水暖工：从新手到高手，焊接连接必懂知识

1.焊接连接的特点

1）接口牢固严密，焊缝强度一般达到管子强度的85%以上，甚至超过母材强度。

2）焊接是管段间的直接连接，构造简单，管路美观整齐，节省了大量的定型管件。

3）焊口严密，不用填料，可减少维修工作。

4）焊口不受管径限制，作业速度快。

5）焊接接口是固定接口，连接、拆卸困难，如需检修、清理管道则要将管道切断。

2.焊接方法及选择

（1）焊接方法

焊接连接有焊条电弧焊、气焊、氩弧焊、埋弧焊等。在施工现场，焊条电弧焊和气焊应用最为普遍。

焊条电弧焊通常又称为手工电弧焊，是应用最普遍的熔化焊焊接方法，它是利用电弧产生的高温、高热量进行焊接的。焊条电弧焊如图4-20所示。

气焊是利用可燃气体和氧气在焊枪中混合后，从焊嘴中喷出并点火燃烧，燃烧产生热量熔化焊件接头处和焊丝形成牢固的接头，如图4-21所示。气焊主要应用于薄钢板、有色金属、铸铁件、刀具的焊接，以及硬质合金等材料的堆焊和磨损件的补焊。气焊所用的可燃气体主要有乙炔气、液化石油气、天然气及氢气等，目前常用的是乙炔气，这是因为乙炔在纯氧中燃烧时所放出的有效热量最多。

图4-20 焊条电弧焊

图4-21 气焊示意图

（2）焊接方法的选择

焊条电弧焊的优点是电弧温度高，穿透能力比气焊大，接口容易焊透，适用于厚壁焊件，因此焊条电弧焊适合于焊接4mm以上的焊件，气焊适合于焊接4mm以下的薄焊件。在同样条件下，焊条电弧焊的焊缝强度要高于气焊。

气焊的加热面积较大，加热时间较长，热影响区域大，焊件因此局部加热极易引起变形。而焊条电弧焊的加热面积相对狭小，焊件变形比气焊小得多。

气焊不但可以进行焊接，而且还可以进行切割、开孔、加热等多种作业，便于在管道施工过程中的焊接和加热。对于狭窄地方的接口，气焊可用弯曲焊条的方法较方便地进行焊接作业。

在同等条件下，气焊消耗氧气、乙炔气、气焊条，焊条电弧焊消耗电能和电焊条，相比之下焊条电弧焊的成本高于气焊。

因此，就焊接而言，焊条电弧焊优于气焊，故应优先选用焊条电弧焊。但在实际工程中具体采用哪种焊接方法，应根据管道焊接工作的条件、焊接结构的特点、焊缝所处空间，以及焊接设备和材料来选择使用。在一般情况下，气焊用于公称直径小于50mm、管壁厚度小于3.5mm的管道连接；焊条电弧焊用于公称直径等于或大于50mm的管道连接。

3.焊接设备及材料

（1）焊接设备

1）焊条电弧焊使用的机具是：焊机（直流电焊机、交流电焊机、整流式直流弧焊机等，以直流电焊机在工地上使用较多）、焊钳、面罩、连接导线、手把软线等，如图4-22所示。

2）气焊设备。气焊设备包括氧气瓶、乙炔发生器（或溶解乙炔瓶）及回火保险器等。气焊工具包括焊炬、减压器及橡胶管等。气焊设备组成如图4-23所示。

氧气瓶是储存高压氧气的容器；乙炔瓶是储存乙炔的容器；减压器是将高压气体降为低压气体的调节装置。回火保险器是防止火焰进入喷嘴内沿乙炔管道回烧（即回火）的安全装置。焊炬是用于控制氧气与乙炔的混合比例，调节气体流量及火焰并进行焊接的工具。

焊炬按气体的混合方式分为射吸式焊炬和等压式焊炬两类；按火焰的数目分为单焰和多焰两类；按可燃气体的种类分为乙炔用、氢用和汽油用等；按使用方法分为手工和机械两类。

图4-22 焊条电弧焊设备组成

1—焊缝 2—熔池 3—保护气体 4—电弧 5—熔滴 6—焊条 7—焊钳 8—焊机 9—焊接电缆 10—焊件

图4-23 气焊设备组成

1—焊丝 2—焊件 3—焊炬 4—乙炔发生器 5—回火保险器 6—氧气减压器 7—氧气橡胶管 8—乙炔橡胶管 9—氧气瓶

射吸式焊炬也称为低压焊炬，它适用于低压及中压乙炔气（0.001～0.1MPa），目前国内应用较多，如图4-24所示。等压式焊炬仅适用于中压乙炔气。

图4-24 射吸式焊炬

（2）焊条

1）焊条的种类。焊条分为电焊条与气焊条两种，用于电焊的接口材料是电焊条，用于气焊的接口材料是气焊条（也称为焊丝）。正确选用焊条，对焊接的质量和速度都十分重要。

焊条电弧焊的电焊条种类很多。管道焊接常用的结构钢电焊条J422是以直径为2～6mm的碳素钢芯外涂钛钙药皮材料制成的，其规格见表4-3。管道焊接常采用直径为3.2mm的焊条。

表4-3 结构钢电焊条J422的规格 （单位：mm）

常用的气焊条由低碳钢制成，直径为2～4mm，长度有0.6m、1m两种，使用时应根据工艺要求选用焊丝、焊剂，焊丝不允许有油污和铁锈。对无要求的，可根据焊件的材质和板厚选用。焊丝直径与焊件厚度的关系见表4-4。

表4-4 焊丝直径与焊件厚度的关系 （单位：mm）

2）焊条的选择

①焊缝金属与母材应等强度，化学成分应接近，低碳钢一般用E4303、E5003。

②对塑性、韧性、抗裂性能要求较高的重要结构应选E4315、E5015焊条。

③焊缝表面要求美观、光滑的薄板构件最好选E4313焊条（E4303也可）。

④焊条使用前的烘干管理：碱性低氢焊条在使用前需烘干，一般在250～3500℃的烘箱中烘1～2h，不可将焊条突然放入高温箱炉中，以免药皮开裂，应该缓慢加热，逐渐减温。酸性焊条要根据受潮的具体情况在70～1500℃的烘箱中烘1h。过期与变质的焊条在使用前应进行工艺性能试验，药皮无成块脱落，碱性焊条没有出现气孔，方可使用。

⑤焊条的直径及使用电流见表4-5和表4-6。

表4-5 焊条直径的选择 （单位：mm）

表4-6 各种直径电焊条的使用电流

4.焊接操作步骤

焊接工艺流程：钢管坡口加工→接头→定位焊定位→施焊（电焊、气焊）→焊口清理→探伤→试压。

（1）坡口加工

1）坡口种类。根据设计或工艺需要，将焊件的待焊部位加工成一定几何形状的沟槽称为坡口。开坡口的目的是为了得到在焊件厚度上全部焊透的焊缝。

常用的坡口形式有I形坡口、Y形坡口、带钝边U形坡口、双Y形坡口、带钝边单边V形坡口等，如图4-25所示。

图4-25 常用的坡口形式

a）I形坡口 b）Y形坡口 c）带钝边U形坡口 d）双Y形坡口 e）带钝边单边V形坡口

2）焊接坡口的加工

①刨边：用刨边机对直边可加工任何形式的坡口。

②车削：无法移动的管子应采用可移式坡口机或手动砂轮加工坡口。

③铲削：用风铲铲坡口。

④氧气切割：是应用较广的焊件边缘坡口加工方法，有手工切割、半自动切割、自动切割三种。

⑤碳弧气刨：利用碳弧气刨枪加工坡口。

对加工好的坡口边缘还应进行清洁工作，要把坡口上的油、锈、水垢等杂物清除干净，这有利于获得质量合格的焊缝。清理时应根据杂物的种类及现场条件可选用钢丝刷、气焊火焰、铲刀、锉刀及除油剂清洗。

（2）接头

用焊接方法连接的接头称为焊接接头（简称为接头），它由焊缝、熔合区、热影响区及其邻近的母材组成。在焊接结构中焊接接头起两方面的作用，第一是连接作用，即把两焊件连接成一个整体；第二是传力作用，即传递焊件所承受的荷载。

由于工件厚度及质量要求不同，其接头及坡口形式也不同，焊接接头可分为10种类型，即对接接头、T形接头、十字接头、搭接接头、角接接头、端接接头、套管接头、斜对接接头、卷边接头和锁底接头，如图4-26所示。其中，以对接接头和T形接头应用最为普遍。

一般管道的焊接接头形式及组对，如设计无要求，电焊应符合表4-7的规定，气焊应符合表4-8的规定。

图4-26 焊接接头

a）对接接头 b）T形接头 c）十字接头 d）搭接接头 e）角接接头 f）端接接头 g）套管接头 h）斜对接接头 i）卷边接头 j）锁底接头

表4-7 电焊接头形式及组对要求

注：δ≤4mm的管子，对接如能保证焊透，可不开坡口。

表4-8 气焊接头形式及组对要求

水平固定管接头时，管子轴线必须对正，不得出现中心线偏斜。由于先焊管子下部，为了补偿这部分焊接所造成的收缩，除了按技术标准留出接头间隙外，还应将上部间隙稍放大0.5～2.0mm。

为了保证根部第一层单面焊双面成型良好，对于薄壁小管无坡口的管子，接头间隙可为母材厚度的一半。带坡口的管子采用酸性焊条时，接头的间隙宜等于焊芯直径。采用碱性焊条不灭弧焊法时，接头间隙应等于焊芯直径的一半。

（3）定位

对工件施焊前先定位，根据工件纵、横向焊缝收缩引起的变形，应预先选用夹紧工具、拉紧工具、压紧工具等进行固定。不同管径所选择定位焊的数目、位置也不相同，如图4_-27所示。

由于定位焊的焊点容易产生缺陷，故对于直径较大的管子尽量不在坡口根部进行定位焊，可将钢筋焊到管子外壁起定位作用，临时固定管子接头。定位焊缝的参考尺寸见表4-9。

图4-27 水平固定管的定位焊数目及位置

表4-9 定位焊缝的参考尺寸 （单位：mm）

（4）施焊

1）电焊工艺

①焊接中必须把握好引弧、运条、结尾三要素。无论何种位置的焊缝，在结尾操作时均应维持正常的熔池温度，做无直线移动的横定位焊动作，逐渐填满熔池，而后将电弧拉向一侧提起灭弧。

②水平管单面焊双面成型转动焊接技术。为保证接头质量，在焊前半圈时，应在水平最高点过去5～15mm处熄弧；后半圈的焊接，由于起焊时容易产生塌腰、未焊透、夹渣、气孔等缺陷，对于仰焊处的接头，可将先焊的焊缝端头用电弧割去一部分（大于10mm），这样既可除去可能存在的缺陷，又可以形成缓坡形割槽。水平管单面焊双面成型转动焊接技术如图4-28所示。

图4-28 水平管单面焊双面成型转动焊接技术

注意事项：焊接管子的根部及表面时，运条与固定管焊接相同，但焊条无向前运条的动作，而是管子向后运动；每层焊缝必须仔细清理，以免造成层间夹渣、气孔等缺陷；焊接时，各段焊缝的接头应搭接好并相互错开，尤其是根部一层焊缝的起头和收尾更应注意；焊接时应两侧慢、中间快，使两侧坡口充分熔合；运条速度不宜过快，以保证焊道层间熔合良好，这对厚壁管子尤为重要。

2）气焊工艺

①定位焊。工件及管子的定位焊固定如图4-29所示，工件厚度与焊丝直径的关系见表4-10，工件厚度与焊嘴倾角的关系见表4-11。

表4-10 工件厚度与焊丝直径的关系 （单位：mm）

表4-11 工件厚度与焊嘴倾角的关系

图4-29 工件及管子的定位焊固定

a）直径小于70mm定位焊两处 b）直径100～300mm定位焊3～5处 c）直径300～500mm定位焊5～7处

②气焊操作。气焊操作分为左焊法和右焊法两种。左焊法简单方便，容易掌握，适用于焊接较薄和熔点较低的工件，是应用最普遍的气焊方法。右焊法较难掌握，焊接过程中火焰始终笼罩着已焊的焊缝金属，使熔池冷却缓慢，有助于改善焊缝的金属组织，减少气孔和夹渣。

③管子的几种气焊形式。可转动管的气焊：分为左向爬坡焊和右向爬坡焊，其焊接方向和管子的转动方向都是相对运行的，如图4-30和图4-31所示。

图4-30 左向爬坡焊

图4-31 右向爬坡焊

垂直固定管的气焊：焊嘴、焊丝与管子的轴向夹角，以及与管子切线方向的夹角应保持不变。

水平固定管的气焊：水平固定管的焊接位置是全方位的，有平焊、立焊、仰焊、上爬焊及仰爬焊。

5.焊接连接的要求

1）根据设计要求，工作压力在0.1MPa以上的蒸汽管道、一般管径在32mm以上的采暖管道，以及高层建筑的消防管道可采用电、气焊连接。

2）管道焊接时应有防风、雨、雪措施。焊区的环境温度低于-20℃时，坡口应预热，预热温度为100～200℃，预热长度为200～250mm。

3）焊接前要将两管轴线对中，先对两管端部进行定位焊，管径在100mm以下可定位焊三个点，管径在150mm以上以定位焊四个点为宜。

4）管材壁厚在5mm以上的，应整理管端坡口部位的坡口。如用气焊加工管道坡口，必须除去坡口表面的氧化皮，并将影响焊接质量的凹凸不平处打磨平整。

5）管材与法兰盘焊接，应先将管材插入法兰盘内，先定位焊2～3个点，再用角尺找正、找平后方可焊接。法兰盘应两面焊接，其内侧焊缝不得突出法兰盘的密封面，如图4-32所示。

6.焊缝的外观缺陷及检验

图4-32 管子与法兰焊接

在焊接过程中，焊接的接头区域有时会产生不符合设计或工艺文件要求的各种焊接缺陷。焊接缺陷的存在，不但降低了焊接结构的承载能力，更严重的是导致焊接结构发生脆性断裂，影响焊接结构的使用安全，所以焊接时应尽量避免焊接缺陷的产生，或将焊接缺陷控制在允许范围内。常见焊接缺陷如图4-33所示。

图4-33 常见焊接缺陷

（1）咬边

咬边是指在焊缝边缘的母材上出现被电弧烧熔的凹槽。产生的原因主要是电流过大、电弧过长及焊条角度不当。

（2）未熔合

未熔合是指焊条与母材之间没有熔合在一起，或焊层间未熔合在一起。产生的原因主要是电流过小，焊接速度过快，热量不够或焊条偏于坡口一侧，或母材的坡口处及底层表面有锈、氧化铁、熔渣等未清除干净。

（3）未焊透

未焊透主要是由于焊接电流较小，运条速度较快，接头不正确（坡口钝边厚，接头间隙小），电弧偏吹及运条角度不当造成的。

（4）焊瘤

焊瘤是指在焊缝范围以外多余的焊条熔化金属。产生焊瘤的主要原因是熔池温度过高，液态金属凝固减慢，从而因自重下坠。管道焊接的焊瘤多存于管内，对介质的流动产生较明显的影响。

（5）夹渣

夹渣是指熔池中的熔渣未浮出而存于焊缝中的缺陷。产生夹渣的主要原因是焊层间清理不净，焊接电流过小，运条方式不当使铁液和熔渣分离不清。

（6）气孔

气孔是指焊接熔池中的气体来不及逸出，而停留在焊缝中的孔眼。低碳钢焊缝中的气孔主要是氢或一氧化碳。产生气孔的主要原因是熔化金属冷却太快，焊条药皮太薄或受潮，电弧长度不当或焊缝杂物清理不净。

（7）裂纹

裂纹是焊缝最严重的缺陷，可能发生在焊缝的不同部位，具有不同的裂纹形状和宽度，甚至细微到难以发现。产生裂纹的主要原因有焊条的化学成分与母材材质不符、熔化金属冷却过快、焊接顺序不合理、焊缝交叉过多导致内应力过大等。

焊缝应表面平整，宽度和高度均匀一致，并无明显缺陷，这些都可以用肉眼进行外观检查。焊缝的检验方法还有水压、气压、渗油等密封性试验，抗拉试验、抗弯曲试验、压扁试验等机械检验，以及射线探伤、超声波探伤等，可根据工程的不同情况做具体的要求。管道安装工程常以外观检查及水压试验的方法，对管道焊缝进行检验。

管道焊接完毕必须进行外观检查，必要时可辅以放大镜仔细检查。钢管管道坡口允许偏差和检验方法见表4-12。

表4-12 钢管管道焊口允许偏差和检验方法

外观缺陷超过标准规定的，应按表4-13的规定进行修整。

表4-13 管道焊缝缺陷允许程度及修整方法