焊接知识

焊接第一节概述焊接是现代化工业生产中广泛应用的一种金属连接方法。

它是通过加热或加压（或两者并用），并且用（或不用）填充材料，使焊件形成原子（分子）间结合的一种连接方法。

焊接实现的连接是不可拆卸的永久性连接，被连接的焊件材料可以是同种或异种金属，也可以是金属与非金属等。

在焊接方法广泛应用以前，连接金属主要靠铆接。

与铆接相比，焊接具有节省金属材料、连接质量优良、生产率高、劳动条件好等优点。

在机械制造工业中，广泛应用焊接技术制造各种金属结构件，如厂房屋架、桥梁、船体、机车车辆、汽车、飞机、火箭、锅炉、压力容器、管道、起重机等；焊接也常用于制造机器零件（或毛坯），如重型机械和冶金、锻压设备的机架、底座、箱体、轴、齿轮等，此外，焊接还常用于修补铸件，锻件缺陷和局部受损坏的零件，经济意义十分显著。

焊接方法的种类很多，按焊接过程的特点不同，可分为熔焊、压焊和钎焊三大类。

（1）熔焊熔焊方法的特点是将焊件连接处局部加热到溶化状态，然后冷却凝固成一体，不加压力完成焊接。

工业生产中常用的熔焊方法有焊条电弧焊、气焊、埋弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊等。

（2）压焊在焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）完成焊接的方法，如电阻焊等。

（3）钎焊采用低熔点的填充金属（称为钎料）熔化后，与固态焊件金属相互扩散形成原子间的结合而实现连接的方法。

用焊接方法连接的接头称为焊接接头，焊接的焊接接头如图1所示，它由焊缝和热影响区组成。

被连接的焊件材料称为母材金属（或称为基本金属）。

焊接过程中局部受热熔化的金属形成熔池，熔池金属冷却凝固形成焊缝。

焊缝两侧的母材受焊接加热的影响（但未熔化），引起金属内部组织和力学性能变化的区域，称为焊接热影响区（简称热影响区）。

焊缝和热影响区的分界线称为熔合线。

焊缝各部分的各名称如图2所示。

焊缝表面上的鱼鳞状波纹称为焊波。

焊缝表面与母材的交界处称为焊趾。

超出母材表面焊趾连线上面的那部分焊缝金属的高度，称为余高。

单道焊缝横截面中，两焊趾之间的距离，称为焊缝宽度，又称为熔宽。

在焊接接头横截面上，母材熔化的深度称为熔深。

图1 熔焊焊接接头图2 焊缝各部分的名称第二节焊条电弧焊利用电弧作为焊接热源的熔焊方法称为电弧焊，简称弧焊，用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法称为焊条电弧焊。

焊条电弧焊的焊接过程如图3所示。

焊接前，把焊钳和焊件分别接到弧焊机的两极，并用焊钳夹持焊条。

焊接时，首先在焊条和焊件之间引燃电弧，在电弧热的作用下，焊条端部和焊件局部同时熔化，形成金属熔池。

随着电弧沿焊接方向前移，熔池金属迅速冷却，凝固成焊缝。

焊条电弧焊所需的设备简单，操作方便、灵活，是工业生产中应用最广泛的一种焊接方法，适用于厚度2mm以上各种金属材料的焊接。

一、焊接电弧焊接电弧是由焊接电源供给的，具有一定的电压的两极间（或电极与焊件间）在气体介质中产生的强烈、持久的放电现象。

电弧稳定燃烧时，参与导电的带电粒子主要是电子和正离子。

电弧中的这些带电粒子主要是靠电弧中气体介质的电离和阴极的电子发射两个物理过程而产生的。

由于在每一瞬间电弧中的正、负电荷数是相等的，所以焊接电弧对外呈电中性。

焊接电弧的结构如图4所示。

它由阴极区、弧柱区和阳极区三部分组成。

阴极去和阳极区在电弧中的长度（即此二区的厚度）很小，分别约为10-4cm和10-6cm，因此可以认为两电极间的距离即弧柱区的长度，由于发射电子要消耗一部分能量，阴极区产生的热量比阳极区少，约占电弧总热量的36%，而阳极区产生的热量约占电弧总热量的43%。

图3 焊条电弧焊图4 焊接电弧结构示意图弧柱区的温度一般较高，在5000-50000K范围，因气体种类和电流大小而异，阴极区比阳极区的温度要低。

例如，用钢焊条焊接钢材时，阴极区的温度约为2400K，阳极区的温度约为2600K。

二、弧焊机1.弧焊机的种类电弧焊需要专业的焊接电源，称为电弧焊机。

焊条电弧焊的焊接电源称为手弧焊机，简称弧焊机。

弧焊机按其供给的焊接电流的性质可分为交流弧焊机和直流弧焊机两类。

（1）交流弧焊机交流弧焊机实际上是一种具有一定特性降压变压器，称为弧焊变压器。

它把网络电压（220v或380v）的交流电变成适合于电弧焊的低压交流电。

其结构简单、价格便宜、使用方便、维修容易、空载损耗小，但电弧稳定性较差。

如图5所示是一种目前较为常用的交流弧焊机的外形，其型号为BX1-250。

型号中“B”表示弧焊变压器，“X”表示下降外特性（电源输出端电压与输出电流的关系称为电源的外特性），“1”为系列品种序号，“250”表示弧焊机的额定焊接电流为0250A。

（2）直流弧焊机生产中常用的直流弧焊机有整流式直流弧焊机和逆变式直流弧焊机等。

如图5 交流弧焊机①整流式直流弧焊机（简称整流弧焊机）整流弧焊机是电弧焊专用的整流器，故又称为弧焊整流器。

它把网路交流电经降压和整流后变为直流电。

整流弧焊机弥补了交流弧焊机电弧稳定性较差的缺点，且焊机结构较简单、制造方便、空载损失小、噪音小，但价格比交流弧焊机高。

图7所示是一种常用的整流弧焊机的外形，期型号为ZXG-300。

型号中“Z”表示弧焊整流器，“X”表示下降外特性，“G”表示该整流弧焊机采用硅整流元件，“300”表示整流弧焊机的额定焊接电流为300A。

②逆变式直流弧焊机（简称逆变式弧焊机）。

逆变弧焊机又称为弧焊逆变器，是一种很有发展前景的新型弧焊电源。

它具有高效节能、重量轻、体积小、调节速度快和良好的弧焊工艺性能等优点，近年来发展迅速，预计在未来的弧焊电源中将占据主导地位。

图A所示是逆变式弧焊机的基本工作原理框图。

网路单相或三相50Hz工频交流电经输入整流器UZ1整流和输入滤波器LC1滤波成直流电，借助大功率电子开关器件VT（如晶闸管、场效应管等）的交替开关作用，将直流电变换成几千至几万赫兹的中频交流电，再经中频变压器降压和输出整流器UZ2整流，最后经电抗器LC滤波即可获得所需的焊接电压和电流。

输出电流可以是直流或交流，因而弧焊逆变器有两种逆变系统：工频交流—直流—中频交流，即AC-DC-AC系统；工频交流—直流—中频交流-直流，即AC-DC-AC-DC系统。

通常采用后一种系统较多。

逆变式弧焊机可以根据焊接工艺需要调节到所希望的外特性，因而能够取代传统的各种弧焊电源，目前尚在不断发展之中，其应用将越来越广。

直流弧焊机输出端有正极、负极之分，焊接时电弧两端极性不变。

因此，直流弧焊机输出端有两种不同的接线法：将焊件接到直流弧焊机的正极，焊条接负极，这种接法称为正接；反之，将焊件接到负极，焊条接正极，称为反接。

用直流弧焊机焊接厚板时，一般采用正接，以利用电弧正极的温度和热量比负极高的特点，获得较大的熔深；焊接薄板时，为了防止焊穿缺陷，常采用反接。

在使用碱性焊条时，均应采用直流反接，以保证电弧燃烧稳定。

2.弧焊机的主要技术参数弧焊机的主要技术参数标明在弧焊机的铭牌上，主要有初级电压、空载电压、工作电压、输入容量、电流调节范围和负载持续率等。

（1）初级电压指电焊机接入网路时所要求的外电源电压。

一般交流弧焊机的初级电压为单相380V，整流弧焊机的初级电压为三相380V。

（2）空载电压指弧焊机在没有负载时（即未焊接时）的输出端电压。

一般交流弧焊机的空载电压为60~80V，直流弧焊机的空载电压为50~90V。

（3）工作电压指弧焊机在焊接时的输出端电压，也可以看作为电弧两端的电压（称为电弧电压）。

一般弧焊机的工作电压为20~40V。

（4）输入容量指由网路输入到弧焊机的电流与电压的乘积，它表示弧焊变压器传递电功率的能力，其单位是kV A。

（5）电流调节范围指弧焊机在正常工作时可提供的焊接电流范围。

国家标准GB/T 8118-1995对弧焊机的电流调节范围作了明确的规定。

（6）负载持续率指规定工作周期内弧焊机有焊接电流的时间所占的平均百分率。

国家标准规定焊条电弧焊电源的工作周期为5min,额定的负载持续率一般为60%，轻型电源可取35%。

BX1-250型弧焊机的主要技术参数见表1表1 BX1-250型弧焊机的主要参数三、焊条焊条是焊条电弧焊时的焊接材料（焊接时所消耗的材料统称为焊接材料），由焊芯和药皮两部分组成，如图8所示焊芯是指焊条内金属丝，它具有一定的直径和长度。

焊芯的直径称为焊条直径，焊芯的长度即焊条长度。

常用焊条的直径和长度规格见表2。

表2 常用焊条的直径和长度规格 mm焊芯在焊接时的作用有两个：一是作为电极传导电流，产生电弧；二是熔化后作为填充金属，与熔化的母材一起组成焊缝金属。

按国家标准GB1495.7-1999和GB17854-1999规定，用于焊芯的专用钢丝（简称焊丝）分为碳素结构钢、低合金结构钢和不锈钢三类。

常用碳素结构钢焊丝牌号有H08、H08A 和H08E 等。

牌号中“H ”表示焊条用钢，“A ”表示高级优质，“E ”表示特级优质。

药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，它由矿石粉、铁合金粉和粘结剂等原料按一定比例配置而成。

其主要作用是：（1）改善焊条工艺性如使用电弧易于引燃，保持电弧稳定燃烧，有利焊缝成形，减少飞溅等。

（2）机械保护作用在电弧热量作用下，药皮分解产生大量气体并形成熔渣，对熔化金属起保护作用。

（3）冶金处理作用去除有害杂质，添加有益的合金元素，改善焊缝质量。

焊条按熔渣化学性质不同可分为两大类：药皮熔化后形成的熔渣以酸性氧化物为主的焊条称为酸性焊条，如E4303、E5003等；熔渣以碱性氧化物和氟化钙为主的焊条称为碱性焊条，如E4315、E5015等。

焊条按用途分为十大类：结构钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍和镍合金焊条、铜和铜合金焊条、铝和铝合金焊条、特殊用途焊条。

焊接结构生产中应用最广的是结构钢焊条（包括碳钢和低合金钢焊条）。

焊接不同钢材时应选用不同型号的焊条，如焊接Q235钢和20钢时选用E4303或E4315焊条；焊接16Mn钢时选用E5003或E5015焊条。

焊条型号中“E”表示焊条；“43”和”50”分别表示熔敷金属抗拉强度最小值分别为420Mpa（43kg/mm2）和490Mpa（50kg/mm2）。

焊条型号中第三数字表示适用的焊接位置“0”和“1”表示适用于全位置焊接；第三位和第四位数字组合时表示药皮类型和焊接电源种类，“03”表示钛钙型药皮，用交流或直流正、反接焊接电源均可；“15“表示低氢钠型药皮，直流反接焊接电源。

四、焊接接头形式和坡口形式1.焊接接头形式常用的焊接接头形式有对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头等，如图9所示。

其中对接接头是指两焊件表面构成大于135度、小于180度夹角的接头；搭接接头是指两焊件部分重叠构成的接头；角接接头是指两焊件端部构成大于30度、小于135度夹角的接头、T形是指一焊件之端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。