焊接难题与实践.doc

V形坡口有时不能满足使用要求。
④ 对于单面V形坡口，可以采用单割嘴火焰切割开坡口；相反，对于双面V形坡口，可以采用多头割嘴火焰切割开坡口，切割工艺过程可以采用同一台切割设备完成。
⑤ 厚板材料有时需要开J形或U形坡口，与双面V形坡口相比可以节约焊缝金属。
⑥ 有时需要考虑铸造或锻压结构是否能消除焊件的复杂截面，以及是否能简化焊接设计和减少制造费用。
⑦ 对于结构连接的关键部位，可以采用昂贵材料（如少量的堆焊合金）代替一般焊接材料，这样可以达到良好的效果。
⑧ 在零部件需要卷边、密闭件或增加加强板时，应考虑用焊接方法制造的工件代替采用锻压件或机械加工件。
⑨ 采用焊接方法并不能处理所有的问题。例如采用成形工艺制造角形结构与采用焊接方法相比，可以减少材料、制造和焊接等费用，如图31所示。

2、焊接接头设计过程中需要注意的问题有哪些？
① 应避免焊接接头的坡口设计过大。例如一个圆形或管状结构和另一个圆形或管状结构的平直表面进行焊接时，就会存在两个问题，即根部熔合情况和是否烧穿。采用正确的接头设计可以得到良好的根部熔合并且不会产生烧穿，如图32所示。

② 为了减少填充材料的使用，可以减小根部间隙和坡口角度，如图33所示 。

③ 厚板结构采用双面V形坡口代替单面V形坡口可以减少焊缝金属，如图34所示。

④ 有时采用单个焊接接头可以同时焊接三部分焊接结构（如图35所示），上部两板的间隙可以使三部分结构充分熔合。

⑤ 应检查焊接接头位置，以确定适合于焊缝位置的焊接方法，如图36所示 。

⑥ 对于焊接操作者来说，选择焊缝设计时应考虑满足接头强度、使焊缝金属减少及不产生烧穿的要求。图37所示为防止产生烧穿的一些合理的焊缝设计。

3、焊接接头设计过程中焊缝尺寸和数量有哪些要求？
① 应确保采用的焊缝数量适中，不要太多也不要太少，并且焊缝尺寸过大会增加焊接费用。
② 根据工艺文件或标准的车间工艺规程确定要完成的焊缝数量，设计者应考虑安全因素来设计焊缝，不要增加其他额外的安全因素。
③ 角焊缝接头设计中角焊缝的焊脚尺寸十分重要。由于焊缝的面积和数量会增加焊脚尺寸，因此双焊脚尺寸将会使焊缝金属增加4倍，如图38所示。

④ 在小载荷或无载荷条件下，断续角焊缝可以用于代替同样焊脚尺寸的连续角焊缝。
⑤ 尽量使焊缝位于焊件较薄的区域，使焊缝尺寸主要集中于薄板上。
⑥ 加强筋或焊接隔板不需要过多进行焊接，应尽可能减小焊脚尺寸或焊缝长度。
4、装配组件的应用有哪些优点？
① 将焊接工作分配给更多的焊工，可以缩短工时；
② 可以提供更好的焊接方法；
③ 可以减少结构变形的可能性；
④ 对小区域的机械加工更加便利；
⑤ 有利于局部区域的应力消除；
⑥ 可以对各部件和密闭式结构进行渗漏试验；
⑦ 在焊接工作前可以进行工艺检验，以利于提高工艺的精确性并纠正错误。
5、组件的焊接装配有哪些步骤？
① 焊前应清理工件表面的油、锈和污物；
② 检查工装夹具，有缝隙的部位需要修补；
③ 夹紧工件到焊接位置并保持焊接过程的稳定；
④ 用固定夹具夹紧临时夹具，使焊接过程始终维持在校正位置；
⑤ 预置接头以补偿焊接时可能产生的收缩；
⑥ 预弯曲零部件以补偿焊接时任何可能产生的变形；
⑦ 使用定位板；
⑧ 有时可以将焊件截断成几部分，对每一部分进行焊接，可以使每部分焊件在中性轴位置保持平衡；
⑨ 对大量复杂结构进行焊接时，可以对各部分组件分别焊接，这样可以使最终的装配更加容易固定。
6、焊接工艺步骤有哪些？
① 尽量提高操作效率，采用焊工辅助装置、良好的固定夹具和夹持设备等；
② 在最短的时间内熔敷尽可能大量的填充金属；
③ 采用焊接辅助板，可以提高开坡口接头第一道焊缝的焊接速度；
④ 采用低氢型焊条消除或降低预热温度；
⑤ 手动将焊条的伸出长度调整到50mm；
⑥ 应尽量在平焊位置进行焊接，采用仰焊或立焊费用要贵一些；

⑦ 如有可能应采用最高焊接速度在平焊位置对角焊缝进行焊接；
⑧ 采用自动焊设备焊接角焊缝接头时，调整焊缝位置可以在接头的根部获得良好的熔深，并且不会影响焊缝的强度。水平板在水平方向30°的角焊缝位置焊接和垂直板水平方向60°的角焊缝的焊接示意如图39所示；

⑨ 可以考虑在较大焊接电流条件下采用大尺寸焊条；
⑩ 在各部件无拘束应力方向进行焊接；
⑾ 采用合适的焊接工艺措施以消除电弧偏吹现象；
⑿ 对在冷却条件下极易产生收缩的接头先进行焊接；
⒀ 应确保采用恰当的焊接速度、焊接电流和焊接电压；
⒁ 采用半自动或全自动焊接方法更加有利于获得良好的熔深和均匀的熔敷金属。
7、焊后对焊接件的清理和检验有哪些步骤？
① 除了某些特殊性能的要求（不包括外观要求），不应将焊缝表面打磨光滑或平滑，因为对焊缝进行打磨的工时和费用较高，通常会超过焊接的费用；
② 采用手工电弧焊和熔化极气体保护焊时，使用铁粉焊条可以降低焊缝表面的清理时间；
③ 焊接时将防飞溅薄膜平行放置在焊缝两边；
④ 获得质量良好的焊缝是焊接的最终目的，但有时一个外观较差焊缝的强度可能会比外观良好焊缝的强度高；
⑤ 过度的焊缝检查工序会增加焊接的总费用。
四、控制焊接变形
4.1 焊接变形产生的原因
1、加热对焊缝金属的物理性能的影响有哪些？
焊接加热对焊缝金属的物理性能有很大的影响，主要包括硬度（或弹性模量E）增加、屈服点降低以及伸长率增加等。低碳钢焊接时焊缝金属的物理性能变化如图40所示。

2、为什么焊接会引起变形？
在高温下沿着焊道方向焊缝金属逐渐增加，电弧附近的峰值温度可以达到几千摄氏度，这使靠近焊缝的较热金属比远离焊缝的较冷金属更加膨胀，但较冷金属会阻止来自于较热金属的膨胀力，使工件金属形成永久性变形。当工件冷却时，热收缩力将使焊缝金属收缩；此时某些收缩力会分布于变形的工件金属中，而在工件的刚性部分，这些收缩力不会分布开并残留在工件内部，形成内应力，如图41所示。

3、施焊在长形焊接件上的焊缝是如何产生变形的？
焊接时沿整个焊缝长度会产生收缩，如图42所示，收缩总是产生于焊缝金属和母材金属之间。

4、控制收缩和变形程度的因素有哪些？
① 外部夹具的拘束作用；
② 大型焊件的内部拘束；
③ 焊件自身的刚度；
④ 焊接热量输入和焊接速度；
⑤ 冷却速度。
这些因素的交互作用十分复杂，对于最简单焊缝的收缩和变形进行计算和预测也是很困难的，但可以采取一些措施、工艺步骤控制收缩和变形量。
5、在哪些部位会看到焊接收缩和变形的影响？
沿焊缝轴线部位易引起纵向收缩，沿垂直于焊缝轴线部位易引起横向收缩，如图43(a)所示。在丁字形焊缝的十字交叉部位容易变形，如图43(b)所示。这种变形主要是由焊缝熔敷金属和热影响区金属共同作用引起的。

根据焊缝中心轴线的位置不同，给向收缩对工件的影响作用也不同，如图44所示。

6、导致焊接变形的最直接的控制因素是什么？
主要是焊接熔敷过量，焊接熔敷过量是经常被忽视的引起变形的原因。由于缺乏对焊接过程的准确把握，设计者可能会制定较大的焊缝尺寸；当零部件送到工厂的车间时，车间技术人员为了安全地进行焊接，将零件的尺寸进一步增加，最后焊接操作者为了确保得到牢固的焊缝，又进一步增加了焊缝的尺寸，结果是最初6mm的角焊缝最后被焊成12mm的角焊缝尺寸。
焊接操作者可能没有意识到焊缝金属与焊脚尺寸成平方关系，结果焊脚尺寸增加6mm使得焊缝熔敷金属成倍增加，同时还明显增加焊缝的收缩变形，也会增加4倍的焊接费用，因此过量熔敷的焊缝金属是不必要的。在图45(a)中，焊接熔敷过量会增加焊缝的收缩力；在图45(b)中，采用小尺寸焊缝会降低变形；在图45(c)中，采用断续焊缝可以减小焊缝长度，并可以进一步减小焊缝收缩和变形。

4.2 控制收缩和变形
1、明显减小焊缝变形的步骤有哪些？
减小焊缝变形的主要步骤如图46～图48所示。

、其他的控制附加应力和变形的方法是什么？
① 可以采用在焊道每一侧进行多道对接焊缝以减小角变形；
② 对于复杂结构应调整结构的焊接位置及顺序，以平衡产生的收缩力，通常应采用对角焊缝结构；
③ 在较冷的环境中，采用焊前预热对于降低焊接冷却速度并获得良好的接头有一定的作用。但根据美国海军部门的研究表明，焊前预热并不能很有效地减小焊接变形；
④ 大型焊件焊后进行热处理主要是为了减少残余应力，并防止在机械加工的焊缝表面产生变形。对于一个具有较大残余应力的焊接结构，采用机械加工方法消除焊缝金属可能会导致产生更大的变形；
⑤ 火焰矫正法，见弯曲与校直。
实际应用中经常将两种或更多的控制应力和变形的方法结合应用，以获得良好的应用效果。
4.3 横梁的横向和纵向收缩
1、焊缝尺寸和形状是如何影响焊缝的收缩变形的？
收缩变形的产生与焊缝金属的熔敷量和形状有直接关系。如图49(a)所示。同样尺寸的钢板，采用双面V形坡口所产生的收缩变形是采用单面V形坡口的一半。图49(b)所示为常用板材厚度与焊缝面积的线性关系示意。

通过分析可以估算出焊缝的横向收缩变形量等于焊缝十字交叉部分平均宽度的10%，即：横向收缩量＝0.10×平均焊缝宽度。这表明减小焊缝尺寸并保证所要求的强度，可以满足控制收缩变形的要求。
2、当一个钢板被焊接成带卷边的工字梁结构时，可以预测工字梁中心的偏差吗？
可以。采用图50中的方程计算出的纵向焊缝收缩量与实测值基本一致，公式中面积A、转动惯量I、横梁结构的硬度值可以从有关数据表中获得，该方程也适用于T形梁结构和角焊缝结构。横梁结构还可以采用水压机进行机械弯曲力和用氧－乙炔火焰进行弯曲。

如果对法兰盘上底和下底进行焊接时，横向收缩力会产生平衡，使得焊缝几乎没有横向收缩偏差。
3、当在两个C形管道上焊接一个长的、薄的箱形件时，为了减小箱形件和管道的最终弯曲变形，应采取何种措施？
产生应防止第一道焊缝直接冷却直到第二道焊缝焊完，然后让两个焊缝同时冷却，以促使两个焊缝彼此平衡收缩变形力，来防止弯曲变形。
五、焊缝尺寸与强度
5.1 角焊缝的尺寸
1、如何测量角焊缝的尺寸，以便确定角焊缝是否符合图纸中的要求？
角焊缝的形状可以是凹形、凸形或平直的，焊脚可以相等或不等。但角焊缝的实际尺寸是通过测量焊缝中最大等腰直角三角形的焊脚长度而获得的，该等腰直角三角形是通过角焊缝横截面与母材表面成一直线的焊脚来表示的。没有适当的量具，很难测量出角焊缝的尺寸。角焊缝的测量方法如图51所示。

2、为了增强整个金属板的综合强度，确定角焊缝尺寸的一般原则是什么？
假定角焊缝在金属板件的两侧，并且分布在整个金属板长度上，角焊缝的焊脚尺寸应当为金属板厚度的75％；如果焊接两块不同厚度的金属板，则以较薄板的厚度作为参考依据，如图52所示。

3、还有哪些其他公认的测量焊缝尺寸的原则？
美国焊接学会（AWS）和美国钢结构学会（AISC）已把一些测量焊缝的原则运用到建筑和桥梁的焊接实践当中，有关最小有效焊缝长度的测量原则如图53所示。

5.2 焊缝的强度
1、根据工业标准和代码进行焊接时，钢板之间的典型结构焊缝能达到怎样的强度？
焊缝一般能保持较高的强度，以至于超过了焊材代码和应用中所要求的强度。在很多情况下，这种焊缝的强度不能通过焊材代码本身辨别出来。例如，用普通焊条E60××焊接完成的焊缝强度比焊条标称的最小强度值高大约50%。并且在焊接完成后，很多市售的E60××焊缝的屈服强度比结构钢本身高75%。
2、为什么典型焊态下的结构钢焊接接头的强度比母材金属的强度高？
有以下两个原因。
① 所用焊条中的金属心是优质钢，比母材的性能好。
② 在焊接过程中，熔化金属受到良好的保护作用。与电炉钢相比较，焊条药皮还具有净化剂和脱氧剂的作用，药皮中的其他合金万分能够促使形成均匀的晶体结构和良好软科学性能的焊缝。
3、焊接缺陷，可美国焊接学会AWS术语中的非连续，对焊缝的强度有何影响？
① 图54表明，对于焊接接头试样来说，焊缝上尽管有严重的咬边缺陷，但在静载荷的拉伸作用下，失效的是金属板，而不量焊缝。

② 一个总的原则是，角焊缝尺寸应为被焊金属板厚度的75%，以便增强整个金属板的强度。依据这种方法，在厚度12.5mm金属板上焊接尺寸为9.5mm的角焊缝的强度应比母材金属高，对于尺寸为8.7mm和8mm的角焊缝也是这样。当角焊缝尺寸减小到6.4mm时，焊缝金属在220kgf/mm压力（该压力值是美国焊接学会施用压力的5倍多）作用下才发生破断。尺寸不足够大的角焊缝对焊缝强度的影响如图55所示。

③ 图56给出了未焊透对焊缝强度的影响。进行拉伸试验之前，先将焊缝加工平整。当焊缝缩颈处减小到整个试样厚度的31%时，整个焊缝才发生破断。

4、焊缝中有多少气孔时会影响到焊缝金属的强度？
试验表明，当焊缝中的孔隙量大于整个焊缝的7%时，焊缝的塑性或抗拉强度、冲击强度将发生很大的变化。
六、焊接工装与夹具
6.1 插销、搭扣及密封
1、如果在金属板或构件的孔上焊接一个螺母，或者为水平螺旋制作螺纹，在孔上放置螺母的最好方法是什么？
① 焊接之前，将螺母表面的金属Zn和Cd用锉刀等工具打磨掉，以防止污染焊缝。
② 采用另一个螺母和螺栓对上述的螺母施加拉力，并在焊接时将螺母牢靠地固定在金属板上。
③ 焊缝冷却以后，去除没有被焊接住的螺母和螺栓。
在金属板孔上焊接螺母的具体方法如图57所示。

2、为工作台或构架制作水平调整卡具时，比较快速和经济的方法是什么？
先将一个六角螺栓的头部磨平，以便使螺栓头套在垫圈的孔上，然后再把垫圈焊接到螺栓上，形成一个底座。为了便于转动螺栓，可将一根直径为6mm的金属棒焊接到螺栓上，最后按照前面所述的方法将一个螺母固定在金属板上形成螺纹。水平调整卡具如图58所示。

3、在钢板上精确地定位和固定插销或填塞，比较好的方法是什么？
① 确定出插销中心的位置；
② 钻出能使插销滑进或推进的孔；
③ 将插销的末端切成斜面，插入孔中，并在插销的后端部进行塞焊；
④ 为了显得美观，对塞焊处进行打磨使构件的后部齐平。
带有塞焊焊缝固定插销的方法如图59所示。

4、如何简易制作搭扣或连接点？
① 用手工钢锯（可以是Sawzall型或Portaband型）切取一段链环，使切取下来的链环两段相互平行；
② 按照所切割链环要插入的位置和直径钻两个孔；
③ 将链环插入孔中，并用塞焊方法从后面将链环固定住。
如果放置搭扣的构件后部没有可焊接处，可以将一小金属板焊接到构件上面。采用链环制作搭扣或连接点的方法如图60所示。

5、采用焊接方法制作中空的圆形或矩形管状工件时，为了达到外形美观、安全和耐用的要求，有时工件的末端需要密封，有哪两种常用的密封方法？
① 最简单的密封方法是在管状工件末端插入尺寸适当的塑料塞子，如图61(a)所示。这些塑料塞子有圆形、方形和长方形等形状。但插入塑料塞子有个缺点，大多数塑料塞子伯外观和尺寸只能应用于室内。如果工件长期暴露在室外大气中，塑料塞子会由于气候的影响而逐渐发生老化，进而失去保护边缘的能力。

② 另一种密封方法是用钢板将管状工件末端覆盖住，并将钢板焊接固定，如图61(b)所示。这种方法虽然费时，但能有效地避免气候的不良影响。
6.2 框架的制作及固定件
1、如要在框架构件上放置物体，但框架要易于移动，如何制作这样的框架？
在框架构件上焊接长度较短的矩形管状材料，然后将物体安装到可以让管子滑进去的立体方形槽中，如图62所示。为了特殊需要，也可以采用圆管关材料和棒状材料来制作能旋转的支架。

2、如何将中空的圆柱体或铸件牢固地安装到金属板上，并使其容易拆卸？
① 将一个大直径螺栓的顶部焊接或用钎焊方法连接到金属板上，围绕螺栓的顶部焊接一圈焊缝。
② 由于螺栓和金属板的尺寸较大，有时需对它们进行预热。