焊接Word文档格式.docx
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中
手
段
电弧热
电阻热
高能束
化学反应热
机械能
间接热能
涂料（焊剂）保护
气体保护
熔渣电阻
固体电阻
电
子
束
激
光
火
焰
热
剂
炸药
传热介质
工频
高频
气
体
液
固体
接触式
感应式
相
熔
化
不
加
压
力
弧
埋
钨弧
极焊
氩
等弧离焊子
熔体化保极护气焊
电渣焊
电子束焊
焊割
及
手
堆弧
焊堆
埋弧堆焊
水
下弧
电焊
点
碳
刨
钨
极堆氩焊弧
等
离堆
子焊弧
管电状弧焊堆丝焊
堆
点焊
缝焊
凸
电
工感阻
频应焊
容⌒
储放
能电
螺
柱
固
加压力不熔化
电阻对焊
电散阻焊扩
接触高频对焊
感应高频对焊
爆炸焊
摩擦焊
超声波焊
冷压焊
扩
散
加压力熔化
闪光对焊
兼
液相
电阻钎焊
感
高应
频钎
电子束钎焊
钎
炉
盐
浸浴
沾、
钎金
焊属
浴
离
喷
涂
焊喷火涂
扩共
散晶
钎钎
焊焊
4.2手工电弧焊
手工电弧焊是熔化焊中最基本的一种焊接方法。
它利用电弧产生的热熔化被焊金属，使之形成永久结合。
由于它所需要的设备简单、操作灵活,可以对不同焊接位置、不同接头形式的焊缝方便地进行焊接，因此是目前应用最为广泛的焊接方法。
手工电弧焊按电极材料的不同可分为熔化极手工电弧焊和非熔化极手工电弧焊。
非熔化极手工电弧焊如手工钨极气体保护焊。
溶化极手工电弧焊是以金属焊条作电极，电弧在焊条端部和母材表面燃烧的方法。
图4.2.1是手工电弧焊示意图，图中的电路是以弧焊电源为起点，通过焊接电缆、焊钳、焊条、工件、接地电缆形成回路。
在有电弧存在时形成闭合回路,形成焊接过程。
焊条和工件在这里既作为焊接材料，也作为导体。
焊接开始后，电弧的高热瞬间熔化了焊条端部和电弧下面的工件表面，使之形成熔池，焊条端部的熔化金属以细小的熔滴状过渡到熔池中去，与母材熔化金属混合，凝固后成为焊缝。
图4.2.1手工电弧焊示意图
手工电弧焊所用的设备需根据焊条和被焊材料选取。
电源分为交流电和直流电两种。
使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，应优先考虑选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；
使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，则应选用直流弧焊机。
购置能力有限而焊件材料的类型繁多时，可考虑选用通用性强的交、直流两用弧焊机。
当采用某些碱性药皮焊条时，如结507时，必须选用直流焊接电源，而且要注意此时应将电焊机的负极接工件，正极接焊条，称为直流反接法；
反之称为正接法。
如图4.2.2所示。
图4.2.2采用直流电焊接的极性接法
（a）正接法（b）反接法
4.2.1焊接电弧
焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈、持久的气体放电现象。
1
电弧的引燃
常态下的气体由中性分子或原子组成，不含带电粒子。
要使气体导电，首先要有一个使其产生带电粒子的过程。
产生中一般采用接触引弧。
先将电极（钨棒或焊条）和焊件接触形成短路（图4.2.3（a）），此时在某些接触点上产生很大的短路电流，温度迅速升高，为电子的逸出和气体电离提供能量条件，而后将电极提起一定距离（<
5mm图4.2.3（b））。
在电场力的作用下，被加热的阴极有电子高速逸出，撞击空气中的中性分子和原子，使空气电离成阳离子、阴离子和自由电子。
这些带电粒子在外电场作用下定向运动，阳离子奔向阴极，阴离子和自由电子奔向阳极。
在它们的运动过程中，不断碰撞和复合，产生大量的光和热，形成电弧（图4.2.3（c））。
电弧的热量与焊接电流和电压的乘积成正比，电流愈大，电弧产生的总热量就愈大。
图4.2.3电弧的引燃
⒉电弧的组成
焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成（图4.2.3（c））。
阴极区因发射大量电子而消耗一定能量，产生的热量较少，约占电弧热的36%，阳极表面受高速电子的撞击，传入较多的能量，因此阳极区产生的热量较多，占电弧热的43%。
其余21%左右的热量在弧柱区产生。
电弧中阳极区和阴极区的温度因电极的材料（主要是电极熔点）不同而有所不同。
用钢焊条焊接钢材料时，阳极区热力学温度约2600K，阴极区热力学温度约2400K，弧柱区热力学温度高达5000～8000K。
正接时，电弧热量主要集中在焊件（阳极）上，有利于加快焊件熔化，保证足够的熔深，适用于焊接较厚的工件。
反接时，焊条接阳极，适用于焊接有色金属及薄钢板，以避免烧穿焊件。
4.2.2焊接接头
焊缝以及其周围受不同程度加热和冷却的母材是焊缝的热影响区，总称为焊接接头。
⒈焊缝形成过程
熔焊焊缝的形成经历了局部加热熔化，使分离工件的结合部位产生共同熔池，再经凝固结晶成为一个整体的过程。
图4.2.4为焊缝形成示意图。
在电弧高温作用下，焊条和工件同时产生局部熔化，形成熔池。
熔化的填充金属呈球滴状过渡到熔池。
电弧在沿焊接方向移动中，熔池前部（②-①-②区）不断参与熔化，并依靠电弧吹力和电磁力的作用，将熔化金属吹向熔池后部（②-
③-②区），逐步脱离电弧高温而冷却结晶。
所以电弧的移动形成动态熔池，熔池前部的加热熔化与后部的顺序冷却结晶同时进行，形成完整的焊缝。
焊条药皮在电弧高温下一部分分解为气体，包围电弧空间和熔池，形成保护层。
另一部分直接进入熔池，与熔池金属发生冶金反应，并形成渣而浮于焊缝表面，构成渣保护。
2焊接冶金过程
电弧焊时，焊接区内各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程称为冶金过程。
象在小型电弧炼钢炉中炼钢一样，熔池中进行着熔化、氧化、还原、造渣、精练和渗合金等一系列物理化学过程。
焊接的冶金过程与一般的冶炼过程相比较，有以下特点：
温度远高于一般冶炼温度，因此金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，使气体的活性大为增强，导致金属元素烧损或形成有害杂质。
冷却速度快，熔池体积小，四周又是冷的金属，溶池处于液态时间很短，一般在10秒钟左右，图4.2.4电弧焊焊缝形成示意图
各种化学反应难以达到平衡状态致使化学1—已凝固的焊缝金属；
2—熔渣；
成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，3—熔化金属（熔池）4—焊条药皮燃烧产生的保护气体；
从而产生气孔和夹渣等缺陷。
5—焊条药皮；
6—焊条芯；
7—金属熔滴；
8—母材
由于上述特点，所以在焊接过程中如不加以保护，空气中的氧、氮和氢等气体就会侵入焊接区，并在高温作用下分解出原子状态的氧、氮和氢，与金属元素发生一系列物理化学作用：
Fe+O→FeO，4FeO→Fe3O4+Fe；
C+O→CO，C+FeO→Fe+CO；
Mn+O→MnO，Mn+FeO→Fe+MnO；
Si+2O→SiO2，Si+2FeO→2Fe+SiO2；
其结果是，钢中的一些元素被氧化，形成FeO·
SiO2、Mn·
SiO2等熔渣，使焊缝中C、Mn、Si等大量烧损。
当熔池迅速冷却后，一部分氧化物熔渣残存在焊缝金属中，形成夹渣，显著降低焊缝的力学性能。
氢和氮在高温时能溶解于液态金属内，氮和铁还可以形成Fe4N、Fe2N。
冷却后，一部分氮保留在钢的固溶体中，Fe4N则成片状夹杂物留存在焊缝中，使焊缝的塑性和韧性下降。
氢的存在则引起氢脆性，促进冷裂纹的形成，并且易造成气孔。
综上所述，为了保证焊缝质量，焊接过程中必须采取必要的工艺措施，来限制有害气体进入焊缝区，并补充一些烧损的合金元素。
手工电弧焊焊条的药皮、埋弧自动焊的焊剂等均能起到这类作用。
气体保护焊的保护气体虽不能补充金属元素，但也能起到保护作用。
4.2.3焊条
1.焊条组成和作用
焊条由焊芯和药皮两部分组成。
焊芯是金属丝，药皮是压涂在焊芯表面的涂料层。
⑴焊芯焊芯的作用，一是作为电极传导电流，二是熔化后作为填充金属与母材形成焊缝。
焊芯的化学成分和杂质含量直接影响焊缝质量。
生产中有不同用途的焊丝（焊芯），如焊条焊芯、埋弧焊焊丝、CO2焊焊丝、电渣焊焊丝等。
⑵药皮药皮的作用，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。
2.焊条分类
焊条按用途不同分为十大类：
结构钢焊条，钼和铬钼耐热钢焊条，低温钢焊条，不锈钢焊条，堆焊焊条，铸铁焊条，镍及镍合金焊条，铜及铜合金焊条，铝及铝合金焊条，特殊用途焊条等。
其中结构钢焊条分为碳钢焊条和低合金钢焊条两部分。
结构钢焊条按药皮性质不同可分为酸性焊条和碱性焊条两种。
酸性焊条的药皮中含有多量酸性氧化物（如SiO2，MnO2等），碱性焊条药皮中含有多量碱性氧化物（如CaO等）和萤石（CaF2）。
由于碱性焊条药皮中不含有机物，药皮产生的保护气体中氢含量极少，所以又称为低氢焊条。
3.焊条型号与牌号
焊条型号是国家标准中规定的焊条代号。
焊接结构生产中应用最广的碳钢焊条和低合金钢焊条，相应的国家标准为GB/T5117-1995和GB/T5118-1995。
标准规定，碳钢焊条型号由字母“E”和四位数字组成。
如“E4301”，其含义如下：
E4301
第三位和第四位数字组合时代表焊接电流种类和药皮类型，见表4.2.2
代表焊条适用的焊接位置（“0”、“1”适于全位置焊接，“2”适于平焊及平角焊，“4”适于向下立焊）。
代表熔敷金属抗拉强度不低于430Mpa。
代表焊条。
在我国已公布的碳钢焊条型号中，代表熔敷金属抗拉强度最小值的数字仅有“43”和“50”系列两种。
表4.2.1焊条用途类别与焊条牌号表示方法
名称
焊条牌号
结构钢焊条
钼及铬钼耐热钢焊条
低温钢焊条
不锈钢焊条
堆焊焊条
J×
×
R×
W×
G×
A×
D×
铸铁焊条
镍及镍合金焊条
铝及铝合金焊条
铜及铜合金焊条
特殊用途焊条
Z×
Ni×
L×
T×
TS×
焊条牌号是焊条生产行业统一的焊条代号。
表4.2.1为焊条用途不同的分类与对应牌号。
焊条牌号前的字母表示焊条类别，“×
”代表数字，前两位数字代表焊缝金属抗拉强度等级。
末尾数字表示焊条的药皮类型和焊接电流种类（表4.2.2）。
表4.2.3列举出部分常用碳钢焊条型号与对应的焊条牌号及数字含义。
表4.2.2焊条牌号末尾数字与焊条药皮类型及焊接电流种类之间的关系
末尾数字
药皮类型
焊接电流种类
不属已规定的类型
5
纤维素型
交流或直流正、反接
1
氧化钛型
6
低氢钾型
交流或直流反接
2
氧化钛钙型
7
低氢钠型
直流反接
3
钛铁矿型
8
石墨型
4
氧化铁型
9
盐基型
表4.2.3部分常用碳钢焊条型号与牌号对应表
焊条
型号
牌号
熔敷金属抗拉强度数值（≥）
药皮种类
类别
电流种类与极性
用途
kgf/mm2
MPa
E4301
J423
43
420
酸
性
条
较重要的碳钢结构
E5001
J503
50
490
E4303
J422
钛钙型
E5003
J502
E4311
J425
高纤维素钾型
一般碳钢结构
E5011
J505
E4320
J424
交流或直流正接
E4327
J424Fe
铁粉氧化铁型
E4315
J427
碱
重要碳钢、低合金钢结构
E5015
J507
E4316
J426
E5016
J506
E5018
J506Fe
铁粉低氢钾型
焊条型号是根据熔敷金属抗拉强度、药皮类型、焊接位置、电流种类及极性划分的，以便供用户选焊条时参考。
但同一种焊条型号可能有不同性能的几种焊条牌号与之对应，如J427和J427Ni属于同一种焊条型号E4315。
4.焊条的选用原则：
⑴等强度原则焊接低碳钢和低合金钢时。
一般应使焊缝金属与母材等强度，即选用与母材同强度等级的焊条。
⑵同成分原则焊接耐热钢、不锈钢等金属材料时，应使焊缝金属的化学成分与母材的化学成分相同或相近，即按母材化学成分选用相应成分的焊条。
⑶抗裂缝原则焊接刚度大、形状复杂、要承受动载荷的焊接结构时，应选用抗裂性好的碱性焊条，以免在焊接和使用过程中接头产生裂纹。
⑷抗气孔原则受焊接工艺条件的限制，如对焊件接头部位的油污、铁锈等清理不便，应选用抗气孔能力强的酸性焊条，以免焊接过程中气体滞留于焊缝中，形成气孔。
⑸低成本原则在满足使用要求的前提下，尽量选用工艺性能好、成本低和效率高的焊条。
此外，应根据焊件的厚度、焊缝位置等条件，选用不同直径的焊条。
一般焊件愈厚，选用焊条的直径就愈大。
4.2.4焊接接头的金属组织与性能
1.焊接工件上温度的变化与分布
焊接时，电弧沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热。
因此在焊接过程中，焊缝区的金属都是由常温状态开始被加热到较高的温度，然后再逐渐冷却到常温。
但随着各点金属所在位置的不同，其最高加热温度是不同的。
图4.2.5是焊接时焊件横截面上不同点的温度变化情况，由于各点离焊缝中心距离不同，所以各点的最高温度不同。
又因热传导需要一定时间，所以各点是在不同时间达到该点最高温度的。
但总的看来，在焊接过程中，焊缝受到一次冶金过程，焊缝附近区相当于受到一次不同规范的热处理，因此必然有相应的组织与性能的变化。
2.焊接接头金属组织与性能的变化
现以低碳钢为例，来说明焊缝和焊缝附近区由于受到电弧不同加热而产生的金属组织与性能的变化。
如图4.2.6，左侧下部是焊件的横截面，上部是相应各点在焊接过程中被加热的最高温度曲线（并非某一瞬时该截面的实际温度分布曲线）。
图中1、2、3等各段金属组织性能的变化，可从右侧所示的部分铁—碳合金状态图来对照分析。
工件截面图上已示出了相应各点的金属组织变化情况。
图4.2.5焊缝区各点温度变化示意图图4.2.6低碳钢焊接热影响区组织变化示意图
⑴焊缝金属焊缝金属的结晶过程，首先从熔池和母材的交界处开始，然后以联生结晶的方式，即依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的方式向熔池中心生长，形成柱状晶，如图4.2.7所示。
因结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成柱状的铸态组织，由铁素体和少量珠光体所组成。
因结晶是从熔池底壁的半熔化区开始逐次
进行的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析图4.2.7焊缝的柱状晶
集中在焊缝中心区，将影响焊缝的力学性能，因此对焊条或其他焊接材料应慎重选用。
焊接时，熔池金属受电弧吹力和保护气体吹动，使熔池底壁的柱状晶体成长受到干扰，因此柱状晶体呈倾斜层状，晶粒有所细化。
又因焊接材料的渗合金作用，焊缝金属中锰、硅等合金元素含量可能比基本金属高，所以焊缝金属的性能可不低于基本金属。
⑵焊接热影响区是指焊缝两侧因焊接热作用而发生组织性能变化的区域。
由于焊缝附近各点受热情况不同，热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区等。
①熔合区是焊缝和基本金属的交界区，相当于加热到固相线和液相线之间，焊接过程中母材部分熔化，所以也称为半熔化区。
熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化金属因加热温度过高而成为过热粗晶。
在低碳钢焊接接头中，熔合区虽然很窄（约0.1～1mm），但因强度、塑性和韧性都下降，而此处接头断面变化，引起应力集中，在很大程度上决定着焊接接头的性能。
②过热区被加热到Ac3以上100～200°
C至固相线温度区间，奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，因而过热区的塑性及韧性降低。
对于易淬火硬化钢材，此区脆性更大。
③正火区被加热到Ac3至Ac3以上100～200°
C区间，金属发生重结晶，冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其机械性能优于母材。
④部分相变区相当于加热到Ac1～Ac3温度区间。
珠光体和部分铁素体发生重结晶，使晶粒细化；
部分铁素体来不及转变，冷却后晶粒大小不匀，因此力学性能稍差。
从图4.2.6所示的性能变化曲线可以看出，在焊接热影响区中，熔合区和过热区的性能最差，产生裂缝和局部破坏的倾向性也最大，应使之尽可能减小。
4.2.5焊接应力与变形
金属构件在焊接以后，总要发生变形和产生焊接应力，且二者是彼此伴生的。
焊接应力的存在，对构件质量、使用性能和焊后机械加工精度都有很大影响，甚至导致整个构件断裂；
焊接变形不仅给装配工作带来很大困难，还会影响构件的工作性能。
变形量超过允许数值时必须进行矫正，矫正无效时只能报废。
因此，在设计和制造焊接结构时，应尽量减小焊接应力和变形。
⑴焊接应力与变形的产生原因：
焊接过程中，对焊接件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。
⑵焊接变形的基本形式：
常见的焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等五种形式（图4.2.8）。
图4.2.8焊接变形的基本形式
a）收缩变形b）角变形c）弯曲变形d）扭曲变形e）波浪变形
收缩变形是由于焊缝金属沿纵向和横向的焊后收缩而引起的；
角变形是由于焊缝截面上下不对称，焊后沿横向上下收缩不均匀而引起的；
弯曲变形是由于焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收缩较大而引起的；
扭曲变形常常是由于焊接顺序不合理而引起的；
波浪变形则是由于薄板焊接后焊缝收缩时，产生较大的收缩应力，使焊件丧失稳定性而引起的。
⑶减少焊接应力与变形的措施：
除了设计时应考虑之外，可采取一定的工艺措施，有预留变形量、反变形法、刚性固定法、锤击焊缝法、加热“减应区”法等。
重要的是，选择合理的焊接顺序，尽量使焊缝自由收缩。
焊前预热和焊后缓冷也很有效。
详细可参阅有关资料。
4.3其它焊接方法
4.3.1埋弧自动焊
埋弧焊（SAW）又称焊剂层下电弧焊。
它是通过保持在光焊丝和工件之间的电弧将金属加热，使被焊件之间形成刚性连接。
按自动化程度的不同，埋弧焊分为半自动焊（移动电弧由手工操作）和自动焊。
这里所指的埋弧焊都是指埋弧自动焊，半自动焊已基本上由气体保护焊代替。
⒈埋弧自动焊的焊接过程
如图4.3.1所示，埋弧自动焊时，焊剂由给送焊剂管流出，均匀地堆敷在装配好的焊件（母材）表面。
焊丝由自动送丝机构自动送进，经导电嘴进入电弧区。
焊接电源分别接在导电嘴和焊件上，以便产生电弧。
给送焊剂管、自动送丝机构及控制盘等通常都装在一台电动小车上。
小车可以按调定的速度沿着焊缝自动行走。
插入颗粒状焊剂层下的焊丝末端与母材之间产生电弧，电弧热使邻近的母材、焊丝和焊剂熔化，并有部分被蒸发。
焊剂蒸气将熔化的焊剂（熔渣）排开，形成一个与外部
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