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造船焊接讲座 * 绪论 焊接基本理论 几种常用的焊接方法 坡口形式 焊接顺序 绪论 随着科学技术的发展，焊接已成为金属加工的一门独立学科， 并广泛用于航空、航天、原子能、化工、造船、海洋工程、电子、 建筑、交通运输、电力、机械制造等部门。 一、焊接方法的分类： 目前生产中使用的焊接方法很多，按其基本特点可分成三大类 。 1、熔化焊 其特点是利用局部热源加热被焊金属的连接处及填充金属（有 时可不加填充金属），使其溶化、互相熔合、冷却凝固形成永久连 接。 2、压焊 在加热或不加热的情况下，对焊接区施加一定压力使两个分离 表面的金属原子接近到晶格距离，形成金属键使两金属连为一体。 3、钎焊 熔化的钎料（熔点低于钎件的熔点）对固体钎件浸润以保证液 态钎料填满钎缝，液态钎料与连接件的表面由分子或原子相互扩散 结合，冷凝后形成联为一体的接头。 焊接分类图： 熔化焊 压焊 钎焊 焊接 电弧焊 气焊 碳极式 金属极式 氧-乙炔焊 空气-乙炔焊 氢-氧焊 保护弧焊 非保护弧焊 非保护弧焊 保护弧焊 点焊 电子束焊 等离子焊 埋弧焊 惰性气体 保护焊 CO2气体 保护焊 电渣焊 锻焊 冷压焊 摩擦焊 电阻焊 扩散焊 爆炸焊 软钎焊 硬钎焊 二、焊接结构的特点及其在造船业中的应用 造船业中以焊接代替铆接如同钢材代替木材一样是造船工 业的一次划时代的变革。自1921年世界上出现第一艘全焊结构 的船舶（载重量为500吨）以来，焊接工作者通过大量的实践与 研究使船舶焊接工艺得到成功和迅速发展。现在不仅完全代替了 铆接，而且形成了较完整的船舶焊接工艺系统，为船舶建造向自 动化、大型化、专业化发展提供了可靠的技术保证。 a、焊接结构的优点： 1、可节省大量金属材料 2、可改变结构设计 3、结构强度高 4、焊接结构密封性好 5、成本低 6、改善生产劳动条件 b、焊接结构的不足： 1、焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大。 铆接结构的铆钉孔周围应力集中系数变化较小。焊接结 构 中，焊缝不但起着类似铆钉的连接构件的作用，而且与基体 金属连接组成一个整体，在外力的作用下一起变形。在焊缝根 部焊趾处尺寸平滑过渡差，应力集中较大，应力集中对结构的 脆性断裂和疲劳寿命有很大影响，应采取合理的工艺和设计， 减少焊接结构的应力集中，以提高其强度和寿命。 2、焊接结构有较大的焊接应力和变形 绝大多数焊接方法都是采用局部加热，加之焊接构件的刚 性不可避免会产生内应力和变形。应力和变形不但能引起工艺 缺陷，而且在一定条件下将影响结构的强度、刚度、受压稳定 性及尺寸稳定性等。 3、焊接结构具有较大的性能不均匀性 焊接接头金属在焊接过程中经受了不同热循环、冶金过 程，使焊接接头处的金属成分和组织与基体金属有差别，形 成了一个不均匀结构（其不均匀性远远超过铸件和锻件）。 4、焊接接头的整体性 焊接结构是一整体，一方面油密、水密、气密性好； 另一方面当构件产生裂纹会通过焊缝扩展到另一构件，裂纹 一旦开始扩展便不易制止，而铆接接头往往可以起到限制裂 纹扩展的作用。 焊接基本理论 常用名词术语： 坡口：根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工的一 定几何形状的沟槽。 单面坡口：只在焊件一面加工的坡口。 双面坡口：在焊件两面均加工的坡口。 坡口角度：两坡口面之间的夹角。 钝边：焊件开坡口时，沿焊件厚度方向未开坡口的端面部 分。 典型坡口示意图 板厚 坡口角度 钝边 间隙 焊趾：焊缝表面与母材的交界处。 焊缝宽度：单道焊缝横截面中，两焊趾之间的距离。 焊缝厚度：在焊缝横截面中，从焊缝正面到焊缝背面的距 离。焊脚：角焊缝的横截面中，从一个焊件上的焊趾到另一个 焊件 表面的最小距离。 熔深：在焊接接头横截面上，母材熔化的深度。 余高：超出表面焊趾连线上面的那部分焊缝金属的高度。 焊道：每一次熔敷所形成的一条单道焊缝。 焊层：多层焊时的每一个分层。每个焊层可由一条焊道或 几条 并排相搭的焊道所组成。 分段退焊：将焊件接缝划分成若干段，每段施焊方向与整 条焊 缝增长方向相反的焊接方法。 跳焊：将焊件接缝分成若干段，按预定次序和方向分段间 隔施 焊，完成整条焊缝的焊接法。 焊接基本符号 焊缝辅助符号 角焊缝： 在钢结构的焊接制作中，最经常使用的焊缝型式是角焊缝。根 据角焊缝的配置形式，可以将角焊缝分成颈部焊缝、侧面焊缝 、端面焊缝、角接焊缝和腹板焊缝。 一般角焊缝都采用等腰的焊缝形状，并可分为： 一般应避免这种焊缝形状。它是不经济的并且具 有最大的缺口效应。仅在角接焊缝时使用这种焊 缝形状，甚至认为是有利的。 施工中认为这种焊缝形状是最经济的，因为它不 存在多余的焊缝体积。尽管存在小的外部缺口效 应，但在主要承受静载荷的构件上仍可使用这种 焊缝形状。 这种焊缝的焊缝体积大于平角焊缝的焊缝体积。 凹形角焊缝具有最小的外部缺口效应，因此优先 用于承受动载的构件中。它们多半只能在船形位 置焊接时得到。 不等腰焊缝常用于端面焊缝的焊接，目的是减少缺口效 应。 焊缝-焊接位置 对管子来讲： 极性： 就是电流流动方向，当使用直流进行焊接时，是十分重 要的。直流正接（工件接正极）及直流反接的接线方法见下图 。有些直流的焊接电源备有开关装置，以便一旦需要时用来改 变焊接电流的极性。 直流正接：直流正接可用于手工焊焊接所有的钢。其熔 化速度与熔敷率高于直流反接，但熔深较浅而窄。由于直流正 接的浅熔深能使薄零件的烧穿减到最少，故适于焊接缝隙或根 部间隙过宽的接头，以及用于堆焊。 直流反接：对给定的焊接条件来说，直流反接所得的熔 深最大。虽然焊接电流对熔深大小起决定作用，但是焊条以直 流反接施焊时，其熔深比以直流正接或交流施焊的熔深更大一 些。这个特点使直流反接比较适于焊接那些采用衬垫的坡口焊 缝中的根部焊道，以及适用于除平焊以外其他焊接位置的焊缝 中的根部焊道。 不同电流特性的相对熔深 交流电流： 交流电流是在有规则的周期中交变地兼有正接与反 接两种极性。在每一周期中，电流从零开始，从一个方向升 至其最大值，衰减至零；从相反的方向升至其最大值，并再 衰减至零。与焊接电弧维持燃烧的同时，这些周期连续不断 的重复着。 以相同的电流值进行焊接时，用交流电的熔敷速度和 熔深介于用直流正接和直流反接所得的之间。 手工电弧焊： 电弧在熔化的电极和工件之间燃烧，电弧和焊接熔池通过 焊条产生的气体和渣的保护防止空气的侵入。 手工电弧焊灵活方便、设备简单是造船中广泛使用的焊接方 法。 埋弧焊： 不可见电弧在熔化的电极与工件之间或两个熔化电极之间燃 烧，电弧和焊接区域由焊剂覆盖，焊接熔池由焊剂所形成的渣保 护而不受大气侵入。该方法自1935年发明以来，由于具有焊接生 产效率高、焊接质量好、劳动强度低等优点，广泛应用于船舶、 机车、锅炉、化工设备、重型机械制造中碳素钢、低合金钢、耐 热钢、镍合金等材料的焊接及某些材料的堆焊。 埋弧焊电流、电压、焊速对焊缝形状的影响： a）焊接电流对焊缝的影响 焊缝宽度 余高 焊缝尺寸 焊接电流 I/A 熔深 b) 电弧电压对焊缝形态的影响 焊缝宽度 余高 焊缝尺寸 焊接电压 U/V 熔深 c）焊接速度对焊缝形态的影响 焊缝宽度 余高 焊缝尺寸 焊接速度 v 熔深 CO2气体保护焊 20世纪30年代美国学者发明惰性气体以来，惰性气体保 护焊主要以焊接铝、镁和钛等活泼金属及其合金，它不需要特 殊焊剂可获得高质量焊缝。但惰性气体昂贵难于推广，为此 1950-1952年前苏联和日本学者研究了一种在CO2气体保护中使 用焊丝的焊接方法，即CO2气体保护焊。 由送丝装置将盘丝送到焊枪，焊丝自身作为电极，与母 材间产生电弧，并在CO2气体的保护下，熔化焊丝及母材达到 接头牢固连接的一种焊接方法。 CO2气体保护焊的优点 a）成本低廉。 b）效率高。生产效率是手工电弧焊的15倍。 c）明弧，气体保护。焊接时便于观察电弧和熔池。不须要特 殊焊剂，便于进行全位置焊接。 d）不易产生冷裂纹。该方法为一种低氢焊接方法，焊接低 合金钢时焊缝金属的含氢量很低，不易产生冷裂纹。 坡口形式部分 一、简介 坡口的基本尺寸在前面已讲过。坡口的主要作用是保证焊 透，钝边的作用是防止烧穿，间隙的作用也是为了保证焊透。 坡口的加工方法有剪切、气割、刨削、车削、碳弧气刨和 风铲等。气割只能加工形、V形和X形坡口，刨和车能加工形 、V形、X形和U形坡口。 二、坡口形式的选择原则 1、坡口形式主要根据接头形式、钢板厚度、焊接方法、施工 方便性、经济性及加工坡口的设备条件等因素来选择。手工焊时 ，钢板厚度在6mm以下的对接接头，如能确保焊透，可以不开坡 口；但焊接重要的对接接头时，46mm厚度也应开坡口。埋弧焊 时，钢板厚度在16mm以下的对接接头一般可以不开坡口；采取一 定工艺措施后，20mm厚度以内或略大于20mm的对接接头也可以 不开坡口。 2、船体结构中的角焊缝一般均不开坡口。但对承受较大载荷 、高应力及对结构强度有特殊要求的角焊缝（例如主机基座及舷 侧 列板与强力甲板的角焊逢）,则应根据“规范”规定或设 计要求开单边V形或K形坡口。 3、厚度为630mm钢板的对接可选用V形坡口。V形坡口 加工方便，但焊接金属量较多，焊接变形也较大。厚度为 1260mm钢板的对接可选用X形坡口。X形坡口加工较复杂 ，但焊接金属量较少，焊接变形及内应力也较少。U形坡口 由于加工困难，较少采用，必要时仅在厚度大于40mm钢板 及铸钢件的对接时使用。 4、在胎架或船台上装焊的板缝，当选用V形坡口时，开 坡口的一侧一般应位于有骨架的一面。带仰焊的板缝，可选 用不对称X形坡口或预先用手工焊打底的自动焊接头形式。 对坡口尺寸的选定应考虑尽量减小手工仰焊的工作量，并为 气刨、焊接的操作提供方便。 二、常见坡口形式及尺寸 现在以我们目前在建的85m驳船为例介绍一下常见的坡口形 式及尺寸。 焊接方法板厚(mm)焊接位 置 示意图备注 埋弧焊 SAW 1013 平焊 单道焊 832 多道焊 清 根 手工焊 SMAW 832 平焊+ 仰焊 多道焊 清 根 横焊 多道焊 清 根 立焊 多道焊 清 根 焊接方法板厚(mm)焊接位 置 示意图备注 CO2气体 保护焊 FCAW 832 平焊+ 仰焊 多道焊 清 根 横焊 多道焊 清 根 立焊 多道焊 清 根 平焊 带陶瓷衬垫 的单面焊 焊接方法板厚(mm)焊接位置示意图备注 CO2气体 保护焊 FCAW 832 横焊 带陶瓷衬垫 的单面焊 立焊 带陶瓷衬垫 的单面焊 一、船体焊接的总原则： 1、对一船体结构施焊时，总体上应按从中央向左右、前后 的顺序进行。对称结构应由双数焊工同时进行对称焊接。 2、对一条焊缝进行焊接时，应视焊缝在船体结构中所处的 位置，由靠近结构中央的一端向结构边缘的一端施焊或从焊缝 中点向两端施焊。 3、使用手工焊、CO2焊焊接较长焊缝（SMAW：长度大于 1m；CO2焊：长度大于2m）时，应采用分段退焊法、分中分 段退焊法或跳焊法，如图所示。立向下焊接时采用直通焊。 4、多层焊时，每层焊道的焊接方向要一致，各层的焊接方 向可以相反。焊道的接头应相互错开，错开距离不小于30mm 。 焊接顺序部分 二、船体建造各阶段的焊接顺序 1、拼板 板列拼板焊接时，根据板缝的排列情况可按图2(a)、(b) 、(c)、(d)进行 。 2、船体构件 船体内部的桁材、肋骨及构架与平板等的焊接顺序应 符合下列要求： a)结构中同时存在对接与角接焊缝时，应先焊对接，后焊 角接，具体顺序见图(a)、(b)。 b) 结构中同时存在立角焊缝与平角焊缝时，应先焊立角 焊缝，后焊平角焊缝，具体顺序见图(c)。 3、平面组件（分段） a）如构件需要对接焊，应预先进行。 b）板与各构件间的角焊缝的焊接顺序例示于图(a)、(b)， 其中图(a)适合于对称结构。 c）如角焊缝的端部位于分段的合拢边，则在该段部应留出 约200mm的长度暂时不焊，待合拢时再焊，如图(c)所示。 4、立体分段制作 典型顺序 a）按3要求，在平面组件制作中预先完成甲板、外底板 与纵骨间角焊缝的焊接。 b）纵桁、肋板与内底板平面组件定位焊后，按照图图 (a)所示的顺序，由双数焊工对称焊接1234 区内的纵桁、纵骨与肋板间的立角焊缝。 c）上述立角焊缝完成后，按图 (b)所示的顺序与方向， 由双数焊工对称焊接1234区内的纵桁、肋板 与底板间的平角焊缝。但位于分段合拢边的角焊缝端部应留 出200mm的长度暂时不焊，待船台合拢时再焊，如3中图(c) 所示。 d）外底板平面组件与舭板定位焊后，焊接外板与舭板之 间的对称焊缝。 e）分段翻身，上述对接完成后，焊接纵桁、肋板与外板 间的平角焊缝，其顺序要求与(c)相同。 贯穿处 a）水密贯穿处 如图 (a)所示，按下述顺序焊接：焊接补板间的对接焊缝 ；焊接骨材与补板间的角焊缝；焊接补板与筋板、底板间 的角焊缝。其中、应先焊图中的可视侧。 b）非水密贯穿处 如图(b)所示，先焊图中的可视侧，两侧均按下述顺序焊接 ：焊接骨材与肋板间的角焊缝；焊接骨材与补板