焊接基本概念与方法

第三章材料的连接成形

本章学习的根本目的是掌握焊接成形的基本原理、焊接的主要成形方法及金属材料的焊接性。要求掌握常用焊接方法的工艺要求和适用范围；掌握各种金属材料的焊接性能；了解焊条的型号、牌号、焊接缺陷及其检验方法。重点：各种焊接方法及工艺焊接基本概念与方法焊接基本概念熔化焊工艺方法压力焊工艺方法钎焊工艺方法焊接基本概念一、金属的连接方法

二、焊接的定义

通过物理或化学的手段，使两个相分离的物体（同种材料或异种材料）产生原子（分子）间的结合而连接成一体的连接方法。

三、焊接的分类

以两材料发生结合时的物理状态为焊接过程最主要的特征，分为三大类：

1、熔化焊（液相）

2、压力焊（固相）

3、钎焊（固相兼液相）

按热源的类型分类，如电弧热、电阻热、化学反应热、机械能、间接热能、高能束等。四、焊接的特点

结构重量轻、省工省料、密封性好等特点。在制造业中，材料焊接技术是一种十分重要的加工工艺，已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航空航天、原子能、电力、电子技术及建筑等部门。

熔化焊工艺方法

利用局部加热,将工件的焊接处加热到熔化状态,形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。

由于所用热源的不同，熔化焊分为：（1）气焊（2）电弧焊（3）激光焊（4）激光切割（5）电子束焊（6）电渣焊（7）等离子弧焊电弧焊一、什么叫焊接电弧它是在具有一定电压的两电极间或电极与焊件间，气体介质产生强烈而持久的放电现象。二、电弧的实质

它是一种气体放电。气体在一般情况下是不导电的。要使气体导电，须将两个电极之间的气体电离，并在两电极间加上一定的电压，使这些带电离子在电场作用下作定向运动，两个电极间的气体中能连续不断地通过很大的电流，从而形成电弧。电弧导电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。

1、电弧的构造2、焊条在电弧下的熔化及焊缝的成形过程电弧的构造钢焊条的电弧弧柱区的温度高达5000K以上。阴极区和阳极区的温度较低，约为2400K和2600K。其几何长度很小，仅为10ˉ4～10ˉ5cm。我们所看到的电弧实际上是电弧的弧柱区。阴极区和阳极区所产生的热量占电弧热的近80％。弧柱区产生的热量仅约占20％。三、电弧焊的类型

对电弧与焊缝的保护方法的不同，可分以下三种：

１、手工电弧焊：利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件和焊条熔化而进行焊接的工艺方法。

（1）手工电弧焊焊接过程

（2）手工电弧焊的主要特点

1)操作灵活，可焊接各种空间位置的焊缝。

2)焊接质量受焊工技术水平、施工条件等影响，变动幅度大。

3)焊接辅助时间长，生产效率低。

２、埋弧自动焊

焊接电弧将焊剂、焊丝及工件焊接处熔化后形成熔池，熔池冷却后形成焊缝。液态熔渣形成焊渣，焊后履盖在焊缝表面起保护焊缝的作用。

（1）埋弧自动焊的焊接过程

埋弧自动焊示意图

1-焊接小车2-控制盘3-焊丝盘4-焊剂漏斗5-焊接机头6-焊剂7-渣壳8-焊缝9-焊接电缆10-焊接电源11-控制箱埋弧自动焊焊接过程纵截面图

1-焊丝2-电弧3-焊件4-熔池5-焊缝6-渣壳7-液态熔渣8-焊剂埋弧焊的工艺（1）焊前准备I型坡口——板厚<14mmY型坡口——14~22mm双Y型坡口——22~50mm（或U型坡口）最常采用的为Y型坡口和X型坡口

单面焊时，为防止烧穿、保证焊缝的反面成形，应采用反面衬垫，衬垫的形式有焊剂垫、钢垫板，或手工焊封底（下图）由于埋弧焊在引弧和熄弧处电弧不稳定，为保证焊缝质量，焊前应在焊缝两端接上引弧板和熄弧板以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中。焊后去除引弧板和熄弧板引弧板和熄弧板1-引弧板2-熄弧板（2）平板对接焊双面焊（图a）最常用（3）环焊缝焊丝起弧点与环中心线偏离一距离e，防止熔池金属流淌。（4）多丝埋弧焊

两个以上焊丝同时进行焊接，提高效率。

埋弧自动焊的主要优点（与手工焊相比）

1）生产率高：可用的电流比手工电弧焊大。2）焊接质量好：电弧被液态熔渣所包围，可以防止空气的浸害，因而焊缝质量好。3）电弧的热量损失小，能量集中。4）节省金属与电能：焊丝连续送进，节省金属材料，节省辅助时间；埋弧焊熔化深度大，节省了电能。5）改善了劳动条件：没有弧光，送入与运出实现机械化，减少了工人的劳动强度，改善了劳动条件。

埋弧焊的应用

适合中等厚度的板材的直、长缝或大圆圈环形焊缝的焊接。如压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接等。压力容器环焊缝的焊接压力容器的封头与筒体组焊埋弧焊接压力容器纵焊缝埋弧焊压力容器施工现场图３、气体保护焊用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。外加气体有以下二种：

氩气与二氧化碳气体保护焊

氩弧焊：氩气是惰性气体，不与金属起化学反应；不溶解于液体金属。氩弧焊可以获得高质量的焊缝，是焊接不锈钢的主要方法，也广泛用于焊接铝合金、钛合金、锆合金等材料；用于航空航天、核工业等部门。

钨极氩弧焊熔化极氩弧焊脉冲氩弧焊氩弧焊的焊接过程及主要优缺点1）钨极氩弧焊

高熔点的钍钨棒或铈钨棒作电极，由于钨的熔点高达3410℃，焊接时钨棒基本不熔化，只是作为电极起导电作用，填充金属需另外添加。在焊接过程中，氩气通过喷嘴进入电弧区将电极、焊件、焊丝端部与空气隔绝开。

其焊接方式有手工焊和自动焊两种，主要区别在于电弧移动和送丝方式，前者为手工完成，后者由机械自动完成。钨极氩弧焊示意图（自动焊）

1-熔池2-焊丝3-送丝滚轮4-焊丝盘5-钨极6-导电嘴7-焊炬8-喷嘴9-保护气体10-电弧钨极氩弧焊的优点（1）采用纯氩气保护，焊缝金属纯净，特别适合于非铁合金、不锈钢、钛及钛合金等材料的焊接。（2）焊接过程稳定，所有焊接参数都能精确控制，明弧操作，易实现机械化、自动化。（3）焊缝成形好，特别适合3mm以下的薄板焊接、全位置焊接和不用衬垫的单面焊双面成形。工艺参数：钨极直径、焊接电流、电源种类和极性、喷嘴直径和氩气流量、焊丝直径等。应用：易氧化的非铁合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属（钼、铌、锆）等材料的薄壁结构的焊接和钢结构的打底焊。2）熔化极氩弧焊

采用焊丝作电极并兼作填充金属，焊丝在送丝滚轮的输送下，进入到导电嘴，与焊件之间产生电弧，并不断熔化，形成很细小的熔滴，以喷射形式进入熔池，与熔化的母材一起形成焊缝。焊接方式有半自动焊和自动焊两种

熔化极氩弧焊示意图（自动焊）

1-焊接电弧2-保护气体3-焊炬4-导电嘴5-焊丝6-送丝滚轮7-焊丝盘8-喷嘴9-熔池

熔化极氩弧焊均采用直流反接，以提高电弧的稳定性，没有电极烧损问题，焊接电流的范围大大增加，因此可以焊接中厚板。例如焊接铝镁合金时，当焊接电流为450A左右时，不开坡口可一次焊透20mm，同样厚度用钨极氩弧焊时则要焊6～7层。熔化极氩弧焊的焊接工艺参数：

焊丝直径、焊接电流和电弧电压、送丝速度、保护气体的流量等。熔化极氩弧焊主要用于焊接高合金钢、化学性质活泼的金属及合金。如铝及铝合金、铜及铜合金、钛、锆及其合金等。脉冲氩弧焊

将电流波形调制成脉冲形式，用高脉冲来焊接，低脉冲用来维弧和凝故，可控制焊缝的尺寸与焊件品质。二氧化碳气体保护焊

以CO2作为保护介质的气体保护焊方法。（1）二氧化碳气体保护焊的特殊性*氧化性气体，会使焊缝金属氧化，故须采取脱氧措施。如用Si、Mn较高的焊丝或合金钢焊丝H08MnSiA、H10MnSiMo等。*由于CO2气体的特殊的物理性质，在熔滴中反应生成的CO气体，会在电弧高温作用下急剧膨胀，使熔滴爆破引起金属飞溅。故要求使用直流焊机，且大多直流反接。

（2）汽车传动轴的焊接

CO2气体保护半自动焊示意图

1-焊接电源及控制箱2-CO2钢瓶3-加热器4-送丝机构5-焊枪6-焊件（3）二氧化碳气体保护焊的特点①生产率高

比手工电弧焊高1～5倍。工作时连续焊接,不需要换焊条,不需要敲渣。②成本低

CO2气体是很多工业部门的副产品，成本较低。

焊接时CO2流量通常为5～15L/min，保护气体流量偏大或偏小均会使保护效果变差。二氧化碳气体保护焊是一种重要的焊接方法，主要用于焊接低碳钢和低合金钢。在汽车行业和其他工业部门中广泛应用。4、电子束焊

当阴极被灯丝加热到2600K时，能发出大量电子，这些电子在阴极与阳极（焊件）间的高电压作用下，经电子透镜聚焦成电子流束，以极大的速度（可达160000km／S）射向焊件表面，电子的动能变为热能。能量密度比普通电弧可大5000倍，它使焊件金属迅速熔化甚至气化。根据焊件的熔化程度，逐渐移动焊件，即能得到要求的焊接接头。

（点击观看动画）

真空电子束焊接的特点（1）在真空中进行焊接，金属不会氧化氮化。且无金属电极沾污，能保证焊缝金属的高纯度。表面平滑洁净，没有孤坑或其他表面缺陷。焊缝内部熔合得好，无气孔夹渣。（2）热源能量密度大、熔深大、焊速快、焊缝深而窄，焊缝深宽比可达20：1，能单道焊厚件。焊接热影响区很小，基本上不产生焊接变形。可防止难熔金属焊接时易产生的裂纹和泄漏。

（3）焊接时一般不加填充金属。因而接头要加工得平整清洁、装配紧密，不留间隙。任何厚度的工件都不开坡口。（4）电子束参数可在较宽范围内调节、控制灵活、精度高、适应性强。（5）真空电子束焊接的缺点是设备复杂、造价高。使用维护技术要求高、焊件尺寸受真空室限制，对焊件清整装配质量要求严格，因而其应用受到一定限制。5、电渣焊

两个工件位于垂直位置，工件待焊端面两侧，装有冷却铜滑块，使液态熔渣及金属不会外流，冷水从其内部通过，迫使熔池冷却凝固成为焊缝。

固态焊剂熔化后形成的渣池具有较大的电阻，当电流通过时产生大量电阻热，使渣池温度保持在1700一2000℃。焊丝与工件被渣池加热熔化而形成熔池。

焊接过程中，焊丝不