焊接基礎知識培訓講義

一、焊接冶金和金屬焊接性

1.焊接的物理本質

焊接技術，又稱連接工程，是一種重要的材料加工工藝。一般而言，其定義為：被焊工件（同種或異種），通過加熱或加壓或二者並用，並且用或不用填充材料，使工件材質達到原子間的結合而形成永久性連接的工藝過程稱為焊接。

2.電弧的組成

電弧是指一種氣體放電現象。電弧由陰極區、陽極區、弧柱區組成。根據工件材質的不同，在焊接時採用恰當的焊接電源，並連接線路，焊工進行施焊，進而產生電弧。一般陰極產生電子，其高速向陽極運動，通過粒子碰撞在陽極產生大量熱量，一般就是為了熔化焊條、焊絲及母材；由於陽離子體積較大，速度很低，到達陰極的離子很少，所以陰極熱量較少。所以在焊接過程當中，陽極區產熱遠遠大於陰極區。同時在陽極與陰極之間，由於陰極有源源不斷的電子予以補充，進而保證焊接過程的持續進行。

3.熔池、焊條、焊劑、焊絲

熔池的形成，熔化焊時，在熱源的作用下焊條熔化的同時被焊金屬也發生局部熔化。母材上由熔化的焊條金屬與局部熔化的母材所組成的具有一定幾何形狀的液體金屬叫熔池。常用焊接材料：焊條、焊絲、焊劑。管道安裝工程常用低合金鋼焊條、耐熱鋼焊條、不鏽鋼焊條、低温鋼焊條等。

4.焊接方法

常用焊接方法有埋弧焊（SAW）、焊條電弧焊（SMAW）、惰性氣體保護焊（GTAW）、活性氣體保護焊（GMAW）。其中，埋弧焊主要用於壓力容器縱環縫焊接，現已陸續應用於管道工程自動焊焊接；焊條電弧焊是一種常用的焊接方法，其對焊接作業人員技術要求較高，廣泛用於容器及管道中縱環縫及角焊縫焊接。惰性氣體保護焊常用於容器及管道縱環縫打底焊接，其焊接一次合格率較高，但是對焊工技術水平要求較高，生產率也較低。活性氣體保護焊廣泛用於容器非受壓元件的角焊縫的焊接作業，其焊接速度較快，生產率較高，對作業人員的技術要求也較低；現已在管道工程當中應用，例如西氣東輸管線，但在石油裝置當中應用較少，將是以後的行業發展方向。

5.金屬焊接性

金屬焊接性就是金屬是否能適應焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。也就是説，金屬焊接性的概念有兩方面的內容：一是金屬在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接頭在一定使用條件下可靠運行的能力。這也説明，焊接性不僅包括工藝性能，而且包括使用性能。

從理論上分析，只要在熔化狀態下能夠相互形成溶液或共晶的任意兩種金屬或合金都可以經過熔焊形成接頭。同種金屬或合金當然是可以形成焊接接頭的。許多異種金屬或合金之間也是可以形成焊接接頭的，只是有時是需要通過中間過渡層的。因此，可以認為上述幾種情況都可以看作是“具有一定焊接性” 的。差別只在於有的工藝過程很簡單，有的工藝過程很複雜；有的接頭質量高、性能好，有的接頭質量低、性能差。所以，金屬焊接工藝過程簡單而形成接頭質量高、性能好時，就稱作焊接性好；反之，就稱作焊接性差。一般而言，鋼材碳當量越高，冷裂傾向也越大，焊接性越差。

6常見焊接缺陷及預防措施

6.1管道工程焊縫餘高要求

焊縫表面不得有低於母材的局部凹陷。當焊接接頭中薄者厚度小於或等於6mm時，焊縫餘高應不大於1.5mm；當焊接接頭中薄者厚度大於6mm時，焊縫餘高應不大於2.5mm。

6.2焊接缺陷產生原因及控制措施

常見的焊接缺陷有未熔合、夾渣、氣孔、裂紋、未焊透及外觀成型差等，現將以上缺陷的產生原因及預防措施分析如下。

a）未熔合產生的原因有：焊接電流過小；焊接速度過快；焊條角度不對；產生了磁偏吹現象；焊接處於下坡焊位置，母材未熔化時已被鐵水覆蓋；母材表面有污物或氧化物影響熔敷金屬與母材間的熔化結合等。按其所在部位，未熔合分為坡口未熔合、層間未熔合、根部未熔合。在實際作業過程中，焊工應根據焊接工藝文件要求，控制焊接工藝參數，尤其是焊接電流、焊接速度；焊條擺動幅度應儘可能使熔池飽滿，避免產生熔合不良；組對後由技術人員檢查對口錯變量；對管子壁厚不一致進行過渡處理(如下圖所示)。

b）夾渣往往是焊前清理不徹底，焊接速度過快以及焊條擺動太快，焊渣未浮出熔池表面，滯留於焊縫當中，進而形成夾渣。在實際作業過程中，作業人員應根據焊接工藝文件要求，徹底清理工件表面油、鏽及其他雜物，控制焊接工藝參數，尤其是焊接電流、焊接速度；焊條擺動幅度應儘可能使熔渣漂浮在焊縫表面，進而形成焊渣予以清除；多層多道焊接時，層間清理必須徹底；嚴格控制清根質量。

c）氣孔往往也是焊前清理不徹底以及焊條未烘乾，焊接速度過快，氣體上浮速度小於焊縫凝固速度，進而氣體滯留於焊縫當中，進而形成氣孔。在實際作業當中，作業人員應該注意檢查焊前清理，避免殘留多餘的油脂、鏽蝕以及其他雜物，嚴格根據焊接工藝文件要求，控制焊接工藝參數，尤其是焊接電流、焊接速度。按規定對焊材進行烘乾；配備焊條保温桶；採取防風措施；控制氬氣純度；焊接前進行預熱；雨、霧天氣禁止施焊。

d）裂紋通常是由於作業人員操作不當，焊接線能量過大，尤其是厚板焊接。由於厚板焊接時，焊縫具有較大的拘束應力，加之焊接線能量過大，熔池在凝固當中，沒有足夠的液體予以補充，在凝固以後形成裂紋。在實際焊接作業時，作業人員應嚴格根據工藝文件的要求，控制好焊接線能量，尤其是厚板焊接，應儘可能採取多層多道焊，進而有效控制焊縫的熱輸入量，減少焊接殘餘應力，進而控制裂紋的發生傾向。必要時可以通過焊後脱氫處理（焊後加熱350℃，保温1～2小時，可將絕大部分擴散氫去除），減少焊縫金屬的氫含量，進而降低焊縫當中產生冷裂紋的傾向。在生產上，對於易產生冷裂紋的焊件常要求進行脱氫處理。控制焊材發放，進行光譜分析，防止錯用；進行焊前預熱；採取焊後緩冷或熱處理。

e）未焊透：焊縫冷卻速度過快及坡口間隙較小等原因，導致焊縫局部尚未熔合，焊縫已凝固，進而形成未焊透。檢查坡口角度及加工質量；控制組對間隙；使用較大電流來焊接是防止未焊透的基本方法；採用短弧焊也可有效防止未焊透的產生。

f)外觀成型差：焊接電流過大、焊接電壓過高等原因，導致焊縫表面出現焊瘤、魚鱗紋間搭接較少等表面缺陷，導致焊縫表面成型較差。檢查坡口角度、組對間隙；檢查對口錯變量，對管子壁厚、外徑不一致的進行過渡處理；控制焊接層數。

二、焊接設備

常用焊接設備有埋弧自動焊機、手工電弧焊機、惰性氣體保護焊機、CO2氣體保護焊機。其中，埋弧自動焊機的功能是提供電能、焊絲、焊劑，實現要求的工藝過程（包括引弧、焊接、熄弧停止），機械化、自動化地焊接出優質的焊縫。並儘量提高生產率，改善衞生條件。一般埋弧自動焊機有以下部分組成，焊接電源、送絲機構、焊劑輸送與回收裝置、控制箱及控制盤、焊機行走機構。埋弧自動焊機分為兩種類型，即等速送絲式和變速送絲式埋弧焊機。前者用於細焊絲或高電流密度的焊接；後者用於粗焊絲或低電流密度的焊接。焊條電弧焊焊機就是一個弧焊整流器，其對焊接作業人員技術要求較高，不僅要求焊條需和工件保持一定的角度，而且嚴格控制電流與電壓，其中電流是通過焊機自行調節，而電壓是通過弧長反映的，所以需通過焊工手工實現。惰性氣體保護焊機主要由焊接電源、控制系統，其中控制系統主要有引弧裝置、穩弧裝置、消除直流分量措施以及水電氣路控制。焊接電源具有陡降或垂直下降的外特性，即是通過等流調節來實現其對焊接過程的控制的。CO2氣體保護焊機是由氣源、電源、焊絲輸送機構、焊槍、焊接程序控制系統及焊機行走機構。

三、焊接接頭型式、焊接符號及基本方法

1.接頭形式

常用焊接接頭型式有對接接頭、搭接接頭、角接頭、T型接頭三種。其中，對接接頭一般用於筒體縱環縫以及接管與接管、接管與法蘭的對接焊縫。角接頭常見於接管與筒體、墊板與筒體的焊接接頭。T型接頭常用於筋板焊接及其他焊接結構當中，為了保持一定的加工精度，對作業人員技術要求較高。

2.焊接符號及基本方法

常用焊接符號根據坡口型式的不同，相應很多不同的結構形式，這些符號在標準中都有明確的表示。其大多依據坡口形式而定，一是為了節約焊接材料，二是便於作業人員進行實際操作，即具有良好的可達性。

四、焊接安全與質量管理

1.焊接作業過程中的安全

1.1焊工作業的危險因素及有害因素

在壓力容器及管道製造、安裝生產中，焊接作業人員經常與易燃、易爆物質、機械、電器接觸。同時在以下作業環境當中，如高空作業、容器罐內部、狹小空間等。所以，就有可能發生火災、爆炸、觸電、灼傷、急性中毒、高空墜落和物體打擊等的可能性。此外，還有物理有害因素和化學有害因素。在焊接環境當中，可能存在的物理有害因素是：弧光、高頻電磁波、熱輻射、噪聲和射線等；可能存在的化學因素有：焊接煙塵和有害氣體。

在壓力容器及管道焊接結構當中，熔化焊方法應用最為廣泛，所以接觸焊接煙塵的人員較多，是影響且最大的有害因素之一。所以有害因素，在空氣當中滯留時間過長，會直接影響作業人員健康。

1.2焊接設備安全技術

設備安裝，焊接電源配電系統開關、熔斷器是否合格、安全可靠；導線絕緣是否良好；為了確保安全，防止發生觸電事件，所有電焊機外殼都必須接地；電焊機勿超載運行；接地安全可靠；電焊機保養良好；焊鉗接線可靠、無裸露導體；電纜勿超載運行；嚴禁用金屬結構、軌道等搭接代替電纜。

1.3焊工安全操作技術

首先，安全用電是作業人員必須掌握和牢記的。在有關資料當中指出：通過人體電流，超過0.05A時，就有生命危險；0.1A的電流通過人體只要1s，就會發生觸電死亡事故。因此，作業人員必須提高警惕，防止觸電事故的發生。因此，在施焊以前，首先檢查焊接設備、工具是否安全可靠，絕緣有無破損、接地是否良好，一切正常方可使用；同時，在焊接以前，還應做好絕緣工作，如戴皮手套、穿絕緣鞋，以保證身體與焊件或潮濕地面絕緣；更換焊條時，要求焊工手套保持乾燥並絕緣可靠，特別是身體出汗或衣服潮濕時，不得靠在焊件上以免觸電；作業空間狹小，如容器內部，須兩人輪換，以便相互照顧；當使用手提燈作業時，所用電壓不得超過36V；在潮濕或容器內部使用，電壓不得超過12V。設備故障，立即切斷電源，並通知電工維修；遇人觸電，立即切斷電源。

其次，防火防爆措施，作業現場，必須有防火設施和器材。電器設備着火，應立即斷電，採用乾粉滅火器滅火。禁止在易燃、易爆（如油漆）物品房間內或其附近進行焊接作業，如果在其附近，必須保持安全距離在5m以外。嚴禁焊接有可燃性液體、可燃性氣體及具有高壓的容器及帶電設備；對於存有殘餘油脂、可燃性液體、可燃性氣體的容器，應先用蒸汽吹洗，確定吹乾後再施焊；對於密閉容器，嚴禁進行焊接。周圍空氣中含有可燃性氣體和粉塵的壓力容器，禁止施焊。

再者，罐內及密閉環境焊接安全措施。在石油化工行業生產設備當中，如鍋爐、壓力容器、壓力管道，其介質大部分含有毒、易燃、易爆及腐蝕性物質，進入這些設備作業，由於內部空間狹小，空氣流動不好，可能積聚大量毒氣、有害氣體，如果冒險進去動火作業，，不僅容易發生火災、爆炸事故，還容易發生中毒或窒息事故，因此，施焊以前，必須做好準備工作。設備隔離，保證設備不帶電；清洗和置換，採用蒸汽或不燃性氣體吹掃；取樣分析；通風，應打開人孔、手孔等有利通風通道；設專人監護，其應有生產經驗，熟悉工藝條件，且有安全意識。現場清理，現場無易燃、易爆物品，方可施焊。

1.3焊工安全操作技術

改善勞動條件，車間注意通風、除塵、排塵；在焊接材料方面，儘量採用低塵低毒焊條或焊劑；工藝方面，可採用自動化程度較高的焊接方法，如埋弧焊；儘量採用選用小線能量，減少有毒氣體的蒸發量。個人防護以及弧光防護，根據勞動部門要求，使用勞保用品，穿着符合要求的工作服裝、鞋、手套等，以防電弧輻射和飛濺燒傷，焊工應配戴面罩，採用埋弧焊時，須在焊絲端部設防護罩，以免刺傷眼睛。熱防護，通風、隔熱、改變工藝；高頻電磁波防護，接地良好，正確選用高頻頻率，減少高頻作業時間；煙塵及有毒氣體防護，通風；佩戴靜電口罩、濾化布口罩；容器內，應設局部通風排塵設施，減少有毒及合金元素的蒸發；射線防護，氬弧焊及等離子弧焊，避免採用放射性電極材料。噪聲防護，等離子弧焊、碳弧氣爆噪聲較大，可採取隔離聲源。

2.焊接作業過程質量管理

勿使用未經烘烤的焊條及烘乾超過兩次的焊條，進行受壓元件的焊接；嚴格按照焊接工藝文件的要求進行焊接作業；加強過程檢驗監控，例如錯變等關鍵點；焊工養成良好的習慣，提高自身作業技術水平；焊工培訓，瞭解管道焊接的技術要求，提高自身對管道焊接的認識；分析焊接缺陷產生的原因，瞭解解決方法，提高認識，提高焊縫一次通過率；加強焊工自檢、互檢、他檢等檢驗措施，並提供適當的獎懲措施。