焊缝标准

钢结构手工电弧焊焊接工艺标准
范围
本工艺标准适用于一般工业与民用建筑工程中钢结构制作与安装手工电弧焊焊接工程。

施工准备
2.1 材料及主要机具：
2.1.1 电焊条：其型号按设计要求选用，必须有质量证明书。

按要求施焊前经过烘焙。

严禁使用药皮脱落、焊芯生锈的焊条。

设计无规定时，焊接Q235钢时宜选用 E43系列碳钢结构焊条；焊接16Mn钢时宜选用 E50系列低合金结构钢焊条；焊接重要结构时宜采用低氢型焊条（碱性焊条）。

按说明书的要求烘焙后，放入保温桶内，随用随取。

酸性焊条与碱性焊条不准混杂使用。

2.1.2 引弧板：用坡口连接时需用弧板，弧板材质和坡口型式应与焊件相同。

2.1.3 主要机具：电焊机（交、直流）、焊把线、焊钳、面罩、小锤、焊条烘箱、焊条保温桶、钢丝刷、石棉布、测温计等。

2.2 作业条件
2.2.1 熟悉图纸，做焊接工艺技术交底。

2.2.2 施焊前应检查焊工合格证有效期限，应证明焊工所能承担的焊接工作。

2.2.3 现场供电应符合焊接用电要求。

2.2.4 环境温度低于0℃，对预热，后热温度应根据工艺试验确定。

操作工艺
3.1 工艺流程
作业准备→ 电弧焊接 (平焊、立焊、横焊、仰焊) → 焊缝检查
3.2 钢结构电弧焊接：
3.2.1 平焊
3.2.1.1 选择合适的焊接工艺，焊条直径，焊接电流，焊接速度，焊接电弧长度等，通过焊接工艺试验验证。

3.2.1.2 清理焊口：焊前检查坡口、组装间隙是否符合要求，定位焊是否牢固，焊缝周围不得有油污、锈物。

3.2.1.3 烘焙焊条应符合规定的温度与时间，从烘箱中取出的焊条，放在焊条保温桶内，随用随取。

3.2.1.4 焊接电流：根据焊件厚度、焊接层次、焊条型号、直径、焊工熟练程度等因素，选择适宜的焊接电流。

3.2.1.5 引弧：角焊缝起落弧点应在焊缝端部，宜大于10mm，不应随便打弧，打火引弧后应立即将焊条从焊缝区拉开，使焊条与构件间保持2～4mm间隙产生电弧。

对接焊缝及对接和角接组合焊缝，在焊缝两端设引弧板和引出板，必须在引弧板上引弧后再焊到焊缝区，中途接头则应在焊缝接头前方15～20mm处打火引弧，将焊件预热后再将焊条退回到焊缝起始处，把熔池填满到要求的厚度后，方可向前施焊。

3.2.1.6 焊接速度：要求等速焊接，保证焊缝厚度、宽度均匀一致，从面罩内看熔池中铁水与熔渣保持等距离（2～3mm）为宜。

3.2.1.7 焊接电弧长度：根据焊条型号不同而确定，一般要求电弧长度稳定不变，酸性焊条一般为3～4mm，碱性焊条一般为2～3mm为宜。

3.2.1.8 焊接角度：根据两焊件的厚度确定，焊接角度有两个万面，一是焊条与焊接前进方向的夹角为60～75°；二是焊条与焊接左右夹角有两种情况，当焊件厚度相等时，焊条与
焊件夹角均为45°；当焊件厚度不等时，焊条与较厚焊件一侧夹角应大于焊条与较薄焊件一侧夹角。

3.2.1.9 收弧：每条焊缝焊到末尾，应将弧坑填满后，往焊接方向相反的方向带弧，使弧坑甩在焊道里边，以防弧坑咬肉。

焊接完毕，应采用气割切除弧板，并修磨平整，不许用锤击落。

3.2.1.10 清渣：整条焊缝焊完后清除熔渣，经焊工自检（包括外观及焊缝尺寸等）确无问题后，方可转移地点继续焊接。

3.2.2 立焊：基本操作工艺过程与平焊相同，但应注意下述问题：
3.2.2.1 在相同条件下，焊接电源比平焊电流小10%～15%。

3.2.2.2 采用短弧焊接，弧长一般为2～3mm。

3.2.2.3 焊条角度根据焊件厚度确定。

两焊件厚度相等，焊条与焊条左右方向夹角均为45°；两焊件厚度不等时，焊条与较厚焊件一侧的夹角应大于较薄一侧的夹角。

焊条应与垂直面形成60°～80°角，使电弧略向上，吹向熔池中心。

3.2.2.4 收弧：当焊到末尾，采用排弧法将弧坑填满，把电弧移至熔池中央停弧。

严禁使弧坑甩在一边。

为了防止咬肉，应压低电弧变换焊条角度，使焊条与焊件垂直或由弧稍向下吹。

3.2.3 横焊：基本与平焊相同，焊接电流比同条件平焊的电流小10%～15%，电弧长2～4mm。

焊条的角度，横焊时焊条应向下倾斜，其角度为70°～80°，防止铁水下坠。

根据两焊件的厚度不同，可适当调整焊条角度，焊条与焊接前进方向为70°～90°。

3.2.4 仰焊：基本与立焊、横焊相同，其焊条与焊件的夹角和焊件厚度有关，焊条与焊接方向成70°～80°角，宜用小电流、短弧焊接。

3.3 冬期低温焊接：
3.3.1 在环境温度低于0℃条件下进行电弧焊时，除遵守常温焊接的有关规定外，应调整焊接工艺参数，使焊缝和热影响区缓慢冷却。

风力超过4级，应采取挡风措施；焊后未冷却的接头，应避免碰到冰雪。

3.3.2 钢结构为防止焊接裂纹，应预热、预热以控制层间温度。

当工作地点温度在0℃以下时，应进行工艺试验，以确定适当的预热，后热温度。

质量标准
4.1 保证项目
4.1.1 焊接材料应符合设计要求和有关标准的规定，应检查质量证明书及烘焙记录。

4.1.2 焊工必须经考试合格，检查焊工相应施焊条件的合格证及考核日期。

4.1.3 Ⅰ、Ⅱ级焊缝必须经探伤检验，并应符合设计要求和施工及验收规范的规定，检查焊缝探伤报告。

4.1.4 焊缝表面Ⅰ、Ⅱ级焊缝不得有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。

Ⅱ级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，且Ⅰ级焊缝不得有咬边、未焊满等缺陷。

4.2 基本项目
4.2.1 焊缝外观：焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和飞溅物清除干净。

4.2.2 表面气孔：Ⅰ、Ⅱ级焊缝不允许；Ⅲ级焊缝每50mm长度焊缝内允许直径≤0.4t；且≤3mm气孔2个；气孔间距≤6倍孔径。

4.2.3 咬边：Ⅰ级焊缝不允许。

Ⅱ级焊缝：咬边深度≤0.05t，且≤0.5mm，连续长度≤100mm，且两侧咬边总长≤10%焊缝长度。

Ⅲ级焊缝：咬边深度≤0.lt，且≤lmm。

注；t为连接处较薄的板厚。

4.3 允许偏差项目，见表5-1。

表5-1
项允许偏差 (mm) 检验
次Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级方法
焊缝余高 b<20 0.5～2 0.5～2.5 0.5～3.5
1 对接焊缝(mm) b≥20 0.5～3 0.5～3.5 0～3.5 用
<0.1t且 <0.1t且 <0.1t且焊
不大于2.0 不大于2.0 不大于3.0
焊角尺寸hf≤6 0～+1.5 缝
2 角焊缝 (mm) hf>6 0～+
3 量
焊缝余高hf≤6 0～+1.5 规
(mm) hf>6 0～+3 检
3 组合焊缝 T形接头，十字接头、角接头 >t/
4 查
焊角尺寸起重量≥50t，中级工作制吊车梁T形接头 t/2且≯10
注：b为焊缝宽度，t为连接处较薄的板厚，hf为焊角尺寸。

成品保护
5.1 焊后不准撞砸接头，不准往刚焊完的钢材上浇水。

低温下应采取缓冷措施。

5.2 不准随意在焊缝外母材上引弧。

5.3 各种构件校正好之后方可施焊，并不得随意移动垫铁和卡具，以防造成构件尺寸偏差。

隐蔽部位的焊缝必须办理完隐蔽验收手续后，方可进行下道隐蔽工序。

5.4 低温焊接不准立即清渣，应等焊缝降温后进行。

应注意的质量问题
6.1 尺寸超出允许偏差：对焊缝长宽、宽度、厚度不足，中心线偏移，弯折等偏差，应严格控制焊接部位的相对位置尺寸，合格后方准焊接，焊接时精心操作。

6.2 焊缝裂纹：为防止裂纹产生，应选择适合的焊接工艺参数和施焊程序，避免用大电流，不要突然熄火，焊缝接头应搭10～15mm，焊接中木允许搬动、敲击焊件。

6.3 表面气孔：焊条按规定的温度和时间进行烘焙，焊接区域必须清理干净，焊接过程中选择适当的焊接电流，降低焊接速度，使熔池中的气体完全逸出。

6.4 焊缝夹渣：多层施焊应层层将焊渣清除干净，操作中应运条正确，弧长适当。

注意熔渣的流动方向，采用碱性焊条时，上须使熔渣留在熔渣后面。

质量记录
本工艺标准应具备以下质量记录：
7.1 焊接材料质量证明书。

7.2 焊工合格证及编号。

7.3 焊接工艺试验报告。

7.4 焊接质量检验报告、探伤报告。

7.5 设计变更、洽商记录。

7.6 隐蔽工程验收记录。

7.7 其它技术文件。

进入90年代后，随着自动化技术、人工智能理论等相关学科纷纷取得长足进展，焊接生产的机械化、自动化和机器人化程度不断提高，生产节拍不断加快，因此，对焊接加工环节本身的生产速度提出了更高的要求。

但是，焊接速度的提高会带来一些与常规速度焊接时不同的问题。

其中最主要的是焊缝成形差，出现焊道咬边的现象，速度进一步提高时出现所谓“驼峰”焊道，甚至造成焊缝不连续［1,2］。

为了改善高速焊接时的焊缝成形，首先需要了解焊缝成形不良的机理。

本文是针对平板堆焊时产生咬边的机理所进行的研究。

1 平板表面上的熔敷金属形状
1.1 液体表面的压强平衡
根据液体表面能的原理可以得出描述一弯曲液面上任一点处液面内外压强差的Young-Laplace方程［3］：
式中：σ比表面能，或称表面张力系数，单位N/m。

R
1，R
2
为曲面在该点的两个
互相垂直的法平面中的曲率半径。

为平均曲率。

Young-Laplace方程为二阶微分方程，在边界条件足够时，解此方程即可求出液体表面形状。

Nishiguchi和Ohji采用二维液柱模型，计算了平板表面上熔敷金属的形状［4,5］。

计算中基于如下假设：
1) 焊接方向上熔池足够长，可作为二维液体处理，即沿焊缝长度方向上的曲率可以忽略。

2) 忽略电弧的挖掘力。

3) 整个液体表面上表面张力均匀。

在上述情况下，式(1)中R
2=∞，则H=1/2R
1
，对于截面如图1所示的二维液
体，建立图中所示坐标系，根据式(1)和液体压强公式，有将y=0时dy/dx=0作为边界条件，并对y进行两次积分得:
图1 平板上液体的表面形状
Fig.1 Shape of liquid surface on a flat plate
式中
求解式(3)即为液体金属的平衡形状。

但注意到f(y)的表达式中存在一个系数R
，它并不是一个常数，Nishiguchi
的方法，因此无法得出一定条件下的确定解，而只能给和Ohji并未提出确定R
出一些定性的趋势。

1.2 求取确定解的方法
研究中引入了两个边界条件来求解Young-Laplace方程：
1) 三相接触线平衡条件确定的接触角θ，即
2) 单位长度上熔敷金属体积，对于二维液柱即为截面积。

这一条件表达为：
式(6)所表达的约束条件是对式(3)积分结果的积分，采用解析算法是无法利用这一条件对式(3)进行求解的。

但是注意到θ一定时，面积A为R
的单调
设定任意的初值，据此求出高度h，并沿y坐标从0到h 增函数，因此可以为R
取等步距的点，对每一点，采用数值积分，得出每一个y值对应的x值，然后再
进根据式(6)求出这时的面积A与给定面积比较，如果误差大于允许值，则对R
等于某一值时，面积A与给定面积的误差在允许行迭代，如此进行，直到在R
范围内，即面积约束条件满足，则此时可以得到一定接触角，一定截面积的液体金属在平板上达到平衡时的表面形状。

2 平板堆焊时咬边产生机理的静力学模型
2.1 熔池形状的几何模型
在上述算法的基础上，在考虑熔深形状的情况下，对平板堆焊时产生咬边的静力学机理及其影响因素进行了分析。

在计算中将熔深为d,熔宽为W的熔合线简化为椭圆的一段弧，椭圆y方向上半轴长为b=2d，并假设其形状在整个过程中保持不变，即忽略过热液体金属对母材的重熔作用，如图2所示。

根据几何知识可求出熔合线上距熔池底部高度为hs的点S处的宽度Ws,点S处熔合线与
水平线的夹角，熔化的母材金属截面积Ab以及经过点S的水平线以下的熔化金属截面积As。

图2 熔池形状的几何模型
Fig.2 Geometrical model of weld pool
2.2 液体金属混合物的平衡条件
在考虑母材熔化的情况下，液体金属达到稳定的条件应为熔敷金属与熔化的母材的混合物在表面张力和重力的作用下共同达到平衡。

不妨假设熔敷金属首先铺展到焊趾部，这时确定焊趾部即三相接触线的受力情况的是两个角度值，一是液气界面与水平线的夹角β，另一个是熔合线与水
平线的夹角，其定义如图3所示。

因为在材料、表面状态、温度等条件一定时，固液相间的接触角θ是一个确定的约束条件，所以只有满足
β+=θ(7)
时，三相接触线的受力才能够达到平衡。

否则，根据β+与接触角θ的关系，会出现两种情况：
a) β+>θ，则三相接触线所受合力F的方向是向熔池外部的，液体将向外铺展，不会形成咬边，如图3(a)所示；
b) β+<θ，则三相接触线所受合力F的方向是向熔池内部的,三相接触线
将向熔池内部移动，同时熔化的母材金属向中间聚集，β+的值不断增大，直到满足式(7)时达到平衡，如图中虚线所示。

这样就形成了咬边，如图3(b)所示。

图3 熔敷金属液体在熔池边缘的受力与运动趋势
Fig.3 Forces and moving tendency of molten pool at edge
2.3 确定平衡位置的算法
由上面的分析可知，在考虑熔池形状的情况下，求解液态金属平衡方程的关键在于确定一定截面积的液体金属，在底部宽度一定时，其三相接触线上液体表面与水平线的夹角β。

请注意，此时作为边界条件的截面积与平板表面时的情况不同，由于液体金属向熔池中央聚集，使三相接触线离开母材表面，所以此时必须考虑这一部分向中央聚集的熔化母材的重力作用。

设熔化的母材金属截面积为Ab，熔敷金属的截面积为Af，则总的液体金属的截面积为Ab+Af。

当三相接触线处于熔合线上任一点S时，需要通过表面张力维持的是通过S点的水平线以上的液体金属的重力，这部分液体截面积为Ab+Af-As，如图2中所示。

因此，为通过Young-Laplace方程求解此时的β，应引入如下边界条件：
A=Ab+Af-As (8)
W=Ws (9)
式中As和Ws的定义如图2中所示。

的算法类似，由于在液体截面积一定时，底部宽度W是与上一节中求解R
底角β的单调减函数，所以可以利用式(8)和式(9)两个边界条件，采用迭代算法确定β的值。

在这一过程中利用了上一节中确定R
的算法子程序。

即采用了
双重的迭代算法来确定β。

当所求得的结果满足式(7)时，液态金属达到平衡。

此时能够得出咬边深度、宽度以及焊道高度、底部宽度和顶部曲率等焊道形状参数。

由于实际焊接时的焊道形状参数很难保证，为了验证这一算法的正确性，采取了统计的方法，即对每一确定的熔敷金属截面积（这可通过送丝速度与焊接速度确定），调节焊接电压，得到一系列比较分散的熔宽数值，观察焊道出现咬边的情况，与计算得出的临界条件比较。

试验材料如下：
母材—厚度3mm的低碳钢板；
焊丝—H08Mn2Si， 1.2mm；
，流量15L/min。

保护气—100% CO
2
这一组试验的结果如图4所示。

图中数据点所表示的是不同熔宽与熔敷金属截面积的匹配，其中实心圆点表示计算得出的不产生咬边的临界点，实线为这些点的拟合结果，实心三角为无咬边产生的试验点，空心三角为产生咬边的试验点。

可见，计算得出的产生咬边缺陷的临界条件与试验点的分布情况基本相符。

图4 理论计算的咬边临界条件与试验数据的比较
Fig.4 Calculated critical condition of undercut and experimental points 3 计算结果与讨论
作为衡量咬边倾向的指标，利用上述算法，分别计把平衡时的咬边深度d
u
算了各焊缝形状参数对咬边倾向的影响。

图5所示为熔敷金属截面积为6.36mm2（对应焊接速度1.6m/min，焊丝直径1.2mm，送丝速度9m/min的情况），接触角分别为90°和135°时，不同的熔宽Wb对咬边倾向的影响情况。

由图5中可见，在同样的接触角和熔敷金属量条件下，随熔宽的增大，咬边倾向明显增加。

而当熔宽小于一定值时，不会发生咬边。

图5 熔宽Wb对咬边倾向的影响
Fig.5 Effect of bead width Wb on undercut
tendency
图6是一定熔宽（6mm）条件下，熔敷金属截面积A对咬边倾向影响的计算结果。

可以看出，咬边倾向随熔敷金属量的增大而减小，当熔敷金属量足够大时不出现咬边。

图6 熔敷金属截面积A对咬边倾向的影响
Fig.6 Effect of cross-sectional area A on
undercut tendency
另外，从图5和图6都可以看出，接触角θ的大小对咬边倾向的影响很大，在接触角小于90°时，即润湿性良好的情况下，几乎不可能出现咬边。

采用以上算法，由以上计算结果可知，减小咬边倾向可从如下几个方面入手：(a)减小接触角θ；(b)减小熔宽；(c)增大熔敷金属量。

其中，减小接触角可以通过调整焊丝和保护气体成分实现，即通过加入少量氧化性成分等措施，减小液态金属的表面张力，从而减小接触角；减小熔宽可以通过降低焊接电压实现；而增大熔敷金属量则需要增大送丝速度即焊接电流。

4 结论
(1) 采用考虑熔池形状的液态金属的流体静力学模型，可以解释平板堆焊时焊道咬边现象的产生机理。

(2) 焊道咬边倾向随接触角和熔宽的增大而增大，随单位长度上熔敷金属量的增大而减小。

(3) 为减小咬边倾向，一方面可以调整焊丝和保护气体成分，另一方面，可采用大电流匹配低电压进行焊接。