第 3 章 钢结构的连接
3.2 钢结构焊接的种类和焊缝形式
3.2.1 钢结构的焊接
它是指通过局部加热将各种不同形状和厚度的钢结构件组合起来，实现原子键合的连接方法。钢结构焊接技术是在 19 世纪末和 20 世纪初发展起来的。20 世纪 30 年代，出现了具有厚涂层的高质量电极，显示了焊接方法的优越性，同时发明了使用焊丝和助焊剂的埋弧焊。我国的手工电弧焊始于 20 世纪 40 年代，并在 50 年代推广了埋弧自动焊接技术的应用，在 60 年代开始试验 CO2 气体保护焊、电渣焊技术，并逐渐推广应用于钢结构制造。
上图为施工现场管桁架的手工电弧焊场景
3.2.2 焊接的种类
这
钢结构制造中常用的焊接类型包括手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊和电渣焊。
（1） 手工电弧焊
上图为手动焊接操作场景
手工电弧焊是以电极和焊件为电极，电弧在中间点燃，焊芯和工件的熔融金属形成焊接金属，从而完成工件的焊接。
上图为手工焊接的工作原理
手工弧焊设备简单，施工方便，可进行平焊、竖焊、横焊、竖焊、竖焊等，仍然是钢结构焊接中的主要焊接方法。
上图是对接连接的焊缝位置的简化图
手工弧焊的主要设备是弧焊变压器、直流弧焊电动机和弧焊整流器等，基本要求是使电弧燃烧稳定，具有陡峭的外部特性电源，适当的空载电压，焊接规格灵活调整，动态特性好。焊接芯的主要作用是在电极端部与极板之间形成电弧，电极的熔化金属与熔化的母材结合，形成沉积金属。
上图为手动焊接设备
用于焊接芯材的钢材的化学成分与普通钢材不同，主要是因为含碳量低，硫磷含量低。该涂料由矿物、铁合金和化工原料、有机粉末和粘结剂等组成，按其功能可分为稳定电弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、增塑润滑剂和粘结剂等。焊条的种类很多，必须结合焊接结构、焊接条件、设备条件和焊接工艺要求的特点，才能正确选择焊条。
上图是手工焊接的电极
E43系列焊条用于常用Q235钢的手工焊接，E50系列焊条用于Q345钢的手工焊接，E43系列焊条用于Q235+Q345的手工焊接。电极说明如下：
手工电弧焊技术包括焊接工艺参数的选择、焊接操作技术、焊接质量控制等。焊接工艺参数包括焊条的选择、焊接电流、焊接速度、焊接层数等参数，这些参数是直接影响焊缝形状、尺寸和焊接质量的重要因素。焊接操作技术包括敲弧、传输和电弧退缩。
（2） 埋弧自动焊接
在覆盖焊接区域的颗粒状材料（即助焊剂）的保护下，通过在裸金属丝和工件之间形成电弧进行焊接的过程。焊接方法有两种：半自动焊接和自动焊接。
上图为埋弧焊的工作原理
自动埋弧焊的生产效率比手工电弧焊高5~10倍，热效率高，电流密度高，吹弧力强，熔深大，焊接速度快，焊缝质量好而稳定，在钢结构焊接中得到了广泛的应用。但是，由于埋弧自动焊接只能在平焊位置和坡度不大的情况下进行焊接，并且不适合薄板的焊接，因此其使用范围在一定程度上受到限制。在工厂中常用于制作厚板焊接。
上图是手动埋弧焊和自动埋弧焊的工作场景
埋弧焊的设备主要由电源、控制面板、焊丝送料机构、焊机行走机构和助焊剂供给机构组成。
上图为埋弧焊的焊接设备
焊接电源有两种类型：直流电源和交流电源。直流电源一般采用弧焊整流器;交流电源采用弧焊变压器。弧焊电源一般应具有陡降的外部特性。埋弧焊剂在焊接过程中能熔化形成熔渣和气体，在熔融金属中起保护和冶金作用，可根据制造方法、用途、化学成分、冶金性质等进行分类。常按制造方法分为冶炼型和烧结型。
上图中大型管道的埋弧焊
埋弧焊技术包括：（a） 焊前准备。检查装配质量、装配间隙、斜角、钝边和错位量。（b） 焊接材料的选择。焊接材料对焊缝的化学成分和机械性能起着重要作用，碳素结构钢和低合金钢的焊接应与钢丝和熔剂的强度相匹配。
上图是埋弧焊丝
（c） 焊接工艺参数的选择。焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压和焊接速度。焊接时，应根据结构焊缝的形状和尺寸以及熔深的要求调整工艺参数。通常，当焊接电流增加时，熔深和强化高度明显增加;在焊接电流和电弧电压恒定的情况下，可以提高焊接速度，使熔体宽度明显变小。
由于埋弧自动焊接操作简单，只要掌握了工艺参数，在焊接过程中根据装配质量和坡口类型进行小幅调整，就可以焊接出满意的焊缝。对于全熔透焊缝，需要保证焊透和不出现焊接缺陷，这需要在实践中逐步掌握。
（3） 气体保护焊
以惰性气体（如纯 Ar）、富 Ar 和氧化性气体（如 CO2）为保护介质，将熔池和电弧区与周围空气隔离，防止空气中有害气体的侵入，同时在机械的作用下，焊丝不断送入熔池进行焊接。
气体保护焊分为自动焊接和半自动焊接两种。
上图是半自动气体保护焊接场景
其中CO2气体保护焊焊接电流密度高，电弧热集中，焊接速度快，变形小，生产效率高，焊接成本低，防锈和抗裂性强，焊接裂纹倾向小。而且因为是明弧焊，操作比较简单，可以焊接薄板。缺点是保护气体易被破坏，要求一定的纯度，焊接时飞溅量大。
上图为气体保护焊的工作场景
CO2气体保护焊的半自动焊接设备通常由焊接电源、控制装置、送丝机构、焊接柱和辅助装置组成。
上图显示了气体保护焊的工作原理
焊接电源采用晶闸管整流电源。当焊丝直径小于1.6mm时，电源外部特性曲线平坦，采用等速送丝机构;当焊丝直径不小于2mm时，宜选择减小的外部特性电源和带电弧电压反馈的送丝机构来控制送丝速度。
上图为气体保护焊的焊机和送丝机
控制系统通过焊枪的打开和关闭来控制电源、送丝和空气供应。送丝机构有三种：推拉式和圆盘式，现场常用推拉式送丝机构。焊枪的功能除了导电外，还将送丝机构送出的焊丝引导至熔池，保护气体通过焊枪的喷嘴浓缩，以保护熔池。
上图是气体保护焊枪
辅助设备包括供气系统等。CO2 气体通常被压缩成液态并储存在写有“CO2”字样的钢瓶中。
上图为气体保护焊筒
CO2气体保护焊的焊丝必须含有足量的脱氧元素，焊丝的含碳量要低，应保证焊缝金属具有规定的机械性能和抗裂性。焊丝的选择应根据母材和接头的设计强度来确定。CO2气体保护焊技术包括焊前准备、焊接材料（主要是焊丝）的选择、焊接操作技术和工艺规范参数控制等。焊接操作技术主要包括：焊枪角度、焊枪高度、引弧法和合弧法。
（4） 电渣焊
这是一种通过电流通过液态渣产生的电阻热的焊接方法。
电渣焊通常在垂直位置或接近垂直位置进行。为了保持熔池的形状并迫使焊缝形成，在接头两侧使用铜滑道制作成型器，冷却水通过铜滑道内部。
上图是电渣焊工艺的示意图
与一般的电弧焊相比，电渣焊可以一次焊接很厚的工件，工件不需要斜切，不易产生气孔和夹渣等缺陷，并且易于调整焊缝金属的化学成分，减少焊缝金属中的有害杂质，因此是一种高质量、 高效且低成本的焊接方法。但由于电渣焊热源和焊接速度慢的特点，焊缝金属和近缝区域在高温（1000°C以上）下停留时间长，容易产生粗晶粒，大大降低焊接接头的冲击韧性。电渣焊通常用于箱形截面内隔板的焊接。
上图为全自动电渣焊场景
电渣焊有三种类型：线材电渣焊、板式电渣焊和喷嘴电渣焊。
（a） 电线杆的电渣焊。它使用焊丝作为电极。根据工件的厚度，可采用1~3根或更多的焊丝进行焊接。电源可以是直流电源和交流电源，一般采用交流电源。焊接时不应有电弧放电工艺或电渣-电弧混合工艺钢结构自动焊接设备，否则会破坏正常的焊接规范，因此要求使用空载电压低、感抗小的扁平特性电源。
上图为箱形截面隔板的电渣焊接场景
（b） 板极的电渣焊接。它使用金属板条作为熔化电极，根据被焊接工件的厚度，可以使用一个或多个金属板条。焊接时板不会横向摆动，而只需要向下进给，因此设备很简单（图 5）。板式电渣焊与焊丝电渣焊对焊接电源的要求相同。
（c） 熔融喷嘴的电渣焊接。在板杆电渣焊的基础上发展起来的一种电渣焊接方法。它用作熔化电极，焊丝和保险丝固定在工件间隙中并与工件绝缘。根据工件的厚度，可以使用一个、两个或多个喷嘴。熔断器多由管状电极制成，因此也称为管电渣焊。这种方法可以焊接板杆处比电渣焊横截面更大的工件，适用于焊接截面不规则的工件。熔体喷嘴的电渣焊接设备简单，不需要爬头、成型板升降、侧向摆动等机构，只需要焊接电源和送丝机构（图 6）。
电渣焊技术包括焊接材料的选择、焊前准备、焊接工艺和焊接检验。应根据母材材料和设计的要求正确选择焊接材料（焊丝、焊极、熔体和焊剂）。
上图是熔融喷嘴电渣焊和线材电渣焊的比较
低合金钢电渣焊缝的碳含量应较低，以提高焊缝的抗裂性，并通过增加焊缝中合金元素的含量来补偿由此产生的焊缝强度降低。合金元素的含量来自焊丝合金的成分和助焊剂的成分，在选择材料时应充分考虑。
焊前准备主要包括焊接区域母材表面的处理、工件装配间隙的确定、装配精度、引入板和引入板的装配、强制成型水冷滑块的水路检查、焊丝质量的检查和助焊剂的干燥。
这
焊接工艺包括造弧渣、正常焊接和焊缝精加工等，主要是控制焊接规格参数，并正确调整送丝速度、焊接电流、电压和渣池深度，以保证焊接过程的稳定性。
3.2.3 焊接缺陷和质量控制
出色的焊接接头质量取决于合理的结构设计、正确的材料选择（包括钢材和焊接材料）、正确的焊接工艺和完整的焊接质量检测系统。焊接缺陷是危害结构安全使用的重要因素，尤其是焊接裂纹危害更大，会导致灾难性的事故。
上图为常见的焊接缺陷
为了保证焊接质量，应检查焊接接头的质量。测试方法分为无损检测和破坏性测试两大类。
上图是钢结构常用的焊缝检测方法
3.2.4 焊缝的分类和表示
（1） 焊缝分类
（a） 焊缝按板材的连接形式可分为对接焊缝和角焊缝。
其中，对接焊缝分为正对焊、斜对焊和T形对焊。
其中，角焊缝分为搭接、角焊缝和 T 形角焊缝。
（b） 焊缝按焊接位置可分为平焊、垂直焊、水平焊和垂直焊。
（2） 焊缝表示法
常见焊缝如下图所示：
常见的焊缝标记描述如下：
（3） 钢结构的焊缝质量等级
《钢结构工程施工验收规范》规定：
焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。
3 级焊缝只需对所有焊缝进行目视检查，并符合 3 级质量标准;
除外观检验外，仍要求一级、二级焊缝进行100%检验，其合格等级应为现行国家标准《钢焊缝手动超声探伤方法和质量分级法》（GB 11345）B类检验二级及以上;二次焊缝应进行抽样，抽样比例不低于20%，其资质等级应为现行国家标准《钢焊缝人工超声探伤方法和质量分级方法》（GB 11345）三级及以上B类检验;
（4） 焊缝质量等级的选择
在《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中，对焊缝质量等级的选择有以下规定：应根据结构的重要性、载荷特性、焊缝形式、工作环境和应力状态等选择焊缝，按以下原则进行
（a） 在需要进行疲劳计算的构件中，应将所有对接焊缝焊接完成，其质量等级为：
1）垂直于焊缝长度的力的横向对接焊缝或T形对接角接头组合焊缝，受拉时应为第一级，受压时应为第二级;
2） 力平行于焊缝长度的纵向对接焊缝应该是次要的。
（b） 在不需要计算疲劳的构件中，所有要求与母材强度相等的对接焊缝均应焊接完成，其质量接头等级在受拉时应不低于 II 级，压缩时应不低于 II 级。
（c） 重工作制和起重能力的 Q≥50t 中间工作制起重机大梁之间腹板与上翼缘之间以及起重机桁架弦杆与节点之间的 T 型接头焊缝均要求焊接通，焊缝形式一般为对接和角接联合焊缝，其质量等级应不低于二级。
（d） 用于不需要熔透的 T 形接头的角焊缝或部分熔透的对焊缝，以及用于搭接接头的角焊缝的质量水平：
1）对于直接承受动载荷而需要检查疲劳的结构以及起重机起重量等于或大于50t的中间工作鹤梁钢结构自动焊接设备，焊缝的外观质量标准应达到二级;
2）对于其他结构，焊缝的外观质量标准可以是三级。
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第 1 章 钢结构概述
第 2 章 钢结构材料
