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焊接工艺参数选择

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焊接工艺参数的选择

手工电弧焊的焊接工艺参数主要条直径、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
焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置和焊接层次等因素。在一般情况下，可根据表6-4按焊件厚度选择焊条直径，并倾向于选择较大直径的焊条。另外，在平焊时，直径可大一些；立焊时，所用焊条直径不超过5mm；横焊和仰焊时，所用直径不超过4mm；开坡口多层焊接时，为了防止产生未焊透的缺陷，第一层焊缝宜采用直径为3.2mm的焊条。
表6-4 焊条直径与焊件厚度的关系 mm
焊件厚度
≤2
3~4
5~12
>12

焊条直径
2
3.2
4~5
≥15

2．焊接电流
焊接电流的过大或过小都会影响焊接质量，所以其选择应根据焊条的类型、直径、焊件的厚度、接头形式、焊缝空间位置等因素来考虑，其中焊条直径和焊缝空间位置最为关键。在一般钢结构的焊接中，焊接电流大小与焊条直径关系可用以下经验公式进行试选：

I=10d2 (6-1)
式中
I ——焊接电流(A)；
d ——焊条直径(mm)。
另外，立焊时，电流应比平焊时小15％～20％；横焊和仰焊时，电流应比平焊电流小10％～15％。
3．电弧电压
根据电源特性，由焊接电流决定相应的电弧电压。此外，电弧电压还与电弧长有关。电弧长则电弧电压高，电弧短则电弧电压低。一般要求电弧长小于或等于焊条直径，即短弧焊。在使用酸性焊条焊接时，为了预热部位或降低熔池温度，有时也将电弧稍微拉长进行焊接，即所谓的长弧焊。
4．焊接层数
焊接层数应视焊件的厚度而定。除薄板外，一般都采用多层焊。焊接层数过少，每层焊缝的厚度过大，对焊缝金属的塑性有不利的影响。施工中每层焊缝的厚度不应大于4～5mm。

5．电源种类及极性

直流电源由于电弧稳定，飞溅小，焊接质量好，一般用在重要的焊接结构或厚板大刚度结构上。其他情况下，应首先考虑交流电焊机。

根据焊条的形式和焊接特点的不同，利用电弧中的阳极温度比阴极高的特点，选用不同的极性来焊接各种不同的构件。用碱性焊条或焊接薄板时，采用直流反接(工件接负极)；而用酸性焊条时，通常采用正接(工件接正极)。
6.钢材的可焊性
各种钢材焊接性能的差异是用可焊性来表示的。钢材的可焊性是指在适当的设计和工作条件下，材料易于焊接和满足结构性能的程度。一般可焊性具体表现在下述几个方面：

（1）焊接作业要容易；

（2）焊接时不发生裂纹和其他有害缺陷；

（3）母材和焊接接头的机械、化学和物理性能好；

（4）母材的缺口韧性优良；

（5）焊接接头有足够的塑性和韧性。

可焊性常常受钢的化学成分、轧制方法和板厚因素影响。为了评价化学成份对可焊性的影响，一般用碳当量(Ceq)表示。Ceq是化学成分对焊接热影响区最高硬度的影响，国际焊接学会推荐碳当量的公式为：
根据经验：
Ceq<0.4％时，钢材的淬硬倾向很小，可焊性好，焊接前一般不需要预热。
Ceq＝0.4％~0.6％时，钢材的淬硬倾向逐渐增大。焊接前，需要适当预热，并采用低氢型焊接材料进行焊接。
Ceq>0.6％时，淬硬倾向大，较难焊接，焊接前需慎重地预热，并采取严格控制焊接工艺等措施。
1.4 焊接工艺参数
1．4 焊接工艺参数
焊接工艺参数是指焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量 ( 例如：焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入等 ) 的总称。焊条电弧焊的焊接工艺参数主要包括焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度和预热温度等。
1．4．1 焊条直径
焊条直径是根据焊件厚度、焊接位置、接头形式、焊接层数等进行选择的。
厚度较大的焊件，搭接和 T 形接头的焊缝应选用直径较大的焊条。对于小坡口焊件，为了保证底层的熔透，宜采用较细直径的焊条，如打底焊时一般选用Φ2.5mm 或Φ3.2mm 焊条。不同的焊接位置，选用的焊条直径也不同，通常平焊时选用较粗的Φ(4.0～6.0)mm 的焊条，立焊和仰焊时选用Φ(3.2～4.0)mm 的焊条；横焊时选用Φ(3.2～5.0)mm 的焊条。对于特殊钢材，需要小工艺参数焊接时可选用小直径焊条。
根据工件厚度选择时，可参考表3-20。对于重要结构应根据规定的焊接电流范围 ( 根据热输入确定 )参照表3—21焊接电流与焊条直径的关系来决定焊条直径。

1．4．2 焊接电流
焊接电流是焊条电弧焊的主要工艺参数，焊工在操作过程中需要调节的只有焊接电流，而焊接速度和电弧电压都是由焊工控制的。焊接电流的选择直接影响着焊接质量和劳动生产率。
焊接电流越大，熔深越大，焊条熔化快，焊接效率也高，但是焊接电流太大时，飞溅和烟雾大，焊条尾部易发红，部分涂层要失效或崩落，而且容易产生咬边、焊瘤、烧穿等缺陷，增大焊件变形，还会使接头热影响区晶粒粗大，焊接接头的韧性降低；焊接电流太小，则引弧困难，焊条容易粘连在工件上，电弧不稳定，易产生未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷，且生产率低。
因此，选择焊接电流时，应根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层数来综合考虑。首先应保证焊接质量，其次应尽量采用较大的电流，以提高生产效率。板厚较的，T 形接头和搭接头，在施焊环境温度低时，由于导热较快，所以焊接电流要大一些。但主要考虑焊条直径、焊接位置和焊道层次等因素。
1) 考虑焊条直径 焊条直径越粗，熔化焊条所需的热量越大，必须增大焊接电流，每种焊条都有一个最合适电流范围，表3-21是常用的各种直径焊条合适的焊接电流参考值。
当使用碳钢焊条焊接时，还可以根据选定的焊条直径，用下面的经验公式计算焊接电流：
I=dK
式中：I 一一焊接电流 (A) ：
d——焊条直径 (mm) ：
K——经验系数 (A／cra) ，见表 3-20。
表 3-20 焊接电流经验系数与焊条直径的关系 [9]
焊条直径 d／mm 1.6 2～2.5 3.2 4～6
经验系数K 20～25 25～30 30～40 40～50
2) 考虑焊接位置 在平焊位置焊接时，可选择偏大些的焊接电流，非平焊位置焊接时，为了易于控制焊缝成形，焊接电流比平焊位置小 10％～20％。
3) 考虑焊接层次 通常焊接打底焊道时，为保证背面焊道的质量，使用的焊接电流较小；焊接填充焊道时，为提高效率，保证熔合好，使用较大的电流：焊接盖面焊道时，防止咬边和保证焊道成形美观，使用的电流稍小些。
焊接电流—一般可根据焊条直径进行初步选择，焊接电流初步选定后，要经过试焊，检查焊缝成形和缺陷，才可确定。对于有力学性能要求的如锅炉、压力容器等重要结构，要经过焊接工艺评定合格以后，才能最后确定焊接电流等工艺参数。
1．4．3 电弧电压
当焊接电流调好以后，焊机的外特性曲线就决定了。实际上电弧电压主要是由电弧长度来决定的。电弧长，电弧电压高，反之则低。焊接过程中，电弧不宜过长，否则会出现电弧燃烧不稳定、飞溅大、熔深浅及产生咬边、气孔等缺陷：若电弧太短，容易粘焊条。一般情况下，电弧长度等于焊条直径的0.5～1倍为好，相应的电弧电压为16—25V。碱性焊条的电弧长度不超过焊条的直径，为焊条直径的一半较好，尽可能地选择短弧焊；酸性焊条的电弧长度应等于焊条直径。
1．4．4 焊接速度
焊条电弧焊的焊接速度是指焊接过程中焊条沿焊接方向移动的速度，即单位时间内完成的焊缝长度。焊接速度过快会造成焊缝变窄，严重凸凹不平，容易产生咬边及焊缝波形变尖；焊接速度过慢会使焊缝变宽，余高增加，功效降低。焊接速度还直接决定着热输入量的大小，一般根据钢材的淬硬倾向来选择。
1．4．5 焊缝层数
厚板的焊接，一般要开坡口并采用多层焊或多层多道焊。多层焊和多层多道焊接头的显微组织较细，热影响区较窄。前一条焊道对后一条焊道起预热作用，而后一条焊道对前一条焊道起热处理作用。因此，接头的延性和韧性都比较好。特别是对于易淬火钢，后焊道对前焊道的回火作用，可改善接头组织和性能。
对于低合金高强钢等钢种，焊缝层数对接头性能有明显影响。焊缝层数少，每层焊缝厚度太大时，由于晶粒粗化，将导致焊接接头的延性和韧性下降。
1．4．6 热输入
熔焊时,由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量称为热输入。其计算公式如下：
Q=NLU/u
式中 Q——单位长度焊缝的热输入 (J／cm)
I——焊接电流 (A) ；
U——电弧电压 (V) ；
u——焊接速度 (cm／s)
n——热效率系数，焊条电弧焊为 0.7～0.8。
热输入对低碳钢焊接接头性能的影响不大，因此，对于低碳钢焊条电弧焊—一般不规定热输入。对于低合金钢和不锈钢等钢种，热输入太大时，接头性能可能降低：热输入太小时，有的钢种焊接时可能产生裂纹。因此，焊接工艺规定热输入。焊接电流和热输入规定之后，焊条电弧焊的电弧电压和焊接速度就间接地大致确定了。
一般要通过试验来确定既可不产生焊接裂纹、又能保证接头性能合格的热输入范围。允许的热输入范围越大，越便于焊接操作。
1．4．7 预热温度
预热是焊接开始前对被焊工件的全部或局部进行适当加热的工艺措施。预热可以减小接头焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，减小焊接应力及变形。它是防止产生裂纹的有效措施。对于刚性不大的低碳钢和强度级别较低的低合金高强钢的一般结构，一般不必预热。但对刚性大的或焊接性差的容易产生裂纹的结构，焊前需要预热。
预热温度根据母材的化学成分、焊件的性能、厚度、焊接接头的拘束程度和施焊环境温度以及有关产品的技术标准等条件综合考虑，重要的结构要经过裂纹试验确定不产生裂纹的最低预热温度。预热温度选得越高，防止裂纹产生的效果越好；但超过必需的预热温度，会使熔合区附近的金属晶粒粗化，降低焊接接头质量，劳动条件也将会更加恶化。整体预热通常用各种炉子加热。局部预热一般采用气体火焰加热或红外线加热。预热温度常用表面温度计测量。
1．4．8 后热与焊后热处理
焊后立即对焊件的全部 ( 或局部 ) 进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施称为后热。后热的目的是避免形成硬脆组织，以及使扩散氢逸出焊缝表面，从而防止产生裂纹。
焊后为改善焊接接头的显微组织和性能或消除焊接残余应力而进行的热处理称为焊后热处理。焊后热处理的主要作用是消除焊件的焊接残余应力，降低焊接区的硬度，促使扩散氢逸出，稳定组织及改善力学性能、高温性能等。因此，选择热处理温度时要根据钢材的性能、显微组织、接头的工作温度、结构形式、热处理目的来综合考虑，并通过显微金相和硬度试验来确定。
对于易产生脆断和延迟裂纹的重要结构，尺寸稳定性要求高的结构，以及有应力腐蚀的结构，应考虑进行消除应力退火：对于锅炉、压力容器，则有专门的规程规定，厚度超过一定限度后要进行消除应力退火。消除应力退火必要时要经过试验确定。铬钼珠光体耐热钢焊后常常需要高温回火，以改善接头组织，消除焊接残余应力。
重要的焊接结构，如锅炉、压力容器等，所制定的焊接工艺需要进行焊接工艺评定，按所设计的焊接工艺而焊得的试板的焊接质量和接头性能达到技术要求后，才子正式确定。焊接施工时，必须严格按规定的焊接工艺进行，不得随意更改。前严格按照说明书的规定进行烘焙，焊前清除焊件上的油污、水分，减少焊缝中氢的含量：选择合理的焊接工艺参数和热输入，减少焊缝的淬硬倾向：焊后立即进行消氢处理，使氢从焊接接头中逸出：对于淬硬倾向高的钢材，焊前预热、焊后及时进行热处理，改善接头的组织和性能：采用降低焊接应力的各种工艺措施。
(3) 再热裂纹焊后，焊件在一定温度范围内再次加热 ( 消除应力热处理或其他加热过程 ) 而产生的裂纹叫再热裂纹。
产生的原因：再热裂纹一般发生在含V、Cr、Mo、B 等合金元素的低合金高强度钢、珠光体耐热钢及不锈钢中，经受一次焊接热循环后，再加热到敏感区域 ( 550～650℃范围内 ) 而产生的。这是由于第一次加热过程中过饱和的固溶碳化物 ( 主要是V、Mo、Cr，碳化物 ) 再次析出，造成晶内强化，使滑移应变集中于原先的奥氏体晶界，当晶界的塑性应变能力不足以承受松弛应力过程中的应变时，就会产生再热裂纹。裂纹大多起源于焊接热影响区的粗晶区。再热裂纹大多数产生于厚件和应力集中处，多层焊时有时也会产生再热裂纹。
防止措施：在满足设计要求的前提下，选择低强度的焊条，使焊缝强度低于母材，应力在焊缝中松弛，避免热影响区产生裂纹：尽量减少焊接残余应力和应力集中；控制焊接热输入，合理地选择热处理温度，尽可能地避开敏感区范围的温度。
焊接工艺措施：
1）对工程中使用较多的或有代表性的接头形式进行焊接工艺性试验，以确定最佳的操作方法和焊接规范，焊接工艺性试验由焊接试验室全权负责。
2）结构装配定位焊
a. 装配定位焊前，焊接坡口及其内外两侧各20mm范围内的油污必须用溶剂揩抹干净，并用手提砂轮机打磨去除铁锈、氧化皮等杂质，使焊件母材表面露出金属光泽。
b. 担任定位焊施焊工作的焊工必须是持有合格证的焊工。
c. 装配质量达到图样技术要求后方可进行定位焊（如该焊缝焊前需要预热，则必须预热至所要求的温度后才可进行定位焊。），定位焊所用焊条（须经烘干处理）、焊丝必须与该焊缝正式焊接时所用焊材相一致，定位焊缝应填满弧坑。
d. 定位焊缝长度一般为20—50mm，间距长为400—600mm，焊脚尺寸不得大于设计焊脚尺寸的一半，且不应大于8mm，定位焊应距设计焊缝端部30mm以上。（特殊情况除外）
e. 定位焊缝不得有裂纹，不得有超标的夹渣、气孔等缺陷，如发现有焊接缺陷，必须彻底清除，重新进行定位焊。
f. 在焊缝交叉处和焊缝方向急剧变化处不得有定位焊缝，定位焊缝应离开该处50mm以上。
3）焊接的一般规定
a. 担任本工程焊接的焊工必须是持证焊工，并应经专门培训考核合格（针对本工程的培训考核）。
b. 担任焊接的焊工应熟悉本工程的技术文件及施工工艺要求，并必须严格按照焊接工艺规程中所规定的焊接规范参数、焊接顺序、焊接方向施焊。
c. 为防止构件在焊接过程中产生过大的变形量，焊件必须放置平整，不允许随便摆放进行焊接，并应严格按照所规定的焊接顺序、焊接方向施焊。
d. 焊接前应认真检查焊接坡口是否符合要求，并应把焊接坡口及其付近的水份、油污、铁锈、氧化皮等杂质彻底清除干净才施焊。
e. 对有预热和后热要求的焊缝，要严格按照焊接工艺规定的预热温度、预热范围、后热温度及时间做好焊前预热、后热和缓冷工作。有预热要求的焊缝，最低层（道）间温度不得小于预热温道，所有焊缝的最高层（道）间温度应≤250℃。
f. 焊接前应在废钢板上调试好焊接电流后才允许正式施焊在产品上。
g. 焊接电源地线应与焊件母材紧固，保证接触良好。
h. 引弧应在引弧板或焊接坡口内进行，不允许任意在工件表面引弧损伤母材。
i. 施焊时应注意焊道的起焊点、终焊点及焊道的接头处不产生焊接缺陷，多层多道焊时，每层（道）换焊条处的接头应相互错开，每焊完一道焊缝，必须把熔渣、飞溅等杂质清理干净，并认真检查焊缝质量，确认无缺陷后，再焊下一道焊缝。（若发现前道焊缝有缺陷，则必须彻底清除焊接缺陷后才允许继续焊接。）
j. 在焊接板状角焊缝时，焊缝必须要绕过端部进行包角焊。
k. 焊接“埋弧自动焊”时，原则上不允许在焊接过程中切断电弧。若在焊接过程中因故发生断弧，则应将焊道端部刨去50mm以上，并采用手提砂轮机把该处打磨成缓坡状才允许继续焊接。
l. 焊接“气体保护焊”时，应将气体流量按规定调试好，并送气约半分钟，把输气管内的空气排放干净后，才允许在焊件上施焊。
m. 采用“电弧气刨”清焊根时，气刨工具的风力要集中，压缩空气的压力应保证有0.39—0.6MPa，并根据碳棒直径、焊件厚度调试好气刨电流，气刨过程中应避免产生“夹碳”和“沾渣”现象。气刨清根后，必须把刨屑清除，并用手提砂轮机把刨槽打磨至露出金属光泽后才允许焊接。
n. 焊接完毕，应将焊缝表面的熔渣、飞溅等杂质清理干净，认真检查焊缝外观质量，并在规定处打上焊工标记，并转序检验（包括外观及内在质量的专职检验）。
o. 焊接接头出现焊接缺陷时，不得擅自处理，应及时分析查明原因，根据返修工艺和在现场技术人员的指导下，方可进行焊接缺陷的处理。
p. 在工件上的引弧板和引出板应用火焰切割去除，严禁用锤击落。

主要节点的焊接工艺
现根据“登机桥固定廊道”工程的结构形式和所用材料规格，介绍几种主要节点的部份焊接接头焊接方法：
（1）BH350×200 H钢腹板对接全熔透双面焊（厚度8mm）
焊接方法：熔化极混合气体保护焊（GMAW）
焊接位置：平焊
焊接材料：焊丝 ER50-6 Φ1.2；保护气体 Ar 80% + CO2 20%
焊接电源种类：直流反接
（2）BH350×200 H钢翼板对接全熔透双面焊（厚度12mm）
a.接头形式 焊接层次
焊接方法：熔化极混合气体保护焊（GMAW）
焊接位置：平焊
焊接材料：焊丝 ER50-6 Φ1.2；保护气体 Ar 80% + CO2 20%
焊接电源种类：直流反接
b.接头形式 焊接层次
焊接方法：熔化极混合气体保护焊（GMAW）
焊接位置：仰焊、平焊
焊接材料：焊丝 ER50-6 Φ1.2；保护气体 Ar 80% + CO2 20%
焊接电源种类：直流反接
c.接头形式 焊接层次
焊接方法：熔化极混合气体保护焊（GMAW）
焊接位置：平焊、仰焊
焊接材料：焊丝 ER50-6 Φ1.2；保护气体 Ar 80% + CO2 20%
焊接电源种类：直流反接
其中：所有全熔透双面焊，背面均用电弧气刨清焊根。
（3）BH350×200 H钢腹板与翼板的组焊（角焊缝）
接头形式 焊接顺序
焊接方法：埋弧自动焊（SAW）
焊接位置：船形平焊
焊接材料：焊丝 H08MnAΦ4；焊剂 HJ350
焊接电源种类：直流反接
注：① 焊接层次为一层一道。
② H形钢焊后采用“机械”或“氧乙炔焰”矫正。
（3）150×150×8 方管（竖腹杆与斜腹杆）组焊、带垫板全熔透单面焊
接头形式 焊接层次
焊接方法：熔化极混合气体保护焊（GMAW）
焊接位置：立焊（向上）
焊接材料：焊丝 ER50-6 Φ1.2；保护气体 Ar 80% + CO2 20%
焊接电源种类：直流反接
（4）150×150×8 方管（竖腹杆、斜腹杆）与 BH350×200 H钢翼板组焊的单面焊全熔透接头
接头形式 焊接层次
焊接方法：熔化极混合气体保护焊（GMAW）
焊接位置：平焊
焊接材料：焊丝 ER50-6 Φ1.2；保护气体 Ar 80% + CO2 20%
焊接电源种类：直流反接
另一焊接位置为仰焊位置，盖面层分两道焊成，焊接规范应适当减少。
接头形式
焊接层次
焊接方法：焊条电弧焊（SMAW）
焊接位置：平焊
焊接材料：J427 Φ3.2、Φ4 焊条
焊接电源种类：直流反接
接头形式另一焊接位置为仰焊位置，封底层与填充层的焊接规范与上同，盖面层的焊接电流须适当减小，焊工持证项目相应更改为D1-25J。
以上焊接接头形式有极少部份需在现场安装时焊接，在现场焊接时焊接方法改用焊条电弧焊（SMAW）。
焊接质量要求：
A. 焊缝外观质量应符合GB50250-2001《钢结构工程施工质量验收规范》标准及工程图样技术文件的有关规定。
B. 焊缝外观应均匀致密，表面不允许有电弧击伤、裂纹、气孔、夹渣、未熔合、凹坑、未焊满、焊瘤及超标的咬边等焊接缺陷。
C. 焊缝外形尺寸应符合有关规定，焊缝要与母材表面均匀过渡，同一焊缝的高度、宽度或焊脚高度应均匀一致。
D. 焊接接头的内部质量及探伤要求，按图样技术文件及相关标准的有关规定执行。
焊缝返修工艺规程：
A. 焊缝的返修工艺规程按已评定合格的焊接工艺编制。
B. 焊缝经无损探伤发现超标缺陷时，对需要返修的焊接缺陷应当分析缺陷产生原因，提出改进措施，并按焊接工艺编制出返修工艺。经返修的焊缝性能和质量应与原焊缝相同。
C. 焊缝返修完毕，应按与原焊缝相同的探伤要求和标准进行复探，焊缝同一部位的返修次数不宜超过两次。
焊接环境：
A. 在厂区内制造部份，全部在车间内进行安装、焊接。
B. 现场安装焊接的环境应满足如下条件：
相对湿度≤90% 、风速：气体保护焊时≤2m/s；焊条电弧焊时≤10m/s 。若不能满足以上规定，则应采取适当措施（焊前预热、遮档等）。下雨天不允许露天施焊作业。

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