焊接技术概述，焊接方法与技术的发展历程

2.1.3.1 焊接技术概述

焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且使用或不使用填充材料，使工件达到结合的一种加工方法；也可以认为焊接是指通过适当的手段使分离的物体产生原子（分子）间的结合而连接成为一体的材料加工方法。其主要的加工材料是金属。

焊接是一种新兴而古老的加工技术，早在3000年前我国古代就已有铜-金、铅-锡焊接的应用；举世瞩目的秦始皇兵马俑坑中出土的铜车马构件上就有锻焊和钎焊的焊缝；明代的科学著作《天工开物》中也有关于锻焊的记载。而目前工业生产中广泛应用的现代焊接技术则几乎都是19世纪末20世纪初发展起来的现代科学技术，属于冶金学、金属学、力学、电工、电子学等学科迅速发展的产物。1885年俄国人发现了气体放电电弧，为电弧焊接提供了可靠的能源，1930年前后出现了涂药焊条电弧焊，此后相继出现了埋弧焊、钨极氩弧焊以及熔化极气体保护焊等焊接方法；1886年发明了电阻焊，并逐步完善为电阻点焊、缝焊和对焊方法，几乎与电弧焊同时推向工业应用。从此电弧焊和电阻焊便逐步取代铆接，成为制造工业中广泛应用的基础加工工艺。

图2.105 焊接方法与技术的发展历程

20世纪，现代焊接技术发展十分迅速，继几种主要的电弧焊技术出现后，1950年出现了电渣焊、电子束焊；20世纪60年代出现了等离子弧焊和激光焊接；20世纪70年代出现了脉冲焊和窄间隙焊接；20世纪80年代开始太空焊接；至20世纪90年代已经有电弧焊18种，硬钎焊11种，固态焊接9种，软钎焊8种，电阻焊9种，气焊4种，其他焊10种，热喷涂3种，氧切割9种，电弧切割7种，其他切割6种以及扩散焊1种。近年来的表面张力过渡焊、搅拌摩擦焊、激光和电弧复合加热焊等，显示了新的焊接技术仍在不断地发展之中。图2.105所示为焊接方法与技术的发展历程。

材料的焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用，如舰船的船体、高炉炉壳、建筑构架、锅炉与压力容器、车厢及家用电器、汽车车身等工业产品的制造，都离不开焊接。焊接方法在制造大型结构件或复杂机器部件时，更显得优越。它可以采用化大为小、化复杂为简单的方法来准备原材料，然后用逐次装配，最后焊接的方法拼小成大、拼简单成复杂。这是其他工艺方法难以做到的，特别是在制造大型机器设备时，还可以采用铸-焊或锻-焊复合工艺，这样，只有小型铸-锻设备的工厂也可以生产出大型零部件。据发达国家统计，每年仅需要进行焊接加工使用的钢材就占钢产量的45%左右，而目前我国70%的钢材都经过了焊接加工。

由焊接的定义可以看出，焊接作为一种典型的连接方式，不仅在宏观上建立了永久性的焊接接头（简称接头），而且在微观上也建立了原子（分子）之间的内在联系，即：在一般情况下，焊接连接属于一种冶金结合。众所周知，金属之间是通过金属键结合在一起的。如图2.106所示，两个原子间的结合力是引力和斥力共同作用的结果。当原子间的距离为r₀时，结合力最大。对于大多数金属，r₀约为0.3～0.5nm。从理论上讲，当两被连接的固体金属表面接近于原子间的平衡距离r₀时，金属原子就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。但是实际上，即使是经过精加工的金属表面，也存在着一定的凹凸不平，同时金属表面还常常带有氧化膜或水、油污等吸附层，这些都会阻碍金属表面相互紧密接触。而焊接过程的实质就是采用物理化学的方法克服被连接物体（金属）表面的凹凸不平、表面氧化物及其他表面杂质及吸附层，使被连接物体（金属）能接近到原子晶格距离并形成结合力。为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上可采取两种措施：

（1）对被焊金属加热 其目的是使连接处达到塑性或熔化状态，使接触面的氧化膜迅速破坏，同时也可以降低金属变形的阻力，增加原子的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的发展。

（2）对被焊金属施加压力 其目的是使连接处发生局部塑性变形，以破坏接触表面的氧化膜，并增加有效接触面积，从而达到紧密接触。

焊接时，温度和压力的关系如图2.107所示。从图中可以看出，根据焊接连接的难易程度及工艺措施，可以把压力和温度的不同组合分为熔焊区、压力焊区、高压焊区以及不能实现焊接区，从而构成了不同的焊接方法。

图2.106 原子间结合力与距离的关系

图2.107 焊接时所需温度与压力之间的关系

2.1.3.2 焊接方法的分类

焊接方法的种类繁多，而且新的方法仍在不断地涌现，对焊接方法分类的方法也有所不同。但一般可以按照以上所述的焊接连接的物理化学机理的不同，分为熔焊、压焊和钎焊三大类，而每一大类中又可以根据具体的工艺、设备、材料以及保护措施的不同，分成若干小类，如图2.108所示。

图2.108 焊接方法分类

（1）熔焊 熔焊是将被焊工件待焊处的局部加热熔化，连接处的界面熔合，然后冷却结晶形成焊缝的焊接方法。熔焊方法需要一个或多个能量密度足够高的热源加热金属材料使其局部熔化。根据焊接热源的不同，熔焊方法又可细分为：以电弧作为主要热源的电弧焊（包括焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极氩弧焊、钨极氩弧焊、CO₂气体保护电弧焊、等离子弧焊等）；以化学热作为热源的气焊、铝热焊；以熔渣电阻热作为热源的电渣焊；以高能束作为热源的电子束焊和激光焊等。

熔焊时，被焊材料局部是在无需施加压力的情况下被加热熔化，但一般需要在焊接区采取有效的措施隔离空气，以避免空气对焊接高温区的不利影响。焊接接头的形成要经历复杂的物理化学冶金过程，因此要求两种被焊材料之间必须具备必要的冶金相容性。

（2）压焊 压焊是在焊接过程中必须对工件施加压力以完成焊接的连接方法。其中，施加压力的大小，同材料的种类、焊接温度、焊接环境和介质等因素有关系，而压力的性质可以是静压力、冲击压力或爆炸力。

压焊过程中，多数焊接区金属仍处于固相状态，依赖于在压力作用下产生的塑性变形、再结晶和扩散等作用形成接头，即压力的施加对形成连接接头起主导作用。但是，一般的压焊工艺过程中往往同时采用加热的措施，以促进焊接过程的进行，更易于实现焊接，或提高焊接的效率。在少数压焊过程中，如电阻点焊、缝焊等，焊接区的金属类似于熔焊过程，也处于熔化或半熔化状态，同时也被施加压力，即：加热→熔化→冶金反应→凝固→固态相变→形成接头，接近于熔焊的一般过程。不过，通过向焊接区施加一定的压力，可以提高焊接接头的质量。

根据压力的施加方式以及是否同时加热，压焊也可分为锻焊、电阻焊、高频感应焊、冷压焊、超声波焊、摩擦焊、爆炸焊等。

（3）钎焊 钎焊是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属或合金作钎料，经过加热使钎料熔化而母材不熔化，液态钎料通过毛细作用填充接头接触面的间隙，润湿被焊材料表面，通过液相与固相之间相互扩散作用而实现连接。钎焊的热源可以是化学反应热，也可以是间接热能。根据使用钎料熔点的高低，钎焊又可分为硬钎焊和软钎焊，其中硬钎焊使用的钎料的熔点高于450℃，软钎焊使用的钎料熔点低于450℃。根据钎焊的热源和保护条件的不同可分为：火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊、浸渍钎焊以及电阻钎焊等。

钎焊加热温度较低，母材不熔化。但焊前必须采取一定的措施清除被焊工件表面的油污、灰尘、氧化膜等。这是保证工件表面的润湿性以及接头质量的重要措施。此外，钎焊时由于加热温度低，故对工件材料的性能影响较小，工件的应力变形也较小。但钎焊接头的强度一般比较低，耐热性能较差。

2.1.3.3 典型焊接方法简介

1.焊条电弧焊

（1）焊条电弧焊的基本原理 焊条电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧来熔化金属并进行焊接的一种手工操作电弧焊接方法。焊条电弧焊的焊接过程如图2.109a所示，焊接前，把工件及焊钳分别接至弧焊机的两极，然后用焊钳夹持焊条。焊接时，首先在工件与焊条之间引燃电弧，在电弧热的作用之下，工件局部（焊缝区）及焊条端部同时熔化，形成高温金属液的熔池。焊条在人工操作下沿焊接方向前移，同时焊条下送，电弧跟随焊条端部同时移动，离开电弧加热区的熔池金属迅速冷却，凝固形成焊缝。此外，如图2.109b所示，在焊条电弧焊的过程中，在焊条的焊芯熔化的同时，焊芯表面所包覆的药皮也会同时熔化并分解成为气体和液态的熔渣。一方面，高温状态的焊接熔池在气体和液态熔渣的联合保护下，可以有效地与周围环境中的空气相隔绝，排除周围空气中对焊缝质量有害的气体（O₂，N₂，H₂以及水蒸气等）的作用；另一方面，通过高温下熔化金属和熔渣之间的冶金反应，可以还原和净化熔化金属，并进行一定程度的合金过渡，以获得质量优良的焊缝。当熔池金属凝固后，熔渣也随之凝固，形成渣壳。由于渣壳较为脆硬，因此可在工件冷却后较为容易地除去，留下表面成形良好的焊缝。

图2.109 焊条电弧焊示意图

a）焊条电弧焊的操作 b）焊条电弧焊焊缝的形成

1—电弧 2—熔池 3—焊缝 4—工件 5—焊条 6—焊钳 7—弧焊机 8—渣壳 9—熔渣 10—金属熔滴 11—焊芯 12—药皮 13—气体

（2）焊条电弧焊的特点及应用 焊条电弧焊所需的设备简单，操作方便且灵活，因此，是工业生产中应用最为广泛的一种焊接工艺方法。一般可以焊接碳钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等各种材料，以及不锈钢耐腐蚀层等的堆焊，适用的金属板材的厚度在2mm以上。

（3）焊条电弧焊设备

1）弧焊机。电弧焊需要专门的焊接电源，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。弧焊机按其供给焊接电流的性质，可以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特定特性的降压变压器，称为弧焊变压器，它把220V或380V网路电压的交流电变成适合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，但电弧稳定性差。图2.110所示是一种目前较为常见的交流弧焊机的形式，其型号为BX1—250。其中“B”代表弧焊变压器；“X”表示输出端电压与电流之间关系（也称电源外特性）为下降外特性；“1”为系列品种序号；“250”表示弧焊机的额定焊接电流为250A。

②直流弧焊机。生产中常用的直流弧焊机主要包括整流式直流弧焊机和逆变式直流弧焊机。前者为电弧焊专用整流器，也称弧焊整流器。它把网路交流电经降压和整流后变成直流电用于焊接，弥补了交流弧焊机电弧稳定性差的缺点，且焊机结构相对比较简单，噪声小。图2.111所示为ZXG—300型整流弧焊机的外形，其中“Z”代表弧焊整流器；“X”表示为下降外特性；“G”表示采用了硅整流原件；“300”表示焊机的额定焊接电流为300A。

图2.110 交流弧焊机

1—接地螺栓 2—电流指示器 3—焊机铭牌 4—调节手柄 5—焊接电源两极

图2.111 整流弧焊机

1—电流调节器 2—电流指示盘 3—电源开关

逆变式直流弧焊机，是一种新型的弧焊电源，它一般是将网路的单相或三相交流电经整流、滤波后变换成为直流电，然后借助于大功率电子开关器件，将直流电再转换成为几千赫至几万赫的中频交流电，再经中频变压器降压和输出整流器整流、电抗器滤波，最终获得焊接所需的电压及电流。逆变式直流弧焊机具有高效节能、质量轻、体积小、调节速度快和良好的弧焊工艺性等优势，因此，近年来发展迅速，逐步成为一种主导型的弧焊电源。

2）焊钳。焊钳是夹持焊条并传导焊接电流进行焊接的工具，也称电焊把。对焊钳的要求是应具有良好的导电性、不易发热、质量轻、夹持牢固、装换焊条方便以及安全耐用等。图2.112所示为焊钳的结构示意图。

图2.112 焊钳结构示意图

1—钳口 2—固定销 3—弯臂罩壳 4—弯臂 5—直柄 6—弹簧 7—胶木手柄 8—焊接电缆固定处

3）焊接面罩及护目镜。由于焊条电弧焊属于明弧操作，为了防止焊接时的弧光、飞溅等对焊接操作人员身体的损伤，在明弧焊接作业时，操作人员必须使用（或佩戴）安装有护目滤光片的焊接面罩。对面罩的要求是质量轻、坚韧、绝缘性和耐热性好；而对护目镜的要求是不仅能降低弧光（可见光）强度，而且能过滤红外线和紫外线的射线辐射，从人眼对光线的适应性考虑，以墨绿、蓝绿和黄褐色为主。

4）焊条保温筒。由于焊条在使用前需要保持干燥，以防止水分进入熔池影响焊缝的冶金质量，因此，现场焊接时通常将事先烘干的焊条置于保温筒中。焊条保温筒是现场焊接必备的辅具。一个焊条保温筒通常可装焊条2.5～5kg，保温温度一般在100～150℃，能维持焊条药皮含水率不超过0.4%。焊条保温筒可以起到很好的防粘泥土、防潮、防雨淋等作用。

（4）焊条电弧焊的焊接材料

1）焊条。焊条是焊条电弧焊所用的焊接材料，由焊芯和药皮两部分组成。如图2.113所示。

焊芯是指焊条内的金属丝，它具有一定的长度（焊条长度）和直径（焊条直径），其规格见表2.29。

图2.113 焊条

1—药皮 2—焊芯

表2.29 常见焊条的直径和长度规格 （单位：mm）

焊芯在焊接时的作用有两个：①作为电极传导电流并在其端部和工件之间产生电弧；②熔化后作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝。

药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，主要由矿石粉、铁合金粉以及粘结剂等原料按照一定的比例配制而成。其主要作用有：①改善焊条工艺性，使电弧易于引燃并保持稳定，有利于焊缝成形，减少飞溅；②在焊接过程中分解熔化成为气体和熔渣，对焊接区高温金属起保护作用；③起冶金处理作用，去除有害杂质，过渡有益的合金元素，以改善焊缝质量。

按照药皮熔渣化学性质的不同，焊条可以分为两大类，①熔渣中以酸性氧化物为主，称为酸性焊条；②熔渣中以碱性氧化物为主，称为碱性焊条。

按照用途焊条一般可以分为十大类，包括结构钢焊条、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。

2）焊条的型号和牌号。焊条型号是国家标准中规定的焊条代号，焊条型号以焊条国家标准为依据，反映焊条的主要特性。例如，焊接结构生产中应用最广的碳钢焊条和低合金钢焊条，依据的国家标准为GB/T 5117—2012和GB/T 5118—2012。标准规定，碳钢焊条型号由字母E和四位数字组成。如“E4301”，其含义如图2.114所示。（我国目前公布的碳钢焊条型号中，代表焊条熔敷金属抗拉强度的最小值的数字仅有“43”和“50”两种系列）。

图2.114 碳钢焊条型号的表示方法

焊条的牌号是根据焊条的主要用途及性能特点，对焊条产品进行具体命名，并由焊条生产企业制定。目前，焊条牌号绝大多数已在全国统一。通常焊条牌号用一个（或两个）汉语拼音字母加三位数字来表示。字母表示焊条牌号的大类或用途，见表2.30；前两位数字表示焊条熔敷金属抗拉强度等级（kgf/mm^2[1]）；最后一位数字代表焊条的药皮类型及焊接电流种类，见表2.31。

表2.30 焊条用途及相应牌号表示方法

表2.31 焊条牌号末位数字含义

每种焊条只有一个牌号，但多种牌号的焊条可以同时对应于一种型号，部分常用碳钢用焊条型号与牌号的对照见表2.32。

表2.32 部分常用碳钢焊条型号与牌号对照表

3）焊条的选用。焊条的选用应根据被焊工件的情况、施工条件及焊接工艺等因素综合考虑。不同钢号母材焊接推荐选用的焊条见表2.33。

表2.33 不同钢号母材焊接推荐选用的焊条

（续）

图2.115 自动埋弧焊工作过程示意图

1—焊丝盘 2—操纵盘 3—小车 4—立柱 5—横梁 6—焊剂漏斗 7—送丝电动机 8—送丝机 9—小车电动机 10—机头 11—导电嘴 12—焊剂 13—渣壳 14—焊缝 15—焊接电缆 16—控制线 17—控制电缆 18—控制箱 19—焊接电源

2.埋弧焊

（1）埋弧焊的基本原理 埋弧焊是利用建立在熔化的焊丝电极和金属工件之间的电弧来加热熔化金属，进而形成焊缝的一种焊接方法。与焊条电弧焊不同的是：①埋弧焊的电弧在焊丝和工件之间引燃，焊丝作为形成焊缝的填充材料，是连续送进的，且其表面并不辅以药皮包裹；②埋弧焊是利用在颗粒状焊剂层下燃烧的电弧来熔化焊丝、焊剂以及母材，因此正常操作过程中并无可见的明弧。根据操作方式不同，埋弧焊可以分为自动埋弧焊和半自动埋弧焊，前者焊丝的送进及电弧的移动均由机械自动完成；后者焊丝送进由机械完成，而电弧的移动则由操作者手持焊炬完成。后者因劳动强度大，焊缝质量不稳定，目前已很少采用。因此，一般的埋弧焊，如无特别说明，均指自动埋弧焊。自动埋弧焊的具体工作过程如图2.115所示，焊剂漏斗中的颗粒状焊剂由送焊剂导管流出后，均匀地堆覆在装配好的工件上，送丝机构（送丝电动机和送丝轮）驱动焊丝经导电嘴送进，使焊丝端部插入覆盖在焊接区的焊剂中，在焊丝和焊剂间引燃电弧（图2.116），电弧热使工件、焊丝及焊剂熔化，并部分蒸发，工件与焊剂之间形成一个气泡，电弧就在这个气泡中燃烧。同时，熔化的焊剂由于密度较小，因此浮至焊缝的表面形成一层保护熔渣，其不仅能够很好地将空气与电弧和熔池隔离，而且能屏蔽有害的弧光以及其他射线的辐射。随电弧的远离，熔池结晶为焊缝，而熔渣凝固为渣壳，焊后除去。未熔化的焊剂仍然可以回收再利用。

（2）埋弧焊的特点及应用 与焊条电弧焊相比，埋弧焊具有以下优势：

图2.116 埋弧焊焊缝的形成过程

1—焊缝 2—熔池 3—工件 4—电弧 5—焊丝 6—焊剂 7—熔渣 8—渣壳

1）生产效率高。埋弧焊时，焊丝伸出长度较短，因此可以采用较大的焊接电流，加上电弧在密闭的焊剂气泡中燃烧，因此热效率较高，使焊丝与母材熔化快，提高了焊接速度；另一方面，因焊接电流大，因此熔深大，对较厚的工件可以不开坡口或开较小坡口就可以保证一次焊透，也提高了生产率，节省了材料消耗和加工工时。

2）焊缝质量好。埋弧焊时，焊接区和熔池得到了较为可靠的保护，大大减少了有害气体的侵入，同时还可以降低焊缝金属的冷却速度，这均有利于焊缝综合力学性能的改善与提高。尤其是自动埋弧焊，焊接规范稳定，焊接速度均衡，焊缝表面成形质量良好。

3）劳动条件好且对操作者的要求不高。由于实现了焊接自动化，操作较为简便，降低了劳动强度和技术水平要求；同时电弧在焊剂层下燃烧，没有可见的弧光的有害影响，烟尘释放量也相对较少，因此，操作环境较好。

埋弧焊目前应用最多的是自动埋弧焊，其主要适用于中厚板的批量焊接，焊接水平位置的长直焊缝及较大直径的环焊缝是其优势所在，因此，多应用于石油化工、压力容器、航空航天及船舶制造等生产行业。

（3）埋弧焊设备 埋弧焊设备以埋弧焊机为核心并辅以各种辅助设备，如图2.115所示。

埋弧焊机根据其结构与使用场合的不同，一般可以分为小车式、悬臂式和门架式三种。小车式是将送丝、行走、机头调整机构及焊丝盘、焊剂漏斗、控制盘等全部安装在一台四轮小车上，如图2.117所示。小车可以直接安放在工件上或移动式轻便导轨上，能焊接不同的对接焊缝、角焊缝和圆形容器的内外纵缝及环缝。

悬臂式是为各种容器的环缝、纵缝焊接所设计的专用埋弧焊机结构形式。是利用立柱和横臂使焊机机头在空间进行三维移动，范围较大。使用时，无需添加行车架等装置就可实现多种大尺寸环缝、纵缝及板梁结构的角焊缝焊接。如图2.118所示。

此外，还有一种门架式埋弧焊机，采用大跨度门架作为行走机构，如图2.119所示。焊机通常装于固定导轨上，比较适合于大批量生产的大型平板拼接和单面焊双面成形等专用焊接应用场合。

埋弧焊中所采用的辅助设备是为了使焊缝处于最佳施焊位置（平焊），或为了达到某种工艺目的所配置的工艺装置。其中包括使工件准确定位和夹紧的焊接夹具；使工件旋转、倾斜、翻转的工件变位机；使焊接机头准确送至待焊位置的焊机变位机；能自动回收焊剂的焊剂回收器等。

图2.117 小车式埋弧焊机

图2.118 悬臂式埋弧焊机

图2.119 门架式埋弧焊机

（4）埋弧焊用焊接材料

1）焊丝。埋弧焊中，焊丝的作用和焊条中焊芯的作用是类似的。首先是起到和局部母材同时熔化，填充母材之间的间隙，共同形成最终的焊缝金属的作用；其次是通过焊丝可以过渡一些有益的合金元素，以获得组织性能得到改善的焊缝金属。

埋弧焊所用的焊丝有实心和药芯之分，生产中普遍采用的为实心焊丝。随所焊金属材料的不同，目前已有碳素结构钢、低合金钢、高碳钢、特殊合金钢、不锈钢、镍基合金钢等材料的焊丝，以及堆焊用特殊合金焊丝。

焊丝直径的选择依用途而定。半自动埋弧焊所用焊丝的直径较细，一般为1.6～2.4mm；而自动埋弧焊时，焊丝直径一般为3～6mm。焊丝表面应当光滑干净，除不锈钢和有色金属外，各种低碳钢和低合金钢焊丝的表面都要镀铜，这样不仅可以防锈，而且可以改善其导电性能。但耐蚀和核反应堆材料焊接用的焊丝是不允许镀铜的。

2）焊剂。在埋弧焊中，焊剂的作用与焊条电弧焊中所用的焊条药皮的作用类似，起到焊接过程中隔离空气，并参与熔池冶金反应，提高焊缝成形质量及改善组织、力学性能等作用。

焊剂一般可以按照其加工方法、化学成分、化学性质及颗粒结构进行分类，焊剂的分类如图2.120所示。

图2.120 焊剂的分类

焊剂在使用中需要考虑其碱度，国际焊接学会（IIW）推荐了埋弧焊用焊剂碱度的计算公式：

式中，各化合物均表示其在焊剂中的质量分数。

一般认为，B_IIW＜1为酸性焊剂，其焊接工艺性能好，但焊缝的力学性能尤其是低温冲击吸收能量较低；B_IIW＞1.5为碱性焊剂，工艺性能较差，尤其是脱渣不利，但焊缝金属较为纯净，力学性能特别是冲击吸收能量较高；B_IIW=1～1.5时为中性焊剂，工艺性能和焊缝力学性能介于两者之间。

焊剂的型号是依据国家标准的规定进行划分的，而焊剂的牌号是由生产部门依据一定的规则来编排的，同一型号可以包括多种焊剂牌号。在GB/T 5293—1999《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》中，第一次将焊剂与焊丝在同一个标准中编写，从而可以供使用单位更加全面地理解焊丝、焊剂与熔敷金属力学性能的关系。标准中的型号是根据焊丝-焊剂组合的熔敷金属力学性能、热处理状态进行划分的。

3）焊剂与焊丝的选配。埋弧焊焊剂和焊丝种类很多，成分变化也很大，所以焊丝和焊剂的合理匹配是获得高质量焊缝的关键所在，从被焊材料的类别及对焊接接头性能的要求出发，需要良好的焊丝和焊剂配合。各种常用钢材埋弧焊焊丝和焊剂的选配组合见表2.34。

表2.34 各种常用钢材埋弧焊焊丝和焊剂的选配组合

3.气体保护电弧焊

（1）气体保护电弧焊的原理 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方法，简称气体保护焊。所使用的气体包括惰性气体（氩气、氦气）以及密度较大的CO₂。常用易得且价格较低的氩气和CO₂，因此，一般可以分为氩弧焊和二氧化碳气体保护焊两种。按照所采用的电极不同，气体保护电弧焊又可分为钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊两种。

1）钨极氩弧焊。钨极氩弧焊是一种不熔化极气体保护电弧焊，它是利用钨极和工件之间的电弧使母材熔化而形成焊缝。焊接过程中钨极不熔化，只是起到电极的作用。同时由焊炬的喷嘴送入氩气（或氦气，或混合气）作为保护气体，还可以根据需要另外添加填充金属。焊接过程可以手工操作，也可以自动化进行，在国际上统称TIG焊。如图2.121所示。

图2.121 钨极氩弧焊示意图

a）工艺操作过程 b）焊缝的形成过程

1—导线1 2—导线2 3—工件 4—填充焊丝 5—焊炬 6—流量表 7—调节阀 8—保护气 9—钨电极 10—导电管 11—保护气喷嘴 12—电弧 13—熔池 14—母材 15—金属熔滴

TIG焊的送丝速度和焊接电流可以分别独立控制，因此在一定范围内，可以控制母材和焊丝的熔化比例，进而在不改变焊缝大小的情况下，可以控制焊缝金属的稀释和热输入；其次在焊接过程中，即使在较低的电弧电压下，电弧也能稳定燃烧，焊接时不产生飞溅，焊缝成形美观；最后整个焊接区均能得到保护气体的良好保护，隔离了空气侵入的危害，焊缝金属相对纯净。

钨极氩弧焊的弱势主要在于，钨极载流能力较低，熔深浅，熔敷效率低，因此较适合于厚度＜6mm的薄板焊接。可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属（如钼、铌、锆等）。广泛应用于飞机制造、原子能、化工、纺织工业中。

2）熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊是将焊丝连续送进，同时也利用焊丝作为电极，焊丝与工件之间建立电弧，电弧热熔化焊丝与待焊部位的母材，进而形成焊缝。通常使用氩气、氦气等惰性气体保护熔化的金属，但近年来，非惰性气体也被大规模使用，如CO₂，或者氩气和二氧化碳的混合气体。因此，目前熔化极气体保护焊也可以分为两种，即熔化极惰性气体保护焊（一般简称MIG）和CO₂气体保护焊（一般简称MAG）。图2.122所示为其工艺示意图。

图2.122 熔化极气体保护焊示意图

a）工艺操作过程 b）焊缝的形成过程

1—导线1 2—导线2 3—工件 4—焊炬 5—送丝机构 6—焊丝 7—焊丝盘 8—流量计 9—调节阀 10—保护气瓶 11—金属熔滴 12—保护气 13—焊丝电极 14—导电嘴 15—保护气喷嘴 16—电弧 17—熔池 18—母材

熔化极氩弧焊作为一种典型的熔化极惰性气体保护焊，由于其焊丝连续送进，焊后无需清渣，而且采用焊丝作电极，焊丝和电弧的电流密度大，焊丝熔化速度快，因此其具有较高的焊接生产率；同时，母材熔深大，焊接变形小；此外，与CO₂气体保护焊相比，熔化极氩弧焊电弧及熔滴过渡稳定，飞溅较少，焊缝成形美观。熔化极氩弧焊可焊接大部分工程金属材料，尤其适用于焊接有色金属及其合金或不锈钢等材料。但熔化极氩弧焊对工件的焊前清理要求较高，对油污、锈等较为敏感，也不适合于室外现场焊接，焊接成本（气体价格）也比CO₂气体保护焊为高。

CO₂气体保护焊由于采用了廉价的CO₂气体，因此生产成本低；CO₂气体保护焊同样具有电流密度大，生产率高的优势，此外，其操作灵活，适宜于进行各种位置的焊接。缺点是电弧不稳定，飞溅大，焊缝成形较差，且焊接设备比焊条电弧焊机复杂。另外，由于CO₂是一种氧化性气体，焊接过程中会使工件及焊丝中的合金元素烧损，故其不适用于焊接有色合金和高合金钢。二氧化碳气体保护焊主要适用于低碳钢和低合金结构钢的焊接加工。

（2）气体保护电弧焊设备

1）气体保护电弧焊焊接系统总体构成。图2.123和图2.124所示分别为手工钨极氩弧焊和CO₂气体保护焊焊接系统的构成。

图2.123 手工钨极氩弧焊的焊接系统构成

1—减压器 2—流量计 3—焊炬 4—工件

图2.124 CO₂气体保护焊的焊接系统构成

1—预热器 2—高压干燥器 3—减压器 4—流量计 5—低压干燥器 6—电磁气阀 7—工件 8—焊炬 9—送丝机构

从图中可以看出，气体保护电弧焊的焊接系统通常由焊接电源、控制系统、焊炬、供气系统、送丝系统（熔化极）、供水系统（冷却焊炬）等构成。

2）焊炬。钨极氩弧焊的焊炬一般由喷嘴、电极夹头、炬体、电极帽、手柄及控制开关组成。图2.125所示为钨极氩弧焊焊炬。这种焊炬在电极夹头和喷嘴之间设有导气套筒，强制保护气流在导气套筒中通过，对电极及电极夹头有较好的冷却作用；此外，气体经过导气套筒后更为柔和均衡，有利于提高保护效果。小型焊炬只需气冷而无需水冷，故焊炬结构比较简单。

焊炬结构中，电极夹头及喷嘴为易损件。对不同直径的电极，要选配不同规格的电极夹头及喷嘴。电极夹头要有弹性，通常用青铜制成，喷嘴用耐热陶瓷制造，须具有良好的绝缘和耐高温性能。

钨极材料一般选用铈钨极或钍钨极。一般而言，含有2%（质量分数）铈或钍的钨极比纯钨极具有更大的电子发射率，更强的电流承载能力以及更好的污染抵抗力，因此，引弧更容易，电弧更稳定。同时，较高的电子发射率意味着钨极发射电子所需的温度更低，降低了钨极尖部熔化的危险。

熔化极气体保护焊所用的焊炬按其应用方式可以分为半自动焊炬和自动焊炬。前者手工操作跟踪焊缝，后者安装在具有行走机构的机头上，两者焊丝均自动连续送进。半自动焊炬按结构分为鹅颈式和手枪式，按其冷却方式，也可分为气冷和水冷两种。两种熔化极气体保护焊半自动焊炬结构如图2.126所示。

图2.125 钨极氩弧焊焊炬的结构

1—电极 2—陶瓷喷嘴 3—导气套筒 4—电极夹头 5—炬体（含冷却水腔） 6—电极帽 7—导气管 8—导水管 9—控制开关 10—手柄

图2.126 两种熔化极气体保护焊半自动焊炬结构示意图

a）鹅颈式 b）手枪式

1—送丝导管 2—导电嘴 3—保护气体 4—焊丝 5—喷嘴 6—杠杆开关 7—电源输入 8—气体导管 9—控制电缆 10—出水管和电源输入 11—送气导管 12—进水管 13—手柄 14—水（导电嘴冷却剂） 15—水（喷嘴冷却剂） 16—扳机开关

实际生产中，CO₂气体保护焊以半自动方式（自动送丝，手工操作）为主，因此，其焊炬结构与熔化极半自动氩弧焊焊炬基本相同。

自动熔化极气体保护焊所用的焊炬的主要作用与半自动焊炬相同，也有多种类型，图2.127所示为一种自动熔化极氩弧焊焊炬的结构示意图。自动焊炬采用双层气流保护，固定在焊机机头或焊接行走机构上，经常在大电流情况下使用，除要求其导电部分、导气部分以及导丝（焊丝）部分性能良好外，为了适应大电流和长时间工作需要，焊炬枪体、喷嘴及导电嘴均需要水冷。

（3）气体保护电弧焊用焊接材料

1）保护气体。

①氩气。焊接用氩气应符合GB/T4842—2006《氩》的规定，所使用的工业纯氩，其纯度为99.99%，一般含有的杂质为N₂、H₂、O₂、CO₂及水蒸气。杂质气体含量过多会使钨极加速烧损，并使焊缝金属氧化或氮化，也有可能增加焊缝金属中的氢含量，降低焊接接头的性能，尤其是在焊接有色金属时，更要使用高纯度的氩气。

②CO₂气体。焊接用的CO₂气体应有较高的纯度，国家标准规定，其纯度应达到99.8%以上，露点低于-40℃。CO₂中的主要有害杂质是水和N₂。后者一般危害较小，而前者危害较大。钢瓶中的CO₂在压力作用下既有液相，也有气相，液态CO₂中可溶解占质量0.05%的水，多余的水则成自由状态沉于瓶底。在室温下，当气瓶压力低于980kPa时，除溶解于CO₂液体中的水分外，沉于瓶底的多余的水都要蒸发，从而大大提高了CO₂气体中的水含量，这时候就不能用于焊接了。因此，CO₂气体保护焊与熔化极氩弧焊不同的是其气路里一般都要接入预热器和干燥器。

图2.127 自动熔化极氩弧焊焊炬结构示意图

1—钢管 2—镇静室 3—导流体 4—铜筛网 5—分流套 6—导电嘴 7—喷嘴 8—帽盖

③混合气体的选择及应用。在气体保护焊初期，使用的主要是单一气体。在不断的科学试验及生产实践中发现，在一种气体中加入一定量的另一种或两种气体后，可以分别在细化熔滴、减少飞溅、提高电弧稳定性、改善熔深以及提高电弧温度等方面获得满意的结果。因此，目前在科学研究及生产上，混合气体用得十分广泛。焊接用保护气体（混合气）及其适用范围见表2.35。

表2.35 焊接用保护气体及适用范围

（续）

2）焊丝

①钨极氩弧焊用焊丝。钨极氩弧焊用焊丝为填充焊丝，一般用于打底焊道或焊接中厚板的填充焊道，以增加熔敷金属提高焊接效率。填充焊丝的选择应根据被焊金属的材质和对焊缝性能的要求选用相应的焊丝。碳钢和低合金钢手工钨极氩弧焊焊丝、铝焊丝及铜焊丝分别见表2.36～表2.38。

表2.36 碳钢和低合金钢手工钨极氩弧焊焊丝

表2.37 铝焊丝

表2.38 铜焊丝

②熔化极氩弧焊用焊丝。熔化极氩弧焊用焊丝的直径有0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm等几种规格，以盘式或筒装供应。熔化极氩弧焊中，焊丝的化学成分要和母材的化学成分相配合，尽可能接近母材的化学成分，以获得性能良好的焊缝金属。同时，要具有良好的焊接工艺性能。另一方面，有时为了能获得希望的焊缝金属性能，可适当地改变焊丝的化学成分。例如，在需要脱氧时，焊丝中加入脱氧剂，钢焊丝中通常加入Mn、Si或Al；铜合金中可加入Ti、Si或P；镍合金中加入Ti或Si。

熔化极氩弧焊焊丝种类较多，工作实践中通常根据所焊接母材成分及焊接的特殊要求，在相应的国家标准中选择。例如：GB/T 14957—1994《熔化焊用钢丝》，GB/T 8110—2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》，YB/T 5092—2005《焊接用不锈钢丝》，GB/T 10858—2008《铝及铝合金焊丝》，GB/T 15620—2008《镍及镍合金焊丝》，GB/T9460—2008《铜及铜合金焊丝》等。(www.xing528.com)

③CO₂气体保护焊焊丝。由于CO₂为氧化性气体，因此，CO₂保护焊焊丝具有特殊的要求。例如，焊丝中必须含有足够数量的Mn、Si等脱氧元素，以减少焊缝金属中的氧含量，减少气孔；焊丝中的含碳量要低（w（C）＜0.11%），以减少气孔和飞溅；此外，当要求焊缝金属具有更高的抗气孔能力时，则希望焊丝中还含有固氮元素。CO₂保护电弧焊常用碳钢、低合金钢焊丝的型号及化学成分见表2.39。

表2.39 CO₂保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝型号及化学成分 （单位：质量分数，%）

4.其他熔焊工艺简介

（1）气焊

1）气焊原理。气焊是利用气体火焰作热源的一种焊接方法。气焊中最常使用的气体为乙炔和氧气，因此气焊也经常被称为氧乙炔焊。其焊接过程如图2.128所示。气体火焰由可燃气体（乙炔）和助燃气体（氧气）混合燃烧而形成，当火焰温度（氧乙炔焰可以达到3150℃左右）达到材料熔点时，母材和焊丝熔化，最终凝固形成焊缝。焊接时，也可以加入一定的焊剂脱氧，提纯焊缝金属，其经过熔化、凝固后，最后在焊缝金属表面形成焊渣。

2）气焊设备及焊接材料。氧乙炔气焊的设备由氧气瓶、乙炔瓶（或乙炔发生器）、加压阀、回火保险器、焊炬和橡胶管等所组成。如图2.129所示。

图2.128 氧乙炔气焊原理

1—熔池 2—母材 3—金属熔滴 4—保护焰 5—焊丝 6—一次燃烧 7—焊渣 8—焊缝金属

图2.129 氧乙炔气焊设备

1—乙炔瓶 2—氧气胶管（蓝色或黑色） 3—焊炬 4—乙炔胶管（红色） 5—回火保险器 6—乙炔减压器 7—氧气减压器 8—氧气瓶

其中氧气瓶和乙炔瓶分别是储存和运输氧气和乙炔气的高压容器，按照规定，氧气瓶外涂以天蓝色漆，并以黑漆标以“氧气”字样；乙炔瓶外表以白漆标明，并以红漆标上“乙炔”和“不可近火”字样。

气焊时用于火焰进行焊接的工具称为焊炬，其作用是将乙炔和氧气按照一定的比例进行均匀混合，由焊嘴喷出，点火燃烧，形成气体火焰。按乙炔和氧气在焊炬中的混合方式不同，焊炬可以分为射吸式和等压式两种，以射吸式较为常用。图2.130所示为射吸式焊炬的结构示意图。

图2.130 射吸式焊炬结构示意图

1—焊嘴 2—混合管 3—乙炔阀门 4—手柄 5—氧气阀门

在焊接操作过程中，当混合气体从焊炬的喷嘴内喷出的速度小于混合气体的燃烧速度时，将可能发生回火现象。例如，乙炔气体压力不足、焊嘴堵塞、焊嘴离工件过近或者焊嘴过热时，均会发生回火。回火会导致火焰瞬时熄灭，并伴随有爆鸣，甚至会使火焰逆烧至喷嘴孔，并继续向混气室及管路燃烧，烧毁焊炬乃至爆炸。因此，乙炔瓶和焊炬之间通常装有回火保险器（图2.129），以防止事故发生。

气焊的焊丝作为填充金属，与熔化的母材共同形成焊缝。焊丝的化学成分应与母材匹配。焊接低碳钢时，常用的焊丝牌号有H08和H08A等。焊丝的直径一般为2～4mm，根据工件厚度选取，一般焊丝直径与工件厚度差别不大，以保证工件质量。

为了去除母材表面焊接过程中所形成的氧化物，并增加液态金属的润湿性，保护熔池金属，在气焊铸铁、不锈钢、耐热钢或有色合金时，常使用气焊熔剂。国内定型的气焊熔剂牌号主要有CJ101，CJ201，CJ301和CJ401四种。其中CJ101为不锈钢和耐热钢用气焊熔剂；CJ201为铸铁气焊熔剂，CJ301为铜及铜合金气焊熔剂，CJ401为铝及铝合金气焊熔剂；气焊低碳钢时，由于气体火焰能够充分保护焊接区，因此一般不使用气焊熔剂。

3）气焊工艺的特点及应用。与焊条电弧焊相比，火焰加热便于控制焊接温度，易于实现均匀焊透和单面焊双面成形；此外，气焊设备较为简单，移动方便，施工场地要求不高。但是，由于火焰温度比一般的电弧温度低得多，热量分散，加热较为缓慢，因此生产率不高，且焊后工件变形严重。另外，其对焊接区的保护不利，导致焊接接头质量较差。

因此，气焊主要应用于厚度在3mm以下的低碳钢薄板或薄壁管材的焊接，也可用于铸铁的补焊，当铝、铜及其合金薄板的焊接质量要求不高时，也可采用气焊。

（2）电渣焊

1）电渣焊原理。电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热来进行焊接的方法。根据使用的电极形状的不同，电渣焊可以分为丝状电渣焊、板状电渣焊和熔嘴电渣焊等。电渣焊是在垂直位置或接近于垂直的位置进行焊接的。在电渣焊过程中，为了保持熔池形状，在接头两侧通常使用铜滑块作为成形器具（或在一侧采用固定垫板以代替铜滑块），以强制焊缝成形，并在滑块内部通以冷却水。

图2.131所示为丝极电渣焊的工艺过程。焊接电源的两个电极，一个接焊丝的导电嘴，一个接工件。首先，在电极和工件底部的引弧板之间引燃电弧，使焊剂熔化形成液态熔渣，当液态熔渣达到一定深度时，形成熔渣池；随后，电弧熄灭，焊接加热方式由电弧加热转变为电渣加热；同时，焊丝由机头的送丝机构滚轮驱动，通过导电嘴送入渣池，并在其自身的电阻热和渣池热的作用下被加热熔化，形成熔滴后穿过渣池进入渣池下面的金属熔池；另一方面，工件也在渣池电阻热的作用下局部熔化，参与金属熔池的形成；随着焊丝不断向金属熔池送进，金属熔池及其上面的渣池逐渐上升，金属熔池的下部逐渐远离热源，同时在冷却滑块的作用下，凝固形成焊缝。

图2.131 丝极电渣焊工艺过程

1—工件 2—焊缝成形水冷滑块 3—金属熔池 4—渣池 5—焊丝（电极） 6—焊缝 7—冷却水管 8—金属熔滴 9—工件熔化金属

2）电渣焊的焊接材料。焊剂是电渣焊的关键焊接材料。在电渣焊的过程中，焊剂熔化形成渣池，并起到热源作用；同时，具有一定深度的液态渣池始终处于金属熔池的上表面，可以隔绝空气以避免金属发生氧化反应和氮化反应，对金属熔池起到机械保护作用；另外，液态熔池和液态金属之间也存在一定的冶金作用。虽然因渣池的温度较低，导致冶金反应不强烈，只有少量合金元素能够通过熔渣过渡进入焊缝金属，但是熔渣对金属溶液的脱硫、脱氧作用较为显著。

电渣焊所用的焊剂种类较多，其中高硅高锰类焊剂（如HJ431，HJ430）适用于低碳钢和低合金钢的焊接；低锰（或无锰）低硅焊剂（如HJ172）、无锰中硅焊剂（如HJ150），主要用于耐磨钢的电渣堆焊；氟化物焊剂（如HJ172），可用于不锈钢、钛和球墨铸铁、高合金钢的焊接；而HJ107是奥氏体不锈钢带极电渣堆焊的专用焊剂。

电渣焊电极材料有丝极、板极、管极和带极等多种类型。在选择时，应根据母材成分及力学性能要求选择，同时考虑电渣焊的特点、工艺因素并与焊剂相配合。常用的包括H10MnA、H10Mn2、H10MnSi，H13Cr3MoA以及H0Cr18Ni9等。

3）电渣焊工艺的特点及应用。与一般的电弧焊相比，电渣焊对于大厚工件可以一次焊接成形，因此能耗较低，生产率高；电渣焊由于沿板厚方向具有均匀的热输入，因此焊后不会出现角变形；电渣焊金属熔池的保护比一般的电弧焊要好，因此，焊缝金属较为纯净，产生气孔、夹杂的倾向较低；此外，电渣焊焊缝冷却速度慢，不会产生淬硬组织，裂纹倾向较小。

不过，由于电渣焊加热缓慢，整体热输入过高，高温停留时间长，焊缝易出现晶粒粗大或过热组织，焊缝综合力学性能尤其是焊缝金属的冲击韧度较低。

电渣焊作为一种熔焊方法，在大厚度工程结构的焊接中具有独特的优势，从根本上改变了重型机械和大型结构的制造和安装过程。在大型锅炉、远洋船舶、大型压机以及核压力容器、化工容器中得到了较多的应用，也可以用于各种模具及其他领域的耐磨、耐腐蚀堆焊。材料方面，电渣焊不仅能焊接低碳钢、低合金钢，而且也在铸铁、铜合金、铝合金以及钛合金等特殊金属材料的焊接领域得到了一定的应用。

（3）激光焊

1）激光焊原理。激光焊属于一种高能束焊接方法。它是以高能量密度的激光作为热源，对金属进行加热熔化进而形成焊接接头的焊接方法。激光焊原理是由固体激光器或气体激光器产生的激光束经光学系统聚焦（能量密度可达10⁵～10⁷W/cm²）和导向后，照射在待焊区域以后，几毫秒内光能转化为热能，产生万度以上的高温，使工件熔化甚至汽化，从而达到焊接的目的。图2.132和图2.133所示分别为激光焊的原理及焊缝形成过程示意图。

图2.132 激光焊原理

图2.133 激光焊原理及焊缝形成过程

1—激光束 2—熔池 3—焊缝 4—焊缝横截面 5—熔化金属 6—匙孔

2）激光焊的特点及应用。激光焊具有焊缝深宽比大，热影响区窄，焊接速度快，焊接热输入低，焊接变形小等优势。因此激光焊除了可以焊接大部分一般金属材料外，还可以焊接一些高熔点的难熔金属，如钨，钼，钽等，特别是对异种金属材料的焊接，比一般方法有较大突破；由于激光能量集中，因此，可以用来接近热敏零件施焊，可以焊接很薄很细的微型零件。激光焊接在汽车工业、核压力容器制造业以及微电子行业中正得到越来越广泛的应用。

激光焊的一个主要缺点是能够用于焊接的激光系统大多为千瓦级，笨重复杂且价格昂贵，所以激光焊目前仍主要用于一般方法不能焊接的零件或材料，此外，对零件及焊接夹具的加工精度及装配精度要求也比较严格。

5.电阻焊

（1）电阻焊的基本原理 电阻焊是在外加压力下，将工件压紧于两电极之间，并通以电流，利用工件之间的接触面及附近区域产生的电阻热将其加热至塑性或熔化状态，最终使之形成原子间结合的一种连接方法。电阻焊属于压力焊范畴。

电阻焊的物理本质是利用焊接区金属本身的电阻热和大量塑性变形能，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键合，在结合面上产生足够的共同晶粒而得到焊点、焊缝或对接接头。因此，适当的热-机械力作用是获得电阻焊优质接头的基本条件。

根据所使用的焊接电流波形特征、接头形式和工艺特点的不同，电阻焊可以分为点焊、凸焊、缝焊、电阻对焊以及闪光对焊等多种形式，如图2.134所示。

图2.134 主要电阻焊方法

a）点焊 b）缝焊 c）凸焊 d）对焊

（2）电阻焊的特点及应用 电阻焊的优点包括：焊接时熔核被塑性环包围，隔绝空气，冶金过程相对纯净；焊接加热时间短，热量集中，热影响区小，焊接变形及应力也小；无需焊丝、焊条等填充材料以及药皮、焊剂、保护气等焊接耗材，焊接成本较低；操作简单，对工人的技术水平要求不高，劳动强度较低，也易于实现机械化和自动化；生产率高，生产噪声小且无有害气体。

电阻焊的缺点包括：点焊、缝焊的搭接接头形式容易在熔核周围形成尖角，接头的抗拉强度及疲劳强度较低；电阻焊设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备的成本较高，维修困难；电阻焊接头目前仍然缺乏有效的在线检测手段等。

电阻焊作为一种适用于薄板搭接的主要连接方法，广泛应用于航空、航天、汽车车辆、轻工家电等行业。特别是近年来，随着汽车工业等现代化大批量生产企业的不断增加，电阻焊在整个焊接领域中的比例也在不断增加。据行业调查，近年来对电阻焊机的需求量主要增加在汽车车身和零部件生产中。此外，在轻工、建筑、交通设施等行业中，为提高产品的档次及美观性，用电阻焊代替铆接或电弧焊的情况也在增加。

（3）点焊、缝焊、凸焊

1）点焊。点焊（图2.134a）是通过在被焊工件的接触面之间形成许多单独的焊点，而将两个工件连接成为一体的焊接方法。

点焊的焊接过程如图2.135所示。焊接前，将工件表面清理干净，装配后送入点焊机的上下电极之间，加压使其接触良好；然后，通电使两工件接触表面受热，并产生局部熔化，形成熔核；断电后保持或增大压力，使熔核在压力作用下冷却凝固，从而形成焊点；最后，卸去压力，取出工件。

机械加压式点焊机的结构如图2.136所示，主要由机架、焊接变压器、电极和电极臂、加压机构、脚踏开关以及水冷系统等构成。

图2.135 电阻点焊的过程

a）加压 b）通电 c）断电 d）完成

图2.136 机械加压式点焊机结构

1—脚踏开关 2—焊接变压器 3—机架 4—下电极臂 5—下电极 6—工件 7—上电极臂 8—上电极 9—加压机构

电阻点焊主要用于不要求密封的薄板搭接结构（如汽车驾驶室蒙皮结构）和金属网、交叉钢筋等构件的搭接焊接。

2）缝焊。缝焊的焊接过程与点焊类似（图2.134b）。它采用一对圆盘状电极代替点焊所使用的圆柱状电极，圆盘电极压紧工件并转动，依靠电极和工件之间的摩擦力带动工件向前运动，配合断续通电（或连续通电），形成一连串相互重叠的焊点，构成密封的焊缝。也可以形成熔核不相互搭叠的焊缝，则称为滚点焊。

缝焊是电阻点焊的一种变形形式，适用于厚度在3mm以下，要求密封的薄板搭接结构的焊接，常用来代替气焊或电弧焊，用于汽车油箱、水箱等薄板容器的焊接。

3）凸焊。凸焊是电阻点焊的另外一种变形形式（图2.134c），其与电阻点焊的区别在于，凸焊的其中一个工件上需要预制一定形状和尺寸的凸点，使其与另一个工件的表面接触并通电加热到所需温度，然后压塌，从而使这些接触点形成焊点。

凸焊主要用于焊接低碳钢和低合金钢的冲压件。由于预先加工了凸点，焊接过程中电流自然密集于凸点，而不是像电阻点焊那样依赖于电极压力，使薄板件之间形成点接触造成电流密度增大。因此，凸焊不仅可以用于板件之间的连接，而且还可以实现螺钉、螺母与板件之间的连接，线材交叉凸焊，管子凸焊以及板材T形凸焊等。随着我国汽车工业的发展，高生产率的凸焊在汽车零部件的生产中也获得了大量的应用。

4）对焊。

①电阻对焊。电阻对焊的焊接过程如图2.137所示。先将两工件端面对齐，并施加初压力，使其压紧，再通以大电流；然后，迅速将工件之间的接触面及附近区域加热至塑性状态；而后断电，同时施加顶锻压力，保持一段时间；最后，去除压力，形成焊接接头。

图2.137 电阻对焊过程示意图

a）加初压力F₁ b）通电加热 c）断电、加顶锻压力F₂ d）去除压力

1—固定夹钳 2—活动夹钳

电阻对焊的优点在于焊接操作简单，焊接接头外形光滑匀称（图2.138a）；缺点是焊前对工件之间的接触面清理要求较高，接头质量难以保证。电阻对焊适用于小断面金属型材的对接，如直径小于20mm的低碳钢棒料或管材的对接等。

图2.138 对焊接头的外形

a）电阻对焊 b）闪光对焊

②闪光对焊。闪光对焊的焊接过程如图2.139所示。两工件装配完成后两相对面并不接触，先接通电源，再逐渐移近工件使其相对面出现局部接触；大电流通过少量接触点时，电流密度较大，接触电阻热较高，接触点处金属迅速熔化、蒸发甚至爆破，高温金属颗粒向外飞射形成闪光；经多次闪光加热后，工件端面在一定深度范围内达到预定温度，这时立即施加顶锻压力进行断电顶锻；保持压力一段时间后，去除压力，形成焊接接头。

图2.139 闪光对焊过程示意图

a）加电压 b）通电、闪光加热 c）顶锻、断电、继续顶锻 d）去除压力

闪光对焊的优点是焊接前工件两相对面不需要特殊的加工或处理、清理措施，接头强度高于电阻对焊，接头质量易于保证。但闪光对焊的焊接操作及焊接设备比电阻对焊复杂，接头外表面较为粗糙，有毛刺（图2.138b），焊后需要进一步机械加工。

闪光对焊可以用于同质金属或异种金属（铜-钢、铜-铝、铝-钢等）的焊接。被焊工件可以是小到0.01mm的金属丝，也可以是大到直径1420mm、壁厚26mm的介质输送管道。

6.钎焊

（1）钎焊的基本原理 钎焊是利用熔点比母材低的金属材料作为钎料，将工件和钎料加热至超过钎料熔点的温度（低于工件材料熔点），使钎料熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散，从而实现工件连接的方法。

因此，可以看出钎焊和一般的熔焊和压焊的主要区别是，钎焊时只有钎料熔化，而母材不熔化，液态钎料借助于毛细作用填满接头间隙。熔焊接头和钎焊接头的区别如图2.140所示。

图2.140 熔焊和钎焊在接头上的区别

a）熔焊接头 b）钎焊接头

（2）钎焊的主要分类 一般将钎焊按照所用钎料的熔点不同分为两类：钎料熔点低于450℃时，称为软钎焊；钎料熔点高于450℃时，称为硬钎焊。常用的硬钎料包括铜基钎料和银基钎料等；而软钎料包括锡铅钎料和锡锌钎料等。

钎焊时，为了去除钎料和工件待连接表面的氧化物，或保护连接表面在钎焊高温过程中不被氧化，或改善钎料对母材的润湿性，一般常使用钎剂。硬钎焊时，常用的钎剂有硼砂、硼砂和硼酸的混合物等；软钎焊时，常用的钎剂包括松香、氯化锌溶液等。

根据钎焊过程中加热方式的不同，钎焊又可以分为以下几种方法：

1）烙铁钎焊。利用电烙铁或火焰烙铁加热的软钎焊。

2）火焰钎焊。利用喷灯或气焊焊炬使可燃气体与氧气（或压缩空气）混合燃烧的火焰加热的钎焊。

3）炉中钎焊。将装配好钎料的工件放在箱式电炉或充有保护气体（如氩气、氦气）的电炉或真空炉中进行加热钎焊。

4）感应钎焊。利用高频、中频或工频交流电感应加热进行钎焊。

5）盐浴钎焊。将装配好钎料的工件浸沉在高温熔融的盐浴槽中加热进行钎焊。

6）金属浴钎焊。将工件浸沉在覆盖钎剂的钎料浴槽中加热的钎焊。

7）电阻钎焊。利用电流通过钎焊零件时的电阻热进行的钎焊。

8）真空钎焊。将装配好钎料的工件置于真空环境下加热进行的钎焊。

9）超声波钎焊。利用超声波的振动使液态钎料产生空蚀过程，破坏工件表面的氧化膜，从而改善钎料对母材的润湿性的钎焊。

（3）钎焊的特点及应用 钎焊的优点包括：与熔焊相比，钎焊加热温度低，焊接接头的组织及力学性能变化小，焊接变形小，容易保证工件的尺寸精度；钎焊接头表面光洁，密封性好；某些钎焊方法可以一次焊成多条钎缝或多个工件，生产率高；可以焊接同种或异种金属及部分非金属；可以实现其他焊接方法难以实现的复杂结构（如蜂窝结构、封闭结构等）的焊接。钎焊的缺点包括：钎焊接头的强度较低，耐高温性能较差，焊前准备工作要求较高，如装配间隙要求均匀、平整，工件需要仔细清理等。

目前，钎焊工艺在电子、电器、机械、无线电、仪表等部门得到广泛应用，可以用于制造硬质合金刀具、钻探用钻头、散热器、自行车架、电真空器件等，并且在航空航天、导弹技术领域发挥着越来越重要的作用，成为一种不可替代的连接工艺方法。

2.1.3.4 焊接工艺所涉及的其他问题

1.焊接制造工艺装备

（1）焊接制造工艺装备的作用 在焊接生产过程中，装配和焊接是两道重要的生产工序。依据焊接结构复杂程度的不同，两道工序在总工作时间中所占的比重不同，但一般而言，通常的焊接工作时间仅占10%～30%，换言之，装配、辅助工作以及其他附加作业时间占了很大比重。例如，对于壁厚为16mm圆筒的焊接，1.5m长的纵缝自动埋弧焊花费时间约8min，而其辅助装配时间则为40min，即焊接操作时间仅占总工时的20%左右。因此，在装配-焊接工艺中采用机械胎夹具及焊接机械装置，既是保证焊接质量及改善劳动条件的技术措施，同时也是提高劳动生产率，降低制造成本的关键技术问题。焊接制造工艺装备的作用主要包括：

1）减轻下料、装配以及零部件安装时比较繁重的划线、定位等手工工作；有时还可以免去定位焊。

2）防止或减少工件的焊接变形，使制品几何尺寸一致，减少焊后的矫形或热处理工序。

3）减少工件在焊接生产中的搬运或翻转时间，提高生产效率。

4）使焊接中的工件处于最便于焊接的位置，并可采用最为适当的焊接工艺方法，提高焊接速度和焊接质量。

5）降低操作工人的劳动强度，降低对操作工人的技术水平要求。

6）保证产品具有良好的互换性，降低装配时间，简化检验工序。

（2）焊接制造工艺装备的分类 焊接结构种类繁多，形状尺寸各异，生产工艺过程和要求也不尽相同，相应的工装设备在形式、工作原理及技术要求上也有很大差别。通常把用来装配进行定位焊的夹具称为装配夹具，而专门用来焊接的夹具称为焊接夹具。把既用来装配又用来焊接的夹具称为装焊夹具。它们统称为焊接工装夹具，而装配、焊接台架、焊接变位机等称为胎架或装置。图2.141所示为焊接生产工艺装备按照其功能的分类情况。

图2.141 焊接生产工艺装备的分类

（3）典型焊接工艺装备介绍

1）定位器。定位器可以作为一种独立的工艺装备，也可以是复杂工艺装备中的一种基础元件，其基本功能是确定所装配零部件的正确位置。图2.142所示为一种可退让式定位销钉的结构示意。

2）压夹器。焊接结构在装配中，不仅要注意定位，而且必须使其夹紧而固定不动，定位和压紧两者关系密切，不能截然分开。夹紧一般要用到压夹器。图2.143所示为一种杠杆式压夹器的结构示意。

图2.142 可退让式定位销钉

图2.143 杠杆式压夹器

3）推拉夹具。在焊接生产中经常需要将笨重的零部件移动几毫米到几十毫米，使它们处于正确的位置，这时可以采用推拉夹具来顶紧、撑开或拉近工件，有时也可以用作装配时支撑工件的基面。图2.144所示为一种容器或钢板拉紧器的结构示意。

图2.144 容器或钢板拉紧器

4）装配胎架。大量生产单一的或规格化的焊接制品，或生产精度要求较高的焊接制品时，常采用特殊的工艺装备，它是专门为某一制品而设计制造的，通常称为装配胎架。其上有适合该产品的定位器、压夹器，有时还需要对工件做一定的翻转或旋转运动，使工件或某一焊缝处于便于焊接的位置。图2.145所示为某一工字梁的装焊组合夹具形式。

图2.145 工字梁装焊组合夹具

1、17—导杆 2—横向工字钢 3—双槽钢 4—纵向工字钢 5—滑块 6—导轨 7、13—伞轮 8—侧壁 9、10—工字钢 11—支撑 12—加肋板 14—转动手轮 15—螺杆 16—弯钩 18—调压螺钉

5）焊接机械装置。所谓焊接机械装置，是指在装配焊接过程中有利于提高产品质量，提高生产率，降低劳动强度，促进生产工艺机械化、自动化的各种机械装置。这类机械装置能缩短辅助劳动时间，使基本工艺措施更为有效。按其运动方式不同，焊接机械装置可以分为固定式、移动式、转动式和复合变位式多种形式，从机械结构和作用方面划分，又可分为简单支撑机械和变位机械装置两种。从驱动动力类型考虑，可以分为固定式、手动式和机动式三类。图2.146和图2.147所示分别为座式焊接变位机和伸缩臂式焊接操作机的简图。

图2.146 座式焊接变位机

图2.147 伸缩臂式焊接操作机

1—自动焊机 2—横臂 3—横臂进给机构 4—齿条 5—钢轨 6—行走台车 7—焊接电源及控制箱 8—立柱总成

2.焊接应力与变形

（1）焊接应力与变形的基本概念 由于焊接本质上属于一种局部加热和局部冷却的热加工方法，且热源随着焊接的进行，沿焊接方向不断地移动，因此导致焊缝及其附近金属在被加热到高温时，受到周围温度较低的临近母材金属的限制，不能自由膨胀，出现压缩塑性变形；冷却时又受到周围临近母材金属的拘束，也不能自由收缩。所以，不可避免地，焊接过程的工件中将出现瞬时变化的热应力和热应变，而焊后的工件也将存在残余应力和变形。

焊接应力和变形的存在不仅降低了焊接结构的尺寸精度，影响工件进一步的加工或装配工序，增加了原材料消耗，提高了产品成本，而且在制造或使用过程中有可能导致工件出现缺陷或者降低产品的抗裂能力，以及抗疲劳、应力腐蚀的能力。

（2）焊接变形 焊接变形的基本形式有缩短变形（纵向收缩与横向收缩）、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等，如图2.148所示。

（3）焊接残余应力 焊接残余应力与残余变形同时产生并存在于焊接结构中。然而焊接残余应力并不像焊接变形那样直观，直接就能够看出，而是必须通过专门的仪器和方法才能测知其存在和分布情况。图2.149所示为平板对接接头中纵向残余应力σ_x（沿焊缝方向）和横向残余应力σ_y（沿与焊缝相垂直的方向）的分布情况示意图。

图2.148 焊接变形的基本形式

a）缩短变形 b）角变形 c）弯曲变形 d）扭曲变形 e）波浪变形

图2.149 平板对接焊缝引起的残余应力场

a）一般规律 b）实测结果

（4）焊接残余应力与变形的调整与控制 由于焊接残余应力与变形存在的必然性及危害性，因此，必须在焊接工艺制定过程中考虑对焊接残余应力及变形进行调整或控制。

焊接残余应力和变形的调控措施，按照实施的时间不同，一般可以分为焊前、随焊以及焊后，具体又可以分为机械方法（如刚性固定、反变形、机械拉伸，随焊碾压等）和加热方法（包括焊后整体回火、局部回火、火焰矫形），也可以通过调整工件与焊缝的装配、焊接顺序以及改变焊接热输入参数来降低或减少焊接变形及残余应力。

3.焊接缺陷

焊接缺陷是指焊接过程中由于焊接工艺或焊接操作的不合理，在焊接接头中产生的材料不连续性、不致密或者连接不良的现象。熔焊接头中常见的焊接缺陷包括焊缝表面尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、未焊透、夹渣、气孔和裂纹等，如图2.150所示。

其中，焊缝表面不平，焊缝宽窄不齐，尺寸过大和过小，角焊缝单边以及焊脚尺寸不合格等，均属于焊缝表面尺寸不符合要求；咬边是指沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷；焊瘤是指在焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材金属上所形成的金属瘤；未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透；夹渣是指焊后残留在焊缝中的熔渣；气孔是指熔池中的气体在凝固时未能及时逸出而残留下来所形成的空穴；裂纹是指焊接接头中局部区域的原子间结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。

焊接缺陷的存在对焊接接头的安全和使用性能有直接的影响，焊接缺陷往往是造成焊接结构失效以及危害性事故的主要原因。熔焊连接中常见的焊接缺陷、产生原因及防止方法见表2.40。

图2.150 熔焊连接中的常见缺陷

1—弧坑裂纹 2—横向裂纹 3—纵向裂纹 4—气孔 5—焊瘤 6—未焊透 7—咬边 8—夹渣 9—根部夹渣

表2.40 熔焊连接中的常见焊接缺陷、产生原因及防止方法

4.焊接检验

为了确保焊接结构的安全运行，必须对焊接缺陷进行有效的控制，对焊接结构进行必要的检验，因此焊接检验是焊接结构制造过程中自始至终不可缺少的重要工序，是保证焊接产品质量的重要措施。

焊接检验是对焊接生产质量的检验。它是根据产品的有关标准和技术要求，对焊接生产过程中的原材料、半成品、成品的质量以及工艺过程进行检查和验证，以保证产品质量符合要求，防止废品的出现。

通常意义上的焊接检验方法分破坏性检验和非破坏性检验两类（但目前也有学者引入过程控制的理念，将焊接工艺保证检验纳入焊接检验的范畴）。

（1）破坏性检验 指从工件或试件上切取试样，或以产品整体（或其模拟体）的破坏做试验，以检验其各种力学性能、化学成分和金相组织的试验方法，其中包括：

1）焊接接头及焊缝力学性能试验。

2）焊接金相检验。

3）焊接接头断口分析。

4）焊缝金属化学成分分析、扩散氢测定及腐蚀试验等。

（2）非破坏性检验 非破坏性检验是指不破坏被检对象（焊接接头、焊接成品等）的结构和材料的检验方法，其中包括：

1）外观检验。借助于肉眼观察或用低倍放大镜观察工件，以发现表面缺陷以及测量焊缝外形尺寸。

2）水压试验。水压试验用来检查受压容器的强度以及焊缝致密性。

3）致密性试验。主要用来检查不受压或压力较低的容器、管道的焊缝中是否存在穿透性缺陷，如气密性试验、氨气试验以及煤油试验等。

4）无损检测。无损检测包括常规的无损检测手段，例如，超声波检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测以及渗透检测等，都称为无损探伤。

5.典型焊接工艺流程

焊接结构的生产过程，简而言之，就是将各种经过轧制的金属成材或其他金属坯料，经过一系列的加工（包括焊接加工），最终制成具有一定用途的金属构件或产品的工艺过程。包括根据生产任务的性质、产品的图样、技术要求和工厂条件，运用现代焊接技术及相应的金属材料加工和保护技术、无损检测技术等，完成焊接结构产品的全部生产过程中的一系列工艺过程。

焊接结构种类繁多，其构造、用途和使用要求也有所不同，所采用的焊接工艺方法更是多种多样，就其具体生产过程而言，所包含的工艺和加工顺序等均存在差异；但从宏观角度来看，由于大部分焊接结构采用熔焊方法（尤其是电弧焊）制造，有其共同的特点，因此均有着大致相同的生产步骤和生产过程。大致可以分为以下四部分，即：原材料的准备处理、基本元件的加工、装配焊接以及最后的质检处理和防护包装。以上各个部分中又有许多加工工序和工艺内容。通常将焊接结构生产制造中各生产工序的排列顺序称为生产工艺路线或工艺流程，图2.151所示为比较典型的焊接工艺流程。从图中可以看出，焊接结构的生产过程是一个包含有多道加工工序和很多工艺内容的、复杂的综合性生产过程。

图2.151 焊接结构制造的典型焊接工艺流程