2.3.0 概述 1 ．焊接的概念与特点

1. 焊接

2. 2．3 焊接 2.3.0概述 1．焊接的概念与特点 焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。通过焊接，被连接的工件在宏观上建立了永久性的连接，是由于被焊的两部分金属产生了原子之间的互相溶解与扩散，并形成了共同晶体。这是焊接和其他连接方法最基本的区别。目前，焊接技术已广泛应用于航空航天、石油化工、车辆、锅炉、起重设备、原子能、船舶、电子等领域。

3. 焊接具有以下特点： 　　⑴ 节省金属材料。焊接与铆接相比，可以节省金属材料15％～20％。由于节省了材料，金属结构的自重也得以减轻。 ⑵ 既能连接同类金属材料，又能连接部分不同类型的金属材料，可以制造双金属结构。 　　⑶ 能化大为小，以小拼大。在制造形状复杂的结构件时可先制造出零件较小的部分，然后用逐步装配焊接的方法以小拼大。 ⑷ 结构强度高，产品质量好。在多数情况下焊接接头都能达到与母材等强度，甚至接头强度高于母材的强度。因此，焊接结构的产品质量比铆接要好。 ⑸ 焊缝处密封性能好。 　　⑹ 由于焊接是一个不均匀的加热过程，焊后易产生焊接应力与变形，导致出现裂纹。

4. 2．焊接方法的分类 1) 熔化焊接 　　使被焊的母材局部加热熔化成液态，然后冷却结晶成一体的焊接方法称为熔化焊接。 按照加热热源形式的不同，熔化焊接的基本方法分为： 气焊(以氧—乙炔火焰或其它可燃气体燃烧火焰为热源)、 铝热焊(以铝热剂放热反应热为焊接热源) 电弧焊(以气体导电产生的电弧热为焊接热源) 电渣焊(以焊接熔渣导电时产生的电阻热为焊接热源) 电子束焊(以高速运动的电子束流为热源) 激光焊(以单色光子束流为热源)等若干种。

5. 2) 压力焊接 　　在焊接过程中，必须对焊件施加压力(加热或不加热)，以完成连接的焊接方法称为压力焊。 压力的性质可以是静压力、冲击力或爆炸力等。 大多数压力焊情况下，母材并不熔化，属于固相焊接。为了使固相焊接容易实现，大都在加压的同时伴随加热措施，但加热温度都低于母材的熔点。 　　压力焊接的基本方法有：冷压焊(焊接过程中不采取加热措施)、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、电阻点焊、电阻缝焊、电阻对焊、闪光对焊等。

6. 3) 钎焊 　　利用熔化的钎料作媒介，通过熔化钎料的润湿和毛细作用吸入或保持在两被焊件的间隙中，然后冷却结晶形成结合的连接方法称为钎焊。 钎焊并没有达到原子(或分子)间的连接，所以，如果严格从焊接概念上讲，钎焊不属于真正意义上的焊接，但习惯上我们也把它列为焊接范畴。 　　根据钎焊热源的不同，钎焊可以分为烙铁钎焊、火焰钎焊(利用氧—乙炔燃烧火焰作热源)、真空或充气感应钎焊(以高频感应电流产生的电阻热作热源)、电阻钎焊、盐浴钎焊(以高温盐浴为热源)、电阻炉钎焊(以电阻炉的辐射热为热源)等若干种。

7. 2.3.1 焊条电弧焊 1．焊接电弧 1) 电弧的本质 　　电弧并不是一般的燃烧现象，而是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电过程，是一种气体导电现象(如图2-47所示)。借助这种气体导电过程，电能转化为热能、机械能和光能。焊接时主要利用热能和机械能达到焊接金属的目的。

8. 焊条 阴极区 弧柱 阳极区 图2--47 焊接电弧示意图

9. 2) 电弧的构造 　　电弧由阳极区、阴极区和弧柱区组成，如图2-47所示。阴极区是一薄层空间，其热量主要由正离子碰撞阴极和电子复合释放的位能转化来，约占电弧总热量的36%。阳极区也是一薄层空间，其热量主要由电子的动能和逸出功转化而来，约占电弧总热量的43%。弧柱区热量主要由正负离子复合时释放的电离能转化而来，约占电弧总热量的21%。阴极和阳极的温度和材料的沸点有关，钢材焊接时，阴极表面温度约2400 K，阳极表面温度约2600 K，而弧柱中心温度可达6000 K以上。

10. 3) 焊接电弧的极性及其选用 　　采用直流焊接电源时，由于阳极区比阴极区的温度高，热量大，实际焊接有正接法和反接法两种接极方法。正接法指工件接正极，焊条接负极；反接法正好相反。一般情况下，焊接薄板时适合用反接法，焊接厚板时适合用正接法。 　　但采用交流焊接电源时，不存在正接与反接的区分。

11. 2．手弧焊的焊接过程 　　焊条电弧焊又叫手工电弧焊(或简称手弧焊)，焊接过程如图2-46所示。焊条加在焊钳上，当焊条与工件接触后，迅速将焊条提起，产生电弧，利用电弧产生的热量熔化母材和焊条形成熔池，熔池随着电弧向前运动，凝固后形成焊缝，形成的渣壳覆盖在焊缝上。

12. 1-焊件；2-焊缝；3-电弧；4-焊条；5-焊钳；6接焊钳的电缆；1-焊件；2-焊缝；3-电弧；4-焊条；5-焊钳；6接焊钳的电缆； 7-电焊机；8-接焊件的电缆 图2-46 焊条电弧焊过程

13. 1) 手工电弧焊的工艺特点 　　手工电弧焊具有以下优点： (1) 工艺灵活、适应性强。适用于碳钢、低合金高强钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等各种金属材料的平、立、横、仰各种位置以及不同厚度、结构形式的焊接。 (2) 接头质量好。与气焊及埋弧焊相比，焊接接头金相组织细、热影响区小、接头性能好。 (3) 设备简单、操作方便。 (4) 易于通过工艺调整来控制焊接变形和改善应力。

14. 　　其缺点如下： (1) 对焊工要求高。焊工的操作技术和经验直接影响焊接质量的好坏。 (2) 工人劳动条件差。由于是手工焊接，工人劳动强度大，而且还要受到高温、烟尘等危害。 (3) 生产率低。由于手工电弧焊一般选择的工艺参数小，焊接生产率较低。 　　其应用范围有：造船、锅炉及压力容器、机械制造、建筑结构、化工设备、起重机械、桥梁等制造维修行业。

15. 2) 手工电弧焊的工艺参数 　　焊接工艺参数是指焊接时为保证焊接质量而选择的诸物理量。选择合适的焊接工艺参数，对提高焊接质量和生产率是十分重要的。焊接工艺参数很多，在此只介绍焊接电源及极性、焊条直径、焊接电流等几个主要参数。 (1) 焊接电源种类和极性选择。手工电弧焊采用的电源有交流和直流两类。通常，酸性焊条可采用交、直流两种电源。碱性焊条由于电弧稳定性差，一般只能用直流焊机，对药皮中含有较多稳弧剂的焊条，也可以使用交流焊机。

16. (2) 焊条直径。焊条直径是指组成焊条的焊芯直径，焊条直径的选择应综合考虑焊件厚度(见表2)、装配间隙、焊接位置等因素。 表2 焊条直径与厚度的关系

17. (3) 焊接电流的选择。焊接电流是手工电弧焊最重要的工艺参数，也是焊接过程中惟一需要焊工调节的参数。焊接电流的选择主要由焊条直径、焊接位置和焊道层次来决定。 　　焊条直径越粗，选择的焊接电流应越大。每种直径都有一个最合适的电流范围(见表3)。也可以根据经验公式来选择：I=(35～55)d。式中，I为焊接电流(A)；d为焊条直径(mm)。

18. 表3 各种直径焊条使用电流参考值 　　在平焊位置焊接时，可选择较大的焊接电流，而横、立、仰位置焊接时，焊接电流应比平焊小10%～20%。通常打底焊时，要使用较小的电流；为提高生产率，填充焊要使用较大的焊接电流；盖面焊时，为防止咬边，能够获得成形美观的焊缝，使用的电流要稍小些。

19. 3．焊接设备 焊条电弧焊的主要设备是弧焊机。弧焊机分为直流弧焊机和交流弧焊机。直流弧焊机所供给焊接电弧的电流是稳定的直流电，具有电弧燃烧稳定的优点，焊接质量较好。但是直流弧焊机结构复杂，成本高，维修困难，噪声大，损耗大，适用于焊接较重要的工件。交流弧焊机所供给焊接电弧的电流是交流电，这种焊机的效率较高，结构简单，制造方便，成本较低，使用可靠，维护、保养容易，工作时噪声小，但电弧不够稳定。还有交直流可逆变电焊机。

20. 4．电焊条 1) 焊条的组成 (1) 焊芯。手工电弧焊时，焊芯有两个作用，一是作为电极传导电流和产生电弧，为焊接提供热量；二是受热熔化作为焊缝的填充金属，与熔化的母材熔合形成焊缝。根据被焊材料，应按照GB/T 14957—94《熔化焊用钢丝》等相应标准选择相应牌号的焊丝作焊芯。通常所说的焊条直径即是指焊芯直径。我国碳钢焊条直径有1.6、2.0、2.5、3.2、4.0、5.0、5.6、6.0、6.4、8.0等规格，常用3.2 mm、4 mm和5 mm三种。

21. 　　低碳钢焊芯中的含碳量，应在保证与母材基本等强度的情况下越少越好。焊芯含碳量升高，不仅会增大焊缝产生裂纹和气孔的倾向，而且使焊接过程飞溅加大，使焊接过程不稳定。低碳钢焊芯的含碳量一般应当低于0.10%。　　低碳钢焊芯中的含碳量，应在保证与母材基本等强度的情况下越少越好。焊芯含碳量升高，不仅会增大焊缝产生裂纹和气孔的倾向，而且使焊接过程飞溅加大，使焊接过程不稳定。低碳钢焊芯的含碳量一般应当低于0.10%。

22. (2) 焊条药皮。焊条的性能在极大程度上取决于药皮。药皮原材料的作用归纳起来主要有：稳弧、造渣、造气、脱氧、合金化、粘结和成型等。 　　应当指出，有时一种物质在焊条药皮中可能会同时具有几种作用，所以在设计焊条药皮配方，选择药皮原材料时，在考虑其主要作用的同时，还要考虑兼顾其次要作用。

23. 2) 焊条的分类 　　按用途焊条可分为：① 结构钢焊条：主要用于焊接碳钢和低合金高强钢；② 钼和铬钼耐热钢焊条：主要用于焊接珠光体耐热钢和马氏体耐热钢；③ 不锈钢焊条：主要用于焊接不锈钢和热强钢，可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢焊条两大类；④ 堆焊焊条：主要用于堆焊，以获得具有诸如红硬性、耐磨性、耐蚀性等性能的堆焊层；⑤ 低温钢焊条：主要焊接在低温下工作的焊接结构，其熔敷金属具有不同的低温性能；⑥ 铸铁焊条：主要用于铸铁构件的焊补；⑦ 镍及镍合金焊条：主要用于镍及镍合金的焊接，也可用于异种金属的焊接；⑧ 铜及铜合金焊：主要用于焊接铜及其合金，包括纯铜焊条和青铜焊条两类；⑨ 铝及铝合金焊条：主要用于焊接铝及铝合金；⑩ 特殊用途焊条。

24. 　　按药皮类型焊条可分为氧化钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢钾型、低氢钠型、石墨型和盐基型焊条等。　　按药皮类型焊条可分为氧化钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢钾型、低氢钠型、石墨型和盐基型焊条等。 　　按焊接熔渣的酸碱度焊条分为酸性焊条和碱性焊条。 酸性焊条溶渣中含有较多酸性氧化物。焊接时焊条的焊接工艺性好，焊缝成型美观、波纹细密。 碱性焊条药皮中含有较多大理石和氟石，并有较多铁合金。使用这类焊条焊接的焊缝含氢量低，故又称低氢型焊条，主要用于焊接性能要求高的重要结构。

25. 3) 焊条的国标型号与产品牌号 　　焊条国标型号是国家标准规定的焊条代号。结构钢焊条相应的标准是GB/T 5117—1995，表示方法为E××××□。E4303是酸性焊条，E5015是碱性焊条。 “E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属最小抗拉强度(kgf/mm2)；第三位数字表示焊条适用的焊接位置。其中，“0”、“1”适于全位置(平、立、横、仰)焊接，“2”适合平焊和平角焊，“4”适于立向下焊；第三位和第四位组合表示焊条药皮类型及焊接电源；“□”表示附加代号。

26. 　　焊条的产品牌号的编制方法：牌号最前面的字母表示焊条的大类(如结构钢焊条用“J”表示)；第一、二位数字表示各大类焊条中的若干小类，但对于结构钢焊条则表示焊缝金属的不同强度级别(单位为kgf/mm2)；第三位数字表示焊条药皮类型和适用的焊接电源种类(见表4)。例如，J422表示焊缝强度不小于420 MPa，氧化钛钙型药皮类型，可用直流或交流电源焊接的结构钢焊条。

27. 表4 焊条牌号中第三位数字的含义

28. 2.3.2 其他焊接方法 1 埋弧焊 　　埋弧焊是一种生产效率较高的机械化焊接方法，全称为埋弧自动焊，又称焊剂层下自动电弧焊。焊接时，焊机机头上的送丝机构将焊丝送入电弧区，电弧在焊剂下燃烧，小车带动焊丝均匀沿坡口移动(或机头不动，工件运动)。在焊丝前面，焊剂从漏斗中不断流出覆盖在待焊部位。埋弧焊过程如图3所示。

29. 焊丝 渣壳 焊剂 焊渣泡 熔深 熔池 焊缝 图3 埋弧焊的纵截面示意图

30. 1） 埋弧焊的特点 　　埋弧焊的主要优点如下： (1) 焊接质量高。由于熔渣的保护效果好，焊缝中的含氮量和含氧量大大降低；由于自动化水平较高，对工人的技术水平要求不高，焊缝成分稳定，焊接质量高。 (2) 生产效率高。一方面由于焊丝导电长度缩短，可以提高电流和电流密度；另一方面由于焊剂及熔渣的隔热作用，电弧基本没有热的辐射散失，热量集中，飞溅也小。一般不开坡口，单面一次焊接熔深可达20 mm。以厚度为8～10 mm钢板对接焊为例，单丝埋弧焊接速度可达30～50 m/h，而手工电弧焊则只有6～8 m/h。

31. (3) 工人劳动条件好。埋弧焊的电弧是埋在焊剂下面的。当焊丝在母材上引燃电弧时，电弧热使母材、焊丝和焊剂熔化和蒸发，蒸汽形成一个气泡，电弧就在这一气泡内燃烧，所以埋弧焊的电弧不可见，没有弧光辐射。另一方面，埋弧焊由于自动化水平高，降低了工人的劳动强度。

32. 　　埋弧焊的缺点如下： (1) 主要适用于水平面(或接近水平面)焊缝的焊接。由于埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成焊接及保护条件的，因此正常情况下不采取特殊工艺措施，难以实现横、立、仰焊。 (2) 难以焊接氧化性强的金属。由于埋弧焊用焊剂主要是MnO、SiO2等金属及非金属氧化物，因此难以焊接铝、钛等活泼性强的金属及合金。

33. (3) 只适用于长焊缝的焊接。由于调整时间长，设备较复杂，灵活性差，短焊缝的焊接体现不出埋弧焊生产率高的优点。 (4) 不适宜薄板焊接。由于埋弧焊焊接电弧的电场强度大，电流小于100 A时，电弧不稳定，因此，埋弧焊不适宜焊接厚度小于1 mm的薄板。 (5) 对气孔敏感性大。埋弧焊由于熔池较深，因此对气孔敏感性大。

34. 2）埋弧焊的应用 　　埋弧焊是现代工业制造中最常用的一种自动电弧焊方法。埋弧焊主要焊接各种钢板结构，可焊接碳素结构钢、低合金高强钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢及复合钢等。此外，用埋弧焊堆焊耐磨、耐蚀合金或焊接镍基合金及铜合金也是比较理想的。 　　埋弧焊可以应用于造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械、冶金机械等行业中。

35. 2 ．气体保护焊(CO2、氩气) 1）CO2气体保护焊 CO2气体保护焊是20世纪50年代初期发展起来的焊接方法，其焊接过程如图4所示。在焊接过程中，焊丝在送丝机构的推动下进入焊接区，CO2气体从喷嘴中喷出，排开空气形成保护。由于CO2气体保护焊具有很多优点，迅速获得广泛应用。

36. 减压器 流量计 焊丝盘 送丝软管 送丝机构 CO2气瓶 导电嘴 喷嘴 焊机 图4 CO2气体保护焊示意图

37. CO2气体保护焊的优点如下： (1) 焊接生产率高。CO2电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，焊接生产率可比手弧焊高1～3倍。 (2) 焊接成本低。由于CO2价格便宜，加之CO2气体保护焊的焊接能耗低，因此CO2气体保护焊的焊接成本只有埋弧焊和手弧焊的一半左右。　

38. (3) 焊缝抗锈能力强。由于CO2气体高温分解出的氧原子可以与氢结合成不溶于液态金属的氢氧根离子，因此CO2气体保护焊的焊缝含氢量低，抗裂性能好。 (4) 焊后不需清渣。CO2气体保护焊焊后无渣，又是明弧，便于监控。 (5) 适用范围广。CO2气体保护焊可以全位置焊接；可以焊接1 mm左右厚度的薄板，最厚几乎可以不受限制(多层焊)。

39. CO2气体保护焊的缺点如下： (1) 飞溅大。CO2气体保护焊过程中，由于CO2气体的导热性好，高温分解吸热以及电弧气氛的氧化性等因素，使CO2气体保护焊焊接飞溅大。CO2气体保护焊的飞溅是由CO2气体本身的性质决定的，而且焊丝越粗，飞溅越大。 (2) 合金元素的烧损严重。由于在焊接时电弧中存在着大量具有氧化性的CO2、CO和O2，因此合金元素的烧损比较严重。所以必须使用含有高合金化和脱氧剂元素的焊丝。焊接低碳钢和合金结构钢时，常用H08Mn2SiA焊丝。

40. CO2气体保护焊的应用 CO2气体保护焊主要用于焊接低碳钢、低合金钢的焊接。还可以焊接对焊缝要求不高的不锈钢。另外，CO2气体保护焊还可以用于堆焊、铸钢件的焊补以及电铆焊等。

41. 2．钨极氩弧焊 　　钨极氩弧焊通常又叫TIG焊或非熔化极氩弧焊，是利用氩气保护的一种气体保护焊，其焊接过程如图5所示。在焊接过程中，从喷嘴中喷出的氩气排开空气，在焊接区造成一个保护层，在氩气的保护下，电弧在钨极(金属钨或其合金棒)和工件之间燃烧。

42. 1-填充焊丝；2-氩气；3-喷嘴；4-鎢极；5-电弧；6-焊缝；7-工件；8-熔池1-填充焊丝；2-氩气；3-喷嘴；4-鎢极；5-电弧；6-焊缝；7-工件；8-熔池 图5 钨极氩弧焊示意图

43. 1) 钨极氩弧焊的特点 　　钨极氩弧焊具有如下优点： (1) 保护效果好，焊接质量高。氩气是惰性气体，既不与任何金属反应，也不溶于任何金属，焊接过程基本上是金属熔化和结晶的简单过程。 (2) 焊接变形小。与气焊相比，钨极氩弧焊焊接电弧热量集中、温度高，所以焊接热影响区窄，焊接变形小。 (3) 电弧稳定。由于氩气热导性差，对电弧的冷却作用小，因而电弧稳定。在各种气体保护焊中，氩弧的稳定性最好。

44. 　　其缺点如下： (1) 成本较高。由于氩气和钨极价格高，钨极氩弧焊的焊接成本高。目前一般只用于打底焊、不锈钢和有色金属的焊接。 (2) 不宜焊接厚板。由于钨极载流量有限，使电弧功率受到限制，致使焊接熔深小，焊接速度低，因此钨极氩弧焊一般只适宜焊接厚度小于6 mm的工件。 (3) 氩弧的紫外线强。氩弧产生的紫外线约为手工电弧焊的5～30倍，对焊工有害。

45. 2) 钨极氩弧焊的应用 　　几乎所有的金属都可用钨极氩弧焊焊接，特别适宜焊接化学性质活泼的金属，常用于铝、镁、铜、钛及其合金、不锈钢、高温合金等的焊接。

46. 3．熔化极氩弧焊 　　使用熔化电极的氩弧焊叫熔化极氩弧焊，简称MIG焊。如图6所示，焊接过程中焊丝在送丝滚轮的作用下通向焊接区，与母材产生电弧，熔化焊丝和母材形成熔池，氩气从喷嘴中喷出形成保护。

47. 1-送丝滚轮；2-氩气；3-喷嘴；4-鎢极；5-电弧；1-送丝滚轮；2-氩气；3-喷嘴；4-鎢极；5-电弧； 6-焊缝；7-工件；8-熔池 图6 熔化极氩弧焊示意图

48. 　　熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，除基本具备钨极氩弧焊的优点外，还具有以下特点：　　熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，除基本具备钨极氩弧焊的优点外，还具有以下特点： (1) 焊接生产率高。由于电极是焊丝，焊接电流可大大增加，可用于焊接厚板，焊接生产率高。 (2) 可直流反接。直流钨极氩弧焊一般只能正接，基本上无法焊接铝及其合金。熔化极氩弧焊可以直流反接，焊接铝及其合金时具有良好的阴极雾化作用。

49. 4. 压焊 压焊是指在焊接过程中必须对工件施加压力(加热或不加热)，以完成焊接的方法。加压可使两个焊件之间接触紧密，并在焊接部位产生一定的塑性变形，促使原子扩散而使二者焊接在一起。加热则进一步提高原子扩散能力，也使连接处晶粒细化。最常用的是 电阻焊。 1） 电阻焊 　　电阻焊的过程为：首先将两个焊件组合后通过电极施加压力，然后通电，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接。电阻焊又叫接触焊。

50. 1-固定电极；2-移动电极；3、9-焊件；4、8-熔核；1-固定电极；2-移动电极；3、9-焊件；4、8-熔核； 5-电极；6-焊缝；7-滚轮 图8 电阻焊示意图 (a) 对焊；(b) 点焊；(c) 缝焊