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第五章 埋弧焊埋弧焊（Submerged Arc Welding）是电弧在焊剂 下燃烧以进行焊接的熔焊方123 4 焊 接 方 向 5 678熔 透 深 度5.1 埋弧焊原理、特点及应用1. 埋弧焊工作原理焊接电源的两极分别接至 导电嘴和焊件。焊接时，颗粒 状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀 地堆敷到焊件的待焊处，焊丝 由焊丝盘经送丝机构和导电嘴 送入焊接区，电弧在焊剂下面 的焊丝与母材之间燃烧。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院电弧热使焊丝、焊剂及母材局部熔化和部分蒸发。金属蒸汽、焊剂蒸气和冶金过程中析出的气123 4 焊 接 方 向 5 678熔 透 深 度2.埋弧焊的特点埋弧焊有以下优点： 生产效率高 埋弧焊所用的焊接电流可大到 1000A以上，因而电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率 都比较大。 焊接质量好 一方面由于埋弧焊的焊接参数 通过电弧自动调节系统的调节能够保持稳定，对 焊工操作技术要求不高，因而焊缝成形好、成分 稳定；另一方面也与采用熔渣进行保护，隔离空 气的效果好有关。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院 劳动条件好 埋弧自动焊时，没有刺眼的 弧光，也不需要焊工手工操作。这既能改善作 业环境，也能减轻劳动强度。 节约金属及电能 对于2025mm厚以下 的焊件可以不开坡口焊接，这既可节省由于 加工坡口而损失的金属，也可使焊缝中焊丝 的填充量大大减少。同时，由于焊剂的保护， 金属的烧损和飞溅也大大减少。由于埋弧焊 的电弧热量能得到充分的利用，单位长度焊 缝上所消耗的电能也大大降低。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院埋弧焊具有的缺点： 焊接适用的位置受到限制 由于采用颗粒 状的焊剂进行焊接，因此一般只适用于平焊 位置（俯位）的焊接，如平焊位置的对接接 头、平焊位置和横焊位置的角接接头以及平 焊位置的堆焊等。对于其它位置，则需要采 用特殊的装置以保证焊剂对焊缝区的覆盖。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院 焊接厚度受到限制 由于埋弧焊时，当焊 接电流小于100A时电弧的稳定性通常变差，因 此不适于焊接厚度小于1mm以下的薄板。 对焊件坡口加工与装配要求较严 因为埋 弧焊不能直接观察电弧与坡口的相对位置， 故必须保证坡口的加工和装配精度，或者采 用焊缝自动跟踪装置，才能保证不焊偏。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院可焊接的钢种有：碳素结构钢、低合金 结构钢、不锈钢、耐热钢以及复合钢等。此 外，用埋弧焊堆焊耐热、耐腐蚀合金或焊接 镍基合金、铜基合金等也能获得很好的效果。3.埋弧焊的应用广泛应用于锅炉、压力容器、埋弧焊具有生船舶、桥梁、起重机械、工程产效率高、焊缝质机械、冶金机械以及海洋结构、量好、焊接熔深大、核电设备等制造，特别是当用机械化程度高等特于中厚板、长焊缝的焊接时具点有明显的优越性。School of与工程学院5.3 埋弧焊用焊接材料埋弧焊用的焊接材料是焊剂和焊丝。起着隔离空气、保护焊接金属不受空气侵害的作用焊剂的作用焊丝的作用对熔化金属进行冶金处理的作用焊接时熔化进入熔池，起到填充和合金化的作用尚未熔化的焊丝还起着导电的作用当被焊材料确定以后，焊缝的化学成分在很大程度 上取决于焊剂和焊丝的选配，因此，正确选配焊剂和焊 丝是埋弧焊工艺的一项重要内容。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院1.焊剂非氧化物性质熔炼焊剂 化 按SiO2含量 学 成 分 按MnO含量熔炼焊按CaF2含量剂酸性中性碱性高硅（大于） 中硅（）低硅（小于）高锰（大于） 中锰（） 低锰（） 无锰（小于）高氟（大于）中氟（） 低氟（小于）化学性质：氧化性；弱氧化性；惰性 颗粒结构：玻璃状；结晶状School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院院School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院2.焊丝焊丝主要是按照被焊材料的种类 进行分类，可以分 为碳素结构钢焊丝、 合金结构钢焊丝、 不锈钢焊丝、有色 金属焊丝和堆焊用 的特殊合金焊丝等。焊丝除要求其化学成 分符合要求外，还要求其 外观质量满足要求，即焊 丝直径及其偏差应符合相 应标准规定，焊丝表面应 无锈蚀、氧化皮等。此外， 为了便于机械送丝，焊丝 还应具有足够的挺度。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院3.焊剂与焊丝的选配1.高Si焊剂 焊接低碳钢或某些合金钢（a）高Si低Mn或无Mn焊剂/高Mn焊丝（Mn=1.5%1.9%）（b）高Si中Mn焊剂/含Mn焊丝（Mn=0.8%1.1%）（c）高Si高Mn焊剂/低碳钢焊丝或含Mn焊丝 应用最广泛的配合方式2、中Si焊剂： 合金结构钢3、低Si焊剂： 高合金钢（不锈钢，热强钢）School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院5.2埋弧焊的冶金特点1.冶金特点埋弧焊方法的特殊性，也使埋弧焊的冶金具有许 多自己的特点。（1）机械保护作用好焊接时，焊剂在电弧的作用下发生熔化，并 围绕电弧空间形成一个由液态熔渣膜构成的天然 屏障，能有效地阻止空气侵入电弧空间。其保护 作用好于焊条电弧焊时由焊条药皮提供的气渣 联合保护，这可以从焊缝中的含氮量得到证明。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（2）冶金反应充分这主要与埋弧焊使用的焊接热输入大有关。 焊接热输入大，使焊接区的金属处于液态的时间 长（比焊条电弧焊时长几倍），因而使得液态金 属、液态熔渣和气相之间的化学冶金反应更充分， 有利于焊缝得到预期的化学成分。同时熔池中的 气体、夹杂物容易逸出，有利于消除气孔、夹杂 等缺陷。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（3）焊缝的化学成分稳定在母材一定的情况下，焊缝的化学成分主要受两 方面因素影响：一个是焊接材料，即焊丝和焊剂，能 够决定焊缝的合金系统；另一个是焊接参数。当焊接 参数变化时，一方面要影响熔合比，使母材熔入的量 变化，进而影响焊缝的化学成分；另一方面能够影响 焊剂的熔化率，影响化学冶金反应进行的程度，从而 使焊缝的化学成分受到影响。由于埋弧焊时的焊接参 数稳定，因此当焊接材料、母材和焊接参数确定以后， 焊缝的化学成分波动较小。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（4）焊缝的组织易粗化这与埋弧焊时使用的焊接电流大，因而热输 入大有关。热输入大，使得熔池的体积大，熔池 金属高温停留时间长，冷却速度慢，这些因素都 使得埋弧焊焊缝晶粒容易长大，因此，在许多情 况下需要考虑通过焊接材料向焊缝中渗入微量合 金元素（如Ti、B等）以抑制组织粗化，获得比 较好的韧性。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院2.低碳钢埋弧焊时主要的化学冶金反应埋弧焊焊接时在电弧热的作用下，焊剂熔化 形成液态熔渣，焊丝熔化后要形成熔滴，母材局 部熔化后要形成熔池，此外，在电弧空间还有由 金属和焊剂的蒸气以及在冶金过程中析出的气体 组成的气相。因此，埋弧焊时的化学冶金反应也 是在液态金属，液态熔渣和气相三者之间进行。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院以低碳钢埋弧焊为例，主要发生以下反应：1).锰、硅的还原反应（1）锰、硅的还原反应Fe+(MnO) Mn+(FeO)2Fe+(SiO2) Si+2(FeO)锰和硅均是低碳钢埋弧焊焊缝中的基本成分。 其中，锰可以提高焊缝 金属的强度和韧度，并 能提高焊缝的抗热裂性 能；硅能镇静熔池，有 利于获得致密的焊缝。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院(2) 影响锰、硅过渡的因素焊剂的成分:焊剂中SiO2量增大，Si（过渡的Si量）增大，Mn降低焊剂中MnO量增大，Mn（过渡的Mn量)增大。（SiO2）+2Mn = Si+2（MnO）锰、硅的原始浓度:焊丝中Si含量增大，Si减小，Mn增大焊丝中Mn含量增大，Mn减少，Si增大焊剂碱度:碱度增大，自由态MnO含量增大，Mn碱度增大，自由态SiO2含量减小，Si焊接参数: a）Ia：Ia，熔滴存在时间短，Si Mnb）Ua：Ua，熔渣量增大，Si MnSchool of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院2)碳的氧化烧损C+O = COC+FeO = Fe+CO2C+（SiO2） = Si+2CO由于熔滴的温度高，因此，在熔滴形成和过渡过程 中氧化最为剧烈，熔池中氧化弱一些。影响因素： 焊丝母材中的含碳量Si抑制烧损，镇静熔池Mn 含量增加，无明显影响School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院3)去氢反应减少的措施主要有两方面：一是焊前清除铁锈、水分和有机物等，以杜绝 氢的来源；二是通过冶金反应将氢结合成不溶于熔池的化 合物，并排出熔池。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院形成HF两种方式：形成OH形成HF 当焊剂中同时含有大 量CaF2和SiO2时，能发生下列反应：2CaF2+3SiO22CaSiO3+SiF4 SiF4+3HSiF气3HF SiF4+2H2OSiO2气+4HF形成OH 在电弧高温的作用 下，OH可以通过下列反应形成：MnO+HMn+OHSiO2+HSiO+OHCO2+HCO+OHSchool of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院4). 脱硫和脱磷反应严格限制焊接材料和被焊材料中硫、磷的 含量，这是最根本的 途径；冶金反应减少硫、磷的含量增加焊丝中的含锰量，或增加焊剂中 的CaO、MnO等碱性氧化物含量，可以减少焊缝中的含硫量:FeS+Mn(MnS)+FeFeS+(CaO)(CaS)+(FeO)FeS+(MnO)(MnS)+(FeO)增加焊剂中的CaO等碱性氧化物的含量也可以减少焊缝中磷的含量，反应如下：2Fe3P+5(FeO)+3(CaO) (CaO)3P2O5)+11Fe 2Fe3P+5(FeO)+4(CaO) (CaO)4P2O5)+11FeSchool of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院5.4 埋弧焊设备埋弧焊设备的组成各种辅助设备埋机械系统弧焊埋弧焊机焊接电源设典型的焊车式埋弧焊设备构成备控制系统School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院埋弧焊设备的组成机械系统的作用是焊接时使焊丝不断地向电弧区给送，使焊接 电弧沿焊缝移动，以及在电弧的前方不断地铺撒焊剂等。焊接电源的作用是向焊接电弧提供电能，以及提供埋弧焊 工艺所需要的电气特性，如外特性、动特性等，同时参与 焊接参数的调节。控制系统的作用是实现包括引弧、送丝、移动电弧、停止移动电 弧、熄弧等在内的程序自动控制，并进行焊接参数调节和保持焊 接参数在焊接过程中稳定，使电弧稳定燃烧。辅助设备是为了使焊缝处于最佳施焊位置，或为了达到某些工艺目的所 配置的工艺装置，包括使焊件准确定位和夹紧的焊接夹具，使焊件旋转、 倾斜、翻转的焊件变位机，使焊接机头准确送到待焊位置的焊机变位机， 以及能自动回收焊剂的焊剂回收器等。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院5.5 埋弧焊焊接工艺1.埋弧焊焊接工艺的内容（1）焊接准备 包括选择与加工焊件坡口、焊前 清理焊丝和焊件、对焊件进行装配等。 （2）选择焊接工艺方法 包括选择单丝焊或多丝 焊，加焊剂衬垫或悬空焊，单面焊或双面焊，单层 焊或多层多道焊等。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（3）选择焊接材料 包括选择焊剂和焊丝。 （4）选择焊接参数 包括选择焊接电流、电弧电 压、焊接速度等，还包括是否采用焊前预热、焊 后缓冷或后热、焊后热处理等工艺措施，并确定 相关的工艺参数。（5）明确操作要求 包括确定所需的工艺装备、 焊缝层间清理的方法等。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院2. 焊前准备坡口的选择与加工板厚小 于 141222 mm大于22mmmm坡口不开坡口V或U形坡口双V或双U形坡口加工方法：坡口可用刨边机、气割机等设备加工。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院焊件的清理焊接前，必须将坡口及焊接部位表面的锈蚀、 油污、水分、氧化皮等清除干净。方法有手工清除 （如钢丝刷、风动砂轮等）、机械清除（如喷丸） 等。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院焊丝的清理和焊剂的烘干焊接前，必须将焊丝表面的油污、铁锈等污 物也清除干净。为防止氢侵入焊缝，对焊剂必须 严格烘干，而且要求烘干后立即使用。不同类型 的焊剂要求烘干的温度不同，应查阅相关的焊接 材料手册。例如，HJ431焊剂要求烘干250，2h；School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院焊件的装配焊件装配时，必须保证间隙均匀，高低平 整，特别是采用单面焊双面一次成形时更应注 意。定位焊的位置应在第一道焊缝的背面，长 度一般应大于30mm。在直缝焊件装配时尚需加 引弧板和熄弧板，以去除在引弧和收尾时容易 产生的缺陷，如弧坑等。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院3. 对接接头埋弧焊焊接工艺对接接头是焊接结构中使用最多的接头 形式。在对接接头焊接中，依据工艺方法可 分为对接接头单面焊和对接接头双面焊。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院对接接头单面焊接头单面焊是焊缝为对接接头焊缝，焊接时 只在焊件的一面焊，另一面不焊的工艺方法。为 了对接将焊件一次熔透和保证背面一次成形，焊 接时使用的焊接电流比较大，且背面需要施加强 制成形衬垫。由于这种工艺方法不需要翻转焊件， 因此可以提高生产率，减轻劳动强度。但由于焊 接热输入容易过大，焊接接头的韧度不易保证， 因此主要适用于中、薄板焊接。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（1）焊剂铜衬垫法生产方法 （2）水冷滑块式铜垫法 （3）热固化焊剂衬垫法School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院压垫r 5 0压 板2 5铜 垫 板焊剂铜衬垫School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院(2)水冷滑块式铜垫法该法是用一个短的水冷铜滑块紧贴在焊缝背面，焊接时随同电 弧一起移动，强制焊缝背面成形的方法。图5-22 拉紧滚轮架与移动式水冷铜滑块结构1-铜滑块 2-钢板 3-拉片 4-滚轮架 5滚轮 6-加紧调节装置 7-顶杆School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（3）热固化焊剂衬垫法该法是将热固化焊剂衬垫贴紧在焊缝背面，承托熔池，帮助焊缝 背面成形的方法。它可以解决上述方法不能解决的曲面焊缝单面 焊双面成形的问题。热固化焊剂垫的典型结构如图5-23a所示，可 使用磁铁夹具将其固定在焊件上（见图5-23b）。图5-23热固化焊剂垫构造与装备示意图School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院对接接头双面焊对接接头双面焊是对接接头埋弧焊用的最多 的工艺方法。其特点是焊完一面后，翻转焊件再 焊另一面，焊接过程全部在平焊位置完成，因此 焊接质量比较容易控制，对焊接装配的要求不是 太高，对焊接参数的波动敏感性不大。需要注意 的问题是在第一面焊接时既要保证足够的熔深， 又要防止熔化金属的流溢和烧穿。因此有必要焊 接时采取一些有效的工艺措施。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院(1)悬空双面焊法焊接第一面时，焊件背面不用任何衬垫或其他 辅助装置。为防止液态金属从间隙中流失或引 起烧穿，要求焊件在装配时不留间隙或间隙小 于1mm。焊接第一面时所用的焊接参数稍小， 通常使焊缝的熔深达到或略小于焊件厚度的一 半即可,然后翻转工件，采用比较大的参数焊 接，使焊缝的熔深达到焊件厚度的6070， 以保证焊件焊透。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院学院（3）临时工艺衬垫双面焊法焊接第一面焊缝之前，用薄钢带、石棉绳、石棉板等（4）焊条电弧焊封底双面焊法对于不便翻转且无法使用衬垫的焊件可以采用此方法。这类焊缝可根据板厚情况开或不开坡口。一般 厚板焊件背面封底的坡口形式为V 形，并保证封底厚度大于8mm，以 免正面埋弧焊时被烧穿。先用焊条 电弧焊从背面仰焊封底，再用埋弧 焊焊接正面的焊缝，当板厚大于40 mm时宜采用多层多道焊。图5-26是 图5-26 厚板焊条电弧焊封底的多层埋弧焊 典型的坡口形式。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（5）多层双面焊法当板厚超过40mm时，宜采用多层焊。多层焊时的坡 口一般多采用V形和X形，但都必须留有4mm的钝边和 适当的坡口角度，如果角度太小，易产生梨形焊道， 增加产生中心线裂纹的倾向School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院4.T形接头和搭接接头埋弧焊焊接工艺T形接头和搭接接头的焊缝均是角焊缝， 埋弧自动焊时，一般采用平角焊和船形焊两种 方法。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院平可这20-300即属缺单脚大另的20电弧电压也不宜太高，这样可以减少熔渣量和防止熔渣满溢。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院船形焊法-手 工 预 焊 缝钢 管铜 垫 板细 粒 焊 剂石 棉 绳细 粒 焊 剂焊 剂5. 20g钢制蒸汽锅炉上锅筒埋弧焊焊接工艺实例某锅炉厂生产的蒸汽锅炉上锅筒的工作条 件是：工作压力为2.5MPa，额定蒸发量为 20t/h，饱和蒸汽温度为225。采用20g镇 静钢制造，板厚为30mm。为了保证焊接质 量和提高生产率，纵缝和环缝均采用直流 埋弧焊方法焊接，定位焊采用焊条电弧焊。其结构和纵缝、环缝对接接头的坡口形式 和尺寸如图5-30所示。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（1）焊前准备 采用刨边机制作接头坡口， 并对坡口及其两侧各2030 mm范围的铁锈、 油污等杂质进行清理，使其露出金属光泽。在 焊剂垫上进行定位焊，与此同时，在筒体纵缝 两侧装配引弧板和熄弧板，尺寸均为150 mm100 mm30mm，坡口与产品相同。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（2）焊接材料 焊剂采用HJ431，焊 丝采用5 mm的H08MnA；定位焊的焊条 采用4mm的E4303（牌号为J422）。焊前， 焊剂在250烘干2h；焊条在150烘干2h。 经过烘干的焊剂、焊条放在100左右的封 闭保温筒里，随用随取。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（3）焊接参数 由于锅筒的纵缝和环缝的 钢板厚度一致，材质相同，坡口尺寸一致，因 此焊接时选用相同的焊接参数。均采用较小的 热输入进行多层焊，以提高焊接接头的塑性和 韧性。表5-18是焊接纵缝、环缝采用的焊接参 数。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（4）操作技术 采用悬臂式焊接操作机、滚轮 架、焊剂垫等辅助设备进行焊接（见图5-31）。施焊内纵缝、内环缝的第一道焊缝时，在背面 （指锅筒的外面）加平带张紧式焊剂垫。要求 纵缝的焊剂垫在焊缝整个长度上与焊件紧密贴 合，且压力均匀，以防止液态金属下淌（见5-24c）。焊完内环缝以后，焊接外环缝。层间温 度均控制低于250。环缝焊接时，无论是内环缝，还是外环缝，焊丝均与筒体中心线偏离 3545mm的距离（见图5-32）。其中，内环缝为上坡焊，外环缝为下坡焊。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院（5）检验 对锅筒的纵缝、环缝， 按照有关技术标准进行检验，结果为 合格。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院5.6埋弧焊的其它方法1 . 多丝埋弧焊多丝埋弧焊（Multile Wire Submerged Arc Welding）是同时使用两根或两根以上焊丝，完成同一条 焊缝的埋弧焊方法。其特点是在保证良好的焊缝成形和 焊接质量的同时，能够提高熔敷率和焊接速度。多丝埋 弧焊多用于厚板焊接，如厚壁压力容器、大型船体、H型 钢梁等。焊接时，一般采用焊件背面加衬垫的单面焊双 面成形焊接工艺，最多焊丝可达812根，焊接速度可达 120m/h以上，因此，具有比较高的焊接生产率 。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院双丝埋弧焊可以分用两个焊接电源，也可合用一个焊接 电源。前者设备较复杂，但两个电弧都可独立地调节功率，而 且可以采用不同的电流种类和极性，可以获得理想的焊缝成形； 后者设备简单，但每一个电弧功率难于单独调节。依据焊丝排 列方式和电源接法，可以分为纵列双丝埋弧焊、横列双丝并联 埋弧焊和横列双丝串联埋弧焊，School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院根据焊丝间距离的不同，又可分为单熔池式和双熔 池式两种。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院2. 窄间隙埋弧焊窄间隙埋弧焊(Nerrow-Gap Submerged Arc Welding)是一种用 于厚板对接接头焊接，焊前焊件不 开坡口或只开小角度坡口而留有窄 而深的间隙，采用多层埋弧焊进行 焊接的高效率焊接方法。成功地进行窄间隙埋弧自动焊必须 具备两个条件：第一必须有在窄缝内容易脱渣的焊 剂（常用高碱度烧结焊剂）；第二必须采用机头能自动跟踪焊缝的焊接设备。School of Material Science & Engineering中国矿业大学材料科学与工程学院焊件间隙的大小取决于焊件的厚度。对于单丝窄间隙埋弧自动焊： 当厚度为50200mm时，间隙宽为1420mm；当厚度为200350mm时，间隙宽为2030mm。焊接有