上海三一科技有限公司
张茂松
2010．5
初级焊工培训教材
第一讲 焊接冶金概念
第一节 熔焊的特点：
1、 熔焊是焊接过程中，利用局部加热的方法，将被焊工件的结合处加热到熔
化状态，不加压力，互相熔合，形成原子结合，凝固后连接在一起。按加热的热源不同，熔焊有电弧焊，气焊，气体保护焊等方法。
2、 熔焊过程共同特点是：在焊接过程中，工件的被焊处被外来的能量熔化后
在工件上形成了一个椭圆形的凹坑称为熔池。
根据不同的焊接方法熔池中液态金属有完全是熔化的母材形成，也有
填充材料和熔化母材两部分组成的。在手工电弧焊、气保焊、埋弧自动焊等焊接方法中随着电弧沿焊接方向移动，工件和填充材料不断熔化汇成新的熔池，电弧离开的熔池迅速冷却，凝固成焊缝。
3、 熔池的基本特点是：体积小，液态金属处于过热状态，冷却速度快，液态
金属在运动过程中结晶。
4、 熔池的形状对焊缝外观质量的影响：单纯从焊接操作技术而言，整个焊接
过程就是在控制熔池的形状。作业中不断根据熔池变化的形状，采用不同的运动手法，使熔池保持合适的形状。也就是说焊工把熔池控制得越合理，操作水平也就越高。
5、 熔池的形状对焊缝内部质量的影响：熔池金属结晶，最先是在熔池和基本
金属交界处，即从熔合线部位开始，向焊缝中心生长，形成柱状晶粒。焊缝中的杂质和低熔点合金元素（低熔点共晶体），也最易集中在最后结晶的部分，造成焊缝化学成分分布不均匀，通常称为偏析。偏析是焊缝产生热裂纹、夹渣、气孔的主要原因。熔池的形状、厚度对上述缺陷的形成有着必然的联系。
6、 焊接接头的结晶过程：金属被加热熔化，从液相冷却转变为固相的过程通
常称为一次结晶，而一次结晶完成以后的高温金属仍以一定的速度冷却到
室温，同时伴随着复杂的相变过程称为二次结晶。
7、 焊接接头的组成：焊接接头是由母材、焊接热影响区、焊缝、焊接凝固过
渡层（熔合区）组成。
8、 母材对焊接接头性能的影响：母材的化学成分决定了整个接头的组织、成
分、性能，其焊接性的优劣决定了整个接头的组织工艺参数的选择，它是
影响焊接接头性能的决定因素。
9、 母材热影响区的含义及对焊接接头性能的影响：简单点说，母材在焊接热
源作用下，组织、性能发生变化的区域称为焊接热影响区。
（1）热影响区的状态对焊接接头的力学性能起着决定因素。
（2）在不同的母材和不同的加热温度，热影响区的组织有所不同，现以易淬火
钢、不易淬火钢为例，说明热影响区的组织变化。
低碳钢大多不易淬火，焊后，热影响区可分为半熔化区、过热区、正火区
部分重结晶区，再结晶区，蓝脆区。
中碳钢属易淬火钢，焊后热影响区主要有硬化区和软化区。
10、焊接工艺参数的含义及在焊接过程中的作用：
焊接工艺参数是指在焊接过程中作用于焊接冶金所有的物理量。
在不同的工艺参数条件下，得到的焊接接头组织、性能都不一样，一般认
为工艺参数能够影响母材在被焊过程中进入焊缝的比例，称为熔合比。从
而影响焊缝金属的化学成分，工艺参数对热影响区的宽窄有着明显的作用，
因此工艺参数是影响焊接接头化学成分、组织和力学性能的重要因素。
第二讲 焊 接 材 料
一、电焊条
1、焊接冶金原理
焊条是由焊芯和药皮组成的。药皮在焊接过程中起着很重要的作用，能提高焊接电弧的稳定性、保护熔化金属不受外界空气的影响、脱氧精炼、渗加合金，以提高焊缝性能、改善焊接工艺性能等多种作用。为使焊条药皮达到以上目的，每种焊条都有7—9种以上原料配成。这里对公司最多使用的碱性焊条作简单介绍。
1） 稳弧剂 稳弧剂的作用是改善焊条引弧性能和提高电弧的稳定性。如
J507焊条采用电离电位较低的碱金属化合物。
2） 造气剂 造气剂的主要作用是生成保护气氛，同时也有利于熔滴过
渡。如J507含大量的碳酸钙。
3） 造渣剂 造渣剂的主要作用是形成具有一定物理性能、化学性能的熔
渣，产生良好的机械保护和冶金处理作用，保证焊缝金属的质量和
成形美观。
4） 脱氧剂 脱氧剂的主要作用是对熔渣和焊缝脱氧。碱性焊条是利用
硅、锰进行沉淀脱氧。
5） 合金剂 合金剂的主要作用是向焊缝金属渗入必要的合金成分，以补
偿已经烧损或蒸发的合金元素，结807焊条一般添加特殊性能的合
金元素。
6） 稀渣剂 碱性焊条流动性较好，主要原因其含有萤石，焊接过程中都
会出现凸面形状。
7） 粘结剂 粘结剂的主要作用是将药皮牢固地粘结在焊芯上。
2、碱性焊条的特点:
碱性焊条分为低氢钾型、低氢钠型两种，药皮主要组成物是碳酸盐矿石和萤石，碱度较高。熔渣流动性好，焊接工艺性能一般，焊波较粗，角焊缝略凸。焊接时要求焊条干燥，并采用短弧焊，焊接电源为直流反接。这类焊条可全位置焊接，焊条的熔敷金属具有良好的抗裂性和力学性能。公司履带起重机吊臂接头大量选用这类焊条。
碱性焊条具有较高的脱氧、脱氢、脱硫、脱磷的功能，在焊接过程中弧柱区如有油、锈、油漆、水等会出现较多的气孔，焊条发粘现象。
二、气体保护焊焊丝
1、焊丝简介 焊丝根据使用的保护方法不同可分为自保护、气保护两种。自保护焊丝通常制成药芯焊丝，焊接过程中熔池金属采用气渣联合保护或渣保护，焊丝如FR50—G。
气保护焊焊丝是由合金材料拉拔出特定规格细丝后装盘使用，有细丝、粗丝之分。其规格从￠0.8—￠1.2㎜称为细丝，￠1.6㎜以上的称为粗丝，公司目前生产几乎全采用细丝，如ER50—6、JM68、ER—76等。
2、实心焊丝混合气体保护焊 这种方法以半自动焊应用最普遍。所谓混合气体就是两种以上气体组成保护气体，公司现采用的是CO2+Ar2混合气体 。
3、实心焊丝CO2+Ar2 保护焊的冶金特点 实心焊丝含硅、锰等合金元素，采用CO2+Ar2 保护焊时在利用高速CO2+Ar2气体保护熔池金属不受空气侵入，同时硅、锰元素联合脱氧，还原氧化锰及氧化亚铁。克服了单纯的惰性气体电离势高，电弧漂移的缺点，解决了CO2氧化性气体含量过高造成焊缝金属含碳量增加的问题。实心焊丝采用混合气体还能有效减少焊缝产生气孔、飞溅、防止合金元素大量烧损，在焊接冶金过程熔池深度适中，焊缝成形较美观，接头力学性能较好。
4、实心焊丝配合CO2+Ar2 保护焊的工艺特点
1）优点 与手工电弧焊相比，焊接成本低，熔敷速度快，效率快3—5倍；与手工电弧焊相比，焊接变形量小得多且工人技能比较容易掌握；与纯Ar2 气体保护焊相比抗锈能力强、飞溅少；与埋弧自动相比，焊接使用范围广；与CO2 气体保护焊相比焊缝质量好。
2）缺点 如果在室外有风的地方施焊，保护效果不良； 产生的飞溅颗粒较大对母材污染较大； 混合气体成本贵。
三、熔敷金属的过渡方式
焊丝熔化并向母材过渡的形式有三种：三种的焊缝外观、形状和熔深都不一样。
1） 细颗粒状过渡 细颗粒状过渡形式多见于大电流的二氧化碳保护焊，细
颗粒状过渡的飞溅比喷射过渡稍大一些。这种过渡形式在焊接碳钢时焊
缝外观较差，熔深很浅，操作时尽量不采用。在焊接熔化极铝丝时可以
尽量采用。
2） 短路过渡形式 多见于二氧化碳保护焊接，在较小焊接参数的CO2+Ar2
保护焊时也容易形成，所以能够较好地进行薄板焊接。短路过渡二氧化
碳保护焊接、CO2+Ar2 保护焊焊缝成形好控制，易掌握，适用于平板焊
接和全位置焊接。缺点是熔深很浅。
3） 喷射过渡 这种过渡形态飞溅小，并能得到外观漂亮的焊缝。混合气体
保护焊很容易实现喷射过渡，在CO2气体保护焊条件下不会出现。全位
置焊接时控制焊缝成形难度较大。
第三讲 常用钢材常识
上海三一科技制造部目前使用钢制结构件用料主要有：低碳钢(A3钢、Q235钢)，低合金钢（Q290、Q345），低合金高强钢（HQ80C、20CrMnTi、15CrMo等），中碳调制钢（30号钢、35号钢、45号钢、40Cr等），焊接接头的性质有同种金属的焊接、异种金属的焊接，焊接接头使用条件基本处于较高载荷状态，因此对焊接工艺的制定提出很高的要求。
一. 同种金属的焊接
1.特征：被焊金属的化学成分、物理性能相近，力学性能相当，晶相组织差别不大的部件用熔焊的方法连接在一起，并实现原子结合的接头称为同种金属的焊接。如A3钢与Q290、Q345钢的焊接，20CrMnTi与20CrMnTi钢的焊接。
2.焊接材料选择：同种金属焊接选用焊条需遵循三个原则：（1）等强度的原则,即选用的焊接材料力学性能能够满足被焊金属力学性能的最低值，一般根据材料的抗拉强度水平确定焊材。（2）低匹配的原则，即选择的焊材抗拉强度不低于被金属抗拉强度的最低值。（3）工艺再现性的原则，即选用的焊材应判断被焊金属的焊接性，结构的刚性，可焊到性，设备及焊材供货情况。
3.焊接工艺：同种金属焊接的焊接工艺拟定是由被焊金属的焊接性而 决定，有焊接工艺评定法，经验估计法两种。经验估计法是根据被焊材料的力学性能，组织、化学成分，板材厚度，结构刚性，采用的焊接方法，工艺参数，环境温度等条件综合评估获得的焊接接头是否满足要求。最常用的是碳当量法，它可以粗略地估计材料裂纹倾向。三一公司的产品用料以低合金钢为主，在履带起重机的底座、主平台、履带架中以Q235+Q345钢为主体材料，这类材料焊接性优良，但由于板材较厚，且结构刚性大，焊后冷裂纹的可能性仍较大。目前采用富氩气体保护焊具有极高的抗冷裂性能，原因是富氩气体含有20﹪氧化性气体能使焊缝金属含氢量减少。另外焊丝的低匹配也使得焊缝凝固过渡区域
应力分散。泵车臂架的材料以低合金高强钢为主，材料的抗拉强度达到1000MPa以上，可能也是考虑抗裂性，焊接所用的焊丝（OK13.29）抗拉强度只有820MPa，从实际效果来看较理想。
二.异种钢（金属）的焊接
1.特征：由两种或两种以上的材料，其物理性能，组织成分，合金含量相差较大，通过焊接的方法联系在一起，成为异种钢焊接。其与同种钢焊接的不同是，异种钢焊接包括熔焊、压焊、钎焊等方法实现。三一生产中异种钢运用非常普遍，如：50T、80T、100T、150T履带车臂架上的接头是HQ80C+45号钢焊接，250T是HQ80C+40Cr钢焊接，400T是HQ80C+20CrMnTi钢焊接、Q345+40Cr钢焊接等等。异种钢焊接难度较大，工艺复杂，接头组织性能不稳定，焊接接头应力不均匀是其实质。
2.焊接材料的选用：我首先指出的是三一在异种钢焊接材料使用上过于随意，有一些工艺违背了异种钢选择焊材的最基本的原则，即等化学成分的原则和等强度的原则。等强度的原则具体内容是：①异种钢选用焊材时焊材的强度应高于被焊金属中强度较低的钢种，其韧性和塑性高于被焊金属强度高，韧性和塑性较低的钢种；②异种钢选用焊材时焊材还要满足抗裂性的要求，即焊材满足母材的强度要求后，不宜选用比实际需要强度更高的焊材。而我们目前在大多数产品的此类焊缝中截然相反。异种钢选择焊材还要防止焊缝及接头产生冷裂纹和热裂纹，焊材还应具有良好的工艺性能，焊缝美观，焊缝金属组织具有稳定性，其物理性能要与两母材相适应。
3.焊接工艺：异种钢焊接时最主要的问题是容易产生裂纹，三一现场制造着重防止冷裂纹，可采用焊前预热、焊后后热、整体热处理等工艺，厚板可采用开坡口、多层焊、气保焊代替手工焊，合理选用焊条、焊丝，限制焊接线能量，防止接头脆化。
第四讲 焊 接 检 验
焊接检验包括焊前检验、焊接过程中检验、焊后成品检验。
一、焊前检验内容：
1、 焊工资格检查包括：
（1） 钢制结构件的焊接工作，必须由质保部和人力资源部技术考核并得到认可
后的焊工担任。
（2） 焊工考试合格的内容与焊接产品类型适应方可施焊。
2、 材料控制
（1） 待焊材料上的材质标记、确认标记、工件图号、台号与图纸、工艺规定相
一致。
（2） 重要钢制结构件所用焊材的牌号、类别、规格与焊接工艺相一致。
（3） 焊工使用的焊接材料应按规定摆放，如果焊条应放在保温筒内，每次取出
的焊条存放在保温筒里时间不超过4小时。
（4） 焊前环境检查，在下雨、下雪或风速≥2米/秒时，应有有效的防护措施；
当气温低于0℃时，应在始焊处100mm范围内预热到15℃左右。
（5） 焊接坡口的型式和尺寸应符合图纸、工艺要求。坡口表面无明显缺陷、油、
锈、脏物应清除干净。焊道边缘20mm锈、氧化皮磨干净。
二、焊接过程检验
（1） 引弧、收弧只准在熔化焊道里进行、完成。产品两端要求较高的焊缝应装
上引弧板。
（2） 组装时应尽量避免强行拼装，在拼装、校正后的定位焊应检查定位焊缝表
面有无裂纹等缺陷。
（3） 工艺要求预热焊接的工件，预热范围板厚的三倍，且不小于100mm，温度
测在焊缝外50mm处进行。
（4） 根据焊接工艺进行如下内容检验并按要求填写焊接检验记录卡：
a. 施焊时间 b.焊接方法 c.母材和焊材 d.坡口型式 e.焊接电流、焊接电压、焊速 f.预热温度、层间温度 j. 焊接层数、层间是否打磨返修
三、 焊后焊缝检验
1、目测交检焊缝表面质量，焊缝表面不得有未熔合、裂纹、气孔、弧坑和夹渣、飞溅物，咬边应符合公司规定的要求，即咬边深度﹤0.5mm，且≤全长的10%。
2、目测检查后，应侧重检测对接焊缝的余高，高度差、宽度差、角焊缝的角高是否符合设计要求，焊趾与工件是否圆滑过渡。
3、构件焊后几何尺寸是否受焊接影响产品超标变形，经校正的工件应对焊缝再进行检验。
4、焊缝经检查合格后需进行无损探伤的焊缝应有钢印标记，并有记录备忘。
5、焊缝返修应由焊接技术人员、检验员、操作人员共同分析焊接缺陷产生的原因，并制定返修方案后在检验员的监督下作业。
四、检验知识
1、角焊缝角高：被焊工件从一个工件到另一个工件的焊趾垂直距离。
2、咬边：焊缝与母材熔合线上产生带有棱角的槽沟。危害：①使焊接接头不连续。②产生应力集中。③削弱接头的静载强度。④易使结构产生脆断及疲劳断裂。
3、未熔合：熔敷金属在堆积过程中未将母材或前道焊缝熔化的现象。危害：致命缺陷，呈直线状或椭圆形条纹，位于焊缝两侧的交界处，其产生后焊接接头功能很快失效。
4、裂纹：有热裂纹、冷裂纹、再热裂纹等。危害：致命缺陷，裂纹在应力下
扩张造成焊接接头功能失效。
5、火口裂纹：多出现在收弧不当的弧坑上，为区域偏析与拉伸应力所造成。
6、裂纹性质的判断：母材焊接性，结构的刚性，焊接工艺措施。
7、裂纹的形态：①冷裂纹呈直线的细条状无氧化色。
②热裂纹略带曲折的波浪状或锯齿状细条纹有氧化色。
8、未焊透：焊缝中间部位或根部未焊到的现象，危害在焊道根部产生较大的应力集中，严重时会出现冷裂纹。
9.应力集中：结构中存在着应力分布，在某一部位应力水平高于平均水平的现象称为应力集中。危害：是产生结构脆断和塑性断裂的主要因素。
10.焊接线能量：单位长度焊缝接受焊接热源输入的热能源。其对焊接热影响区组织、晶粒度、接头的力学性能影响较大。
第五讲 混 和 气体 保 护 焊
混合气体保护焊是在惰性气体（如Ar 、He）中加入一定的氧化性气体（如O2、CO2、CO2+ O2）作为保护气体，以燃烧于工件间的电弧作为热源的一种电弧焊接方法。混和气体保护焊主要用于碳钢和某些低合金钢的焊接，汽车制造、工程机械、化工机械、矿山机械和电站锅炉等行业得到广泛应用。
一、混和气体保护焊的特点及熔滴过渡
1.混合气体保护焊的特点
用于Ar作保护气体时，电弧容易漂移，不够稳定，容易使焊缝产生气孔;而在Ar中加入少量的O2等氧化性气体时，不仅电弧稳定、飞溅少，而且在较小的临界电流下，能获得稳定的轴向射流过渡和脉冲射流过渡。混合气体保护焊克服了熔化极氩弧焊和CO2焊的一些缺点，具有以下优点。
（1）飞溅低，熔敷效率高。
混合气体中混合比例适当时，在焊接过程中产生的飞溅很少，焊丝的熔敷效率很高。CO2+ Ar混合气中Ar与CO2混合比例不同时的飞溅率和熔敷效率如图
1.1所示。可以看出采用80
﹪Ar+20﹪CO2作保护气体时，飞溅率最小、熔敷效率最高。
（2）合金元素的过渡系数大
与CO2气体保护焊相比，混合气体保护焊的合金元素过渡较大，元素烧损程度较轻。Ar混合气中Ar与CO2混合比例随着CO2 的含量增加，合金元素的过渡系数逐渐减低。
（3）焊缝的含氧量低
与CO2气体保护焊相比，混合气体保护焊焊缝金属的含氧量较低，Ar混合气中Ar与CO2混合比例随着CO2 的含量增加，焊焊缝金属的含氧量也增
加。
（4）焊接薄板时工艺参数范围大
采用混合气体保护焊或CO2保护焊来焊接薄板时，可获得优质焊缝，焊接工艺参数调节范围较大，80﹪Ar+20﹪CO2作保护气体时，获得优质焊缝的工艺参数范围比用CO2保护焊时要大得多，这说明焊接薄板时混合气体保护焊比CO2保护焊更容易控制。
（5）焊缝成形好
采用混合气体保护焊获得的焊缝，焊缝表面光滑，成形美观。当80﹪Ar+20﹪CO2作保护气体时，焊缝表面质量最好。
2.混合气体保护焊的熔滴过渡
采用混合气体保护焊时，熔滴过渡临界电流的大小影响到熔滴过渡的难易程度，从而也影响到焊接的效率和质量。临界电流的东西收混合气体成分、焊丝材质、焊丝直径和电弧极性等因素的影响，熔滴的过渡形式不同，影响熔滴过渡临界电流的因素也不同。
（1）射滴过渡
混合气体保护焊的射流过渡是一种稳定的熔滴过渡形式，焊接钢材时熔滴一滴一滴地向熔池过渡，飞溅不大，焊缝底部的熔合线呈弧形，整个焊缝成形良好。射流过渡的熔滴过渡濒率与焊接电流、电弧电压有关系，熔滴过渡频率随着焊接电流的增加而加快，并且熔滴稳定过渡到电流区间较大。
1） 焊丝材质和直径的影响
通常对于熔点低、熔滴热含量小的焊丝，射流过渡临界电流较小，如铝焊丝均比钢焊丝的临界电流低。随着焊丝直径的增加，临界电流也逐渐增加。
2） 混合气体成分的影响
O2、CO2对射流过渡的影响较大。
（2）短路过渡
采用短路过渡混合气体保护焊时，为了稳定焊接过程，熔滴尺寸越小、过渡数度越快越好，短路过渡时产生的飞溅很少，主要是熔滴轴向性强、短路过
渡过程平稳、短路峰值电流也不太高、CO气体生成少。
飞
溅
率
CO2 100 80 60 40 20 0
Ar 0 20 40 60 80 100
（3）射流过渡
焊接电流较小时，熔滴过渡形式为大滴过渡和射滴过渡。当电流增加到某一数值后，熔滴过渡状态发生明显变化。（例如熔滴过渡频率急剧增加，熔滴尺寸减小等）。焊丝端部呈铅笔尖状，电弧烁亮区呈锥状形，中间的黑线部分是从焊丝端部脱落的一个个的金属熔滴。熔滴的尺寸通常是焊丝直径的0.3-0.6倍。射流过渡时，大约有20％的焊丝金属是通过金属蒸气的形式向熔池过渡的。烁亮区温度高达约10000℃，是弧柱中电流的主要通道。射流过渡时电弧电压、电流和电弧声的波形都比较平稳，所以熔滴过渡过程中不易引起电弧形态的改变，几乎不产生飞溅。射流过渡时电弧产生强烈的等离子流，熔滴脱离焊丝的加数度也很大，所以重力对熔滴过渡的影响很小，可采用射流过渡混和气体保护焊进行全位置焊接。影响射流过渡的因素有：
1）.焊丝直径的影响
射流过渡临界电流随着焊丝直径的增大而增加，这是因为焊丝直径越大，焊丝端部形成的熔滴尺寸大，这就需要更大的能量使弧根面积扩大以及弧柱扩张，才能够实现“跳弧”，所以射流过渡的临界电流值也就越大。
2)．焊丝成分的影响
焊丝中Ｍｎ的含量增加易形成射流过渡，这是为Ｍｎ蒸发能力倾向最强，焊丝中的Ｓｉ的含量增加不易形成射流过渡，这是因为硅和氧的亲和力强形成氧化物阻碍了锰的蒸发，使得临界电流值增高。实芯焊丝射流过渡的临界电流值高于药芯焊丝。实践证明，碳钢焊丝射流过渡的临界电流值高于不锈钢焊丝。 ３）焊丝外伸长度的影响
焊丝的外伸长度越大电阻热增加，使焊丝预热作用加强，越容易产生跳弧，从而使得临界电流值越低。
４）气体成分的影响
纯CO2气体保护焊不会产生射流过渡，纯氩气体保护焊熔滴过渡几乎是射流过渡，混合氩中少量的CO2气体对电弧电压有较大的影响，随着CO2气体的增加，电弧电压增加，临界电流值增高。