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将正极接在焊条上,负极接在被焊工件上,这种接线法叫做反接法。
如图1-4所示。
鉴别极性的方法是:
如果电弧燃烧不稳定、飞溅大、声音暴躁,这就是正接法出现的现象;
如果无上述现象即为反接法。
图1-4
反接时焊件的温度较低,适用于薄板和有色金属的焊接。
3.焊接工具
手弧焊常用的工具如图1-5所示。
图1-5
(1)电焊钳 用来夹持电焊条和传导电流的必备工具。
电焊钳应具有良好的导电性、不易发热、重量轻、夹持焊条牢固及装换焊条方便等特点。
(2)面罩 用来保护焊工的眼睛、颈部和面部皮肤,以防焊接时的金属飞溅和弧光烫灼伤。
面罩上观察镜的外层为普通白玻璃,内层为黑色护目玻璃。
(3)清渣锤 用来清除焊缝表面的渣壳。
(4)钢丝刷 焊接之前用来清除焊件接头处的锈和污垢;
焊后清刷焊缝的表面及飞溅物。
三、电焊条
1.焊条的作用
涂有药皮并专供手工电弧焊使用的熔化电极称为电弧焊条。
在手工电弧焊弧焊操作过程中,焊条不仅作为电极用来传导焊接电流,维持电弧的稳定燃烧,而且对电弧起保护作用(采用气—渣联合保护的方法),同时还可作为填充金属直接过渡到焊缝熔池中,与液态的基本金属熔合在一起。
另外,还在高温下进行一系列化学冶金反应,冷却凝固后形成焊缝金属。
因此,焊条不但影响电弧的稳定性,而且直接影响到焊缝金属的化学成分和力学性能。
焊条质量的好坏在很大程度上决定焊缝的质量。
2.焊条的组成
焊条是传导电流并作为焊缝填充金属的一种焊接材料。
焊条是由焊芯(金属芯)和药皮两部分组成的。
在焊条的前端有45度左右的倒角,主要是为了便于引弧。
在尾部有一段裸焊芯,约占焊条总长的十六分之一,便于焊钳夹持并有利于导电。
常用的焊条直径有2.5mm、3.2mm、4.0mm、5.0mm几种,其长度一般在250~450mm之间。
焊条的组成如图1-6所示。
图1-6
(1)焊芯焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯,是由专门炼制的优质钢经轧制、拉拔制造而成。
焊芯的成分特点含碳量少,含硫、磷量很低。
焊芯有两个作用:
一是传导焊接电流,产生电弧;
二是本身熔化作为填充金属。
常用的焊芯是钢焊芯,包括碳素结构焊芯、合金结构焊芯和不锈钢焊芯三种。
(2)药皮药皮是由矿物质、有机物、铁合金等碾成粉状,用水玻璃作粘结剂,按一定比例配制后,压涂在焊芯上的涂料层。
药皮的作用:
一是改善焊接工艺性,如药皮中含有稳弧剂,使电弧易于引燃和保持燃烧稳定。
二是对焊接区起保护作用。
药皮中含有造渣剂、造气剂等,造渣后熔渣与药皮中有机物燃烧产生的气体对焊缝金属起双重保护作用。
三是起有益的冶金化学作用。
药皮中含有脱氧剂、合金剂、稀渣剂等,使熔化金属顺利地进行脱氧、脱硫、去氢等冶金化学反应,并补充被烧损的合金元素。
3.焊条的分类
按药皮熔化后熔渣的特性不同,常用结构钢焊条和低合金钢焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。
(1)酸性焊条酸性焊条是因其焊条药皮中含有大量的酸性氧化物而得名的。
如果施工现场只有交流弧焊机,而且焊接的是一般金属结构,通常选用酸性焊条。
这种工艺性能好,对水、锈产生气孔的敏感性不大,易于操作,生产中应用最多的是E4303型焊条。
(2)碱性焊条所谓碱性焊条是其药皮中的成分以碱性化合物为主的焊条。
它的力学性能和抗裂纹性能都较酸性焊条好,但是工艺性能不如酸性焊条,表现在稳弧性差、脱渣较差、焊缝表面成型较差等。
使用前要求将碱性焊条在350~450℃温度下烘焙1~2h。
常用的碱性焊条是E5016型和E5015型低氢型焊条。
E5016型焊条可以使用交流或直流电源,但E5015型焊条必须用直流反接(焊钳接正极、焊件接负极)电源进行焊接。
当焊接的是重要结构时就应该选用碱性焊条。
4.焊条的选用原则
在选用焊条时,可根据被焊工件的化学成分、力学性能、焊接性能、结构特点、工作条件和工厂的焊接设备等具体情况综合考虑。
其选用原则是:
(1)等强度原则对于承受静载荷或一般载荷的工件或结构,通常选用抗拉强度与母材相等的焊条。
(2)同等性能原则对于在特殊环境下工作的结构如要求耐磨、耐腐蚀、耐高温或低温等,则应选用保证熔敷金属的性能和母材相近的焊条。
如焊接不锈钢时,应选用不锈钢焊条。
(3)等条件原则根据工件或焊接结构的工作条件和特点选择焊条。
如焊接需要承受动载荷或冲击载荷的工件时,应选用熔敷金属冲击韧性较高的低氢型碱性焊条;
反之,焊接一般结构时,应选用酸性焊条。
5.焊条的保管
(1)各种焊条必须分类、分牌号存放,避免混乱。
(2)焊条必须存放在干燥和通风良好的仓库内,需垫高并离墙0.3m以上,是上下左右空气流通。
(3)重要焊接工程使用的焊条,特别是低氢型焊条,最好储存在专用仓库内,室内保持一定的温度和湿度(建议温度为10~25℃,相对湿度小于65%)。
(4)焊条的密封包装应随用随拆,不要过早拆开(焊条的存放时间不宜过长)。
6.焊条的正确使用
使用焊条时应注意以下事项:
(1)焊条应有制造厂的质量合格证,凡无合格证或对其质量有怀疑时,应按批抽样试验,合格后方可使用。
存放多年的焊条应进行工艺性能试验,合格时才能使用。
(2)如果发现焊条有锈迹,需经试验合格后才能使用。
受潮严重的焊条如果发现药皮脱落,应予以报废。
(3)焊条使用前应按说明书规定的烘焙温度烘干。
碱性焊条的烘焙温度一般为350~400℃,对含氢量有特殊要求的焊条,烘焙温度可提高到400~450℃。
烘干箱的温度应徐徐升高达到一定温度后在烘焙1~2h,切不可将冷焊条放入高温烘箱内,也不可使焊条突然冷却,以免药皮开裂。
酸性焊条要根据受潮情况,在100~150℃的温度范围内烘焙1~2h。
对储存时间短且包装完好的焊条,当焊接一般钢结构时,使用前不可烘焙。
(4)对重要结构的焊接,可将烘干好的焊条放在焊条保温桶内,随用随取。
但已过夜的碱性焊条次日应重新烘干后才能使用更不得将焊条露天过夜,免得受潮。
(5)一根焊条应尽量一次焊完,避免焊接接头过多而降低质量。
焊条残头有药皮的长度一般应小于20mm,以免浪费焊条。
四、焊接工艺
1.焊接的接头形式
焊接接头是指两个分离的工件组拼在一起所形成的被焊接口。
焊接接头的形式有多种,其中最主要的有对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头四种。
常见的四种焊接接头形式如图1-7所示。
选择时要依据焊件的结构、厚薄和施工条件来确定,最常用的是对接接头。
图1-7
(1)对接接头
两焊件端面相对平行的接头称为对接接头。
对接接头在各种焊接结构中应用非常广泛,是一种较为理想的接头形式,对接接头能够承受较大的载荷。
如图1-8所示。
图1-8
(2)搭接接头
两焊件重叠构成的接头称为搭接接头。
搭接接头一般用于厚为12mm以下的钢板,其重叠部分为板厚的3~5倍,采用双面焊接。
搭接接头的应力分布不均匀,承载能力较低,但由于搭接接头焊前准备和装配工作较对接接头简单,其横向收缩量也比对接接头的小,所以得到了一定程度的应用。
如图1-9所示。
图1-9
(3)角接接头
两焊件端面间构成30°
~135°
夹角的接头,称为角接接头。
角接接头的焊缝承载能力很差,一般用于不重要的焊接结构或箱型构件上。
一般情况下,角接接头较少开坡口。
如图1-10所示。
图1-10
I形坡口带钝边双单边V形坡口
图1-11
(4)T形接头
一焊件的端面与另一焊件的表面构成直角或近似直角的接头,称为T形接头。
这种接头的用途仅次于对接接头,特别在船体中约70%的接头是这种形式。
如图1-11所示。
T形接头一般用做联系焊缝,钢板厚度在2~30mm时,不开坡口,若焊缝要求承受载荷,可开成单边V形,带钝边双单边V形或带钝边双J形等坡口形式,使接头焊透,以提高接头强度。
2.接头的空间位置
a)b)c)
板状的对接接头可分为平、立、横、仰四个位置。
如图1-12所示。
平焊又叫俯焊,即被焊工件与地面平行,被焊接口朝上,焊工俯身进行施焊的一种空间位置。
立焊、横焊和仰焊的焊接困难,不容易保证质量。
若允许焊件翻动,要尽量采用平焊。
管状接头可分为非固定焊和固定焊两种,如图1-13所示。
非固定焊可将管子转动施焊。
固定焊是将管子固定不动进行施焊。
管子水平固定焊。
管子的吊焊位置是:
管子与地面相平行,环形接口与地面相垂直。
如图1-13a所示。
管子垂直固定焊。
管子的横焊位置是:
管子与地面相互垂直,环形接口与地面相平行。
如图1-13b所示。
管子固定斜焊。
管子的斜焊位置是:
管子与地面倾斜成一定角度(一般为45º
左右),环形接口随管子的倾斜而倾斜成一个同样角度。
如图1-13c所示。
3.坡口型式
坡口根据工艺需要,在焊件的待焊部位加工的一定几何形状的沟槽。
开坡口的目的是为了焊透厚板,保证焊缝的强度。
坡口型式如图1-14所示。
常用焊接坡口的型式及尺寸见表1-1。
图1-14
4.坡口加工
坡口的加工方法可根据焊件的尺寸,形状及加工条件选择,一般有以下加工方法:
(1)剪切不开坡口的薄件可用剪切机加工,加工方便,效率高,一般剪切后就可进行装配焊接。
(2)刨削用刨边机或刨床加工V形或Y形,双Y形坡口,加工后坡口比较平直,使用于焊接试件或自动焊的焊件加工
(3)车削用车床或车管机可加工管类构件及圆形杆件的坡口
(4)热切割用氧—乙炔焰或等离子弧手工切割或用自动,半自动切割机加工坡口,可切割出V形或Y形、双Y形坡口。
(5)碳弧气刨可以使用不同截面形状的碳棒加工出所需的坡口形式,尤其用圆形碳棒加工U形坡口很便利。
碳弧气刨还可以用于清理焊根,如压力容器的焊接。
(6)铲削或磨削用手工、风动工具铲削坡口或使用角向砂轮机磨削坡口,效率低,多用于缺陷返修时的坡口加工。
5.坡口的选择原则
(1)尽量减少熔敷金属的填充量。
(2)焊接厚板时,尽量选用对称坡口,以减少焊接变形。
(3)满足焊件的装配要求,便于焊接操作。
(4)应尽量保证熔透(焊透)和避免产生根部裂纹。
(5)坡口加工方便,有利于焊接操作。
五、焊接工艺参数选择
焊接时,为保证焊接质量而定的各个物理量,如焊条种类、牌号和直径,焊接电流的种类、极性和大小,电弧电压,焊接速度,焊道层次等,被称为焊接工艺参数。
焊条电弧焊的焊接参数包括焊条的选择、牌号和直径焊接电流的种类、极性和大小,电弧电压,焊道层次等。
正确选择焊接工艺参数是保证获得质量优良的焊缝和较高的生产效率的关键。
这就需要在生产实践中去摸索、去体验,从中积累经验,最终掌握操作技能。
下面分别讲述选择这些焊接参数的原则及他们对焊缝成形的影响。
1.焊条牌号的选择
通常根据所焊钢材的化学成分、力学性能、工作环境等方面的要求以及焊接结构承载的情况和弧焊设备的条件等综合考虑,选择合适的焊条牌号,可以保证焊缝金属的性能要求。
焊条的选用原则在前面已经讲过。
2.焊条直径的选择
合理选择焊条直径是保证焊接质量的重要因素。
焊条直径过大,易造成未焊透或焊缝成形不良的缺陷;
焊条直径过小,会使生产率降低,因此必须正确选择焊条直径。
焊条直径的选择与下列因素有关:
(1)焊件厚度焊件越厚,所选焊条直径越粗。
选取时可参照表1-2。
(2)焊缝的位置在板厚相同的条件下,平焊焊缝选用的焊条直径比其他位置焊缝大一些,但一般不超过5mm;
立焊时一般选用直径为3.2mm或4.0mm的焊条;
仰焊、横焊时,为避免熔化金属下淌,得到较小的熔池选用的焊条直径应不超过4mm。
(3)焊接层次进行多层次焊时,为保证第一层焊道根部焊透,打底焊时应选用直径较小的焊条进行焊接,以后各层可选用较大直径的焊条。
(4)接头形式搭接接头、T型接头因不存在全焊透问题,所以应选用较大的焊条直径,以提高生产效率。
3.焊接电流
焊接时适当加大焊接电流,可以加快焊条的熔化速度,从而提高工作效率。
但是,过大的焊接电流会造成焊缝咬边、焊瘤、烧穿等缺陷,而且金属组织还会因过热而发生性能的变化。
电流过小则易造成夹渣、未焊透等缺陷,降低了焊接接头的力学性能。
所以应选择合适的焊接电流。
选择焊接电流的主要依据是焊条直径、焊缝位置以及焊条类型,特别是凭借焊接经验来调节焊接电流。
(1)根据焊条直径选择焊条直径一旦确定下来,也就限定了焊接电流的选择范围。
因为不同的焊条直径有不同允许使用焊接电流范围,若超出该范围,就会直接影响焊件的力学性能其范围参考表1-3。
焊接电流还可以根据下列的经验公式来确定焊接电流范围,再通过试焊逐步得到合适的焊接电流:
I=(35~55)d
式中:
I---焊接电流,A;
d---焊条直径,mm。
(2)根据焊缝位置选择在焊条直径相同的条件下,平焊时熔池中的熔化金属容易控制,可以适当地选择较大的焊接电流;
立焊和横焊时的焊接电流比平焊时应减小10%~15%,而仰焊时要比平焊时减小10%~20%。
(3)根据焊条类型选择在焊条直径相同时,奥氏体不锈钢焊条使用的焊接电流要比碳钢焊条小一些,否则会因其焊芯电阻热过大而使焊条药皮脱落。
碱性焊条使用的焊接电流要比酸性焊条小一些,否则,焊缝中易形成气孔。
(4)根据焊接经验选择
1)焊接电流过大时,焊接爆裂声大,熔滴向熔池外飞溅,而且熔池也大,焊缝成形宽而低,容易产生烧穿、焊瘤、咬边等缺陷。
运条过程中熔渣不能覆盖熔池起保护作用,使熔池裸露在外,造成焊缝成形波纹粗糙。
过大的电流使焊条熔化到大半根时,余下部分焊条均已发红。
2)焊接电流过小时,焊缝窄而高,熔池浅,熔合不良会产生未焊透、夹渣等缺陷,还会出现熔渣超前、与液态金属分不清等现象。
有时焊条会与焊件年黏结。
3)焊接电流合适时,熔池中会发出嗞嗞的声音,焊工运条过程中,以正常的焊接速度移动,熔渣会半盖半露着熔池,液态金属和熔渣容易分清;
焊缝金属与母材呈圆滑过渡,熔合良好;
在操作过程中,有得心应手之感。
(5)焊道
通常焊接打底焊道时,使用的焊接电流较小,焊填充焊道时,通常都使用较大的焊接电流和焊条直径,而焊盖面焊道时,为防止咬边和获得较美观的焊缝成形,使用的焊接电流稍小些。
4.电弧电压的选择
电弧电压主要影响焊缝的宽窄,电弧电压越高,焊缝越宽。
焊条电弧焊时,焊缝宽度主要靠焊条的横向摆动幅度来控制,因此电弧电压的影响不明显。
焊条电弧焊的电弧电压主要由电弧长度来决定。
由电弧静特性可知,电弧长度越长,电弧电压越高;
电弧长度越短,电弧电压越低。
在焊接过程中,电弧不宜过长。
电弧过长会出现下列不良现象:
(1)电弧燃烧不稳定,保护效果差,易摆动,电弧热能分散,飞溅增多,造成金属和电能的浪费。
(2)熔深浅,容易产生咬边、未焊透、焊缝表面高低不平和焊波不均匀等缺陷。
(3)对熔化金属的保护变差,空气中氧、氮等有害气体容易侵入焊接区,使焊缝中产生气孔的可能性增加,同时降低焊缝金属的力学性能。
焊条电弧焊应尽量使用短弧施焊。
立焊、仰焊时的电弧应比平焊短些,以利于熔滴过渡,防止熔化金属下滴。
碱性焊条焊接时应比酸性焊条焊接时的弧长短些,以利于电弧的稳定和防止气孔的发生。
长度为焊条直径的0.5~1.0倍的电弧,相应的电弧电压通常为16V~25V,一般被称为短弧,可用计算式表示如下:
L=(0.5~1.0)d
L—电弧长度,mm
d—焊条直径,mm.
5.焊接速度的选择
单位时间内完成的焊缝长度称为焊接速度。
焊接过程中,焊接速度应该均匀适当,既要保证焊透又要保证不焊穿,同时还要使焊缝宽度和余高符合设计要求。
如果焊接速度过快,熔化温度不够,易造成未熔合、焊缝成形不良等缺陷;
如果焊接速度过慢,使高温停留时间过长,热影响区宽度增加,焊接接头的晶粒变粗,力学性能下降,变形量也增大。
当焊接较薄构件时,易发生烧穿现象。
焊接速度直接影响焊接生产率,所以应该在保证焊缝质量的基础上采用较大的焊条直径和焊接电流,同时根据具体情况适当加快焊接速度,以保证在焊缝成形良好的条件下,提高焊接生产率。
6.焊缝层数的选择
在焊件厚度较大时,往往需要多层焊。
对低碳钢和强度等级较低的低合金钢进行多层焊时,每层焊缝的厚度较大,对焊缝金属的塑性(主要表现在冷弯上)稍有不利的影响。
因此,对质量要求较高的焊缝,每层焊缝的厚度最好不大于4~5mm。
焊接层数主要根据钢板厚度、焊条直径、坡口形式和装配间隙等因素确定,可作如下近似估算;
n=δ/md
n—焊接层数
δ—焊件厚度,mm
m—经验系数,一般取0.8-1.2;
六、常见的焊接缺陷和焊接变形
在焊接过程中,焊接工艺参数选择不当、焊件结构不合理、焊件材质的焊接性、操作方法不对等因素都直接影响焊接质量,从而导致焊接缺陷和焊接变形的产生。
1.常见的焊接缺陷见表2-1;
焊接变形见表2-1。
2.焊接缺陷和焊接变形的防止方法
为了避免焊接缺陷和变形的产生,应注意以下几个方面:
(1)焊前,应对被焊金属的化学成分和机械性能有所了解,以便按钢材品种选用恰当的焊接材料,确定合理的焊接方法和工艺。
(2)焊接材料的质量应符合国家标准规定。
焊条、焊丝应有制造厂的质量合格证,有怀疑时,
应进行理化试验。
严禁使用过期或失效的焊条。
焊条在使用前,应按规定的时间和温度进行烘焙。
(3)被焊金属工件的端面处,应细致检查有无裂纹、重皮、气泡、夹渣等缺陷。
偏斜度、椭
圆度应符合规定要求。
接口处应打磨光亮,10㎜以上范围内应无油、锈、漆等污物。
接口尺寸(如坡口角度、钝边、间隙)应细致检查,并符合工艺要求。
根部对口必须齐平,避免错口现象。
(4)焊口位置应避开应力集中区,并便于施焊,严禁强行对口。
(5)施焊环境温度不宜过低,一般应在–20℃以上(焊接碳钢时)。
风力在5级以上不宜施焊。
(6)焊接参数如焊接电流、电弧长度、焊接速度、焊条直径、焊接层数等应按以确定的最佳工艺评定方案选定。
尽量采取短弧焊接。
采取合理的组装和焊接顺序。
(7)焊工应具备熟练的操作技能,焊条或焊距、焊丝倾角应准确。
摆动方法要适当,并应满足熔池的正常成形。
接头、收头要良好,并填满熔池。
(8)需要焊前预热的工件,应按规定的温度和时间进行预热。
(9)焊后焊缝的尺寸应符合要求,不宜过高或过低、过宽或过窄。
表1-1常用焊接坡口型式及尺寸
表1-2焊条直径与焊件厚度的关系(㎜)
焊件厚度
≤1.5
2
3
4~5
6~12
≥13
焊条直径
1.5
3.2
3.2~4
5~6
表1-3各种直径焊条使用的焊接电流参考值
焊条直径㎜
1.6
2.0
2.5
4.0
5.0
5.8
焊接电流A
25~40
40~65
50~80
100~130
160~210
200~270
260~300
项目二基本操作
手工电弧焊的基本操作如下:
一、引弧
引弧就是在焊条和焊件之间产生稳定的电弧,一般在焊接位置(对缝线或坡口上)引弧。
表2-1常见的焊接缺陷及产生原因
表2-2焊接变形的基本形式及产生原因
变形名称
简 图
产生的主要原因
角变形
角变形大多发生在V形坡口对接中,原因是焊缝截面形状上、下不对称,焊后横向收缩不均匀而引起。
收缩变形
收缩变形是构件焊接后,因焊缝纵向和横向收缩,使构件的纵向和横向尺寸缩小。
弯曲变形
弯曲变形一般是在T型粱焊接中,原因是焊缝布置不对称,焊缝纵向收缩后引起工件向焊缝一侧弯曲。
波浪形变形
波浪形变形是在焊接薄板结构时,薄板在焊接应力作用下,在厚度方向因丧失稳定性而引起。
扭曲变形
扭曲变形是由于焊缝在构件横截面上布置的不对称或焊接工艺不合理,使工件产生纵向扭曲变形。
常用的引弧方法有划擦法和敲击法,如图2-1所示。
初学者宜采用划擦法进行引弧,引弧时,将焊条端头向焊件表面划擦,造成短路,然后迅速提起焊条,使焊条与焊件之间保持2~4㎜的距离,即可使电弧引燃。
引弧的要领是:
引弧时,焊条提起速度要快,否则,焊条易粘在焊件上。
粘条时,左右摆动焊条,即可取下。
要注意焊条不可提起过高,否则易熄弧。
若焊条划擦焊件时不起弧,往往是由于焊条端头药皮妨碍导电,可将其清除后再引弧。
二、运条
焊接时,焊条有三个基本运动:
焊条的送进、横向摆动和焊条的直线移动,如图2-2所示。
运条操作的好坏直接影响焊缝质量。
平焊时,运条应掌握以下要领:
⑴电弧长度 焊接时,应及时均匀地送进焊条,否则弧长变化,使熔深与熔宽波动而影响焊缝质量,合理的长度约为焊条直径。
图2-2
⑵焊条的角度 焊条与焊件的夹角在焊接时不能随意改变。
一般地,焊条与焊缝两侧平面的夹角应相等,如焊平板对接焊缝,两边均应等于90º
。
在焊缝方向上,焊条应向其运动方向倾斜10º
~20º
,以便气流把熔渣吹向后面,避免焊缝产生夹渣。
⑶焊接速度 引弧并形成熔池后,焊条要均匀沿焊缝的前进方向移动,其送进的速度应等于焊条熔化的速度,以维持正常的弧长。
焊条沿焊缝移动的速度要适当。
过快易形成焊不透或焊缝过窄的缺陷,过慢则易形成焊缝过高,甚至产生烧穿的缺陷。
⑷焊缝宽度 如果焊接时焊条只移动,不横向摆动,焊缝宽度约为焊条直径的1~1.5倍,焊薄板时常用这种方法。
焊厚板时,为获得所需的宽度和熔深,必须让焊条作横向摆动,常用的摆动形式,如图2-3所示。
图2-3
三、焊缝的起头、接头和收弧方法
无论是板状或管状焊接,均会遇到起头、接头和收头问题。
1)焊缝的起头
焊缝的起头又叫起弧,是开始焊接的第一个步骤。
开始施焊时,用电弧将焊件起始部分预热(不给焊条铁水),当有熔池出现时在给铁水,将焊条向两侧摆动几下,使焊条熔滴与接口处熔合,便可继续进行正规施焊。
该法大多使用在铁板对接的立
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