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焊接
焊接的基础知识
Part 01
气焊
Part 03
焊条电弧焊
Part 02
埋弧焊
Part 04
气体保护电弧焊
Part 05
电渣焊
Part 08
焊接新技术和新工艺
Part 10
钎焊
Part 09
电阻焊
Part 07
等离子弧焊
Part 06
焊接的基础知识
一、焊接的基础知识
焊接是一种重要的金属成形加工工艺，广泛应用于车辆、桥梁、容器、船舰、锅炉、起重机械及金属桁架等的制造中。随着科学技术的不断发展和计算机技术在焊接工艺中的应用，焊接质量及生产率不断提高，焊接在国民经济建设中的应用越来越广泛。
一、焊接的基础知识
1.焊接的分类
（1）熔焊
将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。
（2）压焊
在焊接过程中，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为钎料，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相互扩散实现连接的焊接方法称为钎焊。
一、焊接的基础知识
1.焊接的分类
常用焊接方法的分类如下：
一、焊接的基础知识
2.焊接的特点
①焊接能够减轻结构质量，节省金属材料。焊接与传统的铆接方法相比，一般可以节省金属材料15%~20%。
②焊接能够制造双金属结构。可以对不同金属材料的零件进行对焊、摩擦焊等；还可以制造复合层容器，以满足高温设备、高压设备及化工设备等的特殊性能要求。
③焊接能够化大为小，也能实现以小拼大。在制造形状复杂的结构件时常常先把金属材料加工成较小的部分，然后用逐步装配焊接的方法实现以小拼大。对于大型结构，如船体（图2）等，其制造过程就是以小拼大。
一、焊接的基础知识
2.焊接的特点
一、焊接的基础知识
2.焊接的特点
④焊接结构强度高。在多数情况下，焊接接头能达到与母材等强度，甚至高于母材强度，因此焊接结构的产品质量比铆接好。目前焊接已基本取代了铆接。
⑤焊接过程产生的噪声较小，工人劳动强度较低，生产率较高，易于实现机械化与自动化。
⑥由于焊接是一个不均匀的加热过程，所以焊接后会产生焊接应力与焊接变形。如果在焊接过程中采取合理的措施，就可以消除或减小焊接应力与焊接变形。
焊条电弧焊
二、焊条电弧焊
焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条电弧焊是目前生产中应用最多、最普遍的一种金属焊接方法。它利用焊条与焊件之间产生的电弧热熔化焊件与焊条进行焊接。
二、焊条电弧焊
焊接电弧是指在电极与焊件之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象，如图1所示。焊接电弧的产生一般有接触引弧和非接触引弧两种方式，手工电弧焊采用接触引弧，如图2a所示。
1.焊接电弧
二、焊条电弧焊
用装在焊钳上的焊条擦划或敲击焊件，由于焊条末端与焊件瞬时接触而造成短路，从而产生很大的短路电流，并使温度迅速升高，为电子逸出和气体电离准备了能量条件；接着迅速把焊条提起3~6mm的距离，在两极间电场力的作用下，被加热的阴极就有电子高速飞出并撞击气体介质，使气体介质电离成正离子、负离子和自由电子，如图2b所示。所产生的正离子奔向阴极，负离子和自由电子奔向阳极。在它们的运动过程中以及到达两极时不断碰撞和复合，使动能变为热能，从而产生大量的光和热，最终在焊条端部与焊件之间形成电弧。
1.焊接电弧
二、焊条电弧焊
在焊条与焊件之间形成的电弧热使焊件局部和焊条端部同时熔化成熔池，焊条金属熔化后成为熔滴，并借助重力和电弧气体的吹力作用过渡到焊件熔池中。同时，电弧热还使焊条药皮熔化或燃烧，药皮熔化后与液体金属发生物理、化学反应，形成的液态熔渣不断从熔池中向上浮起，药皮燃烧时产生的大量气体环绕在电弧周围，熔渣和气体阻止空气中氧和氮的侵入，保护了熔化金属。如图2c所示，焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。阴极区温度大约为2400K；阳极区温度大约为2600K；弧柱区中心的温度最高，为6000~8000K。
1.焊接电弧
二、焊条电弧焊
电弧热量与焊接电流和电压的乘积成正比。通常把电弧稳定燃烧时，焊件与焊条之间所保持的一定电压称为电弧电压。电弧电压主要与电弧长度（焊接电弧两端间的最短距离）有关。电弧越长，相应的电弧电压越高，一般电弧电压为20~35V。由于电弧电压变化较小，所以生产中主要是通过调节焊接电流来调节电弧的热量，焊接电流越大，则电弧产生的总热量越多，反之则电弧产生的总热量越少。
1.焊接电弧
二、焊条电弧焊
1.弧焊电源
为焊条电弧焊提供电源的专用设备称为电焊机，它是焊条电弧焊的主要设备。生产中按焊接电流的种类不同可将电焊机分为直流弧焊机和交流弧焊机两类。
（1）直流弧焊机
直流弧焊机有两种：一种是直流弧焊发电机，另一种是弧焊整流器，如图3所示。与交流弧焊机相比，直流弧焊机具有电弧燃烧稳定，适宜焊接不锈钢、薄板材。但直流弧焊机构造复杂、维修不便、噪声大、成本高、能耗大，适用于焊接较重要的焊件，如铜合金及铝合金焊件等。
2.焊条电弧焊设备及工具
二、焊条电弧焊
1.弧焊电源
2.焊条电弧焊设备及工具
图3
二、焊条电弧焊
1.弧焊电源
2.焊条电弧焊设备及工具
直流弧焊机的输出端有正极和负极之分。使用直流弧焊机焊接时，把焊件接正极、焊条接负极称为正接法，如图4a所示。正接法的电弧热量大部分集中在焊件上，焊件熔化较快，熔池深度大，焊件易焊透，故适用于焊接较厚的焊件。相反，焊件接负极、焊条接正极称为反接法，如图4b所示。反接法的焊条熔化快，熔池深度浅，焊件不易焊透，故适用于焊接较薄的焊件或不需要较多热量的焊件。
二、焊条电弧焊
1.弧焊电源
2.焊条电弧焊设备及工具
（2）交流弧焊机
交流弧焊机实际上是一种特殊的降压变压器，如图5所示。焊接时，焊接电弧的电压基本稳定。当接通电源时（一次线圈形成回路），由于电磁互感作用，使二次线圈内产生感应电动势（即空载电压）。当焊条与工件接触时，二次线圈形成闭合回路，便有感应电流通过，从而产生焊接电弧，实现焊接。交流弧焊机的生产率较高，结构简单，使用可靠，成本较低，噪声较小，维护也很容易，但它的电弧燃烧时稳定性较差。
二、焊条电弧焊
1.弧焊电源
2.焊条电弧焊设备及工具
图4 图5
使用交流弧焊机时，由于负极和正极不断变化，焊件与焊条得到的热量是相等的，所以不存在正接和反接的问题。
二、焊条电弧焊
2.焊条电弧焊的工具
2.焊条电弧焊设备及工具
焊条电弧焊的主要工具包括焊钳、焊接电缆、面罩与护目玻璃等。
（1）焊钳
焊钳（图6）的作用是夹持焊条和传导电流。一般要求焊钳导电性能好、质量小、焊条夹持稳固、换装焊条方便等。
（2）焊接电缆
焊接电缆的作用是传导电流。一般用多股紫铜软线制成，要求绝缘性好，而且有足够的导电横截面积，其横截面积大小应根据焊接电流大小而定。
二、焊条电弧焊
2.焊条电弧焊的工具
2.焊条电弧焊设备及工具
（3）面罩与护目玻璃
面罩（图7）的作用是在焊接时保护操作人员的面部免受强烈的电弧光照射和飞溅金属的灼伤。护目玻璃又称黑玻璃，它的作用是减弱电弧光的强度，过滤紫外线和红外线，使操作人员在焊接时既能通过护目玻璃观察到熔池的情况，便于掌握和控制焊接过程，又避免眼睛被电弧光灼伤。
二、焊条电弧焊
2.焊条电弧焊的工具
2.焊条电弧焊设备及工具
图6 焊钳 图7 面罩
二、焊条电弧焊
1.焊条的组成与作用
3.焊条
如图8所示，焊条由焊芯和药皮两部分组成。焊条质量的优劣对焊缝金属的力学性能有直接影响。
焊芯是组成焊缝金属的主要材料。它的主要作用首先是传导焊接电流，产生电弧并维持电弧燃烧；其次是作为填充金属与母材熔合成一体，组成焊缝。在焊缝金属中，焊芯金属占60%~70%，由此可见焊芯的化学成分和质量对焊缝引弧端质量有重要影响。为了保证焊接质量，国家标准对焊芯的化学成分和质量做了严格的规定。
二、焊条电弧焊
1.焊条的组成与作用
3.焊条
图8 焊条
二、焊条电弧焊
1.焊条的组成与作用
3.焊条
药皮由一系列矿物质、有机物、铁合金和黏结剂组成。它的主要作用是：
①保证焊接电弧稳定燃烧。
②向焊缝金属渗入某些合金元素，提高焊缝金属的力学性能。
③改善焊接工艺性能，有利于进行各种空间位置的焊接。
④使焊缝金属顺利脱氧、脱硫、脱磷及去氢等。
⑤保护熔池与熔滴不被空气侵入。
二、焊条电弧焊
2.焊条的分类
3.焊条
焊条的分类方法很多，按化学成分和用途不同可分为非合金钢及细晶粒钢焊条（碳素钢焊条）、热强钢焊条（低合金钢焊条）、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍和镍合金焊条、铜和铜合金焊条以及铝和铝合金焊条等；按焊条药皮熔化后的酸碱度可分为酸性焊条和碱性焊条两类。酸性焊条熔渣中酸性氧化物的比例较高，焊接时电弧稳定、飞溅小、熔渣流动性和覆盖性较好，因此焊缝美观，对铁锈、油脂及水分的敏感性不大，焊接工艺性较好，但焊接过程中对药皮合金元素烧损较大，抗裂性较差，适用于焊接一般结构件。碱性焊条熔渣中碱性氧化物的比例较高，焊接时电弧不够稳定，熔渣的覆盖性较差，焊缝不美观，焊前要求清除油脂和铁锈，焊接工艺性较差，但它的脱氧和去氢能力较强，故又称为低氢型焊条，焊接后焊缝的质量较好，适用于焊接要求高塑性和高韧性的重要结构件。
二、焊条电弧焊
3.焊条型号编制方法
3.焊条
焊条型号是以焊条国家标准为依据，反映焊条主要特性的一种表示方法。焊条型号应包括焊条类型、焊条特点（如熔敷金属的抗拉强度、使用温度、焊芯金属的类型、熔敷金属的化学组成类型等）、药皮类型及焊接电流种类。不同型号的焊条有不同的表示方法，如国家标准GB/T5117-2012规定，非合金钢及细晶粒钢焊条（碳素钢焊条）型号以字母“E”打头表示电极焊条，“E”后面的前两位数字表示熔敷金属抗拉强度最小值（单位为MPa），第三位数字表示焊条适用的焊接位置，“0”及“1”表示焊条适用于全位置焊接，“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊。第三位和第四位数字组合表示焊接电流种类及药皮类型，如“03”为钛型药皮，适用于交流或直流正、反接电源；“15”为碱性（低氢钠型）药皮，适用于直流反接电源；“20”为氧化铁型药皮，适用于交流或直流正接。
二、焊条电弧焊
3.焊条型号编制方法
3.焊条
例如，E4303表示焊缝金属的Rm≥430MPa，适用于全位置焊接，药皮类型是钛型，适用于交流或直流正、反接电源的焊条。
4.焊条选用原则
焊条的选用主要考虑以下一些因素：
①母材的力学性能和化学成分。对于结构钢，主要考虑母材的强度等级，如母材是普通低合金钢时，可以选择热强钢焊条（低合金钢焊条）；对于低温钢，主要考虑母材的低温工作性能；对于耐热钢、不锈钢等，主要考虑熔敷金属的化学成分应与母材相当。
二、焊条电弧焊
3.焊条
②焊件结构的复杂程度和刚度。例如，对于形状复杂、刚度较大的结构，应选用抗裂性好的碱性焊条。
③焊件的工作条件。例如，在腐蚀环境中工作的结构件应选择不锈钢焊条，在高温条件下工作的结构件应选择钼及铬钼耐热钢焊条等。
④生产率、焊接工艺、焊接成本和焊接质量等。
二、焊条电弧焊
4.焊条
②焊件结构的复杂程度和刚度。例如，对于形状复杂、刚度较大的结构，应选用抗裂性好的碱性焊条。
③焊件的工作条件。例如，在腐蚀环境中工作的结构件应选择不锈钢焊条，在高温条件下工作的结构件应选择钼及铬钼耐热钢焊条等。
④生产率、焊接工艺、焊接成本和焊接质量等。
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
1.焊缝的空间位置
焊接时，按焊缝的空间位置可分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种，如图9所示。其中平焊操作最容易、劳动条件好、生产率高、焊接质量容易保证，因此一般把焊缝放在平焊位置进行操作。立焊、横焊、仰焊时操作较难，应尽量避免。如果无法避免，则可选用小直径的焊条、较小的焊接电流，并调整好焊条与焊件的夹角与弧长后再进行焊接。
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
2.焊接接头的基本形式和坡口的基本形式
根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的具有一定几何形状的沟槽称为坡口。对于焊条电弧焊，由于焊件结构形状、焊件厚度以及对焊接质量的要求不同，焊接接头形式和坡口形式有所不同。如图10所示（图中8为板料厚度），焊接接头的基本形式有对接接头、角接接头、T形接头及搭接接头等。坡口的基本形式有卷边坡口、I形坡口（不开坡口）、V形坡口，X形坡口、U形坡口、K形坡口、J形坡口和塞焊坡口等。
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
2.焊接接头的基本形式和坡口的基本形式
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
3.焊接参数的选择
焊接时，为了保证焊接质量而选定的有关物理量的总称称为焊接参数。它主要包括焊条直径、焊接电流、焊接层数、电弧长度和焊接速度等。
（1）焊条直径的选择
焊条直径与焊件厚度、焊接位置及焊接层数有关。一般焊件厚度大时，应选用大直径焊条；平焊时，焊条直径应大一些；多层焊（指熔敷两个以上焊层完成整条焊缝所进行的焊接）在焊第一层时，应选用较小直径的焊条。焊件厚度、焊条直径与焊接电流的关系见表1。
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
3.焊接参数的选择
表1焊件厚度、焊条直径与焊接电流的关系
焊件厚度/mm 1.5~2 2.5~3 3.5~4.5 5-8 10~12 13
焊条直径/mm 1.6~2 2.5 3.2 3.2~4 4~5 5~6
焊接电流/A 40~70 70~90 100~130 160~200 200~250 250~300
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
（2）焊接电流的选择
焊接电流主要根据焊件厚度和焊条直径来确定，见表4-3.非水平位置焊接或焊接不锈钢时，焊接电流应比平焊时小15%左右。焊角焊缝时，焊接电流要稍大一些。
总之，焊接参数的选择应在保证焊接质量的条件下，尽量采用较大直径的焊条和较大的焊接电流进行焊接，以提高劳动生产率。
3.焊接参数的选择
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
（2）焊接电流的选择
焊接电流主要根据焊件厚度和焊条直径来确定，见表4-3.非水平位置焊接或焊接不锈钢时，焊接电流应比平焊时小15%左右。焊角焊缝时，焊接电流要稍大一些。
总之，焊接参数的选择应在保证焊接质量的条件下，尽量采用较大直径的焊条和较大的焊接电流进行焊接，以提高劳动生产率。
3.焊接参数的选择
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
（3）电弧长度和焊接速度的选择
电弧长度和焊接速度在焊条电弧焊中都是靠手工操作来控制的，在技术上未作具体规定。但电弧过长，会使电弧燃烧不稳定，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，所以要求电弧长度尽量短一些。焊接速度不应过快或过慢，应以焊缝的外观与内在质量均达到要求为宜。
3.焊接参数的选择
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
焊接基本操作技术主要包括引弧、运条和焊道收尾等。
（1）引弧
引弧是指焊接开始时引燃焊接电弧的过程。引弧方法有敲击法和划擦法两种，如图11所示。引弧时，首先将焊条末端与工件表面接触（或划擦）形成短路，然后迅速将焊条向上提起3~6mm，电弧即可引燃。
4.焊接基本操作技术
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
（2）运条
运条是指在焊接过程中，焊条相对于焊缝所做的各种动作的总称。引弧后，必须掌握好焊条与焊件之间的角度，如图12所示。另外，在操作过程中要使焊条同时完成三个基本的运条动作，即：
①焊条朝熔池方向的送进运动。焊条送进速度应等于焊条熔化速度，以保持弧长不变。
②焊条沿焊接方向的移动。焊条移动速度应等于焊接速度。
③焊条沿焊缝的横向摆动。焊条以一定的运动轨迹周期性地沿焊缝左右摆动，以便获得一定宽度的焊缝。
4.焊接基本操作技术
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
（2）运条
运条是指在焊接过程中，焊条相对于焊缝所做的各种动作的总称。引弧后，必须掌握好焊条与焊件之间的角度，如图12所示。另外，在操作过程中要使焊条同时完成三个基本的运条动作，即：
①焊条朝熔池方向的送进运动。焊条送进速度应等于焊条熔化速度，以保持弧长不变。
②焊条沿焊接方向的移动。焊条移动速度应等于焊接速度。
③焊条沿焊缝的横向摆动。焊条以一定的运动轨迹周期性地沿焊缝左右摆动，以便获得一定宽度的焊缝。
4.焊接基本操作技术
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
4.焊接基本操作技术
图11 焊条引弧方法 图12 焊条角度与运条示意图
二、焊条电弧焊
3.焊条电弧焊的工艺
4.焊接基本操作技术
（3）焊道收尾
焊道收尾是指一条焊道结束时收尾的过程。焊道收尾时，为防止尾坑的出现，焊条应停止向前移动，可采用画圈收尾法、后移收尾法等，自下而上地慢慢拉断电弧，以保证焊道尾部成形良好。

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