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1、焊接工艺课程设计工字型梁的焊接工艺设计班级：08焊接1班姓名： 学号： A0852111 目 录1 结构与母材性能分析41.1 工字形梁结构分析及作用41.1.1 工字梁结构特点41.1.2 工字梁作用41.2 母材性能分析41.2.1 Q345-B钢简介41.2.2 Q345B化学成分51.2.3 Q345B机械性能61.2.4 Q345B焊接性分析62生产工艺流程图。83 钢板预处理93.1 复检93.2 钢材的表面预处理93.3 钢板的矫正93.4 钢板规格选择93.5 划线、下料103.6 坡口形式114.1 下料方法及设备124.1.1 下料采用半自动火焰切割124.1.2 CG1-
2、30型半自动火焰切割设备124.1.3 常用切割气体比较135 装配与焊接155.1 翼板与腹板的装配焊接155.1.1 装配155.1.2 定位焊155.1.3 焊接工艺166 工字梁的焊接变形及防止176.1 焊接变形种类176.2 工字梁焊接时变形的防止186.2.1 预留收缩量186.2.2 反变形186.2.3 制定合理的焊接工艺187 二氧化碳气体保护焊简介207.1 简介207.2 焊机207.3 CO2气体保护焊特点207.4 CO2气体保护焊工艺参数217.4.1 焊丝直径217.4.2 焊接电流227.4.3 电弧电压227.4.4 焊接速度237.4.5 焊丝伸出长度23
3、7.4.6 CO2气体流量237.4.7 电源极性247.4.8 回路电感24参考文献251 结构与母材性能分析1.1 工字形梁结构分析及作用1.1.1 工字梁结构特点焊接梁，焊接梁主要工作在横向弯曲载荷下，有时还可以承受弯扭的联合作用，以及焊接钢结构中最主要的一种构件形式，以及组成各种建筑钢结构的基础。焊接梁按其截面形式可分为箱型截面梁，工字（H）型截面梁和管型截面梁等，但是应用的最多的是工字型和箱型截面梁，由于这种梁的截面结构简单，设计和制造节省时间，通用性好，故其是组成桥式起重机主梁截面的主要形式，大多数焊接吊平梁都用工字型截面。焊接梁在弯曲力作用下可能出现非平面的弯曲和扭转，也可能出现
4、翼缘板或腹板的局部屈曲变形前者称为丧失整体稳定性，后者称为丧失局部稳定性。1.1.2 工字梁作用工字梁通常用于制作承重桩和支柱。工字梁的宽边和腹板的厚度大致相同。在高层建筑中，通过柱子支撑着的工字梁也用来承受非常大的载荷。此外，工字梁能在平行和垂直腹板的方向上提供平衡外力的作用，工字梁特别适合用来抵抗地震力。1.2 母材性能分析1.2.1 Q345-B钢简介由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q345表示屈服点（s）为345 MPa的合金结构钢。 必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符
5、号分别为A、B、C、D、E。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。 q345a，q345b，q345c，q345d，q345e。这是等级的区分，所代表的，主要是冲击的温度有所不同而已！q345a级，是不做冲击；q345b级，是20度常温冲击；q345c级，是0度冲击；q345d级，是20度冲击；q345e级，是40度冲击。在不同的冲击温度，冲击的数值也有所不同。Q345综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好。A、B级钢视钢材用途和使用需求，可加入或不加入微量元素V、Nb、T
6、i；但C、D、E级钢应加入V、Nb、Ti、Al的一种或几种，以细化钢的晶粒、防止钢的过热、提高钢的韧性和强度。Q345广泛用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40以下寒冷地区的各种结构。1.2.2 Q345B化学成分表1-1 Q345B化学成分元素CMnSiPSAlVNbTi含量0.21.0-1.60.550.0350.0350.0150.02-0.150.015-0.060.02-0.21.2.3 Q345B机械性能表1-2 Q345B力学性能机械性能指标伸长率（%）试验温度0抗拉强度MPa
7、屈服点MPa数值522 J34b（470-630）s（345-265）1.2.4 Q345B焊接性分析根据国际焊接学会推荐的碳当量公式计算：CE=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5(%)，计算结果CE0.45，可见Q345B具有良好的焊接性。热裂纹：是在焊接高温下产生的，其中危害最严重的是结晶裂纹，由于结晶裂纹是在结晶后期，由低熔点物质所形成的液态薄膜而引发的。它与焊缝金属的成分，主要是碳、硫、镍、锰等元素有密切关系。Q345钢含碳量低，含锰量较高，硫和磷控制严格，它的Mn/S较高，因而具有良好的抗结晶裂纹性能。所以在正常情况下，Q345钢是不会出现结晶裂纹的。冷裂纹：
8、大量的生产实践和理论研究表明，钢种的淬硬倾向，一定的含氢量和足够的拘束应力是焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。16Mn的由于含碳量低，故淬火时，如果冷却速度不是太快，就会得到低碳马氏体组织，或者是铁素体+珠光体组织，由于这些组织硬度不高，因而淬硬性小，只有在冷却速度较快时，才会得到高碳马氏体组织，有一定淬硬倾向。 再热裂纹：从钢材的化学成分考虑，由于热轧钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。层状撕裂：大型厚板焊接结构，主要发生于要求溶透的角接接头或T形接头，如果在钢材厚度方向上承受较大的拉伸应力时，可能沿钢材扎制方向呈
9、现明显阶梯状层状撕裂。2 生产工艺流程图。翼板与腹板装配焊缝焊接热处理和矫正无损探伤不合格返修肋板装配肋板焊接端部尺寸加工总装配刷油喷砂成品检验焊接【肋板加工】钢板复检预处理下料去毛刺矫平修磨表面打件号【翼板加工】钢板复检预处理下料去毛刺矫平修磨表面打件号 【腹板加工】钢板复检预处理下料去毛刺矫平修磨表面打件号 图2-1 工字梁生产工艺流程图3 钢板预处理3.1 复检梁材质为Q345B钢，所用钢材必须有材质证明书或材料代用通知单。重检料单，包括重检成分、力学性能、尺寸等。3.2 钢材的表面预处理采用机械或化学的方法对型材的表面进行清理称为预处理。由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的
10、质量。因此，在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。常用的预处理方法有机械除锈和化学除锈；机械除锈常用的方法主要有喷砂、喷丸与抛丸。这里我们采用喷丸除锈，其除锈等级应达到GB8923-88涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级中的Sa2级：Sa2级 彻底的喷砂除锈表面应无可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质基本清除，残留物应附着牢固。3.3 钢板的矫正矫正（又称为矫形）就是使钢板或工件在外力作用下产生与原来变形相反的塑性变形，以消除弯曲、扭曲、皱折、表面不平等变形，从而获得正确形状的过程。对钢材进行的矫平和矫直统称为矫正。矫正是焊接结构生产过程中加工工艺内容之一，但是对每一个工件或制品来
11、说，是否需要矫正及矫正的次数多少，将依钢材及工件的变形程度和工艺要求而定。3.4 钢板规格选择钢材进厂前可能会因运输等原因造成缘损伤，应切去边缘30mm，腹板与翼板的预留加工余量（切割和边缘加工分别留3mm），长度方向上预留焊接收缩量以及肋板收缩量（22.590mm），腹板、翼板总长度25000,。焊接工艺制定要避免最大应力处存在焊缝，腹板和翼板的焊缝不能在同一垂直平面内。母材为Q345B钢，买料时的钢板尺寸如下表3-1所示。表3-1 购买钢板规格Q345B钢长/mm宽/mm厚/mm数量/块翼板1102001400222翼板252001400221腹板1102001600162腹板252001
12、600161肋板180070010363.5 划线、下料划线下料时要考虑加工过程中的加工余量、收缩量（切割和边缘加工分别为3mm）和肋板引起的收缩量0.6，下料工艺为：翼板1：长10000+3+3+100006/1000+0.618=10077 宽1300+3+3=1306 翼板2：长5000+3+3+50006/1000+0.618=5047 宽 1300+3+3=1306 腹板1：长10000+3+3+100006/1000+0.618=10077 宽 1756+3+3=1762 腹板2：长5000+3+3+50006/1000+0.618=5047 宽1756+3+3=1762 肋板：长
13、1706+3+3=1712 宽 592+3+3=598翼板12、翼板21，腹板12、腹板21，肋板363.6 坡口形式坡口加工前，应仔细清除切割金属表面的铁锈、尘垢和油污。坡口形式如图3-1所示图3-1 腹板和腹板拼接的坡口形式腹板坡口加工参数为：=16mm，坡口角度=（603），钝边尺寸p=（81）mm。翼缘板坡口加工参数为：=24mm，坡口角度=（603），钝边尺寸p=（101）mm。图3-2 腹板与翼缘板焊接的坡口形式坡口加工参数：1=22mm，=16mm，=（502），1=（502），p=（41）mm。4.1 下料方法及设备4.1.1 下料采用半自动火焰切割气割是利用气体火焰的热能将工
14、件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使预热处金属燃烧并放出热量实现切割的方法。钢材的切割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表面加热到能够在氧气流中燃烧的温度（即燃点），然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热。借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘，使之也达到燃点，直到工件的底部。与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材切割开。气割的必要条件：燃点要低于熔点。金属氧化物的熔点要低于金属熔点。燃烧反是放热反应。导热性能不应太高。阻碍切割过程的杂质要少。4.1.2 CG1-30型半自动火焰切割设备CG1-30型半自
15、动火焰切割机特点： 机身采用高强度铝锭材料、精密压铸制成。使用乙块+氧气作为切割气体，切口小，表面光滑、整齐，避免二次加工。调速系统采用可控硅触角调速，行走平稳。气管采用进口胶管，管道总成装有快速开关，提高工效。以直线切割为主，可作圆周切割及坡口切割，斜口角度可任意调节。CG1-30型半自动火焰切割机广泛用于造船、机械、钢结构、建筑等行业。表4-1 CG1-30型CG1-30型半自动火焰切割机参数型 号机身外形尺寸输入电压切割厚度切割圆周直径切割速度重 量CG1-30470230240mmAC220V/50Hz5-100mm200-2000mm50-750mm/min16kg4.1.3 常用切
16、割气体比较气割中常用的气体有乙炔、丙烷、石油气及各种混合燃气等。其中，乙炔和丙烷的物理性能和化学性能比较见表4-2。表4-2 乙炔与丙烷的性能比较气体相对分子质量密度/Kgm-3着火点/15.6时相对空气质量比总热值/KJm-3需氧量中性焰温度/爆炸范围/%理论实际氧气中空气中氧气中空气中乙炔C2H2261.173350.91529632.51.1310026302.8932.580丙烷C3H8441.855101.52857461.13.5252021162.3552.510与氧-乙炔火焰切割相比，氧-丙烷切割的特点如下：切割面上缘不烧塌，熔化量少；切割面下缘黏性熔渣少，易于清除；切割面的氧
17、化皮易剥落，切割面的粗糙度相对较低；切割厚钢板时不塌边，后劲足，切口表面光洁，棱角整齐，精度高；倾斜切割时，倾斜角度越大，切割难度越大；比氧-乙炔切割成本低，总成本约降低30%以上。5 装配与焊接5.1 翼板与腹板的装配焊接5.1.1 装配对称的工字断面的柱结构制造的程序应是先装配后焊接，即先装配成工字形状并定位焊后再进行焊接。不应边装配边焊接，即不能先焊成T形断面再装另一翼板，最后焊成完整的工字形，这样做变形大、工序多、生产周期长。装配时先在翼板上划出腹板的位置线，如图5-1a所示。并焊上定位角铁2。为便于吊装在腹板背上角铁，如图5-1b所示。用90角尺检查腹板与翼板的垂直度，如图5-1c所
18、示。图5-1 工字形结构的装配a)划线与安装定位角铁 b)装配T形柱 c)装配工字梁柱1、3翼板 2定位角铁 4腹板 5吊具 6直角尺5.1.2 定位焊此次装配选择二氧化碳气体保护焊进行定位焊。定位焊是为了装配和固定焊件上的接缝位置而进行的焊接。定位焊缝本身易产生气孔和夹渣，也是导致随后二氧化碳气体保护焊时产生气孔和夹渣的主要原因，所以必须认真地焊接定位焊缝。定位焊缝间距为100150mm，为增加定位焊缝的强度，应适当增大定位焊缝长度，一般为1550mm长。焊丝为H08MnA，具体焊接工艺参数如表5-1所示。表5-1 定位焊焊接参数焊脚尺寸/mm焊丝直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/
19、mh-1焊丝伸出长度/mm气体流量/Lmin-191.626028027292026182016185.1.3 焊接工艺为保证四条纵向角焊缝的焊接质量，生产中常采用“船形”位置施焊，其倾角为45。图5-2即为倾斜焊件的简易装置。图5-2 倾斜焊件的简易装置工字形柱四条纵向角焊缝采用埋弧自动焊进行焊接，需安装引弧板和熄弧板，焊前要认真清理焊接区。焊丝为H08MnA，焊剂为HJ431。具体焊接工艺参数如表5-2所示。表5-2 翼板与腹板的焊接参数焊脚尺寸/mm焊丝直径/mm焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/mh-182450475343640焊后采用气体火焰加热对焊接变形进行矫正，至此工字形结构制
20、造完成。6 工字梁的焊接变形及防止 6.1 焊接变形种类焊接结构焊后的残余变形，主要可分为以下六种：纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩。横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩。焊接结构焊后出现的收缩变形是难以修复的，必须在构件下料时加余量。弯曲变形：构件焊后发生弯曲。这种焊接变形是由于构件上的焊缝不对称或焊件断面形状不对称、焊缝的纵向收缩和横向收缩而产生的变形。角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角变形。主要由于焊缝截面形状不对称，或施焊层次不合理致使焊缝在厚度方向上横向收缩量不一致所产生的。波浪边形：焊后构件呈波浪形。这种变形在薄板焊接时容易产生。产生原因是由于焊缝的纵向收缩和横
21、向收缩在拘束度较小结构部位造成较大的压应力而引起的变形；或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的组合变形；或由上述两种原因共同作用而产生的变形。扭曲变形：焊后沿构件的长度出现螺旋形变形。这种变形是由于装配不良、施焊程度不合理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩没有一定规律而引起的变形。在制作工字梁的时候，会出现局部的变形一、角变形；二、扭曲变形；三、弯曲变形。6.2 工字梁焊接时变形的防止焊接工资梁的变形形式主要包括：挠曲变形、拱变形、角变彤出现频率较高，为主要变形；纵向收缩、横收缩次之，为次要变形；扭曲变形最少，为微小变形。所以焊接时候要进行如下措施。6.2.1 预留收缩量选择材质合格、
22、表面平直的钢板下料 ，下料时应考虑焊接收缩余量。例如， 150MW锅炉的大板梁梁长10m，根据经验收缩量为01 左右，即收缩量为10mm，故下料长度应为10m+10mm 实际工作时考虑到端铣和加工误差，余量一般放：柱为20mm左右，梁为10mm左右。6.2.2 反变形对于制作工字梁的时候，在进行批量生产的时候反变形基本不会采用，但是对于一些小批量的生产，采用合理的反变形会减少变形。反变形是在构件未焊前，先将构件预制成人为的变形，使其变形方向与焊接引起的变形相反焊后构件的 变形与预制变形可互相抵消，达到构件变形减少或消除焊接变形。，6.2.3 制定合理的焊接工艺由于在焊接工字梁的时候，焊缝的长度
23、很长，所以工艺的好坏直接影响工字梁焊缝和变形产生是否。因此，对于手工电弧焊焊接的时候，宜采用对称逆向分段的焊接方法。把焊缝分为若干小段，每条焊缝的长度为1到2根焊条的长度（约200-300mm）。同时在焊接每一段的焊接方向皆与焊接总方向相反，选择技术较好且水平相近的4名焊工同时施焊，这样可将变形减小到最低限度。对于采用自动埋弧焊接时，一般情况下应先焊下翼板的二条角焊缝(如图xxx),再焊上翼板角焊缝，焊接方向要一致，焊接次数根据焊缝高度要求而定；多道焊时应制订翻身工艺，并加以测量，以便利用下一次焊接时采用焊接校正。7 二氧化碳气体保护焊简介7.1 简介二氧化碳气体保护焊简称“CO2”焊，它是利
24、用CO2气体作为保护的一种电弧焊接方法。7.2 焊机图7-1 CO2焊接结构图7.3 CO2气体保护焊特点CO2气体保护焊与手工电弧焊、埋弧焊等电弧焊比较，有如下特点：生产效率高：由于CO2焊的电流密度大，电弧热量利用率较高，焊后不需清渣，因此比手工电弧焊生产率高；.成本低：CO2气体价格便宜，且电能消耗少，降低了成本；.焊接变形小：CO2焊电弧热量集中，焊件受热面积小，故变形小；.焊接质量好：CO2焊的焊缝含氢量少，抗裂性好，焊缝机械性能好；.操作简便：焊接时可观察到电弧和熔池情况，不易焊偏，适宜全位置焊接，易掌握；适应能力强：CO2焊常用于碳钢及低合金钢，可进行全位置焊接。除用于焊接结构外
25、，还用于修理和磨损零件的堆焊，我公司主要用于阀体和阀座的连接焊，铸件补焊.缺点是：如采用大电流焊接时，焊缝表面成形不如埋弧焊，飞溅较多；不能焊接易氧化的有色金属。也不宜在野外或有风的地方施焊。7.4 CO2气体保护焊工艺参数为了保证CO2气体保护焊能获得优良的焊接质量，除了要有合适的焊接设备和焊接材料外，还应选择合理的焊接工艺参数，包括：焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊丝伸出长度、焊接速度、气体流量、电源极性及回路电感等八种工艺参数。7.4.1 焊丝直径焊丝直径根据焊件厚度、焊缝空间位置及生产率等条件来选择薄板或中板的立、横、仰焊时，多采用直径1.6mm以下的细焊丝。当平焊位置焊接中厚板时，可
26、采用直径大于1.6mm的粗丝。表7-1 不同直径焊丝的适用范围表丝径（mm）熔滴过渡形式施焊位置焊件厚度0.50.8短路过渡全位置1.02.5颗粒过渡平 位2.54.01.01.4短路过渡全位置2.08.0颗粒过渡平 位2.012.01.6短路过渡全位置3.0121.6颗粒过渡平 位67.4.2 焊接电流CO2保护焊时，焊接电流是最重要的参数。因为焊接电流的大小，决定了焊接过程的熔滴过渡形式，从而对飞溅程度、电弧稳定性有很大的影响，同时，焊接电流对于熔深及生产率，也有着决定性的影响。电流增大，熔深增加，熔宽略增加，焊丝熔化速度增加，生产率提高，但电流太大时，会使飞溅增加，并容易产生烧穿及气孔等
27、缺陷。反之，若电流太小，电弧不稳定，而产生未焊透，焊缝成形差。表7-2 不同丝径焊接电流选用范围表丝径（mm）焊 接 电 流 （A）颗 粒 过 渡（3045V）短 路 过 渡（1622V）0.8150250501001.0150300701201.2160350901501.62005001402002.03506001602502.45007501802807.4.3 电弧电压电弧电压也是重要的焊接工艺参数，选择时必须与焊接电流配合恰当。电弧电压的大小对焊缝成形、熔深、飞溅、气孔以及焊接过程的稳定性等都有很大影响通常细丝焊接时电弧电压为1624V，粗丝（1.6以上）焊接时电弧电压为2536V
28、。采取短路过渡形式时，其电弧电压与焊接电流的最佳配合范围见下表:表7-3 CO2短路过渡时电弧电压最佳范围焊接电流（A）电 弧 电 压（V）平 焊立焊和仰焊751201821.5181913017019.523.01821180210202418.52222026021251923.57.4.4 焊接速度焊接速度会影响焊缝成形、气体保护效果、焊接质量及效率。在一定的焊丝直径、焊接电流和电弧电压的工艺条件下，速度增快，焊缝熔深及熔宽都有所减小。如果焊速太快，则可能产生咬边或未熔合缺陷，同时，气体保护效果变坏，出现气孔。反之若焊速太慢，效率低，焊接变形大。通常，CO2半自动焊速在1530m/h范围
29、内；自动焊时，速度稍快些，但一般不超过40m/h。7.4.5 焊丝伸出长度焊丝伸出长度指从导电嘴到焊丝端头的距离。一般按下式选定： L= 10 d mm 丝径 焊丝伸出长度如果焊接电流取上限值，则伸出长度也可稍大一些。7.4.6 CO2气体流量其大小应根据接头形式、焊接电流、焊接速度、喷嘴直径等参数决定。通常细丝（1.6）焊接时，流量为515L/min；粗丝（1.6）焊时，流量1525L/min。7.4.7 电源极性CO2气体保护焊时，主要采用直流反极性连接，这种焊接过程电弧稳定，飞溅少、熔深大。而正极接时，因为焊丝为阴极，焊件为阳极，焊丝熔化速度快，而熔深较浅，余高增大，飞溅也较多，一般只用
30、于阀门堆焊或铸钢件的补焊。7.4.8 回路电感焊接回路中串联的电感量应根据焊丝直径、焊接电流、和电弧电压来选择。合适的电感，可以调节短路电流的增长速度，使飞溅减少，还可以调节短路频率，调节燃弧时间，控制电弧热量；电感值太大时，短路过渡慢，短路次数少，引起大颗粒的金属飞溅或焊丝成段炸断，造成熄弧或引弧困难；电压值太小时，短路电流增长速度快，造成很细的颗粒飞溅，使焊缝边缘不齐。表7-4 焊接回路电感量的选择焊丝直径（mm）焊接电流（A）电弧电压（V）电感量（mH）0.8100180.010.081.2130190.010.161.6160200.30.7通常，可采取试焊法，来调整电感量，当达到焊接
31、过程电弧稳定、短路频率较高，飞溅最小时，则此电感量值是合适的。上述8种参数中，主要是焊丝直径、焊接电流和电弧电压、焊接速度等几项，其它参数基本上变化不大。在选择焊接工艺参数时，应根据板厚、接头形式和焊缝空间位置，以及确定的熔滴过渡形式等来综合考虑，从而满足焊接质量和生产要求。参考文献1 王国凡.钢结构焊接制造M.北京：化学工业出版社，2004.2 张文钺.焊接冶金学 M.北京：机械工业出版社，1999(6).3 方洪渊.焊接结构学M.北京：机械工业出版社，2008（4）.4 王宗杰.熔焊方法及设备M.北京：机械工业出版社，2006（12）：97-132.5 宗培言.焊接结构制造技术与装备M.北京：机械工业出版社，2007（3）.6 周浩森.焊接结构设计手册M.北京：机械工业出版社，1987（12）.7 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第3卷）：焊接结构M.北京：机械工业出版社，2005.8 曾乐.现代焊接技术手册M.上海：上海科学技术出版社，1992.9 陈祝年.焊接工程师手册M.北京：机械工业出版社，2009.
