焊接成形(1、2节)

焊接成形是一种重要的材料加工工艺，它已广泛应用于机械制造、建筑、桥梁、交通运输、航空航天、石油化工、电力电子等工业部门。据统计，全世界年产量45%以上的钢和大量非铁合金都是通过焊接而付诸使用的。人们通过对焊接材料、焊接结构、焊接工艺、焊接设备等方面的研究，已将焊接技术发展成为一门的学科。随着各种新材料的开发和计算机技术的广泛应用，焊接技术将会迈上一个新的台阶。本章将主要介绍焊接原理、电弧焊、钎焊、电阻焊、焊接质量控制及焊接成形设备。

第一节  焊接原理

一、焊接的本质与特点

1．焊接的物理本质

焊接是指同种或异种材质的被焊工件，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使两分离工件的材质达到原子间的结合与扩散作用，从而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。

由此可知，焊接与其他连接方式不同，不仅在宏观上形成永久性的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系。固体材质在微观上是由各类键结合在一起的，就金属而言，是依靠金属键结合在一起的。

怎样才能实现焊接呢？从理论上讲，就是当两个被焊接的固体金属表面接近到原子晶格间距时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还常常有氧化膜、油污和水分等吸附层。这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。

为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下措施：

（1）对被焊接的材质施加压力，目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。

（2）对被焊材料加热（局部或整体），对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力；加热还会增加原子的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。

每种金属实现焊接所必须的温度与压力之间存在一定的关系，对于纯铁来讲，如图4-1所示。由图可见，金属加热的温度越低，实现焊接所需的压力就越大。当金属的加热温度TT2=TM（TM是金属的熔化温度）时，则实现焊接所需的压力为零，此即熔焊的情况（Ⅲ区）。

图4-1  纯铁焊接时所需的温度及压力

Ⅰ—高压焊接区  Ⅱ—电阻焊区  Ⅲ—熔化焊区  Ⅳ—不能实现焊接区

2．焊接成形的特点

（1）焊接是不可拆卸的永久性连接。

（2）可实现密封连接，因而可用于制造各类容器。

（3）可将大而复杂的结构分解为小而简单的坯料进行拼焊。焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。

（4）可实现不同材料的连接成形，从而充分发挥各种材料的性能优势。

（5）焊接结构件比铆接件、铸件和锻件重量轻。如采用焊接方法制造的船舶、车辆、飞机、飞船、火箭等运输工具，可以减轻自重，提高运载能力和行驶性能。

因焊接结构是不可拆卸的，更换修理部分零部件不便；并且焊接易产生残余应力，焊缝易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷而引起应力集中，降低承载能力，缩短使用寿命，甚至造成脆断。因此，应特别注意焊接质量，否则易造成恶性事故。

二、焊接方法及热源的分类

1．焊接方法的分类

根据焊接过程的工艺特点，可将焊接分为三大类：熔化焊、压力焊和钎焊。

其中熔化焊包括：电弧焊（手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊）、等离子弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊。

压力焊包括：电阻焊、摩擦焊、超声波焊、扩散焊、高频焊、爆炸焊等。

钎焊包括：火焰钎焊、炉中钎焊、浸沾钎焊、感应钎焊、电阻钎焊等。

不同的焊接方法通常采用不同的焊接热源。

2．焊接热源的种类及特性

（1）电弧热　利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，它是焊接热源中应用最为广泛的一种，如手工电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊（TIG、MIG）、活性气体保护焊(MAG、CO2焊)等。

（2）化学热　利用助燃和可燃气体（氧、乙炔等）或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为焊接热源（如气焊和热剂铸焊）。

（3）电阻热　利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源（如电阻焊和电渣焊）。采用这种热源所实现的焊接方法，机械化和自动化的程度较高，但需要有强大的电力。

（4）高频感应热　利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实质上也是电阻加热的另一种形式。由于这种加热方式热量高度集中，故可实现很高的焊接速度，如高频焊管等。

（5）摩擦热　由机械摩擦而产生的热能作为焊接热源（摩擦焊）。

（6）等离子焰　电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携带大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源（等离子焊接、切割和喷涂）。

（7）电子束　利用高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源。由于是在真空中焊接，故焊接质量很高。同时因热能高度集中，使焊缝的深宽比可达40以上，所以焊接热影响区很窄。

（8）激光束　经过聚焦、能量高度集中的激光束作为焊接热源，是将光能转变成热能进行焊接。

每种热源都有其本身的特点，在生产上均有不同程度的应用。然而，随着科学技术的进步，原有的焊接热源还在不断完善，如电弧、等离子弧、真空电子束和激光等；同时，还在大力开发新的焊接热源，如微波热、太阳能等。

各种焊接热源的最小加热面积、最大功率密度和正常焊接工艺参数条件下的热源温度等特性，如表4-1所示。

表4-1  各种热源的主要特性

所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下，被焊工件上（包括内部）各点在某一瞬时的温度分布。它可以用实测的方法或数值模拟计算的方法来获得。

1．焊接传热的基本形式

焊接时焊件受集中热源的局部加热，焊件上各点温差很大，因此，必然要发生不同形式和不同程度的热交换。对于焊接过程来说，传导、对流和辐射都存在。至于以哪一种传热方式为主，要根据具体的焊接工艺方法来确定。在电弧焊的条件下，电弧所产生的热能，主要是以辐射和对流的形式传给焊件，母材和焊条在获得热能以后，主要是以热传导的形式在内部进行扩散。

焊接传热过程研究的主要对象是焊件上的温度分布及其随时间变化的规律，也就是研究焊接件的温度场及其热循环，因此，主要是以热传导为主，适当考虑辐射和对流的作用。

2．焊接温度场的一般特征

焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化，而且是有规律地变化。焊接温度场各点的温度不随时间而变动时，称为稳定温度场；随时间而变动时，称为非稳定温度场。在绝大多数情况下，焊件上各点的温度是随时间变动的，因此焊接温度场应属非稳定温度场。

恒定热功率的热源固定作用在焊件上时（相当于补焊缺陷的情况），开始一段时间内，温度是非稳定的。但经过一段时间之后便达到了饱和状态，形成了暂时稳定的温度场（即各点的温度不随时间而变），把这种情况称为准稳定温度场。

对于正常焊接条件下的移动热源，经过一定时间之后，焊件上同样会形成准稳定温度场，这时焊件上各点温度虽然随时间而变化，但各点以固定的温度跟随热源一起移动，也就是说，这个温度场与热源以同样的速度移动。

根据焊件的尺寸和热源的性质，焊接传热可以是三维（空间传热）、二维（平面传热）和一维（线性传热）。对于厚大焊件在表面上堆焊，可以把温度场看成是三维的，这时可把热源看成是一个点（点热源），热的传播是沿三个方向，如图4-2a所示。一次焊透的薄板，温度场可以看成是二维的，可以认为在板厚方向没有温差，把热源看成是沿板厚的一条线（线热源），热的传播为两个方向（X、Y），属于平面传热，如图4-2b。细棒的电阻焊（或摩擦焊）对接、焊条或焊丝的加热，温度场均属一维。如果温度在细棒截面上的分布是均匀的，如同一个均温的小平面进行热的传播（面热源），此时的传热方向只有一个（X），见图4-2c。

图4-2  焊接温度场的分类

a）三维温度场  b）二维温度场  c）一维温度场

3．影响焊接温度场的因素

影响焊接温度场的因素很多，其中主要的有以下几个方面：

（1）热源的性质    焊接热源有许多种，如电弧、气体火焰、摩擦热、电渣焊的熔渣电阻热等等。热源的性质不同，焊接时的温度场也不同。以电弧焊为例，由于自由电弧和压缩电弧的热能集中情况不一样，焊接温度场的形状也不一样。电子束焊接时，能量极其集中，所以它的温度场范围很小，温度梯度很大；而氧乙炔气焊时，热源作用面积较大，因此，温度场的范围也较大，温度梯度也较小。在电弧焊条件下，25mm以上的钢板焊接时，就可以认为是点状热源；而100mm以上大厚度工件电渣焊时，却只能认为是线状热源。

（2）焊接工艺参数    同样的焊接热源，由于焊接工艺参数不同，焊接温度场也不同。

1）焊接速度υ的影响    如图4-3a所示，当热源能量（功率）q=常数时，随着焊接速度υ的增加，某一温度的等温线所包围的范围显著缩小，即其宽度和长度都变小，用等温线表示的温度场的形状变得细长。

2）热源能量q的影响    如图4-3b所示，当υ=常数时，随着q的增大，某一温度的等温线所包围的范围也随之增大。

当焊接线能量E=q/υ为常数时，同时增大q和υ，则此时会使等温线包围的范围被拉长，如图4-3c所示。

图4-3  焊接工艺参数对温度场的影响

（3）被焊金属的热物理性质    金属材料的热物理性质不同，也会影响焊接温度场的分布。材料的各种热物理性能参数都是温度的函数。焊接时的温度变化很大，温度分布极不均匀，因此给焊接温度场的精确计算带来了一定的困难。

在焊接温度场的计算中，为使问题简化，材料的热物理性能参数一般可采用在温度变化范围内的平均值。对于焊接工程中常遇到的典型金属材料，其热物理性能参数可参阅表4-2所示。

表4-2   某些金属材料热物理性能参数的平均值

所选用的焊接线能量E应比焊接低碳钢时要小。相反，由于铜和铝的热扩散性极好，相同等温线的范围很小，因此焊接铜和铝时应选用比焊接低碳钢更大的线能量。

（4）焊件的板厚及形状    焊件的板厚、几何形状和所处的状态（包括环境温度、预热及后热等）对传热过程有很大的影响，因此也影响温度场的分布。

1）板厚焊接结构    如图4-5所示，热源作用在Z=0表面的Ο点上，传热方向为X、Y、Z（三维空间传热）。这种情况下相当于点状热源，热的传播为半球体形，一般视为半无限体。根据经验，认为25mm厚度以上的低碳钢焊件（或20mm厚以上的不锈钢焊件），在手工电弧焊的条件下可视为厚大焊件。

2）薄板焊接结构   传热方向为X、Y（平面传热），热源为线状。手弧焊8mm厚以下的低碳钢或5mm厚以下的不锈钢可视为薄板，温度的分布如图4-6所示。

图4-5  厚大焊件表面移动点热源的温度场

（q=4200J/s  v=0.1cm/s  a=0.1cm2/s  λ=0.42J/（cm·s·℃））

图4-6  薄板焊接时的温度场分布

（q=4200J/s  v=0.1cm/s λ=0.42J/（cm·s·℃））

四、焊接接头的组织与性能

1．焊接热循环

在焊接加热和冷却过程中，焊缝及其附近的母材上某点的温度随时间变化的过程叫焊接热循环。它是描述焊接过程中热源对被焊金属的热作用。距焊缝不同距离的各点所经历的热循环是不同的，如图4-7所示。焊接热循环的主要参数有：加热速度、加热的最高温度、在相变温度以上的停留时间、冷却速度或冷却时间。对于低碳钢，温度在1100℃以上为过热区，500-800℃为相变温度区，t8/5为相应的冷却时间。

图4-7  距焊缝不同距离各点的热循环

（低碳钢，板厚20mm，手弧焊）

由图4-7可见，焊缝及其附近的母材上各点在不同时间经受的加热和冷却作用是不同的。在同一时间各点所处的温度也不同，导致组织和性能的不同。焊接热循环的特点是加热和冷却速度很快，对易淬火钢，易导致马氏体相变；对其它材料，易产生焊接应力、变形及裂纹。受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材中组织或性能发生变化的区域，称为焊接热影响区。熔化焊焊缝和母材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫熔合区，也称半熔化区。因此，焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成，如图4-8所示。

2．焊缝的组织和性能

热源移走后，熔池焊缝中的液体金属立刻开始冷却结晶，从熔合区中许多未熔化完的晶粒开始，以垂直溶合线的方式向熔池中心生长为柱状树枝晶（见图4-8）。这样，低熔点物质将会被推向焊缝最后结晶部位，形成成分偏析。宏观偏析的分布与焊缝成形系数（焊缝宽度比焊缝深度）有关，当焊缝成形系数较小时，易形成中心线偏析，从而产生热裂纹。

熔池液体金属凝固为焊缝金属的结晶过程，称为一次结晶。如在其后的冷却过程中固态的焊缝金属继续发生组织转变，则叫作二次结晶（如低碳钢一次冷却结晶形成奥氏体，二次结晶时奥氏体发生珠光体加铁素体的组织转变）。当钢中含碳量较高时，特别是合金含量高时，二次结晶有可能发生奥氏体向马氏体的转变，形成淬硬组织。

焊缝金属的宏观组织形态是柱状晶，晶粒粗大，成分偏析严重，组织不致密。但是，由于焊接是小熔池炼钢，冷却快，化学成分控制严格，碳、磷、硫等含量低，通过渗合金调整焊缝的化学成分，使其有一定的合金元素，这样焊缝金属的强度可与母材相当。

3．热影响区与熔合区的组织和性能

   热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不同。低碳钢的热影响区如图4-9所示，图4-9a为焊接接头各点最高加热温度曲线及室温下的组织图，图4-9b为简化的铁碳相图，图4-9c为热循环图。低碳钢的热影响区可分为：

图4-9  低碳钢焊接热影响区的组织与温度分布的关系

a）热影响区的组织分布  b）铁碳状态图  c）热循环

（图中Tm—峰值温度  TG—晶粒长大温度）

（1）过热区    温度在1100℃以上，晶粒粗大，塑性差，易产生过热组织，是热影响区中性能最差的部分。

（2）正火区    温度在850~1100℃，冷却时奥氏体发生珠光体加铁素体的组织转变，晶粒细小，性能好。

（3）部分相变区    因加热到700~850℃时，存在铁素体加奥氏体两相，其中铁素体在高温下长大，冷却时不变，最终晶粒较粗大。而奥氏体发生珠光体加铁素体的转变，使晶粒细化。此区晶粒大小不均，性能较差。

易淬火钢的热影响区为淬火区（AC3以上区域），部分淬火区（AC1至AC3区域）。由于焊后冷却速度快，易产生淬硬组织。对于焊前是调质的合金钢，热影响区为淬火区、部分淬火区和软化区（AC1至高温回火区的区域）。其中淬火区机械性能严重下降，易引起冷裂纹。

熔合区成分不均，组织为粗大的过热组织或淬硬组织，是焊接接头中性能最差的部位。

五、焊接缺陷

焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷等，如图4-10所示。这些缺陷减少焊缝截面，降低承载能力，产生应力集中，降低疲劳强度，引起构件断裂。其中危害最大的是焊接裂纹和气孔。

图4-10  常见的焊接缺陷

1．焊接裂纹

（1）热裂纹

1）热裂纹的特征　热裂纹如发生在焊逢区，在焊缝结晶过程中形成，叫结晶裂纹。如发生在热影响区，在加热到过热温度时因晶间低熔点杂质发生熔化而产生，叫液化裂纹，热裂纹的微观特征是沿晶界开裂，所以又称晶间裂纹。因热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。

2）热裂纹产生的原因　一般认为，产生热裂纹的原因有两个：

1晶间存在液态薄膜　在焊接过程中，焊缝结晶的柱状晶形态，会导致低熔点杂质偏析，从而在晶间形成一层液态薄膜。在热影响区的过热区，如晶界存在较多的低熔点杂质，也会形成晶间液态薄膜。

2接头中存在拉应力　由于液态薄膜还未建立强度，在拉应力的作用下很容易开裂，从而产生热裂纹。

3）热裂纹的防止　热裂纹是由于冶金因素和力的因素引起的。因此，防止热裂纹也从这两方面考虑，主要采取下列措施：

① 钢材和焊条、焊剂中的低熔点杂质，如硫和磷含量。Fe和FeS易形成低熔点共晶，其熔点为988℃，很容易产生热裂纹。

② 适当提高焊缝成形系数，防止中心偏析的产生。一般认为焊缝成形系数为1.3~2较合适。

3调整焊缝化学成分，避免低熔点共晶的产生，缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性，减少偏析。一般认为含碳量控制在0.10%以下，热裂纹敏感性大大降低。

4采取工艺措施以减少焊接内应力，如采用小线能量、焊前预热、合理的焊缝布置等。

5施焊时填满弧坑，以减小应力。

（2）冷裂纹

1）冷裂纹的形态和特性　焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹，常见冷裂纹的形态有三种，如图4-11所示。

图4-11  焊接冷裂纹的形态

1焊道下裂纹  在焊道下的热影响区内形成的焊接冷裂纹，常平行于熔合线发展，如图4-11 a。 

2焊趾裂纹  沿应力集中的焊趾处形成的焊接冷裂纹，在热影响区扩展，如图4-11 b。

3焊根裂纹  沿应力集中的焊缝根部所形成的焊接冷裂纹，向焊缝或热影响区扩展，如图4-11c。

冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型，表面冷裂纹无氧化色彩。最主要、最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。

2）延迟裂纹的产生原因　下列因素是产生延迟裂纹的主要原因：

1焊接接头（焊缝、热影响区及熔合区）的淬火倾向严重，产生淬火组织，导致接头性能脆化。

2焊接接头含氢量较高，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，使接头脆化。

3存在较达的拉应力。因氢的扩散需要时间，所以冷裂纹在焊后需延迟一段时间才出现。由于是氢所诱发的，也叫氢致裂纹。

3）防止延迟裂纹的措施

①选用碱性焊条或焊剂，减少焊缝金属中氢的含量，提高焊缝金属塑性。

②焊前清理一定要严格，焊条、焊剂要烘干，焊缝坡口及附近母材要去油水；除锈，减少氢的来源。

③工件焊前预热，焊后缓冷，可降低焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，并可减少焊接残余应力。

④采取减小焊接应力的工艺措施，如对称焊，小线能量的多层多道焊等。

⑤焊后立即进行去氢（后热）处理，加热到250℃，保温2~6h，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面。

⑥焊后进行消除应力的退火处理。

2．气孔

焊缝中气孔的产生是由于在熔池液体金属冷却结晶时，原来在高温下溶解在焊缝液体金属中大量的气体，随温度的下降导致溶解度的降低而析出。如图4-12所示，氢和氮在室温下几乎不溶入铁，但在1500℃以上的高温下，氮、氢在铁中的溶解度增大约40倍。这样在焊缝快速冷却下，气体来不及逸出熔池表面，由此导致气孔的产生。焊逢气孔有三种：

图4-12  氮、氢的溶解度随温度的变化

（1） 氢气孔   高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。

（2） 一氧化碳气孔   当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应：

FeO+C→Fe+CO↑

此时，若熔池已开始结晶，则CO将来不及逸出，便产生CO气孔。熔池氧化愈严重，含碳量愈高，越易产生CO气孔。

（3）  氮气孔   熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。

（4）  防止气孔的方法   焊条、焊剂要烘干，焊丝和焊缝坡口及其两侧的母材要清除锈、油和水；焊接时采用短弧焊，采用碱性焊条；CO2焊时，采用药芯焊丝；采用低碳材料等都可减少和防止气孔的产生。

第二节  电弧焊

    电弧焊是利用电弧作为焊接热源来进行焊接的。常用的电弧焊方法有：手工电弧焊、埋弧自动焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊、等离子弧焊等，下面分别予以介绍。

一、手工电弧焊

1．手工电弧焊的原理、特点和应用

（1）手工电弧焊的原理    手工电弧焊是用手工操作焊条进行焊接的一种电弧焊方法。手工电弧焊时，利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热熔化，焊芯端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合在一起形成熔池。焊条药皮熔化后形成熔渣并产生气体，在气、渣的联合保护下，有效地排除了周围空气的有害影响，通过高温下熔渣与熔池液态金属之间的冶金反应，得到优质焊缝。手工电弧焊过程如图4-13所示。当焊条向前移动时，焊条和工件在电弧热作用下继续熔化形成新的熔池，原先的熔池液态金属则逐步冷却结晶形成焊缝，覆盖在熔池表面的熔渣也随之凝固形成渣壳。

图4-13  手工电弧焊过程示意图

（2） 手工电弧焊的特点    手工电弧焊因电弧能量易于控制，适合于所有位置上的焊接，尤其适合于结构形状复杂、小零件、短焊缝和不规则焊缝的焊接。手工电弧焊设备一般较简单，所以设备投资少，且操作灵活，便于掌握和维护。它的主要缺点是生产效率低、劳动强度大、劳动条件差。

（3） 手工电弧焊的应用    目前，手工电弧焊广泛用于船舶、车辆、桥梁、建筑、锅炉、压力容器、石油化工、矿山机械、起重机械、冶炼设备、机械制造等行业的结构工程和产品制造中。由于焊条有多种类型，因此，手工电弧焊可焊接碳钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等多种材料。此外，还能对某些镍基合金、铜基合金、铸铁等进行焊接，并可实现耐磨、耐蚀、耐热合金的堆焊。

2．电焊条

（1）焊条的组成    焊条是指涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极，它由药皮和焊芯两部分组成。

1）焊芯    焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。它的主要作用是导电、产生电弧，以形成焊接热源，并且作为焊缝的填充金属。焊芯的直径一般为2~5mm。

2）药皮    压涂在焊芯表面上的涂料层称为药皮。药皮中含有多种矿物质，起着造气、造渣、对熔池机械保护、合金化和改善焊接工艺性能的作用。药皮成分决定了渣系特征，使焊条分为碱性焊条和酸性焊条两类。酸性焊条工艺性能好，而焊接质量较差；碱性焊条焊接质量高而工艺性能相对较差。

（2）焊条分类及其型号、牌号    焊条按用途划分（俗称牌号），有结构钢焊条（J）、钼和铬钼耐热焊条（R）、低温钢焊条（W）、不锈钢焊条（G或A）、堆焊焊条（D）、铸铁焊条（Z）、镍及镍合金焊条（Ni）、铜及铜合金焊条（T）、铝及铝合金焊条（L）和特殊用途焊条（TS）十类。焊条按特性分类（型号），有碳钢焊条（E）、低合金钢焊条（E）、不锈钢焊条（E）、堆焊焊条（ED）、铸铁焊条（EI）、铜及铜合金焊条（TCU）、铝及铝合金焊条（TAL）七类。碳钢、低合金钢焊条型号的标注一般用字母加4位数字。其中字母代表焊条类型，第一、二位数字代表熔敷金属的抗拉强度（单位为Mpa），第三位数字代表焊接位置，第四位数字代表焊条药皮类型及焊接电流类型。焊条牌号以字母加三位数字来表示。其中，字母代表焊条牌号类型，对于碳钢、低合金钢焊条第一、二位数字代表焊缝金属抗拉强度（Mpa），第三位数字代表焊接电流类型及药皮类型。

（3）焊条的选用原则    焊条的种类较多，合理地选择焊条对保证焊缝质量、提高生产率、降低生产成本都是十分重要的。选用焊条时，通常可依下列原则来考虑：①焊接件为结构钢时，应满足焊缝和母材等强度的要求，一般选择与母材同强度的焊条。②焊接件为特殊性能的合金钢时，通常选择与母材具有相近化学成分的焊条。③当焊件中含C、S、P较高时，应选择抗裂性、抗气孔较好的碱性焊条。④根据结构件的使用条件选用焊条。对工作在较差条件下（如受冲击、高温、交变应力等）的焊接结构件，应选择碱性焊条；而对在一般条件下工作的结构件，可选用酸性焊条。⑤对几何形状复杂、厚度大、刚性大的焊接结构件，在焊接时易产生较大的应力和引起裂纹，应选用碱性焊条。⑥对焊前难清理，且易产生气孔的焊件，可选用酸性焊条。⑦当现场缺乏直流弧焊电源时，应选用交直流两用焊条。⑧从提高焊接效率看，如有条件应尽可能选用高效率的铁粉焊条、重力焊条和下行焊条。

二、埋弧自动焊

１．埋弧自动焊的基本原理、特点和应用

（1）埋弧自动焊的基本原理    埋弧自动焊是指电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。如图4-14所示，在焊丝与焊件之间燃烧的电弧是埋在颗粒状焊剂下面的。电弧热将焊丝端部及局部的母材和焊剂熔化并使部分蒸发，金属和焊剂所蒸发的气体在电弧周围形成一个封闭空腔，电弧在这个空腔中燃烧。空腔被一层由熔渣所构成的渣膜所包围，这层渣膜不仅很好地隔绝了空气与熔池的接触，而且使弧光不能辐射出来。被电弧加热熔化的焊丝以熔滴形式落下，与熔融母材金属混合形成熔池。密度较小的熔渣浮在熔池之上，熔渣除了对熔池金属起机械保护作用之外，焊接过程中还与熔池金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的化学成分。电弧向前移动，熔池金属逐渐冷却结晶形成焊缝。浮在熔池上的熔渣冷却后，形成渣壳可继续对高温下的焊缝起保护作用，避免焊缝被氧化。

图4-14  埋弧焊焊缝形成过程

1—焊剂  2—焊丝  3—电弧  4—熔池  5—熔渣  6—焊缝  7—焊件  8—渣壳

（2）埋弧自动焊的特点    埋弧自动焊主要优点有：① 生产效率高，这是因为同手工电弧焊相比，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度显著提高，电弧的熔深能力和焊丝的熔覆效率都大大提高，单面一次焊透能力最高可达20mm；另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用，虽然熔化焊剂损耗了一部分能量，但电弧的热辐射损失、飞溅都很少，总的热效率仍然大大提高。这使埋弧自动焊的焊接速度大大提高，以厚度8mm的钢板为例，单丝埋弧自动焊焊速可达30~50m/h，若采用双丝或多丝埋弧自动焊，焊速还可提高1倍以上，而手工电弧焊焊速则不超过6~8m/h。②焊缝质量高，因为溶渣隔绝空气的保护效果好，电弧区的主要气体成分是CO2，焊缝金属中含碳量、含氧量大大降低；焊接工艺参数可通过自动调节保持稳定，对焊工的操作要求降低，焊缝成分稳定，力学性能比较好。③劳动条件好，除减轻操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是自动埋弧自动焊独特的优点。④与手工电弧焊比较，可以节省焊接材料。

埋弧自动焊的主要缺点有：①由于保护要求，需堆积颗粒状焊剂，因此，埋弧自动焊主要适用于水平面俯位焊缝焊接，也有采用特殊机械装置，保障焊剂堆敷在焊接区而不掉落，而实施埋弧横焊、仰焊，但应用均不普遍。②由于目前埋弧自动焊焊剂的成分主要还是MnO、SiO2等金属及非金属氧化物，同手工电弧焊一样，难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。③由于机动灵活性差，焊接设备也比手工电弧焊复杂，一般短缝显不出生产效率高的特点，故只适合于长焊缝的焊接。④埋弧自动焊电弧的电场强度较大，电流小于100A时，电弧的稳定性很差，因此不适宜焊接厚度小于3mm以下的薄板。

（3）埋弧自动焊的应用    自20世纪40年代以来，埋弧自动焊一直是工业生产中应用很广泛的一种自动电弧焊方法。尤其是在结构焊接方面，可焊接碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢及它们的复合钢板。因而在造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重及冶金机械制造业中都是主要的焊接生产手段。此外，用于镍基合金、铜合金焊接及耐腐蚀合金堆焊，也是十分理想的。

2．埋弧自动焊工艺

（1）单丝埋弧自动焊

1）焊前准备

①坡口设计及加工    根据单丝埋弧焊采用的范围，一般板厚小于14mm，可以不开坡口，但装配时可预留适当间隙；板厚为14~22mm，一般开V形坡口；板厚22~50mm时，开X形坡口。锅炉汽包等压力容器还常用U形或双U形坡口，以利于根部焊透并消除夹渣等缺陷。坡口加工法常采用刨边机、气割机等。

②焊前清理    工件或焊丝若有严重的锈斑、油污、氧化皮会造成气孔等缺陷，焊前应将其清除。

③装配点固    为保证间隙均匀和减少错边，装配时定位焊常常是必要的。直缝还需加引弧板及熄弧板。

2）焊接

①平板对接焊缝    常规单丝埋弧自动焊均采用双面焊接以保证焊透。主要困难是第一面焊接时既需足够熔深，又要防止熔池流溢或烧穿。具体实施方法有：

悬空焊接法   反面不加任何衬托装置，一般用于间隙小于1 mm且不开坡口的焊接。正面焊接电流小于反面焊接电流，焊速则相反。

焊剂垫法   这是双面埋弧自动焊比较好的方法，为使焊剂均匀贴紧焊件，可依靠焊件自重、气压、皮带张紧等方法，如图4-15所示。焊剂垫法可允许焊件预留较大间隙进行第一面焊接，其焊接电流也可取得较大，以使其熔深达到板厚的60%~70%。反面焊接时应注意清除根部焊渣。

图4-15  焊剂垫的结构实例

a）软管气压式  b）皮膜气压式  c）皮带张紧式

1—焊件 2—焊剂 3—帆布 4—充气软管 5—橡皮膜 6—压板 7—气室 8—皮带 9—带轮

其它工艺垫板法   薄钢带、石棉绳、石棉板等均可用作间隙对接焊缝的工艺垫板进行第一面焊接，此时焊剂将填满间隙，垫板经焊剂层间接承托熔池以保证第一面焊缝成形。

无法施行双面焊的厚板对接缝，常用手工电弧焊封底后再进行埋弧焊。这时一般用V形坡口，封底层厚度常大于8mm。

②角接焊缝    T形接头和搭接接头中的角焊缝可用船形位置或斜角位置两种方法进行埋弧焊。前者焊丝处于竖直状态，熔池处于水平对称位置，焊缝成形好，但要求装配间隙小于1.5mm，否则易产生烧穿或满溢。电弧电压不宜过高，否则易咬边。后者对装配间隙要求相对较低，但一次焊角高度小于8mm，焊丝与腹板夹角最好保持在200~300mm,为防止熔渣流出，电弧电压也不宜太高。

（2）单面焊双面成形埋弧自动焊

在一定的板厚、坡口及间隙条件下，采用适当的强制成形衬垫可以实现单面焊双面一次成形对接埋弧自动焊。这种施焊方法可以免除焊件翻转，提高生产效率。但由于受电弧能量密度的，埋弧自动焊只能在25mm以下板厚条件下实现单面焊双面成形。因板厚越大，单位焊缝长度能量输入越大，焊缝金属高温停留时间明显增加，焊缝金属组织粗大，韧性降低，故使其应用受到。

单面焊双面成形埋弧自动焊的关键是设计合理的强制成形衬垫装置，并使其紧贴焊缝背面。除前文所说的焊剂垫可用于薄板外，常用方法有以下三种。

1）龙门压力架——焊剂铜垫法    利用横跨焊件并带有若干个气压缸的龙门架，把焊件压紧在撒有焊剂的铜垫上进行埋弧自动焊，它是应用较为广泛的一种方法。压力架可为固定式或移动式的。焊件通常不开坡口，但必须预留一定装配间隙。以便通过它把细颗粒焊剂撒入铜垫成形槽中，然后进行焊接。装置间隙不均匀，铜垫与焊件未贴紧、成形槽中焊剂充填不均及焊接工艺参数不稳定会造成背面焊缝凹陷、咬肉或出现焊瘤等常见缺陷。

2）水冷滑块铜垫法    此法利用焊缝装配间隙将水冷短铜滑块贴紧在焊缝背面，并夹装在焊接小车上跟随电弧一起移动，以强制焊缝成形。滑块长度以保持熔池底部凝固不漏为宜。其主要缺点是滑块易磨损。

3）热固化焊剂垫法    热固化焊剂衬垫是由条状热固化焊剂和石棉布、瓦楞纸等制成的。商品化热固化焊剂衬垫做成600mm左右，使用时可用磁性马板等夹具固定在焊件背面。这样就可解决难以使用前述焊剂垫、水冷滑块的略带曲率的对接焊缝的单面焊双面成形。

为了提高埋弧焊的效率，现在已在生产中采用双丝、多丝埋弧焊、热丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊等工艺。

3．埋弧自动焊焊接材料

埋弧自动焊过程中需要消耗两种焊接材料，即焊丝和焊剂。

（1）焊丝    焊丝的作用就是引燃电弧和熔化后填充焊缝，并参与熔池中的冶金反应。埋弧自动焊焊丝与焊条芯相似，且属同一个国家标准。常用焊丝直径为1.6~6mm。焊丝应注意分类保管，防止混用、错用。使用前应注意清除铁锈及油污。

（2）焊剂    焊剂的作用与焊条药皮相似。因此，要求焊剂具有：保护电弧能稳定燃烧；P、S含量要低；对锈、油及其它杂质的敏感性要小，以防止焊缝中产生裂纹和气孔等缺陷；焊剂还要有合适的熔点，熔渣应有适当的粘度，以保证焊缝成形良好，且又具有良好的脱渣性；焊剂在焊接过程中析出的有害气体应尽可能少；吸潮性小，并具有适当粒度和足够的颗粒结合强度，以利于焊剂重复使用。

埋弧自动焊剂按熔渣碱度分为酸性、中性和碱性焊剂三大类。一般认为，酸性焊剂渣系中含酸性氧化物较多，碱性焊剂渣系中则含碱性氧化物较多，中性焊剂渣系成分则介于两者之间。同焊条药皮相类似，通常酸性焊剂具有良好的工艺性能，适用于交直流电源，但焊缝韧性特别是低温韧性较低；碱性焊剂相反；中性焊剂性能介于两者之间。

（3）焊丝和焊剂的选配    为获得高质量的埋弧自动焊接头，同时又尽可能降低成本，正确选配焊丝和焊剂是十分重要的。

低碳钢埋弧自动焊可选用高锰高硅型焊剂，配用H08MnA焊丝，或选用低锰、无锰型焊剂，配用H08MnA、H08Mn2焊丝，也可选用硅锰型烧结焊剂，配用H08A焊丝。低合金高强钢埋弧自动焊可选用中锰中硅或低锰中硅型焊剂，配用适当强度的低合金高强度钢焊丝。也可选用硅锰型烧结焊剂，配用H08A焊丝。耐热钢、低温钢、耐蚀钢埋弧自动焊时，应选用无锰或低锰、中硅或低硅型熔炼焊剂，或者选用高碱度烧结焊剂配用相近钢种的合金钢焊丝。铁素体、奥氏体等高合金钢埋弧自动焊时，一般选用高碱度烧结焊剂或无锰中硅中氟、无锰低硅高氟焊剂，配用适当的焊丝。有些焊剂特别适合于环缝（短渣型）、高速焊、堆焊等特殊场合。

三、钨极氩弧焊

1．钨极氩弧焊的原理、特点及应用

钨极氩弧焊是以钨棒为电极的气体保护电弧焊方法，钨棒在电弧中是不熔化的，故又称不熔化极氩弧焊或惰性气体保护焊，简称TIG焊。除用氩作保护气体外，也可采用氦或氦加氩混合气体保护，因氦气昂贵，故国内很少使用。图4-16为TIG焊示意图。焊接时，电弧和熔池金属都处于氩气保护之中，使其不受周围空气的有害作用，填充焊丝在钨极下方添加，焊薄件（厚度小于3mm）时，一般不需要开坡口和填充丝。TIG焊具有电弧稳定、气保护效果好、热量集中并易控制、飞溅少等优点。主要缺点是使用成本高、对焊前的除锈、油、水等工作要求高、焊接时抗风能力差、一般需要特殊引弧装置等。

图4-16  钨极氩弧焊示意图

1—喷嘴 2—钨极 3—电弧 4—焊缝 5—焊件 6—熔池 7—填充焊丝 8—氩气

钨极氩弧焊可焊接的材料范围广，几乎所有的金属材料都可进行钨极氩弧焊，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔的活性金属（如锆、钽、钼、铌等）和异种金属的焊接；目前钨极氩弧焊广泛用于飞机制造、原子能、化工、纺织等工业；钨极氩弧焊容易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成形，主要用于焊薄件或厚件的打底焊。钨极脉冲氩弧焊特别适合于薄件及全位置焊接。但由于钨极氩弧焊电极的载流能力有限，焊缝熔深浅，焊接速度低，所以钨极氩弧焊一般适于焊接厚度小于6mm的焊件。

2．各种电流钨极氩弧焊的特点及适用范围

钨极氩弧焊使用的电流有直流和交流两类。直流钨极氩弧焊又分有直流正接、直流反接和直流脉冲三种。交流钨极氩弧焊又分有正弦交流、矩形波交流两种。

（1）直流正接钨极氩弧焊    用直流正接（焊件接直流电源正极）焊接时，钨极接直流电源的负极，其发热量较小，因而不易烧损，对于同一直径钨极许用电流较大；由于焊件接电源正极，其发热量较大，获得的熔深大，生产率高。由于钨极为阴极，热电子发射能力强，电弧稳定，因此，大多数金属的焊接都选用直流正接。

（2）直流反接钨极氩弧焊    用直流反接（焊件接直流电源负极）焊接时，钨极接直流电源的正极，其发热量大，钨电极易过热熔化，所以同一直径的钨极许用电流要比直流正接小得多；焊件接负极发热量小，获得的熔深浅，一般不推荐使用。但是，这种接法具有去除焊件表面氧化膜的作用。这种作用称为“阴极雾化”或“阴极破碎”作用。去除氧化膜的机理是，熔池表面被质量大的正离子撞击，致使氧化膜破碎而被去除。焊接铝、镁及其合金时，极易生成一层难熔的氧化膜（Al2O3的熔点为2050℃，而Al的熔点仅为660℃）覆盖在熔池表面，如不及时清除，焊缝就易产生未熔合、气孔、夹渣及表面起皱等缺陷。生产实践证明，用直流反接焊接铝、镁及其合金时，其焊缝表面的氧化膜在“阴极雾化”或“阴极破碎”作用下被清除而显得光亮美观。

（3）直流脉冲钨极氩弧焊    焊接电流采用可控的脉冲电流（图4-17a）来加热焊件。当每一次脉冲电流（Im）来到时，焊件上就相应产生一个点状熔池，在基值电流（Ij）来到时，点状熔池金属冷却结晶形成一个焊点。基值电流的作用是维持电弧连续稳定燃烧。只要合理调节脉冲间歇时间tj（基值电流持续时间），保证相邻焊点之间有一定的重叠量，就可获得如图4-17b所示的连续焊缝。

图4-17  直流脉冲钨极氩弧焊电流波形及焊缝示意图

a）直流脉冲电流波形（矩形）  b）焊缝形状

Im—脉冲电流  Ij—基值电流  T—脉冲周期  tm—脉冲持续时间  tj—脉冲间歇时间  

采用脉冲电流，可以减小焊接电流的平均值，焊件可获得较低的热输入，故能焊薄板、超薄板构件。用它焊小于0.1mm薄板仍可获得满意结果。在焊接中厚板开坡口多层焊的第一层封底焊时，通过适当调节脉冲参数控制电弧能量，可以获得背面（根部）均匀熔透的打底焊道。另外，通过脉冲参数的调节还可以有效控制熔池体积，使熔池金属在任何空间位置都不致因重力而下流，因而，能很容易地实现全位置焊。

（4）正弦交流钨极氩弧焊    此方法主要用于焊接铝、镁及其合金和铝青铜。其特点是：焊接电流负半波（工件为负时），电弧有阴极清理作用，而焊接电流正半波（工件为正）时，工件发热量大，可形成较大熔深。此方法钨极的许用电流介于直流正极性和直流反极性之间。熔深也介于两者之间。电弧稳定性比直流正极性差一些。

（5）矩形波交流钨极氩弧焊    此方法是为了提高交流钨极氩弧焊的稳定性，以及保证既有满意的阴极清理作用又可获得较合理的两极热量分配而发展起来的一种焊接方法。具体做法是用不对称（负半波导通时间短）矩形波交流电源替代正弦交流电源，焊接电流波形如图4-18所示。

图4-18  不对称矩形电流波形

3．钨极氩弧焊工艺及参数选择

（1）焊前准备    通常4mm以下的板材对接焊，可采用不开坡口的I形接头单面一次焊透，装配间隙为零时可不必填充焊丝，否则需填充焊丝或改用卷边接头，后者适用于0.5mm以下薄板。4~6mm对接焊缝可采用不开坡口的I形接头双面焊。6mm以上，一般需开V或U、X形坡口。钝边高度以不超过3mm为宜，装配间隙也应以零为最佳，最大不宜超过3mm，这可节省填充金属，并可提高焊接生产率。

钨极氩弧焊时对焊件、焊接区及填充焊丝的除油和去氧化膜是保证焊接质量的重要步骤，必须给予充分重视。除油的主要方法是溶剂清洗，有条件时宜采用工业清洗剂加热水清洗，也可采用丙酮、汽油等有机溶剂；去氧化膜可用机械法或碱洗。不锈钢可用砂布打磨，铝合金宜用刮削或钢丝刷，铝镁焊丝及重要焊件应用碱洗法。

钨极氩弧焊时可用夹具或定位焊方法来保证接头装配精度。3mm以下薄件零间隙自动焊时，可不用垫板实现单面焊双面成形，否则应加垫板以防焊漏及背面焊缝不均匀。钢焊件常用铜垫板，铝及铝合金则可用不锈钢垫板。采用夹具夹紧时，应充分保证焊缝全长夹紧力均匀，以避免引起散热条件差异及焊缝成形不均匀，这在不锈钢薄板焊接时尤为重要，采用气压式琴键夹具是理想的办法。

（2）钨极氩弧焊工艺参数    钨极氩弧焊工艺参数包括焊接电流、钨极直径、弧长、电弧电压、焊速、保护气流量、喷嘴孔径等

1）焊接电流和钨极直径    焊接电流是决定钨极氩弧焊焊缝成形的关键因素，通常是根据焊件材质、板厚及坡口形状来选择，并通过实验来确定。钨极直径则应根据焊接电流大小决定。电流越大，钨极直径越大。

2）弧长和电弧电压    TIG焊实用弧长范围约为0.5~3mm，对应的电弧电压为8~20V。在自动焊、不加填充丝、小电流、工件变形量小时，弧长可取下限；手工焊、加填充细、大电流，工件变形量大时，则取弧长之上限，以防止短路而影响焊接过程及焊缝质量稳定性。弧长提高时，焊缝熔深减小。

3）焊速    它是另一个常用来调节钨极氩弧焊热输入和焊缝形状的重要参数。其选择应考虑焊接电流大小、焊件材质的热敏感性、焊接位置及操作方式等因素，最后由实验确定。

4）保护气体流量、喷嘴孔径与高度    保护气体流量、喷嘴直径大小与焊接电流和电源类型有关。电流越大，则要求气体流量、喷嘴孔径也越大。交流TIG焊时气体流量、喷嘴孔径要比直流大。喷嘴高度应尽可能低，一般自动焊时可控制在5mm左右，手工焊时为便于观察电弧位置，只能稍高一些，一般也以10mm为宜。这两个参数对焊区保护效果可依焊缝表面颜色加以区别。不锈钢保护最好时为银白色或金黄色，其次为蓝、红灰、灰，最差为黑色；钛合金焊缝表面保护最好时为亮银白色，其次为橙、蓝紫、青灰、最差的呈氧化钛粉状白色。

5）填充焊丝倾角  填充焊丝应从焊接方向前端送入，与焊件表面夹角以10~20°为宜。焊丝应在熔池形成后以恰当速度送入，以避免与钨极相碰。手工焊时以左手断续送丝，自动焊时可连续送进。

四、熔化极氩弧焊

1．熔化极氩弧焊的原理、特点及应用

（1）熔化极氩弧焊的原理    熔化极氩弧焊是在钨极氩弧焊基础上发展起来的一种焊接方法。以连续自动送进并可熔化的焊丝取代钨极即成为熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊示意图如图4-19。

图4-19  熔化极氩弧焊示意图

1—焊丝盘 2—送丝滚轮 3—焊丝 4—导电嘴 5—喷嘴 

6—保护气体 7—熔池 8—焊缝 9—电弧 10—焊件

以Ar或Ar+He混合气体作保护气体时称 MIG焊接。如果用Ar+O2、Ar+CO2或者Ar+CO2+O2等混合气体作保护气体时，则称MAG焊接。

（2）熔化极氩弧焊的特点    熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比具有的优点是：① 熔化极氩弧焊采用焊丝作电极，电流密度可大大提高。因而母材熔深大、焊丝熔化速度快、比TIG焊具有更高的生产率，适用于中等厚度板材的焊接。②采用惰性气体保护，电弧燃烧稳定，熔滴过度平稳，几乎无飞溅，焊接质量好。③和TIG焊一样，几乎可焊接所有的金属，尤其适合于焊接铝及铝合金、铜及铜合金以及不锈钢等材料。④ 熔化极氩弧焊焊接铝及铝合金时，一般采用直流反接，具有良好的阴极雾化作用。可实现亚射流过渡，其电弧具有很强的固有调节作用。缺点是对工件清理要求非常严格，否则易产生气孔；抗风能力差，只能在室内焊接；不如TIG焊灵活和轻便，焊接设备也较复杂。

（3）熔化极氩弧焊的应用    熔化极氩弧焊适用于焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热合金钢、铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金等。焊接钛合金时，除要求正面保护 良好外，焊缝背面也需以惰性气体保护。熔化极氩弧焊适于各种位置焊接。其可焊板厚最薄可达1mm，最厚没有。

2．常用熔化极氩弧焊工艺

（1）射流过渡氩弧焊    熔化极氩弧焊时，对于一定的焊丝和保护气体，当焊接电流增大到射流过渡的临界值，且匹配合适的电弧电压时，便可实现稳定的射流过渡焊接。射流过渡时，电弧呈钟罩形，如图4-20所示。电弧状态及其参数非常稳定，发出特有的“咝咝”声响。同时电弧热流和压力均集中于电弧轴线附近，熔透能力很强，生产率高。但在大电流下存在着焊缝起皱、气体保护变差以及“指状”熔深等问题。

图4-20  射流过渡的电弧形态

1—焊丝  2—电弧  3—熔滴  4—工件

（2）铝合金亚射流过渡氩弧焊    铝及其合金熔化极氩弧焊时，若采用较射流过渡时低一些的电弧电压，则可见弧长变短，电弧在焊丝端头逐渐向外侧扩展形成碟状，如图4-21a虚线所示，并发出轻微的“啪啪”声，此时焊丝端部逐渐变钝，甚至会出现焊丝末端的熔滴上挠，使熔滴过渡频率减小，过渡的熔滴尺寸增大，这种熔滴过渡形态称之为亚射流过渡形式。图4-21b指出了在采用恒流特性电流进行熔化极氩弧焊时，不同熔滴过渡形态与可见弧长的关系。

图4-21  亚射流过渡的电弧形态与可见弧长范围

a）电弧形态  b）可见弧长范围

（规范条件：铝合金焊丝，φ1.6mm，焊接电流250A，直流反极性）

采用亚射流过渡焊铝时具有如下特点：①与射流过渡相比，由于弧长减小，电弧呈碟形，所以阴极雾化区大，降低了铝及铝合金焊接时的焊缝起皱及形成黑粉的倾向。②采用恒流外特性电源，当弧长在一定范围内变化时，焊接电流始终不变。因此焊缝成形比较均匀。③射流电弧的焊缝熔深为“指形”，而亚射流电弧的焊缝熔深为“碗形”，避免了指形熔深引起的熔透不足等缺陷。

（3）脉冲喷射过渡氩弧焊    熔化极脉冲喷射过渡氩弧焊和连续喷射过渡氩弧焊的主要区别在于焊接过程采用脉冲电流代替恒定直流。因此，在脉冲喷射过渡氩弧焊时，脉冲电流的导通及熔滴过渡是呈间歇进行而又可控的。当脉冲电流导电时，其峰值电流应大于产生喷射过渡的临界电流值，此时电弧成形相似于连续喷射过渡的电弧成形，对焊丝和焊件进行强烈的加热熔化，促使熔滴过渡与熔池形成。在脉冲电流间歇的时间，由于导通的是小的基值电流，其主要作用是维持电弧的导电状态，并能对焊丝进行一定的预热，此时电弧形态细且暗，脉冲电流通过时形成的熔池将产生散热与冷凝。

脉冲喷射过渡氩弧焊与连续喷射过渡氩弧焊相比：①电流调节范围宽。采用脉冲电流，可在平均电流小于临界电流值的条件下获得喷射过渡。因而脉冲喷射过渡氩弧焊的工作电流范围包括了从短路过渡到射流过渡所有的电流区域，既能焊接厚板，又能焊接薄板。特别是可采用较粗焊丝来焊接薄板，不仅送丝稳定，而且降低了焊丝成本。②有利于实现全位置焊接。因为母材热输入低，熔池体积小。加上熔滴过渡和熔池金属的加热是间歇的，所以熔池金属不易流淌。此外，由于电弧力与电流的平方成正比，在脉冲电流作用下，熔滴的过渡力强，轴向性比较好，不论是仰焊或立焊都能迫使金属熔滴沿电弧轴线向熔池过渡，焊缝成形好，飞溅损失小。所以进行全位置焊接时，在控制焊缝成形方面脉冲氩弧焊比普通氩弧焊有利。③可有效控制输入热量，改善接头性能。在焊接高强钢及某些铝合金时，由于这些材料热敏感性较大，因而对母材输入的热量有一定的。采用脉冲电弧，即可使母材得到较大的熔深，又可控制平均电流在较低的水平。焊缝金属及热影响区过热都比较小，使焊接接头具有良好的韧性，减小了产生裂纹的倾向。此外，脉冲电弧还具有加强熔池搅拌的作用，可以改善熔池冶金性能以及有助于消除气孔等缺陷。

（4）混合气体保护焊    气体保护焊中保护气体的特性不仅影响保护效果，而且影响电弧形态、熔滴过渡、焊接熔池冶金特性以及焊缝成形与质量。实践证明，用两种或两种以上气体混合进行气体保护焊比用单一氩气具有更大的优越性。通过调整混合气体的成分和比例，可以控制焊接电弧的形态和能量密度，提高电弧燃烧及熔滴过渡的稳定性，改善焊缝成形，减少焊接变形，提高焊缝接头的综合性能。目前，常用的混合气体有Ar+He、Ar+w（O2）为1%~5%、Ar+w（CO2）为20%~30%、Ar+w（CO2）为15%+w（O2）为5%、Ar+w（N2）为20%、Ar+w（H2）为6%。

五、CO2气体保护焊

1．CO2气体保护焊的原理、特点及应用

（1）CO2气体保护焊的原理   CO2气体保护焊是采用CO2气体作为保护介质的电弧焊方法，其焊接过程如图4-22所示。其原理与熔化极氩弧焊相似，不同之处是保护气体为CO2。

（2）CO2气体保护焊的特点    主要优点：①CO2焊是一种高效节能、经济的焊接方法。由于CO2来源广、价格低，所以CO2电弧焊的焊接成本只有埋弧自动焊和手工电弧焊的40%~50%。具统计，厚度为3mm的低碳钢对接焊缝，每米焊缝消耗的电能仅为手工电弧焊的70%左右。②焊接生产率高。CO2气体保护下的电弧热量集中，穿透力强，焊缝熔深大。厚板焊接时，可以减少焊接层数，角焊缝时的焊角尺寸也可以相应减少。相同的焊丝直径，CO2保护焊较埋弧自动焊可采用高得多的电流密度，所以焊丝的熔化系数大，利于高速焊接。焊接时无焊渣产生，在多层焊时可以不必层间清渣。③抗锈能力强。CO2具有很强的氧化性，故在焊接低合金钢时焊缝的含氢量极低，不仅可以防止冷裂纹和氢气孔的产生，也大大降低了对工件的清理要求。④焊接变形小。CO2电弧能量集中，易实现高速焊接，故热影响区窄、焊接变形小，适于薄板的焊接。⑤明弧操作，易于实现焊接过程的机械化和自动化。主要缺点是：①与手工电弧焊和埋弧自动焊相比，焊缝成形不够美观，飞溅较大；②抗风能力差，给室外作业带来一定困难；③弧光较强，焊接时必须注意劳动防护；④与手工电弧焊相比，设备较复杂，需要专门人员来维修。

（3）CO2气体保护焊的应用    CO2焊接在当前已被公认为是一种高效率、低成本、节省能源的焊接方法，在一些发达国家中，CO2焊接应用已占整个焊接生产的60%以上。它主要应用于低碳钢和低合金高强钢的焊接，耐热钢和不锈钢也有应用。可焊工件厚度范围达到0.5~150mm。此外，还可以进行CO2气体保护堆焊、点焊、窄间隙焊、螺柱焊等。

2．CO2气体保护焊的焊接材料

（1）CO2    焊接用的CO2纯度对焊缝金属的致密性有较大的影响。对于焊接来说，CO2气体中的主要杂质是水分和氮气。氮气一般含量较小，危害大的是水分。对焊接用CO2气体的要求，目前我国尚无国家标准。国外多数国家规定，焊接用CO2的纯度不低于99.5%，近几年有些国家提出了更高标准，要求CO2的纯度大于99.8%，露点低于–40℃（注：露点–40℃，即CO2气体中的水分的质量分数为0.006%）。

（2）焊丝    CO2气体保护焊焊丝有普通实心焊丝、表面活化焊丝和药芯焊丝三种。其中实心焊丝应用较广，药芯焊丝其次。这主要是因为普通实心焊丝制造方便、价格低廉。由于焊接时，保护气氛CO2具有很强的氧化性，CO2焊丝必须含有足够的脱氧元素硅和锰。常用实心焊丝的型号有H08Mn2SiA、H10MnSi、H04MnSiTiA等。药芯焊丝由于采用了在管状焊丝中填充了类似与弧焊焊条药皮的药粉，使焊接时电弧的稳定性大大提高，从而可以改善焊缝成形，降低飞溅，提高接头质量，因此药芯焊丝在有些部门（如船厂）已得到推广应用。药芯焊丝的主要缺点是成本高、易吸潮，对送丝机构要求高，焊接时需要清渣。

3．常用CO2气体保护焊工艺

（1）短路过渡CO2气体保护焊    这种工艺是CO2气体保护焊中应用最广的。它是在细焊丝、低电压、小电流的条件下实现的。焊丝直径一般为ф0.6～1.4mm，直径大于ф1.6mm的焊丝，如再采用短路过渡形式焊接，飞溅会相当严重，所以很少应用。

短路过渡时采用低的电弧电压、小的焊接电流，可使得电弧加热范围小，熔池体积小，再加上短路过渡时电弧周期性燃烧和熄灭的特点，所以特别适合于焊接薄板及全位置焊缝的焊接。焊接薄板时，变形小，生产率高，而且操作上容易掌握，对焊工技术水平要求不高。此外，还由于焊接线能量小，焊接过程中光辐射、热辐射以及烟尘等都比较小，因而容易在生产上得到应用和推广。

（2）细颗粒过渡CO2气体保护焊    CO2气体保护焊对于一定直径的焊丝，当电流增大到一定数值并配以适当的电弧电压后，焊丝金属熔滴以较小的颗粒自由过渡到熔池中去，把它称之为细颗粒过渡。细颗粒过渡时的电弧电流大，穿透力强，母材熔深大，适合于焊接中等厚度及大厚度工件。

细颗粒过渡采用较粗的焊丝，选择较大的焊接电流和适当的电弧电压。焊丝直径目前以Ф1.6mm和Ф2mm用的最多。据实验，Ф3mm以上的焊丝焊接，其生产率可比埋弧自动焊高0.5~1倍。

细颗粒过渡CO2气体保护焊的优点是生产率高、成本低。只要工艺参数选择适当，焊缝成形和焊缝的力学性能是满意的，气孔也是可以防止的。但焊接时的飞溅、喷嘴堵塞情况比短路过渡时要严重。此外，当焊接电流达到600~700A时，光辐射和热辐射十分强烈，劳动强度大。

六、等离子弧焊接

1．等离子弧及其特点

（1）等离子弧    等离子弧是一种压缩电弧。通常可将产生钨极氩弧的钨电极缩入焊喷嘴内部，在喷嘴中通以等离子气（一般是氩气），强迫电弧通过喷嘴的孔道，借助水冷喷嘴的外部拘束条件，使电弧的弧柱横截面受到压缩，电弧的温度、能量密度、等离子流速都显著增大，这就形成了等离子弧。等离子弧按电源供电方式不同分为非转移型、转移型和联合型三种形式。

1）非转移型等离子弧    如图4-23a所示，钨极接电源负极，喷嘴接正极，而工件不参与导电。电弧是在钨极和喷嘴之间产生，温度和能量密度较低，主要用于喷涂以及焊接、切割较薄的金属或对非导电材料进行加热。

2）转移型等离子弧    如图4-23b所示，钨极接电源负极，工件接正极，等离子弧在工件与钨极之间产生。它难以直接形成，必须先引燃非转移弧，然后使电弧另一极从喷嘴转移到工件上同时切断非转移弧。这种等离子弧温度和能量密度较高，常用于切割、焊接和堆焊。

3）联合型等离子弧    如图4-23c所示，这种电弧是转移弧和非转移弧同时存在，需要两个电源供电。它主要用于小电流、微束等离子弧焊接及粉末堆焊。

（2）等离子弧的特点    等离子弧的特点是电弧温度高、能量密度大、电弧挺度好。

图4-23  等离子弧类型

a）非转移型  b）转移型  c）联合型

1—工件  2—等离子弧  3—冷却水  4—离子气  5—电极  6—喷嘴

普通钨极氩弧的最高温度为10000~24000K，能量密度小于104W/cm2。等离子弧温度高达24000~50000K，能量密度可达105~106W/cm2。等离子弧温度和能量密度提高的原因是：①水冷喷嘴孔径限定了弧柱横截面积，使之不能自由扩大。这种拘束作用称为机械压缩作用；②冷气流和喷嘴水冷作用，使靠近喷嘴内壁的气体受到强烈的冷却作用，其温度和电离度迅速下降，迫使电流集中到弧柱中心的高温、高电离度区。这样，与喷嘴冷壁接触的弧柱四周就产生一层电离度趋于零的气膜，从而使弧柱导电横截面积进一步减小，电流密度进一步提高。对电弧的这种压缩作用，称为热压缩作用；③弧柱电流线之间的电磁压缩作用，称为磁压缩作用，也进一步压缩弧柱导电截面，使弧柱温度及能量密度进一步提高。以上三个因素中，喷嘴的机械拘束是前提条件，而热压缩则是最本质、最重要的原因。

等离子弧温度和能量密度的显著提高，使等离子弧的稳定性和挺度得以改善，对母材的冲击力增大。自由电弧的扩散角约为45º，等离子弧约为5º左右。这是因为压缩后从喷嘴孔喷射出的等离子弧带电质点运动的速度明显提高所致，其速度最高可达300m/s，它与喷嘴结构、离子气种类、流量等有关。

2．等离子弧焊接

等离子弧与钨极氩弧相比，具有很多优点。但是，目前等离子弧焊接的应用，却不如TIG焊广泛，其主要原因是等离子弧焊接的稳定性及重现性问题尚未得到满意的解决。随着焊接技术的发展和进一步深入研究，等离子弧焊接必将会得到新的发展和更为广泛的应用。

等离子弧焊接按工艺特点不同可分为穿孔型等离子弧焊接、熔入型等离子弧焊接、微束等离子弧焊接、脉冲等离子弧焊接、熔化极等离子弧焊接和变极性等离子弧焊接六种，现分别作一简单介绍。

（1）穿孔型等离子弧焊接    利用等离子弧把工件完全熔透，并在等离子流力作用下在熔池头部形成一个穿透工件的小孔，在孔的下方露出弧焰，如图4-24所示，熔化金属被排挤在小孔的周围。随着电弧的移动，熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动，熔化金属不断填满小孔，冷凝后形成焊缝，这就是穿孔型（又称小孔型）焊接法。此法的焊缝截面通常具有明显的酒杯形特征。该方法不采用衬垫即可实现单面焊双面一次成形。

图4-24  穿孔型等离子弧焊接焊缝成形的特点

（2）熔入型等离子弧焊接    此法基本上与钨极氩弧焊相似，焊缝截面形状也相同。与穿孔型等离子弧焊接法比较，采用的焊接规范较“软”，焊接参数波动对焊缝成形的影响较小，稳定焊接参数的区域较大，焊接过程控制较容易。通常焊缝较宽，热影响区较大，焊接变形也较大，主要适用于焊薄板、超薄板、角焊缝及多层焊缝的盖面。焊接时可填加或不填加焊丝。

（3）微束等离子弧焊接    通常把电流30A以下的熔入型等离子弧焊接称为微束等离子弧焊接。由于喷嘴（孔径≤1mm）的拘束作用和采用联合型等离子弧，使小电流的很细的等离子弧（弧柱直径<1mm），燃烧十分稳定，弧长可达30mm以上，现已成为焊接金属薄箔、细丝的好方法。为了保证焊接质量，应采用精密的装夹具，保证装配质量和防止焊接变形；要特别重视工件表面的清理；还应设计合理的焊接接头形式。

（4）脉冲等离子弧焊接    穿孔型、熔入型及微束等离子弧焊接均可采用脉冲电流焊接。它与其它脉冲电弧焊相似，主要具有以下特点：①焊接同样厚度的焊件，所用的焊接电流（平均值）较小，焊接线能量较少，故焊接热影响区及变形较小。②在相同的焊接线能量下，由于采用的脉冲电流较大，故可提高等离子弧的焊接熔透能力，扩大焊接厚度范围。③易于控制焊接熔池的大小及热循环，更便于控制焊缝成形和进行全位置焊及悬空焊等。④脉冲电流搅拌熔池，有利于气体逸出及细化晶粒。

（5）熔化极等离子弧焊接    这种焊接方法是70年代提出来的，可以看作是等离子弧焊接和熔化极气体保护焊的组合，如图4-25所示。这时等离子弧仍需在非熔化极钨棒（图a）、水冷铜嘴电极（图b）与工件之间形成。通过焊丝的电流仍然决定了熔滴过渡的特点。焊丝电流小于某一临界值时为滴状过渡，此时飞溅很小；焊丝电流大于临界值时形成射流过渡，熔敷效率非常高，但熔深浅，故适于堆焊。前者适于厚板焊接或薄板高速焊接。本焊接法与通常的熔化极气体保护焊有如下不同：由于等离子弧对焊件、焊丝均有预热作用；改善了电弧的动特性；电弧更稳定且飞溅小；焊丝的熔敷效率高，送丝速度调节较宽。但焊及设备较复杂，功率消耗大。

图4-25  熔化极等离子弧焊接的焊结构示意图

a）阴极为钨棒结构  b）阴极为水冷铜嘴结构

1—焊丝 2—导电嘴 3—离子气 4—铜嘴 5—保护气 

6—保护罩 7—等离子弧 8—过渡金属 9—钨棒

思 考 题

4-1．焊接的物理本质是什么？焊接成形有何特点？

4-2．可用于焊接的热源有哪几种？各有何特点？

4-3．影响焊接温度场的因素有哪些？各有何影响？

4-4．何谓焊接热循环？描述焊接热循环的主要参数有哪些？

4-5．何谓焊接热影响区？焊接热影响区的组织和性能如何变化？

4-6．焊接热裂纹和冷裂纹的产生原因有何异同？分别怎样防止？

4-7．焊缝中的气孔有哪几种？怎样防止？

4-8．分析电焊条的组成及各部分的作用，常用电焊条是怎样分类的？

4-9．何谓埋弧焊？埋弧焊有何优缺点？可应用于何种场合？

4-10．何谓钨极氩弧焊？其有何特点及应用？

4-11．熔化极氩弧焊的熔滴过渡形式有哪几种？各有何特点？

4-12．CO2气体保护焊有何优缺点？适用于什么场合？

4-13．等离子弧有何特点？常用的等离子弧焊接方法有哪些？

参 考 文 献

1.张文钺主编.焊接冶金学.北京:机械工业出版社,1999,5

2.陈金德、刑建东主编.材料成形技术基础.北京:机械工业出版社,2000,10

3.沈其文、周世权主编.材料成型工艺基础.武汉:华中理工大学出版社,1999,9

4.周玉生主编.机械制造基础. 北京:机械工业出版社,1999,7

5.姜焕中主编.电弧焊及电渣焊. 北京:机械工业出版社,1988,11

6.周玉生、张文明主编. 电弧焊. 北京:机械工业出版社,1994,5

7.潘际銮主编.《焊接手册》第一卷. 北京:机械工业出版社,1992,11