简论程序焊接工艺设计一般程序

【摘 要】 本文阐述了焊接工艺设计的一般程序，让焊接工艺设计人员进行焊接工艺设计的时候有着手点与落脚点；为初入焊接工艺设计或设计经验不足的人员提供了焊接工艺设计参考依据，让设计者能将自己的理论知识和实践经验有效的应用到焊接工艺设计上，使工艺设计人员知道在焊接工艺设计中应该做哪些工作及工作的先后顺序，确保焊接工艺设计顺利进行，提升焊接工艺质量。
【关键词】 焊接工艺 设计 因素分析 焊接性
随着科技的高速发展，焊接技术在现代工业和机械制造业中的应用越来越广泛。焊接技术的广泛应用势必要求焊接结构具有很高的质量和性能，因而进行合理的焊接工艺设计并严格执行已成为焊接过程中一个至关重要的环节。但由于焊接过程本身的复杂性、多因素性、经验性，使得焊接工艺设计变得繁琐而复杂；另外，据统计，焊接专业毕业生有95%以上从事焊接工艺设计或与之有关的岗位；加之其它焊接相关岗位转做焊接工艺设计的，即使他们有相对丰富的理论知识或实践经验，刚开始做焊接工艺设计时往往不知从何入手；不知道怎么将自己的理论知识和实践经验应用到焊接工艺设计上；并且往往设计出的焊接工艺不令人满意。笔者针对这些问题，结合自己的焊接工艺设计经验总结出一套焊接工艺设计的一般程序，让焊接工艺设计者有着手点和落脚点，让设计者知道在焊接工艺设计中应该做哪些工作及工作的先后顺序，确保焊接工艺设计顺利进行，并提高工作效率，提升焊接工艺质量。

1 焊接工艺设计流程

焊接工艺设计的一般流程如图1。

2 焊接工艺设计依据分析

2.1 设计图纸及文件分析

接到焊接工艺设计任务后，首先要研究设计图纸及设计文件。了解产品的基础信息：包括尺寸、精度、重量、使用条件（工作温度、压力、载荷的形态、介质等）等；掌握产品引用的标准、焊接结构的力学性能要求、质量要求及技术要求等。根据以上设计图纸及文件分析产品设计的特点，需要特殊控制的事项，生产制造及使用过程的的特殊要求，进而分析出焊接工艺设计的重点和难点，以及需要注意的问题；根据这些问题结合自己的理论知识和实践经验有针对性的查阅相关资料，提出解决办法。

2.2 材料焊接性能分析

根据设计图纸及相关技术文件确定的材料，对此材料的焊接性能进行分析和研究。主要从工艺焊接性和使用焊接性研究焊
图1 焊接工艺设计流程图
接接头在特定的焊接工艺下，能否获得优质致密、无缺陷（无缺陷是指没有产生超过相关标准规定的缺陷，下同）和具有一定使用性能的焊接接头的能力；研究焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种性能的程度，包括常规的力学性能（强度、塑性、韧性等）或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等[3]。对于每种材料的特点，了解其在焊接及使用过程中容易产生哪些缺陷及不足，对这些缺陷及不足逐一进行工艺控制，找出最优化的工艺方案进行控制，以便得到理想的焊接接头。例如：一般含碳量越高的钢材的淬硬倾向越大，越易出现冷裂纹，在焊接高碳含量的钢材时，我们通常要注意控制焊接前、中、后的温差及冷却速度来避免淬硬组织及冷裂纹等缺陷的产生；对于要求低温冲击韧性的钢材，我们就要从控制焊接接头的冲击吸收功不低于相关标准或相关文件规定的方面去控制。对于新钢种或特殊钢种，可参考资料不多，焊接工艺不完善，必要时可进行焊接性能试验，如：裂纹试验、碳当量计算等工艺焊接性试验，低温脆性试验、产品结构运行的服役试验等使用焊接性试验进行研究此钢种的焊接性能。

2.3 材料因素分析

材料因素包括钢的化学成分、冶炼轧制状态、热处理、组织状态和力学性能等。通常母材材料的选用一般在设计阶段由设计者确定，在进行焊接工艺设计时，我们可以参照设计者提出的母材材料类别，研究其化学成分对焊接过程和焊接方法及材料的选用是否有限制

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或特殊要求。通常情况下，C、S、P、H、O和N等，它们容易引起焊接工艺缺陷和降低接头的使用性能；Mn、Si、Cr、Ni、Pt、Ti、V、Nb、Cu、B等都在不同程度上增加焊接接头的淬硬倾向和裂纹敏感性[4]。研究冶炼轧制状态了解钢材的带状组织、偏析、非金属夹杂物等分布状态对焊接性能的影响，从而进行有针对性的选择冶炼轧制状态的母材材料以及对不同冶炼轧制状态进行有针对性的控制。例如近年来研制和发展的CF钢（抗裂钢）、Z向钢（抗层状撕裂钢）、TMCP钢（控轧钢）等，就是通过精炼提纯、细化晶粒和控轧工艺等手段，改善钢材的焊接性能。研究热处理、组织状态和力学性能是否受焊接的冶金过程及焊接的热循环过程影响；经过焊接过程，焊接后母材材料的组织状态和力学性能是否有向不利于形成良好的焊接接头的方向发展的趋势，从这些方面控制焊接接头超标缺陷的产生或焊接接头的力学性能和组织性能的降低。

2.4 产品结构设计因素分析

产品结构设计因素是指焊接结构设计的安全型，焊接结构和焊接接头的设计形式；其影响主要表现在热的传递和力的状态方面。分析产品结构设计因素，要注意在焊接结构经过焊接热过程后，尽量减少焊接结构的应力集中，降低焊接接头的拘束度；尽量减少焊接结构的变形；避免焊接结构在经过焊接热过程后的受力情况发生改变，从而在使用过程中产生安全隐患。

2.5 产品制造及使用因素分析

制造因素主要包含制造工艺、制造条件。制造工艺包括焊接方法、焊接参数、装配顺序、预热、后热及焊后热处理等。了解不同焊接方法在热源功率、能量密度、最高加热温度等方面的特点，有利于选择不同钢种不同组织性能及力学性能要求的焊接方法去获得优良的焊接接头。例如中碳调质钢易在热影响区出现脆化及软化问题，我们可采用热能集中、热输入较小的焊接方法减小高温停留时间，从而减小热影响区的脆化、软化程度及软化宽度。制造条件方面要充分考虑单位具备的实际生产条件包括生产设备、加工能力、工人技术水平、工艺装备，实验条件等，尽量在现有的生产条件下，选择最适合的焊接工艺进行产品焊接。在使用因素分析方面，主要分析产品的服役条件，包括焊接结构服役期间的工作温度、负载条件（动载、静载、冲击等）和工作环境（化工区、沿海及腐蚀介质）等。这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。例如：在高温工作的结构要具有抗蠕变性能，我们就要选择能够抗蠕变性能的焊接材料；在低温工作的焊接结构，必须具备抗脆性断裂性能，我们就要选择具有良好的低温韧性的焊接材料及能够保证焊后母材及焊接接头具有良好低温韧性的焊接方法及焊接工艺参数；在酸、碱或盐类介质工作的焊接容器应具有高的耐蚀性能，这就要求我们选用耐相应介质腐蚀的焊接材料，焊接过程中确保母材合金成分不被稀释，焊后焊接接头具有良好耐蚀性的工艺措施等。 3 焊接工艺及措施的拟定

3.1 焊接方法及焊接材料的确定

根据单位的实际具有的焊接设备、焊接经验、及具有相应操作技能的焊工条件，结合材料的焊接性要求选择最为合适的焊接方法；在满足焊接质量的前提下要考虑企业的生产效率及成本，焊工操作的适宜性以及焊工的作业环境等因素；尽量选用生产效率高，成本消耗小、焊工施焊方便并且焊工作业环境好的焊接方法。
焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂及保护气体等，根据选用的焊接方法，确定焊接材料的种类。焊接材料的选用主要依据就是满足产品的使用性能，包括强度、温度、腐蚀性、载荷性质等；具体就是应保证焊缝金属的力学性能高于或等于母材规定的限值，如果产品需要或相关文件有要求时，其耐腐蚀性能不应低于母材相应的要求；或力学性能和耐腐蚀性能满足设计文件规定的技术条件。另外选用的焊接材料要严格控制焊缝金属中O、Pb、Bi、S等杂质元素，保证焊接材料中有足够的脱氧元素如Si、Mn、P、Al和Ti等。焊接材料选用的最直接方法就是查阅母材的执行标准，掌握母材的性能（力学性能、高温性能、低温性能）、化学成分，根据被焊材料的化学成分、强度（抗拉强度Rm、屈服强度ReL）和韧性（冲击实验温度、冲击吸收功）选择相匹配的焊接材料[5]。在选用焊接材料时也要考虑生产效率及成本、焊工操作的适宜性以及焊工的作业环境等因素。在能保证焊接质量的前提下选择大直径、成本低，便于焊工操作及能够保持良好的作业环境的焊接材料。
在焊接材料和焊接方法的选用时可以相互协调，选择最优的焊接方法和焊接材料的搭配。

3.2 坡口形式的确定

焊接坡口与各单位的实际条件及习惯有着十分密切的关系，各单位用坡口都不相同。我们要根据焊接方法、母材种类与厚度、焊缝填充金属量尽量少、避免产生缺陷、减少焊接变形与残余应力、有利于焊接防护、焊工操作方便、复合材料的坡口应有利于减少过度焊缝金属的稀释率等因素进行确定焊接坡口的形式与尺寸[6]。

3.3 工艺措施及其注意事项

工艺措施往往对焊接工艺拟定的好坏起着关键作用，好多超标的焊接缺陷都是因为工艺措施的不恰当引起的，所以对于工艺措施的拟定要以母材、焊接材料的焊接特性、相关法规标准及实际生产情况进行逐条、细致的拟定。
工艺措施通常是指焊前预热、焊后后热、焊材烘干、电特性、焊层清理、焊缝成型系数的控制及焊接位置等。焊前预热与焊后后热一般根据母材的焊接性能是否具有淬硬倾向，是否容易产生冷裂纹等缺陷确定是否采用及采用的温度与时间大小。根据焊材的类别及类型确定焊材的烘干与保温参数。根据焊接设备和焊接材料的特点确定电特性采用直流正接，直流反接，还是交流。通常的情况下碱性焊条都采用直流反接的电特性，钨极氩弧焊通常采用直流正接的电特性。确定合适的焊缝成型系数、焊接位置以及焊层的清理情况往往可以避免焊缝的融合比过大或过小、焊趾裂纹、融合不良及夹杂等缺陷的产生。

3.4 焊接工艺参数的拟定

根据材料焊接性能及其相应因素的分析，根据工艺措施及注意事项，结合焊接材料的特点确定预热温度、层间温度、后热温度及保温时间、热输入等各参数。在确定各参数的同时要考虑焊接坡口的尺寸、企业焊工生产习惯、设备参数等条件及因素，确保焊缝质量的前提下，保证焊接生产顺利进行。

4 焊接工艺评定及工艺文件确定

根据以上的分析及各参数、措施的拟定，用能够熟练操作并有一定技能的本企业焊工对试板进行焊接；焊接要严格按照拟定的焊接规范进行。对焊接完成的试板按照各行业各自的法规标准进行理化实验，如压力容器焊接按照NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定及NB/T47015-2011压力容器焊接规程进行焊接的工艺制定及评定。根据相应标准评定合格后按照相关标准的格式形成正式焊接工艺规程指导焊接生产。在生产过程中，部分条件或因素改变之后应该按照相应法规标准对焊接工艺进行重新设计或适当修改，需要重新评定的，要重新评定。
5 结语
焊接工艺设计人员可根据本文叙述的程序进行焊接工艺设计，对于日常生产过程中需要的焊接工艺都可以较顺利的完成设计。在分析各要素、确定每个参数时可以查阅相关资料，吸取前辈相关的研究、生产经验，再结合自己的生产实践经验辅助自己进行工艺设计。
在进行焊接

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工艺设计前，要求焊接工艺人员具有一定的理论知识，对钢材和焊材的材料性能及实验方法有一定的了解，并且熟悉各种焊接设备的特性及参数，了解实际生产过程，才能更科学的制定出合理的焊接工艺。
参考文献：
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吴金杰.焊接工程师专业技能入门与精髓[M]].北京：机械工业出版社，2009.
[3]李亚江.焊接冶金学：材料的焊接性[M].北京：机械工业出版社，2006：11-12.
[4]陈祝年.焊接工程师手册（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2009：926.
[5]刘兆华.锅炉、压力容器的焊接材料选用[J].焊接技术，2012，（8）：55-58.
[6]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.NB/T47015-2011压力容器焊接规程[S].北京：新华出版社，2011.