中石大金属焊接教案

绪论1.1材料的连接方法材料的连接可分为两类：①可拆式连接：螺纹联接、摩擦联接②不可拆式连接：焊接、粘接、铆接1.2常用连接方法1.2.1粘结用胶粘剂把两个零件连接在一起，并使接合处有足够强度的连接工艺。1.2.2铆接

采用铆钉将两个零件连接成一个整体的连接工艺。1.2.3螺纹连接利用螺纹压紧力将分离的零件连接成一个整体的方法1.2.4摩擦连接通过配合表面的机械摩擦力将两个分离的零件连接成一个整体的方法。1.3

焊接1.3.1焊接的定义及本质焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。1.3.2焊接的特点与铸造、锻压、铆接等方法相比，焊接具有如下特点：①焊接结构产品的质量轻，生产成本低。②整体性好，气密性、水密性好。③投资少、见效快。④焊接连接工艺特别适用于几何尺寸大而材料较分散的制品。焊接的不足之处是：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。1.3.3焊接的分类焊接方法可分为如下三类：①熔化焊：将焊件接头加热至熔化状态，然后冷却结晶成一体的方法。②固相焊接：利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服表面不平度，除去氧化膜及其它污染物，使两个连接表面的原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下实现连接。③钎焊：采用熔点低于焊件(母材)的钎料与焊件一起加热，使钎料熔化(焊件不熔化)后，依靠钎料的流动充填接头预留空隙中，并与固态的母材相互扩散、溶解，冷却后实现焊接的方法。1.3.4主要焊接方法简介（1）手工焊条电弧焊（Flux--shieldedMetalArcWelding）（2）埋弧焊埋弧焊（SubmergedArcWelding）（3）钨极惰性气体保护电弧焊（TungstenInert-gasArcWelding）（4）熔化极气体保护电弧焊（MetalGasArcWelding）（5）等离子弧焊（PlasmaArcWelding）（6）激光焊（LaserBeamWelding）（7）电子束焊（ElectronBeamWelding）（8）气焊（GasWelding）（9）钎焊（Brazing，Soldering）（10）电阻焊（ResistanceWelding）（11）电渣焊（ElectroslagWelding）（12）高频焊（HighFrequencyResistanceWelding）（13）爆炸焊（ExplosiveWelding）（14）摩擦焊（FrictionWelding）（15）超声波焊（UltrasonicWelding）（16）扩散焊（DiffusionWelding）（17）搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding-FSW）1.3.5

焊接发展概况埃及：5000年前：管子——铜银钎料近4000年前：护符盒——金钎料我国：公元前5世纪的战国初期——锡、铅合金钎料明代宋应星《天工开物》（1637）——“中华小钎用白铜末，大钎则竭力挥锤而强合之”，讲述的就是以上两种焊接方法。1.3.6焊接技术的应用焊接技术正作为一种系统工程日益广泛地应用于现代制造业。（1）

桥梁建造（2）

飞机制造、航空航天（3）

汽车制造（4）

舰船制造（5）

房屋建造（6）

石油石化1.3.7焊接技术的发展趋势（1）提高生产率这可以通过采用新型焊接材料焊接工艺方法实现。（2）提高准备工序及焊接过程的机械化、自动化、智能化水平这主要是将计算机、机器人等高新技术应用到焊接领域从而提高生产率、产品质量、改善工人劳务条件（3）热源的应用和开发熔焊、压焊、钎焊三类焊接方法基本上都要用热源，每种热源的出现都会伴随焊接新工艺的发明，比如说出现了激光就有了激光焊，出现了等离子就在了等离子焊。（4）节能降耗1.3.8

焊接范畴焊接技术涵盖范围如下方面：（1）焊接过程控制和焊接设备自动化（2）材料焊接和焊接材料（3）焊接结构和焊接力学焊接工艺是上述三方面的源头和归宿。1.3.9

课程内容根据教学大纲的要求，我们这门课主要讲述以下内容：（1）焊接电弧及弧焊电源介绍焊接电弧的物理本质，电特性，弧焊电源的电气特性，各种弧焊电源的特点。（2）焊接方法与设备主要讨论埋弧焊、气体保护焊等机械化、自动化、电弧焊方法的基本原理、特点和应用，各类基本焊接设备的结构原理、各类焊接方法的工艺特点等等。（3）焊接冶金与焊接材料介绍焊接冶金过程的特点，熔化金属与气相、熔渣的作用、焊缝的合金化，焊接热循环与焊接热影响区的概念及其对接头组织与性能的影响等等。（4）焊接应力与变形介绍焊接应力与变形的产生原因、影响因素和控制措施。（5）焊接裂纹焊接裂纹有冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂的形成原因、影响因素和防止措施。（6）典型金属材料的焊接这一部分重点讨论金属焊接的一些基本概念，然后具体分析一些典型金属材料的焊接性问题。（7）焊接检验介绍焊后成品检验内容。重点讨论无损探份。

焊接电弧与弧焊电源电弧焊是以电弧作为热源的形式将电能转变为热能来熔化金属、实现焊接的一种熔焊方法，是现代焊接方法中应用最为广泛，也是最为重要的一类焊接方法。1.1焊接电弧1.1.1电弧的产生及分类1.1.1.1电弧的产生电弧的产生与维持需要具备两个条件：气体电离和阴极电子发射。在焊接电弧燃烧过程中，呈现出电压低、电流大、温度高、发光强的特点。（1）气体电离气体电离就是使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程。在焊接电弧中，根据引起电离的外加能量来源不同，有三种电离形式：撞击电离、热电离、光电离。（2）电子发射在阴极表面的原子或分子，接受外界的能量面释放出自由电子的现象称为电子发射。电子发射是引弧或维持电弧稳定燃烧一个很重要的因素。它又分为：热发射、光发射、场致发射和重粒子撞击发射。1.1.1.2电弧的引燃电弧的引燃方式有两种：接触引弧（最常用）和非接触引弧。1.1.1.3电弧的分类1.1.2焊接电弧的结构以直流电弧为例。直流电弧可近似看成为一个圆柱形的气体导体，沿它的长度方向可分为三个区域（图1-1）：阴极区、阳极区和弧柱区。阴、阳极区都很短，电弧长度可以认为近似等于弧柱长度。阴极区弧柱区阴极区弧柱区阳极区Uf电弧UyUzUi图1-1电弧结构及压降分布定义：长度一定的电弧在稳定燃烧状态下，电弧电压和电弧电流之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性。焊接电弧是非线性电阻，当电弧电流从小到大在很大范围内变化时，焊接电弧的静特性近似呈U曲线，所以焊接电弧静特性也称U型特性（见图1-2）。U型特性曲线可看成由三段组成，在ab段，Uf随If的增加而下降，是下降特性段；在bc段，Uf不随If变化，是平特性段；在cd段，Uf随If的增加而上升，是上升特性段。图1-2电弧静特性曲线（1）阳极区在阳极区，Uy基本是常数，与电流无关。（2）阴极区电流密度,，在d、一定时：。电流密度：当If较小时，，Ui为一水平线。当If较大时，，Ui为上升线。（3）弧柱区，其中：。在ab段：在bc段：在cd段：三个区的曲线叠加，即可得出电弧电压随的增加是呈U型的结论。图1-3电弧各区的压降与电流的关系图1.1.4交流电弧交流电弧引燃和燃烧的物理本质和直流电弧相同，也是气体电离和阴极电子发射的过程。1.1.4.1交流电弧的特点（1）电弧周期性的熄灭和引燃；（2）电弧电压和电流波形发生畸变；（3）热惯性作用较为明显。1.1.4.2交流电弧连续燃烧的条件要让交流电弧能够连续稳定燃烧，希望熄弧时间减小为零。常用的交流弧焊电源——弧焊变压器是采用增大回路感抗或漏抗，形成电感性回路的方法来实现的，带电感的交流电弧供电原理图见1-4。图1-4电感性回路交流电弧的电流、电压波形经过推导，交流电弧连续稳定燃烧的条件可用下式表示：（1-1）其中：U0为电源空载电压，Uf为电弧电压有效值，Uyh为电弧重新引燃电压。为提高交流电弧的稳定性，除了使焊接回路中有足够大的电感外，还可以采用如下措施：提高弧焊电源频率；提高电源的空载电压；改善电流的波形；叠加高压电。1.1.5电弧的偏吹进行正常手弧焊时，电弧的轴线总是沿着焊条的中心线，当二者不在同一中心线上就发生电弧偏吹。电弧偏吹会引起电弧燃烧不稳，弧长变长，导致焊缝成型恶化，焊缝质量下降。导致电弧偏吹的原因有三个：（1）气流的影响。电弧周围气流的剧烈运动引起：采用挡风措施（2）焊条偏心度的影响。药皮厚薄不均，电弧向薄的一侧偏吹：焊时调整焊条倾斜角度（3）磁场的影响。电弧周围磁场分布不均时，电弧会受到磁场的作用而偏向磁力线密度较小的一侧，称为电弧的磁偏吹。解决方法：（1）短弧焊；（2）以交代直；（3）工件消磁、避免周围铁磁物质；（4）选择好接线点；（5）选用厚皮焊条。1.2对弧焊电源的基本要求弧焊电源是电弧焊机中的核心部分，是用来对焊接电弧提供电能的一种专用设备，由于电弧是一种特殊负载，弧焊电源除了具有一些电力电源的要求外，还应满足电弧特性及焊接工艺的要求：（1）引弧容易，电弧稳定；（2）焊接规范稳定；（3）具有足够宽的焊接规范调节范围。为满足这些要求，弧焊电源的电气性能应考虑以下三个方面：（1）对弧焊电源外特性的要求。（2）对弧焊电源调节性能的要求（3）对弧焊电源动特性的要求1.2.1对弧焊电源外特性的要求1.2.1.1电源外特性在电源内部参数一定的条件下，改变负载时，电源输出电压稳定值Uy与输出电流稳定值Iy之间的关系称为电源的外特性。1.2.1.2“电源－电弧”系统的稳定性所谓“电源－电弧”系统的稳定性包含两方面的含义：①系统在无外界干扰时，能在给定电弧电压和电流下，维持长时间的连续电弧放电，保持静态平衡，此时，Uf＝Uy，If=Iy。图1-5“电源－电弧”系统工作示意图稳定工作点的判断依据：电弧静特性在此点的斜率要大于电源外特性曲线在此点的斜率。②当系统一旦受到瞬时的外界干扰，破环了原来的平衡，但干扰消失后，系统能自动地达到新的稳定平衡，使得焊接规范能新恢复。1.2.1.3对弧焊电源外特性曲线的要求在各种弧焊方法中，电弧放电的物理条件和所用的焊接规范不同，使它们的电弧静特性具有不同的形状，所以应针对不同的弧焊方法讨论对电源外特性的要求。（1）对弧焊电源空载电压的要求电源空载电压的确定应遵循如下原则：①保证引弧容易；②保证电弧的稳定燃烧；③保证电弧功率稳定；④要有良好的经济性；⑤保证人身安全。（2）对电源外特性工作区段形状的要求弧焊电源外特性工作区段是指外特性上在稳定工作点附近的区段。（3）对弧焊电源短路电流的要求引弧和熔滴过渡时经常会发生短路，当短路电流Iwd过大时，焊条易过热、飞溅及电源过载；当短路电流Iwd过小时，引弧和熔滴过渡困难，所以下降外特性的弧焊电源的短路电流和工作电流的比值范围为：（1-2）1.2.2对弧焊电源调节性能的要求焊接时需根据被焊工件的材质、厚度以坡口形式等选用不同的焊接规范参数，而与电源有关的焊接参数是电弧工作电压和工作电流。电弧电压和电流是由电弧静特性和电源外特性曲线相交的一个稳定工作点决定的。弧焊电源能满足不同的要求的可调性能为其调节性能，它是通过电源外特性的调节来体现的。1.2.3对弧焊电源动特性的要求指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系，即来表示，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。只有采用短路过渡的熔化极电弧焊才对电源动特性提出要求，而对不熔化极电弧焊或非短路过渡的熔化极电弧焊，则对电源动特性不作要求。所谓动特性好，一般是指引弧和重新引弧容易，电弧稳定和飞溅少。弧焊电源动特性的指标因为焊接方法、电源类型的不同而不同。1.3弧焊变压器弧焊变压器是一类交流电源，在各类电源中它占的比例最大，应用最广，结构最简单，使用可靠，便于维修，价格低廉。1.3.1基本原理主要是弄清空载电压的建立，获得下降外特性的原理和调节焊接规范的方法。1.3.1.1空载变压器空载运行的情况见图1-7。图1-7变压器空载运情况其中为空载主磁通，空载漏磁通。空载电压只是由主磁通建立的，所以有，其中。1.3.1.2负载变压器负载运行时的原理图见图1-8(a)。图1-8变压器负载运行时的原理图a)原理图b)等效电路图在初级绕组上施加电压，次级绕组和负载Rf接通，于是在初级和次级回路各有电流和相应的磁势，它们共同产生磁通，而且又各自产生经空气闭合的漏磁通。穿过两级绕组分别产生感应电势。漏磁通分别在初、次级绕组产生漏感电动势。假若次级回路负载为具有感抗的电抗器和电弧，则（1-3）令，较小可以忽略，且（负载电流或电弧电流），有（1-4）式（1-3）、（1-4）是弧焊变压器的外特性方程式。可以看出：①增大初、次级漏抗都能使变压器外特性下降得更陡；②在次级电路串联电抗器便有感抗，也可获得下降外特性；③弧焊变压器的外特性方程式也可以写成如下形式：，可以看出，改变可调节焊接电流If。1.3.2弧焊变压器的分类根据获得下降外特性的方法不同可分为串联感抗式和增强漏磁式，前者由正常漏磁（漏磁很少，可忽略）的变压器串联电抗器构成，按结构不同又分为分体式和同体式；后者通过人为增大自身漏抗，而无需再串联电抗器。按增强和调节漏抗的方法不同又可分为动铁心式，动线圈式和抽头式。1.3.3串联电抗器式弧焊变压器这类弧焊变压器由本身的外特性接近于平的正常漏磁的普通变压器，通过调节串联电抗器的电感以获得不同的下降外特性及调节电流（图1-9）。图1-9调节空气式电抗器a)单气隙式b)、c)双气隙式1—定铁心2—线圈3—动铁心电抗器实际上就是带铁心的线圈，它的感抗为（1-5）式中：为空气磁导率，为线圈匝数，为磁路截面积，为空气气隙长度。1.3.4增强漏磁式弧焊变压器人为增加变压器自身漏抗，等效于增加次级回路的电抗，这种增强漏磁式弧焊变压器就是靠增强它的本身漏磁面获得下降外特性。1.3.5两类变压器的比较（1）串联电抗器式弧焊变压器因为多一个感抗器，所以耗材多，体积大而重。而且电抗器中若有活动铁心，装配不严焊接时会产生振动，小电流焊接时由于间隙小，振动的影响更大，会使电弧不稳，所以这焊机宜做成大容量的产品。（2）增大漏磁式的没有单独的感抗器，所以耗材少，而且采用小电流焊接时振动轻微，电弧稳定，所以宜做成中小容量的产品。1.4直流弧焊发电机1.4.1基本原理直流弧焊机和一般发电机一样，都是靠电枢上的导体切割磁极和电枢之间空气隙内的磁力线而感应出电动势E:(1-6)式中:为每个主磁极磁通量；K为常数，由电枢转速及结构确定。发电机电枢电压为（1-7）式中Is、Rs为电枢电流和电阻。通常Rs很小可以忽略，一般发电机与Is无关，所以外特性是平的。由式(1-6)、(1-7)可知，为获得下降外特性的主要方法有：（1）在电枢电路中串联镇定电阻如图1-10，Rz为镇定电阻器，发电机本身外特性近于平的，即。负载电压与负载电流的关系是：（1-8）由式（1-8）可知，，从而得到下降外特性。调节Rz可调节If，所以通过改变Rz调节外特性。这种方法缺点是能量损耗大。图1-10串联镇定电阻的电路（2）改变磁极磁通由式（1-6）可知，电枢电动势与成正比，因而只要设法让磁通随焊接电流If的增大而减小，就可获得下降外特性。1.4.2分类根据产生去磁磁通的不同方法，分为：差复激式（用串联绕组去磁）、裂极式（用电枢反应去磁）、换向极去磁式（用换向极绕组去磁）。1.4.3差复激式弧焊发电机这种发电机是利用激磁绕组激磁，用串联绕组去磁（原理图见图1-11）。图1-11差复激发电机原理图激磁磁通和去磁磁通方向相反，它的工作磁通是两者之差，即，而焊接电压为可以看出，随If增加，Uf下降，所以输出为下降外特性。具体调节电流的方法有：（1）改变调节激磁回路中的Rt，即可改变It、Uo和If。（2）改变串联绕组匝数Nc，即可改变Rc。注：它激－激磁与去磁绕组只有磁的联系，无电的联系。并激－激磁与去磁绕组既有磁的联系，又有电的联系。1.4.4裂极式的弧焊发电机这种发电机原理电路图见图1-12。它有两个激磁绕组Wj和Wz，它们从主电刷a和辅助电刷c上获得磁电压。它的结构见图1-13。垂直方向的Nj和Sj称为交极，其上绕有Wj绕组，产生磁通。水平方向的Nz和Sz称为主极，其上绕有W2绕组，产生磁通。从表面上看好象是有两对磁极，但四个磁极的排列顺序却是N-N-S-S，而不同于一般N-S-N-S的顺序。所以实质上看相当于只有一对磁极，如图1-13中虚线所示。也就是交极为前极尖，主极为后极尖，只是前后极尖之间分裂开了而已，故称为裂极式。图1-12裂极式弧焊机原理图图1-13裂极式弧焊机结构示意图焊接电压，由图1-12可以看出，调节外特性可以通过改变激磁回路中的电阻Rb从而调节激磁电流实现，也可以通过移动电刷位置从而改变Nsj匝数实现。1.5硅弧焊整流器和直流弧焊发电机一样，硅弧焊整流器是一种直流弧焊电源，它是利用交流电经变压器、整流器以及外特性调节装置等获得直流焊接电流，和发电机相比有很多优点：①易造好修、节省材料、降低成本、提高效率；②易获得不同形状的外特性，以满足不同焊接工艺的要求；③动特性及输出电流波形易于控制，适应性强；④噪音小。1.5.1硅弧焊整流器的组成为获得脉动小，较平稳的直流电，以及使电网三相负荷平衡，通常都采用三相整流电路，其组成见图1-14。（1）主变压器：作用是降压，将电网电压（三相380V）降至所要求的空载电压；（2）电抗器：控制外特性形状并调节规范参数，它可以是交流电抗器或磁放大器（磁饱和电抗器）（3）整流器：作用是把三相交流电整流成直流。（4）输出电抗器：是接在直流焊接电路中的直流电感（由带空气隙的铁心和线圈构成），作用主要是改善和控制动特性，其次是滤波。图1-14硅弧焊整流器的组成1.5.2分类有电抗器的硅弧焊整流用的电抗器都是磁放大器式的；无电抗器的：主变压器为正常漏磁电源的外特性是平特性，主变压器为增强漏磁式的，不需要外加电抗器就获得下降外特性并调节焊接规范1.5.3磁放大器式弧焊整流器1.5.3.1磁放大器磁放大器实际就是饱和电抗器，它的铁心中没有空气隙和活动铁心，电抗，在电抗器结构一定的情况下，公式中只有铁心材料的磁导率可以调节，而磁导率是随铁心材料的磁饱和程度变化的。所以，在铁心上，除两侧心柱套上电感线圈之外，中心心柱上还设有直流控制绕组。改变后者流过的直流电流的大小，就可改变铁心饱和程度，从而调节磁导率值，进而调节感抗X值。1.5.3.2基本电路基本电路见图1-15。其中CF为无反馈式磁放大器，Nj为交流绕组，Nk为控制绕组，DK为直流电抗器，BZ2为整流二极管，Rf为电弧负载。图1-15无反馈磁放大器式弧焊整流器的基本电路1.5.3.3规范调节Ik与If的关系——，也就是这类电源的调节特性，通过调节控制电流Ik，可以获得焊接所需要的工作电流和电压。1.5.4动线圈式（增强漏磁式）硅弧焊整流器磁放大器式弧焊整流器的最大优点是控制方便，但它的结构比较复杂，而且重量大，用料多，所以生产中也常用其它形式的弧焊整流器，比如动圈式的。结构它主要由增强漏磁的三相动圈式弧焊变压器和三相桥式整流器构成。由于弧焊变压器漏抗很大，所以可获得下降外特性。调节初、次级绕组之间的距离，就可改变漏抗的大小，从而调节电流。三相动圈弧焊变压器结构虽与前面介绍过的动圈式弧焊变压器不同，但原理相同，调节线圈位置，初、次级线圈间距离越大，漏磁越多，相当于回路感抗增加，反之则减小。特点它的电磁惯性与弧焊变压器相近，动特性很好，飞溅较少，所以一般可以不用输出电抗器；输出的电流和电压受电网电压和温升的影响也较小；与磁放大器式相比，结构与线路简单，省材、重量轻。缺点是由于线圈可动，使用时有轻微振动和噪音，不易于实现远距离调节，不便于进行电网电压补偿。1.6其它类型弧焊电源随着电子技术，大功率电子元件和集成电路的不断发展，在国内外出现了多种多样的新型电源。它们的主要特点是采用电子电路控制，能够获得弧焊工艺所需的外特性、调节性能、动特性和电压电流波形，从而使弧焊电源个有更加优良的电气性能，同时也更便于实现自动控制，这一节我们就介绍三种主要的新型电源。1.6.1晶闸管式弧焊整流器这是继直流弧焊发电机、硅弧焊整流器之后出现的第三代直流弧焊电源，它是采用晶闸管元件代替硅二极管起整流作用。由于晶闸管本身具有良好的可控性，所以对外特性形状的控制、焊接规范的调节都可通过改变晶闸管的导通角来实现，而不再用磁放大器，它的性能更优于磁放大器式硅弧焊整流器。1.6.1.1晶闸管（SCR）晶闸管具有四个基本特点：⑴正向阻断；⑵可控导通——只有一定条件下才能导通；⑶持续导通——一旦导通只有在一定的反向电压作用下才能关闭；⑷反向阻断。晶闸管导通的基本条件：①阳－阴，接正向电压②控制极和阴极间接正向触发电压1.6.1.2晶闸管弧焊整流器的组成组成如图1-16所示。主电路由主变压器B、晶闸管整流器SCR和输出电感DK组成。C为晶闸管的触发电路。当要求得到下降外特性时，触发脉冲的相位由给定电压Ugi和电流反馈讯号UfI确定；当要求得到平特性时，触发脉冲相位则由给定电压Ugu和电压反馈讯号UfU确定。此外，还有操纵保护电路CB。图1-16晶闸管硅弧焊整流器的组成1.6.1.3晶闸管弧焊整流器的主要特点（1）动特性好——电磁惯性小、反应速度快；（2）控制性能好；（3）电流、电压调节范围大，并能较好的补偿电网电压波动和周围温度的影响；（4）电源输入功率小，体积小，重量轻；（5）噪音小；（6）电路较复杂1.6.2晶体管式弧焊整流器这是继晶闸管弧焊整流器之后的第四代直流弧焊电源。这种电源是在硅整流器的直流回路中串入大功率晶体管组，通过电子控制电路、电弧反馈电路获得所需的外特性，并对它进行精密的控制，形成任意形状的外特性曲线，以适应不同焊接工艺方法的要求。晶体管弧焊电源的主电路如图1-17所示，由三相变压器T、整流器U、电容器组C、大功率晶体管组Trs、分流器Sn等组成。图1-17晶体管弧焊电源主电路原理图三相网络电压经主变压器降压，整流器整流，电容器滤波后，得到所需要的焊接空载电压。大功率晶体管组在焊接主回路中起线性放大调节器的作用，借以控制外特性形状、调节焊接规范和控制电流波形。因为起放大器的作用，所以用很小的电流就可以对电源输出特性进行控制。和晶闸管弧焊电源相比，晶体管弧焊电源有以下优点：①晶体管通断迅速，控制十分灵活，精确度高，既能获得无脉动的直流输出，又能获得任意电流波形。②可以对外特性曲线形状进行任意的控制，以适应各种弧焊方法的需要。③可调工艺参数多，调节范围宽，特别是脉冲电源，能精密地控制电弧能量，以适应各种位置、各种材料和不同厚度和形状捍件的弧焊工艺需要。④弧焊回路时间常数小，动态反应速度极快。借助电子电抗器和脉冲波形的控制，可实现少飞摊或无飞溅的焊接。⑤抗干扰能力强。可对网路电压波动、温度变化和其它因素变化进行有效补偿，保证输出电压、电流的稳定性。⑥脉冲频率高，可以任意调节。⑦对微机控制具有很强的适应能力。它是一种焊接性能十分优良的弧焊电源，可以适应多种弧焊工艺方法的需要，但由于它的电子控制电路复杂，维修技术要求高，成本高，所以它的应用受到限制。1.6.3弧焊逆变器直流→交流之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置称为逆变器。为焊接电弧提供电能，并具有弧焊方法所要求电气性能的逆变器称为弧焊逆变器。1.6.3.1基本原理和逆变体制弧焊逆变器的变流顺序（基本原理）如图1-18所示：单相或三相50Hz的交流网路电压经输入整流器U1整流和电抗器滤波之后，通过大功率开关电子元件构成的逆变器的交替开关作用，变成几千至几万Hz的中频电压，再经中频变压器T、整流器U1和电抗器Ldc的降压、整流与滤波就得到所需要的焊接电压和电流。输出电流可以是直流或交流。图1-18弧焊逆变器基本原理框图在弧焊逆变器中可以采用两种逆变体制：（1）AC－DC－AC（2）AC－DC－AC－DC目前常用的是后一种体制，故还可把它称为逆变式弧焊整流器。它主要由输入整流器、电抗器、大功率电子开关（晶闸管组、晶体管组或场效应管组）、中频变压器、输出整流器及电子健倒电路等组成。1.6.3.2外特性及规范调节根据弧焊工艺方法的需要，通过电子控制电路、电弧电压和电流反馈，弧焊逆变器可以获得各种形状的外特性。弧焊逆变器的规范调节方法大致有两种：（1）定脉宽，调频率脉冲电流宽度不变，通过改变逆变器的开关频率来调节规范。频率越高，工作电流Ip就越大。通常晶闸管式弧焊逆变器采用这种调节规范参数的方法。（2）定频率，调脉宽脉冲电流频率不变，通过改变逆变器开关脉冲的脉宽（占空比）来调节规范参数。脉宽比越大，则工作电流越大。晶体管式、场效应管式逆变器都适于采用这种。1.6.3.3弧焊逆变器的优点弧焊逆变器的主要特点之一是工作频率高，由此就带来一系列好处。按正弦波分析时有以下关系：（1-10）所以：①f↑↑→NS↓，铁心和铜线等材料↓↓，电能损耗↓↓整个焊机重量↓体积↓↓②大功率管组工作在开关状态，也必然使功耗降价。③逆变电路中都有起储能作用的电容器→无功损耗↓，功率因数↑④频率高使输出端的滤波电感↓↓→动特性↑优点：①高效节能。效率可达80％至90％；功率因数高达0.99；空载损耗极小。②重量轻，体积小。主变压器的重量仅为传统弧焊主变压器的几十分之一；整机重量仅为传统式弧焊电源的1/5至1/10左右；整机体积也只有传统电源的1/3在右.③具有良好的动特性和弧焊工艺性能。

第二章焊接冶金与焊接材料几个概念（1）焊接冶金：熔化焊时，伴随着金属熔化、凝固、固态相变以及形成接头等过程，焊接区内的熔化的金属、熔渣与气体三者间所进行的一系列化学反应过程以及金属的结晶相变过程总称为焊接冶金过程。它研究焊接化学冶金与焊接物理冶金的基本规律，为制订各种金属材料的焊接工艺建立必要的理论基础。它对焊缝的化学成分和焊接质量（包括接头的力学性能、物理化学性能、金相组织及有无裂纹、气孔等工艺缺陷）有着决定性的影响。（2）焊接冶金过程的特点：①电弧区温度高——可达6000～8000℃；②熔池体积小，存在时间短——成分布均匀；③熔池金属不断更新；④反应接触面大，搅拌激烈；⑤反应时间短——0.01～0.1s。（3）焊接化学冶金：熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程，主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。（4）焊接物理冶金过程：研究焊接条件下材料的物理冶金问题，对材料受焊后的组织、性能、化学成分的变化和产生缺陷的原因进行分析，为进一步提高焊接质量、防止各种焊接缺陷（特别是裂纹）提供理论依据。2.1焊接化学冶金过程的任务与特点2.1.1几个基本概念（1）母材金属：被焊金属材料的统称。（2）填充金属：焊芯或焊丝。焊条是指药皮里面的焊芯，其它熔化焊方法中指焊丝。（3）熔敷金属：完全由填充金属熔化后所形成的焊缝金属。由于熔滴在落入熔池过程中与周围的熔渣和气体发生了激烈的冶金反应，所以它的成分和填充金属的有很大的不同。（4）焊缝：熔敷金属与熔化的母材金属激烈反应混合，构成熔池内的液态金属，冷却凝固后即形成焊缝。（5）熔合比（稀释率）：熔池中母材金属所占比例称熔合比。焊缝的成分取决于熔合比大小，熔合比数值与焊接方法、焊接规范、接头型式、坡口形式及母材热物理性质有关。当焊接异种金属或合金堆焊时，熔合比又可称为“稀释率”。焊接化学冶金的任务（1）首要任务就是对金属加强保护，防止有害气体的作用（2）焊接化学冶金的第二个任务就是对熔化金属进行冶金处理2.1.3焊接化学冶金的特点普通化学冶金过程是对金属熔炼加工过程，在放在特定的炉中进行。焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当高炉。（1）二者共同点：金属冶炼加工。（2）不同点：①原材料不同普冶材料：矿石、焦炭、废钢铁等。焊金材料：焊条、焊丝、焊剂等。②目的不同普冶：提炼金属；焊冶：对金属再熔炼，以满足构件性能焊接冶金和普通化学冶金相比也有它的特殊性，其中最重要的特点是：焊接冶金反应是分区连续进行的——分区表示反应区不仅熔池一处，连续表示各区反应依次连续进行；各区的反应条件（反应物的性质和浓度、温度、反应时间、相接触面积、对流和搅拌运动等）也有较大差异。2.1.3.1药皮反应区温度范围从100℃到药皮的熔点（钢焊条约为1200℃）。也就是说，在焊条端部的固态药皮中就开始发生物化反应，主要是水分的蒸发、某些物质的分解和铁合金的氧化。熔滴反应区是指从熔滴形成、长大、过渡到高速飞入熔池前这一阶段。该区有以下特点：（1）熔滴的温度高——1800～2400℃；（2）各相之间的反应时间（接触时间）极短——平均时间0.01-1S；（3）熔滴金属与气体和熔渣的接触面积大——熔滴的比表面积（熔滴表面积与质量之比）要比炼钢时大1000倍，可达1000～10000cm2/kg；（4）熔滴金属与熔渣发生强烈的混合，所以冶金反应最强烈，对焊缝成分影响最大。在熔滴反应区进行的主要物化反应有：气体的高度分解；氮和氢的激烈溶解；强烈的增氧与渗合金；金属的蒸发；去氢反应等。2.1.3.3熔池反应区指熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材混合，与此同时各相进一步发生物化反应，直至金属凝固，形成焊缝这一阶段。与熔滴反应区相比，该区具有如下特点：（1）平均温度低（1600～1900℃，低于熔滴温度）；（2）比表面积小（3～130cm2/kg）；（3）反应时间稍长（手工焊3～8秒，埋弧焊6～25秒）；（4）搅拌没有熔滴阶段激烈，不过比炼钢要强烈的多，而且它反应的结果决定了焊缝最终的成分和性能；（5）熔池的突出特点之一是温度分布极不均匀：2.2焊接熔渣焊接冶金过程是包括金属、熔渣、气体三者在内的一个体系，熔渣是其中一个极为重要的因素，这一节主要介绍熔渣的作用和熔渣的物理化学性质两方面。2.2.1熔渣的作用熔渣在焊接冶金过程中的作用主要有以下三个：⑴机械保护作用⑵改善焊接工艺性能的作用⑶冶金处理作用2.2.2熔渣的组成钢焊条的熔渣是由各种氧化物及其盐类组成的，碱性焊条和焊剂形成的渣中还含有氟化物。焊接熔渣中的氧化物按其性质可分为三类：①酸性氧化物——按酸性由强变弱的顺序有SiO2、TiO2、P2O5等；②碱性氧化物——按碱性由强变弱的顺序有K2O、Na2O、CaO、MgO、BaO、MnO、FeO等；③中性氧化物——Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等。这些氧化物是呈酸性还是呈碱性，决定于熔渣的性质。在强酸性渣中它呈弱碱性，在强碱性渣中它呈弱酸性。熔渣的物化性质熔渣的碱度碱度是衡量熔渣酸碱性的指标，是熔渣的重要化学性质，其它物化性质都与碱度由密切关系，它可以反映熔渣的冶金反应能力和物理性质。熔渣的碱度的定义可以表示为：（2-1）为计算方便，氧化物含量也可以改为质量百分比：（2-2）根据B值就可以将熔渣分为酸性渣和碱性渣。当B>1.3时为碱性渣；当B<1.3时为酸性渣。酸性渣的焊条我们称为酸性焊条，碱性渣的焊条我们称为碱性焊条。它们的冶金性能、焊接工艺性能以及焊缝的成分和性能都有显著不同。但利用上面的计算公式实际计算出来的B值是不准确的，因为它既没有考虑到氧化物酸性和碱性的强弱程度，也没有考虑酸性氧化物与碱性氧化物形成复合物的情况。比较精确的计算公式是：（2-3）式中的氧化物以质量百分比计算。当B1大于1时为碱性渣，小于1时为酸性渣，等于1时为中性渣。这个公式计算起来比较麻烦，所以清华大学的陈伯蠡教授建议采用下列修正式：（2-4）当B1大于1.5时为碱性渣，小于1.0时为酸性渣，1～1.5时为中性渣。熔渣的粘度熔渣粘度是指液态渣内部相对运动时各层之间产生的内摩擦力（在单位速度梯度下，作用在单位面积上的内摩擦力），它的单位是帕秒（Pa·S），用η表示。粘度的倒数φ=1/η叫流动性，粘度越小，流动性越大。粘度是焊接熔渣重要的物理性质之一，对渣的保护效果、飞溅、焊接操作性、焊缝成型、熔池中气体的外逸、合金元素在渣中的残留损失、化学反应的活泼性等都有显著的影响。粘度过大，渣冶金反应能力降低，焊缝成形不良且易产生气孔等缺陷；粘度过小，渣覆盖性差，降低保护效果，焊缝成形差且不能全位置焊。粘度变化的影响因素熔渣的粘度决定于温度和渣的成分。（1）温度的影响温度与粘度的关系为，其中：A为取决于熔渣本性的常数；E为质点移动所需要的活化能；R为气体常数；T为绝对温度。（2）熔渣成分的影响焊钢用熔渣的粘度在1500℃左右时为0.1～0.2Pa·S比较合适。表面张力熔渣的表面张力实际上是熔渣与气相接触时的比表面能，而熔渣和金属间的比表面能称为界面张力。它们对熔滴过渡、焊缝成型、脱渣性及冶金反应等都有很大影响。比如，熔渣的表面张力大的话会阻碍熔滴过渡，因为熔滴大。密度ρ熔渣的密度影响熔渣在熔池金属中的浮出速度。密度越小，渣轻越容易浮出，不易产生夹渣。线膨胀系数它主要是影响脱渣性。渣的线膨胀系数与焊缝金属的相差越大，越容易脱渣。熔化性（熔点、凝固温度范围）一般：焊芯的熔点>药皮的熔点>熔渣的熔点温度差值：△T=100-200℃。2.3焊缝金属中的气体夹杂氢对金属的作用及控制一般熔焊时总是或多或少的氢与金属发生作用，而且氢是与所有金属都能够发生作用的活泼元素。对于大多数金属，氢是有害的，它是造成广泛采用的低合金高强钢焊接结构出现氢脆、冷裂纹、氢气孔等缺陷的最主要原因。氢的来源（1）焊材中的水分（2）药皮中的有机物（3）焊丝和母材坡口表面上的铁锈、油污（4）电弧周围空气中的水分2.3.1.2氢在金属中的溶解对于氢氧氮这样的双原子气体来说，必须分解为原子或离子才能溶于金属。一定温度下，气体在金属中的最大含量称为此气体的溶解度（氢的溶解度用SH表示）。氢在铁中的溶解度与温度的关系见图2-1。图2-1氮、氢在铁中的溶解度与温度的关系（）从图2-1中可以看出：液态铁中当T<2400℃时，随温度升高，氢的溶解度增大（T↑→SH↑）。在液固转变点氢的溶解度发生突变，急剧下降。这往往是造成氢气孔的主要原因。固态组织的相变氢在不同晶体结构中的溶解度是不同的，一般在面心立方晶格的奥氏体钢中的溶解度要比体心立方晶格的铁素体+珠光体钢中的溶解度要大。2.3.1.3氢在固态金属中的扩散固溶在钢焊缝中的氢原子和氢离子，由于半径很小，可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，所以称为“扩散氢”。部分氢扩散集聚到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂等空隙中，结合成为氢分子，因为半径大，不能自由扩散，所以称为“残余氢”。由于扩散，所以焊后随放置时间增加，扩散氢减少，残余氢增多，总氢量降低。氢在焊接接头中，既能在焊缝中扩散，也能向近缝区扩散，并能扩散到近缝区相当大的深度。在焊缝中，氢沿焊缝长度方向的分布基本均匀，只是在弧坑处含氢量高，所以在弧坑处容易产生氢缺陷。在近缝区，熔合线处的含氢量高低影响到此接头是否容易在此处产生冷裂纹。含氢量越高越容易产生冷裂，因为氢的存在是接头产生冷裂的三大因素之一。扩散氢的测定方法有甘油法、水银法、气相色谱法等，其中最常用的是甘油法。2.3.1.4氢的作用结果（对焊接质量的影响）氢几乎对所有的金属焊接都有害，氢的有害作用可分为两种：暂态现象——脆化、白点，经时效、热处理可消除；永久现象——气孔、冷裂纹，不可消除。⑴氢脆（氢致塑性损失）氢脆是氢在室温附近使钢的塑性指标（如延伸率和断面收缩率）严重下降的现象。氢脆是溶解在金属晶格中的氢引起的。在焊缝拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，结果形成显微空腔。与此同时，溶解在金属晶格中的原子氢不断沿着位错运动的方向扩散，最后聚集在显微空腔内，结合为分子氢。这个过程的发展使空腔内产生很高的压力，导致金属变脆。⑵白点（fisheye，鱼眼）是含氢量高的碳钢或低合金钢焊缝，在拉伸或弯曲试件断面上出现的银白色圆形斑点。许多情况下，白点的中心有小夹杂物或气孔，好象鱼眼一样，所以又称为鱼眼。白点是在塑性变形过程中产生的，使焊缝塑性严重下降。“诱捕理论”解释：焊缝中的气孔及非金属夹杂物边缘的空隙，好象“陷阱”一样捕捉氢原子，并在其中结合成氢分子，在拉伸试验中“陷阱”中的氢分子被吸附。由于塑性变形新产生的微裂纹表面上，分解成原子氢，原子氢扩散到微裂纹金属晶格内，引起金属脆化。⑶氢气孔因为在焊接过程中如果熔池吸收了大量的氢，那么在它结晶时由于溶解度的突然下降，使氢处于过饱和状态，这将促使2H=H2反应发生。反应生成的分子氢不溶于金属，于是在液态金属中形成气泡。当气泡外逸速度小于结晶速度时，就在焊缝中形成气孔。⑷冷裂纹冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，危害很大。控制氢的措施（1）限制氢的来源合理选择药皮原材料②严格烘干焊接材料③气保护焊时，限制保护气中的含水量，必要时可采取去水、干燥等措施。④清除焊丝和焊件表面上的油、锈、吸附水等杂质。可以采取机械或化学方法清除。为防止焊丝生锈，许多国家都采用表面镀铜处理。（2）冶金措施①提高气相的氧化性（OH夺H）②氟化物除氢（HF夺H）③药芯或药皮中加入微量稀土元素（3）工艺措施焊接规范对[H]也很有影响。①电流一般，由于I↑→电弧温度高，氢分解度大；熔滴温度高，氢溶解度大，所以[H]↑②电压电压U↑→弧长↑→熔滴与H作用时间↑→[H]↑→应短弧操作③电流的种类和极性直流反接（试件接负极，焊把接正极）氢量最少，交流最多。④焊速焊速对焊缝中的总含氢量没有影响，但对扩散氢与总氢量的比值有很大影响。（4）焊后脱氢处理焊后加热焊件，促使氢扩散外逸，从而减少接头中含氢量的工艺叫做脱氢处理。焊后将焊件加热到350℃保温一小时，或加热到250℃保温6-8小时，可促使大部分氢扩散逸出。2.3.2氮对金属的作用及控制2.3.2.1氮的来源焊接周围的空气是电弧气相中氮的主要来源。尽管焊接时采取了保护措施（药皮保护、气保护等），但总有或多或少的氮侵入焊接区，与熔化金属发生作用。2.3.2.2氮的作用根据氮与金属的作用特点，可分为两种情况进行讨论：①与氮不发生作用的金属，如铜和镍等，它们既不溶解氮，又不形成氮化物。所以焊接这些金属时可以用氮气作为保护气体。②与氮发生作用的金属，如铁、锰、钛、硅、铬等，它们既溶解氮，又形成氮化物。所以焊接这些金属及其合金时就要防止焊缝金属的氮化。2.3.2.3氮在金属中的溶解氮在铁中的溶解度随温度的变化关系见图2-1。可以看出，和氢相似，在液态铁中2200℃下随温度升高氮溶解度增大，2200℃以上迅速减小到0；液固转变（也就是液体凝固）时溶解度突降，在固态铁中氮在不同晶格铁中的溶解度也不同。其中液固转变时溶解度突降这一点是造成氮气孔的主要原因。2.3.2.4氮对焊接质量的影响（1）氮气孔（2）机械性能提高焊缝金属的强度、硬度，降低塑性和韧性（特别是低温韧性）。（3）时效脆化（随时间延长，强度增高而塑韧性下降的现象）焊缝金属中过饱和的氮处于不稳定状态，随时间延长过饱和的氮逐渐析出，形成稳定针状氮化物Fe4N，从而强度上升而塑韧性下降。2.3.2.5控制措施（1）加强保护，防止空气与液态金属接触（2）工艺措施①采用短弧焊。②增大焊接电流。③采用直流反接。（3）冶金措施①增加焊丝或要皮中的碳含量②加入钛、铝、锆和稀土等与氮亲和力大的合金元素2.3.3氧对金属的作用及控制2.3.3.1氧的来源（1）弧气中的氧化性气体O2、CO2和水蒸气。（2）氧化性熔渣（含FeO、MnO、SiO2）（3）焊丝、工件表面的锈（含Fe2O3）、氧化铁（Fe3O4）2.3.3.2氧在金属中的溶解氧是以原子氧和FeO两种形式溶于液态金属中的，由于FeO中也只有一个氧原子，所以金属中两种形式的含氧量都可用[O]表示。氧在液态铁中溶解度与温度的关系也是溶解度随温度的升高而升高。在液态铁中加入合金元素时，随合金元素的增加氧的溶解度下降。在铁冷却过程中，氧的溶解度急剧下降。在凝固温度（1520℃）其溶解度为0.16%，而在室温下α铁中几乎不溶解氧（<0.001%）。所以，焊缝金属和钢中所含的氧几乎全部是以氧化物和硅酸盐夹杂物的形式存在。焊缝含氧量一般是指总含氧量而言，它既包括溶解的氧，也包括非金属夹杂物中的氧。2.3.3.3氧对焊接质量的影响焊缝中的氧不论以何种形式存在，对焊缝的性能都有很大的影响：降低焊缝的力学性能[O]↑→焊缝的强度、塑性、韧性，尤其低温冲击韧性急剧下降（2）增加焊缝的冷脆与热脆敏感性（3）降低焊缝导电性、导磁性、耐蚀性等物化性能（4）使焊缝中有益的合金元素烧损，并造成飞溅和气孔。2.3.3.4氧的控制措施（1）纯化焊接材料（2）工艺措施（正确选择焊接规范）（3）冶金脱氧2.4焊缝金属化学成分的控制2.4.1焊接化学冶金过程的氧化与还原2.4.1.1金属的氧化焊接时金属的氧化是在各个反应区通过氧化性气体（如O2、CO2、H2O等）、熔渣以及坡口表面上的氧化物与金属相互作用实现的。（1）氧化性气体对金属的氧化①自由氧对金属的氧化[Fe]+1/2O2=FeO+26.97kJ/mol[Fe]+O=FeO+515.76kJ/mol②CO2对金属的氧化CO2=CO+1/2O22[Cr]+3CO=(Cr2O3)+3[C]③H2O对金属的氧化H2O气+[Fe]=[FeO]+H2（2）活性熔渣对金属的氧化活性熔渣对金属的氧化可分为两种基本形式：扩散氧化和置换氧化，置换氧化是金属氧化的主要途径。①扩散氧化焊接钢时，由于FeO既能溶于渣又能溶于液态钢，所以它能在钢液和熔渣间进行扩散。在一定温度平衡时，它在两相中的浓度应符合：L=(FeO)/[FeO]在温度不变的情况下，当增加熔渣中FeO的浓度(FeO)时，(FeO)/[FeO]大于分配系数L，扩散平衡被破坏，渣中的FeO就会向钢液中扩散，这个过程就是扩散氧化。可以看出，由于(FeO)/[FeO]>L是发生扩散氧化的条件，所以L越小扩散氧化越容易发生。已经证明温度越高，L越小，所以扩散氧化主要是在温度高的熔滴阶段和熔池高温区进行。扩散氧化过程需要一定的时间，所以它不是金属氧化的主要途径。②置换氧化置换氧化又叫渗锰渗硅增氧反应，是渣中的活性氧化物MnO、SiO2与钢液间发生置换氧化反应：置换氧化是吸热反应，所以主要发生在熔滴区和熔池高温区，是金属氧化的主要途径。（3）焊件表面氧化物对金属的氧化2Fe(OH)2＝Fe2O3+3H2OFe2O3+［Fe］＝3FeOFe3O4+[Fe]=4FeO脱氧反应（1）对脱氧剂的要求用于脱氧的元素或铁合金叫脱氧剂。为达到脱氧目的，脱氧剂应满足下列要求：①脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的亲和力大。②脱氧的产物应不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度，同时应尽量使脱氧产物处于液态。③必须考虑脱氧剂对焊缝成分、性能及工艺性能的影响。④成本尽量低。（2）脱氧反应①先期脱氧先期脱氧发生在药皮反应区。Fe2O3+Mn=MnO+2FeOFeO+Mn=MnO+FeOMnO2+Mn=2MnO2CaCO3+Ti＝TiO2+2CaO+2CO2CaCO3+Si=SiO2+2CaO+2CO先期脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和力、它的粒度、氧化剂与脱氧剂的比例、焊接电流密度、伸出长度等因素。②扩散脱氧它是扩散氧化的逆反应，发生在液态金属与熔渣界面，以分配定律为理论基础。当(FeO)/[FeO]>分配系数L时，发生扩散氧化，温度升高L值减小有利于扩散氧化进行，所以扩散氧化发生在熔滴区以及熔池头部高温区，另外碱性渣也有利于扩散氧化进行。扩散脱氧和扩散氧化相反，当(FeO)/[FeO]<分配系数L时，发生扩散脱氧，温度降低L值增大有利于扩散脱氧进行，所以扩散脱氧发生在熔池尾部低温区，另外酸性渣有利于扩散脱氧进行。由于扩散脱氧发生在温度较低的熔池尾部，熔渣与金属的粘度大，而且时间短，所以扩散脱氧不是脱氧的主要途径。扩散脱氧的优点是不会因脱氧而造成夹杂。③沉淀脱氧（置换脱氧）这是置换氧化的逆反应。它的原理是利用溶于液态金属中的脱氧剂和[FeO]反应，把铁还原，而且要求脱氧产物浮入渣中。沉淀脱氧比先期脱氧进行的彻底，是最重要的脱氧方法。下面介绍几种常见的脱氧反应：碳脱氧[C]+[FeO]=CO↑+[Fe]锰脱氧[Mn]+[FeO]=(MnO)+[Fe]硅脱氧[Si]+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]硅锰联合脱氧2.4.2硫、磷对焊缝金属的作用和控制2.4.2.1硫的危害与控制（1）硫的危害硫是钢中的有害杂质之一，当它以FeS形式存在时危害最大。它容易发生偏析，以低熔点共晶Fe+FeS(熔点985℃)和FeS+FeO(熔点940℃)的形式呈片状或链状分布在晶界上，这样就增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性。（2）控制硫的措施可以从限制来源、采取冶金措施两方面加以考虑，以“限”为主。⑴限制来源焊缝中的硫主要来源有三个：⑵冶金脱硫方式有三种：元素脱硫[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe]熔渣脱硫[FeS]+(MnO)=(MnS)+(FeO)[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)[FeS]+(MgO)=(MgS)+(FeO)稀土2.4.2.2磷的危害与控制（1）磷的危害磷在多数焊缝中都是一种有害的杂质，存在形式以Fe2P和Fe3P为主。和硫一样，磷也是在液态铁中溶解度大，在固态铁中溶解度很小，金属发生液固转变时，磷在晶界偏析形成磷化铁。磷化铁可以和铁、镍形成晶界低熔点共晶相（Fe3P+Fe：1050℃，Ni3P+Ni：880℃），促使金属热裂；即使不形成低熔点共晶相，由于磷化铁本身硬而脆，所以磷化铁的存在又会促使冷脆。（2）控制磷的措施由于磷一旦进入液态金属，脱磷就相当困难，比脱硫效果还差，所以控制[P]应以“限”为主。脱磷反应分为两步：①将磷氧化生成P2O5②使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐2[Fe3P]+5(FeO)+3(CaO)=(CaO)3·P2O3+11[Fe]2[Fe3P]+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4·P2O3+11[Fe]2.4.3焊缝金属的合金化（渗合金）所谓合金化，就是把需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程。2.4.3.1合金化的目的⑴补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因所造成的合金元素的损失。⑵消除焊接缺陷（气孔、裂纹等），改善焊缝金属的组织和性能。⑶获得具有特殊性能的堆焊金属。所以，研究焊缝金属的合金化具有非常重要的意义。2.4.3.2合金化的方式常用的合金化方式有以下几种：（1）应用合金焊丝（或带极、板极）（2）应用药芯焊丝或药芯焊条（3）应用合金药皮或粘接焊剂（4）应用合金粉末（5）置换氧化2.4.3.3合金过渡系数η（1）概念合金过渡系数等于某种合金元素在熔敷金属中的实际含量与它的原始含量之比，也就是：η=[Me]实/[Me]始某种合金元素在熔敷金属中的实际含量[Me]实可以用仪器直接测出来，而它的原始含量需要经过计算获得，[Me]始=d[Me]母材+(1-d)（[Me]焊丝+Kb[Me]药皮）式中：d为熔合比，即在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例；Kb为药皮质量系数（药皮质量/焊丝质量）或焊剂熔化率（焊剂熔化量/焊丝质量）。合金过渡系数通常小于1，且。（2）影响过渡系数的因素①合金元素的物化性质②合金元素的含量③合金剂的粒度④药皮（或焊剂）的成分⑤药皮重量系数Kb↑，η↓⑥过渡的途径：⑦焊接方法：一般，2.5焊接接头的组织和性能焊接接头包括焊缝、熔合区及HAZ三部分（图2-2）。图2-2焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-HAZ；4-母材熔池金属从液态凝固到室温，一般要经历两次组织变化：由液态转变为固体的凝固过程称为一次结晶；当温度降到相变温度后发生的组织转变称为二次结晶或固态相变，常温下的焊缝金相组织就是二次结晶组织。2.5.1焊缝金属的凝固组织2.5.1.1焊接熔池凝固的特殊性（1）熔池体积小、冷却速度快。（2）熔池中的金属处于过热状态（3）熔池是在运动状态下结晶2.5.1.2熔池凝固的特点（1）联生结晶焊接条件下，一般是以熔合区附近加热到半熔化状态的母材晶粒表面为现成表面，开始形核，并且以柱状晶的形态向焊缝中心生长。这种依附母材半熔化晶粒为现成表面，并与柱状晶粒形成共同晶粒的凝固方式称为联生结晶或外延结晶。（2）择优生长柱状晶生长时它的长大趋势不同，当母材半熔化晶粒的晶格位向（晶体最易长大方向）与最大温度梯度方向（散热最快的方向）一致时，有利于柱状晶的生长。（3）偏向晶与定向晶柱状晶的生长方向和焊速还有关系。在一般焊速下，柱晶是呈朝焊缝中心生长并向焊接方向前倾的弯曲形态，称为偏向晶，焊速越慢，柱晶前倾的越厉害。如果相反，焊接速度很高，那么柱晶生长方向基本不变，它是垂直与焊缝金属边界对向生长，从而形成定向晶。2.5.1.3焊缝凝固组织的形态焊缝中的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。柱状晶的微观形态又分为平面晶、胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶。如果钢中合金元素含量增大、液态熔池内温度梯度降低或熔池凝固速度增大时，焊缝凝固组织就趋向于向等轴晶发展。如高速焊时在焊缝中心易形成等轴晶；弧坑处液相少，合金浓度高且凝固速度快，也容易形成等轴晶。2.5.1.4焊缝的凝固偏析焊缝金属在结晶过程中，由于冷却速度快，已经凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，这就出现了凝固偏析。偏析严重，可能会导致气孔、热裂纹和夹渣等缺陷。一般焊缝中的偏析主要有三种：（1）枝晶偏析（微观偏析）（2）区域偏析（宏观偏析）区域偏析是指整个焊缝范围内的成分不均匀性。在柱晶生长中，熔池边缘先凝固，低熔点共晶物以及杂质被赶向熔池中心最后凝固形成宏观偏析。因为整个焊缝中心富集了低熔点物质，所以焊缝冷却收缩时就容易沿焊缝中心裂开，产生宏观的纵向裂纹。微观偏析导致产生的是沿晶开裂。图2-3不同形状焊缝的区域偏析（3）层间偏析图2-4为层状偏析的情况，经过腐蚀的焊缝横断面上存在层状偏析轮廓线，它和熔合线轮廓平行，而且越靠近熔合线，层状线越密越清晰。层状偏析会导致焊缝力学性能不均匀，而且沿层状线容易产生气孔和结晶裂纹。图2-4层状偏析示意图2.5.1.5焊缝金属的一次结晶组织（1）一次结晶形态对焊缝性能的影响焊缝一次结晶组织的形态对焊缝的性能影响很大，因为一次结晶组织如果粗大的话，后面发生固态相变时转变成的组织晶粒也会粗大，一次结晶过程中产生的化学成分偏析等现象不会消失。（2）一次结晶组织的改善冶金措施工艺措施a、焊后热处理b、多层焊c、振动结晶2.5.2焊缝金属的固态相变2.5.2.1低碳钢焊缝的二次组织低碳钢的含碳量低（≤0.125%），焊缝的二次组织就是由铁素体加少量珠光体构成的。铁素体沿原奥氏体晶界析出，具有一次组织的柱状轮廓，称先共析铁素体，晶粒十分粗大，有时呈粗大的魏氏组织，使得焊缝的冲击韧性大大降低。改善组织条件：1)多层焊：使焊缝获得细小和少量珠光体，使柱状晶组织破坏。2)焊后热处理：加热A3+20~30℃，柱状晶消失。3)冷却速度：冷却速度↑，珠光体的比例增多且珠光体组织细化，强度、硬度↑，但塑性↓2.5.2.2低合金钢焊缝的二次组织根据低合金钢焊缝的成分和焊接时的冷却条件，低合金钢焊缝可能会出现铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体四种转变，其中铁素体转变占主要地位。2.5.2.3改善焊缝二次组织的途径改善二次组织是提高焊缝性能的重要途径生产上采用的方法很多，常用的方法有：（1）焊后热处理（2）多层焊（3）锤击焊缝表面（4）跟踪回火焊接热循环2.5.3.1焊接热循环的概念在焊接热源作用下，焊件上某点温度随时间的变化过程称为焊接热循环。图2-5焊接HAZ不同部位的热循环特点2.5.3.2特征参数⑴加热速度ωH⑵峰值温度TP⑶高温停留时间tH⑷冷却速度ωc2.5.3.3影响焊接热循环的因素⑴线能量E表示单位长度焊缝从移动热源处获得的能量，E=36UI/V（J/cm），其中V是焊接速度（m/h）。⑵预热温度T0⑶接头形式和尺寸⑷焊件尺寸⑸焊道长度⑹多层或多道焊2.5.4热影响区金属的组织和性能焊接时HAZ上各点距焊缝的远近不同，它们所经历的焊接热循环也就不同，最终导致组织和性能不同。2.5.4.1焊接热影响区的固态相变特点（1）加热温度高；（2）加热速度快；（3）高温停留时间短；（4）自然条件下连续冷却；（5）局部受热。2.5.4.2不易淬火钢的HAZ对于一般常用的低碳钢和16Mn、15MnV、15MnTi等低合金钢，根据组织上的特征，HAZ可分为四个区（图2-6）：⑴熔合区熔合区是母材与焊缝交界的部位，微观显示是母材半熔化的区域（温度处在母材的固液相线之间）。⑵过热区这个区的温度范围是固相线以下到1100℃左右。在这个温度范围，奥氏体晶粒发生严重的长大，冷却之后就得到粗大的组织，在气焊和电渣焊条件下，还常出现魏氏组织。⑶正火区（相变重结晶区）焊接时母材金属被加热到AC3以上的部位，铁素体和珠光体体全部转化为奥氏体，发生重结晶，随后在空气中冷却就会得到均匀细小的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织。这个区的塑韧性都比较好。⑷不完全重结晶区（部分相变区）焊接时处于AC1～AC3之间范围内的热影响区就属于不完全重结晶区。因为只有珠光体那一部分发生了相变重结晶，冷却下来成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分始终没能溶入奥氏体的铁素体就成为粗大的铁素体。所以，这个区的特点是晶粒大小不一，组织不均匀，因而机械性能不均匀。图2-6焊接热影响区的温度分布与状态图的关系a)热影响区的组织分布b)铁碳状态图c)热循环（图中Tm为峰值温度，TG为晶粒长大温度）⑸再结晶区当母材焊前经过冷塑性变形（如冷轧钢板、冷弯、冷冲压等），则加热到500℃～Ac1的区域将形成再结晶区。冷塑性变形后晶格歪扭或破碎的晶粒又回复为原来的等轴晶粒，加工硬化现象消除，强度与硬度降低而塑性与韧性增加，成为接头中的一个软化区。2.5.4.3易淬火钢的HAZ这类钢包括低碳调质高强钢（18MnMoNb）、中碳钢（如45号钢）和中碳调质高强钢（30CrMnSi），焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。如果母材焊前是正火或退火状态，焊后热影响区的组织分布见图2-7。⑴完全淬火区焊接时热影响区处于AC3以上的区域，加热时常温下的组织完全转化为奥氏体。由于这类钢的脆硬倾向大，所以焊后将得到淬火组织（马氏体）。⑵不完全淬火区母材被加热到AC1到AC3之间范围内的热影响区。在快速冷却条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转化为奥氏体。随后快速冷却时，奥氏体转化为马氏体。原铁素体保持不变并有不同程度的长大，最后形成马氏体-铁素体组织。当含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，也可能出现索氏体和珠光体。⑶回火区如果母材在焊前是调质状态（淬火+回火），那么焊接热影响区的组织，除了上述的两个区以外，还存在一个回火区。2.6焊缝中的气孔与夹杂气孔和夹杂是焊接生产中经常遇到的一种缺陷，对焊接接头的质量影响很大，会削弱焊缝的有效工作断面，还会引起应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度更为不利，有时气孔和夹杂还会引起裂纹。2.6.1焊缝中的气孔2.6.1.1气孔的类型和分布特征焊缝中能形成气孔的气体不外有两类：第一类：高温时某些气体溶于熔池金属中，当结晶和相变时，气体的溶解度突然下降而来不及逸出残留在焊缝内部的气体，比如氢和氮。第二类：由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO和H2O等。⑴氢气孔多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面看呈喇叭口形，而且气孔的内壁光滑。有个别残存在内部，以小圆球状存在。产生原因：焊接过程中，熔池金属吸收大量的氢气，在冷却和结晶过程中，氢的溶解度发生了急剧下降，熔池冷却速度快，来不及逸出，残存在内部，发生了氢的过饱和，而氢具有较大的扩散能力，极力挣脱现成表面，上浮逸出，最终形成具有喇叭口形的表面气孔。⑵氮气孔和氢相似，气孔也多出现在焊缝表面，但多数情况下是成堆出现，和蜂窝相似。氮气孔的产生主要是由于保护不好，有较多的空气侵入熔池造成的。如果焊接正常，生产中氮气孔很少出现。⑶CO气孔正常情况下，CO气孔沿结晶方向分布，象条虫子卧在焊缝内部。形成原因：焊接碳钢时，由于冶金反应产生大量的CO，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。2.6.1.2气孔的形成机理气孔的产生过程由三个相互联系又彼此不同的阶段组成，也就是：气泡形核、长大和上浮（浮出：无气孔；浮不出：气孔）。焊接条件下，容易满足气孔产生的条件。⑴气泡形核气泡的形核至少需要具备两个条件：①液态金属中有过饱和的气体（重要条件）②具备形核所需的能量（有现成表面存在，可以大大降低能量消耗）⑵气泡的长大气泡长大的条件是：Ph>Pa+Pc=Pa+2σ/r一般情况下，气泡核的半径很小，不容易满足上面的条件，所以气泡很难长大，但是在焊接熔池中，由于有许多现成表面，使气泡呈椭圆形而不是圆形，曲率半径增大，从而使气泡长大的条件满足。⑶气泡上浮平衡时：分析：当θ<90°：有利于气泡上浮，气泡形成的快，完全脱离现成表面。当θ>90°：由于形成细颈过程需要时间，结晶速度较大时，就会形成气孔。即：θ↓→cosθ↑→气泡易脱离现成表面→cosθ↑→θ↓→气泡易脱离现成表面。②结晶速度RR较小时，气泡有充分时间逸出，无气孔，气泡易上浮；R较大时，气泡上浮时间短，可能残余在焊缝内部。③气泡上浮速度为：由公式可知：(a)r↑，v↑→易浮出(b)液体金属密度越大，v↑→不易形成气孔。（主要与液体金属密度有关，几乎与气泡密度无关）Al液体金属密度小，产生气孔可能性↑；(c)η影响最大，T↑，η↓→易上浮v↑。T↓η↑↑，V↓易形成气孔。④焊缝中产生气孔的条件是：V≤R。2.6.1.3影响气孔产生的因素以及防止措施影响气孔产生的因素很多，这里只介绍冶金因素和工艺因素两方面的影响。⑴冶金因素的影响熔渣氧化性的影响焊条药皮和焊剂的影响焊丝成分保护气成分铁锈和水分对产生气孔的影响⑵工艺因素的影响焊接规范的影响电流↑：熔池存在时间↑，气体外逸；熔滴尺寸↓，比表面积↑，易产生气孔；熔深↓，不易使气体逸出；焊条电阻热↑，药皮提前脱落，易产生气孔。电压↑，N气孔↑。焊速↑，气孔增加。电流种类和极性生产经验证明，交流焊时比直流焊时气孔倾向大，直流焊时正接比反接气孔倾向大。也就是，气孔倾向：交流焊>直流正接>直流反接工艺操作方面的影响焊前仔细清除焊件、焊丝上的铁锈、油污焊条、焊剂严格烘干，并且烘干后不能放置时间过长，最好放在保温箱内，随用随取c.焊接时规范要稳定，对于低氢焊条应尽量采用短弧焊，并配合摆动有利于气体析出。2.6.2焊缝中的夹杂焊钢时，焊缝中的夹杂主要是指熔池凝固后仍残留在焊缝内的氧化物、氮化物和硫化物。它们常以多角形、链状或球状形式存在。当夹杂物较大时，不仅降低焊缝的塑性与韧性、增大低温脆性和降低疲劳强度，还可能导致热裂纹的产生。母材中的层状硫化物夹杂则可能导致层状撕裂。2.6.2.1焊缝中夹杂物的种类和危害焊缝中常遇到的夹杂物有三种：⑴氧化物⑵氮化物⑶硫化物2.6.2.2防止焊缝中夹杂物的措施防止焊缝中产生夹杂主要是要正确选择焊条、焊剂的渣系，使它更好的脱氧、脱硫。其次是注意工艺操作：①选用合适的焊接规范，并加上摆动焊条，以便于熔渣的浮出；②多层焊时，应注意清除前层焊缝的残渣；③施焊时尽量采用短弧焊，以保护熔池。2.7焊接材料焊接生产中使用的焊接材料，一般指熔焊时用于进行焊接连接的易耗材料，包括焊条、焊剂、焊丝和保护气体。它们参与焊接冶金反应，对焊接过程的稳定性、接头的性能和质量、焊接生产率等都有很大的影响。2.7.1焊条是手工电弧焊中用的焊接材料。在焊接过程中，它在焊接回路中可以传导电流、作为引燃电弧的一个电极，同时它还起着填充金属的作用，在热源作用下熔化并与熔化的母材共同形成焊缝。2.7.1.1焊条的分类按焊条用途分：结构钢焊条：结×××或J×××钼和铬钼耐热钢焊条：热×××或R×××不锈钢焊条：铬×××或G×××，奥×××或A×××堆焊焊条：堆×××或D×××低温钢焊条：温×××或W×××铸铁焊条：铸×××或Z×××镍及镍合金焊条：镍×××或Ni×××铜及铜合金焊条：铜×××或T×××铝及铝合多焊条：铝×××或L×××特殊用途焊条：特×××或TS×××按焊接熔渣的碱度分：酸性焊条、碱性焊条2.7.1.2焊条的牌号以结构钢为例：结（J）XXX——结为结构钢焊条，第3个数字代表药皮类型、焊接电流要求（见表2－2），第1、2数字代表焊缝金属抗拉强度。如：2.7.1.2焊条的型号焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。以结构钢为例，型号编制法为字母“E”表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。焊条的组成焊条是由焊芯和药皮两部分组成的。（1）焊芯焊芯是采用焊接专用纲丝制成，是经过特殊冶炼而成，该焊接专用钢丝称为焊丝。作用：①作为电极，传导焊接电流，产生电弧；②作为填充金属，与熔化的母材金属共同组成焊缝金属，占整个焊缝金属的50～70%；③添加合金元素。（2）药皮药皮的作用：①改善焊接工艺性能—易于引弧和再引弧，稳弧性好，减少飞溅，使焊缝成形美观。②机械保护作用──气保护和渣保护。③冶金处理作用──去除有害杂质（如O.H.S.P等），添加有益元素。2.7.1.4焊条的工艺性能焊条的工艺性能是衡量焊条好坏的重要指标，它主要包括：稳弧性、焊缝成形、各种焊接位置的适应性、飞溅、脱渣性、焊条的熔化速度、药皮发红程度、焊条发尘量等。2.7.1.5焊条的选用原则焊条选用总的原则是：尽可能使接头的使用性能与母材的保持一致。（1）根据母材的物理、机械性能和化学成分①等强原则、低强原则②合金结构钢与不锈钢焊接时（属异种金属焊接），应选用适于异种材料焊接的焊条，或采用过渡层的方法来匹配焊条。③母材C、S、P等杂质含量高时，应选用抗裂性、抗气孔性好的焊条来施焊。④凡要求焊缝金属具有高塑性、高韧性，并有响应强度指标时，应选用碱性低氢焊条。⑤强度不相同的异种材料进行焊接，应该根据强度级别低的母材来选配焊条。目的也是在于保证焊缝有响应的塑性和抗裂性。⑥焊接强度级别高的高强钢时应在保证韧性的条件下等强，一般采用低强匹配的原则来保证接头的韧性。（2）根据母材工作条件和使用要求①对于工作环境有特定要求的焊接结构，要选用与它相匹配的特殊焊条。比如低温钢的焊接、水下焊接。②在腐蚀介质种工作的焊件，应根据介质的类别、浓度、工作温度、工作压力、工作期限等选用专用的焊条。比如，不锈钢、渗铝钢的焊接。③堆焊焊件时，应根据焊件具体的耐磨性、耐蚀性要求来选配堆焊焊条。④珠光体耐热钢通常选用与母材成分相似的耐热钢焊条相匹配。（3）根据焊接结构的特点①对于立焊、仰焊较多的焊件，应选用立向下等专用焊条。②对于几何形状复杂，且厚度刚性大的焊件，应选用抗裂性好的焊条。比如低氢焊条。③对于因受某种条件限制，焊件坡口无法进行清理，或在坡口处存在油污、锈迹的，应选用抗油污、铁锈能力强的酸性焊条。（4）根据焊接现场设备条件（5）根据劳动条件和生产效益①当酸性和碱性焊条都能满足设计要求时，应选用酸性焊条。因为酸性焊条工艺性好，焊接发尘量少，对焊工身心健康有好处。当必须采用碱性焊条时，应考虑通风和相应的劳动