焊接技术是现代制造业、建筑、维修和许多工业领域中不可或缺的核心工艺。它通过加热、加压或两者结合，使两个或多个金属部件在原子层面形成永久性连接。掌握焊接工艺不仅要求理解其科学原理，更需要严格遵守安全操作规程，以保障操作人员的生命安全和焊接质量。本手册将全面解析焊接工艺的核心技术，并提供详尽的安全操作指南。

一、 焊接工艺基础

1.1 焊接的定义与分类

焊接（Welding）是指通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺方法。根据热源、保护方式和操作方式的不同，焊接方法主要分为以下几大类：

  • 熔焊：将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。如电弧焊、气焊、激光焊等。
  • 压焊：通过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法。如电阻焊、摩擦焊、超声波焊等。
  • 钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点而低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。

1.2 常用焊接方法详解

以下将重点介绍几种最常用且具有代表性的焊接方法。

1.2.1 手工电弧焊（SMAW）

这是最基础、应用最广泛的焊接方法之一，俗称“手把焊”。

  • 原理：利用焊条与焊件之间产生的电弧热熔化焊条和母材，形成熔池，冷却后形成焊缝。

  • 设备：弧焊电源（交流或直流焊机）、焊钳、接地夹、防护面罩、手套。

  • 焊条选择：焊条型号根据母材（如Q235钢常用E4303，即J422）和焊接位置（平、立、横、仰）选择。焊条直径根据板厚选择，例如：

    • 板厚1-3mm：直径2.0mm焊条
    • 板厚3-6mm：直径2.5-3.2mm焊条
    • 板厚>6mm：直径3.2-4.0mm焊条

  • 操作要点：

    1. 引弧：采用划擦法或直击法。划擦法：将焊条在焊件表面轻轻划动，产生电弧后迅速提起至合适弧长（约2-4mm，等于焊条直径）。直击法：垂直轻触焊件表面，然后迅速提起。
    2. 运条：保持稳定的弧长，焊条与焊件夹角通常为70°-80°。运条方式有直线形、锯齿形、月牙形等，以控制熔池形状和焊缝成形。
    3. 收弧：在焊缝末端，将焊条向熔池中心回引一下，填满弧坑，然后迅速拉断电弧。

  • 代码示例（焊接工艺参数参考）：

    # 一个简单的焊接参数计算示例（仅作参考，实际需根据具体条件调整）
def calculate_welding_parameters(thickness, material_type, position):
    """
    计算手工电弧焊的参考参数
    :param thickness: 母材厚度 (mm)
    :param material_type: 材料类型 (e.g., 'carbon_steel')
    :param position: 焊接位置 (e.g., 'flat', 'vertical')
    :return: 包含焊条直径和焊接电流的字典
    """
    if material_type == 'carbon_steel':
        if thickness <= 3:
            diameter = 2.0
            current = 60  # 安培
        elif thickness <= 6:
            diameter = 3.2
            current = 100
        else:
            diameter = 4.0
            current = 160
    else:
        # 其他材料的默认参数
        diameter = 3.2
        current = 120


    # 根据焊接位置调整电流
    if position == 'vertical':
        current *= 0.8  # 立焊电流通常比平焊小20%
    elif position == 'overhead':
        current *= 0.9  # 仰焊电流通常比平焊小10%


    return {'diameter_mm': diameter, 'current_A': current}

# 示例：焊接6mm厚的碳钢，平焊位置
params = calculate_welding_parameters(6, 'carbon_steel', 'flat')
print(f"推荐焊条直径: {params['diameter_mm']}mm, 焊接电流: {params['current_A']}A")
# 输出: 推荐焊条直径: 3.2mm, 焊接电流: 100A

1.2.2 气体保护焊（GMAW/MIG/MAG）

使用外加气体（如CO₂、Ar或混合气）作为保护介质的电弧焊方法。

  • 原理：连续送进的焊丝与母材之间产生电弧，熔化焊丝和母材形成熔池，保护气体将熔池与空气隔绝，防止氧化。
  • 设备：焊枪、送丝机、保护气瓶、减压表、电源。
  • 特点：焊接速度快，焊缝质量高，无渣，适合自动化。但对风速敏感，室外作业需防风。
  • 保护气体选择：
    • CO₂：成本低，穿透力强，但飞溅较大，适用于碳钢。
    • Ar：电弧稳定，飞溅小，成形美观，适用于铝、不锈钢等。
    • Ar+CO₂混合气（如80%Ar+20%CO₂）：综合性能好，广泛用于碳钢和低合金钢。
  • 操作要点：
    1. 参数设置：焊接电流、电压、送丝速度需匹配。例如，焊接1mm薄板，电流约60-80A，电压约16-18V。
    2. 焊枪角度：通常与工件夹角10°-15°，推丝或拉丝方式。
    3. 气体流量：一般为10-20 L/min，根据焊丝直径和焊接电流调整。

1.2.3 钨极惰性气体保护焊（GTAW/TIG）

使用非消耗性钨电极和惰性气体（如Ar）保护的电弧焊方法，常用于高质量焊缝。

  • 原理：电弧在钨极和母材之间燃烧，母材熔化形成熔池，通常需要添加填充焊丝（也可不加）。惰性气体保护熔池和钨极。
  • 设备：TIG焊机、焊枪、高频引弧器、保护气瓶。
  • 特点：焊缝纯净、美观，热输入小，变形小，适用于不锈钢、铝、钛等有色金属及薄板焊接。但焊接速度慢，对操作者技能要求高。
  • 操作要点：
    1. 钨极准备：钨极端部通常磨成锥形（如20°-30°），以稳定电弧。
    2. 引弧：通常采用高频引弧或接触引弧。
    3. 送丝：左手持丝，右手持枪，焊丝在熔池前沿送入，避免直接接触钨极。
    4. 气体保护：提前送气（约1-2秒），滞后停气（约5-10秒），确保焊缝尾部和钨极不被氧化。

1.3 焊接接头与坡口形式

焊接接头形式主要有对接、搭接、角接和T型接头。为保证焊透，厚板需开坡口。

  • 坡口形式：常见的有V形、X形、U形、J形等。
    • V形坡口：适用于板厚6-26mm，加工简单，但变形较大。
    • X形坡口：适用于板厚>20mm，变形小，但加工复杂。
    • U形坡口：适用于厚板（>30mm），应力集中小，但加工成本高。
  • 坡口尺寸：坡口角度通常为60°±5°，钝边高度1-3mm，根部间隙2-4mm（根据焊接方法调整）。

二、 焊接工艺评定与质量控制

2.1 焊接工艺评定（PQR/WPS）

焊接工艺评定是验证焊接工艺正确性的过程，确保焊接接头能满足设计要求。

  • 流程：
    1. 编制预焊接工艺规程（pWPS）：根据设计要求和标准（如ASME、GB/T）制定初步工艺。
    2. 试件焊接：按pWPS焊接试件。
    3. 无损检测（NDT）：对试件进行射线（RT）、超声（UT）、磁粉（MT）或渗透（PT）检测。
    4. 力学性能试验：包括拉伸、弯曲、冲击等试验。
    5. 编制焊接工艺评定报告（PQR）：记录所有试验数据和结果。
    6. 编制焊接工艺规程（WPS）：基于合格的PQR，制定用于实际生产的WPS。

2.2 焊接缺陷与控制

常见焊接缺陷包括裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透、咬边、焊瘤等。

  • 裂纹：最危险的缺陷，分为热裂纹和冷裂纹。
    • 控制：选用低氢焊条，预热和后热，控制焊缝形状系数（宽深比）。
  • 气孔：焊缝中的气体未及时逸出。
    • 控制：清理焊件和焊丝表面油污、锈蚀，保证保护气体纯度，控制焊接速度。
  • 未熔合：母材与焊缝金属或焊缝层间未完全熔合。
    • 控制：正确选择坡口角度和焊接电流，保持稳定的电弧和运条。
  • 咬边：焊缝边缘母材被电弧烧蚀形成的凹陷。
    • 控制：选择合适的焊接电流和速度，保持正确的焊枪角度。

三、 焊接安全操作指南

焊接作业涉及高温、电弧、有害气体、紫外线辐射和机械伤害，必须严格遵守安全规程。

3.1 个人防护装备（PPE）

  • 焊接面罩/头盔：必须使用自动变光面罩，滤光号根据焊接方法选择（如电弧焊通常为10-14号）。保护眼睛和面部免受弧光、飞溅和高温伤害。
  • 焊接手套：使用耐高温、绝缘的皮革手套，保护手部免受高温、飞溅和电击。
  • 防护服：穿着阻燃、防静电的工作服（如帆布或皮革），袖口应扣紧，避免火星进入。禁止穿化纤衣物。
  • 安全鞋：穿绝缘、防砸、防滑的安全鞋。
  • 呼吸防护：在通风不良的环境或焊接产生有害烟尘（如不锈钢焊接产生六价铬）时，必须佩戴防尘口罩或呼吸器（如P100滤芯）。

3.2 作业环境安全

  • 通风：确保作业区域有良好的自然通风或机械通风（如局部排风罩、移动式焊烟净化器）。焊接烟尘浓度应低于国家职业卫生标准（如电焊烟尘限值4mg/m³）。
  • 防火防爆：
    • 清理作业区域10米内的易燃易爆物品（油类、木材、纸张等）。
    • 配备合格的灭火器（干粉或二氧化碳灭火器）。
    • 在密闭空间（如容器、管道）内焊接，必须办理动火证，进行气体检测（氧气、可燃气体浓度），并保持持续通风。
  • 防触电：
    • 检查焊机、电缆、焊钳的绝缘性能，破损处及时包扎或更换。
    • 避免在潮湿环境中作业，必要时铺设绝缘垫。
    • 焊机外壳必须可靠接地（接地电阻Ω）。
  • 防弧光：设置焊接隔离屏，防止弧光伤害他人眼睛。

3.3 特殊环境作业安全

  • 高处焊接：必须系好安全带，使用牢固的脚手架或平台，工具和材料应放置稳固，防止坠落。
  • 水下焊接：需经过专业培训，使用专用设备，注意防水和防触电。
  • 容器内焊接：执行“先通风、后检测、再作业”的原则，确保氧气含量在19.5%-23.5%之间，可燃气体浓度低于爆炸下限的10%。

3.4 焊接设备安全操作

  • 开机前检查：检查电源线、接地线、气管是否完好，无漏气、漏电。
  • 操作中：禁止在通电状态下更换焊条或调整焊枪；焊机过热时应停机冷却。
  • 关机后：关闭电源和气源，整理好电缆和气管。

四、 焊接工艺优化与新技术

4.1 焊接参数优化

焊接参数（电流、电压、速度、气体流量等）直接影响焊缝成形和质量。优化方法包括：

  • 正交试验法：通过设计多因素多水平试验，找出最优参数组合。
  • 数值模拟：利用有限元软件（如ANSYS、COMSOL）模拟焊接热过程和应力场，预测变形和缺陷。
  • 在线监测：使用传感器（如电弧电压、电流传感器）实时监控焊接过程，通过机器学习算法预测质量。

4.2 新兴焊接技术

  • 激光焊接：能量密度高，焊接速度快，变形小，适用于精密零件和汽车车身焊接。
  • 搅拌摩擦焊（FSW）：固相连接，无熔化，无气孔、裂纹，适用于铝合金、镁合金等轻量化材料。
  • 电子束焊接：在真空环境下进行，焊缝深宽比大，热影响区小，用于航空航天和核电领域。
  • 增材制造（3D打印）：如电弧增材制造（WAAM），用于大型金属结构件的快速成型。

五、 焊接标准与规范

焊接作业必须遵循相关国家和行业标准，确保质量和安全。

  • 国际标准：ISO 15614（焊接工艺评定）、ISO 3834（焊接质量要求）。
  • 美国标准：ASME IX（锅炉及压力容器规范）、AWS D1.1（钢结构焊接规范）。
  • 中国标准：GB/T 19804（焊接结构的一般要求）、GB/T 6417（金属熔化焊接头缺欠分类及说明）、GB 9448（焊接与切割安全）。

六、 总结

焊接技术是一门实践性极强的学科，需要理论与实践的紧密结合。掌握各种焊接方法的原理和操作要点是基础，而严格遵守安全操作规程是保障。随着工业4.0的发展，焊接自动化、智能化和绿色化是未来趋势。操作人员应不断学习新技术、新标准，提升技能水平，同时始终将安全放在首位，确保每一次焊接作业都安全、高效、优质。

记住：安全是焊接作业的生命线，质量是焊接工艺的永恒追求。