焊接技巧100招
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虽然焊接过程没有什么所谓的技术秘诀，但实际焊接过程中有许多的焊接技术、方法以及工艺可以使焊接过程变得更加容易，这些工艺方法被称为技术诀窍。焊接技术诀窍可以节省时间、费用和劳动力，甚至可以决定焊接的成功与失败、利润和损失。大多数的焊接工艺主要是以科学研究为基础的，也有一些焊接工艺以实际焊接经验为基础。本章是实践中一些实际焊接经验的综合。
了解生产中常见的焊接问题以及解决方法，可以帮助解决一些常见的焊接问题。优良的设计准则这部分，阐述了设计焊缝时要考虑的关键因素；针对控制焊接变形问题，介绍了产生变形的原因和对焊接变形的实际矫正。在其他的设计问题中，讨论了角接接头的尺寸以及如何避免产生断裂；简易设计概念主要介绍了一些常见的焊接应用实例；先进设计概念讨论了焊缝的弹性匹配问题和焊接接头放置问题。针对结构钢的焊接问题，着重介绍了一些常见的焊接材料和焊接实践中成功的经验；在氧－乙炔切割方面，提供了解决焊接问题的技巧，讨论了切割应用以及氧矛和燃烧棒的性能；对于焊接结构中经常用到的紧固件，主要介绍了常用螺栓、螺母以及如何应用。
一、焊接工艺问题及解决措施
1.1 厚板与薄板的焊接
1、用熔化极气体保护（GMAW）和药芯焊丝气体保护焊（FCAW）焊接钢制工件时，如果工件的板厚超过了焊机可以达到的最大焊接电流，将如何进行处理？
解决的方法是焊前预热金属。采用丙烷、标准规定的气体或乙炔焊炬对工件焊接区域进行预热处理，预热温度为150～260℃，然后进行焊接。对焊接区域金属进行预热的目的是防止焊缝区域冷却过快，不使焊缝产生裂纹或未熔合。
2、如果需要采用熔化极气体保护焊或药芯焊丝气体保护焊将一薄金属盖焊接在较厚钢管上，进行焊接时如果不能正确调整焊接电流，可能会导致两种情况：一是为了防止薄金属烧穿而减小焊接电流，此时不能将薄金属盖焊接到厚钢管上；二是焊接电流过大会烧穿薄金属盖。这时应如何进行处理？
主要有两种解决方法。
调整焊接电流避免烧穿薄金属盖，同时用焊炬预热厚钢管，然后采用薄板焊接工艺对两金属结构进行焊接。
② 调整焊接电流以适合于厚钢管的焊接。进行焊接时，保持焊接电弧在厚钢管上的停留时间为90%，并减少在薄金属盖上的停留时间。应指出，只有当熟练掌握这项技术时，才能得到良好的焊接接头。
3、当将一薄壁圆管或矩形薄壁管件焊接到一厚板上时，焊条容易烧穿薄壁管部分，除了上述两种解决方法，还有其他的解决方法吗？
有，主要是在焊接过程中采用一个散热棒。如将一个实心圆棒插入薄壁圆管中，或将一实心矩形棒插入矩形管件中，实心棒将会带走薄壁工件的热量并防止烧穿。一般来说，在多数供货的中空管或矩形管材料中都紧密安装了实心圆棒或矩形棒。焊接时应注意将焊缝远离管子的末端，管子的末端是最易发生烧穿的薄弱区域。用内置散热棒避免烧穿的示意如图1所示。
4、当必须将镀锌或含铬材料与另一零件进行焊接时，应如何进行操作？
最佳工艺方法是焊前对焊缝周围区域进行锉削或打磨，因为镀锌或含铬金属板不仅会污染并弱化焊缝，而且焊接时还会释放出有毒气体。
1.2 容器及框架结构的焊接
1、如果采用焊接工艺方法（例如钎焊）密封一个浮筒或密封一个中空结构的末端，在进行焊缝的最后密封时，为了防止热空气进入容器而导致容器爆裂，将如何处理？
③首先在浮筒上钻一个直径1.5mm的减压孔，以利于焊缝附近的热空气与外部空气流通，然后进行封闭焊接，最后焊密封减压孔。密封焊接浮筒或密闭容器的示意如图2所示。
当焊接储气容器结构时，也可以采用减压孔。应注意的是，在密闭容器中进行焊接是十分危险的，焊前应确保容器或管子内部清洁，并避免有易燃易爆物品或气体存在。
2、当需要采用熔化极气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊或钨极氩弧焊将屏栅、金属丝网或延伸金属焊接到钢结构框架上，进行焊接时金属丝网容易产生烧穿和焊缝未熔合现象，应如何进行处理？
① 在金属丝网或延伸金属上放置非金属垫圈并且将垫圈、金属丝网和框架夹紧在一起，不允许采用含铬或镀锌垫圈，垫圈应采用未涂敷的，见图3(a)。
② 在被焊位置的垫圈上部放置一个更大的垫圈作为散热片。上垫圈应具有一个比下垫圈更大的孔，以避免上垫圈也被焊接在一起。然后通过垫圈的两个孔进行塞焊，应使焊缝处于下垫圈部分。操作者可以采取一些其他的方法得到足够的热量并进行焊接，注意要防止周围屏栅或金属丝网烧穿，见图3(b)和（c）。
③ 另一种方法是采用一个带孔的金属板条，将孔对准需要焊接的部位，并放置散热垫圈，然后进行塞焊，见图3(d)。
1.3 焊接构件的修补
1、除了采用常用的启钉器，还有哪些方法可以移除损坏或生锈的螺钉？
这里主要介绍两种方法。
① 如果安装的螺钉在加热时不会损坏，可以用氧－乙炔焊炬加热恋螺母及其装配件直到红热状态，然后迅速水淬以利于清除螺钉，在这个过程中可能需要几次的加热，冷淬循环过程。
② 如果螺钉槽、螺母或牙槽损坏或丢失，可以在螺钉头的上部（或残余部分）放置一个螺母，旋紧螺母，然后采用任何焊接方法在螺母和螺钉的内部填充金属。这样就会将螺母和螺钉残余部分连接起来，然后在螺母上放置扳手或牙钳，迅速拔出螺钉。采用这种方法有利于提供一个新的握力点并可利用热量使螺钉紧固，用焊接方法移除固定螺钉的残余部分示意如图4所示。
2、如果有一个磨损的曲轴，用焊接进行修复加固的最好方法是什么？
修复磨损的曲轴时可以采用熔化极气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊或钨极氩弧焊方法。但是要得到满意的堆焊焊道形状，必须注意以下4方面的要求。
① 使堆焊焊道方向与曲轴轴线平行。
② 先在曲轴下部堆焊一条焊道，然后旋转曲轴180°堆焊下一条焊道，这样可以平衡焊接应力，并可显著消除焊接热变形。应注意的是，在第一条焊道上进行顺序堆焊将会引起曲轴翘曲。该堆焊工艺适合于对滚轮曲轴进行修复和焊补。
③ 两条焊道之间必须保持30%～50%的熔敷金属重叠量，以保证焊接修复后机加工时保持焊道表面的平滑。
④ 采用手工电弧焊和药芯焊丝气体保护焊时，必须用毛刷或切削的方法清理焊道之间残留的焊剂。
除上述曲轴修复方法，还可以采用在曲轴的每90°位置增加一条堆焊焊道，以进一步减小焊接变形。在青铜或铜制零部件修复中，添加钎缝金属比采用堆焊的方法在消除应力和变形方面更加有利。用焊接方法修复磨损曲轴的示意见图5。
3、如果有一个钢制轴承件卡在设备中，并且不想报废该设备，应如何采用焊接方法进行去除轴承？
首先在轴承的内表面焊接一条焊道，靠焊道拉伸力减小轴承直径，外加焊接过程的热量应可使轴承活动。直径10cm的管如果在内表面布满焊道将会使钢管直径收缩1.2mm。采用焊接方法清除卡住轴承的示意如图6所示。
4、油罐或船板结构经常会产生裂纹，应如何防止？
首先在裂纹末端钻一个小孔，以利于在较大的范围内分散末端的应力，然后焊接一系列长度不等的多道焊缝，增加裂纹前端钢板的强度。防止钢板产生裂纹扩展的示意见图7。
2.1 加强板的定位及加厚
1、焊接加强板经常被焊接到钢板（基板）的表面，加强板外边缘的角焊缝容易使加强板的中心部位翘起，离开钢板表面并产生角变形，如图8(a)所示。这种现象会增加机加工和车削加工的难度，应如何解决这个问题？
解决的方法是在加强板中间部位采用塞焊或槽焊，将加强板表面与基板表面贴紧，消除变形以利于进行机械加工。采用塞焊或槽焊方法定位加强板示意如图8(b)所示。
2、有时在基板的小区域内需要对基板加厚，但加厚区域不能超过整个基板的面积，应如何解决？
将一厚板金属嵌入基板需要加厚的部位，然后采用焊接方法进行固定。在基板上嵌入厚板的示意见图9。这样可以给后续的机械加工、镗削加工或钻孔提供足够的厚度，并可以代替设备中的大厚度零件或铸造件。
3、增强平板的刚性以承载负荷的标准方法是什么？
增强平板的刚性以承载负荷的标准方法是在平板上垂直焊接一系列的角钢，添加角钢加强筋以增强平板刚性，如图10所示。
2.2 控制噪声和振动
1、哪些技术措施可以用来减小金属板的噪声和振动？
噪声问题和振动问题一样，同样可以采用减小金属板的共振频率来解决。采用的主要方法如下：
① 以折叠、卷边或槽形加强的方式增加刚性；
② 将平板截断成一系列小的部分以增强支撑；
③ 采用表面喷涂层；
④ 在平板的表面粘结一层减振纤维材料。
采用增加共振频率减小噪声的4种方法见图11。
在相对较低频率时引起的振动，通常采用增加金属刚度方法来减小振动，如图12所示。
2、当要将一个平板在垂直方向与另一个平板进行角焊缝焊接时，如果现在只有C形夹具，应如何进行工作？
焊接时用一个钢制挡块或者一个矩形物体作为辅助工具，采用C形夹具和矩形挡块夹紧角焊缝，如图13所示。
3.1 布局设计
1、焊接过程中的设计要求主要包括哪些内容？
① 设计时应使设计方案满足零件各部位强度和硬度的要求，但不能超出安全设计标准，应让焊接工程师来检验各部件设计的安全性。如果设计要求的硬度设定的太高，这样的设计会超出安全设计标准，并且会因额外材料、焊接操作和运输等方面的增加而提高整个过程的成本。超出安全设计标准还可能增加用户在燃料、能源和维护等方面长期的费用，因此设计时应请有经验的工程技术人员严格检验设计方案的合理性。
② 应确定结构中焊缝的外观要求，以避免不必要的增高。有时许多设备零件上的焊缝完全被隐藏起来，这样可以减少为了提高焊缝外观质量而增加的焊缝打磨、修整的费用。因此，为了便于让操作者知道哪些焊缝需要进行打磨、修整以具有良好的外观，应在这些部位进行标记。
③ 如果产品必须要求按一定的工艺规程进行焊接制造时，应核对相关的工艺规程以决定采用经济、合理的焊接方法。
④ 用较厚的结构件可以防止产生焊接弯曲和变形。
⑤ 焊接中采用对称结构对于防止焊接弯曲和变形更加有效。
⑥ 在横梁结构的末端焊接刚性支撑件，可以增加结构的强度和刚度，在材质、宽度和承受载荷相同的两个横梁结构中，采用刚性支撑比不采用刚性支撑的焊接结构产生的弯曲变形小，如图14所示。
⑦ 采用封闭式结构或对角拉条结构可以防止发生扭转变形。封闭式结构比开口式结构的弯曲角度小得多，见表1。同时采用适当的加强筋还可以减小结构的质量，提高结构的刚度，如图15～17所示。
在图15中，框架结构的抗扭转变形能力与各部分单独抗扭转变形能力的总和几乎相等，采用封闭式C形框架结构可以提高整体结构的抗扭转变形性能。在图16中，圆形结构比矩形结构的抗扭转载荷更好，主要是由于矩形结构周围剪切应力分布不均匀，而圆形结构载应力集中现象，而且圆形结构在各方向上还具有抗弯曲变形能力。在图17中，采用对角加强筋的焊件结构经常可以代替基座的厚重铸件，提高结构的强度。在抗压应力载荷方面，横向加强筋与纵向加强筋的作用不同，横向加强筋一般常用于铸造结构中，而纵向加强筋常用于焊接结构设计中。
⑧ 在抗扭转载荷方面，对角拉条结构比纵向垂直结构更为有效。图18所示为两种钢结构基座的结构示意，图18(a)中基座是由厚度25mm的钢板组成的，图18(b)中的基座是由厚度10mm的钢板组成的。它们的抗扭转变形能力几乎相同，但对角拉条结构的加强设计与纵向加强结构相比，可以节约60%的结构质量、减少78%的焊接工作量以及54%的总制造费用。
⑨ 确定结构中可能采用的低级别钢材的位置，在实际的焊接操作过程中，高碳钢和合金钢的焊接需要预热和焊后热处理，但这样会增加焊接结构的成本。因此在焊接结构中仅仅在需要的时候采用高级别的钢材，其余的结构都可以采用低碳钢。
⑩ 高级别钢种和其他昂贵材料都不是以标准形状的工件供货的。
⑾ 如果结构中需要彩和表面耐磨性能良好的昂贵材料或难焊材料，可以考虑采用碳钢结构作为基底，利用堆焊或表面硬化处理获得满意的表面性能要求。
⑿ 为了节约费用和降低供货时间，一般采用板材、棒材或其他标准形状的结构件进行焊接。
⒀ 如果板材或棒材必须进行机械加工、磨削或表面硬化处理，那么原始板材或棒材的结构尺寸要求可以迅速从车间或供货厂家方面得到。
⒁ 对设备零部件应确保必要的维修、维护，不要忽视对封闭式结构中的轴承座或其他重要的易磨损零部件的维护，这也适用于电力和压力管线或组件的维护要求。
⒂ 为了进行自动焊接，有时将结构件设计成圆形结构，这样的设计有利于后续的焊接、加工、装配等各个环节，如图19所示。
⒃ 焊接设计前应咨询工厂中有经验的技术人员，可以获得更好的设计方案并可节约费用，这些工作必须在确定焊接设计方案之前进行。
⒄ 焊接设计前应检查结构规定的公差范围和各部分受力情况，实际操作者可能不会掌握更经济、合理的操作规范，因为有时可能不需要更精确的公差要求。
2、零部件的布局设计需要考虑的因素有哪些？
① 首先应考虑零部位数量的最小化，这将减少设备的装配时间和焊接工作量，如图20所示 。
② 对结构布局和设计方案进行优化可以节约材料和焊接时间。在决定采用图21(a)和图21(b)所示的方案之前应考虑材料、切割及焊接的费用，还应考虑边角余料的有效利用。在图21(a)中可以直接使用框架结构剪裁的余料进行后续工艺，这种剪裁方法比采用拼接工艺更加具有经济意义；图21(b)是假设的优化选择方案，框架结构被分成若干个部位进行焊接，这样可以代替从大型板材上切割下料。
③ 环状结构件可以从单块板材或被焊接成嵌套的结构件中切割而成，与上述布局和设计方案的选择一样，确定最佳工艺方案之前，应充分考虑零部件的尺寸公差、材料、切割、焊接的费用以及边角余料的有效利用等。考虑到运输方面的因素，从厚板材料切割嵌套零件并焊接成环状部件可以节约材料费用和运输时间，如图22所示。
④ 在尺寸公差允许的范围内，可以考虑将钢板滚压成环状结构，然后在具有中空的圆形结构中进行焊接，以代替直接从厚板上切割环状结构件，这样可以减少材料的费用，如图23所示。
⑤ 如果焊接结构中环状结构件有数量上的要求，可以考虑将一个平板滚压成一个圆筒结构，然后进行缝焊。也可采用火焰切割将圆筒切割成一系列的环状结构件，如图24所示。
⑥ 对于非常复杂的一些结构部件可以通过将各零部件进行焊接装配而获得，这样可以节约整体结构的质量、材料及机
加工时间，如图25所示。
⑦ 对平板结构进行卷边处理可以增加钢板的刚度，节约材料的费用，如图26所示。
⑧ 两平板对接焊时，将其中一个板的边缘进行弯曲卷边处理，可以给焊接结构提供一个加强筋，而且费用不高，如图27所示。
⑨ 可以考虑采用波纹形板材以增加板材的刚度，或对板材表面进行压痕处理以增加板材的刚度，如图28所示。
⑩ 在进行各项工艺步骤前，应仔细检查设计方案，看是否可以节约材料，并且使采用的焊接工艺不会影响最终产品的强度要求，如图29所示。
⑾ 检查焊缝位置是否处于焊接制造过程的最佳位置，图30所示改变焊缝的位置可以减少焊接材料的浪费，更适合于自动化焊接技术的使用。
3.2 焊接准备及接头设计
1、焊接板材的准备过程中需要注意的问题有哪些？
① 从板材上制备焊件坯料的最佳工艺方法主要包括火焰切割、剪切、锯割、冲压下料、冲裁、棒材和管材的车削等。
② 考虑制备焊件坯料方法时，应充分考虑焊件尺寸准确性和坡口质量要求，同时考虑其他材料的后续加工、坡口形状或开坡口的要求。
③ 考虑焊接中切割坯料的尺寸和坡口准备时，应注意并非所有的焊缝都采用连续焊缝。具有连续焊缝的V形坡口有时不能满足使用要求。
④ 对于单面V形坡口，可以采用单割嘴火焰切割开坡口；相反，对于双面V形坡口，可以采用多头割嘴火焰切割开坡口，切割工艺过程可以采用同一台切割设备完成。
⑤ 厚板材料有时需要开J形或U形坡口，与双面V形坡口相比可以节约焊缝金属。
⑥ 有时需要考虑铸造或锻压结构是否能消除焊件的复杂截面，以及是否能简化焊接设计和减少制造费用。
⑦ 对于结构连接的关键部位，可以采用昂贵材料（如少量的堆焊合金）代替一般焊接材料，这样可以达到良好的效果。
⑧ 在零部件需要卷边、密闭件或增加加强板时，应考虑用焊接方法制造的工件代替采用锻压件或机械加工件。
⑨ 采用焊接方法并不能处理所有的问题。例如采用成形工艺制造角形结构与采用焊接方法相比，可以减少材料、制造和焊接等费用，如图31所示。
2、焊接接头设计过程中需要注意的问题有哪些？
① 应避免焊接接头的坡口设计过大。例如一个圆形或管状结构和另一个圆形或管状结构的平直表面进行焊接时，就会存在两个问题，即根部熔合情况和是否烧穿。采用正确的接头设计可以得到良好的根部熔合并且不会产生烧穿，如图32所示。
② 为了减少填充材料的使用，可以减小根部间隙和坡口角度，如图33所示 。
③ 厚板结构采用双面V形坡口代替单面V形坡口可以减少焊缝金属，如图34所示。
④ 有时采用单个焊接接头可以同时焊接三部分焊接结构（如图35所示），上部两板的间隙可以使三部分结构充分熔合。
⑤ 应检查焊接接头位置，以确定适合于焊缝位置的焊接方法，如图36所示 。
⑥ 对于焊接操作者来说，选择焊缝设计时应考虑满足接头强度、使焊缝金属减少及不产生烧穿的要求。图37所示为防止产生烧穿的一些合理的焊缝设计。
3、焊接接头设计过程中焊缝尺寸和数量有哪些要求？
① 应确保采用的焊缝数量适中，不要太多也不要太少，并且焊缝尺寸过大会增加焊接费用。
② 根据工艺文件或标准的车间工艺规程确定要完成的焊缝数量，设计者应考虑安全因素来设计焊缝，不要增加其他额外的安全因素。
③ 角焊缝接头设计中角焊缝的焊脚尺寸十分重要。由于焊缝的面积和数量会增加焊脚尺寸，因此双焊脚尺寸将会使焊缝金属增加4倍，如图38所示。
④ 在小载荷或无载荷条件下，断续角焊缝可以用于代替同样焊脚尺寸的连续角焊缝。
⑤ 尽量使焊缝位于焊件较薄的区域，使焊缝尺寸主要集中于薄板上。
⑥ 加强筋或焊接隔板不需要过多进行焊接，应尽可能减小焊脚尺寸或焊缝长度。
4、装配组件的应用有哪些优点？
① 将焊接工作分配给更多的焊工，可以缩短工时；
② 可以提供更好的焊接方法；
③ 可以减少结构变形的可能性；
④ 对小区域的机械加工更加便利；
⑤ 有利于局部区域的应力消除；
⑥ 可以对各部件和密闭式结构进行渗漏试验；
⑦ 在焊接工作前可以进行工艺检验，以利于提高工艺的精确性并纠正错误。
5、组件的焊接装配有哪些步骤？
① 焊前应清理工件表面的油、锈和污物；
② 检查工装夹具，有缝隙的部位需要修补；
③ 夹紧工件到焊接位置并保持焊接过程的稳定；
④ 用固定夹具夹紧临时夹具，使焊接过程始终维持在校正位置；
⑤ 预置接头以补偿焊接时可能产生的收缩；
⑥ 预弯曲零部件以补偿焊接时任何可能产生的变形；
⑦ 使用定位板；
⑧ 有时可以将焊件截断成几部分，对每一部分进行焊接，可以使每部分焊件在中性轴位置保持平衡；
⑨ 对大量复杂结构进行焊接时，可以对各部分组件分别焊接，这样可以使最终的装配更加容易固定。
6、焊接工艺步骤有哪些？
① 尽量提高操作效率，采用焊工辅助装置、良好的固定夹具和夹持设备等；
② 在最短的时间内熔敷尽可能大量的填充金属；
③ 采用焊接辅助板，可以提高开坡口接头第一道焊缝的焊接速度；
④ 采用低氢型焊条消除或降低预热温度；
⑤ 手动将焊条的伸出长度调整到50mm；
⑥ 应尽量在平焊位置进行焊接，采用仰焊或立焊费用要贵一些；
⑦ 如有可能应采用最高焊接速度在平焊位置对角焊缝进行焊接；
⑧ 采用自动焊设备焊接角焊缝接头时，调整焊缝位置可以在接头的根部获得良好的熔深，并且不会影响焊缝的强度。水平板在水平方向30°的角焊缝位置焊接和垂直板水平方向60°的角焊缝的焊接示意如图39所示；
⑨ 可以考虑在较大焊接电流条件下采用大尺寸焊条；
⑩ 在各部件无拘束应力方向进行焊接；
⑾ 采用合适的焊接工艺措施以消除电弧偏吹现象；
⑿ 对在冷却条件下极易产生收缩的接头先进行焊接；
⒀ 应确保采用恰当的焊接速度、焊接电流和焊接电压；
⒁ 采用半自动或全自动焊接方法更加有利于获得良好的熔深和均匀的熔敷金属。
7、焊后对焊接件的清理和检验有哪些步骤？
① 除了某些特殊性能的要求（不包括外观要求），不应将焊缝表面打磨光滑或平滑，因为对焊缝进行打磨的工时和费用较高，通常会超过焊接的费用；
② 采用手工电弧焊和熔化极气体保护焊时，使用铁粉焊条可以降低焊缝表面的清理时间；
③ 焊接时将防飞溅薄膜平行放置在焊缝两边；
④ 获得质量良好的焊缝是焊接的最终目的，但有时一个外观较差焊缝的强度可能会比外观良好焊缝的强度高；
⑤ 过度的焊缝检查工序会增加焊接的总费用。
四、控制焊接变形
4.1 焊接变形产生的原因
1、加热对焊缝金属的物理性能的影响有哪些？
焊接加热对焊缝金属的物理性能有很大的影响，主要包括硬度（或弹性模量E）增加、屈服点降低以及伸长率增加等。低碳钢焊接时焊缝金属的物理性能变化如图40所示。
2、为什么焊接会引起变形？
在高温下沿着焊道方向焊缝金属逐渐增加，电弧附近的峰值温度可以达到几千摄氏度，这使靠近焊缝的较热金属比远离焊缝的较冷金属更加膨胀，但较冷金属会阻止来自于较热金属的膨胀力，使工件金属形成永久性变形。当工件冷却时，热收缩力将使焊缝金属收缩；此时某些收缩力会分布于变形的工件金属中，而在工件的刚性部分，这些收缩力不会分布开并残留在工件内部，形成内应力，如图41所示。
3、施焊在长形焊接件上的焊缝是如何产生变形的？
焊接时沿整个焊缝长度会产生收缩，如图42所示，收缩总是产生于焊缝金属和母材金属之间。
4、控制收缩和变形程度的因素有哪些？
① 外部夹具的拘束作用；
② 大型焊件的内部拘束；
③ 焊件自身的刚度；
④ 焊接热量输入和焊接速度；
⑤ 冷却速度。
这些因素的交互作用十分复杂，对于最简单焊缝的收缩和变形进行计算和预测也是很困难的，但可以采取一些措施、工艺步骤控制收缩和变形量。
5、在哪些部位会看到焊接收缩和变形的影响？
沿焊缝轴线部位易引起纵向收缩，沿垂直于焊缝轴线部位易引起横向收缩，如图43(a)所示。在丁字形焊缝的十字交叉部位容易变形，如图43(b)所示。这种变形主要是由焊缝熔敷金属和热影响区金属共同作用引起的。
根据焊缝中心轴线的位置不同，给向收缩对工件的影响作用也不同，如图44所示。焊缝总是收缩，中性轴长度不变。所以中性轴总是弯向焊缝。
6、导致焊接变形的最直接的控制因素是什么？
主要是焊接熔敷过量，焊接熔敷过量是经常被忽视的引起变形的原因。由于缺乏对焊接过程的准确把握，设计者可能会制定较大的焊缝尺寸；当零部件送到工厂的车间时，车间技术人员为了安全地进行焊接，将零件的尺寸进一步增加，最后焊接操作者为了确保得到牢固的焊缝，又进一步增加了焊缝的尺寸，结果是最初6mm的角焊缝最后被焊成12mm的角焊缝尺寸。
焊接操作者可能没有意识到焊缝金属与焊脚尺寸成平方关系，结果焊脚尺寸增加6mm使得焊缝熔敷金属成倍增加，同时还明显增加焊缝的收缩变形，也会增加4倍的焊接费用，因此过量熔敷的焊缝金属是不必要的。在图45(a)中，焊接熔敷过量会增加焊缝的收缩力；在图45(b)中，采用小尺寸焊缝会降低变形；在图45(c)中，采用断续焊缝可以减小焊缝长度，并可以进一步减小焊缝收缩和变形。
4.2 控制收缩和变形
1、明显减小焊缝变形的步骤有哪些？
减小焊缝变形的主要步骤如图46～图48所示。
2、其他的控制附加应力和变形的方法是什么？
① 可以采用在焊道每一侧进行多道对接焊缝以减小角变形；
② 对于复杂结构应调整结构的焊接位置及顺序，以平衡产生的收缩力，通常应采用对角焊缝结构；
③ 在较冷的环境中，采用焊前预热对于降低焊接冷却速度并获得良好的接头有一定的作用。但根据美国海军部门的研究表明，焊前预热并不能很有效地减小焊接变形；
④ 大型焊件焊后进行热处理主要是为了减少残余应力，并防止在机械加工的焊缝表面产生变形。对于一个具有较大残余应力的焊接结构，采用机械加工方法消除焊缝金属可能会导致产生更大的变形；
⑤ 火焰矫正法，见弯曲与校直。
实际应用中经常将两种或更多的控制应力和变形的方法结合应用，以获得良好的应用效果。
4.3 横梁的横向和纵向收缩
1、焊缝尺寸和形状是如何影响焊缝的收缩变形的？
收缩变形的产生与焊缝金属的熔敷量和形状有直接关系。如图49(a)所示。同样尺寸的钢板，采用双面V形坡口所产生的收缩变形是采用单面V形坡口的一半。图49(b)所示为常用板材厚度与焊缝面积的线性关系示意。
通过分析可以估算出焊缝的横向收缩变形量等于焊缝十字交叉部分平均宽度的10%，即：横向收缩量＝0.10×平均焊缝宽度。这表明减小焊缝尺寸并保证所要求的强度，可以满足控制收缩变形的要求。
2、当一个钢板被焊接成带卷边的工字梁结构时，可以预测工字梁中心的偏差吗？
可以。采用图50中的方程计算出的纵向焊缝收缩量与实测值基本一致，公式中面积A、转动惯量I、横梁结构的硬度值可以从有关数据表中获得，该方程也适用于T形梁结构和角焊缝结构。横梁结构还可以采用水压机进行机械弯曲力和用氧－乙炔火焰进行弯曲。
如果对法兰盘上底和下底进行焊接时，横向收缩力会产生平衡，使得焊缝几乎没有横向收缩偏差。
3、当在两个C形管道上焊接一个长的、薄的箱形件时，为了减小箱形件和管道的最终弯曲变形，应采取何种措施？
产生应防止第一道焊缝直接冷却直到第二道焊缝焊完，然后让两个焊缝同时冷却，以促使两个焊缝彼此平衡收缩变形力，来防止弯曲变形。
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五、焊缝尺寸与强度
5.1 角焊缝的尺寸
1、如何测量角焊缝的尺寸，以便确定角焊缝是否符合图纸中的要求？
角焊缝的形状可以是凹形、凸形或平直的，焊脚可以相等或不等。但角焊缝的实际尺寸是通过测量焊缝中最大等腰直角三角形的焊脚长度而获得的，该等腰直角三角形是通过角焊缝横截面与母材表面成一直线的焊脚来表示的。没有适当的量具，很难测量出角焊缝的尺寸。角焊缝的测量方法如图51所示。
2、为了增强整个金属板的综合强度，确定角焊缝尺寸的一般原则是什么？
假定角焊缝在金属板件的两侧，并且分布在整个金属板长度上，角焊缝的焊脚尺寸应当为金属板厚度的75％；如果焊接两块不同厚度的金属板，则以较薄板的厚度作为参考依据，如图52所示。
3、还有哪些其他公认的测量焊缝尺寸的原则？
美国焊接学会（AWS）和美国钢结构学会（AISC）已把一些测量焊缝的原则运用到建筑和桥梁的焊接实践当中，有关最小有效焊缝长度的测量原则如图53所示。
5.2 焊缝的强度
1、根据工业标准和代码进行焊接时，钢板之间的典型结构焊缝能达到怎样的强度？
焊缝一般能保持较高的强度，以至于超过了焊材代码和应用中所要求的强度。在很多情况下，这种焊缝的强度不能通过焊材代码本身辨别出来。例如，用普通焊条E60××焊接完成的焊缝强度比焊条标称的最小强度值高大约50%。并且在焊接完成后，很多市售的E60××焊缝的屈服强度比结构钢本身高75%。
2、为什么典型焊态下的结构钢焊接接头的强度比母材金属的强度高？
有以下两个原因。
① 所用焊条中的金属心是优质钢，比母材的性能好。
② 在焊接过程中，熔化金属受到良好的保护作用。与电炉钢相比较，焊条药皮还具有净化剂和脱氧剂的作用，药皮中的其他合金万分能够促使形成均匀的晶体结构和良好软科学性能的焊缝。
3、焊接缺陷，可美国焊接学会AWS术语中的非连续，对焊缝的强度有何影响？
① 图54表明，对于焊接接头试样来说，焊缝上尽管有严重的咬边缺陷，但在静载荷的拉伸作用下，失效的是金属板，而不量焊缝。
② 一个总的原则是，角焊缝尺寸应为被焊金属板厚度的75%，以便增强整个金属板的强度。依据这种方法，在厚度12.5mm金属板上焊接尺寸为9.5mm的角焊缝的强度应比母材金属高，对于尺寸为8.7mm和8mm的角焊缝也是这样。当角焊缝尺寸减小到6.4mm时，焊缝金属在220kgf/mm压力（该压力值是美国焊接学会施用压力的5倍多）作用下才发生破断。尺寸不足够大的角焊缝对焊缝强度的影响如图55所示。
③ 图56给出了未焊透对焊缝强度的影响。进行拉伸试验之前，先将焊缝加工平整。当焊缝缩颈处减小到整个试样厚度的31%时，整个焊缝才发生破断
4、焊缝中有多少气孔时会影响到焊缝金属的强度？
试验表明，当焊缝中的孔隙量大于整个焊缝的7%时，焊缝的塑性或抗拉强度、冲击强度将发生很大的变化。
六、焊接工装与夹具
6.1 插销、搭扣及密封
1、如果在金属板或构件的孔上焊接一个螺母，或者为水平螺旋制作螺纹，在孔上放置螺母的最好方法是什么？
① 焊接之前，将螺母表面的金属Zn和Cd用锉刀等工具打磨掉，以防止污染焊缝。
② 采用另一个螺母和螺栓对上述的螺母施加拉力，并在焊接时将螺母牢靠地固定在金属板上。
③ 焊缝冷却以后，去除没有被焊接住的螺母和螺栓。
在金属板孔上焊接螺母的具体方法如图57所示。
2、为工作台或构架制作水平调整卡具时，比较快速和经济的方法是什么？
先将一个六角螺栓的头部磨平，以便使螺栓头套在垫圈的孔上，然后再把垫圈焊接到螺栓上，形成一个底座。为了便于转动螺栓，可将一根直径为6mm的金属棒焊接到螺栓上，最后按照前面所述的方法将一个螺母固定在金属板上形成螺纹。水平调整卡具如图58所示。
3、在钢板上精确地定位和固定插销或填塞，比较好的方法是什么？
① 确定出插销中心的位置；
② 钻出能使插销滑进或推进的孔；
③ 将插销的末端切成斜面，插入孔中，并在插销的后端部进行塞焊；
④ 为了显得美观，对塞焊处进行打磨使构件的后部齐平。
带有塞焊焊缝固定插销的方法如图59所示。
4、如何简易制作搭扣或连接点？
① 用手工钢锯（可以是Sawzall型或Portaband型）切取一段链环，使切取下来的链环两段相互平行；
② 按照所切割链环要插入的位置和直径钻两个孔；
③ 将链环插入孔中，并用塞焊方法从后面将链环固定住。
如果放置搭扣的构件后部没有可焊接处，可以将一小金属板焊接到构件上面。采用链环制作搭扣或连接点的方法如图60所示。
5、采用焊接方法制作中空的圆形或矩形管状工件时，为了达到外形美观、安全和耐用的要求，有时工件的末端需要密封，有哪两种常用的密封方法？
① 最简单的密封方法是在管状工件末端插入尺寸适当的塑料塞子，如图61(a)所示。这些塑料塞子有圆形、方形和长方形等形状。但插入塑料塞子有个缺点，大多数塑料塞子伯外观和尺寸只能应用于室内。如果工件长期暴露在室外大气中，塑料塞子会由于气候的影响而逐渐发生老化，进而失去保护边缘的能力。
另一种密封方法是用钢板将管状工件末端覆盖住，并将钢板焊接固定，如图61(b)所示。这种方法虽然费时，但能有效地避免气候的不良影响。
6.2 框架的制作及固定件
1、如要在框架构件上放置物体，但框架要易于移动，如何制作这样的框架？
在框架构件上焊接长度较短的矩形管状材料，然后将物体安装到可以让管子滑进去的立体方形槽中，如图62所示。为了特殊需要，也可以采用圆管关材料和棒状材料来制作能旋转的支架。
2、如何将中空的圆柱体或铸件牢固地安装到金属板上，并使其容易拆卸？
① 将一个大直径螺栓的顶部焊接或用钎焊方法连接到金属板上，围绕螺栓的顶部焊接一圈焊缝。
② 由于螺栓和金属板的尺寸较大，有时需对它们进行预热。
③ 将中空圆柱体或铸件用螺栓固定，并用反弹垫圈和螺母将它们紧固住。
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采用经过焊接的螺栓来坚固中空物体的示意如图63所示。螺栓上部有较粗大的螺纹，能在不需加工螺纹或不在底部金属板上钻孔的情况下将中空物体坚固住。
如果螺栓和金属板需要经过火焰预热，采用额定电流为130A的气体保护焊焊机或FCAW焊焊机，可以将直径在9～16mm之间的螺栓比较容易地焊接在厚度12mm的金属板上。
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3、有哪三种方法可以防止螺母从螺栓上脱落下来？
防止螺母脱落有以下三种方法。(原作者遗漏了用凿子在贴近螺母的螺杆部位对称敲击3处，以破坏局部螺纹的办法)
① 将螺母直接焊接在螺纹上。
② 在螺纹的末端焊上“塞焊”。
③ 在螺杆的末端锯出切口，然后采用火焰加热螺杆末端并将端部加工成蘑菇状，以便防止螺母脱落。
防止螺母脱落的三种方法的示意如图64所示。
4、很多管子的管壁太薄，以至于很难加工螺纹，如何在这样的管子上加工螺纹？
将一个带有螺纹的芯棒放置到管子末端的内部，并用一个或多个塞焊焊缝将芯棒固定住，如图65所示。这种加工方法普遍用于汽车悬挂件和飞机控制棒的制作中。
5、不采用焊接方法，如何在钢板内设置系钢丝绳的抓手？
首先在钢板上刻出“抓手”的形状，如图66所示。从海底打捞俄罗斯Kursk号沉船时是采用了类似的系钢丝绳的“抓手”，即采用等离子弧割炬割穿船体制作成“抓手”，将26根钢丝索分成两排系在船体上，使沉船容易被提升起来。
七、焊接装配与支架
7.1 焊接装配
1、如果用铁链代替钢丝绳，在不采用焊接方法的情况下，如何在甲板或舱壁上固定铁链？
在船运工作中，在甲板上固定货物是一个普遍的现象。采用火焰切割法在甲板上割出一个十字形状的孔，为在甲板上固定铁链提供了一种安全、便利的方法。可在铁链下面焊接一块薄铁板，以防止水、火花和烟尘进入甲板下面，如图67所示。
2、采用焊接构件，有哪几种制作轴承支撑架的设计方案？
采用焊接方法制作轴承支撑架的设计方案如图68所示。
3、有哪几种采用焊接构件制作机器底座的方法？
采用焊接构件制作机器底座的几种方法如图69所示。
4、要求机身与机器底座连为一体时，有哪几种设计方法？
常用的重型机器底座的设计方法如图70所示。
7.2 焊接支架及制作
1、有哪两种用焊接取代铸造而制作支架的设计方法？
采用焊接方法来制作高强度支架的两种设计方法如图71所示。特别是图c，很巧妙哦！
制作支架从使用铸件向使用3块、2块钢板的变化如图72所示。支架设计方法的改变不但使得支架制作成本低、质量轻，而且使制作支架所需要的时间缩短。
制作支架时，用焊接取代铸造的发展及优点如图73所示。
弯曲与焊接方法相结合更有易于支架的制作，这种支架的示意如图74所示。用于承担重载荷、内侧加装筋板的支架如图75所示。
采用焊接方法将矩形管状材料与直角支架焊接在一起，可以制作承爱很大载荷的支架，如图76所示。
2、滚轴在载荷的作用下发生弯曲（如图77所示），使轴线不重合，并使轴承内部发生严重磨损。不将滚轴放置在旋转轴承上，如何避免以上问题的发生？
解决上述问题的措施是设计一个用焊接方法制成的钢制轴承，该轴承在同样载荷下与轴弯曲的角度相同，便得轴承与轴承在同一中心线上，这种技术称为弹性匹配，如图77所示。
3、如要制作一种弯曲度小且易于拆装的横梁（如图78所示），一种方法是将工字钢的两端焊接到金属板上，并用螺栓将金属板固定在构件上。然而这种横梁是依赖于周围构件的刚性而起作用的，并且难以拆装，有没有更好的方法来制作横梁？
有更好的方法来制作横梁。当横梁的中部和两端受到集中载荷时，横梁受到的弯矩（力）示意如图78（c）所示。如果在弯矩为零的两个部位将横梁连接起来，连接处只需承受垂直剪力。横梁两端底部的简易焊接底架，以及横梁中部的金属板能提供承受载荷所需要的刚性，并容易拆装，如图78(b)所示 。
4、采用焊接方法对角钢进行装配时，如图79(a)所示，立焊焊缝在一定大小的周期性载荷作用下易发生破坏。如何解决这样的装配问题？
在周期性载荷作用下，角钢容易发生扭曲，使得两条立焊焊缝变成相互作用的横向剪切焊缝。除了立向剪切载荷外，这两条立焊焊缝通过横梁的扩张也承受横向剪切载荷。如果用一条横焊焊缝代替这两条立焊焊缝，受到的横向剪切力将减小，如图79(b)所示。对于位于上部的角钢来说，焊缝越靠近角钢较厚的部位，作用在焊缝上的压力起小。这是因为上部角钢的金属减小了角钢的扩张量。
