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113
2020年4月19日
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焊

接

工

艺

学
目 录

1焊接概述 5
1.1 焊接的定义 [1] 5
1.2 焊接过程的物理本质[1] 5
1.3 焊接方法的分类[2] 5
1.4 常见焊接方法基本特点与应用[2] [3] 5
1.5 焊缝符号[4] 5
1.5.1 基本符号 5
1.5.2 辅助符号 9
1.5.3补充符号 10
1.5.4焊缝尺寸符号 10
1.5.5指引线及说明( 见表1-5-6) 10
1.5.6焊缝符号标注的原则和方法( 见表1-5-7) 10
1.5.7常见金属焊接方法代号( 见表1-5-8) 10
1.5.8 焊缝符号标注示例( 见表1-5-9) 10
2焊接设计 13
2.1 材料选用 13
2.1.1 母材材料选用 13
2.1.1.1 钢结构对材料的要求[5] 13
2.1.1.2 钢结构用钢的分类 [5] 13
2.1.1.2 钢结构用钢选用原则 [5] [6] 14
2.1.2焊接材料匹配[3] [7] [8] [9] [10] [11] 17
2.2 焊接方法的选用[12] 17
2.3 焊接结构设计 19
2.3.1焊接应力 [5] [12] [13] 19
2.3.1.1 焊接应力的特点和分类 19
2.3.1.2焊接残余应力对结构的影响 20
2.3.1.3从设计方面调节和控制焊接残余应力( 工艺措施见下章) 21
2.3.2焊接变形 [5] [12] [13] 21
2.3.2.1 焊接变形的特点和分类 21
2.3.2.2 焊接变形收缩余量计算 23
2.3.2.3从设计方面控制焊接残余变形( 工艺方面见下章) 24
2.3.3焊接接头构造的设计与选择 ( 主要是熔焊接头) 25
2.3.3.1焊接接头的基本类型[12] 25
2.3.3.2常见焊接接头的工作特性 [12] [6] 25
2.3.3.3设计与选择焊接接头须考虑的因素 [12] 26
2.3.3.4 坡口的设计与选择 [12] [13] [14] [15] 26
2.3.3.5 焊缝设计 27
2.3.3.6焊接接头的静强度计算 31
3焊接制造 39
3.1常见焊接方法工艺要求 39
3.1.1 焊条电弧焊工艺要求( 定位焊) [12] [16] 39
3.1.2 埋弧焊工艺要求[12] [5] [16] 40
3.1.3 二氧化碳气体保护焊工艺要求[12] [16] 40
3.1.4 栓钉( 螺柱) 焊要求[12] [16] 40
3.1.5 焊缝磨修和返修焊要求[16] 41
3.1.6 其它要求[16] 41
3.2 焊接工艺评定[16] [17] [18] 42
3.3 焊接残余应力与变形的控制[5] [12] [13] 42
3.3.1控制焊接残余应力的工艺措施 42
3.3.2 焊后降低或消除残余应力的方法 43
3.3.3控制焊接变形的工艺措施 43
3.3.4矫正焊接残余变形的方法 44
4焊接检验与验收 44
4.1焊接检验方法分类[19] 44
4.2 焊接检验的依据[19] 45
4.3 焊接缺陷 45
4.3.1焊接缺陷的概念[19] 45
4.3.2 焊接缺陷的分类[20] 46
4.4焊接接头质量要求及其缺陷分级 46
4.4.1钢结构焊缝外形尺寸要求[21] [22] 46
4.4.2钢熔化焊接头缺陷分级[23] 48
4.5 破坏性检验 49
4.5.1 焊缝金属及焊接接头力学性能试验 51
4.5.1.1 拉伸试验[24] [25] 51
4.5.1.2 弯曲试验[26] 51
4.5.1.3 冲击试验[27] 51
4.5.1.4 硬度试验[28] 51
4.5.1.5 断裂韧度COD试验[29] 52
4.5.1.6 疲劳试验[12] 52
4.5.2 焊接金相检验[12] 52
4.5.3 断口分析 52
4.5.4 化学分析与试验[12] 53
4.5.4.1 化学成分分析 53
4.5.4.2 扩散氢的测定 53
4.5.4.3 腐蚀试验 53
4.6 非破坏性检验 53
4.6.1 外观检验[12] [21] 53
4.6.2 无损探伤[12] 53
4.7 常见无损探伤方法质量评定 54
4.7.1 钢熔化焊焊缝超声波探伤[30] 54
4.7.1.1 检验等级 54
4.7.1.2 缺陷评定与焊缝质量等级 55
4.7.2 钢熔化焊对接接头射线探伤的焊缝质量分级[31] 56
4.7.2.1 按缺陷性质和数量分级 56
4.7.2.2 圆形缺陷的分级 56
4.7.2.3 条状夹渣的分级 58
4.7.2.4 综合评级 58
4.7.3 磁粉探伤磁痕等级[32] 58
4.7.4 渗透探伤缺陷显示迹痕的分级[33] 59
4.8 钢结构焊接工程质量验收规范[34] 59
4.8.1一般规定 59
4.8.2钢构件焊接工程 60
4.8.2.1主控项目 60
4.8.2.2一般项目 62
4.8.3焊钉( 栓钉) 焊接工程 64
4.8.3.1 主控项目 64
4.8.3.2一般项目 65
4.8.4 焊接H型钢 65
参考文献 65

1焊接概述
1.1 焊接的定义 [1]
被焊工件的材质( 同种或异种) , 经过加热或加压或两者并用, 而且用或不用填充材料, 使工件的材质达到原子( 分子) 间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接( Welding) 。
随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展, 焊接技术进步很快, 到现在焊接方法已发展到数十种之多。为了能正确选择和使用各种焊接方法, 必须了解焊接的物理本质、 它们的分类、 基本特点和使用范围。
1.2 焊接过程的物理本质[1]
焊接促使原子或分子之间产生结合和扩散的方法是加热或加压, 或者两者并用。
两材料原子之间不能产生结合和扩散的主要原因是材料的连接表面有氧化膜、 水、 和油等吸附层以及两材料原子之间尚未达到产生结合力的距离, 对金属而言该距离约为3～5À( 1À=10-7mm) 。焊接时, 加压能够破坏连接表面的氧化膜, 产生塑性变形以增加接触面, 使原子间达到产生结合力和扩散的条件; 加热的目的是使接触面的氧化膜破坏, 降低塑性变形阻力, 增加原子振动能, 促进再结晶、 扩散、 化学反应等过程。一般只需要加热达塑性状态或熔化状态。对金属材料, 加热温度越高, 实现焊接所需的压力越小, 当达到熔化温度时, 能够不需要加压。
1.3 焊接方法的分类[2]
金属的焊接, 按其工艺过程的特点分有熔焊、 压焊和钎焊三大类, 见表1—3—1。
熔焊在连接部位需加热至熔化状态, 一般不加压; 压焊必须施加压力, 加热是为了加速实现焊接; 钎焊时母材不熔化, 只熔化起连接作用的填充材料( 钎料) 。
1.4 常见焊接方法基本特点与应用[2] [3]
表1-4-1简要地介绍了本单位常见金属焊接方法的原理、 特点及使用范围。
1.5 焊缝符号[4]
1.5.1 基本符号
焊缝的基本符号见表1-5-1

表1—3—1 焊接方法分类
焊
　接
熔焊
电弧焊
熔化极
焊条电弧焊
埋弧焊
氩弧焊( MIG)
CO2气体保护焊
药芯焊丝电弧焊
非熔化极
钨极氩弧焊(TIG)
原子氢焊
等离子弧焊
气焊
氧-氢焊接
氧-乙炔焊
空气-乙炔焊
电子束焊 电渣焊 激光焊 铝热焊
压焊
锻焊
摩擦焊
扩散焊
冷压焊
电阻焊
超声波焊
高频焊
爆炸焊
钎焊
火焰钎焊
烙铁钎焊
感应钎焊
电阻钎焊
盐浴钎焊
炉中钎焊
( 注: 常见的栓钉焊属于熔焊加压焊。)
表1-4-1 常见焊接方法基本特点与应用
焊接方法
原理
特点
使用范围
熔 焊
电弧焊
焊条电弧焊
利用焊条与焊件间的电弧热熔化焊条和焊件进行手工焊接
机动、 灵活、 适应性强,可全位置焊接,设备简单耐用,维护费低,劳动强度大,焊接质量受工人技术水平影响,不稳定
在单件、 小批生产和修理中最适用,可焊3mm以上的碳钢、 低合金钢、 不锈钢和铜、 铝等有色金属,以及铸铁的焊补
埋弧焊
利用焊丝与焊件间的电弧热熔化焊丝和焊件进行机械化焊接,电弧被焊剂覆盖而与外界隔离
焊丝的送进与移动依据机械进行,生产率高,焊接质量好且稳定,不能仰焊和立焊,劳动条件好+
适用于大批量生产中长直或环行焊缝焊接,可焊碳钢、 合金钢,某种铜合金等中厚板结构,只能平焊、 横焊和水平角焊

表1-4-1续
焊接方法
原理
特点
使用范围
熔 焊
电弧焊
气体保护
CO2气体保护焊
用二氧化碳保护,用焊丝做电极的弧焊
热量较集中,热影响区小,变形小,成本低,生产率高,易于操作.飞溅较大,焊缝成形不够美观,余高大,设备较复杂,须避风
适用于1.6mm以上由低碳钢、 低合金钢制造的各种金属结构
等离子弧焊
利用气体(多为Ar)和特殊装置压缩电弧获得高能量密度的等离子弧进行焊接,电极有钨极和熔化极两种
具有Ar弧焊的一些特点,但等离子弧温度很高,穿透能力强,可正面一次焊透双面成形.电弧挺度好可压缩成束状焊微型件
一次焊透厚度在0.025～6.4mm,低碳钢8mm以内,也适用于焊接微小精密构件
气体保护
CO2气体保护焊
用二氧化碳保护,用焊丝做电极的弧焊
热量较集中,热影响区小,变形小,成本低,生产率高,易于操作.飞溅较大,焊缝成形不够美观,余高大,设备较复杂,须避风
适用于1.6mm以上由低碳钢、 低合金钢制造的各种金属结构
等离子弧焊
利用气体(多为Ar)和特殊装置压缩电弧获得高能量密度的等离子弧进行焊接,电极有钨极和熔化极两种
具有Ar弧焊的一些特点,但等离子弧温度很高,穿透能力强,可正面一次焊透双面成形.电弧挺度好可压缩成束状焊微型件
一次焊透厚度在0.025～6.4mm,低碳钢8mm以内,也适用于焊接微小精密构件
电渣焊
利用电流经过熔渣产生的电阻热熔化金属进行焊接,可熔化的金属电极有丝状和板状两种
直缝须立焊,任何厚度不开坡口一次焊成,生产率高,但热影响区宽、 晶粒粗大,易生成过热组织,焊后须正火处理改进接头组织和性能
适用于厚度25mm以上的重大型机件的焊接,直焊碳素钢、 合金钢
熔化加压焊
栓钉焊(也叫螺柱焊)
引弧与焊条电弧焊相似,先将栓钉的尖端与钢结构接触,经过强大焊接电流,短路,瞬间达到高温,焊枪中磁力提升栓钉、 引弧、 产生熔池;之后,立即释放磁力,利用弹簧使栓钉压入熔池,断电后冷却形成接头.栓钉提升高度在焊枪中提前调定
加热过程是稳定的电弧燃烧过程,为了防止空气侵入溶池,恶化接头质量,要采用陶瓷环保护.焊接质量可靠,效率高,无烟雾弧光,劳动条件好
在钢-混凝土结构,为了提高钢构件与混凝土间的结合力,多采用此焊接方法.也可焊接固定小器具的受柄、 支脚用螺柱等.可焊材料有碳钢、 高碳钢、 低合金高强度钢、 不锈钢和铝合金
表1-5-1 焊缝的基本符号
序号
名称
示意图
符号
1
卷边焊缝① (卷边完全熔化)

2
I 形焊缝

3
V 形焊缝

4
单边V形焊缝

5
带钝边V形焊缝

6
带钝边单边V形焊缝

7
带钝边U形焊缝

8
带钝边J形焊缝

9
封底焊缝

10
角焊缝

11
塞焊缝或槽焊缝

12
点焊缝

13
缝焊缝

① 不完全熔化的焊缝用I形焊缝表示, 并加注焊缝有效厚度。
1.5.2 辅助符号
焊缝的辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号, 见表1-5-2。
表1-5-2 焊缝的辅助符号
序号
名称
示意图
符号
说明
1
平面符号

焊缝表面齐平 (一般经过加工)
2
凹面符号

焊缝表面凹陷
3
凸面符号

焊缝表面凸起

不需要确切地说明焊缝的表面形状时, 能够不用辅助符号。焊缝的辅助符号的应用见表1-5-3。

表1-5-3 焊缝的辅助符号的应用
名称
示意图
符号
平面V形对接焊缝

凸面X形对接焊缝

凹面角焊缝

平面封底V形焊缝

1.5.3补充符号
焊缝的补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征而采用的符号, 见表1-5-4。
1.5.4焊缝尺寸符号
基本符号必要时可附带有尺寸符号及数据, 这些尺寸符号见表1-5-5。
1.5.5指引线及说明( 见表1-5-6)
1.5.6焊缝符号标注的原则和方法( 见表1-5-7)
1.5.7常见金属焊接方法代号( 见表1-5-8)
1.5.8 焊缝符号标注示例( 见表1-5-9)

表1-5-4焊缝的补充符号
序号
名称
示意图
符号
说明
1
带垫板符号①

表示焊缝底部有垫板
2
三面焊缝符号①

表示三面有焊缝
3
周围焊缝符号

表示环绕工件周围焊缝
4
现场符号

表示在现场或工地上进行焊接
5
尾部符号

能够参照GB5185标注焊接工艺方法等内容
① ISO2553标准中未做规定。

表1-5-5 焊缝尺寸符号①
符号
名称
示意图
符号
名称
示意图
δ
工件厚度

e
焊缝间距

α
坡口角度

K
焊角尺寸

b
根部间隙

d
熔核直径

p
钝边

S
焊缝有效厚度

c
焊缝宽度

N
相同焊缝数量

R
根部半径

H
坡口深度

l
焊缝长度

h
余高

n
焊缝段数

β
坡口面角度

① 对焊缝尺寸符号, ISO2553标准未做规定
表1-5-6指引线及说明

基准线
有一条实线和一条虚线,均应与图样底边平行,特殊情况允许与底边垂直.虚线可画在实线上侧或下侧.如焊缝在接头的箭头侧,则将基本符号标在实线侧;反之标在虚线侧;对称、 双面焊缝时可不加虚线.
箭头线
一般没有特殊要求;可是在标注单边V形、 带钝边单边V形和带钝边J形焊缝时,箭头线应指向带坡口一侧的工件;必要时,允许箭头线弯折一次.
尾 部
一般剩去,只有对焊缝有附加要求或说明时才加上尾部部分.

表1-5-7焊缝符号标注的原则和方法

基本符号
焊缝在接头的箭头侧,则将基本符号标在实线侧;反之标在虚线侧;对称、 双面焊缝时可不加虚线.基本符号标在基准线两侧
焊缝形状尺寸
焊缝截面尺寸标在基本符号左侧;焊缝长度尺寸标在基本符号右侧;坡口角度,根部间隙等标在基本符号的上侧或下侧.
其 她
相同焊缝符号、 焊接方法代号、 检验方式符号、 其它要求和说明等标在尾部右侧

表1-5-8常见金属焊接方法代号①
代号
焊接方法
代号
焊接方法
1
电弧焊
12
埋弧焊
11
无气体保护电弧焊
135
MIG焊( 包括CO2气体保护焊)
111
手弧焊
72
电渣焊
114
药芯焊丝电弧焊
78
栓钉焊( 又叫螺柱焊)
① 摘自GB/T5185-85金属焊接及钎焊方法在图样上的表示代号
表1-5-9焊缝符号标注示例
标注例子
含义
标注例子
含义

两面对称的焊角尺寸K=5mm的角焊缝, 在工地上用焊条电弧焊施焊

带钝边V形焊缝, 先用CO2气保焊打底, 后用埋弧焊盖面

2焊接设计
2.1 材料选用
2.1.1 母材材料选用
2.1.1.1 钢结构对材料的要求[5]
钢结构所用的钢必须符合下列要求:
1） 较高的抗拉强度fu 和屈服点fy
fy是衡量结构承载能力的指标, fy高则可减轻结构自重、 节约钢材和降低造价。fu是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力, 它直接反映钢材内部组织的优劣, 同时fu 高能够增加结构的安全保障。
2） 较高的塑性和韧性
塑性和韧性好, 结构在静载和动载作用下有足够的应变能力, 既可减轻结构脆性破坏的倾向, 又能经过较大的塑性变形调整局部应力, 同时又具有较好的抵抗交变荷载作用的能力。
3） 良好的工艺性能
良好的工艺性能不但能保证经过冷加工、 热加工和焊接加工成各种形式结构, 而且不致因加工而对结构的强度、 塑性、 韧性等造成较大的不良影响。
另外, 根据结构的具体工作条件, 有时还要求钢材具有适应低温、 高温和腐蚀性环境能力。
按以上要求, 钢结构设计规范具体规定: 承重结构的钢材应具有抗拉强度、 伸长率、 屈服点和碳、 硫、 磷含量的合格保证; 焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证; 对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。
2.1.1.2 钢结构用钢的分类 [5]
在钢结构中采用的钢材主要有两种: 碳素结构钢( 或称普通碳素钢) 和低合金结构钢。
1） 碳素结构钢
根据国家标准《碳素结构钢》( GB700-88) 的规定, 将碳素结构钢分为Q195、 Q215、 Q235、 Q255和Q275等五种牌号, 钢的牌号有屈服强度字母( Q) 、 屈服强度值、 质量等级符号( A、 B、 C和D) 、 脱氧方法符号等四部分顺序组成。常见用钢具体参数见表2-1-1。
2） 低合金钢
根据《低合金高强度结构钢》( GB1591-94) 的规定, 低合金高强度结构钢分为Q295、 Q345、 Q390、 Q420和Q460等五种, 其中Q345、 Q390为钢结构常见钢种, Q420已在九江长江大桥中成功使用。具体参数见表2-1-1。
2.1.1.2 钢结构用钢选用原则 [5] [6]
钢材的选用在钢结构设计中是重要的一环, 选择的目的是既要保证结构的安全, 又要做到可靠和经济合理。选择钢材时应考虑以下几点。
1） 结构的重要性
对重型工业建筑钢结构、 大跨度钢结构、 压力容器、 高层或超高层民用建筑或构筑物等重要结构, 应考虑选用质量好的钢材; 其它按工作性质分别选用普通质量的钢材; 另外, 安全等级不同, 要求的钢材质量也应不同。
2） 载荷情况
一般承受静载荷的结构, 应主要以满足强度要求来选取。直接承受交变载荷的结构, 若属于低周疲劳, 在保证一定强度要求下, 着重考虑材料的塑性和韧性; 若属于高周疲劳, 这时强度队疲劳抗力起着主导作用, 应选择强度高的材料。承受冲击载荷的结构, 所选材料应具有足够的延性和韧性。按刚度条件设计的结构, 其工作应力一般比较小, 但其壁厚较厚, 此时选材不应是高强度的, 而应是塑性和韧性好的一般强度的材料。在厚度方向受到拉伸载荷, 应选择层状夹杂少, 厚度方向塑性好的材料, 以防止产生层状撕裂。
3） 连接方法
焊接结构对材质的要求应严格一些。例如, 在化学成分方面必须严格控制碳、 硫、 磷的含量; 非焊接结构对碳当量可放宽要求。
4） 结构所处的温度和环境
在低温条件下工作的结构, 特别是焊接结构, 应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。露天结构易产生时效, 有害介质作用的钢材易腐蚀、 疲劳和断裂, 应区别地选择不同的材质, 宜采用耐候钢, 其质量要求应符合现行国家标准GB/T4172《焊接结构有耐候钢》的规定。
5） 钢材厚度
厚钢材辊轧次数少 , 轧制压缩比相对薄板小。因此厚度大的钢材不但强度较小, 而且塑性、 冲击韧性和焊接性能也较差。因此, 厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。推荐采用Z向钢, 其材质应符合现行国家标准GB/T5313《厚度方向性能钢材》的规定。
6) 对于需要演算疲劳的焊接结构的钢材, 应具用常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于-20℃时, Q235钢和Q345钢应具用0℃冲击韧性的合格保证; 对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20℃时, Q235钢和Q345钢应具用-20℃冲击韧性的合格保证; 对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证。
吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁, 对钢材冲击韧性的要求应与需要演算疲劳的构件相同。
表2-1-1 常见结构钢力学性能及匹配焊接材料
钢 材
手工电弧焊焊条
CO2⑤气体保护焊实心焊丝
埋弧焊焊接材料
牌号
等级
抗拉强度①Re/Mpa
屈服强度
冲击吸收功①
型号示例
型号示例
焊剂型号-焊丝牌号
δ≤16mm
δ>50～100mm
T/℃
AKV/J
Q235
A
375～460
235
205②
—
—
E4303③
ER49-1③
F4A0-H08A
B
20
27
E4303、 E4328、 E4315、 E4316
C
0
27
ER50-6
D
-20
27
F4A2-H08A
Q295
A
390～570
295
235
—
—
E4303③
ER49-1③ER49-6
F5004-H08A⑥、 F5004-H08MnA⑦
B
20
34
E4328、 E4315、 E4316
ER50-3、 ER50-6
F5014-H08A⑥、 F5014-H08MnA⑦
Q345
A
470～630
345
275
—
—
E5003③
ER49-1③
F5004-H08A⑥、 F5004-H08MnA⑦F5004-H10Mn2⑦
B
20
34
E5003③、 E5015、 E5016、 E5018
ER50-3
F5014-H08A⑥、 F5014-H08MnA⑦、 F5014-H10Mn2⑦、 F5011-H08A⑥、 F5011-H08MnA⑦、 F5011-H10Mn2⑦
C
0
34
E5015、 E5016、 E5018
ER50-2
F5024-H08A⑥、 F5024-H08MnA⑦、 F5024-H10Mn2⑦、 F5021-H08A⑥、 F5021-H08MnA⑦、 F5021-H10Mn2⑦
D
-20
34
F5034-H08A⑥、 F5034-H08MnA⑦、 F5034-H10Mn2⑦、 F5031-H08A⑥、 F5031-H08MnA⑦、 F5031-H10Mn2⑦
表2-1-1续
钢材
手工电弧焊焊条
CO2⑤气体保护焊实心焊丝
埋弧焊焊接材料
牌号
等级
抗拉强度①Re/Mpa
屈服强度
冲击吸收功①
型号示例
型号示例
焊剂型号-焊丝牌号
δ≤16mm
δ>50～100mm
T/℃
AKV/J
Q390
A
490～650
390
330
—
—
E5015、 E5016、 E5515-D3、 E5515-G、 E5516-D3、 E5516-G
ER50-3
F5011-H08MnA⑥、 F5011-H10Mn2⑦、 F5011-H08MnMoA⑦
B
20
34
C
0
34
F5021-H08MnA⑥、 F5021-H10Mn2⑦、 F5021-H08MnMoA⑦
D
-20
34
ER50-2
F5031-H08MnA⑥、 F5031-H10Mn2⑦、 F5031-H08MnMoA⑦
E
-40
27
④
④
F5041④
Q420
A
520～680
420
360
—
—
E5515-D3、 E5515-G、 E5516-D3、 E5516-G
ER55-D2
F6011-H10Mn2⑥、 F6011-H08MnMoA⑦
B
20
34
C
0
34
F6021-H10Mn2⑦、 F6021-H08MnMoA⑦
D
-20
34
F6031-H10Mn2⑦、 F6031-H08MnMoA⑦
E
-40
27
④
④
F6041④

① 表中钢材力学性能的单值均为最小值。
② 板厚δ>60～100mm时的Re值。
③ 用于一般结构, 其它用于重大结构。
④ 由供需双方协议。
⑤ 含Ar-CO2混合气体保护焊。
⑥ 薄板I形坡口对接。
⑦ 中、 厚板坡口对接。

7) 下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢:
①焊接结构。
a． 直接承受动力载荷或振动载荷且需要演算疲劳的结构。
b． 工作温度低于-20℃时的直接承受动力载荷或振动载荷但不需要演算疲劳的结构以及承受静力载荷的受弯及受拉德重要承重结构。
c． 工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。
② 非焊接结构。
工作温度等于或低于-20℃时的直接承受动力载荷且需 要演算疲劳的结构。
8) 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、 伸长率、 屈服强度和硫、 磷含量的合格保证, 对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。对焊接结构还应具有碳含量的合格证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
2.1.2焊接材料匹配[3] [7] [8] [9] [10] [11]
焊接不同类别钢材时, 焊接材料的匹配应符合设计要求。常见结构钢材采用焊条电弧焊、 CO2气体保护焊和埋弧焊进行焊接, 焊接材料可按表2-1-1中的规定。
2.2 焊接方法的选用[12]
选择焊接方法时必须符合以下要求: 能保证焊接产品的质量优良可靠; 生产率高, 生产费用低, 工作条件好, 能获得较好的经济效益。
影响这两方面的因素很多, 概括如下:
㈠ 产品特点
⑴ 产品结构类型
本单位焊接的产品按结构特点大致可分为以下三大类。
1） 结构类 如桥梁钢结构、 起重机械等的钢结构;
2） 机械零件类 如机械产品的零部件等;
3） 半成品类 如工字梁、 管子等。
这些不同结构的产品由于焊缝的长短、 形状、 焊接位置等个不相同, 因而适用的焊接方法也会不同。
结构类产品中规则的的长焊缝和环缝宜采用埋弧焊; 手弧焊用于打底焊和短焊缝焊接, 机械类产品接头一般较短, 根据其准确度要求, 选用气体保护焊( 一般厚度) 、 电渣焊( 重型构件易于立焊的) ; 半成品类的产品的焊接接头往往是规则的, 宜采用适于机械化的焊接方法, 如埋弧焊和气体保护焊。

表2-1-2焊接方法影响因素
焊接方法
适用材料下焊接厚度(mm)
接头形式
焊接位置
费用
自动化程度
对接
T接
搭接
平焊
立焊
横焊
仰焊
设备费
焊接费
手工电弧焊
碳钢
单道2～6 多道6以上
A
A
A
A
B
B
C
少
少
差
低合金钢
单道2～6 多道6以上
二氧化碳气保焊
碳钢
射流过渡:单道3～10;多道10以上
短路过渡:单道0.5～6;多道6～20
A
A
A
A
A
B
C
中
少
好
低合金钢
射流过渡:单道3～10;多道10以上
短路过渡:单道0.5～6;多道6～20
埋弧焊
碳钢
单道5～24 多道24以上
A
A
A
A
D
B
D
中
少
好
低合金钢
单道5～24 多道24以上
栓钉焊
碳钢①
②

少
少
好
低合金钢①
电渣焊
碳钢
24以上
A
A
B
C
A
D
D
大
少
好
低合金钢
24以上
① ②栓钉的材料为ML15 和ML15Al。( GB/T6478- 《冷镦和冷挤压用钢》) ; 栓钉的规格有: M10、 M13、 M16、 M19、 M22、 M25等( GB/T10433- 《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》)
⑵ 工件厚度
工件的厚度可在一定程度上决定所适用的焊接方法。每种焊接方法由于所用热源不同, 都有一定的适用的材料厚度范围。对于熔焊而言, 是以焊透而不烧穿为前提。可焊最小的厚度是指稳定状态下单面单道焊恰好焊透而不发生烧穿的厚度。显然, 焊件越薄, 越须注意烧穿问题; 可焊最大厚度则决定于该焊接方法在最大热输入下单面单道焊的最大熔深。焊件越厚, 越须注意焊透问题。如果该结构允许开坡口又能采用双面多层多道焊, 则可焊的最大厚度在技术上不再有困难, 此时焊接方法由生产率和经济因素决定。在推荐的厚度范围内焊接时较易控制焊接质量和保持合理的生产率。
⑶ 接头形式和焊接位置
焊接接头形式一般由产品结构形式、 使用要求和母材的厚度等因素决定。对接、 搭接、 T形接和角接是最基本的形式, 这些接头形式对大部分熔焊方法均适用。
⑷ 焊接位置
在不能变位的情况下焊接焊件上所有的焊缝, 就会因焊缝处于不同空间位置而须采用平焊、 立焊、 横焊、 或仰焊等四种不同的位置的焊接。一种焊接方法能进行这四种位置的焊接称可全位置焊的方法。就熔焊而言, 埋弧焊只适用于平焊位置, 电渣焊适用于立焊。其它如焊条电弧焊、 各种气体保护电弧焊均能全位置焊。各种焊接方法中以平焊最容易操作, 生产率高, 焊接质量容易保证, 而仰焊操作最难, 极易产生焊接缺陷。因此有条件的应是焊件变位, 让焊缝都处于平焊位置施焊。
㈡ 母材特性
母材的特性考虑的包括母材的物理性能、 力学性能和冶金性能。由于焊接结构中最常见是普通碳钢和低合金钢, 几乎所有焊接方法都能选用, 但随着含碳量或合金含量的增加, 其焊接性能变差。高碳钢或碳当量高的合金结构钢宜采用冷却速度慢的焊接方法, 已减少热影响区开裂倾向。
选择好焊接方法的影响因素还包括技术水平、 设备和焊接用消耗材料等。所有的因素须综合考虑, 选择最经济最适用的方法。表2-1-2提供了综合各种因素而适用的焊接方法, 以供参考。
2.3 焊接结构设计
2.3.1焊接应力 [5] [12] [13]
2.3.1.1 焊接应力的特点和分类
⑴ 特点
没有外力作用的情况下, 平衡于物体内的应力称内应力。引起内应力的原因很多, 由焊接引起的内应力称焊接应力。
焊接应力也和其它原因引起的内应力一样, 有一个基本特点, 即在整个焊件内构成一个平衡力系, 其内力与内力矩的总和都为零:

图2-3-1长板对接焊后横截面上的纵向应力 的分布

因此, 在焊件横截面上内应力的分布( 图2-3-1) , 总是既有拉应力, 又有压应力, 是双值同时出现的。而且应力分布图上拉应力的面积( 图中用表示的影线面积) 等于压应力得面积( 用表示的影线面积) 。
⑵ 分类( 见表2-3-1)
表2-3-1焊接应力分类
焊接应力
分类
说明
按应力在焊件内的空间位置分
一维空间应力
单向( 或单轴) 应力。应力沿焊件一个方向作用
二维空间应力
双向( 或双轴) 应力。应力在一个平面内不同方向作用
三维空间应力
三向( 或三轴) 应力。应力在空间所有方向作用
按应力产生的原因分
热应力
焊接过程中焊件内部温度有差异所引起的应力, 故又称温差应力, 它随温差消失而消失。热应力是引起热裂纹的力学原因
相变应力
焊接过程中局部金属发生相变, 其比容增加或减小而引起的应力
塑变应力
金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。焊接过程中在近缝高温区德金属热膨和冷缩受阻时产生这种塑性变形, 从而引起焊接的内应力
按应力存在的时间分
焊接瞬时应力
在焊接过程中, 某一瞬时的焊接应力, 随时间而变化。它和焊接热应力没有本质区别, 当温度也随时间而变化时, 热应力也是瞬时应力。统称暂时应力。
焊接残余应力
焊完冷却后残留在焊件内的应力。图2-3-1所示即为残余应力。它对焊接结构的强度、 腐蚀和尺寸稳定性等使用性能有影响。
2.3.1.2焊接残余应力对结构的影响
熔化焊必然会带来焊接残余应力, 焊接残余应力在钢结构中并非都是有害的。根据钢结构在工程中的受力情况、 使用的材料、 不同的结构设计等, 正确选择焊接工艺, 将不利的因素变为有利的因素。同时要做到具体情况具体分析。
1) 对静载强度的影响
塑性良好的金属材料, 焊接残余应力的存在并不影响焊接结构的静载强度。在塑性差的焊件上, 因塑性变形困难, 当残余应力峰值达到材料的抗拉强度时, 局部首先发生开裂, 最后导致钢结构整体破坏。由此可知, 焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料钢结构的静载强度。
2) 对构件加工尺寸精度的影响
图2-3-2带气割边及带盖板的焊接杆 件的内应力
对尺寸精度要求高的焊接结构, 焊后一般都采用切削加工来保证构件的技术条件和装配精度。经过切削加工把一部分材料从构件上去除, 使截面积相应减小, 同时也释放了部分残余应力, 使构件中原有残余应力的平衡得到破坏, 引起构件变形。
3) 对受压杆件稳定性的影响
焊接后工字梁( H形) 中的残余压应力和外载引起的压应力叠加之和达到材料的屈服点时, 这部分截面就丧失进一步承受外载的能力, 削弱了有效截面积。这种压力的存在, 会使工字梁的稳定性明显下降, 使局部或整体失稳, 产生变形。
焊接残余应力对杆件稳定性的影响大小, 与内应力的分布有关, 若能使有效截面远离压杆的中性轴, 如图2-3-2所示的H形焊接杆件, 能够改进其稳定性。图中a是用气割翼板外边缘, 图中ｂ是翼板上加盖板在边缘进行焊接, 均使边缘存在较大拉内应力。这样的结构内应力状态其失稳临界应力比一般焊接的H形截面高。
4) 对应力腐蚀裂纹的影响
金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生的延迟开裂现象, 称为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、 腐蚀介质和拉应力共同作用的结果。
采用熔化焊焊接的构件, 焊接残余应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀介质中, 尽管拉应力不一定很高都会产生应力腐蚀开裂。其中残余拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响, 当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加后的拉应力值越高, 产生应力腐蚀裂纹的倾向就高, 产