第1章 焊接基础知识

焊接技术与设备

西安交通大学出版社

焊接在现代工业中的地位

在现代工业生产中，金属是不可缺少的重要材料。高速行驶的汽车、火车、载重万吨至几十万吨的轮船、耐腐耐压的化工设备以至宇宙飞行器等都离不开金属材料。在这些工业产品的制造过程中，需要把各种各样的加工好的零件按设计要求连接起来制成产品，焊接就是将这些零件连接起来的一种高效的加工方法。汽车制造动车组制造现场课程任务通过本课程的学习，要求学生掌握焊接过程的物理本质、熔滴过渡现象和焊缝成形规律；熟悉各种焊接方法的特点、工作原理及所用工艺设备；掌握各种焊接方法的焊接工艺参数选择以及基本操作技术。对焊接过程质量控制及焊接技术的最新进展有一定的了解。《焊接技术与设备》是机械各专业的主要专业技术基础课，也是一门实践性很强的课程。学习本教材时应与其它课程和其它教学环节(如实习、课程设计等)配合，特别注意理论联系生产实际，注意培养自己分析问题和解决实际问题的能力。即不但应该注意学好教材本身所介绍的内容，还要注意掌握分析各种焊接方法的思路，学会分析工艺现象、研究工艺问题、掌握设备的使用维护知识，并且特别重视实验和操作环节，才会有更好的学习效果。对学习方法的建议课程成绩由课堂考勤、平时作业成绩、中期考试和期末卷面成绩来综合评定，其中考勤、作业成绩、中期考试各占成绩的20％，期末卷面考试成绩占40％。成绩考核方法第1章

焊接基础知识

1.1焊接方法及其发展概述1.2焊接方法的热源1.3电弧焊的熔滴过渡1.4母材熔化与焊缝成形1.5焊接方法的安全技术一、焊接的定义及分类连接方式暂时性连接（可拆卸）永久性连接（不可拆卸）1.1焊接方法及其发展概述1.1.1焊接及其实质一、焊接的定义及分类焊接的定义焊接就是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，将分离的金属材料永久性连接成为一个整体的的工艺过程。

焊接过程的物理本质从理论上讲，两分离的材料表面之间的距离能够接近到一个原子的距离，亦即0.4～0.5个nm时，两块材料就能连接在一起。实际上，在常温下这种情况一般不会发生，因为即使这两个要结合的表面经过精密加工，从微观上来看，这个表面依然是凹凸不平的，而且由于材料表面存在氧化膜及水分、油等吸附层杂质，这种氧化膜和杂质极大地阻碍材料的连接。

因此，焊接过程的物理本质就是采用施加外部能量的办法，去除阻碍原子键结合的一切表面氧化膜和吸附层杂质，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合，得到一个优质的焊接接头。常用的施加外部能量的方法主要有加热和加压两种。加热是把材料加热到熔化状态，或者把材料加热到塑性状态；加压使材料产生塑性流动。焊接是目前应用极为广泛的一种永久性连接方式，广泛应用于航空、航天、石油化工、交通运输、造船、建筑、压力容器、电子电力、机械制造等各行各业。据统计，现在世界上每年钢材消耗量的50%都是由焊接工艺实现的，焊接与铸造、锻压、铆接等方法相比，具有以下优点：1.1.2焊接方法的特点1.焊接的优点：（1）节省材料，减轻质量，生产成本低；（2）简化复杂零件和大型零件的加工工艺，缩短加工周期；（3）适应性好；可实现特殊结构的生产及不同材料间的连接成型；（4）整体性好，具有良好的气密性、水密性；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接特点2.焊接的不足之处：①结构无可拆性。②焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比发生变化，产生焊接残余应力和焊接变形。③焊接缺陷的隐蔽性，易导致焊接结构的意外破坏。焊接特点（1）熔化焊将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。目前熔化焊应用最广，常见的气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护电弧焊等属于熔化焊。1.焊接分类1.1.3焊接方法的分类焊接方法根据其实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。（2）压力焊1.焊接分类焊接过程中，必须对焊件施加压力，(加热或不加热)的焊接方法，称为压力焊。压焊有两种形式：①被焊金属的接触部位加热至塑性状态，或局部熔化状态，然后加一定的压力，使金属原子间相互结合形成焊接接头，如电阻焊、摩擦焊等。②不加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力引起的塑性变形，原子相互接近，从而获得牢固的压挤接头，如冷压焊、爆炸焊等。（3）钎焊钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比母材金属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、低于母材溶化温度，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焊件的方法。常见的钎焊方法有烙铁钎焊、火焰钎焊等。1.焊接分类熔化焊电弧焊熔化极手工电弧焊气焊埋弧焊铝热焊熔化极氩弧焊电渣焊CO2气体保护焊电子束焊螺柱焊激光焊非熔化极钨极氩弧焊压力焊电阻焊点焊等离子弧焊冷压焊缝焊原子氢焊扩散焊对焊爆炸焊凸焊超声波焊钎焊软钎焊锡焊硬钎焊铜焊银焊

焊接方法焊接是一种古老而又年轻的工艺技术，其历史可追溯到几千年前的青铜器时代。中国商朝（公元前1600年—公元前1046年）制造的铁刃铜钺就是铁和铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折，接合良好。春秋战国时期（公元前770年—公元前221年）曾侯乙墓中的建鼓铜座上的盘龙是分段钎焊连接而成的，经分析，与现代软钎料成分相近。战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段锻焊大型船锚。在古埃及和地中海地区，公元前1000年人们就已经能够通过搭接的方法制造金盒及铁质工具。但古代焊接技术长期停留在较原始的水平，使用的热源都是炉火，温度低、能源不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊件，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。近代真正意义上的焊接技术起源于1880年左右电弧焊方法的问世。1.1.4焊接方法发展概况

●

1801年，英国的戴维斯发现两碳极间产生电弧。

●

1836年，大卫发现乙炔气。这两项发明被誉为现代焊接技术的基础。

●1885年，俄国的贝纳多斯发明碳极电弧焊钳(见图)。这一发明是弧焊至少是碳弧焊的实际的开始。焊接方法发展史

机械制造工业是国民经济的基础产业，是国家经济实力和技术水平的综合体现，而焊接技术则是机械制造工业中的关键技术之一。在当今工业社会，没有哪一种连接技术象焊接那样被如此广泛、如此普遍地应用在各个领域。在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工、管道、冶金、矿山、铁路、汽车、造船、港口设施、航空航天、建筑、工程机械、机器制造、医疗器械和电子等行业中，都无法离开焊接技术的使用。作为一种通用的共性技术，焊接直接决定着产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度，因此，焊接已成为现代工业不可分离的重要组成部分。1.1.5焊接在制造业中的战略地位及其新发展2002年,三峡水轮机的焊接完成，这是目前已建造的世界上最大的水轮机转轮。水轮机蜗壳其次，焊接技术显现了极高的技术含量和附加值，当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术，诸如：计算机、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等，已经被广泛地应用于焊接领域，这使得焊接的技术含量得到了空前的提高，并在制造过程中创造了极高的附加值。随着工业和科学技术的发展，焊接已从单一的加工工艺发展成为现代科技多学科互相交融的新学科，成为一种综合的工程技术，焊接技术的新发展体现在以下几个方面：1.提高焊接生产率，进行高效焊接采用新型焊接材料、焊接工艺方法；如焊条电弧焊中的铁粉焊条、重力焊条和躺焊条工艺；埋弧焊中的多丝焊、热丝焊、窄间隙焊接；气体保护电弧焊中的气电立焊、热丝MAG焊、TIME焊等……，是常用的高效化焊接方法。2.提高焊接过程机械化、自动化、智能化水平焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，是提高焊接过程自动化水平的有效途径，应用焊接专家系统、神经网络系统等能提高焊接过程智能化水平。

3.热源的应用和开发焊接工艺几乎运用了世界上一切可以利用的热源，如火焰、电弧、电阻、激光、电子束等。但新的更好更有效的焊接热源研发一直在进行中，例如采用两种热源的叠加，以获得更强的能量密度，如等离子束加激光、电弧中加激光等。。4.复杂焊接产品质量的可靠检测与寿命评估发展无损探伤技术，研究焊接结构可靠性及寿命的评估理论和方法。发展计算机模拟技术，使焊接技术得到进一步提高和完善。

要进行金属的焊接就必须由外界提供相应的能量，即:有能源的存在是实现焊接的基本条件；对于熔焊，主要是提供热源，常见的焊接热源从基本性质可分为电能，机械能、光辐射能和化学能等。1.2焊接方法的热源利用气体介质在两电极之间强烈而持续放电过程产生的热能为焊接热源。电弧热是目前应用最广泛的焊接热源，如手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2气保焊。

⑴电弧热

⑵化学热

气焊时，乙炔C2H2在纯氧O2中部分燃烧，在环绕焰心的还原区形成一氧化碳CO和氢H2，然后在外焰区与空中的氧作用，完全燃烧形成二氧化碳CO2和水H2O蒸气，焰流以高速冲击焊接区表面，通过对流和辐射加热工件。CarborizingNeutralOxidizing气焊：利用助燃（氧气）和可燃气体（乙炔）或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为焊接热源。⑶电阻热

利用电流通过导体及其界面时时产生的电阻热作为热源。

⑷摩擦热

摩擦焊时，相对旋转的表面被摩擦加热，达到热塑性状态，在轴向压力作用下完成焊接的一种压焊方法。

搅拌摩擦焊：是利用摩擦热和变形热来提高工件的温度和塑性变形能力，并在压力下形成接头。

⑸电子束

利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源。热能高度集中，焊缝深宽比可达40以上，热影响区（HAZ）很窄。

HAZ：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。⑹激光束Laser：利用聚焦产生的能量高度集中的激光束作为焊接热源各种焊接热源的主要特性热源最小加热面积（cm2）最大功率密度（W/cm2）正常焊接规范下的温度（K）乙炔火焰金属极电弧钨极电弧(TIG)埋弧自动焊电渣焊10-210-310-310-310-32×1031041.5×1042×1041043400~35006000800064002300熔化极氩弧焊CO2气体保护焊10-4104~105等离子弧电子束激光10-510-710-81.5×105107~109

107~10918000~24000——电弧是电弧焊接的热源，电弧焊就是利用电弧的热能来熔化焊条和母材的，焊接电弧的稳定性及热特性对焊接过程和焊接质量有直接的影响。1.2.1焊接电弧及其形成1.焊接电弧的概念：由焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。图1-4电弧示意图电弧U2.焊接电弧的产生：在正常状态下，中性气体是不导电的，为了在气体中产生电弧而通过电流，就必须使气体分子(或原子)电离成为正离子和电子。而且，为了使电弧维持燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子。气体电离和阴极电子发射是电弧中最基本的物理现象。因此，焊接电弧的产生需要两个条件：一是气体电离；二是阴极电子发射。

⑴

气体的电离在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程称为气体电离。其本质是中性气体粒子吸收足够的能量，使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。

使气体电离所需的能量称为电离能（或电离功）。不同的气体或元素，由于原子构造不同，其电离能也不同，电离能越大，气体就越难电离。元素电离能（eV）元素电离能（eV）元素电离能（eV）H13.59Ar15.7H215.4He24.59K4.34C212Li5.4Ca6.1N215.5C11.3Ni7.6O212.2N14.5Cr7.7Cl213O13.62Mo7.4CO14.1F17.48Cs3.9NO9.5Na5.11Fe7.83OH13.8Cl13W8.0H2O12.6CO213.7Al5.96Ti6.8NO211Mg7.61Cu7.7表1-4常见元素的电离能①热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。其本质为粒子热运动激烈，相互碰撞产生的电离。②场致电离带电粒子在电场中获得能量并高速运动，和其中的中性粒子发生非弹性碰撞而产生的电离。③光电离中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。在焊接电弧中，使气体介质电离的形式主要有热电离、场致电离、光电离三种。

⑵

阴极电子发射阴极金属表面的自由电子受到外加能量时从阴极表面逸出的过程称为电子发射。其发射能力的大小用逸出功Aw表示。一般情况下，电子是不能自由离开金属表面向外发射的，要使电子逸出电极金属表面而产生电子发射，就必须加给电子一定的能量，使它克服电极金属内部正电荷对它的静电引力。电子从阴极金属表面逸出所需要的能量称为逸出功，电子逸出功的大小与阴极的成分有关。逸出功越小，阴极发射电子就越容易。不同元素的电子逸出功大小递增次序为：

K、Na、Ca、Mg、Ti、Mn、Fe、Al、C表1-5几种金属及其氧化物的逸出功金属种类WFeAlCuKCaMg逸出功（eV）纯金属4.544.484.254.362.262.123.74金属氧化物3.923.93.850.461.83.31

由表可见，金属氧化物的逸出功比较低，所以电子容易从氧化膜处逸出，形成阴极斑点。

焊接时，根据所吸收的能量的不同，阴极电子发射主要有热发射，电场发射，粒子撞击发射等。阴极发射电子后，又从焊接电源获得新的电子。①热发射焊接时，阴极表面温度很高，当部分电子的动能达到或超过电子从阴极金属表面逸出所需的能量时产生的电子发射。温度越高，则热发射作用越强烈。②电场发射在强电场的作用下，阴极表面电子在电场静电库仑力的作用下，电子可以获得足够的动能，从阴极表面发射出来。当两电极的电压越高，金属的逸出功小，则电场发射作用越大。③粒子撞击发射当运动速度较高，能量较大的正离子撞击阴极表面时，将能量传递给阴极而产生电子发射现象，叫做撞击发射。电场强度越大，在电场的作用下正离子的运动速度也越快，则产生的撞击发射作用也越强烈。⑶带电粒子的消失动态平衡：电弧稳定燃烧时，带电粒子的产生与消失处于动态平衡。主要形式：扩散、复合及负离子形成①复合电弧空间的正负带电粒子在一定条件下相遇而结合成为中性粒子的过程。位置：在电弧的周边（速度慢）影响：以辐射和热能的形式释放出部分能量，电弧复燃困难。②扩散（浓度梯度）电弧空间中如果带电粒子的分布不均匀，则带电粒子将从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，而使浓度趋于均匀，这种现象称为带电粒子的扩散。结果：电弧中带电粒子减少并带走部分热量③负离子中性粒子吸附电子形成负离子；其内能减少，以热和辐射光的形式释放能量。该能量称为中性粒子的亲和能。放热过程，在高温下不易稳定存在；位置：电弧周边影响：电子数量减少，导电困难，电弧稳定性降低负离子运动速度慢，不能很好的导电。1.2.2焊接电弧的构造及其导电特性焊接电弧按其构造可分为阴极区、阳极区和弧柱三部分。焊接电弧两端（两电极）的电压称为电弧电压。图1-5焊接电弧的构造焊接电弧的导电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程，在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区其相应的导电特性也是不同。

1.弧柱区的导电特性弧柱区是电弧阴极区与阳极区之间的区域，弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子等聚合在一起的气体状态，这种对外呈电中性的状态称为电弧等离子体。弧柱的长度基本上等于电弧长度。焊条电弧焊时，弧柱中心温度可达5370～7730℃，占放出的热量的21%左右。

弧柱电流由电子流和正离子流组成；以热电离为主弧柱中,电子流和离子流所占的比例是不同的,电子流大约占99.9%,而正离子流仅占0.1%左右。最小电压原理：弧柱在稳定燃烧的时候，有一种使自身能量消耗最小的特性，即当电流和电弧周围条件一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面，使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小，因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。阴极区是电弧紧靠负电极的区域。其任务是:向弧柱区提供电弧导电所需的电子流,接受由弧柱来的正离子流。阴极区很窄，约为10-5

～10-6cm，阴极区的阴极斑点是阴极表面上电子发射（电流密度集中）的地方。焊条电弧焊时，阴极区的温度一般达到2130～3230℃，放出的热量占36%左右。

2.阴极区的导电特性阴极区的导电机制分为：热发射型（热阴极、大电流）电场发射型（冷阴极或者热阴极小电流）阳极区是电弧紧靠正电极的区域。其任务是:接受弧柱流过来的电子流.向弧柱区提供电弧导电所需的的正离子流。阳极区较阴极区宽，约为10-3

～10-4cm，阳极区的阳极斑点是正电极表面上集中接收电子的区域。阳极不发射电子，消耗能量少，阳极与阴极材料相同时，阳极区的温度要高于阴极区。焊条电弧焊直流电弧时，阳极区的温度一般达2330～3930℃，放出热量占43%左右。

3.阳极区的导电特性阳极区的导电机制包括：热电离场致电离

1.电弧的热能特性

由于电弧三个区域的导电特性不同，其相应的产热特性也不同。1.2.3焊接电弧的工艺特性焊接电弧与热能及机械能有关的工艺特性，主要包括电弧的热能特性、电弧的力学特性和电弧的稳定性等。图电弧温度、电流密度、能量密度的轴向分布示意图

图

不同电流时电弧径向温度分布a)w-cu电极间电弧等温线,电流200A，电压14.2vb)200A碳弧等温线各个区域的产热机制？

⑴

弧柱的产热带电粒子（电子）在电场的作用下，将电能转化成为热能。能量转换主要由电子碰撞实现，弧柱区温度高，热能损失严重。一般电弧焊，弧柱损失的热量中，对流损失占80%以上，传导与辐射损失占10%，仅有很少的一部分能量通过辐射传递给焊件和焊丝。

⑵

阴极区的产热阴极区靠近电极或者工件，其产热直接影响焊接过程中电极或者工件所受到的热的作用。阴极区有两种粒子：电子和正离子。由于电子流占整个电流的99%以上，所以电子流对于阴极产热影响很大。分析作为阴极产热的主导的电子流的能量转化过程，即可以分析阴极产热。阴极区产热功率PK:阴极压降为Uk电子电流约为I电子逸出功IUw进入弧柱的的电子本身具有一定的能量，IUT获得的总能量为IUk特点：电流密度大，温度低，能量主要用来对阴极加热和阴极区的散热损失，还可用来加热填充材料或焊件。

式中：

⑶

阳极区的产热阳极区的产热特性电流密度大，温度低，能量主要用于对阳极的加热和热散失，也可用来加热填充材料或焊件。Ua：阳极压降1-1，1-4

课后作业2.电弧的力学特性电弧的机械能以电弧力的形式表现出来，电弧力影响到焊件的熔深及熔滴过渡，熔池的搅拌、焊缝成形以及金属飞溅，因此电弧力直接影响着焊缝质量。

⑴

电弧力及其作用①电磁收缩力产生原因：电弧电流线之间产生的相互吸引力。图

导体的电磁力电流流过导体时可以看作很多距离很近的平行同向电流线。这些电流线将相互吸引。

图1-6两根平行导线之间的电磁力示意图a)电流方向相同产生吸引力b)电流方向相反产生排斥力图液态导体电磁力的收缩效应电磁收缩效应：如果为可变形导体，电磁力将使导体产生收缩。产生电磁收缩效应的力称为电磁收缩力。由于电极两端的直径不同，因此电弧呈倒锥形状。电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，沿轴向则焊丝处大，靠近工件处小，形成沿轴线的推力；在焊件上此力表现为对熔池形成的压力，称为电磁静压力。作用效果：使熔池下凹；对熔池产生搅拌作用，细化晶粒；促进排除杂质气体及夹渣；促进熔滴过渡；约束电弧的扩展，使电弧挺直，能量集中。图1-7圆锥状电弧及其电磁力示意图图1-8焊缝形状示意图a)主要由电弧静压力决定的碗状熔深b)主要由电弧动压力决定的指状熔深②等离子流力电磁轴向静压力推动电极附近的高温气流（等离子流）持续冲向焊件，对熔池形成附加的压力，这个压力就称为等离子流力（电磁动压力）。作用效果：等离子流力可增大电弧的挺直性；促进熔滴过渡；增大熔深并对熔池形成搅拌作用。

图

电弧等离子气流的产生③斑点力电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力，称为斑点压力或斑点力。斑点力的方向总是和熔滴过渡方向相反，因此总是阻碍熔滴过渡，产生飞溅。一般来说，阴极斑点力比阳极斑点力大。图

斑点的电磁收缩力

⑵

电弧力的主要影响因素①焊接电流和电弧电压当增大焊接电流时,电弧力显著增加，

图MIG电弧的电弧力与电流的关系图

电弧力与弧长的关系电弧电压升高时,意味着电弧长度增加,使电弧力降低。

②

焊丝直径当焊接电流相同时,焊丝直径越小,电流密度越大,因此电弧电磁力越大。同时,造成电弧锥形越明显,等离子流力越大,使总的电弧力增大,如右图所示。图

电弧力F与焊丝直径的关系

③

电极的极性不同焊接方法对电弧力的影响不同。熔化极气体保护焊,当采用直流正接时,电弧力较小焊丝接负,电弧中正离子对熔滴的冲击比较大,有较大的斑点压力作用在熔滴上,不利于熔滴过渡,且熔滴容易长大,但不能形成很强的电磁力和等离子流力,因此电弧力较小。图MIG焊电弧力与焊丝极性的关系对于钨极氩弧焊,由于通常情况下阴极区收缩的程度比阳极区大,因此当采取正接时将形成锥度较大的锥形电弧,产生的轴向推力大,电弧压力也大,如图示。图

钨极氩弧焊电弧力与电极极性的关系

④

气体介质

导热性强的气体，或分子是由多原子组成的气体消耗的热能多,能引起电弧的收缩,因而导致电弧力的增加,如图所示。气体流量增加时，也会引起电弧收缩,导致电弧力增加。图

电弧力与气体介质的关系3.焊接电弧的稳定性焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（电弧连续、不断弧、不漂移、不偏吹）的程度。电弧的稳定性除了和操作人员的熟练程度有关之外，还与其他因素有关。

⑴

焊接电源的影响

电弧的静特性与电源外特性匹配，具有合适的动特性；焊接电源的空载电压越高，越有利于场致发射和场致电离,因此电弧的稳定性越高。焊接电流可分为直流、交流和脉冲直流三种类型。其中，以直流电弧为最稳定,脉冲直流次之,交流电弧稳定性最差。

⑵

焊条涂层的影响当焊条药皮或焊剂中含有较多电离能低的元素(如K、Na、Ca等)或它们的化合物时,可以提高电弧的稳定性

但是当药皮或焊剂中含有较多电离能比较高的氟化物(如CaF2)、氯化物(如KCl、NaCl)时,由于能降低电弧气氛的电离程度,因而降低电弧的稳定性。

⑶

焊接电流和电弧电压焊接电流大时电弧更为稳定。电弧电压增大意味着电弧的长度增大,使电弧的稳定性下降。⑷

焊接表面状况、气流、电磁偏吹等

焊接处不清洁，如有油脂、水分、锈蚀等存在时电弧稳定性差；气流、大风、电磁偏吹等都会降低电弧燃烧的稳定性。所谓磁偏吹，是指焊接时由于某种原因使电弧周围磁场分布的均匀性受到破坏，从而导致焊接电弧偏离焊丝(或焊条)的轴线而向某一方向偏吹的现象。当采用直流电焊接时能产生严重的磁偏吹，而采用交流电焊接时要弱得多。

当两个平行电弧的电流方向相同时，相互之间产生吸引；当电流方向相反时，相互之间产生排斥，如图所示。图

平行电弧间产生的磁偏吹a)同向电流的电弧互相吸引b)反向电流的电弧互相排斥1.3电焊弧的熔滴过渡电弧焊时，焊丝（条）端头的金属在电弧热作用下被加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝（条）通过电弧空间进入熔池的过程，称之为熔滴过渡。焊丝形成的熔滴作为填充金属与熔化的母材共同形成焊缝，因此，焊丝的加热熔化及熔滴的过渡过程将对焊接过程和焊缝质量产生直接的影响。焊丝的加热与熔化特性熔化极电弧焊：焊丝的熔化主要依靠阴极区或者阳极区产生的热量以及焊丝伸出长度上的电阻热。弧柱区产生的热量对于焊丝的加热熔化作用比较小。非熔化极电弧焊：弧柱区产热熔化焊丝。焊丝的熔化特性：焊丝的熔化速度（单位时间内，熔化的焊丝的长度）和焊接电流之间的关系。其主要与焊丝材料及焊丝直径有关。

2.表面张力在焊条端头上主要保持熔滴的主要作用力。表面张力系数与材料成分、温度、气体介质等因素有关焊丝半径1.熔滴的重力在平焊位置下使熔滴脱离焊丝的力。1.3.1熔滴过渡的作用力图1-9平焊时，表面张力阻碍熔滴过渡，，因此只要能Fσ减小的措施，都有利于平焊时的熔滴过渡。使用小直径焊丝或者表面张力小的焊丝就能达到减小表面张力的目的。在液滴上有少量的表面活性物质时，可以降低表面张力系数。增加熔滴温度会降低金属的表面张力系数，从而减小熔滴尺寸。3.电弧力：包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力。电磁收缩力、等离子流力对熔滴过渡有促进作用，斑点力阻碍熔滴过渡。电流比较大的时候，高速等离子流力对熔滴产生很大的推力，使之沿轴线方向运动。电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力表面张力其主要作用

4.熔滴爆破力：当熔滴内部因冶金反应而生成气体或者含有易蒸发金属时，在电弧高温的作用下，使气体体积膨胀而产生的内压力，致使熔滴爆破，这一内压力称为熔滴爆破力，它促进熔滴过渡，但产生飞溅。5.电弧的气体吹力造气剂碳元素氧化图1-10焊条药皮形成的套筒示意图除重力和表面张力之外，电弧力、爆破力等的存在与方向都与电弧形态有关。其对于熔滴过渡的作用随工艺条件、焊接位置以及熔滴状态等的变化而异。例如，长弧焊时，表面张力总是阻碍熔滴从焊丝末端脱离。但短弧焊时．当熔滴与熔池金属短路并形成液态金属过桥时，由于与熔池接触界面很大，使向下的表面张力远大于焊丝端向上的表面张力，结果使液桥被拉进熔池而有利于熔滴过渡。电磁力也有相同的情况。当熔滴短路时，电流呈发散形，此时电磁力的轴向分力则有助于熔滴过渡。图

形成液态桥时表面张力的作用1-焊丝2-液态金属过桥3-母材图形成液态桥时电磁力的作用1-焊丝2-液态金属桥3-电流4-母材

熔滴过渡现象十分复杂，当工艺条件变化时，过渡形态可以相互转化；焊丝的含碳量、焊条的涂药成分及焊接电流等都会影响熔滴的大小。因此必须按照熔滴过渡的形态及电弧形态，对熔滴过渡加以分类。1.3.2影响过渡熔滴大小的因素1.3.3熔滴过渡主要形式及特点

根据外观形态，熔滴尺寸以及过渡频率等特征。熔滴过渡通常可分为三种基本类型，即自由过渡、接触过渡和渣壁过渡。自由过渡是指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，它经电弧空间自由飞行进入熔池的一种过渡形式。接触过渡是通过焊丝末端的熔滴与熔池表面接触成桥而过渡的。渣壁过渡是渣保护时的一种过渡形式，埋弧焊时在一定条件下熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡。

1.自由过渡熔滴从焊丝端头脱落后，通过电弧空间自由运动一段距离后落入熔池的过渡形式称为自由过渡。熔滴的自由过渡又可分为滴状过渡和喷射过渡两种形式。⑴滴状过渡焊接电流较小时，熔滴的直径大于焊丝直径，当熔滴的尺寸足够大时，主要依靠重力将熔滴缩短拉断，熔滴落入熔池，熔滴的这种过渡形式称为滴状过渡。

粗滴过渡：电流比较小和电压比较高时，弧长较长，使熔滴不易与熔池短路。因电流比较小，弧根面积的直径小于熔滴直径，熔滴与焊丝之间的电磁力不易使熔滴形成缩颈，同时斑点压力又阻碍熔滴过渡。随着焊丝熔化，颗粒长大，最后重力克服表面张力作用，而形成大的颗粒过渡。粗滴过渡时熔滴存在的时间长、尺寸大、飞溅也大，电弧稳定性及焊缝质量都较差。

细滴过渡时熔滴存在的时间短、熔滴细化、过渡频率增加、电弧稳定性较高、飞溅较小、焊缝质量高。熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式，称为喷射过渡，喷射过渡可分为射滴过渡和射流过渡两种形式。①射滴过渡：在某些条件下，形成的熔滴尺寸与焊丝直径相近，焊丝金属以较明显的分离熔滴形式和较高的速度沿焊丝轴向射向熔滴的过渡形式，称为射滴过渡。②射流过渡：在某些条件下，因电弧热和电弧力的作用，焊丝端头熔化的金属压成铅笔尖状，以细小的熔滴从液柱尖端高速轴向射入熔池的过渡形式，称为射流过渡。这些直径远小于焊丝直径的熔滴过渡，频率很高，看上去好像是在焊丝端部存在一条流向熔池的金属液流。⑵喷射过渡⑶在电弧气氛或保护气体中含有CO2气体时，有时会发生爆炸现象，使部分熔滴金属爆炸飞溅，而只有部分金属得以过渡，这种形式称为爆破过渡。喷射过渡爆破过渡短路过渡搭桥过渡渣壁过渡套筒过渡图1-11

滴状过渡图

射流过渡形成机理示意图

2.接触过渡焊丝（或焊条）端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡的方式。分为：短路过渡，搭桥过渡短路过渡：电弧引燃后随着电弧的燃烧，焊丝或者焊条端部形成熔滴并逐渐长大。当电流较小，电弧电压比较低，弧长比较短，熔滴未长成大滴就与熔池接触形成液态金属短路，电弧随之熄灭，金属熔滴过渡到熔池中去。熔滴脱落后，电弧重新引燃，如此交替，这种过渡称为短路过渡。特点：短路过渡对于母材的焊接热量输入较低，因此比较适合焊接薄板，焊接过程中不会产生烧穿现象，常用于焊接板厚小于5mm的碳钢和低合金钢。3.渣壁过渡：熔滴沿着熔渣壁面流入熔池的一种过渡形式出现场合：埋弧焊和焊条电弧焊搭桥过渡：大滴，电磁收缩力小于表面张力1-2，1-6

课后作业思考题1-5

1.4母材熔化与焊缝成形

在电弧热及电阻热的作用下，焊丝与母材被熔化，在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着电弧的移动熔池前端的焊件不断被熔化进入到熔池中，熔池后部则不断冷却结晶形成焊缝。1.4.1焊缝形成过程图1-12熔池形状与焊缝成形示意图

在熔池的形成过程中：熔池的体积由电弧的热作用决定;熔池的形状主要由电弧对熔池的作用力及熔滴对熔池的冲击力决定。S―熔池深度；C―熔池宽度;L―熔池长度;h―

焊缝余高熔池的形状对液态金属的结晶过程有密切的关系，因而对焊缝的组织、力学性能和焊接质量有重要的影响。焊缝结晶总是从熔池边缘处母材的原始晶粒开始，沿着熔池散热的相反方向进行，直至熔池中心与不同方向结晶而来的晶粒相遇为止。所有的结晶晶粒的方向都与熔池的池壁相垂直。焊缝成形系数：熔池的宽度与熔池深度之比。焊缝形状是指焊件熔化区横截面的形状；常用焊缝的有效厚度（熔深）S、焊缝宽度C和余高h来表示，⑴焊缝宽度C

焊缝表面与母材的交界处称为焊趾。在单道焊缝横截面中，两焊趾之间的距离称为焊缝宽度C。⑵余高h

超出焊缝表面焊趾连线上面的那部分焊缝金属的高度称为余高。通常要求余高不能低于母材，随母材厚度增加而加大，但最大不得超过3mm。1.4.2焊缝形状与焊缝质量的关系焊缝成形系数φ：φ＝C/S焊缝余高系数ψ：ψ=C/h熔合比γ:焊缝中母材金属所占的面积Am与焊缝总面积的比值为熔合比γ＝Am/（Am+AH）⑶熔深S

在焊接接头横截面上，母材熔化的深度称为熔深。一定的熔深值保证了焊缝和母材的结合强度。不同的焊接方法要求不同的熔深值。图焊缝几何形状示意图S―熔池深度；C―熔池宽度;h―

焊缝余高焊缝厚度是焊缝质量优劣的主要指标，焊缝余高和宽度则应与焊缝厚度有合理的比例。成形系数小，焊缝的枝晶会在焊缝的中心交叉，易使低熔点的杂质聚集在焊缝中心而形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷

熔池的形状决定了晶粒的交角，尾部越细长，焊缝中心晶粒交角越大，杂质偏析严重，产生裂纹的可能性越大，焊接速度过大易出现这种情况在实际焊接过程中，在保证焊透的前提下焊缝成形系数的大小应该根据焊缝产生裂纹和气孔的敏感性来确定。埋弧焊>1.25，堆焊=10熔合比：焊缝截面上母材熔化部分所占面积与焊缝全部面积之比熔合比越大，焊缝成分越接近母材图焊缝几何形状示意图1.4.3焊接工艺参数对焊缝成形的影响焊接工艺参数是指焊接时为保证焊接质量所选定的诸物理量的总称。包括焊接参数和工艺因数。焊接参数：对焊接质量影响较大的焊接工艺参数（焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接热输入等）。工艺因数：其他焊接工艺参数（焊丝直径、电流种类及极性、电极、焊件倾角、保护气体）。结构因数：坡口形状、间隙、焊件厚度。1.焊接参数的影响⑴焊接电流：焊接电流主要影响焊缝有效厚度S图1-15a)焊接电流对焊缝厚度S、焊缝宽度C和余高h的影响随着焊接电流的增大，电弧对焊件的热输入增加，作用在焊件上的电弧力增加，电弧潜入工件的深度增大，熔深成比例增加、熔宽略有增加，余高增加（焊芯或焊丝的熔化速度与焊接电流成正比），成形系数及余高系数减小。

⑵

电弧电压：电弧电压主要影响焊缝宽度C。

在其他条件不变时，随着电弧电压增大，虽然焊件输入的热量有所增加，但是电弧电压增加是通过增加电弧长来实现的，弧长增加使得电弧热源半径增大，电弧散热增加，输入焊件的能量密度减小，因此熔深略有减小而熔宽增大。同时，由于焊接电流不变，焊丝的熔化量基本不变，使得焊缝余高减小。图1-15b)电弧电压对焊缝厚度S、焊缝宽度C和余高h的影响⑶焊接速度：焊接速度的大小主要影响母材的热输入量图1-15c)焊接速度对焊缝厚度S、焊缝宽度C和余高h的影响焊速提高，熔深和熔宽都显著减小。为了保证合理的焊缝尺寸同时又有高的焊接生产率，在提高焊速的同时，应相应提高焊接电流和电弧电压，并使其保持在稳定的匹配工作范围内。2.工艺因数的影响

⑴电流种类与极性：熔化极气体保护焊和埋弧焊采用直流反接时。焊件（阴极）获得的热量较多，焊缝的熔深和熔宽要比直流正接的要大。熔化极电弧焊交流电弧焊介于上述两者之间。

⑵焊丝直径与伸出长度：当其他参数给定时，焊丝直径越细，电流密度越大，同时电磁收缩力大，焊缝熔深越大。焊丝伸出长度增大时，焊丝电阻热增加，熔化量增多，焊缝余高增大。⑶电极的倾角：

电极倾斜时，电弧轴线也相应倾斜。焊丝前倾时（图b），电弧力对熔池金属向后排出的作用减弱，熔池底部的液体金属层变厚，熔深减小，电弧潜入焊件的深度减小，电弧斑点移动范围扩大，熔宽增大，余高减小。焊丝前倾α角越小，这一影响越明显。⑷焊件倾角1-17

实际焊接时，有时焊件摆放存在一定的倾斜。熔池金属在重力的作用下有沿斜坡向下流动的倾向。上坡焊时（图a），重力有助于熔池金属排向熔池尾部，因而熔深大，熔宽窄，余高大。⑴工件材料及厚度：3.结构因素的影响焊件的结构因素是指焊件的材料、厚度、焊件的坡口和间隙等。焊缝熔深与焊接电流有关，也与材料的导热性能和容积热容有关。材料的导热性能越好、容积热容越大，则熔化单位体积金属及升高同样的温度所需的热量也就越多，因此在焊接电流等其他条件一定的情况下，熔深和熔宽就减小。材料的密度或液体粘度越大，则电弧对液体熔池金属的排开越困难，熔深也越浅。工件越厚，热传导越多，熔深熔宽越小。⑵间隙和坡口：间隙和坡口尺寸越大，余高越小。⑶保护气氛和熔滴过渡形式：CO2大电流细滴过渡，焊缝熔深较大，底部呈圆弧状；CO2短路过渡（电流较小）焊缝形状类似只是熔深要浅得多纯氩保护射流过渡为指状熔深，氩加入少量的CO2,O2,He等，可改善

总之，影响焊缝成形的因素很多，要获得良好的焊缝成形，需要根据工件的材料、厚度、接头的形式及焊缝的空间位置，以及对接头性能和焊缝尺寸方面的要求，选择适宜的焊接方法、焊接规范和焊接工艺。1.焊缝的外形尺寸不符合要求1-19c)d)e)1.4.4焊缝成形缺陷的产生及防止2.咬边沿着焊趾的母材部位,烧熔形成凹陷或沟槽的现象.1、电流过大,焊速过快-主要原因;2、电压过大,焊丝位值不正确1-203.未焊透和未熔合1-21焊接接头根部在焊接时未完全熔透的现象，称为未焊透；焊道与母材之间或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分称为未熔合。原因:电流小,焊速过高,坡口尺寸不合适,焊丝未对准焊缝中心。4.焊瘤图1-22焊瘤焊接过程中，熔化的金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤称为焊瘤。原因：间隙小,坡口尺寸小,焊速低,电压小,伸出焊丝的长度大5.焊穿及塌陷熔焊时,熔化金属自焊道流出,形成穿孔的现象.原因:电流过大,焊速过低,坡口间隙过大,单面焊双面成形,背部衬件不紧密1.5焊接方法的安全技术很多焊接方法在焊接过程中会产生有害气体、金属蒸气、烟尘、电弧辐射、高频磁场、噪声和射线等，有时还要在高处、水下、容器设备内部等特殊环境作业。

焊工在焊接时要与电、可燃及易爆的气体、易燃液体、压力容器等接触，所以，焊接生产中存在一些危险因素，如触电、灼伤、火灾、爆炸、中毒、窒息等，因此必须重视焊接安全生产。国家有关标准明确规定，金属焊接（气割）作业是特种作业，焊工是特种作业人员。特种作业人员，须进行培训并经考试合格后，方可上岗作业。1.5.1预防触电的安全技术触电是焊接操作的主要危险因素，我国目前生产的焊条电弧焊机的空载电压限制在90V以下，工作电压为25～40V；自动电弧焊机的空载电压为70～90V；电渣焊机的空载电压一般是40～65V；氩弧焊、CO2气体保护电弧焊机的空载电压是65V左右；等离子弧切割机的空载电压高达300～450V；所有焊机工作的网路电压为380V∕220V，50Hz的交流电，都超过安全电压（一般干燥情况为36V、高空作业或特别潮湿场所，为12V），因此触电危险是比较大的，必须采取措施预防触电。

①熟悉掌握有关电的基本知识以及预防触电和触电后的急救方法等知识，严格遵守有关部门规定的安全措施，以防触电事故发生。②遇到焊工触电时，应将电源切断，切不可赤手去拉触电者。若触电者处于昏迷状态