焊接成形过程

10.1　焊接成形过程

将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久性接头的成形过程称为焊接。

在焊接广泛应用之前，金属结构件的连接靠铆接。与铆接比较，焊接具有节省材料、减轻质量；接头的密封性好，可承受高压；简化加工与装配工序，缩短生产周期，易于实现机械化和自动化生产等优点。因此，焊接在现代化工业生产中具有十分重要的作用，广泛应用于装备制造业中的各种金属结构件，如高炉炉壳、建筑构件、锅炉与受压容器、汽车车身、桥梁、船舶、飞机构件等。此外，焊接还用于零件的修复焊补等。

目前，焊接技术还存在一些问题，主要有焊接结构的残余应力和变形、焊接接头性能不够均匀、焊接件品质检验比较困难等。

10.1.1　焊接成形过程特征和理论基础

1.焊接方法的类别及原理特征

1）焊接成形方法的类别及连接原理

从焊接过程的物理本质考虑，母材接头可以在固态或局部熔化状态下进行焊接，影响焊接的主要因素有温度及压力。当母材接头被加热到熔化温度以上，它们在液态下相互熔合，冷却时便凝固在一起，这就是熔化焊接。在固态下进行焊接时，又有两种方式:第一种方式是利用压力将母材接头焊接，加热只起着辅助作用，有时不加热，有时加热到接头的高塑性状态，甚至使接头的表面薄层熔化，这便是压力焊接；第二种方式是在接头之间加入熔点远较母材低的合金，局部加热使这些合金熔化，借助于液态合金与固态接头的物理化学作用而达到焊接的目的，这便是钎焊，钎焊用的合金称为钎焊合金（钎料）。

焊接成形方法的类别及连接原理特征归纳如下。

（1）焊接方法类别　包括熔化焊；压力焊；钎焊。

（2）接头处材料状态　包括被加热到熔化（液态）；被加热到半熔化（液态＋高塑态）；钎料被加热到熔化（液态）。

（3）连接原理　包括结晶或凝固；结晶或凝固＋塑变；钎料的结晶或凝固。

随着加热方式、熔化过程、钎焊合金等的不同，在工业上实现或使用的焊接成形方法有几十种，如图10－3所示。

2）焊接成形过程流程

焊接成形方法虽多，但焊接构件作业流程的基本模块或工序如图10－4所示。

2.各类焊接方法及其特点

1）熔化焊

熔化焊由于加热方式的区别，主要有以下几种类型。

（1）气焊　它是利用气体混合物燃烧形成高温火焰，用火焰来熔化焊件接头及焊条。最常用的气体是氧与乙炔的混合物，调整氧与乙炔的比值，可以获得氧化性、中性及还原性火焰。这种方法所用的设备较为简单，而加热区宽，焊接后焊件的变形大，并且操作费用较高，因而逐渐为电弧焊代替。

（2）电弧焊　这是应用最广泛的焊接方法。电弧焊的主要特点为:能形成稳定的电弧，能保证填充材料的供给及对熔化金属的保护和屏蔽。通常，电弧可通过两种方法产生:第一种电弧发生在一个可消耗的金属电焊条和金属材料之间，焊条在焊接过程中逐渐熔化，由此提供必需的填充材料而将结合部填满；第二种电弧发生在工件材料和一个非消耗性的钨极之间，钨极的熔点应比电弧温度要高，所必需的填充材料则必须另行提供。

图10－3　焊接方法

图10－4　焊接构件作业流程的基本模块和工序

电弧焊通常要对金属溶池加以保护或屏蔽。其保护方法有多种，例如，用适当的焊剂覆盖在消耗性的焊条之上；用颗粒状的焊剂粉末或惰性气体来形成保护层或气体屏蔽。

根据电弧的作用、电极的类型、电流的种类、溶池的保护方法等，电弧焊可分为:手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、等离子弧焊等。应用最广泛的是手工电弧焊。

（3）电渣焊　它是利用电流通过熔渣所产生的电阻热来熔化金属。这种热源范围较电弧大，每一根焊丝可以单独成一个回路，增加焊丝数目，可以一次焊接很厚的焊件。

（4）真空电子束焊接　这是一种特种焊接方法，用来焊接尖端技术产品的高熔点及活泼金属的小零件。它的特点是将焊件放在高真空容器内，容器内装有电子枪，利用高速电子束打击焊件将焊件熔化而进行焊接。这种方法可以获得高品质的焊件。

（5）激光焊　这也是一种特种焊接方法。它是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。

2）压力焊

根据加热和施压方式的不同，主要有以下几种类型。

（1）电阻焊　这是利用电阻加热的方法，最常用的有点焊、缝焊及电阻对焊三种。前两种是将焊件加热到局部熔化状态并同时加压；电阻对焊是将焊件局部加热到高塑性状态或表面熔化状态，然后施加压力。电阻焊的特点是机械化及自动化程度高，故生产率高，但需强大的电流。

（2）摩擦焊　利用摩擦热使接触面加热到高塑性状态，然后施加压力的焊接，由于摩擦时能够去除焊接面上的氧化物，并且热量集中在焊接表面，因而特别适用于导热性好及易氧化的非铁合金的焊接。

（3）冷压焊　这种方法的特点是不加热，只靠强大的压力来焊接，适用于熔点较低的母材，例如铅导线、铝导线、铜导线的焊接。冷压焊时，虽然没有加热，但由于塑性变形的不均匀性，所放出的热局限于真实接触的部分，因而也有加热的效应。

（4）超声波焊接　这也是一种冷压焊，借助于超声波的机械振荡作用，可以降低所需用的压力，目前只适用于点焊非铁合金及其合金的薄板。

（5）扩散焊　扩散焊是焊件紧密贴合，在真空或保护气氛中，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而完成焊接的焊接方法。扩散焊主要用于焊接熔化焊、钎焊难以满足技术要求的小型、精密、复杂的焊件。

进行压力焊接时，压力使接触面的凸出部分发生塑性变形，减少凸出部分的高度，增加真实的接触面积。温度使塑性变形部分发生再结晶，并加速原子的扩散；此外，表面张力也可以促使接触面上空腔体积的缩小。这种加热的压力焊接过程与粉末冶金中的热压烧结过程相似。

3）钎焊

钎焊是与上述方法完全不同的焊接过程，它利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化然后再凝固，将处于固态的焊件黏结起来。

根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊和软钎焊两大类。

（1）硬钎焊　硬钎焊是使用熔点高于450℃的钎料进行的钎焊。常用的硬钎焊钎料有铜基、银基、铝基合金。硬钎焊使用的焊剂主要有硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等。

硬钎焊接头强度较高（＞200MPa），工作温度也较高，常用于焊接受力较大或工作温度较高的焊件。如车刀上硬质合金刀片与刀杆的焊接。

（2）软钎焊　软钎焊是使用熔点低于450℃的钎料进行的钎焊。常用的软钎料有锡－铅合金和锌－铝合金。焊剂主要有松香、氧化锌溶液等。

软钎焊接头强度低，用于无强度要求的焊件，如各种仪表中线路的焊接。

与一般焊接方法相比，钎焊只需填充金属熔化，因此焊件加热温度较低，焊件的应力和变形较小，对材料的组织和性能影响较小，易于保证焊件尺寸。钎焊还可以连接不同的金属，或金属与非金属的焊件，设备简单。软钎焊的主要缺点是焊接头强度较低，接头工作温度不高，钎焊前对焊件的清洗和组装工作都要求较严等。钎焊适宜于小而薄，且精度要求高的零件，广泛应用于机械、仪表、电机、航空航天等部门中。

3.电弧焊的冶金过程及特点

熔化焊中，电弧焊应用最多且典型，电弧焊的冶金过程及特点如下。

1）电弧焊的冶金过程

图10－5　手工电弧焊的冶金过程

1—焊件；2—焊缝；3—渣壳；4—熔渣；

5—气体；6—焊条；7—熔滴；8—熔池

进行电弧焊时，焊接区各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程称为电弧焊冶金过程。手工电弧焊的冶金过程如图10－5所示，电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件和焊条同时熔化成为熔池，焊条熔滴借助重力和电弧气体吹力的作用不断进入熔池中。电弧热使焊条的药皮熔化（或燃烧），与熔融金属起物理、化学作用，形成的熔渣不断从熔池中浮出。药皮燃烧所产生的CO₂气流围绕电弧周围，熔渣和气流可防止空气中的氧、氮等侵入，从而保护熔池金属不与其他物质发生化学反应。电弧焊的冶金过程同电弧炉冶炼金属相似，在熔池中进行着一系列的物理与化学反应过程。

2）电弧焊的冶金过程特点

电弧焊焊接金属的过程是进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼和渗合金等一系列物理、化学的冶金过程。焊接的冶金过程与一般冶炼过程比较，有以下特点。

（1）焊接电弧和熔池金属的温度远高于一般的冶炼温度，金属的氧化、吸气和蒸发现象严重。

由于电弧焊的冶金特点，不利因素较多，在液相时产生以下一系列冶金反应。

①氧化　氧主要来源于空气，空气中的氧在高温电弧中分解出氧原子（O）。电弧越长，侵入熔池的氧越多，氧化越严重，吸氧也越多。例如氧与金属发生以下反应:

结果造成钢中一些元素被氧化，形成FeO·SiO₂、MnO·SiO₂等熔渣，使焊缝中C、Mn、Si等元素大量烧损。

当熔池迅速冷却后，一部分氧化物熔渣如来不及浮出则残存在焊缝金属中形成夹渣，显著降低了焊缝的力学性能。

②吸气　熔池在高温时溶解大量气体，冷却时，熔池冷却极快，使气体来不及排出而存在焊缝中形成气孔。焊缝中气相成分主要是CO、CO₂、H₂、O₂、N₂及H₂O，其中对金属有不利影响的主要是H₂、O₂、N₂。

氮和氢在高温时能溶解于液态金属中，氮和铁可化合生成Fe₄N和Fe₂N，冷却后一部分氮保留在钢的固溶体中，而Fe₄N呈片状夹杂物残留在焊缝内，使焊缝的脆性增大。氢的存在将促使冷裂纹形成，并造成气孔，引起氢脆性。

③蒸发　熔池中的液态金属和落入熔池的焊条熔滴的各种元素在高温下，有时接近或达到沸点，会强烈蒸发，由于各种元素成分不同，沸点不同，因此蒸发的数量也不同，其结果改变了焊缝的化学成分，降低了接头的性能。

（2）接头熔池体积小，周围又是温度较低的冷金属，因此，接头熔池处于液态的时间很短，冷却速度极快，这样，一方面不利于焊缝金属化学成分的均匀和气体、渣质的排除，从而产生气孔和夹渣等缺陷；另一方面，使焊接构件形成较大的热（内）应力，造成构件变形甚至开裂。

3）电弧焊过程采取的技术措施

为了保证焊缝品质，焊接过程中常采取下列技术措施。

（1）采取保护措施，限制有害气体进入焊接区　如焊条药皮、自动焊焊剂及惰性气体的保护等都能起此作用。

（2）渗入有用合金元素以保护焊缝成分　在焊条药皮（或焊剂）中加入锰铁等合金，焊接时可渗入焊缝金属中，以弥补有用合金元素的烧损，甚至还可以增加焊缝金属的某些合金元素，以提高焊缝金属的性能。

（3）进行脱氧、脱硫和脱磷　焊接时，熔化金属除可能被空气氧化外，还可能被工件表面的铁锈、油垢、水分或保护气体中分解出来的氧所氧化，所以焊接时必须仔细清除上述杂质，并且在焊条药皮（或焊剂）中加入锰铁、硅铁等用以脱氧。

焊缝中硫或磷的质量分数超过0.04%时，极易产生裂纹。硫、磷主要来自基体金属（焊件），也可能来自焊接材料，因此一般选择含硫、磷低的原材料，并通过药皮（或焊剂）中的脱硫和脱磷组分进行脱硫、磷，以保证焊缝品质。

（4）从构件设计和焊接工艺采取措施　以减小焊接应力，防止焊件变形和开裂。

4.焊接接头的金属组织和性能

熔化焊接是在局部进行的、短时高温的冶炼、凝固过程。这种冶金和凝固过程是连续进行的；与此同时，周围未熔化的基体金属受到短时的热作用。因此，焊接过程会引起焊接接头组织和性能的变化，直接影响焊接接头的品质。

1）焊接工件上温度的变化与分布

在电弧热作用下，焊接接头的金属都经历由常温状态迅速加热到一定温度，然后再快速冷却到常温的过程。图10－6所示为焊接时焊件截面上不同点的温度变化情况。焊接时，随着各点金属所在位置的不同，其最高加热温度是不同的，因热传导需要一定时间，所以各点达到该点的最高温度的时间也是不同的。离焊缝越近的点其加热速度越快，被加热的最高温度也越高，冷却速度也越快。

图10－6　焊缝区各点温度变化情况

2）焊接接头的组成和性能

熔化焊的焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成。

（1）焊缝的组织和性能　焊缝是由熔池金属结晶形成的焊件结合部分。焊缝金属的结晶是从熔池底壁开始的，由于结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成的晶粒是柱状晶粒。柱状晶粒的生长方向与最大冷却方向相反，垂直于熔池底壁。由于熔池金属受电弧吹力和保护气体的吹动，熔池壁的柱状晶成长受到干扰，使柱状晶呈倾斜层状，晶粒有所细化。熔池结晶过程中，由于冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散，易造成合金元素分布的不均匀。如硫、磷等有害元素易集中到焊缝中心区，将影响焊缝的力学性能。所以焊条芯（焊丝）必须采用优质钢材，其中硫、磷的含量应很低。此外由于焊接材料的渗合金作用，焊缝金属中锰、硅等合金元素的含量可能比基体金属高，所以，焊缝金属的力学性能可不低于基体金属。

（2）熔合区　熔合区是焊接接头中焊缝与母材交接的过渡区，这个区域的焊接加热温度在液相线和固相线之间，又称半熔化区。焊接过程中仅部分金属被熔化，熔化的金属将凝固成铸态组织，而未熔化的金属因加热温度过高而成为过热粗晶组织。因而熔合区的塑性、韧度极差，成为裂纹和局部脆性破坏的源点，在低碳钢焊接接头中，尽管熔合区很窄（仅0.1～1mm），但仍在很大程度上决定着焊接接头的性能。

（3）焊接热影响区的组织和性能　在电弧热的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织或性能变化的区域，称为焊接热影响区。由于焊缝附近各点受热情况不同，其组织变化也不同，不同类型的母材金属、热影响区各部位也会产生不同的组织变化。图10－7所示为低碳钢焊接时热影响区组织变化示意图。按组织变化特征，其热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。

①过热区　过热区紧靠熔合区。低碳钢过热区的最高加热温度在1　100℃至固相线之间，母材金属加热到这个温度，结晶组织全部转变成为奥氏体，奥氏体急剧长大，冷却后得到过热粗晶组织，因而，过热区的塑性和冲击韧度很低。当焊接刚度大的结构或碳的质量分数较高的易淬火钢材时，易在此区产生裂纹。

图10－7　低碳钢焊接接头的组织变化

1—焊缝区；2—熔合区；3—热影响区

②正火区　该区紧靠过热区，是焊接热影响区内钢相当于受到正火热处理的区域。低碳钢此区的加热温度在Ac₃～1　100℃之间。由Fe－C相图可知，此温度下金属发生重结晶加热，形成细小的奥氏体组织。由于焊接过程中金属的热传导，使该区的冷却速度较空冷快，相当于进行一次正火处理，使晶粒细小而均匀。因此，一般情况下，焊接热影响区内正火区的力学性能高于未经热处理的母材金属。

③部分相变区　紧靠正火区，是母材钢处于Ac₁至Ac₃之间的区域为部分相变区。加热和冷却时，该区结晶组织中只有珠光体发生重结晶转变，而铁素体仍为原来的组织形态。因此，已相变组织和未相变组织在冷却后晶粒大小不均匀对力学性能有不利影响。

由上述可知，熔合区和过热区是焊接接头中力学性能很差的区域，对焊接接头最为不利，应尽量缩小这两区间的范围，以减小和消除其不利影响。热影响区是不可避免的，但为了提高焊接品质希望它越小越好。

焊接接头各区域的大小及组织性能的变化程度，取决于焊接方法、焊接规范、接头形式、焊后冷却速度等因素。表10－1所示为用不同焊接方法焊接低碳钢时，焊接影响区的平均尺寸数值。同一焊接方法在不同焊接规范下操作，也会使热影响区的大小不同。一般来说，在保证焊接接头品质的前提下，增加焊接速度、减少焊接电流都能使熔合区、过热区变小。

表10－1　不同焊接方法焊接低碳钢时，焊接影响区的平均尺寸数值

3）改善焊接接头组织性能的方法

焊接热影响区在焊接过程中是不可避免的。低碳钢焊接时因其塑性很好，热影响区较窄，危害性较小，焊后不进行处理就能保证使用。但对重要的钢结构或用电渣焊焊接的构件，则必须充分注意热影响区带来的不利影响，要用焊后热处理办法来消除焊接热影响区。对碳素钢与低合金钢构件，可用焊后正火处理来消除热影响区，以改善焊接接头的性能。

焊后不能进行热处理的金属材料或构件，可通过正确选择焊接方法和焊接过程来减少焊接接头内不利区域的影响，达到提高焊接接头性能的目的。

5.焊接应力与变形

由焊接过程的特点知，焊接过程会使焊件产生应力，从而引起变形，甚至产生裂纹。如果变形严重而又无法矫正，就会使焊件报废。因此，在设计和制造焊接结构时，应尽量减小焊接应力，尽量防止产生超过允许数值的变形量。

1）产生焊接（内）应力和变形的原因

焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀的加热，使焊件各个部分的热胀冷缩极不一致，从而产生相互制约，形成焊接应力，当焊接应力超过一定值时，造成焊件变形。

图10－8　低碳钢平板对焊时的应力变形示意图

图10－8所示为低碳钢平板对焊时产生的应力和变形示意图。现以其为例来分析焊接应力与变形产生的原因。焊接时，由于对焊件进行局部加热，焊缝区被加热到很高温度，离焊缝越远，被加热的温度就越低。根据金属材料热胀冷缩的特性，焊件各部位因温度不同将产生大小不等的伸长。如各部位的金属能自由伸长而不受周围金属的阻碍，其伸长应像图10－8（a）中虚线所示那样。但钢板是一个整体，各部位的伸长必须相互协调，不可能各处都能实现自由伸长，最终平板整体只能协调伸长Δl。因此，被加热到高温的焊缝区金属因其自由伸长量的限制而承受压应力（－），当压应力超过金属的屈服强度时产生压缩塑性变形，以使平板整体达到平衡。同理，焊缝区以外的金属则承受拉应力（＋），所以，整个平板存在着相互平衡的压应力和拉应力。

焊后冷却时，金属随之冷却，由于焊缝区金属在加热时已经产生了压缩塑性变形，所以冷却后的长度要比原来尺寸短些，所缩短的长度应等于压缩塑性变形的长度（见图10－6（b）中虚线），而焊缝区两侧的金属则缩短至焊前的原长l。但实际上钢板是一个整体，焊缝区收缩量大的金属将与两侧收缩量小的金属相互协调，最终共同收缩到比原长l短Δl′的位置。此收缩变形Δl′称为焊接变形。此时焊缝区受拉应力（＋），两边金属内部受到压应力（－）并互相平衡。这些应力焊后残余在构件内部，称为焊接残余应力，简称焊接应力。

若焊接构件刚性不足，承受不了焊接应力就会产生变形，焊件通过变形可削弱焊接应力状态。如果焊接应力超过焊接材料的屈服强度，焊接件不仅发生变形，而且还会产生裂纹。尤其是低塑性材料更易开裂。

2）焊接变形的基本形式

焊接变形的形式因焊接件结构形状不同、其刚性和焊接过程不同而不同。最常见的如图10－9所示，或者是这几种形式的组合。

图10－9　焊接变形的基本形式

（1）收缩变形　构件焊接后，纵向和横向尺寸缩短的变形。这是由于焊缝纵向和横向收缩所引起的。

（2）角变形　V（U）形坡口对接焊时，由于焊缝截面形状上下不对称，焊后收缩不均而引起的角变形。

（3）弯曲变形　T形梁和单边焊缝焊接后，由于焊缝布置不对称，纵向收缩引起的弯曲变形。

（4）波浪形变形　焊接薄板结构时，由于薄板在焊接应力作用下丧失稳定性而引起波浪形变形。

（5）扭曲变形　由于焊缝在构件横截面上布置的不对称或焊接过程不合理，使工件产生扭曲变形。

3）减小焊接应力防止焊件变形的措施

要减小焊接应力防止焊件变形，主要从焊缝结构设计和焊接过程两方面来采取措施。

（1）合理地设计焊接构件　焊接结构件设计的核心问题是焊缝布置，焊缝布置是否合理，对焊接品质和生产率有很大影响。在保证结构有足够承载能力情况下，尽量减少焊缝数量、焊缝长度及焊缝截面积；要使结构中所有焊缝尽量处于对称位置。厚大件焊接时，应先两面开坡口再进行焊接，避免焊缝交叉或密集。尽量采用大尺寸板料及合适的型钢或冲压件代替板材拼焊，以减少焊缝数量，减少变形。对具体焊接结构件进行焊缝布置时，应便于焊接操作，有利于减少焊接应力和变形，提高结构强度。表10－2列举了设计焊接结构、焊缝布置的一般原则。

表10－2　焊接结构、焊缝布置的一般原则

续表

（2）采取必要的技术措施　主要介绍以下6项措施。

①选择合理的焊接顺序　合理的焊接顺序可以减少焊接应力的产生。选择的主要原则是应尽量使焊缝自由收缩而不受较大的拘束。如先焊收缩量较大的焊缝或先焊工作时受力较大的焊缝，使其预承受压应力；拼焊时，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。

对于图10－10所示的结构，如果按图（a）的次序1、2进行焊接，可减少内应力；反之，如按图（b）的次序进行焊接就要增加内应力，特别是在焊缝交叉处（A）易产生多个裂缝。

图10－10　焊接顺序对焊接应力的影响

图10－11　X形坡口焊接顺序图

图10－12　对称断面梁焊接顺序

如构件的对称两侧都有焊缝，应该设法使两侧焊缝的收缩量能互相抵消或减弱，以减小焊接变形。例如X形坡口焊缝的焊接顺序应如图10－11所示。工字梁与矩形梁的焊接顺序应如图10－12所示。

焊接长焊缝时，为了减少焊接变形，常采用“逆向分段焊法”，即把整个长焊缝分为长度为150～200mm的小段，分段进行焊接，每一段都朝着与总方向相反的方向施焊，如图10－13所示。

图10－13　长缝的焊接

②焊前预热　焊前将焊件预热到350～400℃，然后再进行焊接。预热可使焊缝部分金属和周围金属的温差减小，焊后又可比较均匀地同时冷却收缩，因此，可显著减少焊接应力，同时可减小焊接变形。

③加热“减应区”　在焊接结构上选择合适的部位加热后再焊接，可大大减小焊接应力。

所选的加热部位称“减应区”。例如图10－14所示框架中部的杆件断裂焊接，焊前选框架左右两杆中部作为“减应区”进行局部加热，使其伸长，并带动焊接部位产生与焊缝收缩方向相反的变形。焊接冷却时，加热区和焊缝一起收缩，减少了焊缝自由收缩时的拘束，使焊接应力降低。

图10－14　加热“减应区”法

图10－15　平板焊接的反变形

④反变形法　反变形法是指经过计算或凭实际经验预先判断焊后的变形大小和方向，在焊前进行装配时，将焊件安置在与焊接变形方向相反的位置，如图10－15所示，或者在焊前使工件反方向变形，以抵消焊接后所发生的变形，如图10－16所示。

⑤刚性夹持法　该法是采用夹具或点焊固定等手段来约束焊接变形，如图10－17所示。此种方法能有效防止角变形和薄板结构的波浪形变形。刚性夹持法只适用于塑性较好的一些焊接材料，且焊后应迅速退火处理以消除内应力，对塑性差的材料，如淬硬性较大的钢材及铸铁不能使用；否则，焊后易产生裂纹。

图10－16　防止壳体局部塌陷的反变形

图10－17　夹持法

1—钢板；2—夹具；3—铜垫板

⑥焊后热处理　去应力退火过程可以消除焊接应力，即将工件均匀加热到600～650℃，保温一定时间，然后缓慢冷却。整体高温回火消除焊接应力的效果最好，一般可将80%～90%以上的残余应力消除掉。

4）焊接变形的矫正方法

在焊接生产中，即使焊前采用了预防变形的措施，但有些刚性较差的焊件焊后仍可能产生超过允许值的变形，为确保焊件的形状和尺寸要求，需要对已产生的变形进行矫正。焊接变形的矫正实质上就是使焊件结构产生新的变形，以抵消焊接时已产生的变形。生产中常用的矫正方法如下。

图10－18　T形梁的火焰加热示意图

（1）机械矫正法　用手工锤击、矫正机、辊床、压力机等机械外力，使焊件产生与焊接变形反向的塑性变形而达到矫正。

（2）火焰加热矫正法　利用氧－乙炔火焰在焊件适当部位加热，使工件在冷却收缩时产生与焊接变形反方向的变形，以矫正焊接变形，如图10－18所示。火焰加热矫正法主要用于低碳钢焊件。加热温度一般在600～800℃之间。

6.焊接缺陷及防治措施

1）焊接接头的缺陷

在焊接结构生产中，由于结构设计不当，原材料不符合要求，接头准备不仔细、焊接过程不合理或焊后操作不当等原因，常使焊接接头产生各种缺陷。常见的焊接缺陷有焊缝外形尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、气孔、夹渣、未焊透和裂缝等缺陷。其中，以未焊透和裂缝的危害性最大。表10－3所示为各种常见的焊接接头缺陷及产生的原因。

表10－3　各种常见的焊接接头缺陷及产生的原因

续表

2）焊接缺陷的防止

防止焊接缺陷的主要途径:一是制订正确的焊接技术指导文件；二是针对焊接缺陷产生的原因在操作中加以防止。

焊缝尺寸不符合要求应从恰当选择坡口尺寸、装配间隙及焊接规范入手，并辅以熟练操作技术。采用夹具固定、定位焊和多层多道焊有助于焊缝尺寸的控制和调节。

为了防止出现咬边、焊瘤、气孔、夹渣、未焊透等缺陷，必须正确选择焊接规范参数。在手工电弧焊规范参数中，以电流和焊速的控制影响最大，其次是预热温度。

各类焊接裂纹都是由于冶金因素和应力因素造成的，因此防止焊接裂纹也必须从这两方面着手。所有防止和减小应力的措施都能防止和减小焊接裂纹减小焊接应力防止焊接变形。在冶金方面，为了防止热裂纹应控制焊缝金属中有害杂质的含量，碳素结构钢用焊芯（丝）的碳含量均≤0.10%，硫、磷的质量分数应≤0.03%，焊接高合金钢时要控制更严。此外，焊接时应选择合适的技术参数和坡口参数。采用碱性焊条和焊剂，由于碱性焊条具有较强的脱硫、磷能力，因此，具有较高的抗热裂能力。

为了防止冷裂纹，应降低焊缝扩散氢的含量，例如采用碱性低氢焊条，严格按规定烘干焊条和焊剂，并防止在使用过程中受潮。采用预热、后热等技术措施也可有效地防止冷裂纹的产生。

为了防止焊缝中气孔的产生，必须仔细清除焊件表面的污物，手工电弧焊时在坡口面两侧各10mm、埋弧焊时各20mm范围内去除锈、油，应打磨至露出金属表面光泽。特别是在使用碱性焊条和埋弧焊时，更应做好清洁工作。焊条和焊剂一定要严格按照规定的温度进行烘烤。酸性焊条抗气孔性能优于碱性焊条，如结构要求采用抗裂性好的碱性焊条时，应选用低氢焊条。焊接规范参数必须选择合适，电流过大会使焊条发热，药皮提前熔化或分解，影响保护效果；电流过小和焊速过快又使熔池内气体不能及时排出，导致气孔产生。运条时要使用短弧，尤其是碱性低氢焊条。收弧和起弧时均需作一定停顿，注意接头操作和填满弧坑。此外，直流焊接时，电源极性应为反接。

预防夹渣，除了应保证合适的坡口参数和装配品质外，焊前清理是非常重要的，包括坡口面清除锈蚀、污垢和层间清渣。操作时运条角度和方法要恰当，摆幅不宜过大，并应始终保持熔池的轮廓清晰，能分清液态金属和熔池。焊接电流选择对产生夹渣也有很大影响，电流过小时使熔池停留时间缩短，熔渣未能及时上浮到熔池表面；电流过大时使药皮端部提前熔化，成块剥落进入熔池，都易造成夹渣。

加强焊接过程中的自检，可杜绝因操作不当所产生的大部分缺陷，对多层多道焊尤为重要。

7.焊接接头及坡口形式的选择

焊接接头是焊接结构最基本的组成部分，接头设计应根据结构形状及强度要求、工件厚度、可焊性、焊后变形大小，焊条消耗，坡口加工难易程度等各方面因素综合考虑决定。

通常手工电弧焊采用的接头形式有对接、搭接、T形接头和角接四大类。

1）对接接头及坡口选择

对接接头形式应力分布均匀，接头品质容易保证，在静载荷和动载荷作用下，对接接头都具有很高的强度，且外形平整美观。因此，是焊接结构中应用最多的接头形式，常用于平板类焊件和空间类焊件的接头中。但此种接头对焊前准备和装配要求较高。

手工电弧焊的坡口形式可分为I形坡口，V形坡口，X形坡口，U形坡口和双U形坡口五种形式。每种坡口的尺寸和所适用的钢板厚度都有明确的规定，如图10－19所示。手工电弧焊板厚度在6mm以下对接时，一般可不开坡口直接焊成。板厚较大时，为了保证焊透，接头处根据工件厚度应预制各种坡口。厚度相同的工件常有几种坡口形式可供选择，V形和U形只需一面焊，可焊性较好，但焊后角变形较大，焊条消耗量也大些。X形和双U形坡口两面施焊，受热均匀变形较小，焊条消耗量也较小，但因两面焊，有时受结构形状限制。

图10－19　对接接头的坡口形式

手工电弧焊和其他熔化焊焊接不同厚度的重要受力件时，若采用对接接头，则应在较厚的板上作出单面或双面削薄，然后，再选择适宜的坡口形式和尺寸，如图10－20所示。

图10－20　不同厚度钢板对接

埋弧自动焊接多采用对接接头形式，为了存放焊剂，通常以平焊为宜。埋弧自动焊焊接14mm以上厚度的焊件时，应开坡口。坡口形式与手工电弧焊基本相同。当焊件厚度为14～20mm时，多采用V形坡口；厚度为20～50mm时，多采用X形坡口。一些受力大的重要焊缝，如锅炉汽包、大型储油罐等一般多开U形坡口，以保证焊缝的根部不出现未焊透或夹渣等缺陷。在V形、X形的坡口中，坡口角度一般为50°～60°，这样，既可保证焊缝根部能够焊透，又可减少填充金属，对提高生产率和焊接质量非常有利。

2）搭接接头及坡口选择

搭接接头不需要开坡口，焊前准备和装配工作比对接接头简单得多。但是搭接接头应力分布复杂，往往产生弯曲附加应力，降低接头强度，搭接接头常用于焊前准备和装配要求简单的板类焊件结构中，如桥梁、房架等多采用搭接接头的形式，如图10－21所示。

图10－21　搭接接头形式

3）T形接头及坡口形式

T形接头广泛采用在空间类焊件上，T形接头及坡口如图10－22所示。完全焊透的单面坡口和双面坡口的T形接头在任何一种载荷下都具有很高的强度。根据焊件的厚度，T形接头可选I形（不开坡口）、单边V形、K形、单边双U形坡口形式。

4）角接头及坡口选择

角接头通常只起连接作用，不能用来传递工作载荷，且应力分布很复杂，承载能力低。根据焊件厚度不同，角接头可选择I形坡口（不开坡口）、单边V形、单边U形、V形及K形五种坡口形式，如图10－23所示。

图10－22　T形接头的坡口形式

图10－23　角接头的坡口形式

10.1.2　金属常用焊接成形技术

1.熔化焊

利用热源局部加热的方法，将两工件接合处加热到熔化状态，形成共同的熔池，凝固冷却后，使分离的工件牢固结合起来的焊接称为熔化焊。熔化焊适合于各种金属材料任何厚度焊件的焊接，且焊接强度高，因而获得广泛应用。熔化焊包括电弧焊、电渣焊，气焊等。

1）手工电弧焊

（1）焊接过程　利用电弧作为焊接热源的熔焊方法称为电弧焊。用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，称为手工电弧焊。

焊接前，将电焊机的输出端分别与工件和焊钳相连，然后在焊条和被焊工件之间引燃电弧，电弧热使工件（基本金属）和焊条同时熔化成熔池，焊条上的药皮也随之熔化形成熔渣覆盖在焊接区的金属上方，药皮燃烧时产生大量CO₂气流围绕于电弧周围，熔渣和气流可防止空气中的氧、氮侵入起保护熔池的作用。随着焊条的移动，焊条前的金属不断熔化，焊条移动后的金属则冷却凝固成焊缝，使分离的工件连接成整体，完成整个焊接过程。

手工电弧焊机是供给焊接电弧燃烧的电源，常用的电焊机有交流电弧焊机、直流电弧焊机和整流电弧焊机等。直流电弧焊机的输出端有正、负极之分，焊接时电弧两端的极性不变。因此直流电弧焊机的输出端有两种不同的接线方法:将焊件接电焊机的正极，焊条接其负极称为正接；将焊件接电焊机的负极、焊条接其正极称为反接，如图10－24所示。正接用于较厚或高熔点金属的焊接，反接用于较薄或低熔点金属的焊接。采用碱性焊条焊接时，应采用直流反接，以保证电弧稳定燃烧；采用酸性焊条焊接时，一般采用交流弧焊机。

图10－24　直流电弧焊机的不同接线法

（2）电焊条。

①电焊条的组成和作用　电焊条（简称焊条）由金属焊芯和药皮两部分组成。现以常用的结构焊条为例加以说明。焊芯在焊接时起两个作用:一是作为电源的一个电极，传导电流、产生电弧；二是熔化后作为填充金属，与母材（基本金属）一起形成焊缝金属。手工电弧焊时，焊缝金属的50%～70%来自焊芯，焊芯的品质直接影响焊缝的品质。因此，焊芯都采用焊接专用的金属丝。结构钢焊条的焊芯常用的牌号为H08、H08A、H08MnA，其中“H”是“焊”字的汉语拼音字头，表示焊接用钢丝，“08”表示碳的平均质量分数为0.08%；“A”表示高级优质钢。

焊芯的直径称为焊条直径，焊芯的长度就是焊条的长度。常用的焊条直径有2mm、2.5mm、3.2mm、4.0mm和5.0mm等，焊条长度在250～450mm之间。

焊芯表面的涂料称为药皮。它是决定焊缝品质的主要因素之一，在焊接过程中，药皮的主要作用是:提高电弧燃烧的稳定性，防止空气对熔化金属的有害作用，保证焊缝金属的脱氧和加入合金元素，以提高焊缝金属的力学性能。焊条药皮主要由稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、黏结剂等按一定比例混合而成，涂在焊芯上，经烘干后制成。焊条药皮原料的种类、名称及作用见表10－4。

表10－4　焊条药皮原料及其作用

②焊条的分类和型（牌）号　我国生产的焊条按其用途分为结构钢焊条（J）、耐热钢焊条（R）、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（N）、低温钢焊条（W）、铜及铜合金焊条（T），铝及铝合金焊条（L）和特殊用途焊条（T）十大类。其中，结构钢焊条应用最广泛。

根据药皮中熔渣酸性氧化物和碱性氧化物比例不同，焊条又分为酸性焊条和碱性焊条两大类。熔渣以酸性氧化物为主的焊条，称为酸性焊条；熔渣以碱性氧化物为主的焊条称为碱性焊条。酸性焊条的氧化性强，焊接时具有优良焊接性能，如稳弧性好，脱渣力强，飞溅小，焊缝成形美观等，对铁锈、油污和水分等容易导致气孔的有害物质敏感性较低。碱性焊条有较强的脱氧、去氧、除硫和抗裂纹的能力，焊缝力学性能好，但焊接技术性能不如酸性焊条，如引弧较困难，电弧稳定性较差等，一般要求用直流电源；而且药皮熔点较高，还应采用直流反接法。碱性焊条对油污、铁锈和水分较敏感，焊接时，容易生成气孔，因此焊接接头应仔细清理，焊条应烘干。

根据GB/T　5117—1995和GB/T　5118—1995，低碳钢和低合金钢焊条型号的形式为

“E××××”

其中:“E”表示焊条；第一、二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最低值；第三位数字表示焊条适用的焊接位置，“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；第四位数字表示焊接电流种类及药皮类型，（见表10－5）。

表10－5　部分碳钢焊条药皮类型和焊接电流种类

如E4315所表示的焊条，熔敷金属抗拉强度的最低值为420MPa，适用于全位置焊接；药皮类型为低氢钠型，应采用直流反接焊接。

焊条牌号是焊接行业统一的焊条代号，其形式与含义是:焊条牌号前大写字母，表示焊条各大类。字母后面的三位数字中，前两位数字表示各大类中的若干小类，具体含义因大类不同而异。对于结构钢，这两个数字表示焊缝抗拉强度等级。第三位数字表示焊接电流种类和药皮类型（见表10－5）。

③焊条的选用原则　焊条的种类很多，选择是否恰当，直接影响焊接结构的品质、生产率和生产成本。通常，应根据焊接结构的化学成分、力学性能、抗裂性、耐蚀性及高温性能等要求，选用相应的焊条种类。再考虑焊接结构形状、受力情况、工作条件和焊接设备等选用具体的型号与牌号。一般选择原则如下。

第一，根据母材的化学成分和力学性能进行选择。若焊件为结构钢时，则焊条的选用应满足焊缝和母材“等强度”，且成分相近的焊条；异种钢焊接时，应按其中强度较低的钢材选用焊条；若焊件为特殊钢，如不锈钢、耐热钢等时，一般根据母材的化学成分类型按“等成分原则”选用与母材成分类型相同的焊条。若母材中碳、硫、磷含量较高，则选用抗裂性能好的碱性焊条。

第二，根据焊件的工作条件与结构特点进行选择。对于承受交变载荷、冲击载荷的焊接结构，或者形状复杂、厚度大、刚性大的焊件，应选用碱性低氢型焊条。

第三，根据焊接设备、施工条件和焊接技术性能进行选择。无法清理或在焊件坡口处有较多油污、铁锈、水盆等脏物时，应选用酸性焊条。在保证焊缝品质的前提下，应尽量选用成本低、劳动条件好的焊条，无特殊要求时应尽量选用焊接技术性能好的酸性焊条。

（3）手工电弧焊的特点　手工电弧焊的设备简单，操作灵活，能进行全位置焊接，能焊接不同的接头、不规则焊缝。但生产效率低，焊接品质不够稳定，对焊工操作技术要求较高，劳动条件差。手工电弧焊多用于单件小批生产和修复，一般适用于2mm以上各种常用金属的焊接。

2）埋弧自动焊

埋弧自动焊是指电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的自动电弧焊接方法。

图10－25　埋弧自动焊示意图

1—焊丝盘；2—焊丝；3—自动焊机头；

4—导电嘴；5—焊剂；6—焊剂漏斗；

7—工件；8—焊缝；9—渣壳

（1）焊接过程　埋弧自动焊的焊接过程如图10－25所示。焊接时，送丝机构送进焊丝使之与焊件接触，焊剂通过软管均匀撒落在焊缝上，掩盖住焊丝和焊件接触处。通电以后，向上抽回焊丝而引燃电弧。电弧在焊剂层下燃烧，使焊丝、焊件接头和部分焊剂熔化，形成一个较大的熔池，并进行冶金反应。电弧周围的颗粒状焊剂被熔化成熔渣，少量焊剂和金属蒸发形成蒸汽，在蒸汽压力作用下，气体将电弧周围的熔渣排开，形成一个封闭的熔渣泡，如图10－26所示。它有一定的黏度，能承受一定的压力。因此，被熔渣泡包围的熔池金属与空气隔离，同时也防止了金属的飞溅和电弧热量的损失。随着焊接的进行，电弧向前移动，焊丝不断送进，熔化后的焊剂覆盖金属逐渐冷却凝固形成焊缝。熔化的在焊缝金属上形成渣壳。最后，断电熄弧，完成整个焊接过程。未熔化的焊剂经回收处理后，可重新使用。

（2）焊丝与焊剂　埋弧自动焊的焊丝同手工电弧焊焊芯的作用一样，其成分标准也相同。常用焊丝牌号有H08A、H08MnA和H10Mn2等。

焊剂与焊条药皮的作用也同手工电弧焊的相同，在焊接过程中起稳弧、保护、脱氧、渗合金等作用。自动焊剂按制造方法分为熔炼焊剂、陶质焊剂和烧结焊剂。熔炼焊剂由于强度高，化学成分均匀，不易吸潮，适于大量生产等优点，获得了广泛应用。目前，我国使用的焊剂多为熔炼焊剂。熔炼焊剂按其中MnO和SiO₂的含量多少，又分为无锰、低锰、中锰、高锰和低硅、中硅、高硅等几类。焊接低碳钢构件时，常用的几种焊剂是高锰高硅焊剂（HJ431）、低锰低硅焊剂（HJ230）等。

图10－26　埋弧自动焊的纵截面图

1—电弧；2—焊丝；3—焊剂；4—熔化了的焊剂；5—渣壳；6—焊缝；7—金属熔池；8—基本金属

焊接不同材料应选配不同成分的焊丝和焊剂，以保证焊缝有足够的合金元素含量，从而保证焊缝品质。通常焊接低碳钢时，采用高锰高硅焊剂（HJ431）配合一般含量的焊丝（H08A），也可用无锰无硅焊剂（HJl30）配合锰量高的焊丝（H10Mn2）。

（3）埋弧自动焊的特点及应用　埋弧自动焊与手工电弧焊相比有以下特点。

①生产率高　埋弧自动焊的焊丝导电部分远比手工电弧焊短且外面无药皮覆盖，送丝速度又较快，因而其焊接电流可达1　000A以上，比手工电弧焊高6～8倍，所以金属熔化快，焊接速度高。同时，焊丝成卷使用，节省了更换焊条的时间，因此生产率比手工电弧焊高5～10倍。

②焊接品质高而且稳定　进行埋弧自动焊时，熔渣泡对金属熔池保护严密，有效地阻止了空气的有害影响，热量损失小，熔池保持液态时间长，冶金过程进行得较为完善，气体与杂质易于浮出，焊缝金属化学成分均匀。同时，焊接规范能自动控制调整，焊接过程自动进行。因此其焊接品质高，焊缝成形美观，并保持稳定。

③节省金属材料　埋弧焊热量集中，熔深大，厚度在25mm以下的焊件都可以不开坡口进行焊接，因此降低了填充金属损耗。此外，没有手工电弧焊时的焊条头损失，熔滴飞溅很少，因而能节省大量金属材料。

④劳动条件好　由于电弧埋在焊剂之下，看不到弧光，烟雾很少，焊接过程中焊工只需预先调整焊接参数，管理焊机，焊接过程便可自动进行，所以劳动条件好。

但是埋弧自动焊的灵活性差，只能焊接长而规则的水平焊缝，不能焊短的、不规则焊缝和空间焊缝，也不能焊薄的工件。焊接过程中，无法观察焊缝成形情况，因而对坡口的加工、清理和接头的装配要求较高。埋弧自动焊设备较复杂，价格高，投资大。

埋弧自动焊通常用于碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热钢等中厚板（6～60mm）结构的长直焊缝及直径大于250mm环缝的平焊，生产批量越大，经济效果就越佳。

3）气体保护电弧焊

气体保护电弧焊是利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。在气体保护电弧焊中，用作保护介质的气体有氩气和二氧化碳。二氧化碳虽具有一定氧化性，但其价廉易得，且对不易氧化的低碳钢仍然具有很好的保护作用，所以，它的应用也较普遍。

（1）氩弧焊　氩弧焊是使用氩气为保护气体的电弧焊。氩弧焊时，氩气从喷嘴喷出后，便形成密闭而连续的气体保护层，使电弧和熔池与大气隔绝，避免了有害气体的侵入，起到了保护作用。氩弧焊按所用电极不同，分为熔化极氩弧焊和不熔化极（或钨极）氩弧焊。

①熔化极氩弧焊　熔化极氩弧焊的焊接过程如图10－27（a）所示。它利用焊丝做电极并兼做焊缝填充金属，焊接时，在氩气保护下，焊丝通过送丝机构不断地送进，在电弧作用下不断熔化，并过渡到熔池中去。冷却后形成焊缝。由于采用焊丝作电极，可以采用较大的电流，适合于焊接厚度为3～25mm的焊件。

图10－27　氩弧焊示意图

1—焊丝或电极；2—导电嘴；3—喷嘴；4—进气管；5—氩气流；6—电弧；7—焊件；8—送丝轮；9—焊丝

②不熔化极氩弧焊　不熔化极氩弧焊以高熔点的钨（或钨合金）棒作为电极，焊接时，钨棒不熔化，只起导电产生电弧的作用。焊丝只起填充金属作用，从钨极前方向熔池中添加，如图10－27（b）所示，焊接方式既可手工操作，也可自动化操作。

在进行钨极氩弧焊时，因为氩气和钨棒均使电弧引燃困难，如果采用同手工电弧焊一样的接触引弧，由于引弧产生的高温，钨棒会严重损耗。因此，通常在两极之间加一个高频振荡器，用它产生的高频高压电流来引起电弧。

钨极氢弧焊时，阴极区温度可达3　000℃，阳极区可达4　200℃，这已超过钨棒的熔点。为了减小钨极损耗，焊接电流不能太大，通常适用于焊接厚度为0.5～6mm的薄板。钨极氩弧焊焊接低合金钢、不锈钢、钛合金和紫铜等材料时，一般采用直流电源正接法，使钨棒为温度较低的阴极，以减少钨棒的熔化和烧损。焊接铝、镁及其合金时，一般采用直流反接法，这样，便可利用钨极射向焊件的正离子撞击工件表面，使焊件表面形成的高熔点氧化物（如Al₂O₃、MgO等）膜破碎而去除，即“阴极破碎”作用，从而使焊接品质得以提高。但这种方式会造成钨棒消耗加快。因此，在实际生产中，焊接这类合金时，多采用交流电源。当焊件处于正极的半周内，有利于钨棒的冷却，减少其损耗，当焊件处于负极的半周内，有利于造成“阴极破碎”作用，以保证焊接品质。

③氩弧焊的特点如下。

其一，焊缝品质好，成形美观　氩气是惰性气体，在高温下，它既不与金属起化学反应，又不熔于液体金属中，而且氩气的质量密度大（比空气重25%），排除空气的能力强，因此，对金属熔池的保护作用非常好，焊缝不会出现气孔和夹杂。此外，氩弧焊电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面没有熔渣，所以氩弧焊焊缝品质好，成形美观。

其二，焊接热影响区和变形较小　电弧在保护气流压缩下燃烧，热量集中，熔池较小，所以焊接速度快，热影响区较窄，工件焊后变形小。

其三，操作性能好　氩弧焊时电弧和熔池区是气流保护，明弧可见，所以便于观察、操作、可进行全位置焊接，并且有利于焊接过程自动化。

其四，适于焊接易氧化金属　由于用惰性气体氩保护，最适于焊接各类合金钢、易氧化的非铁合金及锆、钽、钼等稀有金属。

图10－28　CO₂气体保护焊示意图

1—直流电源；2—导电嘴；3—喷嘴；

4—送丝软管；5—送丝滚轮；6—焊丝盘；

7—二氧化碳气瓶；8—减压器；9—流量计

其五，焊接成本高　氩气没有脱氧和去氧作用，所以氩弧焊对焊前的除油、去锈等准备工作要求严格。而且氩弧焊设备较复杂，氩气来源少，价格高，因此，焊接成本较高。

④氩弧焊的应用　目前，氩弧焊主要用于焊接易氧化的非铁金属（如铝、镁、铜、钛及合金）和稀有金属，以及高强度合金钢、不锈钢、耐热钢等。

（2）CO₂气体保护焊　利用CO₂气体作为保护气体的电弧焊称为CO₂气体保护焊。它以连续送进的焊丝作为电极，靠焊丝和焊件之间产生的电弧熔化金属与焊丝，以自动或半自动方式进行焊接，如图10－28所示，焊接时焊丝由送丝机构通过软管经导电嘴送进，CO₂气体以一定流量从环行喷嘴中喷出。电弧引燃后，焊丝末端、电极及熔池被CO₂气体所包围，使之与空气隔绝，起到保护作用。

CO₂虽然起到了隔绝空气的保护作用，但它仍是一种氧化性气体。在焊接高温下，会分解成CO和氧气，氧气进入熔池，使Fe、C、Mn、Si和其他合金元素烧损，降低焊缝力学性能。而且生成的CO在高温下膨胀，从液态金属中逸出时，会造成金属的飞溅，如果来不及逸出，则在焊缝中形成气孔。为此，需在焊丝中加入脱氧元素Si、Mn等，即使焊接低碳钢也使用合金钢焊丝如H08MnSiA，焊接普通低合金钢使用H08Mn2SiA焊丝。

CO₂气体保护焊的特点是:由于焊丝自动送进，焊接速度快，电流密度大，熔深大，焊后没有熔渣，节省清渣时间，因此，其生产率比手工电弧焊提高1～4倍；焊接时，有CO₂气体的保护，焊缝氢含量低，焊丝中锰的含量高，脱硫作用良好；电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，焊接热影响区较小。所以，CO₂气体保护焊接接头品质良好；CO₂气体价格低廉，来源广，因此CO₂气体保护焊的成本仅为手工电弧焊和埋弧焊的40%左右；此外，CO₂气体保护焊是明弧焊，可以清楚地看到焊接过程，容易发现问题及时处理。CO₂气体保护焊半自动焊像手工电弧焊一样灵活，适于各种位置的焊接。但是CO₂具有氧化性，用大电流焊接时，飞溅大，烟雾大，焊缝成形不良，容易产生气孔等缺陷。

CO₂气体保护焊广泛应用于造船、汽车制造、工程机械等工业部门，主要用于焊接低碳钢和低合金钢构件，也可用于耐磨零件的堆焊，铸钢件的焊补等。但是CO₂气体保护焊不适于焊接易氧化的非铁金属及其合金。

图10－29　电渣焊示意图

1—工件；2—冷却铜块；3—引弧板；

4—送进引入板；5—凝固层；6—熔池；

7—熔渣；8—引出板；9—焊丝；10—直流电源

4）电渣焊

电渣焊是利用电流通过液态熔渣时所产生的电阻热作为热源的一种熔化焊接的方法。根据焊接时使用电极的形状，可分为丝极电渣焊、板极电渣焊和熔嘴电渣焊等。

（1）电渣焊的焊接过程　1958年，苏联在比利时举行的布鲁塞尔世界博览会上宣布了电渣焊工艺。

电渣焊总是在垂直立焊位置进行焊接，丝极电渣焊的焊接过程如图10－29所示。电焊前，先将焊件垂直放置，在接触面之间预留20～40mm的间隙形成焊接接头。在接头底部加装引入板和引弧板，顶部加装引出板，以便引燃电弧和引出渣池，保证焊接品质。在接头两侧装有水冷铜滑块以利熔池冷却凝固。焊接时，先将颗粒焊剂放入焊接接头的间隙，然后送入焊丝，焊丝同引弧板接触后引燃电弧。电弧将不断加入的焊剂熔化成熔渣，当熔渣液面升高到一定高度，形成渣池。渣池形成后，迅速将电极（焊丝）埋入渣池中，并降低焊接电压，使电弧熄灭，进行电渣焊过程。由于电流通过具有较大电阻的液态熔渣，产生的电阻热使熔渣升高到1　600～2　000℃，将连续送进的焊丝和焊件接头边缘金属迅速熔化。熔化的金属在下沉过程中，同熔渣起一系列冶金反应，最后沉积于渣池底部，形成了金属熔池，随着焊丝不断送入，熔池逐渐上升，冷却铜滑块上移，熔池底部逐渐凝固形成焊缝。

根据焊件厚度不同，丝极电渣焊可采用一根或多根焊丝进行焊接，焊丝可以横向摆动，也可不摆动。一般单丝不摆动的焊接厚度为40～60mm，单丝摆动的焊接厚度为60～150mm，三丝摆动的焊接厚度可达450mm。

（2）电渣焊的特点如下。

①生产效率高，成本低　电渣焊焊件不需开坡口，只需使焊接端面之间保持适当的间隙便可一次焊接完成，既提高了生产率，又降低了成本。

②焊接品质好　由于渣池覆盖在熔池上，保护作用良好，而且熔池金属保护液态时间长，有利于焊缝化学成分的均匀和气体杂质的上浮排除。因此，出现气孔、夹渣等缺陷的可能性小，焊缝成分较均匀焊接品质好。

③焊接应力小　焊接速度慢，焊件冷却速度相应降低，因此焊接应力小。

④热影响区大　电渣焊由于熔池在高温停留时间较长，热影响区较其他焊接方法都宽，造成接头处晶粒粗大，力学性能有所降低。所以一般电渣焊后都要进行热处理或在焊丝、焊剂中配入钒、钛等元素以细化焊缝组织。

图10－30　真空电子束焊示意图

1—真空室；2—焊件；3—电子束；

4—磁性偏转装置；5—聚焦透镜；

6—阳极；7—阴极；8—灯丝；

9—交流电源；10、11—直流电源；

12—排气

（3）电渣焊的应用　电渣焊主要用于焊接厚度大于30mm的厚大件。由于焊接应力小，它不仅适合于低碳钢、普通低合金钢的焊接，也适合于塑性较低的中碳钢和合金结构钢的焊接。目前，电渣焊是制造大型铸－焊、锻－焊复合结构的重要技术方法。例如制造大吨位压力机、大型机座、水轮机转好和轴等。

5）电子束焊、激光束焊

（1）电子束焊　电子束焊是利用加速和聚焦的电子束，轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。电子束轰击焊件时99%以上的电子动能会转变为热能，因此，焊件被电子束轰击的部位可加热至很高温度。

1957年，法国原子能委员会的J.A　Stohr首次宣布电子束焊技术。电子束焊根据焊件所处环境的真空不同，可分为高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。图10－30所示为真空电子束焊接示意图。在真空中，电子枪的阳极被通电加热至高温，发射出大量电子，这些热发射电子在强电场的阴极和阳极之间受高压作用而加速。高速运动的电子经过聚束装置、阳极和聚焦线圈形成高能量密度的电子束。电子束以极大速度射向焊件，电子的动能转化为热能使焊件受轰击部位迅速熔化，即可进行焊接（利用磁性偏转装置可调节电子束射向焊件不同的部位和方向），焊件移动便可形成焊缝。真空电子束焊接时，真空室的真空度一般设计为（1.33×10^－7～1.33×10^－6）Pa。

真空电子束焊能量高度集中，温度高、冲击力大，因此，焊速快、熔深大，任何厚度的工件都可不开坡口、不加填充金属、一次焊透，而且，焊接热影响区小，焊件变形小。由于是在真空中进行焊接，金属不会被氧化、氮化，所以，焊缝纯洁，无气孔、夹杂。电子束参数可在较大范围内调节，控制灵活、精度高、适应性强，既能焊接薄壁、微型结构，又能焊接厚200～300mm的厚板，且焊接过程易于实现自动化。但真空电子束焊设备复杂，造价高，焊前对焊件的清理和装配品质要求很高，焊件尺寸受真空室的制约，因而限制了它的应用范围。

真空电子束焊适于焊接各种难熔金属（如钼、钨、钽等）和活泼金属（如钛、锆等），在原子能、航空、空间技术等部门得到了广泛的应用。

（2）激光束焊　激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。

图10－31　激光焊接示意图

1—激光器；2—信号器；3—激光束；

4—聚集系统；5—辅助能源；6—焊件；

7—工作台；8—信号器；

9—观测瞄准器；10—程控设备

激光焊接如图10－31所示。焊接用激光器有固态和气态两种，常用的激光材料为红宝石、玻璃和二氧化碳。激光器利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生波长均匀，方向一致和强度非常高的光束，经聚集后，激光束的能量更为集中，能量密度大大增加（10⁵W/cm²）如将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热能，使金属瞬间熔化，冷凝成为焊缝。

激光焊的方式有脉冲激光点焊和连续激光焊两种。目前，脉冲激光点焊应用较广泛，它适宜于焊接厚度在0.5mm以下的金属薄板和直径在0.6mm以下的金属线材。

激光焊接的特点如下。

①由于激光焊热量集中，作用时间极短，因此，其能量密度大，热影响区小，焊接变形小，焊件尺寸精度高。可以在大气中焊接，不需要采取保护措施。

②激光束通过光学系统反射和聚集，可以达到其他焊接方法很难焊接的部位进行焊接，还可以通过透明材料壁对结构内部进行焊接，例如对真空管的电极连接和显像管内部接线的连接。

激光焊可用于绝缘材料、异种金属、金属与非金属的焊接。

激光焊接的主要缺点是焊接设备的有效参数低，功率较小，只适合于焊薄板和细丝，对钨、钼等材料的焊接还比较困难，且设备投资大。目前，激光焊接已广泛用于电子工业和精密仪表工业中，主要适合于焊接微型、精密，密集和热敏感的焊件。如集成电路内外引线，微型继电器及仪表游丝等。

2.气焊

气焊是利用可燃气体乙炔（C₂H₂）和氧气混合燃烧时所产生的高温火焰作为热源的熔化焊接方法。

气焊时，熔焊所需热量是通过氧气和乙炔在特制的氧炔焊炬（又称焊枪）中混合燃烧而产生的。改变氧气和乙炔的比例可获得三种类型的火焰:①中性焰，②氧化焰（氧气过量），③碳化焰（乙炔过量）。中性焰近乎完全燃烧，适用于焊接低碳钢、中碳钢、合金钢、纯铜和铝合金等材料。氧化焰的氧气与乙炔混合的体积比大于1.2。由于燃烧时有过剩氧气，对金属熔池有氧化作用，降低了焊缝品质，故只适用于焊接黄铜。碳化焰的氧气和乙炔混合的体积比小于1，由于乙炔过剩，故适用于焊接高碳钢、硬质合金、焊补铸铁等。

气焊主要用于野外维修工作，气焊在很大程度上已被电焊所代替。

3.压力焊

1）电阻焊

电阻焊又称接触焊，它是利用电流通过焊接接头的接触面时产生的电阻热将焊件局部加热到熔化或塑性状态，在压力下形成焊接接头的压焊方法。

电阻焊在焊接过程中产生的热量，可用焦耳－楞次定律计算，即

因为两焊件的总电阻有限，为使焊件迅速加热（0.01～＜10s）以减少散热损失，所以需要大电流、低电压、功率大的焊机。

与其他焊接方法相比较，电阻焊具有生产率高，焊件变形小，劳动条件好，焊接时不需要填充金属，易于实现机械化、自动化等特点。但是由于影响电阻大小和引起电流波动的因素均导致电阻热的改变，因此电阻焊接头品质不稳，从而限制了在某些受力构件上的应用。此外，电阻焊设备复杂，价格昂贵，耗电量大。

电阻焊按接头形式的不同，可分为点焊、缝焊、对焊三种，如图10－32所示。

（1）点焊　点焊是利用柱状铜合金电极，在两块搭接焊件接触面之间形成焊点，而将工件连接在一起的焊接方法。

点焊前将表面已清理好的工件叠合，置于两极之间预压夹紧，使被焊工件受压处紧密接触。然后接通电流，因接触面的电阻比焊件本身电阻大得多，该处发热量最多。工件与工件接触处产生的电阻热很快被导热性能好的铜电极和冷却水带走，因此接触处的温度升高有限，不会熔化。两工件接触处发出的热量则使该处的温度急速升高，将该处的金属熔化而形成熔核，熔核周围的金属则被加热到塑性状态，在压力作用下形成一紧密封闭的塑性金属环。然后断电，使熔核金属在压力作用下冷却和结晶，从而获得所需要的焊点。焊完一点后，移动工件焊下一点。焊第二点时，有一部分电流可能流经已焊好的焊点，称为分流现象，如图10－33所示。分流I分将会使第二点焊接处电流I焊减小，影响焊点品质，因而两焊点间应有一定的距离。其次，焊件厚度越大，焊点直径也越大，两焊点间最小间距也越长，如表10－6所示。

图10－32　电阻焊示意图

1—固定电极；2—移动电极

图10－33　点焊分流现象

目前，点焊已广泛用于制造汽车、车厢、飞机等薄壁结构及罩壳和日常生活用品的生产之中。可焊接低碳钢、不锈钢、铜合金、铝镁合金等。主要适用于厚度为4mm以下的薄板冲压结构及钢筋的焊接。

表10－6　点焊接头的点距　（mm）

（2）缝焊　缝焊的焊接过程与点焊相似，只是用转动的圆盘状电极取代点焊时所用的柱状电极。焊接时，圆盘状电极压紧焊件并转动，依靠摩擦力带动焊件向前移动，配合断续通电，形成许多连续并彼此重叠的焊点，焊点相互重叠约50%以上。

缝焊在焊接过程中分流现象严重，一般只适用于焊接3mm以下的薄板焊件。

缝焊件表面光滑美观，气密性好。目前，主要用于制造要求密封性的薄壁结构，如油箱、小型容器和管道等。

（3）对焊　对焊是把焊件装配成对接的接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后迅速施加顶锻力完成焊接的方法。根据焊接过程不同，又可分为电阻对焊和闪光对焊。

①电阻对焊　电阻对焊时，是把两个被焊工件装在对焊机的两个电极夹具上对正、夹紧，并施加预压力使两工件端面压紧，然后通电。电流通过工件和接触处时产生电阻热，将两被焊工件的接触处迅速加热至塑性状态，随后向工件施加较大的顶锻力并同时断电，使接触处生产一定的塑性变形而形成接头，如图10－34所示。

图10－34　电阻对焊法

图10－35　闪光对焊法

电阻对焊操作简便，接头外形较光滑，但焊前对被焊工件表面清理工作要求较高；否则，在接触面易造成加热不匀。此外，高温端面易发生氧化夹渣，品质不易保证。电阻对焊主要用于断面简单的圆形、方形等截面小的金属型材的焊接。

②闪光对焊　闪光对焊过程如图10－35所示。将焊件夹持在电极夹具上对正夹紧，先接通电源并逐渐使两工件靠近，由于接头端面比较粗糙，开始只有少数的几个点接触，由于电流密度大，这些接触点处的金属迅速被熔化，连同表面的氧化物一起向四周喷射出火花产生闪光现象。随着不断推进焊件，闪光现象便在新的接触点处连续产生，直到端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力，使整个端面在顶锻力下完成焊接。

闪光对焊的焊件端面加热均匀，工件端面的氧化物及杂质一部分随闪光火花带出，一部分在最后顶锻力下随液态金属挤出，即使焊前焊件端面品质不高，但焊接接头中的夹渣仍较少。因此，焊接接头品质好、强度高。闪光对焊的缺陷是金属损耗多，工件尺寸需留较大余量，由于有液体金属挤出，焊后接头处有毛刺需要清理。闪光对焊常用于重要工件的焊接，既适用于相同金属的焊接，也适用于一些异种金属的焊接。被焊工件可以是直径小到0.01mm的金属丝，也可以是断面大到20　000 mm²的金属棒或金属板。

2）摩擦焊

1956年，苏联的丘季科夫发明了摩擦焊技术。摩擦焊是利用工件接触面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热量为热源，使工件端面加热到塑性状态，然后在压力下使金属连接在一起的焊接方法，也称惯性焊。

图10－36　摩擦焊示意图

（1）摩擦焊的焊接过程　摩擦焊的焊接过程如图10－36所示。先把两工件同心地安装在焊机的夹头上，加一定压力F使两工件紧密接触，然后使工件1高速旋转，工件2随之向工件1方向移动，并施加定的轴向压力，由于两工件接触端有相对运动，发生了摩擦而产生热，在压力、相对摩擦的作用下，原来覆盖在焊接表面的异物迅速破碎并被挤出焊接区，露出纯净的金属表面。随着焊缝区金属塑性变形的增加，焊接表面很快被加热到焊接温度，这时，立即刹车，同时，对接头施加较大的轴向压力进行顶锻，使两焊件产生塑性变形而焊接起来。

（2）摩擦焊的特点及应用简介如下。

①焊接接头品质好且稳定　在摩擦焊过程中，焊件表面的氧化膜及杂质被清除，表面不易氧化，因此接头品质好，焊件尺寸精度高。

②焊接生产率高　由于摩擦焊操作简单，不需加添焊接材料，容易实现自动控制，生产率高。

③可焊材料种类广泛　摩擦焊可焊接的金属范围较广，除用于焊接普通钢铁金属和非铁合金材料外，还适于焊接在常温下力学性能和物理性能差别较大、不适合熔焊的特种材料和异种材料。

④焊机设备简单，功率小，电能消耗少　摩擦焊和闪光焊相比，电功率和能量节约5～10倍以上。没有火花、没有弧光、劳动条件好。

摩擦焊接头一般是等断面的，也可以是不等断面的。摩擦焊广泛应用于圆形工件、棒料及管子的对接，可焊实心焊件的直径为2～100mm，管子外径可达几百毫米。

4.钎焊

钎焊是利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化将处于固态的焊件黏结起来的一种焊接方法。

1）钎焊过程

钎焊过程是将表面清洗好的焊件以搭配形式装配在一起，把钎料放在装配间隙内或间隙附近，然后加热，使钎料熔化（焊件未熔化）并借助毛细管作用被吸入和充满固态焊件的间隙之内，被焊金属和钎料在间隙内进行相互扩散，凝固后，即形成钎焊接头。

在钎焊过程中，一般都需要使用钎焊剂。钎焊剂是钎焊时使用的熔剂，它的作用是清除被焊金属表面的氧化膜及其他杂质，改善钎料对焊件的湿润性，保护钎料及焊件免于氧化。

钎焊的加热方法主要有火焰加热、电阻加热、感应加热、炉内加热、盐浴加热及烙铁加热，其中烙铁加热温度很低，一般只适用于软钎焊。

2）钎焊的分类

根据钎料熔点的不同，钎焊可分为硬钎焊和软钎焊两大类。

（1）硬钎焊　硬钎焊是使用熔点高于450℃的钎料进行的钎焊。常用的硬钎焊的钎料有铜基、银基、铝基合金。硬钎焊使用的钎剂主要有硼砂、硼酸、氟化物、氯化物等。

硬钎焊接头强度较高（＞200MPa），工作温度也较高，常用于焊接受力较大或工作温度较高的焊件。如车刀上硬质合金刀片与刀杆的焊接等。

（2）软钎焊　软钎焊是使用熔点低于450℃的钎料进行的钎焊。常用的软钎料有锡－铅合金和锌－铝合金。软钎剂主要有松香、氧化锌溶液等。

软钎焊接头强度低，用于无强度要求的焊件，如各种仪表中线路的焊接等。

3）钎焊的特点及应用

与一般焊接方法相比，钎焊只需填充金属熔化，因此焊件加热温度较低，焊件的应力和变形较小，对材料的组织和性能影响较小，易于保证焊件尺寸。钎焊还可以连接不同的金属，或者金属与非金属的焊件，设备简单。钎焊的主要缺点是接头强度较低，钎焊接头工作温度不高，钎焊前对焊件的清洗和装配工作都要求较严。此外，钎料价格高，因此钎焊的成本较高。

钎焊适宜于小而薄，且精度要求高的零件，广泛应用于机械、仪表、电机、航空、航天等部门。

5.常用焊接方法的特点和应用对比

由于各种焊接方法均有其独特的技术特征及适应范围，正确选择焊接方法可以达到保证焊件品质，降低生产成本，提高经济效益的目的。

表10－7所示为常用焊接方法的特点和应用对比，可供选择焊接方法时参考。

表10－7　常用焊接方法的特点和应用对比

续表