V形坡口平对接焊条电弧焊的操作技巧

任务描述

1.掌握焊条电弧焊焊接参数的选择方法和焊接工艺措施。

2.掌握V形坡口平对接焊条电弧焊操作技术。

任务分析

焊接参数和焊接工艺措施是影响焊接质量的决定性因素。只有选择了正确的焊接参数和焊接工艺措施，才能保证焊缝质量。本任务通过板对接平焊训练使学生掌握V形坡口双面焊接的操作方法并加深对焊条电弧焊焊接工艺的理解。

相关知识

一、焊条电弧焊的焊接参数

焊接参数是为保证焊接质量而选定的各项参数（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入等）的总称。

焊条电弧焊的焊接参数通常包括：焊条型号、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接层数等。正确选择焊接参数是获得质量优良的焊缝和较高的生产率的关键。

1.焊条型号

通常根据工件的化学成分、力学性能、工作环境等方面的要求，以及焊接结构承载的情况和弧焊设备的条件等，选择合适的焊条型号，以保证焊缝金属的要求。

为了提高生产率，在焊接生产中，应尽量选用较大直径的焊条，但是用直径过大的焊条焊接，会造成焊缝成形不良，因此必须正确选择焊条的直径。焊条直径的选择与下列因素有关：

（1）工件厚度 当工件厚度大于5mm时，应选择直径为4.0mm或5.0mm的焊条；在焊接薄工件时，应选用直径为3.2mm或2.5mm的焊条。

（2）焊缝位置 在板厚相同的条件下，平焊时选用的焊条直径比其他位置时选用的焊条直径大一些，立焊时一般选用直径为3.2mm或4.0mm的焊条，仰焊、横焊时选用的焊条直径应不超过4mm。

（3）焊接层数 在进行多层焊时，打底焊应选用直径较小的焊条，以保证将第一层焊道根部焊透，以后各层可选用直径较大的焊条。

（4）接头形式 搭接接头、T形接头因为不存在全焊透问题，所以应选用直径较大的焊条，以提高生产效率。

2.焊接电流

焊接时，适当增大焊接电流，可以加快焊条的熔化速度，从而提高工作效率。但是过大的焊接电流会造成焊缝咬边、焊瘤、烧穿等缺陷，而且金属组织还会因过热而发生性能变化。焊接电流过小则易造成夹渣、未焊透等缺陷，从而降低焊接接头的力学性能。选择焊接电流的主要依据是焊条直径、焊缝位置、焊条类型，特别是凭焊工的焊接经验来调节合适的焊接电流。

（1）焊条直径 一般可以根据经验公式来确定焊接电流范围，再通过试焊，逐步得到合适的焊接电流。经验公式为

I_h=（30～55）d

式中 I_h——焊接电流（A）；

d——焊条直径（mm）。

不同直径焊条使用的焊接电流参考值见表2-19。

表2-19 不同直径焊条使用的焊接电流参考值

（2）焊缝位置 在焊条直径相同的条件下，平焊时，由于熔池中的熔化金属容易控制，因此可以选择较大的焊接电流。立焊和横焊时的焊接电流比平焊时小10%～15%，而仰焊时的焊接电流比平焊时小10%～20%。

（3）焊条类型 在焊条直径相同时，碱性焊条使用的焊接电流比酸性焊条使用的小一些，否则，焊缝中易形成气孔。奥氏体不锈钢焊条使用的焊接电流要比碳钢焊条使用的小一些，否则会因焊芯电阻热过大使焊条药皮过热而脱落。

（4）焊接经验

1）焊接电流过大时：电弧吹力大，熔滴向熔池外飞溅，焊接时爆裂声大；焊缝成形宽而低，容易产生烧穿、焊瘤、咬边等缺陷；运条过程中熔渣不能覆盖熔池，不能起到保护作用，焊缝成形波纹粗糙；过大的电流使焊条熔化到大半根时，余下部分已发红。

2）焊接电流过小时：电弧吹力小，熔渣和金属液不易分清；焊缝窄而高，熔深浅，焊缝两侧与母材金属熔合不好，会产生未焊透、夹渣等缺陷；电弧燃烧不稳定，焊条容易粘在工件上。

3）合适的焊接电流：焊缝两侧与母材金属熔合得很好，呈圆滑过渡；运条时，以正常的焊接速度移动，熔渣会半盖半露着熔池，液态金属和熔渣容易分清。

3.电弧电压

焊条电弧焊的电弧电压主要由弧长决定。电弧越长，电弧电压就会越高；电弧越短，电弧电压就会越低。

在焊接过程中，应力求使用短弧焊接，电弧过长会出现下列不良现象：

1）对熔化金属的保护差，空气中氧、氮等有害气体容易侵入，使焊缝产生气孔的可能性增加，从而降低焊缝金属的力学性能。

2）电弧燃烧不稳定，飞溅增多，电弧热能分散。

3）容易产生咬边、未焊透、焊缝表面高低不平、焊波不均匀等缺陷。

立焊、仰焊时的弧长应比平焊时的短一些，以利于熔滴过渡，防止液态金属下淌。碱性焊条焊接时的弧长应比酸性焊条焊接时的短一些，以利于电弧的稳定和防止气孔。所谓短弧，一般是指长度为焊条直径0.5～1.0倍的电弧。

4.焊接速度

单位时间内完成的焊缝长度称为焊接速度。焊接速度应适当，既要保证焊透，又要保证不会烧穿，而且还要使焊缝宽度和高度符合图样设计要求。

如果焊接速度过快，则熔池温度不够，易造成未焊透、未熔合、焊缝成形不良等缺陷。如果焊接速度过慢，则使高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒粗大，力学性能降低，当焊接较薄件时，易将其烧穿。

在保证焊缝质量的基础上，应采用较大的焊条直径和焊接电流，同时适当加快焊接速度，以提高焊接生产率。

5.焊接层数

当工件较厚时，一般要开坡口并采用多层多道焊。在进行多层多道焊时，后层焊道对前层焊道重新加热和部分熔合，可以消除前层焊道存在的偏析、夹渣及一些气孔。同时，后层焊道还对前层焊道有热处理作用，能改善焊缝的金属组织，提高焊缝的力学性能。因此，对一些重要的结构，焊接层数多一些为好，每层厚度最好不大于4mm。

6.热输入

热输入是指熔焊时，由焊接能源给单位长度焊缝输入的能量。在电弧焊时，焊接能源是电弧，通过电弧将电能转换为热能，利用热能来加热和熔化焊条及工件。电弧产生的热量有一些损耗，如飞溅带走的热量，辐射、对流到周围空间的热量，熔渣加热和蒸发所消耗的热量等，即电弧功率中有一部分损失，真正加热工件的有效功率为

P₀=ηIU

式中 P₀——电弧有效功率（W）；

η——电弧有效功率系数；

I——焊接电流（A）；

U——电弧电压（V）。

各种电弧焊方法在通用焊接参数条件下的电弧有效功率系数见表2-20。

表2-20 各种电弧焊方法在通用焊接参数条件下的电弧有效功率系数

由有效功率计算公式可知，当焊接电流大、电弧电压高时，电弧的有效功率就大，但是单位长度的焊缝上所得到的能量不一定多，因为工件受热程度还受焊接速度的影响。在焊接电流、电弧电压不变的条件下，加大焊接速度，工件受热程度减轻，因此热输入为

E=ηIU/v

式中 E——热输入（J/mm）；

I——焊接电流（A）；

U——电弧电压（V）；

v——焊接速度（mm/s）。

当焊接电流增大或焊接速度减慢，使焊接热输入增大时，过热区的晶粒粗大，韧性严重降低；反之，热输入减小时，硬度虽有提高，但韧性要变差。因此，对于不同钢种和不同焊接方法，存在一个最佳的焊接参数，需要通过一系列试验来确定合适的热输入和焊接参数。

二、焊条电弧焊工艺

为了保证焊接质量，对于焊接性较差的金属材料要采取预热、后热和焊后热处理等工艺措施。

1.预热

（1）预热的作用 在焊接前对焊件的全部或局部进行加热的工艺措施称为预热。预热能降低焊后冷却速度。对于给定成分的钢种，焊缝及热影响区的组织和性能取决于冷却速度。对于易淬火钢，通过预热可以减小淬硬程度，防止产生焊接裂纹。另外，预热可以减小热影响区的温度差别，在较宽范围内得到比较均匀的温度分布，有助于减小因温差造成的焊接应力。因此，在焊接有淬硬倾向的钢材时，应采用预热措施。

对于铬镍奥氏体不锈钢，预热使热影响区在危险温度区的停留时间增加，从而增大腐蚀倾向。因此，在焊接铬镍奥氏体不锈钢时，不可进行预热。

（2）预热温度及预热方法 预热温度应根据工件的成分、结构刚度、焊接方法及环境因素等进行综合考虑，并通过焊接性试验来确定。在多层多道焊时，还要注意层间温度。所谓层间温度，是指在施焊后续焊道之前，相邻焊道应保持的温度。层间温度不应低于预热温度。

预热一般是在坡口两侧约80mm范围内均匀加热，加热宽度应大于5倍板厚。预热方法有火焰加热、工频感应加热和红外线加热等方法。

2.后热

（1）后热的作用 焊接后立即对焊件的全部（或局部）进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施称为后热。后热的作用是减缓焊缝和热影响区的冷却速度，避免形成淬硬组织，使氢逸出焊缝表面，防止裂纹产生。对于冷裂纹倾向性大的低合金高强度钢等材料，有一种专门的后热处理，称为消氢处理，即在焊后立即将焊件加热到250～350℃温度范围，保温2～6h后空冷。消氢处理的目的主要是使焊缝金属中的扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响区中的氢含量，以防止产生冷裂纹。

（2）后热的方法 除加热温度与预热温度有所不同外，后热的加热方法、加热区宽度、加热区域等与预热的相同。

3.焊后热处理

（1）焊后热处理的目的 焊后热处理是将焊件整体或局部加热保温，然后炉冷或空冷的一种处理方法。焊后热处理的作用是降低焊接残留应力，软化淬硬部位，改善焊缝和热影响区的组织和性能，提高接头的塑性和韧性，稳定结构的尺寸。最常用的焊后热处理是在600～650℃范围内进行的去应力退火和低于Ac₁点温度的高温回火，另外还有用于改善铬镍奥氏体不锈钢耐蚀性的稳定化处理等。

（2）焊后热处理的方法

1）整体加热处理。将焊件置于加热炉中进行整体加热处理，可以得到满意的处理效果。焊件进炉和出炉时的温度应在300℃以下。

2）局部热处理。对于尺寸较长，不便进行整体处理，但形状比较规则的简单筒形容器或管件等，可以进行局部热处理。局部热处理时，应保证焊缝两侧有足够的加热宽度。局部热处理常用火焰加热、红外线加热、工频感应加热等方法。

一般在下列情况下要考虑进行焊后热处理：

1）处在低温下工作的压力容器或其他焊接结构，特别是在脆性转变温度以下使用的压力容器。

2）母材金属强度等级较高，产生延迟裂纹倾向较大的普通低合金钢。

3）承受交变载荷工作，有疲劳强度要求的构件。

4）有应力腐蚀和焊后要求几何尺寸稳定的焊接结构。

5）大型受压容器。

任务准备

1）工件：Q235钢板两块，尺寸为300mm×125mm×12mm。

2）焊接材料：E4303型焊条，直径为3.2mm或4.0mm。

3）焊接设备：BX1—330型或BX3—300型交流弧焊电源。

4）防护用品及辅助工具：防护面罩、焊工手套、脚罩、锉刀、钢丝刷、砂布、金属直尺、角向磨光机、敲渣锤。

5）清理工件：清理坡口面及正反两侧20mm范围内的油污、铁锈，直至露出金属光泽。

6）装配定位

①装配间隙始端为3mm，终端为4mm。

②定位焊。采用型号为E4303（ϕ3.2mm）的焊条进行定位焊。定位焊的位置在工件两端坡口内，定位焊缝长度为10～15mm。定位焊电流比打底焊电流约大10%。

③预留反变形角度约为3°。

④错边量不大于1.2mm。

任务实施

V形坡口平对接焊条电弧焊焊件图如图2-13所示。(www.xing528.com)

图2-13 V形坡口平对接焊条电弧焊焊件图

1.确定并调试焊接参数

焊接参数见表2-21。

表2-21 焊接参数

2.打底焊

从工件间隙较小的一端引弧，引燃后，将电弧拉长，对试板进行预热（时间为2～4s），然后压低电弧在两钝边间做横向摆动，当钝边熔化的铁液与焊条金属熔滴连在一起，并听到“噗噗”声时，熔孔形成，如图2-14所示。将焊条提起1.5mm，然后以锯齿形短弧向前运条。在正常焊接时，2/3的电弧在工件正面燃烧，1/3的电弧在工件背面燃烧，焊条与焊接方向的夹角为65°～80°，与焊道左右两边的夹角为90°。熔孔的大小直接影响背面焊道成形。因此，如果发现熔孔增大，则应稍提起焊条，同时减小焊条与前进方向的角度；当熔孔缩小时，应压低电弧，同时增大焊条与前进方向的夹角。

3.填充焊

填充焊时，在距始端10mm处引弧，然后将电弧拉回开头处施焊。焊接时，焊条做横向锯齿形摆动，摆动幅度应逐层加大，并在坡口两侧稍作停留，焊条角度为80°～85°，并控制焊道高度为1mm左右。

更换焊条时，在弧坑前约10mm处引弧，然后将电弧退至弧坑2/3处，填满弧坑后，正常进行焊接，如图2-15所示。

图2-14 熔孔位置及大小

图2-15 更换焊条时的电弧轨迹

4.盖面焊

把填充焊的电流稍调小一点，进行盖面焊。盖面焊的引弧要领及接头方法与填充焊的相同。施焊时，焊条做锯齿形横向摆动，摆动至坡口两侧时稍作停留，以保证焊透。坡口边缘熔化1～2mm，前进的速度要均匀一致，使焊缝高低平整。

5.焊接结束

1）将焊件表面的飞溅物和焊渣清理干净。焊件表面不得用磨光机修整。

2）检查焊缝质量。

师傅说现场

接头时，电弧应落在弧坑的适当位置，且熔焊时间应适当。若电弧落点偏后，且熔焊时间过长，则接头部位焊缝过高；若电弧落点偏前，则焊道脱节。焊接时应注意保证熔池边缘不超过表面坡口棱边2mm，否则，焊缝过宽。

检查评议

V形坡口平对接焊条电弧焊操作评分表见表2-22。

表2-22 V形坡口平对接焊条电弧焊操作评分表

问题防治

1.出现夹渣

原因：焊接电流太小以致液态金属和熔渣分不清；焊接速度过快，使熔渣来不及浮起；多层焊时清渣不彻底；焊条角度不正确。

防止措施：正确选用焊接电流及运条角度；保持适当的焊接速度，焊件坡口角度不宜过小；多层焊时认真做好清理工作；保持正确的焊条角度。

2.出现咬边

原因：焊接电流过大，电弧过长；坡口内填充量不足就进行盖面焊；运条时，焊条在焊缝两侧停顿时间少，运条角度不正确。

防止措施：正确选择焊接电流和焊接速度，采用短弧焊接；掌握正确的运条方法和运条角度；焊缝两侧要做适当停顿。

3.焊接接头不良

原因：换焊条时间过长；收弧方法不当。

防止措施：换焊条速度要快；将收弧处打磨成缓坡状。

4.背面出现焊瘤

原因：运条方法不当；焊接速度过慢；焊接电流过大。

防止措施：掌握正确的运条方法；适当加快焊接速度；适当减小焊接电流。

5.出现未焊透

原因：运条方法不当；焊接速度过快；焊接电流过小；弧长过长。

防止措施：掌握正确的运条方法；适当降低焊接速度；适当增大焊接电流；采用短弧焊接。

扩展知识

2000m³球形储罐的焊接生产

球形储罐外形如图2-16所示。它由南北极（各1块）、南北寒带（各16块）、南北温带（各24块）及赤道带（24块），总计106块球瓣组成，支撑在12根外径为529mm，壁厚为8mm的钢管柱脚上。焊缝总长度为650m。

该球形储罐按GB12337—1998制造。该标准对制造球壳钢板作了较为严格的规定：对球壳瓣片的成形要求，如曲率公差、几何公差、球壳组装及焊后各参数的公差（如装配间隙、错边量、角变形、直径等的公差）等都作了严格的规定；特别是对焊接质量有严格的要求，如双面焊的对接焊缝需经100%射线或超声波探伤检查，全部焊缝进行表面裂纹检查等。

根据上述要求，为保证产品质量，在焊接时采取以下措施：

图2-16 球形储罐结构

1—南极板 2—拉杆 3—下温带板 4—支柱 5—中间平台 6—上温带板 7—螺旋盘梯 8—赤道带板 9—北极板 10—顶部平台

1）原材料需进行复验。超声波探伤要符合压力容器用钢板超声波探伤标准；钢材力学性能及化学成分要符合有关标准或规定。

2）防止球瓣片的加工脆化。在冷压成形之前，钢板需进行低温（550～580℃）回火，且一次下料切割出坡口。

3）冲压好的球瓣要逐块进行坡口磁粉检查，以便及时发现切割、冲压产生的微裂纹。

4）为减小焊接应力与变形，除球瓣加工形状需经严格检查外，还需将球瓣整圈在工厂进行预装配，留好间隙，以防止工地装配时因间隙不合要求而进行强制装配。

5）为减少工地焊接工作量，对每两块板先进行焊接。焊接在球形焊接夹具上进行。夹具分凹凸两种，前者焊内焊缝，后者焊外焊缝。用装配马和圆弧形加强板定位焊缝，以减小焊接变形。

6）在工地装配各球带后开始焊接。装配时，除使用上述装配马和圆弧加强板外，在球内安装中心轴并连接各片的拉杆，用螺栓调整使球板固定在中心轴四周。

7）为保证不致因应力过大而产生裂纹，需采用预热及后热措施，并在第一层或第一、二层采用逆向分段焊。为防氢裂，焊条应严格烘干。

8）为使变形均匀，应力较小，每条焊缝由两名焊工施焊。每个球带上的全部纵缝同时施焊，如赤道带、南北温带，分别由24名焊工同时焊接。全部环缝也分段同时施焊。

9）工序间的质量检验需在焊完一面，反面拆除装配马、圆弧加强板，清除焊根，排除未焊透等缺陷，用砂轮磨光后进行。用磁粉探伤检查有无裂纹。焊缝质量合格后才可继续施焊。

全部焊完，后热结束24h后，再进行超声波和X射线探伤，使延迟裂纹不致漏检。

水压试验前后，都需进行焊缝表面的磁粉探伤。

球形储罐的其他焊缝，例如支柱与赤道带连接的焊缝也采用同样的工艺措施。

考证要点

一、填空题

1.为保证焊接质量而选定的各项参数的总称称为____。

2.在进行多层焊时，打底焊应选用直径____的焊条进行焊接，以保证将第一层焊道根部焊透。

3.焊后将焊件置于加热炉中进行整体加热处理称为____。这样可以改善焊缝和热影响区的组织和性能，提高接头的塑性和韧性，稳定结构的尺寸。

4.____是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。

5.焊条电弧焊的电弧电压主要由____决定。

6.在焊接开始前对工件的全部或局部进行加热的工艺措施称为，能降低焊后冷却速度，可以减小热影响区的温度差别。

二、选择题

1.在焊条直径相同时，碱性焊条与酸性焊条相比，使用的焊接电流____。

A.较小 B.较大 C.相等 D.不能确定

2.最常用的焊后热处理是在____温度范围内进行的去应力退火。

A.300～350℃ B.400～450℃ C.500～550℃ D.600～650℃

3.当焊接电流增大或焊接速度减慢使焊接热输入增大时，焊缝金属的韧性____。

A.明显提高 B.严重降低 C.基本不变

4.焊接时，适当加大焊接电流，可以加快焊条的熔化速度，从而提高工作效率。但是过大的焊接电流，会造成焊缝____等缺陷，而且金属组织还会因过热而发生性能变化。

A.咬边 B.未熔合 C.夹渣 D.气孔

5.搭接接头、T形接头不存在全焊透问题，所以应选用____的焊条直径，以提高生产效率。

A.较小 B.中等 C.较大

6.当工件较厚时，一般要开坡口并采用____焊。

A.单层 B.两层 C.多层 D.多层多道

三、判断题

1.对于尺寸较长不便整体处理，但形状比较规则的简单筒形容器或管件等，可以进行局部热处理。 （ ）

2.当焊接电流过大时，焊缝两侧与母材金属熔合不好，会产生未焊透、夹渣等缺陷；当电弧燃烧不稳定时，焊条容易粘在工件上。 （ ）

3.不同的钢种和不同的焊接方法存在一个最佳的焊接参数，需要通过一系列试验来确定合适的热输入和焊接参数。 （ ）

4.在板厚相同的条件下，平焊焊缝选用的焊条直径比其他位置焊缝选用的大一些，立焊一般使用直径为3.2mm、4.0mm的焊条，仰焊、横焊时选用的焊条直径不超过4mm。 （ ）

5.对于有淬硬倾向的钢材，不需要采用预热措施。 （ ）

6.焊接速度应适当，既要保证焊透，又要保证不会烧穿，而且还要使焊缝宽度和高度符合图样设计要求。 （ ）

四、简答题

1.焊条电弧焊的焊接参数包括哪些？如何正确选择焊接参数？

2.什么叫做焊后热处理？焊后热处理的目的是什么？

3.工件预热的作用是什么？预热的方法有哪些？