工艺性能，使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、易脱渣和熔敷效率高。同时也保证焊缝金属获得具有合乎要求的化学成分和机械性能。

2)焊条分类。

①按焊条的用途分类。

②按药皮的主要成分分类。

③按药皮熔化后的熔渣碱度分类。

④按特殊性能分类。

3)焊条的选用原则。电弧焊时，通常应根据组成焊接结构钢材的化学成分、力学性能、焊接性和工作环境等要求，以及焊接结构的形状、受力情况和焊接设备类型等方面综合考虑，以决定选用哪种焊条。

①焊接材料的机械性能、化学成分。

a.对于低碳钢、中碳钢和低合金钢，可选用与母材强度等级相应的焊条，其抗拉强度等于或稍高于母材。当受力情况复杂时，应选用比母材强度低一级的焊条，以保证焊缝既有一定的强度，又能有满意的塑性。

b.对于合金结构钢，通常要求焊缝金属的合金成分与母材金属相同或相近。

c.在对焊接结构受力复杂、刚性大、接头应力高、焊缝易产生裂纹的情况下，可以考虑选用比母材强度低一级别的焊条。以保证焊缝既有一定的强度，又能有良好的塑性。

d.在母材中C、P、S等元素含量偏高时，焊缝易产生裂纹的情况下，应选用抗裂性能好的低氢型焊条。

e.在焊条的强度确定之后，对于塑性、冲击性和抗裂性能要求较高(结构形状复杂、钢材厚、焊件受动荷载)，低温条件下工作的焊缝应选用碱性焊条。

f.当焊件焊口处有较多的铁锈、油污和氧化皮、水分等脏物，且又无法清理时，应选用对铁锈、油污和氧化皮、水分敏感性小和抗气孔性能较强的酸性焊条。

g.低碳钢与低合金钢、不同强度等级的低合金钢等异种钢间的焊接，一般选用与较低强度等级钢材相匹配的焊条。

②焊件的工作条件与使用性能。

4)焊接参数的选择方法。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。焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头型式、焊缝位置及焊接层次等因素。在不影响焊接质量的前提下，为了提高劳动生产率，一般倾向于选择大直径的焊条。

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。主要根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头型式、焊缝空间位置及焊接层次等因素来决定，其中，最主要的因素是焊条直径和焊缝空间位置。另外，焊缝的空间位置不同，焊接电流的大小也不同。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，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。在焊接过程中，电弧过长，会使电弧燃烧不稳定，飞溅增加，熔深减小，且外部空气易侵入，造成气孔等缺陷。因此，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。

⑤电源种类和极性的选择。

极性的选择，则是根据焊条的性质和焊接特点的不同，利用电弧中阳极温度比阴极温度高的特点，选用不同的极性来焊接各种不同的焊件。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，通常选用正接。

(2)埋弧焊焊接材料。

1)焊丝。埋弧焊所用焊丝有实心焊丝与药芯焊丝两种。普遍使用的是实心焊丝，有特殊要求时使用药芯焊丝。

2)焊剂。埋弧焊焊剂按用途分为钢用焊剂和有色金属用焊剂，按制造方法分为熔炼焊剂、烧结焊剂和陶质焊剂。

2.焊接设备

电弧焊的主要设备是弧焊机。弧焊机可分为交流弧焊机和直流弧焊机两类。交流弧焊机具有结构简单、价格低廉、保养和维护方便等优点。直流弧焊机具有焊接电流稳定、焊接质量高等优点。电弧焊的类型很多，包括手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、等离子弧焊、水下电弧焊等。

(1)手弧焊设备。

(2)埋弧焊设备。

(3)C0 2气体保护焊设备。

(4)惰性气体保护焊设备。

(5)等离子弧焊设备。

三、焊接接头、坡口及组对

(一)焊接接头的分类及基本类型

1.焊接接头的分类

焊接接头由焊缝、熔合区、热影响区及其相邻的母材组成。焊接接头主要起两方面作用，一是连接作用，二是传力作用。焊缝与被焊工件并联的接头，焊缝传递很小的荷载，这种接头中的焊缝被称为联系焊缝;焊缝与被焊工件串联的接头，焊缝传递全部荷载，这种焊缝被称为承载焊缝。此外，还有双重性的焊头，既起连接作用又起传力作用。设计时，联系焊缝无需计算焊缝强度，承载焊缝的强度必须计算，双重性接头只计算焊缝的承载应力。焊接接头的种类和形式很多，如可按焊接方法、接头构造形式及坡口形状、焊缝类型来分类。

2.焊接接头的基本类型

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(三大类下还可细分);根据接头构造形式不同，焊接接头可以分为对接接头、T形接头、十字接头、搭接接头、盖板接头、套管接头、塞焊(槽焊)接头、角焊接头、卷边接头和端接接头等10种类型。如再考虑接头传力特点，T形与十字接头可归为一类;盖板接头、套管接头、塞焊(槽焊)接头实质上是搭接接头的变形，而不同的卷边接头可分属于对接接头、角接接头和端接接头。所以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，如图2.1.2所示。

上述五类接头基本类型都适用于熔焊，一般压焊(高频电阻焊除外)都采用搭接接头，个别情况采用对接接头;高频电阻焊一般采用对接接头，个别情况采用搭接接头。钎焊连接的接头也有多种形式，一种分类方法将其分为四种，即搭接接头、T形接头、套接接头和舌形与槽形接头。

(二)熔焊接头与坡口

1.概述

对接接头是熔焊中受力比较理想的接头形式，为保证焊接质量，减少焊接变形和焊接材料消耗，需把被焊工件的边缘加工成各种形式的坡口，进行坡口对焊。T形及十字接头是把互相垂直的被焊工件用角焊缝连接起来的接头，是一种典型的电弧焊接头。有不焊透和焊透的，有不开坡口和开坡口的。不开坡口T形及十字接头通常是不焊透的，开坡口T形及十字接头是否焊透要看坡口的形状和尺寸。

(三)焊接接头的选择原则

为正确合理地选择焊接接头的类型、坡口形状和尺寸，主要应综合考虑以下几个方面：

(1)设计要求――保证接头满足使用要求;

(2)焊接的难易与焊接变形――焊接容易实现，变形能够控制;

(3)焊接成本――接头准备和实际焊接所需费用低;

(4)施工条件――制造施工单位具备完成施工要求所需的技术、人员和设备条件。

(四)管材的坡口与组对

1.管材的坡口

(1)管材的坡口有以下几种形式：I形坡口、V形坡口和U形坡口。

1)I形坡口。I形坡口适用于管壁厚度在3.5mm以下的管口焊接。这种坡口管壁不需要倒角，实际上是不需要加工的坡口，只要管材切口的垂直度能够保证对口的间隙要求，就可以对口焊接。

2)V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，其厚度为2mm左右。

3)U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。

(2)坡口的加工方法一般有以下几种：

1)低压碳素钢管公称直径等于或小于50mm的，采用手提砂轮磨坡口;直径大于50mm的，用氧-乙炔切割坡口，然后用手提砂轮机打掉氧化层并打磨平整。

2)中压碳素钢管、中低压不锈耐酸钢管和低合金钢管以及各种高压钢管，用车床加工坡口。

3)有色金属管，用手工锉坡口。

四、焊接质量检验

(一)焊接质量检验的内容

焊接质量检验的内容主要包括材料的检验、焊接设备的检验和焊接后质量的检验等。

检验的项目主要有：

(1)原材料和设备零件尺寸和几何形状的检查;

(2)原材料和焊缝的化学成分分析、机械性能试验和金相组织检验;

(3)原材料及焊缝表面和内部缺陷的检验;

(4)设备和管道系统的试压。

上述这些检验项目，应根据施工图的技术要求进行。原材料一般都有合格证书，因此它的检验除必要的抽查之外，往往根据施工工序要求进行。

(二)材料的检验

焊接前应对原材料进行检验，包括对母材、焊条(焊丝)、焊剂、保护气体、电极等进行检查。其中焊接金属材料的检验是最基本的内容。

1.检验的依据

(1)供货合同;

(2)国家标准或行业标准;

(3)供货方提供的发货单、计量单、装箱单、产品合格证、化验单、技术鉴定单、图纸及其他有关凭证。

2.检验的内容

依据以上三类文件对金属材料做以下检验：

(1)数量验收，包括清点件数和计重;

(2)质量检验。

1)材料的规格、尺寸检验：包括长度、宽度、直径、厚度、断面等几何尺寸的测量，它们应符合合同和标准的规定;

2)材料的外观检验：材料的包装是否完整无损、符合规定，标志是否完备齐全，以及材料外观质量检验;

3)材料的理化检验：对材料进行化学成分、机械性能、工艺性能、物理性能和金相组织检验或做各种无损检验。

3.检验的方法

(1)规格尺寸的检验。

(2)外观的检验。

(3)成分、性能及组织的检验。

1)显微组织检验。显微组织检验是用高倍显微镜来观察分析微观组织状态的金相检验。

在进行显微组织检查前，先要制成经过磨光、酸蚀的试样，在50～3000倍的金相显微镜下观察。显微组织检验能确定材料晶粒度大小、带状组织、各种组织组成物形态、非金属夹杂及脱碳层深度等。

2)宏观组织检验。用肉眼或用不大于10倍的放大镜检验金属宏观组织和缺陷叫宏观检验，常用的方法有断口检验、酸浸检验、塔形车削发纹检验及硫印检验等。

①断口检验。

②酸蚀检验。

③塔形车削发纹检验。

④硫印试验。

3)无损探伤检验。对于钢材的低倍缺陷，还可做无损探伤检验。无损探伤的方法和手段很多，有做表面探伤的液体渗透检测;做一定深度的中子射线检测、X射线和γ射线检测、超声波检测、涡流检测、磁粉检测和微波检测等;以及对于难以接近区域的光热辐射检测。这些方法能检查出钢材表层及内层的各种缺陷，如气孔、缩孔、裂纹和夹渣等。

除上所述，钢材的质量检验内容还有钢的化学性能(如晶间腐蚀)、物理性能(如硅钢片的铁损测定)和工艺性能(如淬透性试验)等，这里不再赘述。

(三)焊接施工中的检验

焊接施工中，要对焊接中焊接工艺执行情况进行检验。如焊接工艺要求，包括焊接方法、焊接材料、焊接顺序、焊接变形、温度控制;多层焊接要检验焊接层间是否存在裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

(四)焊接后质量检验

在工程中对于焊接质量的检验，除了外观检验外，一般多用无损探伤检验来提高检验的可靠性。

1.射线检测(RT)

射线探伤是施工检验上应用广泛的一种探伤技术，它能很准确地检查出工件内部或表面所存在的缺陷大小、位置和性质。射线探伤包括x射线、γ射线、中子射线探伤等，其基本原理相同。

(1)X射线、γ射线探伤。X射线或γ射线就本质而言与可见光相同，都属于电磁波，只是波长不同，故性质也有差异。γ射线的波长较X射线短，故其射线更硬，穿透力也越强。

1)从X射线发射管发出具有强大穿透能力的X射线，照射到需探伤的工件上，工件的背面放有装在暗匣中的X光软片。如金属中有气孔、裂纹、未焊透、夹渣等缺陷，照相底片经冲洗后可以看到相应部位是一些黑色的条纹或痹点;而由于焊缝本身比被焊金属厚的缘故，故焊缝处在胶片上显示出白色的条缝，焊缝处缺陷在胶片上形成的黑色条纹或痹点则十分明显，易于检测出。通常X射线可检查出的缺陷尺寸不小于透视工件厚度的1.5%～2.0%(即灵敏度)。

X射线探伤的优点是显示缺陷的灵敏度高，特别是当焊缝厚度小于30mm时，较γ射线灵敏度高;其次是照射时间短、速度快。缺点是设备复杂、笨重，成本高，操作麻烦，穿透力较γ射线小。

(2)中子射线检测。

2.超声检测(UT)

超声检查一般是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声法的优点是可用于金属、非金属和复合材料制件的无损评价;超声波在金属中可以传播很远的距离(能达10m)，故可用其探测大厚度工件;对确定内部缺陷的大小、置位、取向、埋深和性质等参量较之其他无损方法有综合优势;特别是对检测裂缝等平面型缺陷灵敏度很高;仅需从一侧接近试件;设备轻便对人体及环境无害，可做现场检测;所用参数设置及有关波形均可存储供以后调用。主要局限性是对材料及制件缺陷作精确的定性、定量表征仍需作深入研究;对试件形状的复杂性有一定限制。

3.涡流检测

涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的一种常规无损检测方法。当试件被放在通有交变电流的激励线圈中或其附近时，进入试件的交变磁场可在试件中感应出方向与激励磁场相垂直的、呈旋涡状流动的电流(涡流)，这涡流会转而产生一与激励磁场方向相反的磁场使线圈中的原磁场有部分减小，从而引起线圈阻抗的变化。

涡流检测的主要优点是检测速度快，线圈与试件可不直接接触，无需耦合剂。主要缺点是只限用于导电材料，对形状复杂试件难做检查，只能检查薄试件或厚试件的表面、近表面部位，且检测结果尚不直观，判断缺陷性质、大小及形状尚难。

4.磁粉检测(MT)

当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷(或组织状态的变化)，从而导致该处的磁阻有足够的变化时，在材料表面空间可形成漏磁场。将微细的铁磁性粉末施加在此表面上，漏磁场吸附磁粉形成痕迹显示出缺陷的存在及形状，为磁粉检测。它的优点是能直观显示缺陷的形状大小，并可大致确定其性质;具有高的灵敏度，可检出的缺陷最小宽度约为1μm;几乎不受试件大小和形状的限制;检测速度快，工艺简单，费用低廉。局限性是只能用于铁磁性材料;只能发现表面和近表面缺陷，可探测的深度一般在1～2mm;宽而浅的缺陷也难以检测;检测后常需退磁和清洗;试件表面不得有油脂或其他能粘附磁粉的物质。

磁粉检测根据磁化试件的方法可分永久磁铁法、直流电法和交流电法等;根据磁粉的施加可分为干粉法和湿粉法;而根据试件在磁化的同时即施加磁粉并进行检测还是在磁化源切断后利用剩磁进行检测，又可分为连续法和剩磁法。

5.液体渗透检测(PT)

液体渗透检测是检验非疏孔性金属和非金属试件表面上开口缺陷的一种无损检测方法。将溶有荧光染料或着色染料的渗透剂施加在试件表面，渗透剂由于毛细作用能渗入到各种类型开口于表面的细小缺陷中，清除附着在试件表面上多余渗透剂，经干燥和施加显像剂后，在黑光或白光下观察，缺陷处可分别相应地发出黄绿色的荧光或呈现红色，用目视检验。

液体渗透检验的优点是不受被检试件几何形状、尺寸大小、化学成分和内部组织结构的限制，也不受缺陷方位的限制，一次操作可同时检验开口于表面中所有缺陷;不需要特别昂贵和复杂的电子设备和器械;检验的速度快，操作比较简便，大量的零件可以同时进行批量检验，因此，大批量的零件可实现100%的检验;缺陷显示直观，检验灵敏度高。

最主要的限制是只能检出试件开口于表面的缺陷，不能显示缺陷的深度及缺陷内部的形状和大小。