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　　第二章　安装工程施工技术

　　第一节　切割与焊接

　　一、切割

　　常用的切割方法有机械切割、火焰切割、电弧切割和激光切割等。

　　(一)机械切割

　　常用的切割机械主要有剪板机、弓锯床、钢筋切断机、砂轮切割机、电动割管套丝机等。

　　(1)剪板机是借助于运动的上刀片和固定的下刀片，采用合理的刀片间隙，对各种厚度的金属板材施加剪切力，使板材按所需要的尺寸断裂分离。

　　(2)弓锯床是锯切金属圆料、方料、管料和型材的机床。

　　(3)钢筋切断机。

　　(4)砂轮切割机切割金属管、扁钢、工字钢、槽钢、圆钢等型材。

　　(5)电动割管套丝机是设有正反转装置，用于加工管道外螺纹的电动工具。主要用于 DN150 以下钢管管螺纹的加工。

　　(二)火焰切割

　　火焰切割是利用可燃气体在氧气中剧烈燃烧及被切割金属燃烧所产生的热量而实现连续切割的方法。

　　火焰切割按所使用的燃气种类，可分为氧-乙炔火焰切割(俗称气割)、氧-丙烷火焰切割、氧-天然气火焰切割和氧-氢火焰切割。实际生产中使用最广的是氧-乙炔火焰切割和氧-丙烷火焰切割。

　　1.气割金属需满足条件

　　(1)金属在氧气中的燃烧点应低于其熔点;

　　(2)金属燃烧生成氧化物的熔点应低于金属的熔点，且流动性要好;

　　(3)金属在切割氧流中的燃烧应是放热反应，且金属本身的导热性要低。

　　符合上述气割条件的金属有纯铁、低碳钢、中碳钢、低合金钢以及钛。其它常用的金属材料如铸铁、不锈钢、铝和铜，由于不满足这三个条件，所以不能应用气割。这些材料常用的切割方法是等离子弧切割。

　　2.氧-乙炔火焰切割

　　氧-乙炔火焰切割是一种传统的切割方法，应用相当广泛，通常切割厚度的范围为 3～150mm。但如果钢材中含有铬，镍，钼等抗氧化的合金元素含量过高时，如不锈钢、工具钢等就必须采用氧熔剂切割或等离子弧切割。

　　3.氧-丙烷火焰切割

　　氧-丙烷火焰切割与氧-乙炔火焰切割相比具有的优点：

　　(1)丙烷的点火温度为 580℃，大大高于乙炔气的点火温度(305℃)，且丙烷在氧气或空气中的爆炸范围比乙炔窄得多，故氧-丙烷火焰切割的安全性大大高于氧-乙炔火焰切割。

　　(2)丙烷气是石油炼制过程的副产品，制取容易，成本低廉，且易于液化和灌装，对环境污染小。

　　(3)氧-丙烷火焰温度适中，选用合理的切割参数切割时，切割面上缘无明显的烧塌现象，下缘不挂渣。切割面的粗糙度优于氧-乙炔火焰切割。

　　氧-丙烷火焰切割的缺点是火焰温度比较低，切割预热时间略长，氧气的消耗量亦高于氧-乙炔火焰切割，但总的切割成本远低于氧-乙炔火焰切割。

　　4.氧-氢火焰切割

　　火焰温度可达 3000℃，火焰集中，割口表面光洁度高，无烧塌和圆角现象，不结渣。氧-氢火焰切割具有以下优点：

　　(1)成本较低。

　　(2)安全性好。

　　(3)环保。

　　5.氧熔剂切割

　　烟尘少，切断面无杂质，可用来切割不锈钢。

　　(三)电弧切割

　　1.等离子弧切割

　　等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料，因而比氧-燃气切割的适用范围大得多，能够切割绝大部分金属和非金属材料，如不锈钢、高合金钢、铸铁、铝、铜、钨、钼和陶瓷、水泥、耐火材料等。

　　等离子切割机配合不同的工作气体可以切割各种气割难以切割的金属，尤其是对于有色金属(不锈钢、碳钢、铝、铜、钛、镍)，切割效果更佳;其主要优点在于切割厚度不大的金属的时候，等离子切割速度快，尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度可达氧切割法 5～6 倍、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区。

　　2.碳弧气割

　　利用该方法可在金属上加工沟槽。电弧切割的适用范围及特点为：

　　(1)在清除焊缝缺陷和清理焊根时，能在电弧下清楚地观察到缺陷的形状和深度，生产效率高。

　　(2)可用来加工坡口，特别适用于开 U 形坡口。

　　(3)使用方便，操作灵活。

　　(4)可以加工多种不能用气割加工的金属，如铸铁、高合金钢、铜和铝及其合金等，但对有耐腐蚀要求的不锈钢一般不采用此种方法切割。

　　(5)设备、工具简单，操作使用安全。

　　(6)碳弧气割可能产生的缺陷有夹碳、粘渣、铜斑、割槽尺寸和形状不规则等。

　　(四)激光切割

　　激光切割与其他热切割方法相比较，主要特点有切口宽度小(如 0.1mm 左右)、切割精度高、速度快、质量好，并可切割多种材料(金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等)。

　　激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。此外，激光切割设备费用高，一次性投资大。

　　二、焊接

　　(一)焊接的分类及特点

　　按照焊接过程中金属所处的状态及工艺的特点，可以将焊接方法分为熔化焊(熔焊)、压力焊(压焊)和钎焊三大类。

　　1.熔化焊

　　(1)气焊。优点：

　　①设备简单、费用低、移动方便、使用灵活。

　　②通用性强，对铸铁及某些有色金属的焊接有较好的适应性。

　　③无须电源，因而在无电源场合和野外工作时有实用价值。

　　缺点：

　　①生产效率较低。气焊火焰温度低，加热速度慢。

　　②焊接后工件变形和热影响区较大，焊接变形大。

　　③焊接过程中，熔化金属受到的保护差，焊接质量不易保证。

　　④较难实现自动化。

　　(2)电弧焊

　　1)手工焊条电弧焊(手弧焊)

　　优点：

　　①操作灵活，可以在任何有电源的地方进行维修及中短缝的焊接作业，特别适用于机械难以达到部位的焊接。

　　②设备简单，使用方便。

　　③应用范围广。选择合适的焊条可以焊接多种常用的金属材料，如碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及合金。可适用于各种厚度和各种结构形状的焊接。

　　缺点：

　　①焊接的生产率低;

　　②劳动条件差;

　　③焊接质量不够稳定。

　　2)埋弧焊

　　优点：

　　①热效率较高，熔深大，工件的坡口可较小(一般不开坡口单面一次熔深可达 20mm)，减少了填充金属量。

　　②焊接速度高，焊接厚度为 8～10mm 的钢板时，单丝埋弧焊速度可达 50～80cm/min。

　　③焊接质量好。焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池金属较慢地凝固，减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。

　　④在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果胜过其他焊接方法。

　　缺点：

　　①由于采用颗粒状焊剂，这种焊接方法一般只适用于水平位置焊缝连接。

　　②难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。

　　③不能直接观察电弧与坡口的相对位置，容易焊偏。

　　④只适于长焊缝的焊接。

　　⑤不适合焊接厚度小于 1mm 的薄板。

　　由于埋弧焊熔深大，生产效率高，机械化操作的程度高，因而适于焊接中厚板结构的长焊缝和大直径圆筒的环焊缝，尤其适用于大批量生产。

　　(3)气体保护电弧焊(气电焊)

　　气电焊与其他熔化焊方法相比，具有以下特点：

　　①电弧和熔池的可见性好。

　　②焊接过程操作方便，没有熔渣或很少有熔渣。

　　③焊接速度较快，熔池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小。

　　④可以焊接化学活泼性强和易形成高熔点氧化膜的镁、铝、钛及其合金。

　　⑤有利于焊接过程的机械化和自动化，特别是空间位置的机械化焊接。

　　⑥在室外作业时，需设挡风装置，否则气体保护效果不好，甚至很差。

　　⑦电弧的光辐射强。

　　⑧焊接设备比较复杂，比焊条电弧焊设备价格高。

　　1)钨极惰性气体保护焊(TIG 焊 TIG-Tungsten Inert Gas)。

　　钨极惰性气体保护焊具有下列优点：

　　①钨极不熔化，只起导电和产生电弧作用，比较容易维持电弧的长度，焊接过程稳定，易实现机械化;保护效果好，焊缝质量高。

　　②由于能很好地控制热输入，所以它是焊接薄板金属和打底焊的一种极好方法，几乎可以适用于所有金属的连接，尤其适用于焊接化学活泼性强的铝、镁、钛和锆等有色金属和不锈钢、耐热钢等各种合金。对于某些黑色和有色金属的厚壁重要构件(如压力容器及管道)，为了保证高的焊接质量，也采用钨极惰性气体保护焊。

　　钨极惰性气体保护焊的缺点：

　　①熔深浅，熔敷速度小，生产率较低。

　　②只适用于薄板(6mm 以下)和超薄板的焊接。

　　③气体保护幕易受周围气流的干扰，不适宜野外作业。

　　④惰性气体(氩气、氦气)较贵，生产成本高。

　　这种焊接方法的焊缝质量高，但与其他电弧焊相比，其焊接速度较慢。

　　2)熔化极气体保护焊(MIG 焊 Metal Inert-gas Welding)。

　　MIG 焊的特点：

　　①几乎可以焊接所有金属，尤其适用于焊接有色金属、不锈钢、耐热钢、碳钢、合金钢等材料。

　　②焊接速度较快，熔敷效率较高，劳动生产率高。

　　③MIG 焊可直流反接，焊接铝、镁合金时有良好的阴极雾化作用，可有效去除氧化膜，提高了接头的焊接质量。

　　④不采用钨极，成本比 TIG 焊低。

　　3)CO2气体保护焊。

　　主要优点：

　　①焊接生产效率高，其生产率是手工焊条电弧焊的 1～4 倍。

　　②焊接变形小、焊接质量较高。

　　③焊缝抗裂性能高，焊缝低氢且含氮量也较少。

　　④焊接成本低，只有埋弧焊、焊条电弧焊的 40%～50%。

　　⑤焊接时电弧为明弧焊，可见性好，操作简便，可进行全位置焊接。

　　不足之处：

　　①焊接飞溅较大，焊缝表面成形较差。

　　②不能焊接容易氧化的有色金属。

　　③抗风能力差，给室外作业带来一定困难。

　　④很难用交流电源进行焊接，焊接设备比较复杂。

　　(4)等离子弧焊。等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊。广泛应用于焊接、喷涂和堆焊。

　　等离子弧焊与钨极惰性气体保护焊相比，有以下特点：

　　①等离子弧能量集中、温度高，焊接速度快，生产率高。

　　②穿透能力强，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得锁孔效应，一次行程可完成 8mm 以下直边对接接头单面焊双面成型的焊缝，焊缝致密，成形美观。

　　③电弧挺直度和方向性好，可焊接薄壁结构(如 1mm 以下的金属箔的焊接)

　　④设备比较复杂、气体耗量大，费用较高，只宜于室内焊接。

　　(5)电渣焊。电渣焊总是以立焊方式进行，不能平焊。

　　电渣焊的焊接效率可比埋弧焊提高 2～5 倍，焊接时坡口准备简单。焊后一般要进行热处理(通常用正火)以改善组织和性能。电渣焊主要应用于 30mm 以上的厚件，可与铸造及锻压相结合生产组合件，以解决铸、锻能力的不足，因此特别适用于重型机械制造，可进行大面积堆焊和补焊。

　　(6)激光焊。

　　激光焊的特点：

　　①激光束能量密度很高，焊速快，热影响区和焊接变形很小，尺寸精度高。在大气中焊接，也不需外加保护，就能获得高质量焊缝。

　　②可焊多种金属、合金、异种金属及某些非金厲材料，如各种碳钢、铜、铝、银、钼、镍、钨及异种金属以及陶瓷、玻璃和塑料等。

　　③激光可透过透明材料对封闭结构内部进行无接触焊接(如电子真空管、显像管的内部接线等)。

　　④特别适于焊接微型、精密、排列非常密集、对热敏感性强的工件，如厚度小于 0.5mm 的薄板、直径小于 0.6mm 的金属丝。

　　⑤激光焊设备投资大，养护成本高，焊机功率受限。

　　⑥对激光束波长吸收率低和含有大量低沸点元素的材料一般不宜采用。

　　2.压力焊

　　(1)电阻焊。电阻焊有三种基本类型，即点焊、缝焊、对焊。

　　1)点焊。一种高速、经济的连接方法，多用于薄板的非密封性焊接。

　　2)缝焊。多用于焊接有密封性要求的薄壁结构。

　　3)对焊。接头性能差，多用于对接头强度和质量要求不是很高的直径小于 20mm 的棒料、管材、门窗等构件的焊接。

　　(2)电渣压力焊。电渣压力焊适用于现浇钢筋混凝土结构中竖向或斜向钢筋的连接，与电弧焊相比，它功效高、成本低，我国在一些高层建筑的柱、墙钢筋施工中已取得了很好的效果。

　　3.钎焊

　　钎焊接头与熔焊接头相比，强度较低，耐热性差。

　　钎焊可用于各种黑色金属及有色金属和合金以及异种金属的连接，适宜于小而薄和精度要求高的零件。

　　(1)钎焊的分类。 按钎料熔点的不同，可分为硬钎焊和软钎焊两种。按照加热的方法的不同分为火焰钎焊、电阻钎焊、感应钎焊。

　　钎焊的优点：

　　①对母材的物理化学性能没有明显的不利影响。

　　②钎焊时加热温度低，可对焊件整体加热，引起的应力和变形比较小，容易保证焊件的尺寸精度。

　　③有对焊件整体加热的可能性，可用于结构复杂、开敞性差的焊件，并可一次完成多缝多零件的连接。

　　④容易实现异种金属、金属与非金属的连接。

　　⑤对热源要求较低，工艺过程简单。

　　钎焊的缺点：

　　①钎焊接头的强度一般比较低，耐热能力差。

　　②多采用搭接接头形式，增加了母材消耗和结构重量。

　　(二)常用焊接材料的选择及焊接设备

　　1.焊接材料的选用

　　(1)焊条的组成和分类

　　(2)焊条选用的原则

　　1)考虑焊缝金属的力学性能和化学成分。

　　对于普通结构钢，通常要求焊缝金属与母材等强度，应选用熔敷金属抗拉强度等于或稍高于母材的焊条;

　　在焊接结构刚性大、接头应力高、焊缝易产生裂纹的不利情况下，应考虑选用比母材强度低一级的焊条。

　　对于合金结构钢有时还要求合金成分与母材相同或接近。

　　当母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高时，焊缝中易产生裂纹，应选用抗裂性能好的低氢型焊条。

　　2)考虑焊接构件的使用性能和工作条件。

　　对承受动荷载和冲击荷载的焊件，除满足强度要求外，主要应保证焊缝金属具有较高的塑性和韧性，可选用塑性、韧性指标较高的低氢型焊条。

　　对接触腐蚀介质的焊件，应根据介质的性质及腐蚀特征选用不锈钢类焊条或其他耐腐蚀焊条。

　　在高温、低温、耐磨或其他特殊条件下工作的焊件，应选用相应的耐热钢、低温钢、堆焊或其他特殊用途焊条。

　　3)考虑焊接结构特点及受力条件。

　　对结构形状复杂、刚性大的厚大焊件，在焊接过程中，冷却速度快，收缩应力大，易产生裂纹，应选用抗裂性好、韧性好、塑性高、氢裂纹倾向低的焊条。如低氢型焊条、超低氢型焊条和高韧性焊条。

　　4)考虑施焊条件。

　　当焊件的焊接部位不能翻转时，应选用适用于全位置焊接的焊条。对受力不大、焊接部位难以清理的焊件，应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的酸性焊条。

　　5)考虑生产效率和经济性。

　　对焊接工作量大的结构，有条件时应尽量选用高效率焊条，如铁粉焊条、重力焊条、底层焊条、立向下焊条和高效不锈钢焊条等。

　　在酸性焊条和碱性焊条都可满足要求时，应尽量选用酸性焊条。为了保障焊工的身体健康，在允许的情况下应尽量采用酸性焊条。

　　(3)焊丝和焊剂的选用。

　　耐热钢、低温钢、耐蚀钢的焊接可选用中硅或低硅型焊剂配合相应的合金钢焊丝。

　　普通结构钢、低合金钢的焊接可选用高锰、高硅型焊剂，如 HJ431 和 HJ430 焊剂。

　　对焊接韧性要求较高的低合金钢厚板，应选用低锰、低硅型或无锰中硅型焊剂，如 HJ172、HJ170焊剂。

　　焊接不锈钢以及其他高合金钢时，应选用以氟化物为主要组分的焊剂，如 HJ171 和 HJ172 焊剂或HJ107Nb 无锰中硅型焊剂，亦可采用 SJ602 烧结焊剂。

　　铁素体、奥氏体等高合金钢，一般选用碱度较高的熔炼焊剂或烧结陶质焊剂，以降低合金元素的烧损及掺加较多的合金元素。

　　2.焊接参数选择

　　电弧焊的焊接参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等。

　　①焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层次等因素。不影响焊接质量前提下，为了提高劳动生产率，一般倾向选择大直径焊条。

　　②焊接电流的选择。焊接电流的大小，对焊接质量及生产率有较大影响。其中最主要的因素是焊条直径和焊缝空间位置。

　　含合金元素较多的合金钢焊条，一般电阻较大，热膨胀系数大，焊接过程中电流大，焊条易发红，造成药皮过早脱落，影响焊接质量，而且合金元素烧损多，因此焊接电流相应减小。

　　③电弧电压的选择。电弧电压是由电弧长来决定。电弧长，则电弧电压高;电弧短，则电弧电压低。

　　要求电弧长度小于或等于焊条直径，即短弧焊。在使用酸性焊条焊接时，为了预热待焊部位或降低熔池温度，有时将电弧稍微拉长进行焊接，即所谓的长弧焊。

　　④焊接层数的选择。中、厚板焊条电弧焊，往往采用多层焊。层数多对提高焊缝的塑性、韧性有利。

　　⑤电源种类和极性的选择。

　　直流电源，电弧稳定，飞溅小，焊接质量好，一般用在重要的焊接结构或厚板大刚度结构的焊接上。

　　其他情况下，应首先考虑用交流焊机。因为交流焊机构造简单，造价低，使用维护也较直流焊机方便。

　　一般情况下，使用碱性焊条或薄板的焊接采用直流反接，而酸性焊条通常采用正接。

　　(三)焊接接头、坡口及组对

　　1.焊接接头的分类及基本类型

　　按焊接方法不同，焊接接头可以分为熔焊接头、压焊接头和钎焊接头三大类。

　　焊接接头的基本类型可归纳为 5 种，即对接接头、T 形(十字)接头、搭接接头、角接接头和端接接头。

　　2.熔焊接头与坡口

　　熔焊接头的坡口根据其形状的不同，可分为基本型、组合型和特殊型三类。

　　基本型坡口主要有：I 形坡口、V 形坡口，单边 V 形坡口、U 形坡口、J 形坡口等。

　　组合坡口是由两种或两种以上的基本型坡口组合而成。

　　特殊型坡口主要有卷边坡口，带垫板坡口，锁边坡口，塞焊、槽焊坡口。

　　3.焊接接头的选用原则

　　4.管材的坡口、组对与焊接

　　(1)管材的坡口

　　管材的坡口主要有三种：I 形坡口、V 形坡口和 U 形坡口。

　　①I 形坡口。I 形坡口适用于管壁厚度在 3.5mm 以下的管口焊接。

　　②V 形坡口。V 形坡口适用于中低压钢管焊接，坡口的角度为 60°～70°，坡口根部有钝边，厚度为 2mm 左右。

　　③U 形坡口。U 形坡口适用于高压钢管焊接，管壁厚度在 20～60mm 之间，坡口根部有钝边，其厚度为 2mm 左右。

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