焊接技巧100招
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雖然焊接過程沒有什麼所謂的技術秘訣，但實際焊接過程中有許多的焊接技術、方法以及工藝可以使焊接過程變得更加容易，這些工藝方法被稱為技術訣竅。焊接技術訣竅可以節省時間、費用和勞動力，甚至可以決定焊接的成功與失敗、利潤和損失。大多數的焊接工藝主要是以科學研究為基礎的，也有一些焊接工藝以實際焊接經驗為基礎。本章是實踐中一些實際焊接經驗的綜合。
了解生產中常見的焊接問題以及解決方法，可以幫助解決一些常見的焊接問題。優良的設計准則這部分，闡述了設計焊縫時要考慮的關鍵因素；針對控制焊接變形問題，介紹了產生變形的原因和對焊接變形的實際矯正。在其他的設計問題中，討論了角接接頭的尺寸以及如何避免產生斷裂；簡易設計概念主要介紹了一些常見的焊接應用實例；先進設計概念討論了焊縫的彈性匹配問題和焊接接頭放置問題。針對結構鋼的焊接問題，著重介紹了一些常見的焊接材料和焊接實踐中成功的經驗；在氧－乙炔切割方面，提供了解決焊接問題的技巧，討論了切割應用以及氧矛和燃燒棒的性能；對於焊接結構中經常用到的緊固件，主要介紹了常用螺栓、螺母以及如何應用。
一、焊接工藝問題及解決措施
1.1 厚板與薄板的焊接
1、用熔化極氣體保護（GMAW）和藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW）焊接鋼制工件時，如果工件的板厚超過了焊機可以達到的最大焊接電流，將如何進行處理？
解決的方法是焊前預熱金屬。采用丙烷、標准規定的氣體或乙炔焊炬對工件焊接區域進行預熱處理，預熱溫度為150～260℃，然後進行焊接。對焊接區域金屬進行預熱的目的是防止焊縫區域冷卻過快，不使焊縫產生裂紋或未熔合。
2、如果需要采用熔化極氣體保護焊或藥芯焊絲氣體保護焊將一薄金屬蓋焊接在較厚鋼管上，進行焊接時如果不能正確調整焊接電流，可能會導致兩種情況：一是為了防止薄金屬燒穿而減小焊接電流，此時不能將薄金屬蓋焊接到厚鋼管上；二是焊接電流過大會燒穿薄金屬蓋。這時應如何進行處理？
主要有兩種解決方法。
調整焊接電流避免燒穿薄金屬蓋，同時用焊炬預熱厚鋼管，然後采用薄板焊接工藝對兩金屬結構進行焊接。
② 調整焊接電流以適合於厚鋼管的焊接。進行焊接時，保持焊接電弧在厚鋼管上的停留時間為90%，並減少在薄金屬蓋上的停留時間。應指出，只有當熟練掌握這項技術時，才能得到良好的焊接接頭。
3、當將一薄壁圓管或矩形薄壁管件焊接到一厚板上時，焊條容易燒穿薄壁管部分，除了上述兩種解決方法，還有其他的解決方法嗎？
有，主要是在焊接過程中采用一個散熱棒。如將一個實心圓棒插入薄壁圓管中，或將一實心矩形棒插入矩形管件中，實心棒將會帶走薄壁工件的熱量並防止燒穿。一般來說，在多數供貨的中空管或矩形管材料中都緊密安裝了實心圓棒或矩形棒。焊接時應注意將焊縫遠離管子的末端，管子的末端是最易發生燒穿的薄弱區域。用內置散熱棒避免燒穿的示意如圖1所示。
4、當必須將鍍鋅或含鉻材料與另一零件進行焊接時，應如何進行操作？
最佳工藝方法是焊前對焊縫周圍區域進行銼削或打磨，因為鍍鋅或含鉻金屬板不僅會汙染並弱化焊縫，而且焊接時還會釋放出有毒氣體。
1.2 容器及框架結構的焊接
1、如果采用焊接工藝方法（例如釺焊）密封一個浮筒或密封一個中空結構的末端，在進行焊縫的最後密封時，為了防止熱空氣進入容器而導致容器爆裂，將如何處理？
③首先在浮筒上鑽一個直徑1.5mm的減壓孔，以利於焊縫附近的熱空氣與外部空氣流通，然後進行封閉焊接，最後焊密封減壓孔。密封焊接浮筒或密閉容器的示意如圖2所示。
當焊接儲氣容器結構時，也可以采用減壓孔。應注意的是，在密閉容器中進行焊接是十分危險的，焊前應確保容器或管子內部清潔，並避免有易燃易爆物品或氣體存在。
2、當需要采用熔化極氣體保護焊、藥芯焊絲氣體保護焊或鎢極氬弧焊將屏柵、金屬絲網或延伸金屬焊接到鋼結構框架上，進行焊接時金屬絲網容易產生燒穿和焊縫未熔合現象，應如何進行處理？
① 在金屬絲網或延伸金屬上放置非金屬墊圈並且將墊圈、金屬絲網和框架夾緊在一起，不允許采用含鉻或鍍鋅墊圈，墊圈應采用未塗敷的，見圖3(a)。
② 在被焊位置的墊圈上部放置一個更大的墊圈作為散熱片。上墊圈應具有一個比下墊圈更大的孔，以避免上墊圈也被焊接在一起。然後通過墊圈的兩個孔進行塞焊，應使焊縫處於下墊圈部分。操作者可以采取一些其他的方法得到足夠的熱量並進行焊接，注意要防止周圍屏柵或金屬絲網燒穿，見圖3(b)和（c）。
③ 另一種方法是采用一個帶孔的金屬板條，將孔對准需要焊接的部位，並放置散熱墊圈，然後進行塞焊，見圖3(d)。
1.3 焊接構件的修補
1、除了采用常用的啟釘器，還有哪些方法可以移除損壞或生鏽的螺釘？
這裏主要介紹兩種方法。
① 如果安裝的螺釘在加熱時不會損壞，可以用氧－乙炔焊炬加熱戀螺母及其裝配件直到紅熱狀態，然後迅速水淬以利於清除螺釘，在這個過程中可能需要幾次的加熱，冷淬循環過程。
② 如果螺釘槽、螺母或牙槽損壞或丟失，可以在螺釘頭的上部（或殘餘部分）放置一個螺母，旋緊螺母，然後采用任何焊接方法在螺母和螺釘的內部填充金屬。這樣就會將螺母和螺釘殘餘部分連接起來，然後在螺母上放置扳手或牙鉗，迅速拔出螺釘。采用這種方法有利於提供一個新的握力點並可利用熱量使螺釘緊固，用焊接方法移除固定螺釘的殘餘部分示意如圖4所示。
2、如果有一個磨損的曲軸，用焊接進行修複加固的最好方法是什麼？
修複磨損的曲軸時可以采用熔化極氣體保護焊、藥芯焊絲氣體保護焊或鎢極氬弧焊方法。但是要得到滿意的堆焊焊道形狀，必須注意以下4方面的要求。
① 使堆焊焊道方向與曲軸軸線平行。
② 先在曲軸下部堆焊一條焊道，然後旋轉曲軸180°堆焊下一條焊道，這樣可以平衡焊接應力，並可顯著消除焊接熱變形。應注意的是，在第一條焊道上進行順序堆焊將會引起曲軸翹曲。該堆焊工藝適合於對滾輪曲軸進行修複和焊補。
③ 兩條焊道之間必須保持30%～50%的熔敷金屬重疊量，以保證焊接修複後機加工時保持焊道表面的平滑。
④ 采用手工電弧焊和藥芯焊絲氣體保護焊時，必須用毛刷或切削的方法清理焊道之間殘留的焊劑。
除上述曲軸修複方法，還可以采用在曲軸的每90°位置增加一條堆焊焊道，以進一步減小焊接變形。在青銅或銅制零部件修複中，添加釺縫金屬比采用堆焊的方法在消除應力和變形方面更加有利。用焊接方法修複磨損曲軸的示意見圖5。
3、如果有一個鋼制軸承件卡在設備中，並且不想報廢該設備，應如何采用焊接方法進行去除軸承？
首先在軸承的內表面焊接一條焊道，靠焊道拉伸力減小軸承直徑，外加焊接過程的熱量應可使軸承活動。直徑10cm的管如果在內表面布滿焊道將會使鋼管直徑收縮1.2mm。采用焊接方法清除卡住軸承的示意如圖6所示。
4、油罐或船板結構經常會產生裂紋，應如何防止？
首先在裂紋末端鑽一個小孔，以利於在較大的范圍內分散末端的應力，然後焊接一系列長度不等的多道焊縫，增加裂紋前端鋼板的強度。防止鋼板產生裂紋擴展的示意見圖7。
2.1 加強板的定位及加厚
1、焊接加強板經常被焊接到鋼板（基板）的表面，加強板外邊緣的角焊縫容易使加強板的中心部位翹起，離開鋼板表面並產生角變形，如圖8(a)所示。這種現象會增加機加工和車削加工的難度，應如何解決這個問題？
解決的方法是在加強板中間部位采用塞焊或槽焊，將加強板表面與基板表面貼緊，消除變形以利於進行機械加工。采用塞焊或槽焊方法定位加強板示意如圖8(b)所示。
2、有時在基板的小區域內需要對基板加厚，但加厚區域不能超過整個基板的面積，應如何解決？
將一厚板金屬嵌入基板需要加厚的部位，然後采用焊接方法進行固定。在基板上嵌入厚板的示意見圖9。這樣可以給後續的機械加工、鏜削加工或鑽孔提供足夠的厚度，並可以代替設備中的大厚度零件或鑄造件。
3、增強平板的剛性以承載負荷的標准方法是什麼？
增強平板的剛性以承載負荷的標准方法是在平板上垂直焊接一系列的角鋼，添加角鋼加強筋以增強平板剛性，如圖10所示。
2.2 控制噪聲和振動
1、哪些技術措施可以用來減小金屬板的噪聲和振動？
噪聲問題和振動問題一樣，同樣可以采用減小金屬板的共振頻率來解決。采用的主要方法如下：
① 以折疊、卷邊或槽形加強的方式增加剛性；
② 將平板截斷成一系列小的部分以增強支撐；
③ 采用表面噴塗層；
④ 在平板的表面粘結一層減振纖維材料。
采用增加共振頻率減小噪聲的4種方法見圖11。
在相對較低頻率時引起的振動，通常采用增加金屬剛度方法來減小振動，如圖12所示。
2、當要將一個平板在垂直方向與另一個平板進行角焊縫焊接時，如果現在只有C形夾具，應如何進行工作？
焊接時用一個鋼制擋塊或者一個矩形物體作為輔助工具，采用C形夾具和矩形擋塊夾緊角焊縫，如圖13所示。
3.1 布局設計
1、焊接過程中的設計要求主要包括哪些內容？
① 設計時應使設計方案滿足零件各部位強度和硬度的要求，但不能超出安全設計標准，應讓焊接工程師來檢驗各部件設計的安全性。如果設計要求的硬度設定的太高，這樣的設計會超出安全設計標准，並且會因額外材料、焊接操作和運輸等方面的增加而提高整個過程的成本。超出安全設計標准還可能增加用戶在燃料、能源和維護等方面長期的費用，因此設計時應請有經驗的工程技術人員嚴格檢驗設計方案的合理性。
② 應確定結構中焊縫的外觀要求，以避免不必要的增高。有時許多設備零件上的焊縫完全被隱藏起來，這樣可以減少為了提高焊縫外觀質量而增加的焊縫打磨、修整的費用。因此，為了便於讓操作者知道哪些焊縫需要進行打磨、修整以具有良好的外觀，應在這些部位進行標記。
③ 如果產品必須要求按一定的工藝規程進行焊接制造時，應核對相關的工藝規程以決定采用經濟、合理的焊接方法。
④ 用較厚的結構件可以防止產生焊接彎曲和變形。
⑤ 焊接中采用對稱結構對於防止焊接彎曲和變形更加有效。
⑥ 在橫梁結構的末端焊接剛性支撐件，可以增加結構的強度和剛度，在材質、寬度和承受載荷相同的兩個橫梁結構中，采用剛性支撐比不采用剛性支撐的焊接結構產生的彎曲變形小，如圖14所示。
⑦ 采用封閉式結構或對角拉條結構可以防止發生扭轉變形。封閉式結構比開口式結構的彎曲角度小得多，見表1。同時采用適當的加強筋還可以減小結構的質量，提高結構的剛度，如圖15～17所示。
在圖15中，框架結構的抗扭轉變形能力與各部分單獨抗扭轉變形能力的總和幾乎相等，采用封閉式C形框架結構可以提高整體結構的抗扭轉變形性能。在圖16中，圓形結構比矩形結構的抗扭轉載荷更好，主要是由於矩形結構周圍剪切應力分布不均勻，而圓形結構載應力集中現象，而且圓形結構在各方向上還具有抗彎曲變形能力。在圖17中，采用對角加強筋的焊件結構經常可以代替基座的厚重鑄件，提高結構的強度。在抗壓應力載荷方面，橫向加強筋與縱向加強筋的作用不同，橫向加強筋一般常用於鑄造結構中，而縱向加強筋常用於焊接結構設計中。
⑧ 在抗扭轉載荷方面，對角拉條結構比縱向垂直結構更為有效。圖18所示為兩種鋼結構基座的結構示意，圖18(a)中基座是由厚度25mm的鋼板組成的，圖18(b)中的基座是由厚度10mm的鋼板組成的。它們的抗扭轉變形能力幾乎相同，但對角拉條結構的加強設計與縱向加強結構相比，可以節約60%的結構質量、減少78%的焊接工作量以及54%的總制造費用。
⑨ 確定結構中可能采用的低級別鋼材的位置，在實際的焊接操作過程中，高碳鋼和合金鋼的焊接需要預熱和焊後熱處理，但這樣會增加焊接結構的成本。因此在焊接結構中僅僅在需要的時候采用高級別的鋼材，其餘的結構都可以采用低碳鋼。
⑩ 高級別鋼種和其他昂貴材料都不是以標准形狀的工件供貨的。
⑾ 如果結構中需要彩和表面耐磨性能良好的昂貴材料或難焊材料，可以考慮采用碳鋼結構作為基底，利用堆焊或表面硬化處理獲得滿意的表面性能要求。
⑿ 為了節約費用和降低供貨時間，一般采用板材、棒材或其他標准形狀的結構件進行焊接。
⒀ 如果板材或棒材必須進行機械加工、磨削或表面硬化處理，那麼原始板材或棒材的結構尺寸要求可以迅速從車間或供貨廠家方面得到。
⒁ 對設備零部件應確保必要的維修、維護，不要忽視對封閉式結構中的軸承座或其他重要的易磨損零部件的維護，這也適用於電力和壓力管線或組件的維護要求。
⒂ 為了進行自動焊接，有時將結構件設計成圓形結構，這樣的設計有利於後續的焊接、加工、裝配等各個環節，如圖19所示。
⒃ 焊接設計前應咨詢工廠中有經驗的技術人員，可以獲得更好的設計方案並可節約費用，這些工作必須在確定焊接設計方案之前進行。
⒄ 焊接設計前應檢查結構規定的公差范圍和各部分受力情況，實際操作者可能不會掌握更經濟、合理的操作規范，因為有時可能不需要更精確的公差要求。
2、零部件的布局設計需要考慮的因素有哪些？
① 首先應考慮零部位數量的最小化，這將減少設備的裝配時間和焊接工作量，如圖20所示 。
② 對結構布局和設計方案進行優化可以節約材料和焊接時間。在決定采用圖21(a)和圖21(b)所示的方案之前應考慮材料、切割及焊接的費用，還應考慮邊角餘料的有效利用。在圖21(a)中可以直接使用框架結構剪裁的餘料進行後續工藝，這種剪裁方法比采用拼接工藝更加具有經濟意義；圖21(b)是假設的優化選擇方案，框架結構被分成若幹個部位進行焊接，這樣可以代替從大型板材上切割下料。
③ 環狀結構件可以從單塊板材或被焊接成嵌套的結構件中切割而成，與上述布局和設計方案的選擇一樣，確定最佳工藝方案之前，應充分考慮零部件的尺寸公差、材料、切割、焊接的費用以及邊角餘料的有效利用等。考慮到運輸方面的因素，從厚板材料切割嵌套零件並焊接成環狀部件可以節約材料費用和運輸時間，如圖22所示。
④ 在尺寸公差允許的范圍內，可以考慮將鋼板滾壓成環狀結構，然後在具有中空的圓形結構中進行焊接，以代替直接從厚板上切割環狀結構件，這樣可以減少材料的費用，如圖23所示。
⑤ 如果焊接結構中環狀結構件有數量上的要求，可以考慮將一個平板滾壓成一個圓筒結構，然後進行縫焊。也可采用火焰切割將圓筒切割成一系列的環狀結構件，如圖24所示。
⑥ 對於非常複雜的一些結構部件可以通過將各零部件進行焊接裝配而獲得，這樣可以節約整體結構的質量、材料及機
加工時間，如圖25所示。
⑦ 對平板結構進行卷邊處理可以增加鋼板的剛度，節約材料的費用，如圖26所示。
⑧ 兩平板對接焊時，將其中一個板的邊緣進行彎曲卷邊處理，可以給焊接結構提供一個加強筋，而且費用不高，如圖27所示。
⑨ 可以考慮采用波紋形板材以增加板材的剛度，或對板材表面進行壓痕處理以增加板材的剛度，如圖28所示。
⑩ 在進行各項工藝步驟前，應仔細檢查設計方案，看是否可以節約材料，並且使采用的焊接工藝不會影響最終產品的強度要求，如圖29所示。
⑾ 檢查焊縫位置是否處於焊接制造過程的最佳位置，圖30所示改變焊縫的位置可以減少焊接材料的浪費，更適合於自動化焊接技術的使用。
3.2 焊接准備及接頭設計
1、焊接板材的准備過程中需要注意的問題有哪些？
① 從板材上制備焊件坯料的最佳工藝方法主要包括火焰切割、剪切、鋸割、沖壓下料、沖裁、棒材和管材的車削等。
② 考慮制備焊件坯料方法時，應充分考慮焊件尺寸准確性和坡口質量要求，同時考慮其他材料的後續加工、坡口形狀或開坡口的要求。
③ 考慮焊接中切割坯料的尺寸和坡口准備時，應注意並非所有的焊縫都采用連續焊縫。具有連續焊縫的V形坡口有時不能滿足使用要求。
④ 對於單面V形坡口，可以采用單割嘴火焰切割開坡口；相反，對於雙面V形坡口，可以采用多頭割嘴火焰切割開坡口，切割工藝過程可以采用同一台切割設備完成。
⑤ 厚板材料有時需要開J形或U形坡口，與雙面V形坡口相比可以節約焊縫金屬。
⑥ 有時需要考慮鑄造或鍛壓結構是否能消除焊件的複雜截面，以及是否能簡化焊接設計和減少制造費用。
⑦ 對於結構連接的關鍵部位，可以采用昂貴材料（如少量的堆焊合金）代替一般焊接材料，這樣可以達到良好的效果。
⑧ 在零部件需要卷邊、密閉件或增加加強板時，應考慮用焊接方法制造的工件代替采用鍛壓件或機械加工件。
⑨ 采用焊接方法並不能處理所有的問題。例如采用成形工藝制造角形結構與采用焊接方法相比，可以減少材料、制造和焊接等費用，如圖31所示。
2、焊接接頭設計過程中需要注意的問題有哪些？
① 應避免焊接接頭的坡口設計過大。例如一個圓形或管狀結構和另一個圓形或管狀結構的平直表面進行焊接時，就會存在兩個問題，即根部熔合情況和是否燒穿。采用正確的接頭設計可以得到良好的根部熔合並且不會產生燒穿，如圖32所示。
② 為了減少填充材料的使用，可以減小根部間隙和坡口角度，如圖33所示 。
③ 厚板結構采用雙面V形坡口代替單面V形坡口可以減少焊縫金屬，如圖34所示。
④ 有時采用單個焊接接頭可以同時焊接叁部分焊接結構（如圖35所示），上部兩板的間隙可以使叁部分結構充分熔合。
⑤ 應檢查焊接接頭位置，以確定適合於焊縫位置的焊接方法，如圖36所示 。
⑥ 對於焊接操作者來說，選擇焊縫設計時應考慮滿足接頭強度、使焊縫金屬減少及不產生燒穿的要求。圖37所示為防止產生燒穿的一些合理的焊縫設計。
3、焊接接頭設計過程中焊縫尺寸和數量有哪些要求？
① 應確保采用的焊縫數量適中，不要太多也不要太少，並且焊縫尺寸過大會增加焊接費用。
② 根據工藝文件或標准的車間工藝規程確定要完成的焊縫數量，設計者應考慮安全因素來設計焊縫，不要增加其他額外的安全因素。
③ 角焊縫接頭設計中角焊縫的焊腳尺寸十分重要。由於焊縫的面積和數量會增加焊腳尺寸，因此雙焊腳尺寸將會使焊縫金屬增加4倍，如圖38所示。
④ 在小載荷或無載荷條件下，斷續角焊縫可以用於代替同樣焊腳尺寸的連續角焊縫。
⑤ 盡量使焊縫位於焊件較薄的區域，使焊縫尺寸主要集中於薄板上。
⑥ 加強筋或焊接隔板不需要過多進行焊接，應盡可能減小焊腳尺寸或焊縫長度。
4、裝配組件的應用有哪些優點？
① 將焊接工作分配給更多的焊工，可以縮短工時；
② 可以提供更好的焊接方法；
③ 可以減少結構變形的可能性；
④ 對小區域的機械加工更加便利；
⑤ 有利於局部區域的應力消除；
⑥ 可以對各部件和密閉式結構進行滲漏試驗；
⑦ 在焊接工作前可以進行工藝檢驗，以利於提高工藝的精確性並糾正錯誤。
5、組件的焊接裝配有哪些步驟？
① 焊前應清理工件表面的油、鏽和汙物；
② 檢查工裝夾具，有縫隙的部位需要修補；
③ 夾緊工件到焊接位置並保持焊接過程的穩定；
④ 用固定夾具夾緊臨時夾具，使焊接過程始終維持在校正位置；
⑤ 預置接頭以補償焊接時可能產生的收縮；
⑥ 預彎曲零部件以補償焊接時任何可能產生的變形；
⑦ 使用定位板；
⑧ 有時可以將焊件截斷成幾部分，對每一部分進行焊接，可以使每部分焊件在中性軸位置保持平衡；
⑨ 對大量複雜結構進行焊接時，可以對各部分組件分別焊接，這樣可以使最終的裝配更加容易固定。
6、焊接工藝步驟有哪些？
① 盡量提高操作效率，采用焊工輔助裝置、良好的固定夾具和夾持設備等；
② 在最短的時間內熔敷盡可能大量的填充金屬；
③ 采用焊接輔助板，可以提高開坡口接頭第一道焊縫的焊接速度；
④ 采用低氫型焊條消除或降低預熱溫度；
⑤ 手動將焊條的伸出長度調整到50mm；
⑥ 應盡量在平焊位置進行焊接，采用仰焊或立焊費用要貴一些；
⑦ 如有可能應采用最高焊接速度在平焊位置對角焊縫進行焊接；
⑧ 采用自動焊設備焊接角焊縫接頭時，調整焊縫位置可以在接頭的根部獲得良好的熔深，並且不會影響焊縫的強度。水平板在水平方向30°的角焊縫位置焊接和垂直板水平方向60°的角焊縫的焊接示意如圖39所示；
⑨ 可以考慮在較大焊接電流條件下采用大尺寸焊條；
⑩ 在各部件無拘束應力方向進行焊接；
⑾ 采用合適的焊接工藝措施以消除電弧偏吹現象；
⑿ 對在冷卻條件下極易產生收縮的接頭先進行焊接；
⒀ 應確保采用恰當的焊接速度、焊接電流和焊接電壓；
⒁ 采用半自動或全自動焊接方法更加有利於獲得良好的熔深和均勻的熔敷金屬。
7、焊後對焊接件的清理和檢驗有哪些步驟？
① 除了某些特殊性能的要求（不包括外觀要求），不應將焊縫表面打磨光滑或平滑，因為對焊縫進行打磨的工時和費用較高，通常會超過焊接的費用；
② 采用手工電弧焊和熔化極氣體保護焊時，使用鐵粉焊條可以降低焊縫表面的清理時間；
③ 焊接時將防飛濺薄膜平行放置在焊縫兩邊；
④ 獲得質量良好的焊縫是焊接的最終目的，但有時一個外觀較差焊縫的強度可能會比外觀良好焊縫的強度高；
⑤ 過度的焊縫檢查工序會增加焊接的總費用。
四、控制焊接變形
4.1 焊接變形產生的原因
1、加熱對焊縫金屬的物理性能的影響有哪些？
焊接加熱對焊縫金屬的物理性能有很大的影響，主要包括硬度（或彈性模量E）增加、屈服點降低以及伸長率增加等。低碳鋼焊接時焊縫金屬的物理性能變化如圖40所示。
2、為什麼焊接會引起變形？
在高溫下沿著焊道方向焊縫金屬逐漸增加，電弧附近的峰值溫度可以達到幾千攝氏度，這使靠近焊縫的較熱金屬比遠離焊縫的較冷金屬更加膨脹，但較冷金屬會阻止來自於較熱金屬的膨脹力，使工件金屬形成永久性變形。當工件冷卻時，熱收縮力將使焊縫金屬收縮；此時某些收縮力會分布於變形的工件金屬中，而在工件的剛性部分，這些收縮力不會分布開並殘留在工件內部，形成內應力，如圖41所示。
3、施焊在長形焊接件上的焊縫是如何產生變形的？
焊接時沿整個焊縫長度會產生收縮，如圖42所示，收縮總是產生於焊縫金屬和母材金屬之間。
4、控制收縮和變形程度的因素有哪些？
① 外部夾具的拘束作用；
② 大型焊件的內部拘束；
③ 焊件自身的剛度；
④ 焊接熱量輸入和焊接速度；
⑤ 冷卻速度。
這些因素的交互作用十分複雜，對於最簡單焊縫的收縮和變形進行計算和預測也是很困難的，但可以采取一些措施、工藝步驟控制收縮和變形量。
5、在哪些部位會看到焊接收縮和變形的影響？
沿焊縫軸線部位易引起縱向收縮，沿垂直於焊縫軸線部位易引起橫向收縮，如圖43(a)所示。在丁字形焊縫的十字交叉部位容易變形，如圖43(b)所示。這種變形主要是由焊縫熔敷金屬和熱影響區金屬共同作用引起的。
根據焊縫中心軸線的位置不同，給向收縮對工件的影響作用也不同，如圖44所示。焊縫總是收縮，中性軸長度不變。所以中性軸總是彎向焊縫。
6、導致焊接變形的最直接的控制因素是什麼？
主要是焊接熔敷過量，焊接熔敷過量是經常被忽視的引起變形的原因。由於缺乏對焊接過程的准確把握，設計者可能會制定較大的焊縫尺寸；當零部件送到工廠的車間時，車間技術人員為了安全地進行焊接，將零件的尺寸進一步增加，最後焊接操作者為了確保得到牢固的焊縫，又進一步增加了焊縫的尺寸，結果是最初6mm的角焊縫最後被焊成12mm的角焊縫尺寸。
焊接操作者可能沒有意識到焊縫金屬與焊腳尺寸成平方關系，結果焊腳尺寸增加6mm使得焊縫熔敷金屬成倍增加，同時還明顯增加焊縫的收縮變形，也會增加4倍的焊接費用，因此過量熔敷的焊縫金屬是不必要的。在圖45(a)中，焊接熔敷過量會增加焊縫的收縮力；在圖45(b)中，采用小尺寸焊縫會降低變形；在圖45(c)中，采用斷續焊縫可以減小焊縫長度，並可以進一步減小焊縫收縮和變形。
4.2 控制收縮和變形
1、明顯減小焊縫變形的步驟有哪些？
減小焊縫變形的主要步驟如圖46～圖48所示。
2、其他的控制附加應力和變形的方法是什麼？
① 可以采用在焊道每一側進行多道對接焊縫以減小角變形；
② 對於複雜結構應調整結構的焊接位置及順序，以平衡產生的收縮力，通常應采用對角焊縫結構；
③ 在較冷的環境中，采用焊前預熱對於降低焊接冷卻速度並獲得良好的接頭有一定的作用。但根據美國海軍部門的研究表明，焊前預熱並不能很有效地減小焊接變形；
④ 大型焊件焊後進行熱處理主要是為了減少殘餘應力，並防止在機械加工的焊縫表面產生變形。對於一個具有較大殘餘應力的焊接結構，采用機械加工方法消除焊縫金屬可能會導致產生更大的變形；
⑤ 火焰矯正法，見彎曲與校直。
實際應用中經常將兩種或更多的控制應力和變形的方法結合應用，以獲得良好的應用效果。
4.3 橫梁的橫向和縱向收縮
1、焊縫尺寸和形狀是如何影響焊縫的收縮變形的？
收縮變形的產生與焊縫金屬的熔敷量和形狀有直接關系。如圖49(a)所示。同樣尺寸的鋼板，采用雙面V形坡口所產生的收縮變形是采用單面V形坡口的一半。圖49(b)所示為常用板材厚度與焊縫面積的線性關系示意。
通過分析可以估算出焊縫的橫向收縮變形量等於焊縫十字交叉部分平均寬度的10%，即：橫向收縮量＝0.10×平均焊縫寬度。這表明減小焊縫尺寸並保證所要求的強度，可以滿足控制收縮變形的要求。
2、當一個鋼板被焊接成帶卷邊的工字梁結構時，可以預測工字梁中心的偏差嗎？
可以。采用圖50中的方程計算出的縱向焊縫收縮量與實測值基本一致，公式中面積A、轉動慣量I、橫梁結構的硬度值可以從有關數據表中獲得，該方程也適用於T形梁結構和角焊縫結構。橫梁結構還可以采用水壓機進行機械彎曲力和用氧－乙炔火焰進行彎曲。
如果對法蘭盤上底和下底進行焊接時，橫向收縮力會產生平衡，使得焊縫幾乎沒有橫向收縮偏差。
3、當在兩個C形管道上焊接一個長的、薄的箱形件時，為了減小箱形件和管道的最終彎曲變形，應采取何種措施？
產生應防止第一道焊縫直接冷卻直到第二道焊縫焊完，然後讓兩個焊縫同時冷卻，以促使兩個焊縫彼此平衡收縮變形力，來防止彎曲變形。
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五、焊縫尺寸與強度
5.1 角焊縫的尺寸
1、如何測量角焊縫的尺寸，以便確定角焊縫是否符合圖紙中的要求？
角焊縫的形狀可以是凹形、凸形或平直的，焊腳可以相等或不等。但角焊縫的實際尺寸是通過測量焊縫中最大等腰直角叁角形的焊腳長度而獲得的，該等腰直角叁角形是通過角焊縫橫截面與母材表面成一直線的焊腳來表示的。沒有適當的量具，很難測量出角焊縫的尺寸。角焊縫的測量方法如圖51所示。
2、為了增強整個金屬板的綜合強度，確定角焊縫尺寸的一般原則是什麼？
假定角焊縫在金屬板件的兩側，並且分布在整個金屬板長度上，角焊縫的焊腳尺寸應當為金屬板厚度的75％；如果焊接兩塊不同厚度的金屬板，則以較薄板的厚度作為參考依據，如圖52所示。
3、還有哪些其他公認的測量焊縫尺寸的原則？
美國焊接學會（AWS）和美國鋼結構學會（AISC）已把一些測量焊縫的原則運用到建築和橋梁的焊接實踐當中，有關最小有效焊縫長度的測量原則如圖53所示。
5.2 焊縫的強度
1、根據工業標准和代碼進行焊接時，鋼板之間的典型結構焊縫能達到怎樣的強度？
焊縫一般能保持較高的強度，以至於超過了焊材代碼和應用中所要求的強度。在很多情況下，這種焊縫的強度不能通過焊材代碼本身辨別出來。例如，用普通焊條E60××焊接完成的焊縫強度比焊條標稱的最小強度值高大約50%。並且在焊接完成後，很多市售的E60××焊縫的屈服強度比結構鋼本身高75%。
2、為什麼典型焊態下的結構鋼焊接接頭的強度比母材金屬的強度高？
有以下兩個原因。
① 所用焊條中的金屬心是優質鋼，比母材的性能好。
② 在焊接過程中，熔化金屬受到良好的保護作用。與電爐鋼相比較，焊條藥皮還具有淨化劑和脫氧劑的作用，藥皮中的其他合金萬分能夠促使形成均勻的晶體結構和良好軟科學性能的焊縫。
3、焊接缺陷，可美國焊接學會AWS術語中的非連續，對焊縫的強度有何影響？
① 圖54表明，對於焊接接頭試樣來說，焊縫上盡管有嚴重的咬邊缺陷，但在靜載荷的拉伸作用下，失效的是金屬板，而不量焊縫。
② 一個總的原則是，角焊縫尺寸應為被焊金屬板厚度的75%，以便增強整個金屬板的強度。依據這種方法，在厚度12.5mm金屬板上焊接尺寸為9.5mm的角焊縫的強度應比母材金屬高，對於尺寸為8.7mm和8mm的角焊縫也是這樣。當角焊縫尺寸減小到6.4mm時，焊縫金屬在220kgf/mm壓力（該壓力值是美國焊接學會施用壓力的5倍多）作用下才發生破斷。尺寸不足夠大的角焊縫對焊縫強度的影響如圖55所示。
③ 圖56給出了未焊透對焊縫強度的影響。進行拉伸試驗之前，先將焊縫加工平整。當焊縫縮頸處減小到整個試樣厚度的31%時，整個焊縫才發生破斷
4、焊縫中有多少氣孔時會影響到焊縫金屬的強度？
試驗表明，當焊縫中的孔隙量大於整個焊縫的7%時，焊縫的塑性或抗拉強度、沖擊強度將發生很大的變化。
六、焊接工裝與夾具
6.1 插銷、搭扣及密封
1、如果在金屬板或構件的孔上焊接一個螺母，或者為水平螺旋制作螺紋，在孔上放置螺母的最好方法是什麼？
① 焊接之前，將螺母表面的金屬Zn和Cd用銼刀等工具打磨掉，以防止汙染焊縫。
② 采用另一個螺母和螺栓對上述的螺母施加拉力，並在焊接時將螺母牢靠地固定在金屬板上。
③ 焊縫冷卻以後，去除沒有被焊接住的螺母和螺栓。
在金屬板孔上焊接螺母的具體方法如圖57所示。
2、為工作台或構架制作水平調整卡具時，比較快速和經濟的方法是什麼？
先將一個六角螺栓的頭部磨平，以便使螺栓頭套在墊圈的孔上，然後再把墊圈焊接到螺栓上，形成一個底座。為了便於轉動螺栓，可將一根直徑為6mm的金屬棒焊接到螺栓上，最後按照前面所述的方法將一個螺母固定在金屬板上形成螺紋。水平調整卡具如圖58所示。
3、在鋼板上精確地定位和固定插銷或填塞，比較好的方法是什麼？
① 確定出插銷中心的位置；
② 鑽出能使插銷滑進或推進的孔；
③ 將插銷的末端切成斜面，插入孔中，並在插銷的後端部進行塞焊；
④ 為了顯得美觀，對塞焊處進行打磨使構件的後部齊平。
帶有塞焊焊縫固定插銷的方法如圖59所示。
4、如何簡易制作搭扣或連接點？
① 用手工鋼鋸（可以是Sawzall型或Portaband型）切取一段鏈環，使切取下來的鏈環兩段相互平行；
② 按照所切割鏈環要插入的位置和直徑鑽兩個孔；
③ 將鏈環插入孔中，並用塞焊方法從後面將鏈環固定住。
如果放置搭扣的構件後部沒有可焊接處，可以將一小金屬板焊接到構件上面。采用鏈環制作搭扣或連接點的方法如圖60所示。
5、采用焊接方法制作中空的圓形或矩形管狀工件時，為了達到外形美觀、安全和耐用的要求，有時工件的末端需要密封，有哪兩種常用的密封方法？
① 最簡單的密封方法是在管狀工件末端插入尺寸適當的塑料塞子，如圖61(a)所示。這些塑料塞子有圓形、方形和長方形等形狀。但插入塑料塞子有個缺點，大多數塑料塞子伯外觀和尺寸只能應用於室內。如果工件長期暴露在室外大氣中，塑料塞子會由於氣候的影響而逐漸發生老化，進而失去保護邊緣的能力。
另一種密封方法是用鋼板將管狀工件末端覆蓋住，並將鋼板焊接固定，如圖61(b)所示。這種方法雖然費時，但能有效地避免氣候的不良影響。
6.2 框架的制作及固定件
1、如要在框架構件上放置物體，但框架要易於移動，如何制作這樣的框架？
在框架構件上焊接長度較短的矩形管狀材料，然後將物體安裝到可以讓管子滑進去的立體方形槽中，如圖62所示。為了特殊需要，也可以采用圓管關材料和棒狀材料來制作能旋轉的支架。
2、如何將中空的圓柱體或鑄件牢固地安裝到金屬板上，並使其容易拆卸？
① 將一個大直徑螺栓的頂部焊接或用釺焊方法連接到金屬板上，圍繞螺栓的頂部焊接一圈焊縫。
② 由於螺栓和金屬板的尺寸較大，有時需對它們進行預熱。
③ 將中空圓柱體或鑄件用螺栓固定，並用反彈墊圈和螺母將它們緊固住。
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采用經過焊接的螺栓來堅固中空物體的示意如圖63所示。螺栓上部有較粗大的螺紋，能在不需加工螺紋或不在底部金屬板上鑽孔的情況下將中空物體堅固住。
如果螺栓和金屬板需要經過火焰預熱，采用額定電流為130A的氣體保護焊焊機或FCAW焊焊機，可以將直徑在9～16mm之間的螺栓比較容易地焊接在厚度12mm的金屬板上。
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3、有哪叁種方法可以防止螺母從螺栓上脫落下來？
防止螺母脫落有以下叁種方法。(原作者遺漏了用鑿子在貼近螺母的螺杆部位對稱敲擊3處，以破壞局部螺紋的辦法)
① 將螺母直接焊接在螺紋上。
② 在螺紋的末端焊上“塞焊”。
③ 在螺杆的末端鋸出切口，然後采用火焰加熱螺杆末端並將端部加工成蘑菇狀，以便防止螺母脫落。
防止螺母脫落的叁種方法的示意如圖64所示。
4、很多管子的管壁太薄，以至於很難加工螺紋，如何在這樣的管子上加工螺紋？
將一個帶有螺紋的芯棒放置到管子末端的內部，並用一個或多個塞焊焊縫將芯棒固定住，如圖65所示。這種加工方法普遍用於汽車懸掛件和飛機控制棒的制作中。
5、不采用焊接方法，如何在鋼板內設置系鋼絲繩的抓手？
首先在鋼板上刻出“抓手”的形狀，如圖66所示。從海底打撈俄羅斯Kursk號沉船時是采用了類似的系鋼絲繩的“抓手”，即采用等離子弧割炬割穿船體制作成“抓手”，將26根鋼絲索分成兩排系在船體上，使沉船容易被提升起來。
七、焊接裝配與支架
7.1 焊接裝配
1、如果用鐵鏈代替鋼絲繩，在不采用焊接方法的情況下，如何在甲板或艙壁上固定鐵鏈？
在船運工作中，在甲板上固定貨物是一個普遍的現象。采用火焰切割法在甲板上割出一個十字形狀的孔，為在甲板上固定鐵鏈提供了一種安全、便利的方法。可在鐵鏈下面焊接一塊薄鐵板，以防止水、火花和煙塵進入甲板下面，如圖67所示。
2、采用焊接構件，有哪幾種制作軸承支撐架的設計方案？
采用焊接方法制作軸承支撐架的設計方案如圖68所示。
3、有哪幾種采用焊接構件制作機器底座的方法？
采用焊接構件制作機器底座的幾種方法如圖69所示。
4、要求機身與機器底座連為一體時，有哪幾種設計方法？
常用的重型機器底座的設計方法如圖70所示。
7.2 焊接支架及制作
1、有哪兩種用焊接取代鑄造而制作支架的設計方法？
采用焊接方法來制作高強度支架的兩種設計方法如圖71所示。特別是圖c，很巧妙哦！
制作支架從使用鑄件向使用3塊、2塊鋼板的變化如圖72所示。支架設計方法的改變不但使得支架制作成本低、質量輕，而且使制作支架所需要的時間縮短。
制作支架時，用焊接取代鑄造的發展及優點如圖73所示。
彎曲與焊接方法相結合更有易於支架的制作，這種支架的示意如圖74所示。用於承擔重載荷、內側加裝筋板的支架如圖75所示。
采用焊接方法將矩形管狀材料與直角支架焊接在一起，可以制作承愛很大載荷的支架，如圖76所示。
2、滾軸在載荷的作用下發生彎曲（如圖77所示），使軸線不重合，並使軸承內部發生嚴重磨損。不將滾軸放置在旋轉軸承上，如何避免以上問題的發生？
解決上述問題的措施是設計一個用焊接方法制成的鋼制軸承，該軸承在同樣載荷下與軸彎曲的角度相同，便得軸承與軸承在同一中心線上，這種技術稱為彈性匹配，如圖77所示。
3、如要制作一種彎曲度小且易於拆裝的橫梁（如圖78所示），一種方法是將工字鋼的兩端焊接到金屬板上，並用螺栓將金屬板固定在構件上。然而這種橫梁是依賴於周圍構件的剛性而起作用的，並且難以拆裝，有沒有更好的方法來制作橫梁？
有更好的方法來制作橫梁。當橫梁的中部和兩端受到集中載荷時，橫梁受到的彎矩（力）示意如圖78（c）所示。如果在彎矩為零的兩個部位將橫梁連接起來，連接處只需承受垂直剪力。橫梁兩端底部的簡易焊接底架，以及橫梁中部的金屬板能提供承受載荷所需要的剛性，並容易拆裝，如圖78(b)所示 。
4、采用焊接方法對角鋼進行裝配時，如圖79(a)所示，立焊焊縫在一定大小的周期性載荷作用下易發生破壞。如何解決這樣的裝配問題？
在周期性載荷作用下，角鋼容易發生扭曲，使得兩條立焊焊縫變成相互作用的橫向剪切焊縫。除了立向剪切載荷外，這兩條立焊焊縫通過橫梁的擴張也承受橫向剪切載荷。如果用一條橫焊焊縫代替這兩條立焊焊縫，受到的橫向剪切力將減小，如圖79(b)所示。對於位於上部的角鋼來說，焊縫越靠近角鋼較厚的部位，作用在焊縫上的壓力起小。這是因為上部角鋼的金屬減小了角鋼的擴張量。
