1.1　何为焊工疑难问题

在制造业中，焊接是一种十分重要的加工工艺。据工业发达国家统计，每年仅需要进行焊接加工之后使用的钢材就占钢总产量的45％左右。焊接结构早已几乎取代了铆接结构，以焊接结构代替部分铸、锻结构，具有多快好省之利，也已得到业界的共识，而近年来兴起的以焊接熔敷方法直接制造某些特殊零件，则进一步拓宽了焊接的应用领域。焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而已广泛地应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、机车车辆、石油化工、航空航天、原子能、电力、电子技术、建筑及家用电器等领域。随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术将向高效化、智能化方向发展，能够完成高温、低温、水下空间等特殊条件下的焊接。

由于焊接涉及众多学科领域，如机械、冶金学、力学、电子学、金属物理、计算机与控制工程等，因此，焊工在焊接生产、产品制造和工程建设过程中会遇到各种各样的焊接难题，严重影响或阻碍焊接的施工进程，这些焊接难题都统称为焊工疑难问题。当然，焊工疑难问题是一个相对的概念。由于生产企业之间产品类型、装备水平、人员技术能力的差异，不同的企业对焊工疑难问题或生产中焊接问题的理解有很大的差别。

焊工疑难问题是指焊接操作者在焊接过程中遇到的难以解决的问题，包括焊接设备与自动控制、焊接材料的匹配、焊接方法与工艺、焊接结构及断裂、焊接缺陷及质量检验、焊接修复方法、焊接安全注意事项等方面的问题，本书所涉及的焊工疑难问题仅仅是众多焊接生产与结构制造中很有限的几个方面。

（1）焊接设备与自动控制

电弧焊是焊接方法中应用最为广泛的一种焊接方法。据一些工业发达国家的统计，电弧焊在焊接生产总量中所占的比例一般都在60％以上。根据其工艺特点不同，电弧焊可分为焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和等离子弧焊等多种。不同材料、结构的工件，需要采用不同的电弧焊工艺方法，而不同的电弧焊工艺方法则需要不同的电弧焊设备。例如，操作方便、应用最为广泛的焊条电弧焊，需要由对电弧供电的电源装置和焊钳组成的焊条电弧焊焊机；锅炉、化工、造船等工业广泛使用的埋弧焊，需要由电源装置、控制箱和焊车等组成的埋弧焊机；适用于焊接化学性质活泼金属的气体保护焊，需要由电源装置、控制箱、焊车（自动式焊机用）或送丝机构（半自动式焊机用）、焊枪、气路和水路系统等组成的气体保护焊机。

这些电弧焊方法所需的供电装置，即弧焊电源是电弧焊机的重要组成部分，是对焊接电弧供给电能的装置，它应满足电弧焊所要求的电气特性。显然，弧焊电源电气性能的优劣，在很大程度上决定了焊接过程的稳定性。没有先进的弧焊电源，要实现先进的焊接工艺和焊接过程自动化是难以办到的。因此，真正了解和正确使用弧焊电源，进而解决弧焊电源在焊接过程中出现的难题，是使焊接质量和生产效率得到进一步提高的关键。

弧焊电流有交流、直流和脉冲三种基本类型，相应的弧焊电源有交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源三种类型。

①交流弧焊电源　交流弧焊电源包括工频交流弧焊电源（弧焊变压器）和矩形波交流弧焊电源。弧焊变压器是把电网的交流电变成适合于电弧焊的低压交流电，它由变压器、调节装置和指示装置等组成。弧焊变压器具有结构简单、易造易修、成本低、磁偏吹小、空载损耗小、噪声小等优点。但其输出电流波形为正弦波，因此，电弧稳定性较差，功率因数低，一般用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极惰性气体保护焊等方法。

矩形波交流弧焊电源是利用半导体控制技术来获得矩形波交流电流的。由于输出电流过零点时间短，电弧稳定性好，正负半波通电时间和电流比值可以自由调节，因此，特别适合于铝及铝合金钨极氩弧焊。

②直流弧焊电源　直流弧焊电源有弧焊发电机、弧焊整流器和逆变式弧焊电源。弧焊发电机一般由特种直流发电机、调节装置和指示装置等组成。弧焊发电机虽然曾经在焊接历史上发挥过重要作用，但由于存在制造复杂、噪声及空载损耗大、耗电量大、效率低、价格高等缺点，因此这种弧焊电源已经淘汰。

弧焊整流器是由主变压器、整流器及为获得所需外特性的调节装置、指示装置等组成。它将电网交流电降压整流后获得直流电。与弧焊发电机相比，具有制造方便、价格低、空载损耗小、噪声小等优点，而且大多数弧焊整流器可以远距离调节焊接参数，能自动补偿电网电压波动对输出电压和电流的影响。它可作为各种弧焊方法的电源。

逆变式弧焊电源是将单相（或三相）交流电经整流后，由逆变器转变为几百至几万赫兹的中高频交流电，经降压后输出交流或直流电。整个过程由电子电路控制，使电源获得符合要求的外特性和动特性。这类弧焊电源具有高效节能、重量轻、体积小、功率因数高等优点，可应用于各种弧焊方法，是一种很有发展前途的普及型弧焊电源。逆变式弧焊电源即可输出交流电，又可输出直流电，但目前常用后一种形式，因此又可把它称为逆变式弧焊整流器。

③脉冲弧焊电源　焊接电流以低频调制脉冲方式输送，一般由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成。它具有效率高、热输入较小、热输入调节范围宽等优点。它主要用于气体保护焊和等离子弧焊，对于焊接热敏感性大的高合金材料、薄板和全位置焊接具有独特的优点。

这些不同类型的焊接电源，主要根据被焊金属材质、焊条类型及焊件的结构特点选择使用。如用酸性焊条焊接低碳钢时，应优先考虑选用结构简单，使用可靠且价格较低的弧焊变压器；当使用碱性焊条或焊接合金钢、有色金属时，则必须选用直流的弧焊电源；一般来说，在没有特殊需要的场合，应尽量选用交流弧焊电源。但是，交流弧焊电源焊接时的电弧稳定性较差，而使用直流弧焊电源时，还可通过改变接线的极性来调节电弧热量的分布，能满足较高的工艺要求。这就要求焊工掌握焊接电源的输出电流种类、焊接电源极性及焊接电弧的特性等问题，以正确实施焊接操作，保证焊接质量。

（2）焊接材料与母材的匹配

焊接过程中的各种填充金属及为了提高焊接质量而附加的保护物质统称为焊接材料。随着焊接技术的迅速发展，焊接材料的应用范围日益扩大，在造船、石油化工、车辆、电力、核反应堆等领域中起着非常重要的作用。而且，焊接技术的发展对焊接材料无论在品种和产量方面都提出了越来越高的要求，这就要求焊工对焊接材料的成分、性能以及与母材的匹配性等有所了解。

焊接生产中广泛使用的焊接材料主要包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体和钎剂、钎料等。不同焊接工艺条件下采用的焊接材料的组合见表1.1。上述几种焊接工艺方法的共同特点是以焊接材料作为焊缝填充金属的来源，依靠焊接材料来完成焊接过程对液态熔池的保护作用和冶金作用，以获得优质的焊缝金属。

焊接材料的质量对保证焊接过程的稳定和获得满足使用要求的焊缝金属起着决定性的作用。归纳起来，焊接材料应具有以下作用：

①保证电弧稳定燃烧和焊接熔滴顺利过渡。

②在焊接过程中保护液态熔池金属，以防止空气侵入。

③进行冶金反应和过渡合金元素，调整和控制焊缝金属的成分与性能。

④防止气孔、裂纹等焊接缺陷的产生。

⑤改善焊接工艺性能，在保证焊接质量的前提下尽可能提高焊接效率。

各国焊条和焊丝产量的比例，在一定程度上反映了该国的焊接自动化水平。目前在欧、美等工业发达国家的焊接生产中，焊条产量在焊接材料中约占60％，焊丝产量约占40％。我国当前焊条产量约占焊接材料总产量的80％，低于欧、美等工业发达国家。目前我国生产的低碳钢焊条以钛钙型焊条为主，低合金高强度钢焊条以低氢型焊条为主，钛钙型和低氢型焊条约占焊条总量的90％以上。

我国是焊接材料使用大国，今后若干年内还是以焊条、焊丝为主。有技术开发能力的企业正在及时调整产品结构，开发生产市场上急需的品种，如管线用纤维素型和低氢型全位置立向下焊焊条、船舶行业使用的高效铁粉焊条和重力焊条、石油化工行业短缺的耐发红不锈钢焊条、交流施焊的高韧性低氢焊条等。开发重点工程用特殊焊条、专业焊条，在提高和稳定产品质量、降低成本，为用户提供优质高效焊条和服务等方面开展工作。

（3）焊接工艺与方法

焊接工艺是根据产品的生产性质、图样和技术要求，结合现有条件，运用现代焊接技术知识和先进生产经验，确定出的产品加工方法和程序，是焊接过程中的一整套技术规定。包括焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接顺序、焊接操作的最佳选择以及焊后处理等。制订焊接工艺是焊接生产的关键环节，其合理与否直接影响产品制造质量、劳动生产率和制造成本，而且是管理生产、设计焊接工装和焊接车间的主要依据。

焊接方法是焊接工艺的核心内容。按照焊接过程的特点，焊接分为熔焊、压焊和钎焊三大类，每一类根据工艺特点又分为若干不同方法，见图1.1。

目前许多新的焊接工艺正逐步用于焊接生产，极大地提高了焊接生产率和焊接质量。在重型机械、冶金矿山机械、工程机械、电站锅炉压力容器、石油化工、机车车辆、汽车等行业中普遍采用了埋弧自动焊、电渣焊、CO2气体保护焊、TIG焊、MIG焊、电阻焊和钎焊等焊接方法并具有成套的焊接工艺装备。尤其是汽车生产线中采用了CO2气体保护焊、TIG焊、MIG焊等焊接机器人、电阻焊机器人和自动生产线，大大提高了焊接质量和生产效率，焊接机械化、自动化水平已达到总焊接工作量的35％～45％。

从焊接生产工艺装备水平来看，我国近年来生产了成套的焊接工艺装备和焊接生产线，也有的厂家从国外引进了自动化水平较高的焊接辅助装置，焊接质量和生产效率有了很大提高。同时，计算机控制系统在焊接生产工艺的应用也已经比较普遍，除用于焊接工艺参数的控制之外，还可用于整条生产线、焊机的群控。它还可以根据材料厚度自动选择并预置焊接工艺参数，对焊接过程实现自适应控制、最佳控制以及智能控制等。研究开发智能的焊接机器人，特别是具有自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深的机器人将是21世纪的重点方向。这些焊接自动控制系统的推广应用，必然对焊工的操作技能以及解决疑难问题的能力提出更高的要求。

（4）焊接缺陷与质量检验

为了确定焊接结构质量是否具有符合性，必须测定其质量特性。焊接检验是指通过调查、检查、测量、试验和检测等途径获得的焊接产品一种或多种特性的数据与施工图样及有关标准、规范、合同或第三方的规定相比较，以确定其符合性的活动。生产实践中，企业强化焊接质量管理的目的是通过完善企业内部机制来保证它提供的焊接产品具有符合性质量。当然，焊工的操作水平及其规范性是保证焊接质量的前提。

焊接检验的作用在于监控焊接产品质量的形成过程，确认企业已生产或正在生产的焊接产品是否满足了或能否满足符合性质量的要求，以及定期检查在役焊接产品是否仍具有符合性质量。从这一意义上来说，离开焊接检验，企业就无法实施有效地焊接质量管理。焊接检验是企业实施焊接质量管理的基础和基本手段。

焊接检验的依据是质量标准，焊接质量标准须根据产品使用性能来制定。焊接检验所依据的技术文件包括如下。

①相关的技术标准或规范　相关的技术标准或规范规定的质量评级或验收方法是指导焊接检验工作的法规性文件。

②施工图样和订货合同　焊接产品的施工图样或订货合同中一般都明确规定或提出了对焊接质量（或焊缝质量）的具体要求。

③检验的工艺性文件　这类文件具体规定了检验方法及其实施过程，是焊接检验工作的指导性实施细则。

图样或工艺变更的通知单、材料代用及追加或改变检验要求的通知单等均应作为焊接检验的依据妥善保存。各种焊接检验方法的有效运用与相互协调，以及焊接检验文件的整理与保存可以保证企业焊接产品质量体系的有效运行。

焊接标准和规范中一般包含作为焊接质量标准的焊接材料认可试验、焊接方法认可试验、焊工技能考试、焊接材料标准、坡口精度标准、焊接部位外观标准、焊接接头无损检验标准等。这些标准是实现制造和生产无缺陷焊接结构的必要条件，也是生产厂家应遵守的规程。

焊接材料认可试验、焊接方法认可试验和焊接材料标准主要是为了防止材质上的缺陷而制订的。虽然对于具体的焊接接头某部位的性能全部进行核查是不可能的，但使用经认可的焊接材料、采用经认可的焊接方法并严格按工艺规程进行施工，就能保证这些焊接部位的性能。

焊工技能考试、坡口精度标准、焊接装配精度标准和焊接部位外观标准是为了防止尺寸上的缺陷和结构上的缺陷而制订的。对重要的焊接结构件，焊接完成后应对焊缝进行外观及无损探伤检验，对检验不合格的焊缝按质量保证手册的规定进行了返修，对热处理后的产品进行表面质量、外观尺寸检验，对焊缝进行100％外观及无损探伤。对筒体交叉焊缝处的焊缝金属及热影响区硬度，用便携式硬度计进行测试。各项检验结果应满足技术要求，质量可靠。