作者：董长富,孙艳艳
出版社：机械工业出版社
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焊接与切割安全操作技术试读：
前言
金属焊接与切割作业属于特种作业，容易发生重大火灾及恶性伤亡事故，从而对操作者本人、他人及周边设施、设备安全造成重大危害。为适应技术人员岗位培训和提高操作技能水平，满足安全生产的需要，本书介绍了焊接特种作业人员必须掌握的安全与技术知识，包括基本理论部分和实际操作技能部分。
本书依据国家安全生产监督管理总局制定的《特种作业人员培训大纲》进行编写，在编写中注重焊接专业的新知识、新技术、新设备和新材料等方面的应用。
全书内容阐述简练，配有实物图解和图表，融科学性、实用性和系统性于一体。
本书以企业对人才需求为导向，以企业技能发展为原则，坚持以实用为主，理论联系实际，重点突出，是特种作业人员上岗前，为取得《中华人民共和国特种作业操作证》而进行安全技术培训的教材，也是在该工种岗位上不断巩固、提高安全操作技能的常备书，同时还可作为焊工职业技能培训辅导和焊接专业技术人员取得《中华人民共和国职业资格证书》的学习教材，也可供职业技术院校相关专业学员学习。
书中附有焊工考试参考题库，供焊接与切割作业人员用作复习参考资料。
本书在编写的过程中引用和参考了大量的出版物和培训资料，并得到了相关专家、学者的大力支持，在此一并向有关人员表示衷心的感谢。
本书由董长富、孙艳艳主编，梁衍立、郑杰、宋成磊参加编写，于洑审稿。由于编者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者提出宝贵意见和建议，以便于我们不断修订完善。编者
第一章 基础知识
本章培训目标：
(1)掌握焊接与切割基础知识。
(2)熟悉金属的热处理基础知识。
焊件比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构。
第一节 焊接与切割作业概述
（1）焊接：将同种或异种的被焊工件，通过加热、加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件间达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。（2）切割：指将物体断开的动作。例如，利用高温火焰或电弧使金属结构局部熔化并吹除液态金属，从而使该结构断开。金属结构的连接通常分两种形式，一种是可拆卸连接，即在拆卸时不损坏被连接件的本体，就可以将其分开，如螺栓连接、铆钉连接等；另一种是永久性连接，即在拆卸时必须在毁坏被连接件本体后，才可以将其分开。焊接就是后一种形式的连接方法。一、焊接方法分类和工艺特点
焊接与切割的方法有几十乃至上百种，各种方法有不同的工艺特点和工艺要求。为了保证焊接与切割作业人员在作业时能够选用最合适的方法，了解不同焊接与切割的方法的作业特点及工艺要求，按照焊接过程中金属所处的状态及加工工艺的不同，焊接主要可分为熔焊、压焊和钎焊三大类。
1.熔焊
熔焊是在焊接过程中采用局部加热方法将工件接口处加热至熔化状态，在无外加压力情况下完成焊接的方法。
熔焊时，热源将待焊工件接口处迅速加热熔化形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将工件连接成为一体。目前使用最广泛的熔焊焊接工艺是电弧焊。
2.压焊
压焊是在外加压力的条件下，采用加温或不加温的方法使两工件在固态下实现原子间结合而完成焊接的方法，所以压焊又称固态焊接。
各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不需要外加填充材料，冷压焊等都没有熔化过程，因而没有产生熔焊那样的有益合金元素烧损和有害元素侵入焊缝等现象，简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔焊焊接的材料，可以用压焊焊接成与母材同等强度的优质接头。
目前使用最多的压焊焊接工艺是电阻焊。
3.钎焊
钎焊是采用比工件熔点低的金属材料做钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。目前使用较多的钎焊焊接工艺是火焰钎焊。
常见的焊接方法分类见表1-1。表1-1 常见焊接方法的分类二、切割方法分类及工艺特点
按照金属切割过程中加热方法的不同，目前大致可以把切割方法分为热切割和冷切割，热切割又可分为火焰切割、电弧切割、激光切割三类。本书中不介绍冷切割，后续所提到的“切割”仅指热切割。
1.火焰切割
火焰切割是应用比较早的金属热切割方式，利用氧化铁燃烧过程中产生的高温来切割碳钢类金属，其切割金属厚度从1mm到1.2m不等。按加热气源的不同火焰切割可分为氧乙炔焰切割、氧石油气切割、氧氢切割、氧熔剂切割和氧矛切割五种。（1）氧乙炔焰切割是利用氧乙炔预热火焰将金属加热到能在纯氧气流中剧烈燃烧，并与氧气化合生成熔渣和放出大量热量的原理，而进行的金属加工工艺。（2）液化石油气切割的原理与气割相同，不同的是液化石油气的燃烧特性与乙炔气不同，所使用的割炬也有所不同：其扩大了低压氧喷嘴孔径及燃料混合气喷口断面，还扩大了吸管圆柱部分的孔径。（3）氢氧源切割利用水电解氢氧发生器，用直流电将水电解成氢气和氧气，并使其气体达到恰好完全燃烧（温度可达2800～3000℃）的比例，用其火焰加热金属，之后，外加纯氧气流使金属在氧气中燃烧，从而完成切割的方法。（4）氧熔剂切割不是单独的切割方法，而是在切割氧流中加入纯铁粉或其他熔剂，利用其燃烧热和废渣作用实现气割，从而提高生产率。（5）氧矛切割是利用在钢管中通入氧气流对钢件进行切割的方法。切割开始时，将切割处用火焰预热到燃点，然后将钢管一端贴靠在该部位，并在钢管中通入氧气流，使钢管及钢件燃烧实现切割。
2.电弧切割
电弧切割是利用电弧热能熔化切割处的金属，实现切割的方法。电弧温度高，能量集中，能切割的材料种类广泛。几乎所有的金属材料都可以用电弧切割。电弧切割按生成电弧的不同可分为等离子弧切割、碳弧气刨和刨割条切割三种。（1）等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割的工艺方法。其利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，将被切割金属熔化并随即吹除，形成狭窄的切口而完成切割。（2）碳弧气刨是利用碳极电弧的高温，把金属的局部加热到熔化状态，同时用压缩空气的气流把熔化金属吹掉，实现对金属进行切割的一种加工方法。（3）刨割条的外形与普通焊条相同，是利用药皮在电弧高温下产生的喷射气流，吹除熔化金属，达到刨割的目的。工作时只需交流或直流弧焊机，不用空气压缩机。
3.激光切割
激光切割是现代工业生产中比较先进的金属加工方法。其利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割按工艺方法不同可分为：激光汽化切割、激光熔化切割和激光氧气切割等。（1）激光汽化切割利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。
激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、塑料和橡胶等）的切割。（2）激光熔化切割是用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。
激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。（3）激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割，是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体，喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。
第二节 焊接与切割基础
一、焊接接头的种类及接头形式焊接接头是指用焊接方法连接的接头，是焊接结构中最基本的要素。根据接头的构造形式的不同，焊接接头可以分为对接接头、锁底对接接头等十种，如图1-1所示。而在众多焊接接头中以对接接头、T形接头、搭接接头、角接接头四种接头使用最为广泛。图1-1 焊接接头的形式a）对接接头 b）T形接头 c）十字接头 d）搭接接头 e）角接接头 f）端接接头 g）斜对接接头 h）卷边接头 i）套管接头 j）锁底对接接头
1.对接接头
两焊件表面构成大于或等于135°、小于或等于180°夹角的接头称为对接接头，如图1-2所示。因为对接接头的受力状况好、应力集中小，所以在各种焊接结构中是采用最多的一种接头形式。对接焊缝中钢板厚度在6mm以下，除重要结构外，一般不开坡口；钢板厚度超过6mm时，根据要求不同采用不同坡口。当厚度不同的钢板对接而形成两板厚度差（δ-δ）时，应在厚板上做出如图1-3所示的单面或1双面削薄，其削薄长度≥3（δ-δ）。1
2.T形接头
一焊件的端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。因为T形接头能承受各种方向的力和力矩，所以是一种用途仅次于对接接头的接头形式。
3.搭接接头
两焊件部分重叠构成的接头。搭接接头因应力分布不均匀、疲劳强度低，所以不是理想的接头，不宜用于承受动载荷。但因为搭接接头焊前准备及装配工作简单，在焊接结构中应用也比较多。
搭接接头根据其结构形式和对强度的要求，分为不开坡口、圆孔内塞焊和长孔内角焊三种形式，如图1-4所示。图1-2 对接接头图1-3 不同厚度板材的对接a）单面削薄 b）双面削薄图1-4 搭接接头a）不开坡口 b）圆孔内塞焊 c）长孔内角焊
4.角接接头
两焊件端面间构成大于30°、小于135°夹角的接头，如图1-5所示。这种接头受力状况不太好，常用于不重要的焊接结构中。二、焊接坡口的基本形式与尺寸
焊接坡口：根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状的沟槽。各种几何形状的焊接坡口如图1-6所示。图1-5 角接接头a）I形坡口 b）带钝边单边V形坡口图1-6 各种几何形状的焊接坡口a）I形坡口 b）Y形坡口 c）双Y形坡口 d）U形坡口
1.坡口的作用
坡口的作用是为了使焊接电弧能深入到接头根部，保证焊缝根部焊透；便于清除焊渣，获得好的焊缝成形，并且能调节基本金属和填充金属的比例。
2.坡口的选用
坡口的选用一般应遵循以下原则：（1）保证工件焊透，并且便于焊接操作。（2）提高生产率和节省焊接材料。（3）减少焊接应力与焊接变形。
3.坡口的几何尺寸（1）坡口面：待焊件上的坡口表面称为坡口面。（2）坡口面角度和坡口角度：待加工坡口的端面与坡口面之间的夹角称为坡口面角度，两坡口面之间的夹角称为坡口角度，如图1-7所示。（3）根部间隙：焊前在接头根部之间预留的空隙叫根部间隙，如图1-7所示。其作用在于打底焊时能保证根部焊透。根部间隙又称装配间隙。（4）钝边：焊件开坡口时，沿焊件接头坡口根部的端面直边部分叫钝边，钝边的作用是防止根部烧穿。（5）根部半径：在J形、U形坡口底部的圆角半径叫根部半径，其作用是增大坡口根部的空间，以便焊透根部。图1-7 坡口的几何尺寸三、焊接空间位置
熔焊时，焊件接缝所处的空间位置可用焊缝倾角和焊缝转角来表示，有平焊、立焊、横焊和仰焊位置等。
焊缝倾角：焊缝轴线与水平面之间的夹角称为焊缝倾角，如图1-8所示。图1-8 焊缝倾角
焊缝转角：焊缝中心线和水平参照面y轴的夹角，如图1-9所示。图1-9 焊缝转角（1）平焊（1G）位置：焊缝倾角为0°、焊缝转角为90°的焊接位置，如图1-10a所示。（2）横焊（2G）位置：焊缝倾角为0°、180°，焊缝转角为0°、180°的对接位置，如图1-10b。（3）立焊（3G）位置：焊缝倾角为90°（向上立焊）、270°（向下立焊）的焊接位置，如图1-10c。（4）仰焊（4G）位置：对接焊缝倾角为0°、180°，转角为270°的焊接位置，如图1-10d。（5）船形焊（2F）位置：焊缝倾角为0°、180°；转角为45°、135°的角焊位置，如图1-10e。（6）仰角焊（4F）位置：焊缝倾角为0°、180°；转角为225°、315°的角焊位置，如图1-10f。图1-10 各种焊接位置a）平焊 b）横焊 c）立焊 d）仰焊 e）船形焊 f）仰角焊
在平焊位置、横焊位置、立焊位置、仰焊位置进行的焊接分别称为平焊、横焊、立焊、仰焊。T形接头、十字形接头和角接接头处于平焊位置进行的焊接称为船形焊。在工程上常采用45°固定管的焊接，由于在管子360°的焊接中包含有仰焊、立焊、横焊、平焊所有位置，所以称全位置焊接。四、焊缝形式及形状尺寸
1.焊缝形式（1）按焊缝结合形式，分为对接焊缝、角焊缝、端接焊缝、塞焊缝和槽焊缝五种。
1）对接焊缝：在焊件的坡口面间或一零件的坡口面与另一零件表面间焊接的焊缝。
2）角焊缝：沿两直交或近直交零件的交线所焊接的焊缝。
3）端接焊缝：构成端接接头所形成的焊缝。
4）塞焊缝：两零件相叠，在其中一零件上开圆孔，并在圆孔中焊接两板所形成的焊缝。只在孔内焊角焊缝者不称塞焊。
5）槽焊缝：两板相叠，在其中一板上开长孔，并在长孔中焊接两板的焊缝。只焊角焊缝者不称槽焊。（2）按施焊时焊缝在空间所处位置分为平焊缝、立焊缝、横焊缝及仰焊缝四种形式。（3）按焊缝断续情况分为连续焊缝和断续焊缝两种形式。
断续焊缝又分为交错式和并列式两种，如图1-11所示。焊缝尺寸除注明焊脚外，还注明断续焊缝中每一段焊缝的长度和间距，并以符号“Z”表示交错式焊缝。图1-11 断续焊缝a）交错式 b）并列式
2.焊缝的形状尺寸
焊缝的形状用一系列几何尺寸来表示，不同形式的焊缝，其形状参数也不一样。（1）焊缝宽度。焊缝表面与母材的交界处称为焊趾。焊缝表面两焊趾之间的距离称为焊缝宽度，如图1-12所示。图1-12 焊缝宽度（2）余高。超出母材表面焊趾连线上面的那部分焊缝金属的最大高度称为余高。在静载荷下其有一定的加强作用，所以也称加强高。但在动载荷或交变载荷下，其非但不起加强作用，反而因焊趾处应力集中易于促使脆断。所以余高不能低于母材但也不能过高。焊条电弧焊时的余高值一般为0～3mm。（3）熔深。在焊接接头横断面上，母材或前道焊缝熔化的深度称为熔深，图1-13所示为几种不同接头的熔深。图1-13 几种不同接头的熔深
3.焊缝中几种相关术语（1）焊缝厚度。在焊缝横断面中，从焊缝正面到焊缝背面的距离称为焊缝厚度。焊缝计算厚度是设计焊缝时使用的焊缝厚度。对接焊缝焊透度等于焊件的厚度。角焊缝时以在角焊缝横断面内画出的最大直角等腰三角形中，从直角的顶点到斜边的垂线长度，习惯上也称焊缝厚度，如图1-14所示。（2）焊脚。角焊缝的横断面中，从一个直角面上的焊趾到另一个直角面表面的最小距离，称为焊脚。在角焊缝的横断面中画出的最大等腰直角三角形中直角边的长度称为焊脚尺寸。图1-14 焊缝计算厚度和焊缝宽度（3）焊缝成形系数。熔焊时，在单道焊缝横断面上焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值（ϕ），称为焊缝成形系数，如图1-14所示。该系数小，则表示焊缝窄而深，这样的焊缝中容易产生气孔和裂纹，所以焊缝成形系数应该保持一定的数值。例如埋弧焊的焊缝成形系数一般以1.3～2为宜。（4）熔合比。熔焊时，被熔化的母材在焊缝金属中所占的百分比称为熔合比。五、焊缝符号及标注
焊缝符号：在产品设计图样中标注焊缝位置、形状和尺寸、焊接方法等信息的符号。目前在工业生产中使用极其广泛，是标准化的一种体现。
1.焊缝符号分类
焊缝符号包括基本符号、辅助符号、补充符号、焊缝尺寸符号和指引线等。（1）基本符号是表示焊缝横断面形状的符号，见表1-2。（2）辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号，见表1-2。（3）补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征而采用的符号，见表1-2。（4）焊缝尺寸是符号表示坡口和焊缝各特征尺寸的符号，见表1-3。（5）指引线：一般由带有箭头的指引线（简称箭头线）和两条基准线（一条为实线，一条为虚线）两部分组成，如图1-15所示。图1-15 指引线表1-2 基本符号、辅助符号和补充符号
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