《焊接工艺与设备》全册配套完整教学课件

《焊接工艺与设备》全册配套完整教学课件《焊接工艺与设备》奥运会的主会场————国家体育场(鸟巢)，由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，是当今国际上极富特色的巨型建筑，其钢结构屋盖呈双曲面马鞍型，东西长298米、南北长333米，檐高达68.5米，总建筑面积约25.8万平方米。由我国自主研发的Q460高强度钢材;“鸟巢”钢材焊接的焊缝总长达30多万米，其中现场焊接焊缝长达6万多米。按工期要求，近一半现场钢材焊接要在冬季进行。180余项焊接工艺，“拒绝”螺丝钉合拢时必须选择一个最适宜温度，使今后温差带来的变形降低到最小程度。设计测算出的最佳合拢温度为15摄氏度到23摄氏度;半夜12点后凉爽时才开工，经过四五天通宵达旦焊接，终于筑出“鸟巢”雏形塔架承载着整个鸟巢的巨大重压，直接拆根本拆不动。因此要采用液压千斤顶，在78个卸载点上同时把“鸟巢”顶起一点点，然后一层层抽去垫在“鸟巢”和塔架之间的钢板，再让鸟巢慢慢回到原位。就是这样“慢工细活”一步一挪，使“鸟巢”在垂直方向上的最大位移达20多厘米。焊接专业的主要课程《焊接工艺与设备》《焊接冶金学》－基本原理－材料焊接性《焊接结构》《弧焊电源》（及其数字化控制）0.1连接技术的分类连接的概念：广义概念、狭义上的概念按照：暂时性连接（可拆卸）、半永久性连接、永久性连接（不可拆卸）

暂时性连接：铆接、螺栓、铰链、销键

半永久性连接：(胶粘、铆接)

永久性连接：胶粘、焊接、铆接按照方式分类：胶粘、铆接、螺栓、焊接……..（1）木桌椅：（2）脚手架（3）桥梁铆接结构、焊接结构0.2焊接结构的优点形式简洁，承载能力高：与多数的机械连接接头相比，焊接接头的承载能力高。采用高组配接头时，接头的强度与母材相当；对机械连接接头而言，其接头承载能力随螺栓、铆钉直径和间距的变化而变化，始终小于母材。没有间隙，密封性能好：焊接接头不像机械连接那样会出现间隙，故密封高压容器、潜艇、储罐等结构只有采用焊接结构制造，方能保证其对气密性、水密性等流体密封性方面的要求。自重减轻，经济效益高：与机械连接接头相比，焊接接头无需附加连接件，因此，焊接结构的自重减轻，例如，可比铆接结构减轻10-20％。对用做运载工具的结构而言，减轻自重所带来减轻的经济效益不言而喻。厚度不限，适应能力强：焊接结构中连接件的厚度一般不受限制，可将不同形状、尺寸的构件连接起来，也可实现异种材料的连接，即将不同种类的材料连接起来。在重型、特大结构部件的连接时，目前只能采用焊接技术。加工减少，生产效率高：焊接结构中连接件一般不需机械连接中必需的孔、槽加工作业，因此生产周期缩短，成本降低。例如在现万代化的造船厂中生产一艘20万t级的油轮，采用焊接技术假如可以在3个月内下水的话，采用铆接技术则至少需要1年时间。0.3焊接结构的缺点结构止裂能力较弱：与铆接、螺纹连接等相比，焊接结构所特有的整体性和高刚度使其自身的止裂性能差。裂纹若一旦在接头上形成并开始扩展，就将继续扩展下去并很难被止住，结构的断裂几乎无法避免。焊接残余应力显著：在形成焊接接头的过程中，由于局部高温加热

会引起较复杂的瞬态热应力和热变形，最后导致焊接结构中存在显著的焊接残余应力和变形。有时存在于焊缝、近缝区的残余拉应力值竟高达材料的屈服强度值。焊接残余应力的存在，对焊接结构承受静载能力、刚度、抗脆断性能、抗疲劳性能、耐腐蚀性能，对压杆稳定性以及结构的尺寸稳定性均有显著的影响。焊接导致缺陷增加：在形成焊接接头的过程中，经历热、力过程。母材焊缝的热过程：冶金反应、相转变、晶粒长大或细化、气孔、夹渣

、裂纹缺陷；接头上出现化学成分金相组织的不均匀，因而接头上存在力学性能的不均匀。存在显著的焊接残余应力和变形，接头上会出现一定程度的应力集中现象，故焊接结构中还可能存在几何、力学上的不均匀。受材料焊接性限制：各种材料的焊接性之间存在很大的差异，部分材料几乎难以焊接成形。例如一些高强度钢在焊接中极易出现焊接裂纹，且有较高的缺口敏感性。例如在1962年，澳大利亚墨尔本金斯桥由于制造过程中的氢致裂纹在随后疲劳载荷的作用下扩展，最终导致主承载梁脆性断裂。0.4胶粘结构的特点

金属的胶接：利用胶粘剂将两个或两个以上的金属构件在一定温度下、经一定时间固化或加热后冷却凝固而连接在一起形成永久性连接接头的工艺过程。胶接结构的主要优点结构重量减轻，可得较高经济效益：与铆接、螺栓连接相比，胶接结构的重量大为减轻

，对飞行器等运载工具来说，所获得的经济效益更是明显。胶接工艺简单：不需要庞大的设备，操作容易，不要求较高的加工精度。用铆焊需多道工序的结构，用胶接可一次完成，且不需要校正、精加工等后处理。对于复杂件还可以分开加工，胶接组装，减少焊接的后处理工序。胶接对工艺装备要求不高：操作简便，易于实现自动化，工效高，劳动强度低，还能节省能源，降低费用，提高经济效益。接头应力分布均匀，疲劳强度高：在焊接、铆接

及螺栓连接接头中存在着较为严重的应力集中现象，在焊接接头中这种现象尤为严重。胶接区域面积较大，应力分布均匀，可避免局部应力集中，不像焊接接头有组织和性能的急剧变化。胶接接头中疲劳裂纹扩展速率较低。相同面积的接头，胶接比铆接和焊接的静载抗剪强度提高40％-100％，不削弱结构或避免了因铆钉孔、螺栓孔和焊点周围应力集中所引起的疲劳龟裂，没有焊接引起的翘曲变形、金相组织变化、硬度波动、涂层破坏或热冲击等。有良好的使用性能：与铆接、螺栓连接相比，胶接接头

良好的密封性，且表面光滑，外表美观。胶接接头

光滑的外表面，对于交通工具、水工建筑物十分有利。接头处

不存在电位差导致的电化学腐蚀，使用寿命长，不需特殊措施。胶接不同种类的金属时，没有电化学腐蚀的危害。胶接

具有连接、密封、绝缘、防腐、防潮、减振、隔热、消声等多重功能可实现异种材料的连接：胶接

不同种类的金属，金属与非金属。

焊接方法

受材料的焊接性方面的限制。胶接可以连接材质、形状、厚度、大小、模量等相同或不同的材料，

适合连接异形、异质、壁薄、形状复杂、体积微小、材质硬脆或热敏的制件。可赋予接头以特殊性能：当选用功能胶粘剂时，胶接可使接头快速固化，并具有导热性、导电性及导磁性，亦可获得所需的绝缘、绝热性能及减振性能0.5胶接结构的主要缺点胶接接头的强度相对较低：对大多数金属来说，由分子间力所得到的胶接接头强度偏低，所能达到的强度极限与一般结构钢的强度极限相差一个数量级。接头上的胶层中存在着一定的湿热老化现象：在较高的温度和湿度环境下工作的胶接接头，在化学物品及其他因素作用下，胶粘剂的力学性能会降低。一般说来，对胶接接头的长期工作温度需做严格的限制。胶接接头的质量难以保证：影响胶接接头质量的因素很多，接头力学性能分散性较大，质量检测较为困难，目前还没能获得令人满意的无损检测方法。对胶接接头力学性能方面的研究不够深入：由于高分子材料所特有的流变、蠕变、老化、粘弹性等现象的机理较为复杂，对金属胶接接头力学性能方面的研究远不如金属材料本身那么成熟，因而胶接的使用范围受到限制。0.6焊接的定义“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加工方法。熔焊(熔化焊)方法是焊接成形工艺的重要组成部分，也是现代制造业中应用最多的一类焊接方法。焊接应用遍及:机械制造、石油化工、船舶、桥梁、压力容器、建筑、动力工程、交通车辆、航空、航天等各个工业部门，已成为现代制造业中不可缺少的成形加工方法之一。有关熔焊的基础理论焊接电弧基础理论焊丝的熔化与熔滴过渡母材的熔化与焊缝成形电弧焊自动控制基础0.7熔焊方法埋弧焊钨极惰性气体保护焊熔化极氩弧焊CO2气体保护电弧焊等离子弧焊电渣焊真空电子束焊激光焊等。对每一种熔焊方法，都讲述了其工作原理和特点、焊接设备、焊接材料、焊接工艺以及所派生出的其他方法1888年，俄罗斯发明了手工电弧焊接技术，使用无药皮的裸露金属棒。直到20世纪初，在瑞典发明卡尔伯格过程（Kjellbergprocess）和Quasi-arc方法传入英国后，药皮焊条才开始发展起来。值得注意的是，由于成本较高，刚开始人们不怎么使用药皮焊条。但是随着人们对好的焊缝质量需求的日益增长，手工电弧也开始使用药皮焊条。金属棒（焊条）和工件之间形成的电弧会熔化金属棒和工件的表面，形成焊接熔池。同时，金属棒上熔化的药皮会形成气体和熔渣，保护焊接熔池不受周围空气的影响。因为熔渣会冷却、凝固，所以一旦焊缝焊完（或在熔敷下个焊道前）就必须从焊道上清除熔渣。

0.8焊接方法的发展

在公元前5世纪的战国时期就已经知道使用锡铅合金作为钎料焊接铜器

1885年出现了碳弧焊

1886年电阻热应用于焊接

1892年发现了金属极电弧，随之出现了金属极电弧

1901年出现了氧乙炔气焊

20世纪30年代前后，出现了薄皮焊条电弧焊和厚皮焊条电弧

1935年发明了埋弧焊

20世纪40年代初开始，惰性气体保护电弧焊

1951年出现了用熔渣电阻热作为焊接热源的电渣焊；

1953年出现了二氧化碳气体保护焊；

1956年出现超声波焊和电子束焊

1957年出现了(苏联的丘季科夫

)摩擦焊和(美国的盖奇)等离子弧焊接和切割；

1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊

1965年和1970年又相继出现了脉冲激光焊和连续激光焊。

从20世纪80年代以后，人们又开始对更新的焊接热源如太阳能、微波等进行积极的探索1.焊接方法的分类焊接时是否电极熔化：

熔化极焊

非熔化极焊；自动化程度可分为：

手工焊、

半自动焊

自动焊

最常用的是族系法，焊接工艺特征来进行分类，即按照焊接过程中母材是否熔化以及对母材是否施加压力进行分类。

熔焊：母材熔化

压焊：对母材施加压力；（母材可以熔化）

钎焊：母材不熔化（a）熔焊的分类熔化极（i）－螺柱焊电弧螺柱焊

通过强电流将螺柱与母材接触处迅速加热至融化状态，在焊枪弹簧力作用下将两者焊为一体的焊接工艺，具有优质、高效、节能、再现性好，无论是平面还是曲面都能实现全截面焊接的特点，已广泛应用于造船、锅炉、变压器、汽车、建筑及桥梁工程等行业。熔化极－（ii）焊条电弧焊焊条电弧焊-最广泛的焊接方法，

利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。焊条电弧焊

手工操纵焊条进行焊接工作的，可以进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多位置焊接。另外由于焊条电弧焊设备轻便，搬运灵活，所以说，焊条电弧焊可以在任何有电源的地方进行焊接作业。适用于各种金属材料、各种厚度、各种结构形状的焊接。

焊条直径：

2.0、

2.5、

3.2、

4.0、

5.0

焊条长度：

250、300、350、400mm

焊条电弧焊的安全特点：焊条电弧焊焊接设备的空载电压一般为50V-90V，而人体所能承受的安全电压为30V-45V，手工电弧焊焊接设备，会对人照成生命危险，施焊时，必须穿戴好劳保用品。

二、电弧焊

利用电弧作为热源的熔焊方法，称为电弧焊。可分为手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊等三种。手工自动焊的最大优点是设备简单，应用灵活、方便，适用面广，可焊接各种焊接位置和直缝、环缝及各种曲线焊缝。尤其适用于操作不变的场合和短小焊缝的焊接；埋弧自动焊具有生产率高、焊缝质量好、劳动条件好等特点；气体保护焊具有保护效果好、电弧稳定、热量集中等特点。

三、电阻焊

电阻焊是利用电流通过工件及焊接接触面间所产生的电阻热，将焊件加热至塑性或局部熔化状态，再施加压力形成焊接接头的焊接方法。

电阻焊分为点焊、缝焊和对焊3种形式。

（1）点焊：将焊件压紧在两个柱状电极之间，通电加热，使焊件在接触处熔化形成熔核，然后断电，并在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。

点焊适用于焊接4mm以下的薄板(搭接)和钢筋，广泛用于汽车、飞机、电子、仪表和日常生活用品的生产。

（2）缝焊：缝焊与点焊相似，所不同的是用旋转的盘状电极代替柱状电极。叠合的工件在圆盘间受压通电，并随圆盘的转动而送进，形成连续焊缝。

缝焊适宜于焊接厚度在3mm以下的薄板搭接，主要应用于生产密封性容器和管道等。

（3）对焊：根据焊接工艺过程不同，对焊可分为电阻对焊和闪光对焊。

1）电阻对焊焊接过程是先施加顶锻压力(10～15MPa)，使工件接头紧密接触，通电加热至塑性状态，然后施加顶锻压力(30～50MPa)，同时断电，使焊件接触处在压力下产生塑性变形而焊合。

电阻对焊操作简便，接头外形光滑，但对焊件端面加工和清理要求较高，否则会造成接触面加热不均匀，产生氧化物夹杂、焊不透等缺陷，影响焊接质量。因此，电阻对焊一般只用于焊接直径小于20mm、截面简单和受力不大的工件。

2）闪光对焊焊接过程是先通电，再使两焊件轻微接触，由于焊件表面不平，使接触点通过的电流密度很大，金属迅速熔化、气化、爆破，飞溅出火花，造成闪光现象。继续移动焊件，产生新的接触点，闪光现象不断发生，待两焊件端面全部熔化时，迅速加压，随即断电并继续加压，使焊件焊合。

闪光对焊的接头质量好，对接头表面的焊前清理要求不高。常用于焊接受力较大的重要工件。闪光对焊不仅能焊接同种金属，也能焊接铝钢、铝铜等异种金属，可以焊接0.01mm的金属丝，也可以焊接直径500mm的管子及截面为20000mm2的板材。

四、激光焊

激光焊利用聚焦的激光束作为能源轰击工件所产生的热量进行焊接。

激光焊具有如下特点：

1）激光束能量密度大，加热过程极短，焊点小，热影响区窄，焊接变形小，焊件尺寸精度高；

2）可以焊接常规焊接方法难以焊接的材料，如焊接钨、钼、钽、锆等难熔金属；

3）可以在空气中焊接有色金属，而不需外加保护气体；

4）激光焊设备较复杂，成本高。

激光焊可以焊接低合金高强度钢、不锈钢及铜、镍、钛合金等；异种金属以及非金属材料(如陶瓷、有机玻璃等)；目前主要用于电子仪表、航空、航天、原子核反应堆等领域。

五、电子束焊

电子束焊利用在真空中利用聚焦的高速电子束轰击焊接表面，使之瞬间熔化并形成焊接接头。

电子束焊具有以下特点：

1）能量密度大，电子穿透力强；

2）焊接速度快，热影响取消，焊接变形小；

3）真空保护好，焊缝质量高，特别适用于活波金属的焊接。

电子束焊用于焊接低合金钢、有色金属、难熔金属、复合材料、异种材料等，薄板、厚板均可。特别适用于焊接厚件及要求变形很小的焊件、真空中使用器件、精密微型器件等。

估计搂主所说的是指手工电弧焊的方法。（就是我们平时看到的施工人员手拿一个焊枪的那一种）

简单的列出几种：

点焊：在刚开始焊接时把零件固定好后用焊条在接触缝上点几处焊点，使零件简单焊接在一起叫作点焊，这样便于在继续焊接时对焊接零件整形，但形状位置不好友偏移时还可以重新敲开点焊。

满焊：就是将准备焊在一起的2个工件的所有接触的地方都进行熔焊。比如两块钢板拼接，把一条焊缝全部焊满就是满焊，用于要求焊接强度较高的条件下。

花焊：在对连接强度要求不是太高的情况下，可以间断地进行焊接，即焊一段、间隔一段，就是花焊。

堆焊：在一个零件受损后，这时可以不重新制造新的零件，对其进行焊接，在受损部位进行堆焊，受损部位过大了也可以通过缺口内加入填充材料（在不影响使用强度要求的情况下）的方法进行堆焊。熔化极－（iii）埋弧焊

SubmergedArcWelding电弧在焊剂下燃烧以进行焊接的熔焊方法。

锅炉、压力容器、船舶、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造的主要焊接手段，特别是对于中厚板、长焊缝的焊接具有明显的优越性熔化极－（iv）氩弧焊MIGMAG熔化极氩弧焊（MetalArgonArcWelding）

焊丝作为熔化电极，采用氩气或富氩混合气作为保护气体的电弧焊方法。当保护气体是惰性气体Ar或Ar+He，

熔化极惰性气体保护电弧焊，称MIG焊当保护气体是惰性气体Ar+O2(CO2)，

熔化极活性气体保护电弧焊，称MAG焊熔化极－（v）CO2气体保护焊

熔化极气体保护焊Gas-shieldedmeltedArcWeldingCO2气体保护电弧焊（Carbon-DioxideArcWelding）是利用CO2气体作为保护气体，使用焊丝作为熔化电极的电弧焊方法。不熔化极（i）钨极氩弧焊TIG钨极惰性气体保护焊（TungstenInertGasArcWelding）：纯钨或活化钨（如Th-W钨、Ce-W等）作为非熔化电极，采用惰性气体（Ar、He）作为保护气体的电弧焊方法，简称TIG焊。钨极气体保护焊GTAW不熔化极－（ii）等离子弧焊PAW-PlasamaArcWelding利用等离子弧作为热源的焊接方法。薄板：0.8-3毫米厚的板材焊接；厚板：3-12毫米厚的板材焊接。超薄板：0.02-1.5毫米的薄板焊接。等离子弧焊接属於高质量焊接方法。焊缝的深/宽比大﹐热影响区窄﹐工件变形小﹐可焊材料种类多。特别是脉冲电流等离子弧焊和熔化极等离子弧焊的发展﹐更扩大了等离子弧焊的使用范围。

用于汽车工业的燃油箱的等离子焊接不熔化极－（iii）原子氢焊

atomic-hydrogenwelding原子氢焊分子氢通过两个钨极之间的电弧热分解成原子氢，当其在焊件表面重新结合为分子氢时放出热量，以此为主要热源进行焊接的方法。加热和熔化金属的电化学过程。

气焊氧-氢氧-乙炔空气-乙炔是利用气体火焰作热源的焊接法，常用的是氧乙炔焊。乙炔与氧混合燃烧所形成的火焰为氧乙炔焰。按氧和乙炔混合(容积)比例不同火焰分三种。气焊的特点是：设备简单、搬运方便、通用性强；火焰温度低，加热缓慢，加热面积大，焊件变形大；接头晶粒较粗，焊缝易产生气孔、夹渣的缺陷，综合力学性能较差；难于实现机械化，生产率低。气焊通常只适用于焊接厚度小于5mm的薄板件、非铁金属及其合金和铸铁件的补焊，还可作为钎焊及钢件表面淬火的热源。铝热焊thermitewelding

用化学反应热作为热源的焊接方法。待焊两工件的端头固定在铸型内铝粉和氧化铁粉混合物（称铝热剂）放在坩埚内加热液态金属（铁）和熔渣(主要为Al2O3)，注入铸型。液态金属流入接头空隙，形成焊缝金属，熔渣则浮在表面上。铝热焊具有设备简单、使用方便、不需要电源等特点，常用于钢轨、钢筋和其他大截面工件的焊接。

[钢轨的铝热焊]铝热焊-表面改性无缝钢轨模坯内布入铝粉和铁红(氧化铁粉)，并使其混合，混合物

铝热剂；外加一个触发火星点燃铝热剂，使其立即燃烧，燃烧波迅速蔓延并发生剧烈的放热化学反应，产生很高的热量。其化学反应方程式为:Fe2O3

＋2Al＝Al2O3

＋2Fe＋836kJ

3Fe3O4

＋8Al＝4Al2O3＋9Fe＋3265kJ

铝热剂反应后生成物

稳定型α-Al2O3(即刚玉)和铁。反应所放出的热量,如在绝热条件下可使绝热温度高达3753K和3509K。这个温度足以使模坯内原来的物料以及反应后的生成物(即使是熔点为2045℃的刚玉也不例外)全部变成熔液。这种化学反应只有数秒钟,熔融的反应物在重力作用下,迅速按密度大小进行分离。Fe的密度(7.85g/cm3)是α-Al2O3密度(3.95g/cm3)的2倍电渣焊electric-slagwelding电渣焊：利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。在开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，并降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。

缺点：

输入的热量大，接头在高温下停留时间长、焊缝附近容易过热，焊缝金属呈粗大结晶的铸态组织，冲击韧性低，焊件在焊后一般需要进行正火和回火热处理。电子束焊

Electric-beamwelding激光焊LaserWelding激光焊

利用激光与非透明材料相互作用，通过光能所产生的热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。相互作用：反射、吸收、熔化、汽化压焊

pressurewelding压焊pressurewelding

压焊

焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）才能完成焊接的方法。焊接时施加压力是其基本特征。第二种是不加热，仅在被焊材料的接触面上施加足够大的压力，使接触面产生塑性变形而形成牢固的焊接接头。※冷压焊、爆炸焊、超声波焊等。有两种形式：一种是将被焊材料与电极接触的部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，使其形成牢固的焊接接头。※电阻焊、摩擦焊、气压焊、扩散焊、锻焊摩擦焊frictionwelding

利用摩擦产生的热量使金属发生熔化，并在压力的作用下使金属连接成型的技术。45＃焊接接头整体形貌

爆炸焊接电阻电焊Spotwelding钎焊钎焊

焊接时采用比母材熔点低的钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现连接的方法。其特征是焊接时母材不发生熔化，仅钎料发生熔化。根据使用钎料的熔点，钎焊方法又可分→→硬钎焊和软钎焊。1.硬钎焊Brazing钎料熔点高于450ºC的钎焊

硬钎焊。属于这类的硬钎料有铜基、银基、铝基合金。硬铅焊钎剂

硼砂、硼酸、氯化物等。硬钎焊接头强度高，主要用于受力较大的钢铁及铜合金构件的焊接，如焊接自行车、切削刀具等。2.

软钎焊Soldering软钎焊

钎料的熔点在450℃以下，接头强度较低，一般不超过70ＭPa，工作温度在100℃以下。常用的钎料为锡铅合金，所以也称为锡焊。钎料熔点低，渗入接头间隙的能力强，具有较好的焊接工艺性能和导电性。软铅焊

广泛用来焊接受力不大、常温下工作的电子、电器、仪表等零件。0.2熔焊方法的物理本质及其特点1．熔焊方法的物理本质“焊接

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加工方法。熔焊：（1）利用热源

加热被焊母材的连接处，使之发生熔化，利用液相之间的相溶及液、固两相原子的紧密接触来实现原子间的结合。压焊：（2）对被焊母材的连接表面

施加压力，在清除连接面上的氧化膜和污物的同时，克服两个连接表面上的不平度，或产生局部塑性变形，从而使两个连接表面的原子相互紧密接触，并产生足够大的结合力。如果在加力的同时加热，则使得上述过程更容易进行。钎焊：（3）对填充材料进行加热

使之熔化，利用液态填充材料对固态母材润湿，使液、固两相的原子紧密接触，充分扩散，从而产生足够大的结合力。2．熔焊方法的特点与压焊和钎焊方法相比，熔焊方法具有以下特点：（1）焊接时

母材局部在不承受外加压力的情况下被加热熔化：这一特点使熔焊方法既区别于压焊方法，也区别于钎焊方法。

压焊时，一般母材不发生熔化，虽然有些压焊方法（如电阻点焊、缝焊）在焊接过程中母材局部也会被加热至熔化，但同时还承受着外加压力的作用。钎焊时，母材则根本不发生熔化，仅钎料发生熔化。（2）焊接时

采取更为有效的隔离空气的措施：由于空气对焊缝金属有有害作用，因此各类熔焊方法均须考虑对焊缝金属的保护问题。这是由于熔焊时金属处于熔化状态，而且其温度相对于其他两类方法来说更高，如果将其裸露在空气中，能与空气之间发生非常激烈的化学冶金反应，因此，必须采取更为有效的隔离空气措施才能保证焊缝质量。已采取的保护措施有：①熔渣保护：即利用焊接材料产生的熔渣覆盖在熔池、熔滴表面，使之与空气隔离，例如埋弧焊、电渣焊等；②气体保护：即由外界向焊接区通人气体将空气排开，例如钨极惰性气体保护焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护电弧焊等；③气渣联合保护：即利用焊接材料在焊接时同时产生熔渣和气体来进行保护，例如焊条电弧焊和具有造气成分的药芯焊丝电弧焊等；④真空保护：真空电子束焊等。（3）两种被焊材料之间须具有必要的冶金相容性：不是任意两种成分的材料都可以实现熔焊的；

两种材料：高温液态时能形成互溶液体，冷却凝固-冶金结合。

同种材料：具有很好的冶金相容性，因此容易实现熔焊；

异种材料：晶格类型、晶格参数、原子半径及电负性方面存在较大差异，熔焊往往比较困难，有些材料之间甚至不能熔焊，例如铁与镁之间就很难直接进行熔焊。（4）焊接时焊接接头经历了更为复杂的冶金过程：熔焊时，焊缝金属→加热熔化→化学冶金过程→凝固→结晶过程→固态相变。

热影响区→复杂的冶金过程，加热引起的固态相变过程和由于冷却引起的固态相变过程等。而压焊和钎焊相对来说要简单得多，虽然有些压焊方法也有熔化过程，但由于是被固相金属所包裹，通常不会发生像熔焊那样复杂的化学冶金过程。本课程的任务掌握有关熔焊方法及设备的基础理论、各种熔焊方法的原理、焊接设备、焊接材料、焊接工艺以及有关的实验技能。学生通过学习，能够根据工程的实际需要，选用适宜的熔焊方法，选用和调试设备，选用焊接材料以及制定焊接工艺，初步具备分析和解决焊接生产实际问题的能力。本课程的主要内容有：（1）基础理论：焊接电弧、熔滴过渡、焊缝成形以及电弧焊自动控制等方面。（2）各种电弧焊方法：基本原理、焊接设备、焊接材料和焊接工艺。（3）焊接方法包括：埋弧焊、钨极惰性气体保护焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护电弧焊和等离子弧焊，以及由它们派生出来的一些方法。（4）熔渣电阻热作为热源的电渣焊的基本原理、焊接设备、焊接材料和焊接工艺，以及由其派生出来的一些方法。（5）以高能束作为热源的电子束焊和激光焊的基本原理、焊接设备和焊接工艺，以及由它们派生出来的一些方法。END熔化极－（iii）氩弧焊MIG、MAG

不熔化极－（i）钨极氩弧焊TIGCO2气体保护焊Carbon-dioxideArcWelding利用CO2作为保护气体的气体保护焊，如图所示。它用焊丝作电极，靠焊丝与焊件之间产生的电弧热熔化焊件和焊丝，以自动或半自动方式进行焊接。CO2气体保护焊的特点是焊接热量集中，焊件变形小，质量较高；焊丝送进自动化，电流密度大，焊速快，生产率高；二氧化碳气体比较便宜，焊接成本仅是埋弧自动焊的40%左右，成本低；操作简便，适用范围广。CO2气体保护焊缺点是飞溅较大，烟雾较多，弧光较强，很难用交流电源焊接，焊接设备比较复杂。CO2气体保护焊主要用于焊接低碳钢和强度等级不高的低合金结构钢。型号电源空载电压螺柱直径焊接速度重量外形尺寸YZHL-2100380Vφ380VM5-M216只/分270Kg890×640×1000暂载率5%60%100%工作电流（A）20001162375工作电压（V）444135原边电流（A）23614045输入功率（KVA）1569330

型号电源空载电压螺柱直径焊接速度重量外形尺寸YZHL-1600380Vφ380VM5-M1612只/分170Kg850×500×760暂载率5%60%100%工作电流（A）1450410315工作电压（V）443632原边电流（A）1705038输入功率（KVA）1123325型号电源空载电压螺柱直径焊接速度重量外形尺寸YZHL-2500380Vφ380VM5-M268只/分290Kg890×640×1000暂载率5%60%100%工作电流（A）2750755575工作电压（V）444435原边电流（A）3209045输入功率（KVA）2106046压焊－（i）电阻焊resistancewelding电阻焊：电阻点焊、电阻缝焊、电阻对焊：电阻点焊(resistancespotwelding)，简称点焊。是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，电阻对点焊加热的影响点焊的电阻是产生内部热源—电阻热的基础，是形成焊接温度场的内在因素。电阻缝焊seamwelding

焊件装配成搭接或斜对接头并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法，称为缝焊。也可以说，缝焊是点焊的一种演变。seamwelding缝焊有如下基本特点：缝焊与点焊一样是热－机械（力）联合作用的焊接过程。相比较而言，其机械（力）的作用在焊接过程中是不充分的（步进缝焊除外），焊接速度越快越明显。缝焊焊缝是由相互搭接一部分的焊点所组成，因此焊接时的分流要比点焊严重的多，这给高电导率铝合金及镁合金的厚板焊接带来困难。滚轮电极表面易发生粘损而使焊缝表面质量变坏，因此对电极的修整是一个问题。由于缝焊焊缝的截面积通常是母材纵载面积的2倍以上（板越薄这个比率越大），破坏必然发生在母材热影响区。因此，对缝焊结构很少强调接头强度，主要要求其具有良好的密封性和耐蚀性。闪光对焊

flashbuttwelding闪光对接是先通电，后接触。通电后使两焊件的端面逐渐靠近达到局部接触，由于局部接触点电流密度大，产生的电阻热使金属迅速熔化蒸发、爆破，呈高颗粒飞射出来，形成闪光。闪光一方面排除了氧化物和杂质，另一方面使得对接处的温度迅速升高。当温度分布到合适的状态后，立刻施加顶锻力，将对接处所有的液态物质全部挤出，是纯净的高温金属相互接触，在压力下产生塑性变形和再结晶，形成焊接接头。闪光对焊主要用于钢轨、锚链、管子等的焊接，也可用于异种金属的焊接。冷压焊coldpressurewelding在常温下只靠外加压力使金属产生强烈塑性变形而形成接头的焊接方法。加压变形时，工件接触面的氧化膜被破坏并被挤出，能净化焊接接头。所加压力一般要高于材料的屈服强度，以产生60～90％的变形量。加压方式可以缓慢挤压、滚压或加冲击力，也可以分几次加压达到所需的变形量。冷压焊由于不需加热、不需填料，设备简单；焊接的主要工艺参数已由模具尺寸确定，故易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产率高，成本低；不用焊剂，接头不会引起腐蚀；焊接时接头温度不升高，材料结晶状态不变，特别适于异种金属和热焊法无法实现的一些金属材料和产品的焊接。冷压焊已成为电气行业、铝制品业和太空焊接领域中最重要的有限几种焊接方法之一。超声波焊接ultrasonicwelding

利用超声波的高频振荡能对工件接头进行局部加热和表面清理，然后施加压力实现焊接的方法。进行超声波焊时，通常由高频发生器产生16～80KHz的高频电流，通过激磁线圈产生交变磁场，使铁磁材料在交变磁场中发生长度交变伸缩，超声频率的电磁能便转换成振动能，再由传送器传至声极；同时通过声极对工件加压，平行于连接面的机械振动起着破碎和清除工件表面氧化膜的作用，并加速金属的扩散和再结晶过程。适当选择振荡频率、压力和焊接时间，即可获得优质接头由几百至五千牛顿，焊件变形率一般低于3～5％。超声波焊既可以焊接同种金属，也可以焊接异种金属，如铝与铜、铝与不锈钢、钛与不锈钢等，还可以实现金属与非金属的焊接。金相分析表明，其焊接区具有适度冷作硬化后的细结晶组织特征，但无熔化迹象，而只是扩散、相变、再结晶等固相冶金过程的结果。

CT2100B自动超声波焊线机：充分应对COB生产工艺快速发展而设计的一款产品，该产品2.5mil/63μm焊垫尺寸、2.7mil/68微米焊垫间距的微间距焊接能力，可轻松应对0.18微米工艺晶片（超微距引脚）的挑战，帮助客户走在COB封装生产技术的前沿。可选配的智能对点（IPR）功能，在产能、品质和自动化水平方面为更佳方案。

超声波焊ultrasonicwelding

根据焊点及声极形状和声波传输特征，超声波焊分点焊、线焊、环焊和缝焊等四种基本类型。超声波焊接不会对焊件引起高温损伤和污染，特别适用于金、银、铝、铂、钼合金细丝与硅片上金属涂层之间的微型引线焊接并形成低电阻接头，最宜焊接高导热、导电材料，是微电子器件及电器制造中的重要连接方法，还可以焊接各种异种金属接头及塑料；耗用功率仅为电阻焊的5%左右，焊件变形小，强度稳定性好；对工件表面清洁度要求不高。

但是，随焊件厚度的增加，设备所需功率指数剧增，因此，只适于丝、箔、片等薄件焊接，除铝外，一般可焊厚度上限为0.4～1.0mm；接头形式一般为搭接接头。超声波焊机输入功率由几瓦至几十瓦，可焊铝合金厚度为几毫米。超声波焊广泛应用于电子器件中引线与锗、硅上的金属镀膜的焊接，集成电路中各种金属（铝、铜、金、镍）与陶瓷、玻璃上的金属镀膜的焊接，热电偶焊接，化学活性物质如炸药、试剂、易爆品的封装焊接等。爆炸焊接explosivewelding利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法。20世纪50年代末期，在用爆炸成形方法加工零件时，发现零件与模具之间产生局部焊合现象，由此产生了爆炸焊接的方法。爆炸焊接时，通常把炸药直接敷在覆板表面，或在炸药与覆板之间垫以塑料、橡皮作为缓冲层。覆板与基板之间一般留有平行间隙或带角度的间隙，在基板下垫以厚砧座。炸药引爆后的冲击波压力高达几百万兆帕，使覆板撞向基板，两板接触面产生塑性流动和高速射流，结合面的氧化膜在高速射流作用下喷射出来，同时使工件连接在一起。爆炸焊分点焊、线焊和面焊。接头有板和板、管和管、管和管板等形式。所使用炸药的爆轰速度、用药量、被焊板的间隙和角度、缓冲材料的种类、厚度、被焊材料的声速、起爆位置等，均对焊接质量有重要影响。爆炸焊所需装置简单，操作方便，成本低廉，适用于野外作业。爆炸焊对工件表面清理要求不太严，而结合强度却比较高，适合于焊接异种金属，如铝、铜、钛、镍、钽、不锈钢与碳钢的焊接，铝与铜的焊接等。爆炸焊已广泛用于导电母线过渡接头、换热器管与管板的焊接和制造大面积复合板。爆炸焊接

爆炸复合（又称爆炸焊接）：两种被复合的金属在炸药的爆轰作用下实现高速斜碰撞，从而在极短的时间内（微秒量级）在碰撞点附近产生106~107/s的应变速率、高达104GPa量级的高压、并能使附近材料温度急剧升高，其升温速率达108-9K/s（存在局部熔化）、随之在两金属间形成射流，清除（剥离）两金属表层的氧化膜和污染物使金属露出有活性的清洁表面，碰撞产生的压力足以使两金属在界面附近产生剧烈的局部塑性变形。在高温、高压和塑性变形的共同作用下，两金属形成牢固的冶金结合，从而实现异种金属的复合。锻焊forgewelding

将工件加热到焊接温度并予打击，使接合面足以造成永久变形的固态连接。

扩散焊diffusionwelding将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度、压力、扩散时间和表面粗糙度。焊接温度越高，原子扩散越快；焊接温度一般为材料熔点的0.5～0.8倍。扩散焊可在真空、保护气体或溶剂下进行，其中以真空扩散焊应用最广。扩散焊接压力较小，工件不产生宏观塑性变形，适合焊后不再加工的精密零件如超音速飞机上各种钛合金构件就是应用超塑性成形-扩散焊制成的扩散焊的接头性能可与母材相同，特别适合于焊接异种金属材料、石墨和陶瓷等非金属材料、弥散强化的高温合金、金属基复合材料和多孔性烧结材料等。扩散焊已广泛用于反应堆燃料元件、蜂窝结构板、静电加速管、各种叶片、叶轮、冲模、过滤管和电子元件等的制造。摩擦焊frictionwelding

利用摩擦产生的热量使金属发生熔化，并在压力的作用下使金属连接成型的技术。45＃焊接接头整体形貌

摩擦焊搅拌摩擦焊

（FrictionStirWelding）

搅拌摩擦焊所具有适合于自动化和机器人操作的优点，不需要填丝、保护气（对于铝合金）可以允许有薄的氧化膜、对于批量生产，不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理非损耗的工具头、一个典型的工具头就可以用来焊接6000系列的铝合金达1000米等。激光焊电子束焊40-600KV300KW

第1章焊接电弧

Chapter1WeldingArc

电弧的特性有关焊接电弧的基础理论知识：电弧的物理本质导电机构电特性产热机构和产力机构影响焊接电弧稳定性的因素1.1焊接电弧的物理基础1.1.1电弧的物理本质焊接电弧

由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。

气体放电

当两电极之间存在电位差时，电荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象。气体放电的伏安特性曲线电弧的物理本质：在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所产生的电流最大、电压最低U、温度最高T、发光最强的自持放电现象。1.1.2电弧中带电粒子的产生两电极之间要产生气体放电必须具备两个条件：（1）是必须有带电粒子e，（2）是在两极之间必须有一定的电场强度。电弧中的带电粒子：电子e、正离子、负离子。引燃电弧和维持电弧燃烧的带电粒子→→电子e和正离子。

带电粒子主要是依靠电弧中（1）气体介质的电离、（2）电极的电子e发射两个物理过程产生的。在电弧引燃和燃烧的过程中，除了存在电离和电子发射这两个过程外，还伴随有气体解离、激励、生成负离子、复合等过程。1．气体的电离电离：在外加能量的作用下，使中性气体分子或原子分离→→正离子和电子的现象。解离：当气体受到外加能量（如外加电场、光辐射、加热等）作用时，气体分子热运动加剧。

当能量足够大时，多原子的气体分子就会分解→→原子状态；H2→→2H

如果进一步增大外加能量，中性原子发生→→电离或激励。H→H+e激励：当中性气体分子或原子受到外加能量的作用不足以使电子完全脱离气体分子或原子时，而使电子从较低的能级转移到较高的能级的现象。（电子跃迁）H→H*

（2）电离的种类根据外加能量种类的不同，电离可以分为以下三类：（1）热电离：气体粒子受热的作用

产生的电离。气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞→→电离。

气体粒子获得热能后，温度将升高。根据气体分子运动理论，温度升高意味着气体粒子（包括中性粒子和带电粒子）总体动能增大，平均运动速度加快。

气体粒子的平均运动速度与温度的关系：C：气体粒子的平均运动速度（cm/s）;T：气体的热力学温度（K）;m：粒子的质量（g）C平均=1.87*10-8

（T/m）1/22）场致电离当气体中有电场E作用时，气体中的带电粒子被加速，电能

带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。在同一电场的作用下，电子e可以获得4倍于离子的动能，

发生非弹性碰撞时的能量传递效率

与粒子的质量有关，粒子越小，其将能量传递给被撞粒子的效率越高；在电场的作用下电子e

易引起中性粒子电离。当电子e←→中性粒子发生碰撞时，将其全部动能→→中性粒子的内能；

当E电子的总能量>E中性粒子的电离能，中性粒子

发生电离。电弧中的场致电离现象←←主要是由于电子e与中性粒子的非弹性碰撞引起的。U空载E焊接电弧的构造U空载=50-90V，3—5mm；E=102V/cm阴极区：10-5～10-6cm

电场强度：106～107V/cm阳极区：约为10-2～10-3cm

电场强度：~103～104

V/cm。弧柱区：长度很长，可以看成整个电弧的长度，其电场强度也比较小，通常只有5～10V/cm。温度高达5,000～30,000K

焊接电弧是由阴极区、阳极区和弧柱区三部分构成的（3）光电离中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离→→光电离。气体都存在一个能产生光电离的临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。临界波长的数值可由下式确定：

0：临界光辐射波长（nm);Ui：气体的电离电压（V）

0=1236/Ui2．电极表面电子的发射电子发射：电极表面接受一定外加能量作用，使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象。电子发射在阴极和阳极皆可能发生

：阳极发射出来的电子：因受到电场的作用，不能参加导电过程，阴极电子发射：电弧导电过程中起着特别重要的作用。→在电场的作用下参加导电过程。→持续向电弧供给能量，→电弧产热→中性粒子电离→电子+正离子阴极发射电子*2．电极表面电子的发射

一般情况下，电子是不能自由地离开电极表面向外发射。要使电子飞出电极表面，必须给电子施予一定的能量，使它克服电极内部正电荷对它的静电引力。逸出功WW：eV

使一个电子从电极表面飞出所需要的最低外加能量

逸出功（WW）。I、热发射?

SEM（1）金属表面承受热作用而产生电子发射的现象→→热发射。金属电极内部的自由电子受到热作用→→热运动加剧，动能增加；当自由电子的E动能>WW，从金属电极表面飞出

→→参加电弧的导电过程。电子发射→→从金属电极表面带走能量，故能对金属产生冷却作用

。当电子被阳极金属表面接受时，将释放能量，使金属表面加热。带走和释放的能量在数值上均为iUw，其中i为发射的总电子流，Uw为逸出电压。i=AT

2exp(-eUw/kT)电极材料对热发射的影响热发射的电流密度I热发射

随着T阴极温度的升高而急剧增大的。

在实际焊接电弧中，T电极的最高温度<T材料沸点（T熔点），对于具有不同熔点和沸点的电极材料，其热发射的强度不同。钨（T沸点=5950K，T熔点=3680K)、碳（T沸点=4200K）作阴极时，T阴极温度

，阴极可以被加热到很高的温度（可达3500K以上），电弧阴极区的电子可以主要依靠阴极热发射来提供，这种电弧通常称为“热阴极电弧”，电极被称为“热阴极型电极”。钢（T沸点=3008K)、铜（T沸点=2868K)、铝（T沸点=2770K）TiMg

作阴极时，T材料沸点（T熔点）

，T阴极温度

，热发射不能提供足够的电子，这种电弧通常称为“冷阴极电弧”，电极被称为“冷阴极型电极”。对于冷阴极电弧，必须依靠其他方式来补充发射电子才能满足导电的需要。II、场致发射当阴极表面空间有强电场E存在并达到一定程度时，在电场的作用下，电子可以获得足够的能量→→克服阴极内部正电荷对它的静电引力→→冲破电极表面→→飞入电弧空间，并受到外加电场的加速，提高动能。这种从电极表面飞出电子的现象称为场致发射。金属表面场致发射的电子流密度i可以用下式表达：阴极区：10-5～10-6cm电场强度：106～107

V/cm

*III、光发射：当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子e能量增加，当电子e的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。产生光发射时，由于电子发射吸收的是光辐射能，不从金属表面带走热量，因而对电极没有冷却作用。电弧焊时，焊接电弧发出的光能够引起电极产生光发射，但由于光亮不足够强，因此，光发射在阴极电子发射中居于次要的地位。V、粒子碰撞发射：当高速运动的粒子（电子e或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量→→传给电极表面的电子→→电子能量增加→→飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。*

焊接电弧中正离子→→撞击阴极表面产生的电子发射是很典型的粒子碰撞发射。在阴极区通常有大量的正离子聚积，这些正离子在电场的作用下被加速，获得较大动能，当撞击阴极表面时：→将其动能Wk传递给阴极；→释放出电离能Wi：要从阴极表面夺取一个电子同自己复合→消耗逸出功Ww

：夺取一个电子要消耗逸出功Ww；→剩余的能量：Wk+Wi－Ww

；

当W剩余能量>Ww大时，才可以再发射一个电子。Wk：正离子动能；Wi：正离子与电子中和时放出的电离能；Ww：逸出功。负离子的产生电弧中的带电粒子除了电子和正离子之外，还有负离子。负离子是在一定条件下一些中性原子或分子吸附一个电子而形成的。中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部的能量不是增加而是减少。减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能，通常是以热或辐射能（光）的形式释放出来。元素的电子亲和能越大，越容易形成负离子。1.1.3电弧中带电粒子的消失（1）空间复合（2）电极表面：

1.2焊接电弧的产生过程

电弧焊时，仅仅把焊接电源电压加到电极与焊件两端是不能产生电弧的，首先需要在电极与焊件之间提供一个导电的通道，才能引燃电弧。引燃电弧通常有两种方式：

接触式引弧

非接触式引弧1.2.1接触式引弧接触式引弧→→短路引弧，常用于焊条电弧焊、埋弧焊SAW、熔化极气体保护电弧焊GMAW等。操作方法：将焊条（或焊丝）和焊件分别接通于弧焊电源的两极，将焊条（或焊丝）与焊件轻轻地接触，然后迅速提拉（或焊丝自动爆断），这样就能在焊条（或焊丝）端部与焊件之间产生一个电弧。这是一种最常见的引弧方式。焊接电弧的形成：

短路

分离

燃弧1．短路阶段

当焊条（或焊丝）一旦接触焊件→发生短路。焊条（或焊丝）端部表面和焊件表面都只是在几个凸出的点上接触，电流也只是从这些凸点流过;接触点的面积S

↓↓，接触点的电流密度j↑↑，→接触点上产生电阻热Q↑↑，→接触点处的温度T↑↑→发生熔化，形成液态金属间层。

2．分离阶段

在焊条（或焊丝）与焊件短路后，（1）焊条电弧焊或埋弧焊：一般是迅速将焊条（或焊丝）从焊件上稍稍提起，→液态金属横截面S↓↓减小，→电流密度j↑↑，→温度T↑↑、→电磁收缩力↑↑，因而使液态金属很快断开；（2）熔化极气体保护电弧焊：焊丝直径一般较细，则会发生自动爆断。在焊条（或焊丝）与焊件分离的瞬间，一方面焊条（或焊丝）与焊件之间的电场强度急剧增大；另一方面两极之间能产生大量电离电压较低的金属蒸气和药皮蒸气。因而，在强电场的作用下，能发生强烈的场致发射和场致电离，使带电粒子数量大大增加。3.燃弧阶段

两极之间：有足够强的电场作用，有足够多的带电粒子，就会引燃电弧。

电弧引燃后，温度

，产生弧光

，各种形式的发射和电离均得到加强，正、负粒子分别跑向两极。在这个过程中，带电粒子的产生和消失交织在一起，各种能量的释放和消耗交织在一起。经过短暂的调整，带电粒子的产生和消失、能量的释放和消耗达到动态平衡，焊接电弧就进入了稳定燃烧阶段。

在燃弧阶段，由于电极为冷阴极型，因此电子发射仍以场致发射为主。1.2.2非接触式引弧※在电极与焊件之间存在一定间隙，施以高电压击穿间隙使电弧引燃的方法；※常用于钨极氩弧焊TIG、等离子弧焊PAW等。为了避免钨极被污染或造成焊缝夹钨，一般不允许钨极与焊件接触，此时只能采用非接触式引弧。※非接触式引弧：高频高压引弧和高压脉冲引弧两种方式。高频高压引弧：电压峰值一般为2000-3000V，每秒振荡100次，每次振荡频率为150-260kHz；高压脉冲引弧：电压峰值一般为3000-5000V，频率为50Hz或100Hz。非接触式引弧只包含激发和燃弧两个阶段。1.3焊接电弧的构造及其导电机构

1.3.1焊接电弧的构造阴极区：只有10-5～10-6cm，电场强度可达106～107V/cm阳极区：约为10-2～10-3cm，电场强度比阴极区小得多，约为103～104V/cm。弧柱区：长度很长，可以看成整个电弧的长度，其电场强度也比较小，通常只有5～10V/cm。温度高达5000～30000K，1.3.2焊接电弧的导电机构1．阴极区的导电机构阴极区的总电流是由电子流和正离子流共同组成的

。

电子流→→阴极发射主要

正离子→→弧柱区和阴极区自身气体的电离。

I电子流/I总电流：取决于电极材料的种类、电流大小、气体介质等工作条件。

一般情况下，I电子流/I总电流=60%-80%。但是电弧种类不同时，该比率相差很大，有时可超过97.5%，有时可以认为小到接近于零。阴极区的导电机构有以下三类：（1）热发射型W、C等热阴极型材料作为阴极，而且大电流时：能发生热发射型导电。阴极区可以承受的T↑↑，

可以产生很强烈的电子热发射。（1）电流I↑↑，阴极通过热发射就能够提供弧柱区所需要的电子流比率。（2）电子流比率约占99.9%：阴极表面以外的区域电流组成与弧柱区相同，其空间电荷总和为零，对外呈中性。（3）阴极表面导电区域的电流密度也与弧柱区相近（约为103A/cm2)，（4）在阴极表面不形成阴极斑点；（5）阴极压降Uk↓↓，甚至为零。在大电流钨极氩弧焊TIG时这种阴极导电机构占主要地位。（2）场致发射型

当采用Cu、Fe、Al、Ti等冷阴极型材料作为阴极，或采用W,C等热阴极型材料作为阴极但电流比较小时，将主要发生场致发射型导电。冷阴极型电极→→其表面的温度T↓↓→→表面不能产生强烈的热发射。最初电子供应不足

，靠近阴极的区域正负电荷处于非平衡状态：→正离子过剩并造成堆积，形成正的空间电荷；→在阴极表面前面形成局部较高的电场(阴极压降Uk↑↑)。

只要阴极不能发出足够的电子数量，正离子将继续堆积，电场强度E↑将继续增加。当电场强度E↑↑时，就会使阴极表面的电子冲破束缚发射出来，即产生场致发射。

在阴极表面形成阴极斑点阴极斑点的定义

电弧放电时，负电极表面上集中发射电子的光亮极小区域。当阴极材料熔点、沸点较低，而且导热性很强时，

T阴极温度>T材料的沸点，金属蒸发，温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子；

阴极将进一步自动缩小其导电面积S

，直到在阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷，形成很大的阴极压降值Uk

，E

，足以产生强的电场发射；

场发射+热发射电子，向弧柱提供足够的电子流维持电弧燃烧。阴极将形成面积更小、电流密度更大的斑点（该斑点的电流密度达106～108A/cm2）来导通电流，这种导电斑点

称为阴极斑点。

在用高熔点材料（W、C等）作阴极时，在焊接电流I↓，也可能产生上述的阴极斑点。

当用低熔点材料（A1、Cu、Fe等）作阴极时，无论电流大小都可能产生阴极斑点。阴极表面将由许多分离的阴极斑点组成斑点区，斑点在斑点区以很高速度跳动（其速度可达104～105cm/s）。

阴极斑点跳动，总是自动选择发射电子时消耗能量最低的点。如采用直流反极性焊铝时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向

。（2）场致发射型从阴极发射出来的电子

：在比较强的电场强度作用下被强烈加速→向弧柱区（阳极方向）运动。当E动能>Wgas电离能时，有一部分电子就能在阴极区的终端（接近弧柱区的部位）与中性粒子发生激烈碰撞电离。与从弧柱区来的正离子→→向阴极运动，使正离子流占阴极区总电流的比率大大增加。碰撞电离正离子电子与从阴极直接发射的电子→→向弧柱区方向运动，使电子流的比率最终达到弧柱区电子流的比率（3）等离子型※这是低气压钨极氩弧焊或使用冷阴极、小电流时容易产生的一种导电机构。在这种情况下，在阴极的前方会出现一个很亮的球形区域，温度很高，有时

甚至接近10000ºC，在此处能产生强烈的热电离。※此时阴极难以产生热发射和场致发射：正离子→将其动能Wk传递给阴极；→释放出电离能Wi：→阴极温度T

→中性粒子则被弹回：回到阴极前方接近于弧柱区的一个区域，弹回的中性粒子将一部分热量带到这个区域，使这个部位温度T

，

→高亮度辉点

，并引发强烈的热电离→电子+正离子。（3）等离子型

即使阴极发射的电子很少或不发射电子，依靠正离子流仍然能维持足够大的焊接电流。具有等离子型导电机构电弧的阴极斑点的电流密度可以达到（3-7）×104A/cm2。如果增大电流到一定值，明亮的辉点将消，阴极斑点在阴极表面扩展，电流密度降低。热电离※电子※正离子电子进入弧柱区，形成弧柱区所需要的电子流；正离子又飞向阴极，形成离子流。2．弧柱区的导电机构弧柱区

：电子、正离子、气体原子、气体分子及负离子；弧柱区的带电粒子主要是电子和正离子。弧柱区的总电流是由约占99.9%的电子流和约占0.1％的正离子流组成的。在每个瞬间，每个单位体积内的正、负带电粒子数量是相等的，因此从整体上看，弧柱是呈电中性的。正因为弧柱整体保持中性，使得电子流和正离子流通过弧柱区时，不受空间电荷电场的排斥作用，阻力小，因而使弧柱区的电压降比较低。但是由于正离子的质量远远大于电子的质量，在相同电场的作用下正离子的运动速度要比电子慢得多，这就导致弧柱区中的电子流远远大于正离子流。3．阳极区的导电机构

电弧燃烧时，阳极区

：（1）接受电子：接受来自弧柱的占总电流99.9％的电子流；（2）形成正离子：要向弧柱区发送约占总电流0.1％的正离子流。※每一个电子到达阳极时，将向阳极释放出相当于电子逸出功的能量。阳极不能发射正离子，正离子只能由阳极区供给。※根据电弧电流密度的大小，阳极区可以通过两种不同的方式提供正离子。（1）场致电离当电流密度较小时，在阳极区难以发生热电离过程，阳极前面的正离子不足

，正离子数少于电子数，因此阳极前方能形成负的空间电荷和空间电场，因此能产生一定的阳极压降UA。阳极压降UA

，来自弧柱区的电子

e

，E动能

。当阳极压降UA增加到一定程度时，其中有一部分电子与中性粒子发生碰撞后产生场致电离。与从弧柱区来的正离子

弧柱区

阴极运动，使正离子流达到总电流的0.1％。阳极压降UA不再继续升高，而保持稳定碰撞电离正离子电子电子+从弧柱来的电子

阳极（2）热电离当电流密度j较大时：阳极表面及其前面的温度T↑↑，达到阳极材料的沸点，→发生蒸发，使阴极区充满大量的蒸气。金属蒸气中原子的电离能一般都比较低，→高温的作用下容易发生电离。

电离→→电子+正离子

电离生成的电子与来自弧柱区的电子→阳极

，

生成的正离子→向弧柱区输送。焊接电流I↑↑足够大，阳极区热电离完全满足弧柱区对正离子流的需要；阳极区的压降Ua↓↓，甚至→0。电弧与阳极接触处不产生收缩，也不形成阳极斑点。大电流熔化极焊接和大电流钨极氩弧焊时，阳极区的压降~0。阳极压降UA

与焊接电流有关外，

与电极材料的导热性有关，在相同的条件下，阳极材料的导热性越强，阳极压降UA越大。阳极斑点的定义：电弧放电时，正电极表面上集中接受电子的光亮微小区域。阳极的作用（1）接受电子和（2）提供弧柱所需要的0.1%正离子流。当采用低熔点材料作阳极时（Fe、Cu、A1等），金属气体的电离能大大低于一般气体的电离能，在有金属蒸气存在的地方，更容易产生热电离而提供正离子流，电子流也更容易从这里进入阳极，阳极表面上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。阳极斑点电流密度比阴极斑点要小，其数量级一般为102～103A/cm2。对于低熔点阳极材料形成阳极斑点的条件（1）该点有金属蒸发，（2）电弧通过该点弧柱消耗能量较低（亦即IELC较小）。阳极斑点的移动不可能连续进行，总是跳动形式。新的阳极斑点

总是自动寻找纯金属表面而避开氧化膜，因为大多数金属氧化物的熔点和沸点皆高于纯金属，而金属氧化物的电离电压较高。在小电流氩弧焊不锈钢薄板时，易发生阳极斑点跳动现象，这是十分不利的。1.3.3最小电压原理在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小。这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。利用最小电压原理可以解释电弧过程中的许多现象。

当从外部向电弧吹风使之强制冷却时，会发现电弧会自动地缩小其断面积，这正是由电弧的这一特性决定的。如果电弧不缩小其断面，其表面积大，散失的热量比较多，在电流一定的情况下就需要比较多地增加电场强度，以维持热平衡。而如果断面缩小了，能减少电弧表面散失的热量，从而使电场强度增加的幅度减小。但是断面又不能收缩得过小，否则电流密度过大，使电场强度增加得太多。最终的结果是电弧自动调节收缩的程度，以最小的电场强度增加达到能量增加与散热量增大的平衡。最小电压原理是：对一个轴线对称的电弧，在给定的电流和边界条件下，当电弧处于稳定状态时，其弧柱直径（D）或温度（T）应使弧柱电场强度（E）具有最小值。焊接电弧的基本特点为：1）U

：维持电弧稳定燃烧的电弧电压很低，只有10～50V。2）I

：在电弧中能通过很大电流，可从几A～几kA。3