焊接

第一节 手工电弧焊 第二节 气焊与气割

第三节 其他常用焊接方法及焊接新工艺简介 第四节第五节第六节思考题

常用金属材料的焊接 常见的焊接缺陷分析 焊接件的结构工艺性 1

第二十一章 焊接

焊接是通过加热或加压，或两者并用，将分离的金属通过原子间的结合与扩散，形成永久性连接的工艺方法。

一、焊接的特点

与其他加工方法相比，焊接具有以下特点：

1.生产工艺简单，适应性强，焊接方法灵活多样，工艺简便，生产周期短。不论是同种金属还是异种金属，不管构件的结构形式、大小、场地如何，都有相应的焊接方法完成加工生产。尤其对大型建筑结构件、工程设备部件等，可采用以小拼大、以简组繁的办法，使加工过程大为简化，提高生产效率。

2.能够减轻结构重量，节省金属材料。与铆接相比，焊接一般能节省金属材料l0％～20％，减轻设备、构件的自重，降低成本。小批量生产时，焊接生产比铸造和锻造具有更好的经济性。

3.焊接接头强度高，密封性好。焊接可用于压力锅炉、高压容器、储油罐、舰体、船体等要求接头强度高、密封性好的结构件。一般情况下，焊接接头的强度不低于形材的强度。

4.便于实现生产的机械化、自动化。 二、焊接方法分类

焊接方法种类繁多，按照焊接过程的特点可分为三大类：熔焊、压焊、钎焊， 1.熔焊

焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法，称为熔焊。这一类方法的共同特点是把焊件局部连接处加热至熔化状态形成熔池，待其冷却凝固后形成焊缝，将两部分材料焊接成一体。

2.压焊

焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法，称为压焊。 3.钎焊

采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点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，并与母材互相扩散，实现连接焊件的方法，称为钎焊。

三、焊接的应用

焊接主要用于制造金属结构件，如锅炉、压力容器、船舶、桥梁、建筑、管道、车辆、冶金设备；生产机器零件或毛坯，如重型机械和冶金设备中的机架、底座、箱体、轴、齿轮等；修补铸、锻件的缺陷和局部损坏的零件，世界上主要工业国家每年生产的焊件结构约占钢总产量的45%。

焊接有连接性能好、省工省料、成本低、重量轻、可简化工艺、焊缝密封性好等优点。但同时也存在一些不足之处：如结构不可拆，更换修理不方便；焊接接头组织性能变坏；存在焊接应力，容易产生焊接变形；容易出现焊接缺陷等。

目前焊接技术正向高温、高压、高容量、高寿命、高生产率方向发展，并正在解决具有特殊性能材料的焊接问题。

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第一节 手工电弧焊

电弧焊是利用电弧作为热源来熔化焊条和焊件，从而获得永久性接头的工艺方法。在电弧焊中，最基本的焊接方法是手工电弧焊，简称手弧焊。

一、焊接电弧

焊接电弧是在电极与焊件间的气体介质中产生的强烈、持久的放电现象。手工电弧焊中的电极是焊条与焊件。

(一)电弧的产生

焊接时，将焊条与焊件瞬时接触造成短路，产生很大的短路电流，并在很短时间内产生大量的热能，使接触点的温度迅速升高，然后将焊条稍微提起离开焊件，在焊条与焊件之间就形成了由高温空气、金属和药皮蒸气组成的气体空间，这些高温气体很容易被电离。在热激发和强电场作用下，负极(焊条)表面发射电子，并撞击高温气体中的分子和原子，使气体介质电离成为正离子、负离子和自由电子，正离子奔向阴极，负离子和自由电子奔向阳极。在它们运动和达到两极时，不断发生碰撞和复合，产生出大量的光和热，即形成电弧。其形成过程如图21—1所示。

图21—1 焊接电弧的形成过程

（a）电极接触短路 （b）拉开电极 （c）引燃电弧

（二）电弧的结构

焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图21—2所示。从阴极区发射电子需消耗一定能量，阴极区产生的热量约占电弧总热量的36%，温度约为2400K。阳极区由于高速电子撞击阳极表面和吸收电子，产生热量较多，约占电弧总热量的43%，温度可达2600K。弧柱区指阴极与阳极之间的气体空间区域。弧柱区产生的热量约占电弧总热量的21%。弧柱区中心温度最高，可达6000～8000K。弧柱区热量大部分通过对流、辐射散失到周围空气中。

由于电弧产生的热量在阳极区比阴极区高，使用直流电弧焊接电源进行焊接时，就有两种不同的接法。厚件和熔点高的焊件应接阳极，焊条接阴极，这种方法称为正接法。若把焊件接阴极，焊条接阳极，称为反接法，适用于薄件、有色金属、不锈钢及铸件的焊接。对交流电弧焊则无正反接法的区别。

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图21—2 焊接电弧的组成

1.焊条 2.阴极区 3.弧柱区 4.阳极区 5.工件

二、焊接过程

图21—3是手工电弧焊的焊接过程，当焊条和焊件之间引燃电弧时，电弧热使工件和焊条芯同时熔化形成熔池，焊条金属熔滴借助重力和电弧气体吹力的作用过渡到熔池中，凝固后即形成焊点。若使焊条沿接缝移动，电弧燃烧不断形成新的熔池，而原来的熔池随之冷却凝固，就构成连续的焊缝。电弧热还使焊条药皮熔化或燃烧，并进入熔池与液体金属发生物理化学作用，形成由多种氧化物和硫、磷化合物组成的熔渣并浮在熔池表面上。同时，药皮燃烧产生的大量一氧化碳气体环绕在电弧周围，这些熔渣和气体把熔池的液态金属与空气隔离开，保护了液态金属不被氧化和氮化，并且，熔渣还可去除焊缝中硫、磷等有害杂质，提高焊缝质量。手工电弧焊引燃电弧时，用焊钳夹持焊条轻轻敲击或擦划工件表面，并随后提起2～4毫米，就会使焊条与工件之间产生放电现象形成电弧。电弧引燃后，为了维持电弧继续稳定燃烧，需要一定的工作电压，称为电弧电压，该电压一般为16～35V。

图21—3 手工电弧焊的焊接过程

1.渣壳 2.液态熔渣 3.气体 4.焊条药皮 5.焊芯 6.金属熔滴 7.熔池 8.焊缝 9.焊件 三、手工电弧焊设备

手工电弧焊的主要设备是交流电焊机和整流式直流弧焊机两种。 （一）交流电焊机

交流电焊机实际是一种特殊的降压变压器，它将220V或380V的电源电压降到60～80V（即焊机的空载电压），以满足引弧的需要。焊接时，电压会自动下降到电弧正常工伯时所需要的工作电压20～30V。输出电流，从几十安到几百安的交流电，可根据焊接需要调节电流的大小。电流的调节分为粗调和细调，粗调是通过改变输出抽头的接法来实现的，调节范围大；细调是旋转调节手柄，将电流调节到所需要的数值。交流电焊机的外形及组成如图21—4所示。

交流电焊机效率高，结构简单，使用可靠，成本低廉，噪声低，维护保养较容易，是常用的手工电弧焊设备，但交流电焊机电弧稳定性差。

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图21—4 交流电焊机外形图

1.调节手柄（细调电流） 2.电源 3.电流指示盘 4.线圈抽头 5.焊接电源两极 6.接地螺钉 (二)直流孤焊机（弧焊整流器）

直流弧焊机是将交流电变为直流电的弧焊设备，简称弧焊整流器，弥补了交流电焊机电弧稳定性不好的缺点。目前常用的是硅二极管整流式直流弧焊机。它相当于在交流弧焊变压器上连接一组大功率硅整流器，因而也具备引弧电压高、电弧电压低、焊接电流波纹小并可调等特点。由于正极和负极上的热量不同，所以分为正接和反接两种接法，把焊件接正极，焊条接负极，称为正接法；反之称为反接法。焊接厚板时，一般采用直流正接，有利于加快焊件熔化，保证足够的熔深。焊接薄板时，为防止烧穿，常采用反接。

四、手工电弧焊用焊条 (一)焊条的组成

手弧焊焊条由焊心和药皮两部分组成 1．焊心

焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊心。在焊接过程中，其主要作用是作为电极传导焊接电流，产生电弧，熔化后作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝。在焊缝金属中，焊心金属约占60%～70%。因此，焊心的化学成分对焊缝质量影响很大。焊心是经过特殊冶炼、拉拔制成的。

2．药皮

包覆于焊心表面的涂料层称为药皮。它是由多种矿物质、有机物、铁合金和粘结剂组成，其主要作用是提高焊接电弧燃烧的稳定性，利于造气、造渣，防止空气侵入熔滴和熔池，促进焊缝金属顺利脱氧、脱硫、脱磷、去氢等，向焊缝渗合金元素，提高焊缝金属的力学性能。

(二)焊条型号及编制方法

手弧焊用焊条按其用途分为十大类。其中碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条及铸铁焊条等已经有相应的国家标准。根据工业生产的实际应用需要，生产企业在焊条的包装上同时标注出标准型号和商用牌号。表21—1列出了国家标准中规定的型号与商用牌号。

表21—1 焊条标准型号与商业牌号对照表

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各种焊条型号的编制方法有所不同。最常用的手工电弧焊用碳钢焊条的型号是由字母“E”加4

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位数字组成：E表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度最小值，单位是kgf／mm(焊条的强度

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并用工程单位制和国际单位制，1 kgf／mm＝1MPa)，碳钢焊条有E43系列和E50系列两大类；第三位数字表示焊条的焊接位置：“0”和“1”表示焊条适用于全位置焊接，“2”表示适用于平焊及平角焊，“4”表示适用于向下立焊，第三位和第四位数字组合起来表示焊接电流种类及药皮类型。国

家标准中完整的焊条型号及其含义举例如下：

各种焊条的牌号是由相应的字母加上三位数字组成。字母表示焊条的大类，其后的前两位数字表示各大类中的若干小类，第三位数字表示药皮类型及焊接电流种类。焊条牌号及其含义举例如下：

同一种焊条型号可配制出不同工艺性能的几种焊条牌号，如J427和J427Ni属于同一种焊条型号E4315。

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焊条的药皮成分对焊缝金属的力学性能和焊接工艺性都起着决定性的作用。根据焊条药皮熔化后的酸碱度不同，又可以把焊条分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条药皮中合金元素烧损较大，焊缝金属中氢的含量较高，所以抗热裂性差。但酸性焊条具有良好的工艺性及抗冷裂性能，焊缝美观，对铁锈、油脂、水分的敏感性差，可采用直流或交流焊接电源，广泛应用于一般结构件的焊接。碱性焊条电弧燃烧不稳定，熔渣覆盖性较差，焊前要求去除油脂、水和铁锈，一般要求使用直流焊接电源。但碱性焊条脱氧去氢能力强，抗热裂性能好。焊缝金属具有良好的力学性能，尤其是冲击韧性值较高，多用于焊接重要结构件。焊条药皮类型及其特性见表21—2。

表21—2 焊条药皮类型及其特性

(三)焊条的选用原则

手弧焊选用焊条时，应遵循以下原则： 1.等强度原则

焊接低碳钢和低合金结构钢时，一般应根据焊件的抗拉强度选用相同强度等级的焊条。但对一般钢结构中的连接焊缝，应以保证焊缝金属的工艺强度为前提，不必强求其等强性。

2.等成分原则

焊接耐热钢、不锈钢时，一般应按母材的化学成分选用成分类型相同或相近的焊条。 3.抗裂纹原则

焊接刚性大、形状复杂、承受交变载荷或冲击裁荷的结构件时，应选用抗裂性好的碱性焊条，若焊件中含有较多的碳、硫、磷等杂质元素时，也应选用碱性焊条。

4.工艺性相适应原则

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受工艺条件限制，焊件接头部位的油污、锈、潮气不便清理时，应选用抗气孔能力强的酸性焊条；现场缺少直流弧焊电源时，应选用交、直流两用焊条。

应当指出，按上述原则确定焊条类型后，焊条的直径应根据焊件厚度、焊缝位置等条件来选择。通常是焊件越厚，选用焊条的直径越大。碳钢焊条标准直径有1.6mm、2.0mm、2.5mm、1.2mm、4.0 mm、5.0mm、6.0mm和8.0mm等几种。

五、手弧焊工艺

(一)焊接接头与坡口形式

根据焊件的结构形状、厚度及使用条件不同，接头形式可分为对接接头、T形接头、角接接头及搭接接头等。对较厚焊件，为了保证焊透，还要开出坡口。坡口形式有V形、X形、Y形等。开坡口时要留有钝边，防止烧穿。表21—3列出了常用焊接接头的种类与坡口形式。

表21—3 手工电弧焊常用接头种类与坡口形式

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(二)焊缝的空间位置

施焊时，焊缝在空间有平焊、立焊、横焊和仰焊四种位置，如图21—5所示。其中，平焊操作容易．劳动强度低，熔滴易于过渡，熔渣覆盖较好，焊缝质量高。其他焊接位置较难操作，而仰焊操作最困难。因此，在焊接中应尽可能选用平焊操作。

图21—5 焊缝的空间位置

（a）平焊（b）立焊（c）横焊（d）仰焊

(三)焊接工艺参数的选择

焊接时为了确保焊接质量，体现施焊操作要求而选定的有关物理量的总称叫焊接工艺参数，一般包括焊条、焊接电流、焊接速度等。

1．焊条直径的选择

焊条直径的大小与焊件厚度、焊接位置及焊接层数有关。一般焊件厚度大时应采用大直径焊条；平焊时，焊条直径可大些；多层焊在焊第一层时应选较小直径的焊条。

2．焊接电流的选择

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焊接电流的大小直接关系到焊接质量和生产效率。生产中选择焊接电流主要依据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头形式、焊缝位置和层数等。焊件厚度与焊条直径、焊接电流的关系见表21—4。

非水平位置焊接或焊接不锈钢时，焊接电流比平焊小15％左右；角焊的焊接电流可稍大些；使用碱性焊条时，电流应小些。

总之，焊接工艺参数的选择，应在保证焊接质量的前提下，尽量采用大直径焊条和大电流，以提高生产效率；电弧长度应尽量短些，不然会使燃烧不稳定，熔深减小，飞溅增加，还会使空气中的氧和氮侵入焊缝区，降低焊缝质量；焊接速度要均匀，以保证焊缝的外观与内在质量均达到要求为宜。

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第二节 气焊与气割

一、气焊

气焊是利用氧气和可燃气体(乙炔)混合燃烧所产生的热量将焊件和焊丝局部熔化而进行焊接的一种方法。

(一)气焊设备和工具 这些设备主要包括：氧气瓶、氧气减压器、乙炔气瓶、乙炔减压器、焊炬、橡皮管等。如图21—6所示。

图21—6 气焊设备与器具示意图

1.氧气瓶

是一种储存和运输氧气用的高压容器，氧气容积一般为40L，内储氧气的最高压力为15MPa，瓶口上装有开闭氧气的阀门，并套有保护瓶阀的瓶帽。按规定，氧气瓶外表涂成天蓝色并用黑色字标明“氧气”字样。氧气瓶不许曝晒、火烤、振荡，也不许被油脂沾污。使用的氧气瓶必须定期进行压力试验。

2．乙炔气瓶

乙炔气瓶是一种储存和运输乙炔气的高压容器，内储乙炔气的最高压力为1.5 MPa ，瓶口装有阀门并套有瓶帽保护。按规定，乙快气瓶外表徐成白色并用大红色字标明“乙炔”字样。

3．减压器

氧气减压器是将氧气瓶内的高压氧气调节成工作所需要的低压氧气，并在工作过程中保持压力与流量稳定不变，乙炔气减压器是将乙炔气瓶内的高压乙快气调节成工作所需要的低压乙炔气，并保持工作过程中的压力与流量稳定不变。常用的减压器为单级反作用式减压器。

4．焊炬

焊炬(也称焊枪)是用来使可燃性气体和氧气均匀混合，并调节火焰进行正常燃烧的气焊工具(图21—7)。

图12—7 气焊工具

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图21—8 气焊火焰

(二)气焊工艺 1．气焊火焰

气焊质量的好坏与所用气焊火焰的性质有极大的关系。改变氧气和乙炔气体的体积比，可得到三种不同性质的气焊火焰，如图21—8所示。

(1)中性焰

氧气与乙炔的体积比为1：1.2时得到的火焰为中性焰，此时氧气与乙快充分燃烧，内焰的最高温度可达3150℃，适合于焊接碳钢和有色金属，是应用最广泛的火焰。

(2)氧化焰

氧气与乙炔的体积比大于1：1.2时得到的火焰为氧化焰，此时氧气过剩，最高温度可达3300℃，适合于焊接黄铜、锡青铜和镀锌铁皮等，生成一层氧化物膜覆盖在熔池上，以防止锌、锡在高温时蒸发。

(3)碳化焰

氧气与乙炔的体积比小于1：1时得到的火焰为碳化焰，此时乙炔过剩，最高温度可达3000℃，由于氧气比较少，燃烧不完全，火焰中含有游离碳，具有较强的还原作用和一定的碳化作用。适合于焊接高碳钢、高速钢、铸铁及硬质合金等。

2．接头形式与坡口形式

气焊时主要采用对接接头，而搭接接头和T形接头很少采用。在对接接头中，当焊件厚度小于5mm时，可以不开坡口，只留0.5～1.5mm的间隙；厚度大于5mm时必须开坡口。坡口的形式、角度、间隙及钝边等与手工电弧焊基本相同。

3.气焊工艺参数

（1）焊丝直径的选择

焊丝的成分要求与焊件的成分基本相符，焊丝的直径一般根据焊件的厚度来决定，见表21—5。 表21—5 焊件厚度与焊丝直径的关系

（2）氧气压力与乙炔压力

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氧气压力一般根据焊炬型号选择，通常取0.2～0.4N/mm，最高可取0.8N/mm，乙炔压力一般取

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0.001～0.1N/mm。

（3）焊嘴倾角的选择

焊嘴倾角的大小主要取决于焊件厚度和材料的熔点等。焊件厚度与焊嘴倾角的关系见表21—6。 表21—6 焊嘴倾角的选择

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(4)焊接速度

焊接速度与焊件的熔点和厚度有关，一般当焊件的熔点高、厚度大时，焊速应慢些，但在保证焊接质量的前提下应尽量提高焊速，以提高劳动生产率。

(5)基本操作方法

气焊前，先调节好氧气压力和乙炔压力，装好焊炬。点火时，先打开氧气阀门，再打开乙炔阀门，随后点燃火焰，再调节成所需要的火焰。灭火时，应先关乙炔阀门，再关氧气阀门，否则会引起回火。焊接时一般是右手握焊炬，左手握焊丝，两手相互配合，沿焊缝向左或向右焊接。开始焊接时，为了尽快加热工件形成熔池，焊炬倾角应大些（80～90度）。焊接结束时，为了更好地填满尾部焊坑，避免烧穿，倾角应适当减小（可至20度）。

气焊时还要用到助熔剂(气焊粉)，其作用是去除焊接过程中产生的氧化物，保护焊接熔池，改善熔化金属的流动性，以获得优质的焊接接头。气焊低碳钢一般不用熔剂，因为中性焰本身具有相当的保护作用；而气焊其他的钢、铸铁及有色金属则要采用专用焊丝。气焊熔剂有：CJ101用于焊接不锈钢和耐热钢，CJ201用于焊接铸铁，CJ301用于焊接铜及铜合金，CJ401用于焊接铝及铝合金。被焊件的厚度愈厚，导热性愈好，熔点愈高，则所选择的气焊火焰功率(以单位时间内燃烧时所耗用的乙炔数量作标准)应愈大。焊接过程中还可用调节气焊焊炬与焊件的夹角等方法来达到调节热量的目的。

(三)气焊的特点及应用

气焊的主要优点是设备简单，操作灵活方便，不需要电源并能焊接多种金属材料。但气焊的应用不如电弧焊广泛，这是由于气焊火焰温度低，加热缓慢，生产率低，热量不够集中，焊件受热范围大，热影响区较宽，焊后易变形；焊接时火焰对熔池保护性差，焊接质量不高，且难于实现机械化。

气焊主要用于焊接薄钢板、有色金属及其合金以及钎焊刀具和铸铁的补焊等。 二、气割 (一)气割原理

气割是利用氧—乙炔火焰的热能，将金属预热到燃点，然后开放高压氧气流使金属氧化燃烧，并将氧化物熔渣从切口吹掉，形成割缝的过程，如图21—9所示。氧气切割过程包括预热一燃烧一吹渣三个阶段，其实质是金属在纯氧中燃烧的过程，而不是熔化过程。

图21—9 氧-乙炔火焰切割

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1.割嘴 2.高压氧 3.预热火焰 4.切口 5.工件 6.氧化熔渣

(二)气割特点及应用范围

气割设备简单、操作灵活方便、适应性强，但对于金属材料的适用范围有一定的限制。气割特别适用于切割厚件、外形复杂件以及各种位置和不同形状的零件，因此，它被广泛地应用于钢板下料和铸钢件浇、冒口的切割。目前，气割主要用于切割各种碳钢和普通低合金钢材料。

(三)金属的气割性

1．对采用氧气切割的要求

（1）金属材料的燃点必须低于其熔点，否则切割前金属先熔化，使切口凹凸不平。如低碳钢的燃点约为1350℃而熔点约为1500℃，所以具有良好的气割条件。随着钢中含碳量的增加，则熔点降低，而燃点却增高，这样就使气割不易进行。含碳量为0.7%的碳钢，其燃点和熔点差不多都等于1300℃，而含碳量大于0.7%的高碳钢，则由于燃点比熔点高，所以不易气割。铝、铜以及铸铁的燃点比熔点高，所以不能用普通氧气切割的方法进行切割。

（2）燃烧时生成的金属氧化物的熔点应低于金属材料本身的熔点，且流动性要好，易于被氧气流从切口中吹掉。金属燃烧后生成的熔渣(氧化物)的熔点必须低于金属的熔点，在金属未熔化之前，熔渣呈液体状态，从切口处被吹走。如果金属氧化物的熔点比金属本身熔点高，则被加热金属表面上的高熔点金属氧化物会阻碍下层金属与切割氧射流的接触，使下层金属难以氧化燃烧，从而使气割过程难以进行。如高铬或铬镍钢加热时，会形成高熔点(约1990℃)的三氧化二铬(Cr2O3）；铝及铝合金加热则会形成高熔点(2050℃)的三氧化二铝(Al2O3)；所以它们不能采用氧气切割方法进行切割。

（3）金属燃烧时放出的热量要大，这是为了保证下层金属有足够的预热温度，使切割过程能连续进行。金属在切割氧射流中燃烧应该是放热反应，这样才能对下层金属起到预热的作用，放出热量越多，预热作用越大，越有利于气割过程的顺利进行。如气割低碳钢时，预热金属的热量少部分由预热火焰提供(仅占30％)，而金属燃烧所需的大部分热量则依靠金属在燃烧过程中放出的热量供给(占70％)。金属在燃烧过程中放出的热量越多，预热作用也就越大，越有利于气割过程的顺利进行。若金属的燃烧是吸热反应，则下层金属得不到预热，气割过程就不能进行。

（4）金属本身的导热性要低，如果被切割金属的导热性能太高，则预热火焰及金属燃烧所供给的热量会很快被传导散失，使被气割处的温度急剧下降。如果温度降到低于金属的燃点时，则气割过程不能开始或将中途停止。由于铜和铝等金属具有较高的导热性能，故不能采用普通的气割方法进行切割。

满足上述条件的金属材料有低碳钢、中碳钢和普通低合金钢，而高碳钢、高合金钢、铸铁、铜，铝等有色金属及其合金均难以进行氧气切割。

2．气割工艺参数

（1）氧气压力与乙炔压力。

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氧气压力一般根据割炬或板厚选择，通常取0.4N/mm，乙炔压力一般取0.01～0.12N/mm。 （2）割嘴与割件间的倾斜角。

此倾斜角指割嘴与气割运动方向之间的夹角，它直接影响气割速度。割嘴倾斜角的大小由割件厚度来确定。对于直线切割，当割件厚度为20～30 mm时，割嘴应与割件表面垂直；厚度小于20 mm时，割嘴应和切割运动方向相反，成60～70度；当割件厚度大于30 mm时，割嘴应和切割运动方向相同，成60～70度角。对于曲线切割，无论厚度大小，割嘴都必须与割件表面垂直，以保证割口平整。割嘴离割件表面的距离根据预热火焰及割件的厚度而定，一般为3～5mm，并要求在整个切割过程中保持一致。

（3）基本操作方法。

气割前根据割件厚度选择割炬和割嘴，并清理割件表面切口处的铁锈、油污等杂质；割件要垫平，并在下方留出一定的间隙；预热火焰的点燃过程与气焊相同，预热火焰一般调整为中性焰或轻

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微氧化焰。气割时，将预热火焰对被割件切口进行预热，待加热到金属表层即将氧化燃烧时，再以一定压力的氧气流吹入切割层，吹掉氧化燃烧产生的熔渣，不断移动割炬，气割便可以连续进行下去，直至切断被切割件为止。割炬移动的速度与割件厚度和使用割嘴的形状有关，割件越厚，气割速度越慢，反之则越快。

(四)气割设备

气割设备与气焊设备基本相同，只是气割时用割炬(或称气割枪)代替焊炬。割炬的构造如图21—l0所示。它的作用是将可燃气体与氧气以一定的方式和比例混合后，形成稳定燃烧并具有一定热能和形状的预热火焰，并在预热火焰的中心喷射切割氧气流进行切割。

图21—l0 割炬

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第三节 其他常用焊接方法及焊接新工艺简介

一、其他常用焊接方法 （一）气体保护电弧焊

气体保护电弧焊简称气体保护焊。它是利用外加气体在电弧周围形成局部的气体保护层，将电弧区的熔池与空气隔开，防止空气与熔化金属发生不利反应，以获得优质焊缝的工艺方法。常用的有氩弧焊和二氧化碳气体保护焊。

1.氩弧焊

氩弧焊是以氩气作为保护气体的电弧焊。氩气是惰性气体，在高温下不和金属起化学反应，也不溶于金属，是一种比较理想保护气体。氩气电离势高，引弧较困难，但一旦引燃就很稳定。氩气的纯度要求达到99.9%。

按照使用的电极不同，氩弧焊可分为非熔化极(钨极) 氩弧焊和熔化极（金属极）氩弧焊两种，如图21—11所示。其中应用最多的是手工钨极氩弧焊。

图21—11 氩弧焊示意图

（a）熔化极氩弧焊 （b）不熔化极氩弧焊

1.送丝辊轮 2.焊丝或电极 3.导电嘴 4.喷嘴 5.进气管 6.氩气流 7.电弧 8.焊件 9.填充焊丝 氩弧焊具有以下特点：

（1）氩弧焊是一种明弧焊，便于观察，操作灵活，适宜于各种空间位置的焊接，电弧稳定。 （2）氩气是情性气体，与液态金属既不溶解也不发生物理、化学反应，且表面成型好，因此氩弧焊形成的焊缝致密，具有较好的力学性能。

（3）氩气价格贵，焊接设备较复杂，焊接成本高，使应用受到一定限制。

目前，氩弧焊主要应用于焊接各种有色金属，如铝、钛、镁、铜及其合金钢和高强度合金钢等。 2.二氧化碳气体保护焊

二氧化碳气体保护焊是用二氧化碳作为保护气体的一种焊接方法，简称二氧化碳焊。它用连续送进的焊丝作电极，熔化后成为填充金属。二氧化碳气体保护焊可采用自动或半自动方式焊接，其焊接原理如图21—12所示。

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图21—12 二氧化碳气体保护焊示意图

1.流量计 2.减压器 3.二氧化碳气瓶 4.直流电焊机 5.焊炬喷嘴 6.导电嘴 7.送丝软管 8.送丝机构 9.焊丝盘

（1）二氧化碳焊的电流密度大，电弧集中，焊接速度快，生产效率比手弧焊高1～4倍。 （2）由于二氧化碳的冷却作用，使焊接热影响区缩小，焊件变形小，特别适用于薄板焊接，焊缝质量较高。

（3）二氧化碳气体来源广，价格低。二氧化碳焊的成本约为埋弧焊或手弧焊的40％～50％。 （4）焊缝成型不美观，焊接时电弧光强烈，烟雾较大，金属飞溅多。

二氧化碳气体保护焊主要用于低碳钢和强度级别不高的低合金结构钢的焊接。在汽车、船舶、化工设备等部门应用广泛。

（二）埋弧焊

埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧而进行焊接的一种工艺方法。埋弧焊接过程如图21—13所示。埋弧焊引弧前，要在焊件接续处覆盖一层颗粒状焊剂；焊丝末端和焊件之间产生电弧后，电弧在焊剂层下燃烧，使焊丝、焊件和焊剂熔化，形成熔池和熔渣，燃烧产生的气体形成了一个封闭的空腔，使电弧和熔池与外部空气隔绝。随着电弧向前移动，熔池冷却凝固形成焊缝，密度较小的熔渣浮在熔池表面形成渣壳。

图21—13 埋弧自动焊示意图

1.焊剂 2.焊剂漏斗 3.焊丝盘 4.焊丝 5.自动焊机头6.导电嘴 7.焊件 8.渣壳 9.焊缝 若电弧的引燃、焊丝送进和电弧沿焊缝的移动都由焊机自动进行，称为埋弧自动焊；若电弧移动靠手工操作，则称为半自动焊。

埋弧焊具有以下特点：

1.埋弧焊可以采用较大的焊接电流，生产效率高。 2.焊剂保护性好，焊接过程稳定，焊缝质量高。

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3.节省材料与电能，无弧光，少烟尘，劳动条件好。

4.设备比较复杂，适应性差，只适宜厚、大件直线焊缝或大直径环缝的水平位置焊接。

埋弧焊主要应用于中厚钢板焊件的大面积拼接、钢结构及容器的焊接，在船舶、锅炉、化工容器、桥梁等方面应用较为广泛。

（三）电渣焊

电渣焊是利用电流通过液态熔渣产生的电阻热作为热源进行焊接的工艺方法，其焊接原理如图21—14所示。分段焊接时，使焊缝处于垂直位置，焊缝间留有25—35mm的间隙，在焊缝两侧装有用水冷却的铜滑块装置，底部装有引弧板，形成一个上端开口的空腔。先在空腔中装入一定量的焊剂，焊丝伸人焊剂中，与引孤板短路引燃电弧，焊剂受热熔化形成电渣池、随即将焊丝迅速插入渣池中，电弧熄灭。渣池具有较大的电阻，电流通过渣池会产生大量的电阻热，把不断送进的焊丝熔化，沉集于渣池下部形成熔池。焊丝不断送进并熔化，熔池和熔渣不断上升，下部的液态金属在两侧冷却滑块的强制冷却下凝固形成完整焊缝。

图21—14 电渣焊示意图

1.冷却水管 2.金属熔池 3.渣池 4.焊丝 5.导丝管 6.焊件 7.滑块 8.焊缝 9.引弧板10.引出

板

电渣焊生产效率高，焊件变形小，焊缝金属化学成分容易控制，很少产生夹渣和气孔，焊缝质量好，适用于焊接厚度大于40 mm的碳钢、低合金钢、不锈钢板，也可用于环绕的焊接。

（四）电阻焊

电阻焊又称接触焊，是利用电流通过焊件接触处产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后施加一定压力形成焊接接头的方法。电阻焊按接头形式可分为点焊、缝焊和对焊。如图21—15所示。

图21—15 电阻焊分类示意图 （a）点焊（b）缝焊（c）对焊

1.点焊

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点焊时将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，通过加热，使焊件在接触点熔化形成熔核，然后断电，待熔核凝固后去掉压力，即形成焊点。点焊可以焊接薄板冲压结构和钢筋构件，它广泛应用于汽车、h机、电子器件、仪表和生活用品的生产中。

2.缝焊

缝焊时，焊件搭接或对接，并置于可以旋转的滚动电极之间，滚轮电极压紧焊件并转动，连续或断续通电，即形成一条连续的焊缝。缝焊主要用于焊接2mm以下的薄壁结构，如油箱、管道等。

3.对焊

对焊是将焊件对接接头沿整个接触面连接起来的一种电阻焊方法。按工艺方法不同，可分为电阻对焊和闪光对焊两种，如图21—16所示。

图21—16 对焊过程示意图 （a）电阻对焊（b）闪光对焊

（1）电阻对焊

电阻对焊是将焊件接头端面紧密接触，利用电阻热将焊件加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接。

对焊操作简单，接头外形较圆滑。但焊前对接头端面清理要求严格，否则端面加热不均匀，容易产生氧化物夹杂，质量不易保证。因此，电阻对焊一般仅用于断面简单、直径小于20mm和强度要求不高的工件。

（2）闪光对焊

闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源并使其端面逐渐移近达到局部接触，由于接触表面不平，在强电流通过时，某些接触点被迅速熔化，液态金属发生爆破飞溅形成火花，此时迅速施加顶锻力完成焊接。闪光对焊接头质量高，可焊接截面形状复杂或具有不同截面的焊件，但有闪光烧损，焊件需要留出余量。闪光对焊常用于重要工件的焊接，可焊同种金属，也可焊接异种金属(如铝—钢、铝—铜等)，在建筑、汽车、电气工程等部门得到广泛应用。

（五）钎焊

钎焊是用熔点比焊件低的钎料与焊件共同加热到一定温度，焊件不熔化，钎料熔化并润湿钎焊面，通过钎料与焊件间的相互扩散和钎料凝固，形成钎焊接头的工艺方法。根据钎料熔点不同，钎焊可分为软钎焊和硬钎焊两类。

(一)软钎焊

软钎焊的钎料熔点低于450℃，焊接接头强度低于70 MPa。常用的钎料是锡铅合金(俗称焊锡)。软钎焊主要用于焊接受力小的仪表、电子元件及薄钢板等。

(二)硬钎焊

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硬钎焊的钎料熔点在450℃以上，接头强度在200～450 MPa。常用的钎料有铜基钎料和银基钎料等，常用的钎剂有硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。硬钎焊主要用于受力较大的钢、铜合金和铝合金及工具的焊接，如硬质合金刀具、自行车架等。

二、焊接新工艺简介 （一）等离子弧焊接

一般电弧焊所产生的电弧没有受到外界约束，称之为自由电弧，电弧区内的气体尚未完全电离，能量也未高度集中，如果让自由电弧的弧柱受到压缩，弧柱中的气体就完全电离（通称为压缩效应），便产生比自由电弧高得多的等离子电弧。

在钨极与工件之间加一高压，经高频振荡器使气体电离形成电弧，这一电弧受到三个压缩效应：一是机械压缩效应。电弧通过经水冷的细孔喷嘴时被强迫缩小，不能自由扩展；二是热压缩效应。当通入有一定压力和流量的氩气或氮气流时，由于喷嘴水冷作用，使靠近喷嘴通道壁的气体被强烈冷却，使弧柱进一步压缩，电离度大为提高，从而使弧柱温度和能量密度增大；三是电磁收缩效应。带电粒子流在弧柱中运动好像电流在一束平行的导线中移动一样，其自身磁场所产生的电磁力，使这些导线相互吸引靠近，弧柱又进一步被压缩。在上述三个效应作用下形成等离子弧，弧柱能量高

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度集中，能量密度可达10W/cm～10 W/cm，温度可达20000～50000K（一般自由状态的钨极氩弧最

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高温度为10000～20000K，能量密度在10W/cm以下）。因此，它能迅速熔化金属材料，用来焊接和切割。等离子弧焊接分为大电流等离子弧焊和微束等离子弧焊两类。

1.大电流等离子弧焊件厚度大于2.5mm，两种工艺：第一种是穿透型等离子弧焊。在等离子弧能量足够大和等离子流量较大条件下焊接时，焊件上产生穿透小孔，小孔随着等离子弧移动，这种现象称为小孔效应。稳定的小孔是完全焊透的标志。由于等离子弧能量密度难以提高到较高程度，致使穿孔型等离子弧焊只能用于一定板厚单面焊。第二种是熔透型等离子弧焊。当等离子气流量减小时，小孔效应消失了，此时等离子弧焊和一般钨极氩弧焊相似，适用于薄板焊接、多层焊和角焊缝。

2.微束等离子弧焊时电流在30A以下。由于电流小到0.1A等离子弧仍十分稳定，所以电弧能保持良好的挺度和方向性，适用于焊接0.025～1mm金属箔材和薄板。

等离子弧焊除了具有氩弧焊优点外，还有以下两方面特点：一是有小孔效应且等离子弧穿透能力强，所以10～12mm厚度焊件可不开坡口，能实现单面焊双面自由成型；二是微束等离子弧焊可用以焊很薄的箔材。因此它日益广泛地应用于航空航天等尖端技术所用的铜合金、钛合金、合金钢、钼、钴等金属的焊接，如钛合金导弹壳体、波纹管及膜盒、微型继电器、飞机上的薄壁容器等。

（二）真空电子束焊接

真空电子束焊是把工件放在真空内，由真空室内的电子枪产生的电子束经聚焦和加速，撞击工件后动能转化为热能的一种熔化焊。真空电子束焊一般不加填充焊丝，若要求焊缝的正面和背面有一定堆高时，可在接缝处预加垫片。焊前必须严格除锈和清洗，不允许残留有机物。对接焊缝间隙不得超过0.2mm。随着原子能和航空航天技术的发展，大量应用了锆、钛、钽、铌、钼、铍、镍及其合金。这些稀有的难熔、活性金属，用一般的焊接技术难以得到满意的效果。真空电子束焊接技术研制成功，才为这些难熔的活性金属的焊接开辟了一条有效路径。

真空电子束焊有以下特点：

1.在真空环境中施焊，保护效果极佳，焊接质量好。焊缝金属不会氧化、氮化，且无金属电极玷污。没有弧坑或其他表面缺陷，内部熔合好，无气孔夹渣。特别适合于焊接化学活泼性强、纯度高和极易被大气污染的金属，如铝、钛、锆、钼、高强刚、不锈钢等。

2.热源能量密度大，熔深大，焊速快，焊缝深而窄，焊缝宽熔比可达1：20,能单道焊接厚件。钢板焊接厚度可达200～300mm，铝合金厚度已超过300mm。

3.焊接变形小。可以焊接一些已机械加工好的组合零件，如多联齿轮组合零件等。

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4.焊接工艺参数调节范围广，焊接过程控制灵活，适应性强。可以焊接0.1mm薄板，也可以焊接200～300mm厚板；可焊普通的合金钢，也可以焊难熔金属、活性金属以及复合材料、异种金属、如铜—镍、钼—钨等，还能焊接一般焊接方法难以施焊的复杂形状的工件。

5.焊接设备复杂、造价高、使用与维护要求技术高。焊件尺寸受真空室限制。

目前，真空电子束焊在原子能、航空航天等尖端技术部门应用日益广泛，从微型电子线路组件、真空膜盒、钼箔蜂窝结构、原子能燃料元件、导弹外壳，到核电站锅炉气泡等都已采用电子束焊接。此外，熔点、导热性、溶解度相差很大的异种金属构件、真空中使用的器件和内部要求真空的密封器件等，用真空电子束焊也能等到良好的焊接接头。

（三）激光焊接与切割

激光焊接是利用原子受激辐射的原理，使工作物质（激光材料）受激而产生的一种单色性好、

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方向性强、强度很高的激光束。聚焦后激光束最高能量密度可达10 W/cm，在千分之几秒甚至更短时间内将光能转换成热能，温度可达一万摄氏度以上，可以用来焊接和切割。目前焊接中应用的激光器有固体和气体介质两种。固体激光器常用的激光材料有红宝石、钕玻璃和掺钕钇石榴石；气体激光器所用激光材料是二氧化碳。

激光焊分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两大类。脉冲激光焊对电子工业和仪表工业微型件焊接特别适用，可以实现薄片（0.2mm以上）、薄膜（几微米到几十微米）、丝与丝（直径0.02～0.2mm）、密封缝焊和异种金属、异种材料的焊接，零点几毫米不锈钢、铀、镍、钽等金属丝的对接、重迭、十字接、T字接、密封性微型继电器、石英晶体器件外壳和航空仪表零件的各种焊接。

激光焊接的特点：

1．能量密度大且放出极其迅速，适合于高速加工，能避免热损伤和焊接变形，故可进行精密零件、热敏感性材料的加工。被焊材不易氧化，可以在大气中焊接，不需要气体保护或真空环境。

2.激光焊接装置不需要与被焊接工件接触。激光束可用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，因此可以焊接一般方法难以接近的接头或无法安置的接焊点，如真空管中电极的焊接。

3.激光可对绝缘材料直接焊接，对异种金属材料焊接比较容易，甚至能把金属与非金属焊接在一起。

激光切割机理有激光蒸发切割、激光熔化吹气切割和激光反应气体切割三种。

激光切割具有切割质量好，效率高，速度快，成本低等特点。一般来说，金属材料对激光吸收效率低，反射损失大，同时导热性强，所以要尽可能采用大功率激光器。非金属材料对CO2激光束吸收率是相当高的，传热系数都较低，所用激光器功率不需要很大，切割、打孔等加工较容易，因此，较小功率的激光器就能进行非金属材料的切割。目前大功率CO2激光器作为隧道和挖掘工程的辅助工具，已用于岩石的切割。

（四）扩散焊接

扩散焊接是在真空或保护气氛中，使被焊接表面在热和压力的同时作用下，发生微观塑性流变后相互紧密接触，通过原子的相互扩散，经过一定时间保温（或利用中间扩散层及过渡相加速扩散过程），使焊接区的成分、组织均匀化，最终达到完全冶金连接的过程。

扩散焊接与热压焊不同，扩散焊所用压力一般较小，焊接表面所发生的塑性流变量也很小，两被焊件的加热温度基本相同。扩散焊与钎焊虽然在焊接过程中母材都不熔化，但钎焊焊缝被钎料填充后基本保持钎料的原始成分。在随后冷却过程中形成铸造组织，因此难以达到与母材相等的性能；而扩散焊完全没有液相或仅有极少量过渡液相，经扩散后接头成分和组织基本与母材均匀一致，接头内不残留任何铸造组织，原始界面完全消失，接头性能与母材基本一致。

扩散焊接的特点：

1.扩散焊接头成分、组织和性能基本相同，甚至完全相同，从而减少因组织不均匀引起的局部腐蚀和应力腐蚀开裂的危险。

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2.扩散焊接母材不过热、不熔化，几乎在不损坏性能的情况下焊接一切金属和非金属，特别是用一般方法难以焊接的材料，如弥散强化的高温合金、纤维强化的硼—铝复合材料等。

3.可以焊接不同类型的材料，包括异种金属、金属与陶瓷等完全不相溶的材料。 4.可以焊接结构复杂及薄厚相差很大的工件。

焊件表面状态对焊接质量影响很大。因此，焊前必须对工件进行精密加工、磨平抛光、清理油污，以获得尽可能光洁、平整、无氧化膜的表面。

扩散焊接不仅在原子能、航空航天及电子工业等尖端技术领域得到了广泛应用，而且逐渐推广到一般机械制造工业部门。

（五）摩擦焊

摩擦焊是利用工件相互摩擦产生的热量同时加压而进行焊接的。

先将两焊件夹在焊机上，加压使焊件紧密接触，然后焊件1旋转与焊件2摩擦产生热量，待端面加热到塑性状态时让焊件1停止旋转，并立即在焊件2的端面施加压力使两焊件焊接起来。

摩擦焊的特点：

1.接头质量好而且稳定，因在过程中接触面氧化膜及杂质被清除，焊后组织致密，不易产生气孔、夹渣等缺陷。

2.焊接生产质量高，如我国蛇形管接头摩擦焊为120件/小时，而闪光焊只有20件/小时，另外，它不需焊接材料，容易实现自动控制。

3.可焊接的金属范围广，适于焊接异种金属，如碳钢、不锈钢、高速工具钢、镍基合金、铜与不锈钢焊接，铝与钢焊接等。

4.设备简单（可用车床改装），电能消耗少（只有闪光对焊的1/10～1/15）。但刹车和加压装置要求灵敏。

摩擦焊主要用于等截面的杆状工件焊接。也可用于不等截面焊接，但要有一个焊件为圆形或管状。目前摩擦焊主要用于锅炉、石油化工机械、刀具、汽车、飞机、轴瓦等重要零部件的焊接。

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第四节 常用金属材料的焊接

一、金属的焊接性

金属的焊接件是指被焊金属材料对焊接加工的适应性。主要指在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两方面内容：一是工艺焊接性，即在给定的工艺条件下，焊接接头产生缺陷的敏感性，尤其是产生裂纹的敏感性；二是使用焊接性，即焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能(强度、塑性、硬度、抗裂纹扩展能力等)及其他特殊性能(如耐热、耐低温等)。

金属的焊接性能主要取决于化学成分，而对焊接性影响最大的是碳的含量。含碳量增加，焊缝中产生裂纹、气孔的倾向增加，焊接性下降。含碳量与其他成分对焊接性的影响，都可折合成相当的碳含量，其总和称为碳当量CE。国际焊接学会推荐的碳钢和低合金结构钢碳当量的计算公式为

CE=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5（%）

式中化学元素符号表示该元素在钢中的质量百分比(％)。在计算碳当量时取上限。

经验证明：碳当量愈高，钢材焊接性愈差。当CE ＜0.4％时，焊接性良好，焊前不需预热；当CE＝0.4％～0.6％时，焊接性较差，冷裂倾向明显，焊接时需要预热并采取其他工艺措施防止裂纹； 当CE＞0.6％时，焊接性差，冷裂倾向严重，焊接时需要较高的预热温度和严格的工艺措施。

二、焊接接头的组织与性能

在焊接过程中，接头处的金属熔化结晶形成焊缝；附近区域也受到不同程度的加热，引起金属组织及性能的变化，这些区域称为热影响区。焊接接头是焊缝和热影响区的总称。图21—17是低碳钢焊接接头的组织变化。

图21—17 低碳钢焊接接头的组织变化

1.焊缝区 2.熔合区 3.过热区 4.正火区 5.不完全相变区

焊接时焊缝部分的金属温度最高，冷却结晶是从熔池壁开始并垂直于池壁方向发展，形成近于垂直底壁的住状晶粒，由于焊缝冷却较快及焊条药皮的渗合金作用，焊缝金属中锰、硅等合金元素的含量比基体金属高，所以焊缝金属的力学性能一般不低于基体金属。

焊接热影响区分为熔合区、过热区、正火区和不完全相变区四个部分，其组织和性能变化各不相同。熔合区是焊缝和基体金属的交界区，其组织为铸态组织和过热组织的混合体，晶粒粗大，塑性和韧性都很差，容易产生裂纹，是接头中的薄弱环节。过热区紧靠熔合区，由于受高温作用，晶粒长大十分严重，形成过热组织，塑性和韧性显著降低，容易产生裂纹，尤其对易于淬火硬化的焊件危害更大。正火区，焊接时该区域被加热，金属重新结晶，获得晶粒更加细小的正火组织，使其力学性能提高。不完全相变区，该区珠光体和部分铁素体发生重结晶转变，晶粒细化，剩余部分铁素体晶粒长大，使组织变得不均匀，力学性能降低。

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在热影响区中，以熔合区和过热区对焊接接头组织性能的有害影响最大，因此，应采取相应的措施，尽可能减小热影响区范围。一般来说，热源温度越高，热量越集中的焊接方法，其热影响区就越小。在正常焊接规范下，气焊时的热影响区最大，手工电弧焊较小，而等离子弧焊和电阻焊则几乎无热影响区。

三、碳钢和合金钢的焊接 （一）低碳钢的焊接

低碳钢的含碳量小于0.25%，具有良好的焊接性。这类钢可以采用多种焊接方法，一般不要采取特殊工艺措施，都能获得优质焊接接头。但在低温下焊接刚性较大的结构件时，焊前应预热。对于厚度大于50mm的结构焊件，焊后应进行去退火。

（二）中、高碳钢的焊接

中碳钢的焊接性较差，易产生淬硬组织和冷裂纹，焊接这类钢常采用手弧焊，焊前应预热焊件，并选用抗裂性能好的低氢型焊条。焊接时，使用细焊条、小电流、开坡口、多层焊，尽量防止母材金属过多地熔入焊缝。焊后要缓冷，以降低焊接内应力。高碳钢的焊接特点与中碳钢相似，但焊接性更差。这类钢一般不用来制作焊接结构，多用手弧焊或气焊进行焊补。焊前一般应预热(若用奥氏体不锈钢焊条可不预热)，焊后要缓冷，必要时还需进行焊后热处理。

(三)低合金结构钢的焊接

低合金结构钢的含碳量都较低，但所含合金元素差别较大，焊接性能也有显著差异。强度级别低的低合金结构钢，其合金元素含量少，碳含量低，焊接性良好。在常温下焊接时工艺与低碳钢—样；在低温下对厚度和刚度较大的结构件焊接时应预热，并选用低氢型焊条，适当增大电流，减小焊速，焊后回火以消除内应力。对强度级别较高的低合金结构钢，一般应进行焊前预热(＞150℃)，焊后及时热处理，以消除内应力。

(四)中、高合金钢的焊接

中、高合金钢的合金元素含量大，碳当量高，焊接性差，必须根据具体情况，采取焊前预热、焊后热处理、选用相应的焊条、严格控制焊接规范等措施，降低焊接接头的淬硬和冷裂倾向。

四、铸铁的焊补

铸铁件的铸造缺陷和使用过程中发生的局部损坏或断裂等都需要焊补。但铸铁的焊接性差，焊接时易产生白口组织、裂纹、气孔和夹渣等，必须采取严格的工艺措施以确保焊接质量。按焊前是否预热分为热焊和冷焊两类。

(一)热焊法

焊前将焊件整体或局部加热至600～700℃，焊补过程中温度不应低于400℃，焊后缓冷。热焊法能够有效地防止白口组织和裂纹的产生，焊后易于机械加工，但成本较高，生产效率低，劳动条件差，一般用于小型件以及焊后需要机械加工的复杂件和重要件。热焊法可采用电弧焊或气焊，选用铸铁芯焊条。

(二)冷焊法

焊前不预热或预热温度小于400℃，常采用手弧焊，并根据铸件的工作要求，选用不同的铸铁焊条进行冷焊补。在手弧焊冷焊过程中，为减小熔深，尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道、断续焊，并在焊后及时适度锤击焊缝以减小应力。冷焊法生产效率高，劳动条件较好，成本低，但易出现白口组织、裂纹和气孔等，焊补质量有时不易保证。

五、有色金属及其合金的焊接 (一)铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的焊接有以下几个特点：

1.铜及铜合金导热系数和热容量大，母材难以实现局部熔化。焊前需预热，并要采用大功率热源，否则易产生未焊透或未熔合等缺陷。

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2.铜的膨胀系数大，凝固时收缩率也大，易产生较大焊接应力与变形，对刚性较大的构件易导致裂缝。应采用窄焊道，焊后轻轻敲击以减少应力与变形。

3.铜在液态下易氧化，生成Cu2O，并与铜形成低熔点共晶体分布在晶界上，易产生热裂纹。 4.铜在液态时能溶解大量氢气，凝固时溶解度大大减小，若氢气来不及析出，容易在焊缝中形成气孔。此外，氢与氧化亚铜反应生成水，也容易产生气孔。

铜及铜合金的焊接多采用气焊，使用中性焰及含有脱氧剂的焊丝、气焊熔剂。焊前应预热焊件和焊丝，以去除所吸附的水分。保证紫铜和青铜焊接质量的有效方法是采用氩弧焊，它能保护熔池不被氧化，热量集中，能减小焊件变形并保证焊透。气焊黄铜时，由于温度较低，锌的蒸发较少，可采用轻微氧化焰与含硅焊丝相配合，在熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，以阻碍锌的蒸发和防止氢的溶入，提高焊接质量。

(二)铝及铝合金的焊接

铝及铝合金的焊接较困难，焊接特点如下：

1.铝极易氧化生成熔点很高的氧化铝，导致焊缝中产生气孔、夹渣。

2.铝的线膨胀系数大，导热性强，容易使焊件产生焊接应力、变形及裂纹。 3.液态铝能溶解大量氢气，而固态时几乎不溶解，因此易使焊缝产生气孔。

4.焊接铝材时，固态到液态没有明显的颜色变化，使操作者难以掌握加热温度而焊穿。

目前，焊接铝及铝合金较理想的方法是氩弧焊。它不仅对焊缝金属具有良好的保护作用，还可利用阴极对熔池表面的氧化膜产生破碎作用，清除焊件表而的氧化膜。另外，电阻焊、等离子弧焊和钎焊也应用较多，焊接薄件有时也采用中性火焰的气焊。

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第五节 常见的焊接缺陷分析

在焊接生产过程中，由于焊接结构设计不当，焊件选材不适宜，接头准备不好，焊接工艺不合理及操作技术水平等原因，会使焊接接头产生各种缺陷，其中以未焊透和裂纹的危害最大。常见的焊接缺陷及产生原因见表21—7。

表21—7 常见的焊接缺陷及产生原因

一、焊接应力与变形的产生

焊接过程中对焊件进行局部的不均匀加热和冷却是产生焊接应力与变形的根本原因，现以平板对接焊为例来说明，焊接时，由于焊缝区被加热到很高的温度，而离焊缝愈远温度愈低，因此焊缝邻近区域会因温度不同产生大小不等的纵向膨胀。受两侧金属所制约，使应受热膨胀的金属不能自由伸长而被塑性压缩，向厚度方向展宽；冷却时同样会受到两侧金属制约而不能自由收缩，尤其当焊缝区金属温度降至弹性变形阶段后，由于焊件各部分收缩不一致，必然导致焊缝区乃至整个焊件产生应力和变形。焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力；焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力。焊件因焊接而产生的变形称为焊接变形；焊后焊件残留的变形称为焊接残余变形。

二、焊接变形的基本形式

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焊接时，在任何情况下焊接应力总是存在的。一方面取决于焊件材料的线膨胀系数、弹性模量、屈服强度，另一方面还取决于工件的形状、尺寸和焊接工艺。焊接变形是多种多样的，最常见变形的基本形式如图21—18所示。实际的焊接变形可能是其中的一种，也可能是几种形式的组合。

图21—18 焊接变形的基本形式

（a）收缩变形（b）角变形（c）弯曲变形（d）波浪形变形（e）扭曲变形

三、预防焊接变形的工艺措施

焊接变形不但影响结构尺寸的准确性和外形美观，严重时还可能降低承载能力，甚至造成事故。所以在焊接过程中要加以控制。预防焊接变形的方法有；

（一）反变形法

通过试验或计算，预先确定焊后可能发生变形的大小与方向，将工件安装在相反方向位置上，或预先使焊件向相反方向变形，以抵消焊后所发生的变形，

（二）刚性固定法

当焊件刚性较小时，可利用外加刚性固定以减小焊接变形，这种方法能有效地减小焊接变形，但会产生大的焊接应力。

（三）合理安排焊接次序

合理的焊接顺序是尽可能使焊件能自由收缩，对称截面梁焊接次序要交替进行。焊接长焊缝（1m以上）可采用退焊法、跳焊法、分中对称焊法等。

（四）焊前预热，焊后处理

预热可以减小焊 件各部分温差，降低焊后冷却速度，减小残余应力。在允许的条件下，焊后进行去应力退火或用锤子均匀地敲击焊缝，使之得到延伸，均可有效地减小残余应力，从而减小焊接变形。

四、焊接变形的矫正方法

焊接过程中，即使采用了上述工艺措施，有时也会产生超过允许值的焊接变形，因此需要对变形进行矫正。其方法有以下两种：

（一）机械矫正法

在机械力的作用下矫正焊接变形，使焊件恢复到要求的形状和尺寸，可采用辊床、压力机、矫直机等机械矫正，也可用手工锤击矫正。这种方法适用于低碳钢和普通低合金钢等塑性好的材料。

（二）火焰矫正法

利用火焰（通常是氧—乙炔火焰)对焊缝局部加热，使工件在冷却收缩时产生与焊接变形反方向的变形，从而矫正焊接所产生的变形。火焰加热矫正法主要用于低碳钢和部分低合金钢，加热温度也不宜过高，一般在600℃～800℃之间。

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第六节 焊接件的结构工艺性

在设计焊接结构时，除应考虑结构的使用性能、环境要求和国家的技术标准与规范外，还应考虑结构的工艺性和现场的实际情况，以力求生产率高、成本低，满足经济性的要求。焊接结构工艺性一般包括焊接结构材料选择、焊接方法、焊缝布置和焊接接头设计等方面内容。

一、焊接结构材料选择

随着焊接技术的发展，工业上常用的金属材料一般均可焊接。但材料的焊接性不同，焊后接头质量差别就很大。因此，应尽可能选择焊接性良好的焊接材料来制造焊接构件。特别是优先选用低碳钢和普通低合金钢等材料，其价格低廉，工艺简单，易于保证焊接质量。选材是工艺设汁的重要环节，在满足计算载荷的前提下，还应考虑：

1.工艺性能方面的要求，例如焊接性、切割性、冷热加工性等。

2.使用性能方面的要求，例如车、船设备应选低合金钢代替普通低碳钢，以减轻结构重量。 3.协调质量与价格关系，例如强度低的钢材，价格低，焊接性好，但不适于重载。 4.优先选用型材，确保焊件质量，减少焊缝数量，降低成本。 二、常用焊接方法

焊接方法的选择应考虑现场条件和工艺可能性求得最佳效益。常用焊接方法的选用见表21—8。 表21—8 常用焊接方法的选用

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三、合理布置焊缝位置

焊缝的布置应考虑以下几点：

1.应尽量避免仰焊缝，减少立焊缝，多采用平焊缝。 2.焊缝位置要便于施焊。在布置焊缝时，应留有足够的操作空间，以保证焊接质量。图21—19(a)所示的焊缝布置不合理，无法施焊，改为图21—19(b)所示的焊缝布置较合理。

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图21—19 焊缝位置要便于施焊

（a）不合理 （b）合理

3.焊缝位置必须保证焊接装配工作能顺利进行。图21—20是锅炉的局部结构示意图,由两块平行钢板组成，板间由多根杆件支承，内部受压。

图21—20(a)的结构工艺性差，先把多个杆件焊在左板上，会引起钢板的严重翘曲变形，再把右板上的很多个孔同时对准很多杆件，显然很难进行焊接装配。如改成图21—20(b)所示结构，把左钢板上的焊缝移到外面，先把杆件插入两个钢板的孔内，点焊定位，再把两端焊在一起，这样装配与焊接都较方便，而且焊后变形较小。

图21—20 锅炉局部结构示意图

（a）不合理 （b）合理

4.焊缝应尽量避开最大应力处或应力集中处。因为焊缝处热影响区是结构中的薄弱环节，是强度、韧性最低的部位，因此，焊缝应避开最大应力处。如图21—21中的大跨度梁，承受最大应力的截面在梁的中间。图21—21(a)所示由两段焊件焊成，焊缝在中间位置，不合理。应改为图21—21(b)所示结构。尽管增加了一条焊缝，但改善了焊缝的受力情况，可提高梁的承载能力。再如球面封头与筒身相连接的焊接结构，图21—21(c)所示的焊缝在应力集中处，不合理，改为图21—21(d)就避开了应力集中，便于操作与检验。

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图21—21 焊缝避开最大应力和应力集中处

（a）（c）不合理；（b）（d）合理

5.焊缝应尽量远离机械加工面。对焊接结构的位置精度要求高时，采用焊后机械加工，以免焊接变形影响加工精度。对焊接结构的位置精度要求不高时,可先机械加工再组合焊接。为了防止己加工面受热而影响其形状和尺寸精度，焊缝位置应远离机械加工面。图21—22(a)所示的焊缝位置靠近加工面，不合理。图21—22（b）所示焊缝位置离机械加工面较远，是合理的。

图21—22 焊缝远离机械加工表面的设计

（a）不合理（b）合理

6.焊缝布置应尽量对称，使各条焊缝产生的焊接变形相互抵消。如图21—23所示，其中图（a）（b）所示结构焊缝布置不对称，会产生较大的弯曲变形，图（c）（d）（e）所示结构焊缝布置对称，变形小。

图21—23 焊缝对称布置的设计

（a）（b）不合理；（c）（d）（e）合理

7.焊接不同的壁厚，其接合处要逐渐过渡，而焊缝应尽量布置在焊件薄壁处，如图21—24所示。接头两侧的焊件厚度悬殊，易引起应力集中或产生其他焊接缺陷；同时，在薄壁处布置焊缝，不但可以减少焊接缺陷，还可以减少焊接工作量。

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图21—24 焊接接头的过渡形式 （a）丁字接（b）角接（c）对接

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思考题

1．焊接电弧是如何形成的?由哪几部分组成?正、反接法在生产上有什么实际意义? 2．熔化焊、压力焊、钎焊的主要区别是什么?

3．手工电弧焊的焊接规范主要包括哪些内容?如何选择? 4．酸性焊条与碱性焊条有何不同?试比较其差异。 5．焊条和药皮在焊接过程中所起的作用是什么?

6．手工电弧焊的接头形式有哪几种?坡口的作用是什么? 7．与手弧焊相比，埋弧焊有何特点?

8．气体保护焊的主要特点是什么?常用的保护气体有哪些? 9．铸铁的焊补有哪些困难?通常采用什么样的焊补方法?

10．从工艺性角度考虑，焊接件的结构设计应注意哪些问题?

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