焊接方法课程设计

第1章课程设计任务书
题目：
试制定尺寸为φ220mm×8mm，材质为Q235，低碳钢管对接的焊接工艺。

(CO2气保焊)
任务：
1. 根据设计题目中产品的结构特点和材料性能，选择焊接方法，确定焊接设备型号；
2. 根据所确定焊接方法及设备，选择焊接材料，确定焊接规范；
3. 焊前准备和焊后处理、焊接辅助设备等；
4. 焊接操作要点及相关注意事项；
5. 焊接检验方法及合格标准；
6. 编写设计说明书一份，内容包括上述产品的结构特点和材料焊接性能分析，所选择的焊接方法，确定的焊接设备，选择的焊接材料，确定的焊接规范；焊前准备和焊后处理、焊接辅助设备及焊接操作要点等。

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第2章 焊接方法及设备
2.1产品结构及材料性能分析
2.1.1产品结构
产品为直径220mm ，厚度为8mm 的低碳钢管。

产品为低碳钢管的对焊接，焊缝为环缝。

2.1.2材质性能分析 （1）化学性能分析
板材的化学成分如表2-1所示。

表2-1 Q235的化学成分
（2）物理性能分析
机械力学性能为，屈服极限=s σ为235MPa ，抗拉强度=b σ375～470MPa ，伸长率=δ26%。

（3）焊接性分析
低碳钢的碳含量较低，合金元素锰和硅的含量亦不高。

总的来说，其焊接性良好，不会因焊接热周期的快速冷却，引起淬硬而使组织脆化。

因此，在焊接板厚小于70mm 的焊件时，焊前不需预热，不必严格保持层间温度。

除了锅炉、压力容器等重要的焊接结构外，焊后不必作消除应力处理，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性能优良。

2.2焊接方法及设备型号
2.2.1焊接方法选择
该直径的管子无法从内部进行焊接，必须采用单面焊双面成型工艺。

为了
保证焊透及根部焊接质量，采用U形坡口。

焊接时可用“管子旋转—焊枪位置固定”的方法，因为利用这种方法焊接时熔池始终处于相同的位置，有利于获得良好的焊缝成形。

管壁较厚时，焊枪固定在1点钟位置（如图2-1所示），而管壁较薄时，焊枪固定在3点位置。

8mm壁厚属于中等厚度，可采用
2
CO焊接或
细颗粒过渡
2
CO焊接。

图2-1焊枪固定位置
2.2.2焊接设备型号选择
根据板材厚度8mm，确定焊接电流为100～150A，电弧电压为18～23V选择焊机的型号为NBC-250焊机，焊机参数如表2-2所示。

表2-2 NBC-250焊机参数
规格型号NBC—250 空载电压范围
(V)
18～36
一次电压380V 调节级率21
相数 3 额定输入容量
（KVA)
8.1
频率50Hz 效率0.85
额定工作电流(A) 250 焊丝直径(mm) φ0.8～1.2 电压调节范围(V) 17～27 适应板厚(mm) 1.0～6.0
额定负载持续率60﹪
外形尺寸
570*490*890 长*宽*高(mm)
电流调节范围(A) 50～250 重量125
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第3章焊接材料及焊接规范
3.1焊接材料的选择
3.1.1焊丝的选择
CO气体保护焊的常用焊丝为H08Mn2SiA焊丝，具有较好的工艺性能、力2
σ500MPa的低合金钢，以及学性能及抗裂纹能力，适于焊接低碳钢、屈服点=
s
σ1200MPa的低合金钢。

H08Mn2SiA的化学成分如表3经焊后热处理抗拉强度=
b
所示。

3.2焊接规范参数
焊的焊接参数较多，主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径、焊丝伸出长度、电流极性、焊接回路电感值和气体流量等。

3.2.1焊丝直径的选择
板材厚度为2～8mm，焊接位置为全位置时，熔滴过渡形式为短路过渡时，应采用直径为1.0～1.2mm的焊丝。

此处选择焊丝直径为1.2mm。

电流相同时，随着焊丝直径的减小，熔深要增大。

3.2.2焊接电流的选择
根据焊件的厚度、坡口形式、焊丝直径来确定焊接电流。

焊接电流的大小、直接关系到焊接过程的稳定性、焊缝成形、焊接质量、焊接生产率。

一般情况下，焊丝直径一定时，焊接电流的增加，使焊缝的熔深、熔宽、余高都有所增加，而熔深增加最为明显。

当焊接电流太大时，易产生飞溅、焊穿及气孔等缺
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陷，反之，焊接电流过小时，电弧不能连续燃烧，易产生未焊透或成形不良等。

所用焊丝直径选择了1.2mm，熔滴过渡形式为短路过渡，所以焊接电流的范围为100～150A。

3.2.3电弧电压的选择
电弧电压是焊接参数中很重要的一个参数。

电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，它对焊缝的成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的力学性能有很大的影响。

电弧电压对焊接过程和对金属与气体间的冶金反应的影响均比焊接电流大，且随着焊丝直径的减小，电弧电压影响的程度增大。

实现堵路过渡的条件之一是保持较短的电弧长度，即低电压。

但电弧电压，电弧引燃困难，焊丝会插入熔池，电弧也不能稳定燃烧：若电弧电压过高，则有短路过渡转变成粗滴的长弧过渡，焊接过程不稳定。

为获得良好的工艺性能，应该选择最佳的电弧电压之值，该值是一个很窄的电压区间，一般仅有1～2V 变化范围。

最佳电弧电压值与焊接电源、焊丝直径和熔滴过渡形式等因素有关。

当所用焊丝的直径为1.2mm，熔滴过渡形式为短路过渡，焊接电弧电压可按下述经验公式推算：U=16+0.04I（U=电弧电压；I=焊接电流）所以选择焊接电弧电压的范围为18～23V。

3.2.4焊接速度的选择
选择焊接速度的主要根据生产率和焊接质量。

如果焊接速度过快，熔池温度不够，易造成未焊透、未熔合、保护效果差，同时使冷却速度加大，使焊缝塑性降低，且不利于焊缝形成，易形成咬边缺陷；如果焊接速度过慢，熔敷金属在电弧下堆积，电弧热和电弧力受阻碍，焊道不均匀，使高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，机械性能降低，同时使变形量增大。

在实际生产中，一般不超过0.5m/min。

3.2.5焊丝伸出长度的选择
焊丝伸出长度对焊丝熔化速度的影响很大，尤其在短路过渡CO2焊中，采用的焊丝都比较细，焊丝伸出长度上严重的电阻热成为焊接参数中不可忽视的因素。

在焊接电流相同时，随着仲出长度增加，焊丝熔化速度也增加。

当送丝速度不变时，伸出长度越大，则电流越小，使熔滴和熔池温度降低，造成热量不足，熔深越小，甚至造成未焊透。

直径越细、电阻率越大的焊丝，这种影响
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也越大。

另外，焊丝伸出长度过大时，容易发生过热而成段熔断，飞溅较大、焊缝成形恶化，焊接过程不稳定，难以操作。

同时，焊丝伸出长度较大时，喷嘴到母材之间的距离较大，因此气体保护效果较差，甚至可能产生气孔。

相反，焊丝伸出长度减小时，焊接电流增加，弧长略变短，熔深变大，焊接飞溅金属大量粘附到喷嘴内壁。

同时，还妨碍观察电弧，影响焊工操作。

当伸出长度过小时，易使导电嘴过热而夹住焊丝，甚至烧毁导电嘴，使焊接过程不能正常进行。

根据生产经验，合适的焊丝伸出长度与焊丝直径有关，大约等于焊丝直径的10倍左右，并随着焊接电流的增加而增加。

总的来说，焊丝伸出长度一般都在10～20mm范围之内，很少有超过20mm的。

直径1.2mm的H08Mn2SiA焊丝的伸出长度为8～15mm。

3.2.6电流极性的选择
CO气体保护焊主要采用直流反接法。

这是因为焊件接负极时的电弧稳定性2
比接正极时高，而且飞溅也较小（熔滴受到的极点压力小），同时在
CO气体保
2
护下的电弧气氛中，有利于形成较多的阴离子，因此，阴极温度较高，使焊件熔透深度大。

有利于焊件需进行修补或堆焊工作，并能提高生产率。

3.2.7焊接回路电感值的选择
在短路过渡中，熔滴首先与熔池润湿并摊开，然后形成缩颈，由于细焊丝的熔滴尺寸小，所以可以在短时间完成，熔滴过渡的周期短，因此需要较大的di/dt，应选择较小电感值；粗焊丝焊时熔化慢，熔滴过渡的周期长，则要求较大的di/dt，需选择较大电感值。

初始短路时，应减小电流，这样有利于熔滴沿熔池润湿和摊开，防止瞬时短路，传统的弧焊电源只能利用电感的作用来防止电流过快增加，很难在此瞬间减小电流；现代新型弧焊电源，则具有在极短时间内减小电流的能力，并需要较小的电感值。

根据焊丝的直径为1.2mm，熔滴过渡形式为短路过渡，焊接回路电感值的选择为焊接电流130A,电流电压19V,电感0.02～0.50mH.
3.2.8气体流量的选择
气体流量会直接影响焊接质量，一般根据焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度及喷嘴直径来选择。

当焊接电流越大，焊接速越快，焊丝伸出长度越长时，气体流量应大些。

气体流量太大或太小时，都会造成成形差，飞溅大，产生气
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孔。

由于焊丝直径为1.2mm，属于细焊丝，一般经验公式是，数量为焊丝直径的十倍，既直径1.2mm焊丝选择12L/min。

当采用大电流快速焊接，或室外焊接及仰焊时，应适当提高气体流量。

CO气体纯度不低于99.5%。

2
3.2.9导电嘴孔径
焊丝通过与导电嘴的摩擦接触传送焊接电流。

由于二者不断地摩擦，使导电嘴的孔径磨损扩大。

一般导电嘴的孔径比焊丝直径大0.1～0.25毫米。

当导电嘴孔径过大时，引起焊丝与导电嘴之间的接触不良，并使焊丝的导向失控，而影响焊接过程的稳定性，造成焊缝成形不良。

但当导电嘴孔径过小时，会增大焊丝给送的阻力，造成焊丝不均甚至导致焊丝在送丝滚轮与软管进口之间产生卷曲或打结的弊病。

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第4章焊前准备及辅助设备
4.1焊前准备
4.1.1技术准备
熟悉产品图纸，了解产品结构；熟悉产品焊接工艺，了解产品焊接接头要求的焊工持证项目，掌握产品焊接接头的焊接参数。

4.1.2器材准备
在施焊前需要进行的器材准备工作为：焊接设备及工装的检验调试；焊接参数调整，按焊接工艺的规定领取焊接材料。

4.1.3工件准备
（1）坡口设计
将每个待焊端口用刨边机械加工成半U形（单边J形坡口），如图1所示。

然后将坡口周围10mm～20mm范围内的油污、水分、铁锈、氧化皮及其他赃物等打磨干净，露出金属光泽。

将管子放在滚轮架上，按照图1所示进行装配，根部间隙控制在1.5～2.5mm 之间，高低平整，不要有错边。

选用直径为1.2mm的H08MnSiA焊丝，纯度高于CO气体。

99.8%的
2
（2）焊接接头组对
使用卡具定位或直接在坡口内点焊的方法进行焊接接头的组对，组对时应保证在焊接过程中焊点不得开裂，并不影响底层焊缝的施焊；控制对口错边量、组对间隙及棱角度等参数不超过按相应的产品制造、验收标准的规定。

4.1.4焊材的准备
CO气瓶倒置0.5h，排除多余的水分，再正置0.5h，焊丝在150℃烘干2h。

2
让气体充满瓶的顶部。

4.2焊接辅助设备
CO 焊接工作台，手工钳子，手工扳子，夹具，引弧板。

预热器作用是防止
2
CO气体中的气化时水分在钢瓶出口处及减压表中结冰。

干燥器，作用是吸收
2
水分和杂质。

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第5章焊接操作要点
5.1焊接操作
5.1.1定位焊
定位焊可采用与打底焊相同的焊接参数。

在整个环缝上焊接三段定位焊缝，每段长度为10～15mm。

采用左焊法进行焊接，首先在1点钟位置进行第一段焊接，转动120°后焊接第二道焊缝再转动120°后焊接第三道焊缝。

定位焊缝上应无未焊透、气孔等缺陷，焊好后用角向磨光机将其两端打磨成斜坡，以便于接头。

注意事项：
（1）定位焊的起头和结尾处应圆滑，否则，易造成未焊透现象。

（2）焊接件要求预热，则定位焊时也应进行预热，其温度应与正式焊接温度相同。

（3）定位焊的电流比正常焊接的电流大10～15%。

（4）在焊缝交叉处和焊缝方向急剧变化处不要进行定位焊，确需定位焊时，宜避开该处50mm左右。

（5）定位焊缝高度不超过设计规定的焊缝的2/3，以越小越好。

（6）含碳量大于0.25%或厚度大于16mm的焊件，在低温环境下定位焊后应尽快进行打底焊，否则应采取后热缓冷措施。

5.1.2打底焊
定位焊缝位于1点钟的位置，在该定位焊缝上引弧，将焊枪保持在1点钟位置且不罢休，并使管子沿顺时针方向转动，如图2所示。

止痒可以防止熔池金属流淌，将熔池金属宽度控制得比根部间隙大0.5～1mm。

焊完后，将打底焊表面清理干净。

注意事项：
（1）母材表面之油污，灰尘及杂物等须确实除尽。

（2）焊道清理可用不锈钢刷清除，以免铁屑混入焊道金属中影响焊道质。

（3）焊条织动时，织动的宽度应在焊条直径的2.5倍以内。

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（4）使用前焊条须於200～250°C再乾燥一小时。

（5）尽可能使用较低之焊接电流且压低电弧长度，使母材稀释减少，防止龟裂。

5.1.3填充层焊接
仍在1点钟处引弧，焊枪保持在该位置，并作月牙形或锯齿形摆动。

焊枪摆动到坡口两侧稍作停留，保证焊道两侧熔合良好但不能熔化工件表面坡口棱角。

控制焊接速度、弧长及两侧停留时间，使焊道表面微有下凹，并低于工件表面1.0～1.5mm，焊后将焊道表面清理干净。

注意事项：
（1）应对打底焊道仔细清渣，应特别注意死角处的焊渣清理。

（2）在距离焊缝始端l0mm左右处引弧后，将电弧拉回到始焊端施焊。

每次都应按此法操作，以防产生缺陷。

（3）采用月牙形或横向锯齿形摆动。

（4）焊条与试板的下倾角为70°～80°。

（5）焊条摆动到两侧坡口处要稍作停顿，以利熔合及排渣，防止立焊缝两边产生死角。

（6）最后一层填充焊层厚度，应使其比母材表面低1～1.5mm，且应呈凹形，不得熔化坡口棱边，以利盖面层保持平直。

5.1.4盖面焊焊接
盖面层应将前一层熔渣飞溅清除干净，焊条角度、运条方法及接头方法与填充层相同。

焊条直径为3.2mm的焊条，焊接电流110～120A。

焊接时，焊条横向摆动幅度比填充要宽，焊接时应注意，焊条摆动幅度要均匀，在坡口两侧电弧压的越低越好，外坡口边熔化尺寸控制在1mm左右，注意两侧熔合好，以保证不咬边及焊道平直，成型美观。

注意事项：
（1）引弧同填充层焊相同。

（2）采用月牙形或锯齿形运条。

（3）焊条与试板的下倾角为70°～75°。

（4）焊条摆动到坡口边缘时，要稍作停留，保持熔宽1～2mm。

（5）焊条的摆动频率应比平焊缝稍快些，前进速度要均匀一致，使每个
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新熔池覆盖前一个熔池的2/3～3/4。

（6）换焊条前收弧时，应对熔池填些铁液，迅速更换焊条后，再在弧坑上方l0mm左右的填充层焊缝金属上引弧，将电弧拉至原弧坑处填满弧坑后，继续施焊。

焊接的参数如表5-1所示。

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第6章焊接检验
焊接检验内容包括从图纸设计到产品制出整个生产过程中所使用的材料、工具、设备、工艺过程和成品质量的检验，分为三个阶段：焊前检验、焊接过程中的检验、焊后成品的检验。

检验方法根据对产品是否造成损伤可分为破坏性检验和无损探伤两类。

6.1焊前检验
焊前检验包括原材料(如母材、焊条、焊剂等)的检验、焊接结构设计的检查等。

6.2焊接过程中的检验
包括焊接工艺规范的检验、焊缝尺寸的检查、夹具情况和结构装配质量的检查等。

6.3焊后成品的检验
焊后成品检验的方法很多，常用的有以下几种：
(1)外观检验
焊接接头的外观检验是一种手续简便而又应用广泛的检验方法，是成品检验的一个重要内容，主要是发现焊缝表面的缺陷和尺寸上的偏差。

一般通过肉眼观察，借助标准样板、量规和放大镜等工具进行检验。

若焊缝表面出现缺陷，焊缝内部便有存在缺陷的可能。

(2)致密性检验
贮存液体或气体的焊接容器，其焊缝的不致密缺陷，如贯穿性的裂纹、气孔、夹渣、未焊透和疏松组织等，可用致密性试验来发现。

致密性检验方法有：煤油试验、载水试验、水冲试验等。

(3)受压容器的强度检验
受压容器，除进行密封性试验外，还要进行强度试验。

常见有水压试验和气压试验两种。

它们都能检验在压力下工作的容器和管道的焊缝致密性。

气压试验比水压试验更为灵敏和迅速，同时试验后的产品不用排水处理，对于排水
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困难的产品尤为适用。

但试验的危险性比水压试验大。

进行试验时，必须遵守相应的安全技术措施，以防试验过程中发生事故。

(4)物理方法的检验
物理的检验方法是利用一些物理现象进行测定或检验的方法。

材料或工件内部缺陷情况的检查，一般都是采用无损探伤的方法。

目前的无损探伤有超声波探伤、射线探伤、渗透探伤、磁力探伤等要观看wmv格式多个视频，请将鼠标悬停在所需看的视频上便可
① 射线探伤
射线探伤是利用射线可穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现缺陷的一种探伤方法。

按探伤所使用的射线不同，可分为X射线探伤、γ射线探伤、高能射线探伤三种。

由于其显示缺陷的方法不同，每种射线探伤都又分电离法、荧光屏观察法、照相法和工业电视法。

射线检验主要用于检验焊缝内部的裂纹、未焊透、气孔、夹渣等缺陷。

② 超声波探伤
超声波在金属及其它均匀介质传播中，由于在不同介质的界面上会产生反射，因此可用于内部缺陷的检验。

超声波可以检验任何焊件材料、任何部位的缺陷，并且能较灵敏地发现缺陷位置，但对缺陷的性质、形状和大小较难确定。

所以超声波探伤常与射线检验配合使用。

③磁力检验
磁力检验是利用磁场磁化铁磁金属零件所产生的漏磁来发现缺陷的。

按测量漏磁方法的不同，可分为磁粉法、磁感应法和磁性记录法，其中以磁粉法应用最广。

磁力探伤只能发现磁性金属表面和近表面的缺陷，而且对缺陷仅能做定量分析，对于缺陷的性质和深度也只能根据经验来估计。

④渗透检验
渗透检验是利用某些液体的渗透性等物理特性来发现和显示缺陷的，包括着色检验和荧光探伤两种，可用来检查铁磁性和非铁磁性材料表面的缺陷。

此次焊后成品检验用超声，磁粉，射线，都可以。

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6.4常见的缺陷、产生原因及其解决措施
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参考文献
[1]朱张校.工程材料.清华大学出版社，2001.
[2]严绍华.材料成型工艺基础.清华大学出版社，2008.
[3]实用焊工手册.化学工业出版社.孙景荣.等.
[4]王宗杰.熔焊方法设备.机械工业出版社，2007.
[5]材料成形工艺.机械工业出版社.
[6]韩加强.焊工上岗技能读本-气体保护焊.化学工业出版社，2007.
[7]汪群.金属加工工艺及工装设计.化学工业出版社，2006.
[8]管道焊接技术化学工业出版社.顾纪清.阳代军等.
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致谢
在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计的难题。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学
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