焊接與切割系列基礎知識

第一章焊接與切割基礎知識

第一節(jié)焊接與切割概述

一、焊接與切割的基本原理及分類

（一）基本原理

在金屬結構及其它機械產(chǎn)品的制造中常需將兩個或兩個以上的零件按一定的形式和尺寸聯(lián)接在?起，這種聯(lián)接

通常分兩大類，?類是可拆卸的聯(lián)接，就是不必損壞被聯(lián)接件本身就可以將它們分開、如螺栓聯(lián)接等，見圖1一1。

另一類聯(lián)接是永久性聯(lián)接，即必須在毀壞零件后才能拆卸，如焊接。

（a）（b）

圖機械聯(lián)接

（a）螺栓聯(lián)接（b）硼釘聯(lián)接

焊接就是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且使用或不用填充材料，使工件達到結合的方法。

為了獲得牢固的結合，在焊接過程中必須使被焊件彼此接近到原子間的力能夠相互作用的程度。為此，在焊接

過程中，必須對需要結合的地方通過加熱使之熔化，或者通過加壓（或者先加熱到塑性狀態(tài)后再加壓），使之造成原

子或分子間的結合與擴散，從而達到不可拆卸的聯(lián)接。

（二）焊接方法的分類

按照焊接過程中金屬所處的狀態(tài)及工藝的特點，可以將焊接方法分為熔化焊、壓力焊和釬焊三大類。

圖1-2永久性聯(lián)接焊接

熔化焊是利用局部加熱的方法將聯(lián)接處的金屬加熱至熔化狀態(tài)而完成的焊接方法。在加熱的條件下，增強了金

屬原子的功能，促進原子間的相互擴散，當被焊接金屬加熱至熔化狀態(tài)形成液態(tài)熔池時，原子之間可以充分擴散和

緊密接觸，因此冷卻凝固后，即可形成牢固的焊接接頭。常見的氣焊、電弧焊、電渣焊、氣體保護焊、等離子弧焊

等均屬于熔化焊的范疇。

壓力焊是利用焊接時施加一定壓力而完成焊接的方法。這類焊接有兩種形式，一是將被焊金屬接觸部分加熱至

塑性狀態(tài)或局部熔化狀態(tài)，燃后施加一定壓力，以使金屬原子間相互結合形成牢固的焊接接頭，如鍛焊、接觸焊；

摩擦焊和氣壓焊等就是這種類型的壓力焊方法。二是不進行加熱，僅在被焊金屬接觸面上施加足夠大的壓力，借助

于壓力所引起的塑性變形，以使原子間相互接近而獲得牢固的壓擠接頭，這種壓力焊的方法有冷壓焊、爆炸焊等。

釬焊是把比被焊金屬熔點低的釬料金屬加熱熔化至液態(tài)，然后使其滲透到被焊金屬接縫的間隙中而達到結合的

方法。焊接時被焊金屬處于固體狀態(tài)，工件只適當?shù)剡M行加熱，沒有受到壓力的作用，僅依靠液態(tài)金屬與固態(tài)金屬

之間的原子擴散而形成牢固的焊接接頭。釬焊是?種古老的金屬永久聯(lián)接的工藝，但由于釬焊的金屬結合機理與熔

焊和壓焊是不同的，并且具有一些特殊的性能，所以在現(xiàn)代焊接技術中仍占有一定的地位，常見的釬焊方法有烙鐵

釬焊、火焰釬焊、感應釬焊等多種方法。

焊接方法的分類可見圖1—3所示。

H?

手工電孤燥

電孤岸

自動埋孤焊

鋁熱炸

等離子弧餌

熔化則

電渣餌

電子束餌

c*uJ8z氣體保護焊

氣電燥｛

I惰性氣體保護焊

激光婢

■摩擦婢

俄餌

(點煤

電阻炸，凝

餌接一《焊

對

壓力蜴1餌

氣壓焊

超聲波惇

冷壓憚

爆炸焊

烙鐵釬焊

高頻感應釬怦

釬?叫國硬/軟釬纖理煤火焰懺熄

電阻釬憚

爐中懺熄

鹽浴釬焊

圖1一3焊接的分類

(三)切割的方法和分類

按照金屬切割過程中加熱方法的不同大致可以把切割方法分為火焰切割、電弧切割和冷切割三類。

1.火焰切割

按加熱氣源的不同，分為以F幾種。

⑴氣割

氣割(即氧一乙快切割)是利用氧一乙快預熱火焰使金屬在純氧氣流中能夠劇烈燃燒，生成熔渣和放出大量熱量

的原理而進行的。

(2)液化石油氣切割

液化石油氣切割的原理與氣割相同。不同的是液化石油氣的燃燒特性與乙快氣不同，所使用的割炬也有所不同：

它擴大了低壓氧噴嘴孔徑及燃料混合氣噴口截面，還擴大了對吸管圓柱部分孔徑。

(3)氫氧源切割

利用水電解氫氧發(fā)生器，用直流電將水電解成氫氣和氧氣，其氣體比例恰好完全燃燒，溫度可達2800~3000℃,

可以用于火焰加熱。

(4)氧熔劑切割

氧熔劑切割是在切割氧流中加入純鐵粉或其它熔劑，利用它們的燃燒熱和廢渣作用實現(xiàn)氣割的方法為氧熔劑切

割。

2.電弧切割

電弧切割按生成電弧的不同可分為：

(1)等離子弧切割

等離子弧切割是利用高溫高速的強勁的等離子射流，將被切割金屬部熔化并隨即吹除、形成狹窄的切口而完成

切割的方法。

(2)碳弧氣割

碳弧氣割是使用碳棒與工件之間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉，實現(xiàn)切割的方法。

3.冷切割

切割后工件相對變形小的切割方法有：

(1)激光切割

激光切割是利用激光束把材料穿透，并使激光束移動而實現(xiàn)切割的方法。

(2)水射流切割

水射流切割是利用高壓換能泵產(chǎn)生出200?400MPa的高壓水的水束動能，來實現(xiàn)材料的切割。

二、焊接與切割的發(fā)展概況及應用

（一）焊接與切割技術的發(fā)展概況

我國是最早應用焊接技術的國家之一。根據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，遠在戰(zhàn)國時期的一些金屬制品，就已采用了焊接技術。

從河南輝縣玻璃閣戰(zhàn)國墓中出土的文物證實，其殉葬銅器的本體、耳、足就是利用釬焊來聯(lián)接的；在800多年前宋

代科學家沈括所著的《夢溪筆談》書，就提到了焊接方法。其后，在明代科學家宋應星所著的《天工開物》一書

中，對鍛焊和釬焊技術也作了詳細的敘述。上述事實說明，我國是一個具有悠久的焊接歷史的國家。

氣焊大約是在1892年前后出現(xiàn)，那時使用的是氫氣一氧氣混合氣體。氫氧混合氣體的燃燒溫度最高能達到

2000C左右，因此，只能焊接較薄的工件，而且使用氫氣很不安全，容易發(fā)生爆炸事故。所以，在工業(yè)上未被廣泛

采用。

到了1895年，發(fā)明了用電爐制造碳化鈣（俗稱電石）的方法之后，又發(fā)現(xiàn)了乙快氣（電石與水接觸后產(chǎn)生的氣體）

和氧氣混合燃燒，可以得到更高的溫度（3200C）,在1903年，氧氣一乙烘氣火焰被運用到金屬焊接上去，奠定了氣

焊技術的基礎。

近代主要的焊接技術一電弧焊，是在電能成功地應用于工業(yè)生產(chǎn)之后發(fā)展起來的。20世紀初，作為焊接設備的

正式產(chǎn)品——手工電弧焊機問世。20年代后期電阻焊和40年代后期埋弧焊、惰性氣體保護焊相繼獲得應用，50年

代CO2氣電焊、電渣焊、摩擦焊、電子束焊、超聲波焊和60年代等離子弧焊、激光焊、光束焊相繼出現(xiàn)，使焊接

技術達到了新的水平。近年來，太陽能焊機、冷壓焊機等新型焊接設備開始研制，特別是在焊接生產(chǎn)自動化及電子

計算機在焊接切割生產(chǎn)中的應用方面有很大發(fā)展，將會使焊接切割技術的發(fā)展達到一個新階段。

（二）焊接與切割的應用

焊接是一種應用范圍很廣的金屬加工方法，與其它熱加工方法相比，它具有生產(chǎn)周期短、成本低，結構設計靈

活，用材合理及能夠以小拼大等一系列優(yōu)點，從而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。如造船、電站、汽車、石油、

橋梁、礦山機械等行業(yè)中，焊接已成為不可缺少的加工手段。在世界主要的工業(yè)國家里每年鋼產(chǎn)量的45%左右要用

于生產(chǎn)焊接結構。在制造一輛小轎車時，需要焊接5000?12000個焊點，一艘30萬噸油輪要焊1000km長的焊縫，

一架飛機的焊點多達20?30萬個。此外，隨著工業(yè)的發(fā)展，被焊接的材料種類也愈來愈多，除了普通的材料外，

還有如超高強鋼、活性金屬、難熔金屬以及各種非金屬的焊接。同時，由于各類產(chǎn)品日益向著高參數(shù)（高溫、高壓、

高壽命）、大型化方向發(fā)展，焊接結構越來越復雜，焊接工作量越來越大，這對于焊接生產(chǎn)的質(zhì)量，效率等提出了更

高的要求。同時也推動了焊接技術的飛速發(fā)展，使它在工業(yè)生產(chǎn)中的應用更為廣闊。

三、學習焊接切割安全技術的必要性

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，焊接技術的應用愈來愈廣泛，與此同時，伴隨出現(xiàn)的各種不安全、不衛(wèi)生的因素嚴重地威脅

著焊工及其它生產(chǎn)人員的安全與健康。為切實保護工人的安全與健康，國家經(jīng)貿(mào)委于1999年發(fā)布的第13號主任令

《特種作業(yè)人員安全技術培訓考核管理辦法》和國家標準GB5306—85《特種作業(yè)人員安全技術考核管理規(guī)則》中

都明確規(guī)定：金屬焊接（氣割）作業(yè)是特種作業(yè)，直接從事特種作業(yè)者，稱特種作業(yè)人員?特種作業(yè)人員，必須進行

與工種相適應的、專門的安全技術理論學習和實際操作訓練，并經(jīng)考核合格取得國家經(jīng)貿(mào)委統(tǒng)一制作的安全技術操

作證后方準獨立作業(yè)。

特種作業(yè)是指容易發(fā)生人員傷亡事故，對操作者本人、他人及周圍設施的安全有重大危害的作業(yè)。直接從事這

些作業(yè)的人員，即特種作業(yè)人員的安全技術素質(zhì)及行為對于安全狀況是至關重要的，許多重大、特大事故就是因為

這些作業(yè)人員的違章造成的。鑒于特種作業(yè)人員在安全生產(chǎn)工作中的重要性，《勞動法》、《礦山安全法》、《煤炭法》

等法律法規(guī)都對特種作業(yè)人員的培訓、考核、管理提出了要求。原勞動部曾發(fā)布了《特種作業(yè)人員安全技術培訓考

核管理規(guī)定》（勞安字[1991]31號）、《礦山特種作業(yè)人員安全操作資格考核規(guī)定》（勞部發(fā)“996]35號）等規(guī)章。特種

作業(yè)人員的培訓、考核發(fā)證工作，已經(jīng)成為安全生產(chǎn)監(jiān)督管理的一項基本內(nèi)容。

職工在焊接切割工作過程中需要與各種易燃易爆氣體、壓力容器和電機電器接觸。焊接過程中會產(chǎn)生有毒氣體、

有害粉塵、弧光輻射;高頻電磁場、噪聲和射線等。上述危害因素在一定條件下可能引起爆炸、火災、燙傷、急性

中毒（鎬中毒）、血液疾病、電光性眼炎和皮膚病等職業(yè)病癥.此外還可能危及設備、廠房和周圍人員安全，給國家

和企業(yè)帶來不應有的損失。

學習焊接安全技術的目的在于使有關的管理人員、操作工人掌握焊接操作的基本原理，操作安全及防護的方法,

嚴格執(zhí)行國家標準《焊接與切割安全》（GB9448—88）及各項有關安全操作規(guī)程，保證安全生產(chǎn)以及遇到緊急情況時

能及時做出適當?shù)奶幚恚瑥亩Ｗo操作者自己和周圍人員及廠房設備不遭到損害。隨著焊接新技術的不斷出現(xiàn)，勞

動保護的措施也要不斷地發(fā)展才能適應安全工作的需要。焊接安全技術研究的主要內(nèi)容是防火、防爆、防觸電以及

在塵毒、磁場、輻射等條件下如何保障工人的身心健康實現(xiàn)安全操作。焊接工人只有詳細地了解焊接生產(chǎn)過程的特

點和焊接工藝、工具及操作方法，才能深刻地理解和掌握焊接安全技術的措施，嚴格地執(zhí)行安全規(guī)程和實施防護措

施，從而保證安全生產(chǎn)，避免發(fā)生事故。

第二節(jié)金屬學及熱處理基本知識

一、金屬晶體結構的一般知識

眾所周知，世界上的物質(zhì)都是由化學元素組成的，這些化學元素按性質(zhì)可分成兩大類：

第一大類是金屬，化學元素中有83種是金屬元素。固態(tài)金屬具有不透明、有光澤、有延展性、有良好的導電

性和導熱性等特性，并且隨著溫度的升高，金屬的導電性降低，電阻率增大，這是金屬獨具的?個特點。常見的金

屬元素有鐵、鋁、銅、銘、銀、鴇等。

第二大類是非金屬，化學元素中有22種，非金屬元素不具備金屬元素的特征。而且與金屬相反，隨著溫度的

升高，非金屬的電阻率減小，導電性提高。常見的非金屬元素有碳、氧、氫、氮、硫、磷等。

我們所焊接的材料主要是金屬，尤其是鋼材.，鋼材的性能不僅取決于鋼材的化學成分，而且取決于鋼材的組織,

為了了解鋼材的組織及對性能的影響，我們必須先從晶體結構講起。

(一)晶體的特點

對于晶體，大家并不生疏。食鹽、水結成的冰，都是晶體。一般的固態(tài)金屬及合金也都是晶體。并非所有固態(tài)

物質(zhì)都是晶體。如玻璃、松香之類就不是晶體，而屬于非晶體。

晶體與非晶體的區(qū)別不在外形，而在內(nèi)部的原子排列。在晶體中，原子按一定規(guī)律排列得很整齊。而在非晶體

中，原子則是散亂分布著，至多有些局部的短程規(guī)則排列。

山于晶體與非晶體中原子排列不同，因此性能也不相同。

(二)典型的金屬晶體結構

金屬的原子按一定方式有規(guī)則地排列成一定空間幾何形狀的結晶格子，稱為晶格。金屬的晶格常見的有體心立

方晶格和面心立方晶格，如圖1—4所示。體心立方晶格的立方體的中心和八個頂點各有一個鐵原子，而面心立方

晶格的立方體的八個頂點和六個面的中心各有一個鐵原子。

(?)(b)

圖1-4典型的金屬晶體結構

(a)體心立方晶格(b)面心立方晶格

鐵屬于立方晶格，隨著溫度的變化，鐵可以由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格。這種晶格的轉(zhuǎn)變，稱為同素異晶轉(zhuǎn)

變。純鐵在常溫下是體心立方晶格(稱為a-Fe)；當溫度升高到910℃時，純鐵的晶格由體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧?/p>

方晶格(稱為Y-Fe)；再升溫到1390℃時，面心立方晶格又重新轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格(稱為6-Fe),然后一直保持到純

鐵的熔化溫度。純鐵的這種特性非常重要，是鋼材所以能通過各種熱處理方法來改變其內(nèi)部組織，從而改善性能的

內(nèi)在因素之一，也是焊接熱影響區(qū)中各個區(qū)域與母材相比，具有不同組織和性能的原因之一。

二、合金的組織、結構及鐵碳合金的基本知識

(—的

兩種或兩種以上的元素(其中至少一種是金屬元素)，組合成的金屬，叫做合金。根據(jù)兩種元素相互作用的關系,

以及形成晶體結構和顯微組織的特點可將合金的組織分為三類：

(1)固溶體固溶體是種物質(zhì)的原子均勻地溶解在另?種物質(zhì)的晶格內(nèi)，形成單相晶體結構。根據(jù)原子在晶格

上分布的形式，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。某一元素晶格上的原子部分地被另元素的原子所取代，

稱為置換固溶體；如果另一元素的原子擠入某元素晶格原子之間的空隙中，稱為間隙固溶體，見圖1—5所示。

O浴*9黑子O溶劑原子

?港度".海質(zhì)罩子

(>)(b)

圖1一5固溶體示意圖

(a)置換固溶體；(b)間隙固溶體

兩種元素的原子大小差別愈大，形成固溶體后所引起的晶格扭曲程度越大。扭曲的晶格增加了金屬塑性變形的

阻力，所以固溶體比純金屬硬度高、強度大。

(2)化合物兩種元素的原子按一定比例相結合，具有新的晶體結構，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，

叫化合物。通?；衔锞哂休^高的硬度，低的塑性，脆性也較大。

(3)機械混合物固溶體和化合物均為單相的合金，若合金是由兩種不同的晶體結構彼此機械混合組成，稱為機

械混合物。它往往比單一的固溶體合金有更高的強度、硬度和耐磨性；塑性和壓力加工性能則較差。

(二)鋼中常見的顯微組織

(1)鐵素體(F)：鐵素體是少量的碳和其它合金元素固溶于a一鐵中的固溶體。a-鐵為體心立方晶格，碳原子以填

隙狀態(tài)存在，合金元素以置換狀態(tài)存在。鐵素體溶解碳的能力很差，在723℃忖為0.02%,室溫時僅0.006%o

鐵素體的強度和硬度低，但塑性和韌性很好，所以含鐵素體多的鋼(如低碳鋼)就表現(xiàn)出軟而韌的性能。

(2)滲碳體(FesC)滲碳體是鐵與碳的化合物，分子式是FesC,其性能與鐵素體相反，硬而脆，隨著鋼中含碳量

的增加，鋼中滲碳體的量也增多，鋼的硬度、強度也增加，而塑性、韌性則下降。

(3)珠光體(P)珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，含碳量為0.8%左右，只有溫度低于723c時才存在。

珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間。

(4)奧氏體(A)奧氏體是碳和其它合金元素在Y-鐵中的固溶體。在一般鋼材中，只有高溫時存在。當含有一定

量擴大Y區(qū)的合金元素時，則可能在室溫下存在，如銘銀奧氏體不銹鋼則在室溫時的組織為奧氏體。奧氏體為面心

立方晶格，奧氏體的強度和硬度不高，塑性和韌性很好。奧氏體的另一特點是沒有磁性。

(5)馬氏體(M)馬氏體是碳在a-鐵中的過飽和固溶體，一般可分為低碳馬氏體和高碳馬氏體。馬氏體的體積比

相同重量的奧氏體的體積大，因此，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時體積要膨脹，局部體積膨脹后引起的內(nèi)應力往往導致

零件變形、開裂。高碳淬火馬氏體具有很高的硬度和強度，但很脆，延展性很低，幾乎不能承受沖擊載荷。低碳回

火馬氏體則具有相當高的強度和良好的塑性和韌性相結合的特點。

(6)魏氏組織魏氏組織是種過熱組織，是由彼此交叉約60°的鐵素體針嵌入基體的顯微組織。碳鋼過熱，晶

粒長大后，高溫下晶粒粗大的奧氏體以一定速度冷卻時，很容易形成魏氏組織。粗大的魏氏組織使鋼材的塑性和韌

性下降，使鋼變脆。

(二)鐵一碳合金平衡狀態(tài)圖

鋼和鑄鐵都是鐵碳合金。含碳量低于2.11%的鐵碳合金稱為鋼，含碳量2.11%?6.67%的鐵碳合金稱為鑄

鐵。為了全面了解鐵碳合金在不同含碳量和不同溫度下所處的狀態(tài)及所具有的組織結構，可用Fe-C合金平衡狀態(tài)

圖來表示這種關系，見圖1-6。圖上縱座標表示溫度，橫座標表示鐵碳合金中碳的百分含量。例如，在橫座標左端,

圖1—6Fe-C平衡狀態(tài)圖

圖中ACD線為液相線，在ACD線以上的合金呈液態(tài)。這條線說明純鐵在1535℃凝固，隨碳含量的增加，合

金凝固點降低。C點合金的凝固點最低，為1147C。當含碳量大于4.3%以后，隨含碳量的增加，凝固點增高。

AHJEF線為固相線。在AHJEF線以下的合金呈固態(tài)。在液相線和固相線之間的區(qū)域為兩相(液相和固相)共存。

GS線表示含碳量低于0.8%的鋼在緩慢冷卻時由奧氏體開始析出鐵素體的溫度。

ECF水平線，1147C,為共晶反應線。液體合金緩慢冷卻至該溫度時，發(fā)生共晶反應，生成萊氏體組織。

PSK水平線，723℃,為共析反應線，表示鐵碳合金在緩慢冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度。

為了使用方便，PSK線又稱為A1線，GS線稱為A3線，ES線為Acm線。

正點是碳在奧氏體中最大溶解度點，也是區(qū)分鋼與鑄鐵的分界點，其溫度為1147C,含碳量為2.11%。

S點為共析點，溫度為723℃,含碳量為0.8%。S點成分的鋼是共析鋼，其室溫組織全部為珠光體。S點左邊

的鋼為亞共析鋼，室溫組織為鐵素體+珠光體：S點右邊的鋼為過共析鋼，其室溫組織為滲碳體+珠光體。

C點為共晶點，溫度為1147℃,含碳量為4.3%.C點成分的合金為共晶鑄鐵,組織為萊氏體。含碳量在2.11%?

4.3%之間的合金為亞共晶鑄鐵，組織為萊氏體+珠光體+滲碳體；含碳量在4.3%?6.67%之間的合金為過共晶

鑄鐵，組織為萊氏體+滲碳體。

萊氏體組織在常溫下是珠光體+滲碳體的機械混合物，其性硬而脆。

現(xiàn)以含碳0.2%的低碳鋼為例，說明從液態(tài)冷卻到室溫過程中的組織變化。當液態(tài)鋼冷卻至AC線時，開始凝

固，從鋼液中生成奧氏體晶核，并不斷長大；當溫度下降到AE線時;鋼液全部凝固為奧氏體；當溫度下降到GS(A"

線時，從奧氏體中開始析出鐵素體晶核，并隨溫度的下降，晶核不斷長大；當溫度下降到PSK(AD線時，剩余未經(jīng)

轉(zhuǎn)變的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；從A1卜降至室溫，其組織為鐵素體+珠光體，不再變化，見圖1—7。

圖1一7低碳鋼由高溫冷卻下來的組織變化示意圖

Fe-C合金平衡狀態(tài)圖對于熱加工具有重要的指導意義，尤其對焊接，可根據(jù)狀態(tài)圖來分析焊縫及熱影響區(qū)的

組織變化，選擇焊后熱處理工藝等。

三、鋼的熱處理

將金屬加熱到一定溫度，并保持一定時間，然后以一定的冷卻速度冷卻到室溫，這個過程稱為熱處理。

常用的熱處理工藝方法有以下幾種：

（一）淬火

將鋼（高碳鋼和中碳鋼等）加熱到A】（對過共析鋼）或AK對亞共析鋼）以上30~70℃,在此溫度下保持一段時間，

使鋼的組織全部變成奧氏體，然后快速冷卻（水冷或油冷），使奧氏體來不及分解和合金元素的擴散而形成馬氏體組

織，稱為淬火。

淬火后可以提高鋼的硬度及耐磨性。

在焊接中碳鋼和某些合金鋼時，熱影響區(qū)中可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過程中要設

法防止的。

（二）回火

淬火后進行回火，可以在保持一定強度的基礎上恢復鋼的韌性?；鼗饻囟仍贏,以下。按回火溫度的不同可分

為低溫回火（150?250℃）、中溫回火（350?450℃）、高溫回火（500?650℃）。低溫回火后得到回火馬氏體組織，硬度

稍有降低，韌性有所提高。中溫回火后得到回火屈氏體組織，提高了鋼的彈性極限和屈服強度，同時也有較好的韌

性。高溫回火后得到回火索氏體組織，可消除內(nèi)應力，降低鋼的強度和硬度，提高鋼的塑性和韌性。

鋼在淬火后再進行高溫回火，這一復合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)能得到韌性和強度最好的配合，獲得良好的

綜合力學性能。

（三）正火

將鋼加熱到A?或Acm以上50?70℃,保溫后，在空氣中冷卻，稱為正火。許多碳素鋼和低合金結構鋼經(jīng)正火

后，各項力學性能均較好，可以細化晶粒，常用來作為最終熱處理。對于焊接結構，經(jīng)正火后，能改善焊接接頭性

能，可消除粗晶組織及組織不均勻等。

（四）退火

將鋼加熱到A3以上或Ai左右一定范圍的溫度，保溫一段時間后，隨爐緩慢而均勻地冷卻，稱為退火。

退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除內(nèi)應力等。

焊接結構焊接以后會產(chǎn)生焊接殘余應力，容易導致產(chǎn)生延遲裂紋，因此重要的焊接結構焊后應該進行消除應力

退火處理。消除應力退火屬于低溫退火，加熱溫度在Ai以下，?般采用600?650C,保溫段時間，然后隨爐緩

慢冷卻。亦稱焊后熱處理。

第三節(jié)常用金屬材料的一般知識

一、金屬材料的性能

金屬材料的性能通常包括物理性能、化學性能、力學性能和工藝性能等。

（一）金屬材料的物理化學性能

1.密度

物質(zhì)單位體積所具有的質(zhì)量稱為密度，用符號P表示。利用密度的概念可以幫助我們解決一系列實際問題，如

計算毛坯的重量，鑒別金屬材料等。常用金屬材料的密度如下：鑄鋼為7.8g/cm3,灰鑄鐵為7.2g/cm3,鋼為8.9g

/cm\黃銅為8.63g/cm3,鋁為2.7g/cn?。

2.導電性

金屬傳導電流的能力叫做導電性。各種金屬的導電性各不相同，通常銀的導電性最好，其次是銅和鋁。

3.導熱性

金屬后.熱量的性能稱為導熱性。一般說導電性好的材料，其導熱性也好。若某些零件在使用中需要大量吸熱

或散熱時，則要用導熱性好的材料-。如凝汽器中的冷卻水管常用導熱性好的銅合金制造，以提高冷卻效果。

4.熱膨脹性

金屬.熱時體積發(fā)生脹大的現(xiàn)象稱為金屬的熱膨脹。例如，被焊的工件由于受熱不均勻而產(chǎn)生不均勻的熱膨脹,

就會導致焊件的變形和焊接應力。衡量熱膨脹性的指標稱為熱膨脹系數(shù)。

5.抗氧化性

金屬材料在高溫時抵抗氧化性氣氛腐蝕作用的能力稱為抗氧化性。熱力設備中的高溫部件，如鍋爐的過熱器、

水冷壁管、汽輪機的汽缸、葉片等，易產(chǎn)生氧化腐蝕。?般用作過熱器管等材料的抗氧化腐蝕速度指標控制在W

0.1mm/a。

6.耐腐蝕性

金屬材料抵抗各種介質(zhì)(大氣、酸、堿、鹽等)侵蝕的能力稱為耐腐蝕性?；ぁ崃υO備中許多部件是在腐蝕

條件下長期工作的，所以選材時必須考慮鋼材的耐腐蝕性。

(二)金屬材料的力學性能

金屬材料受外部負荷時、從開始受力直至材料破壞的全部過程中所呈現(xiàn)的力學特征，稱為力學性能。它是衡量

金屬材料使用性能的重要指標。力學性能主要包括強度、塑性、硬度和韌性等。

1.強度

金屬材料的強度性能表示金屬材料對變形和斷裂的抗力，它用單位截面上所受的力(稱為應力)來表示。常用的

強度指標有屈服強度及抗拉強度等。

(1)屈服強度鋼材在拉伸過程中，當拉應力達到某一數(shù)值而不再增加時，其變形卻繼續(xù)增加，這個拉應力值稱

為屈服強度，以。S表示。Os值越高，材料的強度越高。

(2)抗拉強度金屬材料在破壞前所承受的最大拉應力，以。b表示。值越大金屬材料抵抗斷裂的能力越大，

強度越高。

強度的單位是MPa(兆帕)。

2.塑性

塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形的能力。表示金屬材料塑性性能有伸長率、斷面收縮率及冷彎角

等。

(1)伸長率金屬材料受拉力作用破斷時，伸長量與原長度的百分比叫做伸長率，以6表示。

b=Lxioo%

式中Lo------試樣的原標定長度，mm；

Lj——試樣拉斷后標距部分的長度，mm。

(2)斷面收縮率金屬材料受拉力作用破斷時;拉斷處橫截面縮小的面積與原始截面積的百分比叫做斷面收縮

率，以甲表示。

a)=F°~Fx\Q0%

F。

式中F一試樣拉斷后，拉斷處橫截面面積，mn?；

Fo——試樣標距部分原始的橫截面面積，mn?。

(3)冷彎角冷彎角也叫彎曲角，一般是用長條形試件，根據(jù)不同的材質(zhì)、板厚，按規(guī)定的彎曲半徑進行彎曲，

在受拉面出現(xiàn)裂紋時試件與原始平面的夾角，叫做冷彎角，以a表示。冷彎角越大，說明金屬材料的塑性越好。

3.沖擊韌性

沖擊韌性是衡量金屬材料抵抗動載荷或沖擊力的能力，沖擊試驗可以測定材料在突加載荷時對缺口的敏感性。

沖擊值是沖擊韌性的一個指標，以ak表示。ak值越大說明該材料的韌性越好。

a-A.

L尸

式中Ak——沖擊吸收功，J；

F一試驗前試樣刻槽處的橫截面積，cn?；

ak-----沖擊值，J/cm2o

4.硬度

金屬材料抵抗表面變形的能力。

常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV三種。

(三)金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能是指承受各種冷熱加工的能力。

1.切削性能

切削性是指金屬材料是否易于切削的性能。切削時，若切削刀具不易磨損，切削力較小且被切削工件的表面質(zhì)

量高，則稱此材料的切削性能好。一般灰口鑄鐵具有良好的切削性，鋼的硬度在HB180?200范圍內(nèi)時具有較好的

切削性能。

2.鑄造性能

金屬的鑄造性能主要是指金屬在液態(tài)時的流動性以及液態(tài)金屬在凝固過程中的收縮和偏析程度。金屬的鑄造性

能是保證鑄件質(zhì)量的重要性能。

3.焊接性能

焊接性是指材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。焊接性受材

料、焊接方法、構件類型及使用要求四個因素的影響。

焊接性評定方法有很多，其中廣泛使用的方法是碳當量法。這種方法是基于合金元素對鋼的焊接性不同程度的

影響，而把鋼中合金元素(包括碳)的含量按其作用換算成碳的相當含量?？勺鳛樵u定鋼材焊接性的一種參考指標。

碳當量法用于對碳鋼和低合金鋼淬硬及冷裂傾向的估算。

常用碳當量的計算公式

Cr+Mo+VNi+Cu

碳當量q=c+*+

515

式中元素符號表示它們在鋼中所占的百分含量，若含量為一范圍時.，取上限。

經(jīng)驗證明：當CE<0.4%時，鋼材的淬硬傾向不明顯，焊接性優(yōu)良，焊接時不必預熱；當CE=0.4%?0.6%

時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需采取適當預熱和控制線能量等工藝措施；當CE>0.6%時，鋼材的淬硬傾向強，

屬于較難焊的材料，需采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。

二、鋼材和有色金屬的分類、編號及性能

隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，各種不同焊接結構的金屬材料越來越多。為了保證焊接結構安全可靠，焊工必須

掌握常用金屬材料的基本性能和焊接特性。

(一)鋼材的分類

鋼和鐵是黑色金屬的兩大類，都是以鐵和碳為主要元素的合金。含碳量在2.11%以下的鐵碳合金稱為鋼，含

碳量2.11%?6.67%的鐵碳合金稱為鑄鐵。

鋼中除了鐵、碳以外還含有少量其它元素，如鎰、硅、硫、磷等。錦、硅是煉鋼時作為脫氧劑而加入的，稱為

常存元素；硫、磷是由煉鋼原料帶入的，稱為雜質(zhì)元素。

1.按化學成分分類

(1)碳素鋼這種鋼中除鐵以外，主要還含有碳、硅、鎰、硫、磷等幾種元素，這些元素的總量一般不超過2%。

按含碳量多少，碳素鋼又可分為：

1)低碳鋼含碳量小于0.25%。

2)中碳鋼含碳量為0.25%?0.60%。

3)高碳鋼含碳量大于0.60%。

(2)合金鋼這種鋼中除碳素鋼所含有的各元素外，尚還有其它一些元素，如銘、鍥、鈦、鑰、鴇、專凡、硼等。

如果碳素鋼中鎰的含量超過0.8%,或硅的含量超過0.5%時，這種鋼也稱為合金鋼。

根據(jù)合金元素的多少，合金鋼又可分為：普通低合金鋼(普低鋼)，合金元素總含量小于5%；中合金鋼，合金元

素總含量為5%?10%；高合金鋼，合金元素總含量大于10%。

此外，合金鋼還經(jīng)常按顯微組織進行分類，如根據(jù)正火組織的狀態(tài)，分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧

氏體鋼，有些含合金元素較多的高合金鋼，在固態(tài)下只有鐵素體組織，不發(fā)生鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，稱為鐵素體鋼。

2.按用途分類

(1)結構鋼

(2)工具鋼

(3)特殊用途鋼如不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼、磁鋼等。

3.按品質(zhì)分類

(1)普通鋼含硫量不超過0.045%?0.050%,含磷量不超過0.045%。

(2)優(yōu)質(zhì)鋼含硫量不超過0.030

第四節(jié)焊接工藝基礎知識

一、焊接接頭的種類及接頭型式

焊接中，由于焊件的厚度、結構及使用條件的不同，其接頭型式及坡口形式也不同。焊接接頭型式有：對接接

頭、T形接頭、角接接頭及搭接接頭等。

(一)對接接頭

兩件表面構成大于或等于135°,小于或等于180°夾角的接頭，叫做對接接頭。在各種焊接結構中它是采用

最多的一種接頭型式。

鋼板厚度在6mm以下，除重要結構外，?般不開坡口。

厚度不同的鋼板對接的兩板厚度差（8—3。不超過表1-2規(guī)定時，則焊縫坡口的基本形式與尺寸按較厚板的

尺寸數(shù)據(jù)來選取；否則，應在厚板上作出如圖1—8所示的單面或雙面削?。黄湎鞅￠L度L23（6一61）。

（a）0

圖1—8不同厚度板材的對接

（a）單面削薄，（b）雙面削薄

表1-2

較薄板厚度跖W2?5>5?9>9-12>12

允許厚度差（3—"）1234

（―■）角接接頭

兩焊件端面間構成大于30°、小于135。夾角的接頭，叫做角接接頭，見圖1—9。這種接頭受力狀況不太好,

常用于不重要的結構中。

(?)

圖1—9角接接頭

（a）I形坡口；（b）帶鈍邊單邊V形坡口

（三）T形接頭

一件之端面與另一件表面構成直角或近似直角的接頭，叫做T形接頭，見圖1-10。

.______

\.gL）

圖1—10T形接頭

（四）搭接接頭

兩件部分重疊構成的接頭叫搭接接頭，見圖1—11。

（?）（b）（c）

圖]-]]搭接接頭

（a）I形坡口，（b）圓孔內(nèi)塞焊；（c）長孔內(nèi)角焊

搭接接頭根據(jù)其結構形式和對強度的要求，分為不開坡口、圓孔內(nèi)塞焊和長孔內(nèi)角焊三種形式，見圖1—11。

I形坡口的搭接接頭，一般用于厚度12mm以下的鋼板，其重疊部分22（6i+S）雙面焊接。這種接頭用于不

重要的結構中。

當遇到重疊部分的血積較大時，可根據(jù)板厚及強度要求，分別采用不同大小和數(shù)量的圓孔內(nèi)塞焊或長孔內(nèi)角焊

的接頭型式。

二、焊縫坡口的基本形式與尺寸

（一）坡口形式

根據(jù)坡口的形狀，坡口分成I形（不開坡口）、V形、Y形、雙Y形、U形、雙U形、單邊V形、雙單邊Y形、

J形等各種坡口形式。

V形和Y形坡口的加工和施焊方便（不必潮轉(zhuǎn)焊件），但焊后容易產(chǎn)生角變形。

雙Y形坡口是在V形坡口的基礎上發(fā)展的。當焊件厚度增大時，采用雙Y形代替V形坡口，在同樣厚度下，

可減少焊縫金屬量約1/2,并且可對稱施焊，焊后的殘余變形較小。缺點是焊接過程中要翻轉(zhuǎn)焊件，在筒形焊件的

內(nèi)部施焊，使勞動條件變差。

U形坡口的填充金屬量在焊件厚度相同的條件下比V形坡口小得多，但這種坡口的加工較復雜。

(二)坡口的幾何尺寸

(1)坡口面待焊件上的坡口表面叫坡口面。

(2)坡口面角度和坡口角度待加工坡口的端面與坡口面之間的夾角叫坡口面角度，兩坡口面之間的夾角叫坡口

角度，見圖1—12o

(3)根部間隙焊前在接頭根部之間預留的空隙叫根部間隙，見圖1一12。其作用在于打底焊時能保證根部焊透。

根部間隙又叫裝配間隙。

(4)鈍邊焊件開坡口時，沿焊件接頭坡口根部的端面直邊部分叫鈍邊，見圖1—12。鈍邊的作用是防止根部燒

穿。

(5)根部半徑在J形、U形坡口底部的圓角半徑叫根部半徑(見圖1—12)。它的作用是增大坡口根部的空間，

以便焊透根部。

三、焊接位置種類

根據(jù)GB/T3375—94《焊接術語》的規(guī)定，焊接位置，即熔焊時，焊件接縫所處的空間位置，可用焊縫傾角和

焊縫轉(zhuǎn)角來表示。有平焊、立焊、橫焊和仰焊位置等。

焊縫傾角，即焊縫軸線與水平面之間的夾角，見圖1—13。

焊縫M角

水平百

圖1-13焊縫傾角

焊縫轉(zhuǎn)角，即焊縫中心線(焊根和蓋面層中心連線)和水平參照面Y軸的夾角，見圖1—14。

圖1—14焊縫轉(zhuǎn)角

(1)平焊位置焊縫傾角0°,焊縫轉(zhuǎn)角90°的焊接位置，見圖1—15(a)。

/

(n

圖1一15各種焊接位置

(a)平焊(b)橫焊(c)立焊(d)仰焊(e)平角焊⑴仰角焊

(2)橫焊位置焊縫傾角0°,180°；焊縫轉(zhuǎn)角0°,180°的對接位置，見圖1—15(b)。

(3)立焊位置焊縫傾角90°(立向上)，270°(立向下)的焊接位置，見圖1—15(c)。

(4)仰焊位置對接焊縫傾角0°,180°；轉(zhuǎn)角270°的焊接位置，如圖l—15(d)。

此外，對于角焊位置還規(guī)定了另外兩種焊接位置。

(5)平角焊位置角焊縫傾角0°,180。；轉(zhuǎn)角45。，135。的角焊位置，見圖1—15(e)。

(6)仰角焊位置傾角0°,180°；轉(zhuǎn)角225°,315°的角焊位置，見圖115(f)。

在平焊位置、橫焊位置、立焊位置、仰焊位置進行的焊接分別稱為平焊、橫焊、立焊、仰焊。T形、十字形和

角接接頭處于平焊位置進行的焊接稱為船形焊。在工程上常用的水平固定管的焊接，山于在管子3600的焊接中，

有仰焊、立焊、平焊，所以稱全位置焊接。當焊件接縫置于傾斜位置(除平、橫、立、仰焊位置以外)時進行的焊接

稱為傾斜焊。

四、焊縫形式及形狀尺寸

(一)焊縫形式

焊縫按不同分類方法可分為下列幾種形式：

(1)根據(jù)GB/T3375—94的規(guī)定，按焊縫結合形式，分為對接焊縫、角焊縫、塞焊縫、槽焊縫和端接焊縫五

種：

1)對接焊縫：在焊件的坡口面間或一零件的坡口面與另一零件表面間焊接的焊縫，

2)角焊縫：沿兩直交或近直交零件的交線所焊接的焊縫。

3)端接焊縫：構成端接接頭所形成的焊縫。

4)塞焊縫：兩零件相疊，其中一塊開圓孔，在圓孔中焊接兩板所形成的焊縫，只在孔內(nèi)焊角焊縫者不稱塞焊。

5)槽焊縫：兩板相疊，其中一塊開長孔，在長孔中焊接兩板的焊縫，只焊角焊縫者不稱槽焊。

(2)按施焊時焊縫在空間所處位置分為平焊縫、立焊縫、橫焊縫及仰焊縫四種形式。

(3)按焊縫斷續(xù)情況分為連續(xù)焊縫和斷續(xù)焊縫兩種形式。

斷續(xù)焊縫又分為交錯式和并列式兩種(圖1—16),焊縫尺寸除注明焊腳K外，還注明斷續(xù)焊縫中每一段焊縫的

長度1和間距e,并以符號“Z”表示交錯式焊縫。

卜

卜

(b)

圖1-16斷續(xù)角焊縫

(a)交錯式(b)并列式

(二)焊縫的形狀尺寸

焊縫的形狀用一系列幾何尺寸來表示，不同形式的焊縫，其形狀參數(shù)也不一樣。

1.焊縫寬度

焊縫表面與母材的交界處叫焊趾。焊縫表面兩焊趾之間的距離叫焊縫寬度，如圖1—17。

(?>?

圖1—17焊縫寬度

2.余高

超出母材表面焊趾連線上面的那部分焊縫金屬的最大高度叫余高，見圖1-18。在靜載下它有一定的加強作用，

所以它又叫加強高。但在動載或交變載荷下，它非但不起加強作用，反而因焊趾處應力集中易于促使脆斷。所以余

高不能低于母材但也不能過高。手弧焊時的余高值為0?3mm。

圖1—18余高

3.熔深

在焊接接頭橫載面上，母材或前道焊縫熔化的深度叫熔深，見圖1—19。

第二章氣焊與氣割

第一節(jié)氣焊與氣割的基本原理、適用范圍與安全特點

一、氣焊與氣割的基本原理和適用范圍

(一汽焊

氣焊是利用可燃氣體與助燃氣體混合燃燒的火焰去熔化工件接縫處的金屬和焊絲而達到金屬間牢固連接的方

法。這是利用化學能轉(zhuǎn)變成熱能的一種熔化焊接方法。它具有設備簡單、操作方便、實用性強等特點。因此，在各

工業(yè)部門的制造和維修中得到了廣泛的應用。

氣焊所用的可燃氣體主要有乙快(C2H2)、液化石油氣［丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、丙烯(C3H6)等］和氫氣(比)等。

氧氣(。2)為助燃氣體。

氣焊應用的設備及工具包括氧氣瓶、乙快瓶(或乙快發(fā)生器)、回火防止器、焊炬、減壓器及氧氣輸送管、乙煥

輸送管等。這些設備器具在工作時的應用情況見圖2—1。

圖2—1氣焊應用的設備和器具

1—焊絲；2—焊件；3一焊炬；4—乙快發(fā)生器；5一回火防止器；6—氧氣減壓器；7—氧氣橡皮管；8—乙塊橡皮管;

9一氧氣瓶。

氣焊用的焊絲起填充金屬的作用，焊接時與熔化的母材一起組成焊縫金屬。因此，應根據(jù)工件的化學成份、機

械性能選用相應成份或性能的焊絲，有時也可用以被焊板材上切下的條料作焊絲。

焊接有色金屬、鑄鐵和不銹鋼時，還應采用焊粉（熔劑），用以消除覆蓋在焊材及熔池表面上的難溶的氧化膜和

其它雜質(zhì)，并在熔池表面形成一層熔渣，保護熔池金屬不被氧化，排除熔池中的氣體、氧化物及其它雜質(zhì)，提高熔

化金屬的流動性，使焊接順利并保證質(zhì)量和成形。

氣焊主要應用于薄鋼板、低熔點材料（有色金屬及其合金）、鑄鐵件、硬質(zhì)合金刀具等材料的焊接，以及磨損、

報廢零件的補焊、構件變形的火焰矯正等。

（二）氣割

氣割是利用可燃氣體與氧氣混合燃燒的火焰熱能將工件切割處預熱到一定溫度后，噴出高速切割氧流，使金屬

劇烈氧化并放出熱量，利用切割氧流把熔化狀態(tài)的金屬氧化物吹掉，而實現(xiàn)切割的方法。金屬的氣割過程實質(zhì)是鐵

在純氧中的燃燒過程，而不是熔化過程?？扇細怏w與氧氣的混合及切割氧的噴射是利用割炬來完成的，氣割所用的

可燃氣體主要是乙烘、液化石油氣和氫氣。

氣割時應用的設備器具除割炬外均與氣焊相同。氣割過程是預熱一燃燒一吹渣過程，但并不是所有金屬都能滿

足這個過程的要求，只有符合下列條件的金屬才能進行氣割。

（1）金屬在氧氣中的燃燒點應低于其熔點；

（2）氣割時金屬氧化物的熔點應低于金屬的熔點；

（3）金屬在切割氧流中的燃燒應是放熱反應；

（4）金屬的導熱性不應太高；

（5）金屬中阻礙氣割過程和提高鋼的可淬性的雜質(zhì)要少。

符合上述條件的金屬有純鐵、低碳鋼、中碳鋼和低合金鋼以及鈦等。其它常用的金屬材料如：鑄鐵、不銹鋼、

鋁和銅等，則必須采用特殊的氣割方法（例如等離子切割等）。目前氣割工藝在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。

（三）氣焊與氣割的優(yōu)缺點

（1）氣焊的優(yōu)點是：（a）設備簡單、使用靈活；（b）對鑄鐵及某些有色金屬的焊接有較好的適應性；（c）在電力供應

不足的地方需要焊接時，氣焊可以發(fā)揮更大的作用。其缺點是：（a）生產(chǎn)效率較低；（b）焊接后工件變形和熱影響區(qū)較

大；（c）較難實現(xiàn)自動化。

（2）氣割的優(yōu)點是：設備簡單、使用靈活。其缺點是對切口兩側金屬的成份和組織產(chǎn)生一定的影響、以及引起被

割工件的變形等。

二、氣焊與氣害！|的安全特點

氣焊與氣割的主要危險是人災與爆炸，因此，防火、防爆是氣焊、氣割的主要任務。