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1、第二部分：焊接方法,焊接概论,电弧焊（Arc Welding）是利用电弧作为热源的熔焊方法，简称弧焊。焊接电弧是一种气体放电现象，也就是在弧焊电源提供的电压下，使得电极与电极或电极与工件之间的空气发生电离、阴极发射电子，从而使电极间的气体导电的现象。通过这种气体放电，可有效地把电能转换成焊接过程所需要的热能、机械能和光能，加热熔化工件进行焊接。该方法是目前应用最广泛的焊接方法。电弧焊方法有很多，主要有焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气体保护焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊等。,2.1 焊条电弧焊,焊条电弧焊(SMAW，shielded metal arc welding)是用手工操纵焊条进行焊接的
2、电弧焊方法，是金属结构生产中应用最广泛的焊接方法之一。,焊条电弧焊示意图 1-焊芯 2-药皮 3-保护气体 4-熔滴 5-焊件 6-熔池 7-焊缝 8-熔渣,焊条（也称电极）和焊件分别接至焊接电源的两个输出端。焊条与焊件接触以接触引弧方式引燃电弧，在电弧高温及较大的电弧吹力作用下，熔化的焊芯端部迅速形成细小的金属熔滴，过渡到局部熔化的工件表面，融合在一起形成熔池。焊条熔化后分成两部分：金属焊芯以熔滴形式向熔池过渡；焊条药皮在熔化过程中产生一定量的气体和液态熔渣，不仅使熔池和电弧周围的空气隔绝，而且和熔化了的焊芯、母材发生一系列冶金反应，保证所形成焊缝的性能。随着电弧以适当的弧长和速度在工件上不
3、断地前移，熔池液态金属逐步冷却结晶，形成焊缝。液态熔渣凝固形成渣壳，覆盖在焊缝表面上仍起保护作用。,焊条电弧焊的应用,焊条电弧焊广泛应用于船舶、车辆、桥梁、建筑、压力容器、石油化工、机械制造等部门的结构工程和产品制造中。为了提高焊条电弧焊的生产率，还可采用高效率铁粉焊条和立向下专用焊条；也可采用特殊的焊接工艺，如单面焊双面成形焊接法。,2.2 埋弧焊方法,埋弧焊（Submerged Arc Welding，SAW）是以金属焊丝与焊件(母材)间所形成的电弧为热源，并以覆盖在电弧周围的颗粒状焊剂及其熔渣作为保护的一种电弧焊方法。,埋弧焊是机械化焊接方法。它由4个部分组成：焊接电源接在导电嘴和工件之
4、间用来产生电弧；焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区；颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊缝接口区；焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等通常装在一台小车上，以实现焊接电弧的移动。,埋弧焊焊接过程 1-焊剂 2-焊丝 3-电弧 4-熔池金属 5-熔渣 6-焊缝 7-母材 8-渣壳,埋弧自动焊的焊接过程见下图。颗粒状焊剂从焊剂漏斗经软管流出后，均匀地堆敷在装配好的工件7上，送丝机构驱动焊丝2连续送进，使焊丝端部插入覆盖在焊接区的焊剂1中，在焊丝与焊件之间引燃电弧3。电弧热使焊件、焊丝和焊剂熔化以致部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形成了一个气泡，电弧就在这个气泡内燃烧。气泡底部是熔化的焊丝和
5、母材形成的金属熔池4，顶部则是熔融焊剂形成的液态熔渣5。熔池金属受熔渣和焊剂蒸气的保护不与空气接触。熔渣层不仅能很好将空气与电弧和熔池隔离，还能屏蔽有害的弧光辐射。随着电弧向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝6，熔渣则凝固成渣壳8，覆盖在焊缝表面。焊接时焊丝连续不断地送进，其端部在电弧热作用下不断的熔化，焊丝送进速度和熔化速度相互平衡，以保持焊接过程的稳定进行。,埋弧焊要求控制焊件的位置，使熔化的焊剂和焊接熔池在凝固前有合适的位置。平焊位置或角焊缝的船形焊、斜角焊都可利用埋弧自动焊进行焊接。焊件位置的调整可通过各种形式的夹具，如焊接滚轮架、变位机和翻转机等来完成。,埋弧焊的优
6、点,焊缝质量好。埋弧焊的电弧被掩埋在颗粒状焊剂及其熔渣之下，电弧及熔池均处在熔渣保护之中，保护效果比气渣联合保护的焊条电弧焊好；熔池金属凝固较慢，液体金属和熔化焊剂间的冶金反应充分，减少了焊缝中产生气孔、裂纹的可能性；电弧区主要成分是CO，焊缝金属中含氮量和含氧量低；埋弧自动焊大大降低了焊接过程对焊工操作技能的依赖程度，焊缝化学成分和力学性能的稳定性较好。 生产率高。与焊条电弧焊相比，一方面埋弧焊导电的焊丝长度短而稳定，不存在焊条药皮受热分解的问题，因此埋弧焊时焊接电流和电流密度均较焊条电弧焊明显提高；另一方面，焊剂和熔渣的隔热保护作用使电弧热辐射损失较少，金属飞溅损失也受到有效控制，电弧热效
7、率大大提高。因此，埋弧焊电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速度都大大提高。 节省焊接材料。埋弧自动焊使用的焊接电流较大，可使焊件获得较大的熔深，故埋弧焊的工件可不开或开小坡口，因而减少了焊缝中焊丝的填充量，也节省了因加工坡口而消耗掉的焊件金属。另外，由于焊接时金属飞溅极少，又没有焊条头的损失，所以节约了焊接材料。 劳动条件好。埋弧自动焊实现了焊接过程自动化，操作较简便，从而减轻了焊工的劳动强度。而且电弧是在焊剂层下燃烧，没有弧光辐射，放出的烟尘也较少，改善了劳动条件，所以埋弧自动焊成为在电弧焊方法中操作条件较好的一种方法。,埋弧焊的缺点,施焊受到限制。埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件的，而且熔池
8、体积大，液态金属和熔渣的量多，因此，主要适于水平或倾斜度不大的位置焊接。其它位置的焊接要采用特殊装置，保证焊剂堆敷在焊接区面不落下来并防止熔融金属的漏淌，实现埋弧横焊、立焊和仰焊。也有研究使用磁性焊剂的埋弧横焊与仰焊，但应用均不普遍。 难以焊接易氧化的金属材料。由于埋弧焊使用的焊剂主要成分为MnO、SiO2等金属及非金属氧化物，具有一定氧化性，故难以焊接铝、镁等氧化敏感性强的金属及其合金。 不适于焊接薄板和短焊缝。电弧弧柱的电位梯度较大，电流小于100A时，电弧稳定性较差，故不适宜焊接厚度在1mm以下的薄板。由于埋弧自动焊机比较复杂，灵活性差，埋弧自动焊适于长焊缝的焊接，焊接短焊缝的生产率还不
9、及焊条电弧焊。 焊接过程中焊缝不可直接观察。焊接时不能直接观察电弧与坡口的相对位置，需要采用焊缝自动跟踪装置来保证焊炬对准焊缝不焊偏。,埋弧自动焊的分类及应用范围,埋弧自动焊的应用,埋弧焊方法特别适于焊接中厚板、长直焊缝等大型工件，因此被广泛用于船舶、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械及冶金机械制造业等。埋弧自动焊可焊接的钢种有碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢以及复合钢材等。对于高强度结构钢、高碳钢、马氏体时效钢和铜合金也可用埋弧自动焊进行焊接，但是，从接头性能来看，就不及使用热输入量较小的焊接方法，如熔化极气体保护电弧焊等。,埋弧焊在汽车中的应用,2.3 钨极氩弧焊,钨极氩弧焊（GTAW
10、，Gas Tungsten Arc Welding）是以钨或钨合金（钍钨、铈钨等）为电极，用氩气作为保护气体的电弧焊方法，也称钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas Arc Welding）。其焊接系统构成如下图所示。焊接时，根据需要可以添加或者不添加填充金属。填充金属通常从电弧的前方加入，但也可以预置在接头的坡口或间隙之中。焊接过程可以用手工操作，也可以自动化运行。,钨极氩弧焊示意图 1-工件 2-填充金属 3-钨极 4-焊枪 5-焊接电源 6-控制箱 7-电磁气 8-流量计 9-减压器 10-氩气瓶,钨极氩弧焊的优点,保护作用好，焊缝金属纯净。焊接时整个焊接区包括钨极、电弧、熔池
11、、填充金属丝端部及熔池附近的工件表面均受到氩气的保护，隔离了周围空气对它们的侵害，避免了焊缝金属的氧化和氮化，同时也杜绝了氢的来源，因此焊缝金属纯净，含氢量小。 焊接过程稳定。在氩气中，电弧一旦引燃，电弧燃烧非常稳定，即使在较低的电弧电压下，氩弧也能稳定燃烧。这是因为氩气的热导率很小，而且氩是单原子气体，高温时不分解、不吸热，所以在氩气中燃烧的电弧，热量损失少，电弧作用在电极及熔池上的热和力基本上是常量；此外，电弧中没有熔滴过渡现象，因而焊接过程十分稳定。 焊缝成形好。由于焊接过程没有氧的侵入，在液体金属表面上不发生化学活性反应，因此表面张力较大，熔池金属不易下淌和流失。在焊接过程中热输入容易
12、调整，特别适宜于薄板的焊接以及全位置焊接，它也是实现单面焊双面成形的理想方法。焊接时不产生飞溅，焊缝成形美观。 具有清除氧化膜的能力。交流钨极氩弧焊在负极性半周时，具有强烈的清除氧化膜的作用，为铝、镁及其合金的焊接提供了非常有利的条件。 焊接过程便于自动化。由于钨极氩弧焊是明弧焊，无熔滴过渡，很容易实现机械化和自动化。,钨极氩弧焊的缺点,需要高压引弧措施。由于氩气的电离电压较高，所以钨极氩弧焊的引弧较困难。又不允许钨极与工件接触，以免污染钨极与工件，因此须采取非接触式的高压引弧措施，需要专用的非接触式高压引弧装置。 对工件清理要求严格。钨极氩弧焊无冶金的脱氧或去氢措施，因此焊前对工件的除油、去
13、锈及清除尘垢等准备工作要求严格，否则就会影响焊接质量。 生产效率较低。由于钨极载流能力较低，钨极氩弧焊熔深浅，熔敷速度小。与熔化极的各种电弧焊方法相比，钨极氩弧焊的焊接生产率较低。,钨极氩弧焊的应用,钨极氩弧焊可用于几乎所有金属和合金的焊接，但由于其成本较高，主要用于不锈钢、高合金钢、高强钢以及铝、镁、铜、钛等有色金属及其合金的焊接。钨极氩弧焊生产率虽然不如其它的电弧焊高，但是容易得到高质量的焊缝，它特别适宜于薄件、精密零件的焊接。通常采用I形坡口，可不添加填充金属，在焊接较厚的工件时，开Y形坡口或双Y形坡口并添加填充金属。钨极氩弧焊已广泛应用于航空航天、原子能、化工、纺织、锅炉、压力容器、医
14、疗器械及炊具等工业部门。,钨极氩弧焊的分类,钨极氩弧焊可以根据它的工艺特点，进行不同方式的分类。但是最通常的分类方式是根据使用的焊接电流种类和极性进行分类。分为直流钨极氩弧焊、交流钨极氩弧焊及脉冲钨极氩弧焊等。,1、直流钨极氩孤焊,直流钨极氩弧焊时焊接电流为直流，没有极性变化，电弧燃烧非常稳定，然而它有正、负极性之分。工件接电源正极，钨极接电源负极称为直流正极性，反之，称为直流负极性。 直流钨极氩弧焊多采用直流正极性的施焊方式，此时钨极为阴极，阴极电子热发射能力强，一旦引燃电弧，就能稳定地进行焊接。由于电弧十分稳定，所以设备和工艺简单。直流正极性钨极氩弧焊具有焊缝成形好、钨极寿命长、电弧稳定等
15、优点。在直流正极性焊接时，工件受到质量很小的电子流撞击，故不能清除除工件表面的氧化物，因此除铝、镁及其合金外，焊接其它金属及合金一般均采用直流正极性。 直流负极性钨极氩弧焊时钨极受到电子的轰击放出大量热量，使得阳极产热多于阴极，很容易使钨极过热熔化烧损，而工件却得不到很多的热量，焊缝熔深浅而宽，生产率低且电弧不够稳定，因此在实际生产中很少使用。但是，氩弧焊负极性时对工件表面的阴极清理作用，是成功焊接铝、镁及其合金的重要因素。,2、交流钨极氩弧焊,在生产实践中，焊接铝、镁及其合金时一般都采用交流钨极氩弧焊。交流钨极氩弧焊时焊接电流的极性发生周期性的交替变化，因此兼有上述正极性钨极氩弧焊及负极性钨
16、极氩弧焊两方面的特点。此时，在交流的负极性半周里，利用了氩弧所具有阴极清理作用，能够有效地把熔池及附近工件表面上的氧化膜清理干净。在交流的正极性半周，氩弧对工件进行集中加热，使焊缝达到足够的熔深。同时钨极可以得到相对冷却；并且在正极性半周钨极还能发射足够数量的电子，有利于电弧的稳定。因此，成为进行铝、镁及其合金钨极氩弧焊的最佳选择。 但是交流钨极氩弧焊是由于其极性交变的特点，也出现了新的问题。尤其是直流分量问题及引弧和维弧的问题，必须妥善加以解决才能保障焊接过程的顺利进行。,3、脉冲钨极氩弧焊,是指由脉冲电源供电产生脉冲电弧的钨极氩弧焊。有直流脉冲钨极氩弧焊和交流脉冲钨极氩弧焊两种方式。脉冲钨极氩弧焊过程具有电弧挺度好、热输入小、电弧加热集中、焊缝容易成形、焊缝金属性能好以及提高交流钨极氩弧焊的稳定性的特点，特别适合焊接薄件、热敏感性强的金属以及全位置施焊。,4、钨极氩弧焊其它方法,A.高频脉冲钨氩弧弧焊。电流脉冲频率高于10kHz的钨极氩弧焊称为高频脉冲钨极氩弧焊。因其电弧受到高频磁场的压缩，具有电弧稳定、热量集中、临界电流小等特点。所焊的焊缝熔深大、宽度窄、质量好，特别对于精密薄
