造船焊接与切割技术的知识

1、第3讲 焊条电弧焊基础授课内容： 接头形式与坡口准备 焊条电弧焊接工艺特点 电焊条基本知识 弧焊电源及辅助设备接头形式与坡口准备常见接头形式在船体结构中，经常采用对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头等形式。接头形式与坡口准备对接接头坡口形式对接接头是船体结构中常见的接头形式，多用于船体外板、甲板、内底板和舱壁板等构件间的联接。坡口是根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽。接头形式与坡口准备当两板厚度差大于4mm时，根据规定厚板边缘加工成斜边，以使其均匀过渡。接头形式与坡口准备T形接头是船体结构和海洋平台结构中采用最多的一种接头形式。在船体结构和海洋平台结构中有些

2、受力不大的构件，可采用间断填角焊缝(节约、提高效率、减小变形)。接头形式与坡口准备船体结构与海洋平台中，若外板与内侧型材、腹板无法直接使用角焊缝联接可采用塞焊作增强联接，如舵结构、船尾柱等。L2+15mm多层多道焊针对V形或X形坡口，为保证完全焊透常需要背面刨根进行双面焊，不能进行双面焊时，可在背面设垫板进行单面焊焊接位置焊接位置平焊：最容易施焊，重力、表面张力、电弧吹力和电磁力均有利于熔滴过渡，焊缝形状易控制，可选用粗焊条、大电流横焊：在重力作用下，熔池中的铁水易下淌，致使焊缝上部熔合线处出现咬边，下部出现焊瘤或未焊透，较小电流(平焊和立焊之间)和短弧焊；立焊：熔池中铁水易下淌，焊缝成形困难

3、，选用小直径焊条和短弧焊，电流比平焊小10%-15%；仰焊：重力阻碍熔滴过渡，熔滴过渡困难，工作人员易疲劳，是最难焊的一种位置。细焊条、小电流(平焊和立焊之间)，最短的焊接电弧。角焊、船形焊：平角焊焊条与水平成45，前倾角70-80；焊接时选用的焊接电流可比平角焊大。焊接图是图示焊接加工要求的一种图样，它应将焊接件的结构、与焊接的有关内容表示清楚。 在视图中，焊缝可用一组细实线圆弧或直线段（允许徒手画）表示，如图15-1a、b、c所示，也可采用粗实线表示，如图15-1d、e、f所示。焊缝符号焊缝符号焊缝符号一般由基本符号和指引线组成。必要时还可以加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸符号等。基本符号

4、是表示焊缝横剖面形状的符号，它采用近似于焊缝横剖面形状的符号表示，如表所示。基本符号采用实线绘制（线宽约为0.7b）。辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号，线宽要求同基本符号，见上表。不需确切地说明焊缝的表面形状时，可以不用辅助符号。辅助符号补充符号补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征而采用的符号。 工作原理: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熔渣的保护来防止空气的侵入。 焊条电弧焊工作原理焊条电弧焊工作原理焊条电弧焊是采用低电压、大电流放电产生电弧，依靠电焊条瞬时接触工件实现。引弧技术引弧：将焊条末端与焊件短路，然后迅速将焊条提起约2-4mm的距离，电弧即引燃

5、。引弧的方法有两种：敲击法(垂直)和划擦法(划动) 运条技术运条是在恒定弧长下，沿焊接方向前进，又做一定的横向摆动，保证边缘熔透，并熔敷一定量金属，从而获得优良的焊缝。运条由三个基本运动合成，分别是焊条的送进运动、焊条的横向摆动运动和焊条的沿焊缝移动运动。 焊条电弧焊工艺特点1）焊条电弧焊设备简单、重量轻，操作灵活方便，适应性强，可达性好；2) 可焊金属广泛；3) 待焊接头装配要求较低；4) 劳动条件差，熔敷速度慢，生产率低。电弧的温度焊条电弧焊接时，电弧温度约在6000左右熔化极气体保护焊接时，电弧温度约10000左右。焊接钢材时，阴极温度约为2400 ，阳极温度约为2600 ，正极（阳极）

6、上产生的温度要比负极（阴极）温度高200500。焊条电弧焊应用范围1）可焊工件厚度范围 可以焊接钢板厚度为 1.5 mm ；一般在340mm之间。2）可焊金属范围a）能焊的金属有：碳钢、低合金钢、不锈钢、 耐热钢、铜、铝及其合金；b）能焊但可能需预热、后热或两者兼用的金属有：铸铁、高强度钢、淬火钢等c）不能焊的金属有：低熔点金属如Zn、Pb、Sn及其合金；难熔金属如Ti、Nb、Zr等。3）最合适的产品结构和生产性质a）结构复杂的产品、具有各种空间位置、不易实现机械化或自动化焊接的焊缝；b）单件或小批量的焊接产品c）在安装或修理部门 焊接工艺参数焊条电弧焊的工艺参数主要包括：焊条直径、焊接电流、

7、电弧电压、电源极性、焊接速度等。直径(d)2.02.53.24.05.06.0长度(l)250/300350350/450350/450450450电流 I (A)408050 10090150120 200180270220 360经验公式 最小 （A） 最大 20d40d 30d50d 35d60d 焊条直径与焊接电流的关系 表1焊条直径：主要依据工件厚度、接头型式、焊缝位置以及焊接层数等。工件厚度小于4mm时，焊条直径约等于工件厚度。工件厚度大于4mm时，焊条直径可在36mm范围内选择。立焊时，焊条直径不超过5mm。仰焊或横焊时，焊条直径不超过4mm。平焊时，可用大直径焊条。多层焊时，底

8、层焊缝应选用细直径焊条，以后各层可适当增大焊条直径，提高生产率焊接工艺参数焊条直径：工件厚度、接头型式、焊缝位置以及焊接层数等焊接电流：取决于焊条直径、焊接位置和板厚电弧电压：与电弧长度有关电源极性：低氢型碱性焊条采用直流反接，酸性采用交直流两用，优先选用交流，焊厚板时可采用直流正接，薄板反接焊接速度：由焊工掌握。电焊条焊条一方面与母材形成电弧，另一方面熔化过渡到熔池与熔化母材组合，冷却后形成焊缝。焊条由焊芯和涂料药皮组成。根据药皮与焊芯的重量比，即药皮重量系数(K)，可分为厚药皮焊条(30-50%)和薄药皮焊条(1-2%)。焊芯采用焊接专用的金属丝。牌号首位字母“H”代表焊，尾部字母“A”优

9、质钢，“E”特优质钢，如H08A、H08E、H10MnSi等 厚药皮熔滴过渡飞溅形式熔深情况焊缝形式 焊缝的厚度和韧性 (机械性能指标) 热裂纹和冷裂纹 (焊缝含氢量) 焊条的焊接方式、 起弧方式和熔滴过渡 药皮厚度对飞溅、 焊缝形式和熔深等。药皮厚度对飞溅焊缝形式和熔深影响图13药皮厚度越大 ,焊接飞溅率越低 ,脱渣性能越好。E4303：E表示焊条，43表示熔敷金属抗拉强度 430MPa，0表示焊条适合于全位置焊接，03表示焊接电流种类为交流或直流区反接，及药皮为钛 E5015 E 表示焊条，50 表示熔敷金属抗拉强度 500MPa，1 表示焊条适用于全位置焊接，15 表示焊条为低氢钠型药皮

10、，直流反接。 J422 J表示焊条为结构钢焊条，42 表示焊缝金属抗拉强度 420MPa，2 表示焊条为钛钙型药皮，交直流正反接 J507 J表示焊条为结构钢焊条，50 表示焊缝金属的抗拉强度 500MPa，7 表示焊条为低氢钠型药皮直流反接。E 43 11表示适合全位置焊(0/1全位置焊，2平焊及平角焊，4立向下焊)表示焊条药皮高纤维钾钙型，交流或直流反接(电流种类及药皮类型)表示熔敷金属抗拉强度最小值表示焊条焊条药皮的作用 提高电弧的导电性 a）电弧引弧变易。 b）提高焊接性能。 造渣 a）影响熔滴的大小 b）可阻止有害气体的侵入（ N 2和O2） c）决定焊缝的成型 d）防止焊缝快速冷却

11、 造气 a）通过有机物 b）通过碳酸盐（比如：CaCO3） 脱氧及合金化 锰铁、硅铁、钼铁图12 带或不带药皮焊条情况无药皮有药皮电弧不稳电弧稳定无药皮有药皮保护气罩药皮无保护气罩焊条分类和使用按使用目的：堆焊、连接焊、切割和水下焊接等。按焊缝化学成分：碳钢、低合金钢、高强钢、 非金属及铸铁按技术要求：焊缝机械性能、电流种类、极性、 熔敷率、暂载率、焊接位置、 焊缝形式、焊缝含氢量按药皮类型：酸性药皮（A）、碱性药皮（B）、 金红石药皮（R）、纤维素药皮（C）按制造类型: 指压制方式 药皮中的组成物可概括6类药皮焊条的属性，即，主要由药皮决定的焊接性能和焊缝金属的机械性能。1)-稳弧剂:低电离

12、势元素，如碳酸钾、钾水玻璃、钠水玻璃2)-造渣剂：金红石、大理石、钛铁矿等3)-造气剂：碳酸盐或有机物，如白云石、淀粉等4)-脱氧剂：对氧亲和力元素，如锰铁、硅铁、钼铁等5)-合金剂：补偿合金元素烧损6)-粘接剂：把药皮粘结在焊芯上，如钾水玻璃、钠水玻璃 所须的各种材料大致分类如下：氧化物：Fe3O4，Fe2O3，2Fe2O3 3H2O，MnO2，FeTiO3酸性材料：SiO2，硅土，脂肪，粘土，混凝土，粗面岩，漂土Kal-Si3O3，H2KAl3SiO12，Al4（OH）8Si4O10等碱性材料：CaCO3，MgCO3，FeCO3，MnCO3，BaCO3等液态材料：CaF2，AlF3.3Na

13、F其它材料：（粘接物质或造气物质）：糊精、矿物质、硝酸甘油、纤维素、浆糊、人造松香、纸、动物脂肪、淀粉、糖等粘接剂：K2O.SiO2.NH2O、水玻璃铁及亚铁合金：Al、Fe、Mn、Ni粉、亚Cr、亚Mn 、亚Mo、 亚Si、亚Ti、亚V、亚W等重要焊条药皮类型主要特点A酸性 此类型焊条药皮中含有大量的铁氧化物，引起氧势偏高，和脱氧剂（含铁-锰）。对于厚药皮，酸性熔渣形成细熔滴过渡，产生平滑焊缝。酸性药皮焊条只在定位焊接中使用，有局限性，并且比其他类型药皮焊条更易受影响，而导致硬化裂纹。B碱性此类型焊条厚药皮的特征是：主要由大量碱土金属的碳酸盐组成，例如，碳酸钙（石灰）和氟石。为了改善焊接性能

14、，特殊情况下使用AC进行焊接，需要附加非碱性成分（如，金红石和/或石英）。碱性药皮有两大性能： a)焊缝金属的冲击功比较高，特别是在低温状态下； b)比其他类型药皮更能抵抗裂纹的产生，其焊缝金属的高金属纯度可抗凝固裂纹，同时可减少冷裂纹的发生，在烘干状态下施焊时得到的焊缝金属的扩散氢含量低于其他类型，不超过可允许的上限H=15ml/100g焊缝金属。通常碱性药皮焊条适用于除PG焊外的全位置焊接。如果附加特殊成分，则适于PG焊。重要焊条药皮类型主要特点C纤维素 此类型药皮内含有大量的可燃物质，尤其是纤维素，由于强弧特性特别适用于立向下（PG）焊。R金红石 此类型焊条为粗大熔滴过渡，从而确保焊条适

15、于金属薄板的焊接。金红石类型焊条适用于除立向下（PG）焊外的全位置焊接。RR厚药皮金红石 此类型焊条药皮与药芯的直径比率大于或等于1：6。其特点是药皮中含有大量的金红石成分，再引弧性能良好，焊缝波纹整齐。重要焊条药皮类型主要特点RC金红石纤维素 此类型焊条的药皮组成与金红石焊条相似。但是此类型包含大量的纤维素。因此适用于立向下（PG）焊RA金红石酸性 此混合型药皮焊接性能基本上相当于酸性药皮。但是，药皮中铁氧化物的比例由金红石取代。因此基本上为厚药皮，适用于除立向下（PG）焊外的全位置焊接。RB金红石碱性 此类型焊条药皮的特点是：含大量的金红石和碱性成分。重要焊条药皮类型主要特点对电焊条基本要

16、求 1)引弧容易，电弧稳定，金属飞溅少。2)焊条熔化速度应均匀，并稍慢于焊条芯的熔化速度。3)熔渣的黏度及流动性应适当,凝固后脱渣性好。4)焊条在焊接过程中应具有渗入合金和冶金的作用，以保证焊缝金属和焊接接头的力学性能及物理性能，并保证焊缝不产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷。5)焊条应适合全位置焊接，药皮强度要高，不易脱落、受潮，同心度好，焊接时放出的有害气体应尽量少。正确选择焊条的主要意义 1）有助于保证在焊接生产过程中不产生裂纹、气孔等工艺缺陷。2）保证焊接接头的机械性能满足设计要求。在具有特殊使用要求的产品上，则是保证焊接接头达到相应的特殊性能指标，如低温性能、中、高温性能，特定介质中的抗腐蚀

17、性能等。 选用焊条应考虑的基本原则： 1)焊接材料的力学性能和化学成分； 2)焊件的使用性能和工作条件； 3)焊件的结构特点和受力状态； 4)施工条件及设备；5)改善操作工艺性能； 6)合理的经济效益 。焊条的正确使用与保管 图19 几种矿物质吸湿率与放置时间的关系 图20 室温时，不同空气湿度条件下碱性焊条的吸湿性焊条的正确使用与保管图21 不同相对湿度下，空气中水份的含量与温度的关系 焊条的正确使用与保管焊条的焊前再烘干问题 焊条在出厂前经过高温烘干，并用防潮材料以袋、筒、罐等形式包装，起到一定防止药皮吸潮作用，一般应在使用前拆封，考虑到焊条长期贮运过程中难免受潮，为确保焊接质量，用前仍须

18、按产品说明书的规定进行再烘干。再烘干温度由药皮类型确定一般酸性焊条取70150范围，最高不超过250，烘焙ll.5h，碱性焊条取300400范围，保温l2h。关于焊条的保管 焊条一怕受潮变质二怕误用乱用。这关系到焊接质量和结构安全使用的问题，必须十分重视。重要产品，如锅炉压力容器的制造，一般都把焊接材料的管理列入质量保证体系中的重要一环，建立严格的分级管理制度，一级库主要负责验收、贮存与保管，二级库主要负责焊材的预处理(如再烘干等)，向焊工发放和回收等。焊条电弧焊的设备组成 焊条电弧焊设备主要由焊接电源、焊接电缆、焊钳、地线夹、防护用具等组成。焊条电弧示意图 焊接电源 弧焊电源的负载是电弧，它

19、的电气性能要适应电弧的特性。弧焊电源需要具备以下工艺性能和电气性能：保证引弧保证电弧稳定，焊接规范稳定对弧焊电源外特性有一定要求对弧焊电源的调节性能、动特性有一定要求焊接电源要求1）一定的空载电压焊接时，焊件上往往存在一些油污、锈或其它杂质，为保证引弧，应具备较高的空载电压。但是空载电压也不能太高(Pe=U0Ie)，否则能量消耗多，对人员安全造成影响。为确保交流电弧稳定燃烧：U0(1.82.25)Uh为保证交流电弧功率稳定：2.5U0/Uh1.57交流弧焊电源：U0=55V-70V直流弧焊电源：U0=45V-70V焊接电源要求2）下降的外特性电源的外特性：一定电源，改变负载，电压与电流之间的关

20、系。焊机外特性有三种形式：即下降特性(陡降、缓降)、平特性和上升特性。 1陡降外特性曲线 2缓降外特性曲线 3上升特性曲线 4乎特性曲线对于相同的弧长变化，陡降外特性焊机所引起的电流变化要比缓降外特性焊机所引起的焊接电流变化小得多。 对弧焊电源外特性要求焊条电弧焊时,焊工很难保持弧长恒定。因此，应选用陡降外特性的弧焊电源，当焊接非平焊位置的焊接或装配间隙大小不均的接头根部焊道时，宜采用具有较为缓降外特性的弧焊电源。如果为了提高引弧性能和电弧熔透能力，而须增加焊接短路电流时，可以选用更为理想的恒流加外拖的外特性的弧焊电源。 陡降的外特性曲线1太长2正确3太短焊接电压Us（V）焊接电流 Is（A)

21、图7 焊条电弧焊时 Us = f (Is) 变化过程 具有陡降外特性电源优点 容易控制熔池的尺寸，限制电弧电流的最大值。确保了电弧的稳定性。电弧短路时不会产生过大电流。对空载电压要求 弧焊电源空载电压越高越容易引弧，但电击的危险性越大，对交流电源高的空载电压能使电弧燃烧稳定。但是空载电压高，则设备额定容量大，体积增加，重量大，功率因数低，不经济，而且不安全。我国标准GB/T 8118-1995规定了不同工作环境下各类弧焊电源的空载电压的限值。 对弧焊电源调节特性的要求 焊接时须按焊件材质、厚度、坡口形式、焊接位置等选用不同的焊接工艺参数。与弧焊电源有关的焊接参数主要是电弧的工作电压和电流，弧焊

22、电源应能保证在所需的宽度范围内均匀而又方便地调节这两个参数，并能满足电弧稳定，焊缝成形好的工艺要求。按生产经验，国家标准(GB/T 81181995)对负载电压与焊接电流调节范围作了规定。对弧焊电源动特性的要求 1）当电弧负载状态突然发生变化时，弧焊 电源输出电压与电流的响应过程。要求迅 速建立起电弧，短路后再引然电弧时，电源电压再短时间内应恢复到一定数值，电压恢复越快对稳弧越有利。2）焊接过程要求瞬时短路电流峰值大小要适当。从空载至短路的瞬时短路电流峰值大小要适当；从负载至短路的瞬时短路电流峰值大小要适当。电源的主要技术参数 （1）暂载率:是表示焊接电源工作状态的参数 暂载率 =负载时间/负

23、载时间+空载时间 x 100% =负载时间/工作周期 x 100% 接通时间=10分钟(标准化) 下降特性的： 35%，60%，100%（2）额定焊接电流:按额定工作条件焊接时，能符合标准规定而输出的电流。允许焊接电流（IS）= 额定焊接电流 （ID） （3）焊接电流调节范围常用焊条电弧焊电源 按输出电流种类不同分（ ISO 60974 ） 弧焊变流器 弧焊整流器 直流弧焊电源 弧焊逆变器 弧焊变压器 交流弧焊电源 焊接电源交流弧焊机的主要优点是成本低、制造维护简单，噪声较小；缺点是不能适应碱性焊条，且焊接电压、电流容易受到电网波动的干扰。 1初级绕组；2、3次级绕组；4动铁芯；5静铁芯；6接

24、线板；7摇把直流弧焊机的优点是电弧稳定，焊条适应性强；缺点是成本较高，制造维修较复杂，重量较重。由于优点明显，直流弧焊机是大有前途的。 焊接电源逆变直流弧焊机 逆变交流弧焊机焊条电弧焊设备的构造 直流弧焊设备的构造简图项 目直流弧焊机交流弧焊机电弧稳定性高低极性可换性有无构造与维修稍复杂简 单工作时噪声很 少较 小供电方式一般为三相供电一般为单相供电触电危险性较 小较 大功率因数较 高较 低耗能指数小较 大成本较 高低重 量较 轻轻两类焊机的性能比较 焊接电源弧焊变流器的特点及缺点弧焊变流器的特点：电网电压波动时仍能保证焊接规范的稳定性。它与弧焊整流器相比，还具有较强的过载能力和输出脉动小。弧

25、焊变流器的缺点：制造复杂、燥声与空载损耗大、效率低、经济技术指标不高以及维修复杂等。弧焊变流器适用范围：适合各种弧焊电源 弧焊整流器的特点及缺点弧焊整流器的特点：与弧焊变流器相比，其特点是制造方便、价格较低、空载损耗小、节约能源、噪声小等优点。弧焊整流器的缺点：电弧稳定性较弧焊变流器差。弧焊整流器适用范围：适合各种弧焊电源 弧焊变压器的特点及缺点弧焊变压器的特点：结构简单、制造容易、成本低、空载损耗小以及噪声较小等。弧焊变压器的缺点：电弧稳定性较差，功率因数较低及焊接规范随网络电压的波动而变化。弧焊变压器适用范围：可用于一般焊接结构的酸性焊条电弧焊，也可作为钨极氩弧焊和埋弧自动焊的电源。弧焊逆

26、变器的特点焊接电流可微调，调节性能好、反应速度快、输出电流稳定，适宜遥控与微机控制、功率小、功率因数高、重量轻等；具有热起弧功能；具有起弧防粘措施。最大特点是：有一个直流电变交流电的过程。逆变一词是相对整流而言，直流变交流过程称为整流，反之，称为逆变。 弧焊电源选择原则1)必须满足焊接工艺与技术提出的要求；2）对电源的空载电压、输出电流的类型、外特性形状、动特性和工艺参数的调节范围等有着不同的要求；2）应能获得好的经济效果，在满足工艺要求的前提下应选择高效节能、结构轻巧灵便、维修容易，造价低廉的弧焊电源。3)新选用的弧焊电源必须能适应现场的工作环境、水与电供应条件、机械化与自动化水平、操作人员的技术素质等情况。 弧焊电源选择方法选择弧焊电源要求在焊接方法确定之后进行应充分掌握各种弧焊方法对电源的基本要求以及各类弧