焊接坡口的作用及选取

1 前言

1.1 两种情况

焊接坡口是焊接领域的一个基础问题，在这个基础问题上，会出现以下情况：

（a）有一部分人的观点为，“就没见过不开坡口的，在焊接时不管什么情况下都得开坡口。”显然，这一部分人对于焊接是有所了解的，但并不多。可以视作是踩在了焊接的门槛上，但没有跨入。

（b）另一部分人的观点为，“明明焊接坡口的作用性很大、影响很多，可是在国内外的各个焊接工艺评定标准中，却都没有把坡口作为重要因素，甚至连补加因素都不是，这很奇怪。”显然，这一部分人已经跨过了焊接门槛，踏入了焊接的领域，但是对于焊接工艺评定的目的与作用却没有理清。

上述第（a）种情况将在本文第2节予以说明；本节下面第1.2小节重点对第（b）种情况作简要回答。

1.2 次要因素原由

在NB/T 47014、ASME BPVC.IX中，重要因素、补加因素和次要因素的概念如下：

（1）重要因素是指影响焊接接头拉伸性能和弯曲性能的焊接工艺评定因素；

（2）补加因素是指影响焊接接头冲击韧性的焊接工艺评定因素；

（3）次要因素是指对焊接接头力学性能和弯曲性能无明显影响的焊接工艺评定因素。

坡口形式与尺寸对大多数焊接方法（电子束焊除外，等离子弧焊、气电立焊等另行讨论）而言都是次要因素，因为它的变更对于其焊接接头的力学性能和弯曲性能没有明显影响。从文献上看，如文献[4]，其结论为“随着外焊坡口角度的增加（70°~100°）大壁厚高钢级螺旋埋弧焊钢管（X80级22mm管线钢）焊缝韧性略有提高，热影响区韧性几乎不变”。可以说，只要焊接参数调整得当，坡口的不同不会从根本上改变焊缝金属和热影响区的组织与性能。这里需要注意，坡口虽然作为次要因素，但并不意味着它不重要，相反坡口形式与尺寸对焊缝抗裂性、生产效率、焊接缺陷、残余应力与变形、劳动保护等都有着很重要的作用。

NB/T 47014与ASME BPVC.IX以及ISO、EN等国外标准的目的相同，都是保证焊接接头力学性能、弯曲性能或耐蚀堆焊层化学成分、耐蚀性能、堆焊件弯曲性能符合规定的标准。NB/T 47014、ASME BPVC.IX不是万能钥匙，目前也不存在某个焊接工艺评定标准，可以保证各个材料及焊接方法的焊缝有效厚度、硬度、残余应力、焊接缺陷等等符合规定。因为这些技术要求与焊接工艺因素的变化没有确立联系规律，不能随意使用NB/T 47014、ASME BPVC.IX等焊接工艺评定标准去验证这些技术要求。

电子束焊束斑极细，对坡口根部间隙和接头几何形状的敏感性远高于电弧焊。坡口间隙的变化会改变电子束焊的焊接熔化形式，坡口形式的变化可能会改变其焊缝几何形状和熔透路径，进而影响接头力学性能。当然，电子束焊时通常无需开坡口，其焊缝形状也可由其他工艺内容调整得出，并非单受坡口影响。总的来说，坡口对于电子束焊的各项性能必定是有影响的，虽然影响机制尚不明朗，但也有足够条件将其设为重要因素。

2 坡口的介绍

2.1 坡口的定义

在GB/T 3375《焊接术语》中，“坡口”与“开坡口”定义如下：

坡口（groove）：根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽。

开坡口[beveling（of the edge）]：用机械、火焰或电弧等加工坡口的过程。坡口面与坡口角度分别如图1、图2所示。

图1 坡口面

图2 坡口角度

2.2 坡口的作用

（1）使热源（电弧）能到达焊缝根部，保证根部焊透

这是最根本、最首要的作用。尤其在焊条电弧焊中，由于电弧的穿透能力有限，当接头的厚度超过一定范围时，如果不开坡口，电弧无法深入到接头根部，会导致根部未焊透。开坡口后，电弧得以深入坡口底层，使底层焊道充分熔化母材，可以实现全焊透。

（2）便于操作和清理焊渣

开坡口后，焊工可以将焊条/焊丝伸入坡口内进行焊接操作，各层焊道之间也可以有足够的空间进行层间清理（如清渣、打磨），避免夹渣等缺陷。

（3）调整焊缝成形系数，获得较好的焊缝成形

坡口的角度和形状直接影响焊缝的宽深比（成形系数）。合理的成形系数有利于避免焊缝中心热裂纹、改善焊缝截面形状。过小的坡口角会使焊道过分窄小，对裂纹十分敏感，尤其在焊接厚板时，由于拘束应力大，裂纹倾向会很强；过大的坡口角则消耗过多焊材、引起较大收缩变形。应当指出，窄间隙埋弧焊的应用与研究也已日趋成熟，关于窄间隙埋弧焊的相关工艺，择日另行讨论。

（4）调节母材与填充金属的比例（即熔合比）

通过改变坡口角度、深度和根部间隙，可以控制母材在焊缝金属中所占的比例（熔合比）。熔合比的变化直接改变焊缝金属的化学成分，当母材与填充金属成分差异较大时（如异种钢焊接、复合钢板焊接、耐蚀层堆焊），这一调节作用尤为关键，可以控制稀释率，以此使焊缝金属达到预期的性能（如强度、耐腐蚀性）。

2.3 坡口选取原则

相对其他焊接工艺参数，焊接坡口与制造单位的工艺条件和经验有着更密切的联系，正如本文第1.2节所述，对于大多数焊接方法，焊接坡口的变化并不影响其焊接接头的力学性能与弯曲性能，故而各个制造单位几乎都有坡口的企业标准或者习惯，不应强求采用标准坡口或者图样中坡口。除了各个产品标准的坡口规范（如GB/T 150、CB/T 3190、HG/T 20583等，常用的坡口标准是GB/T 985（ISO 9692）。

各个标准中所列出的坡口形式和尺寸都是可行的，但不一定是最佳，最佳的焊接坡口只有结合制造单位的实际条件才能确定。选择焊接坡口需要综合考虑以下内容：

（1）焊接方法；

（2）母材种类与厚度；

（3）加工焊接坡口的设备能力；

（4）焊缝填充金属尽量少；

（5）避免产生焊接缺陷；

（6）减少焊接变形与残余应力；

（7）有利于焊接防护；

（8）焊工操作方便；

（9）复合材料的坡口宜减少过渡层焊缝金属的稀释率，焊接耐蚀层时，易分清基层与覆层交界面。

对于上述第（4）项，不同的焊接坡口所需的焊材耗量不同，焊条电弧焊的焊材耗量计算方法已集合到焊学室微信小程序中，可以前往进行使用计算。

这里对第（9）项进行补充。通常情况下，在不锈钢-钢复合板焊接时一般应先焊基层焊缝，然后焊过渡层焊缝，最后焊覆层焊缝。当过渡层焊缝金属焊材标准强度级别低于基材焊材标准强度级别时，焊接工艺规程（WPS）上应限制耐蚀层堆焊部分的坡口深度，以保证基层焊接接头的强度。此类特种材料焊接坡口的形式与尺寸可以参阅NB/T 47015附录B。

2.4 何时可不开坡口？

在本节对本文第1.1节的第（a）种情况进行说明。焊接坡口的作用与选取原则正如本文上述第2.2节与第2.3节所示，综合其作用与选取原则，可以得出不同焊接方法不开坡口的最大厚度界限，如图3所示。

图3 不同焊接方法不开坡口的最大厚度

需要注意，图3所示的可以不开坡口的情形，需要具有相应的焊接工艺作为基础，否则应当开具坡口。例如，焊条电弧焊、熔化极气体保护焊最大可以不开坡口的厚度界限分别为6mm、8mm，但是在实际施工时，由于并没有采用或执行相应的焊接工艺、没有进行合理的组对装配，故而实际施工时，其不开坡口往往是难以焊透、难以形成所需焊缝。

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