第三章焊接方法与设备.docx

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第36页 共36页第三章 焊接方法与设备焊接方法基本上可分为三大类：熔化焊、固相焊和钎焊。具体的焊接方法有几十种，这一章主要讨论埋弧焊、气体保护焊等一些常用的电弧焊方法。3.1 手工焊条电弧焊Shielded Metal-arc Welding (SMAW)手工焊条电弧焊（习惯称为手弧焊）是以手工操纵焊条，利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池，随着电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却结晶，最终形成焊缝，是目前在工业生产中应用最广的一种焊接方法。焊接过程如下图3

2、-1：图3-1 焊条电弧焊焊接过程示意图手弧焊的主要优点：操作灵活，可达性好设备简单，使用方便，无论采用交流弧焊机或直流弧焊机，焊工都能很容易地掌握，而且使用方使、简单、投资少。应用范围广。选择合适的焊条可以焊接许多常用的金属材料。手弧焊的主要缺点有；焊接质量不够稳定。焊接质量受焊工的操作技术、经验、情绪的影响。劳动条件差。焊工劳动强度大，还要受到弧光辐射、烟尘、臭氧、氮氧化合物、氟化物等有毒物质的危害。生产效率低。受焊工体能的影响，焊接工艺参数中挥接电流受到限制，加之辅助时间较长，所以生产效率低。焊前准备：烘干焊条，祛除受潮涂层中的水分，以减少熔池及焊缝中的氢，防止产生气孔和冷裂纹。清除工件

3、坡口及两侧各20mm范围内的锈、水、油污等，防止产生气孔和延迟裂纹。组对工件，保证结构的形状和尺寸，预留坡口根部间隙和反变形量，然后按规定的位置进行定位焊。针对刚性大的结构和可焊性差的材料，焊前对工件进行全部或局部预热，以减小接头焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，减小焊接应力和变形，防止产生裂纹。后热和焊后热处理：焊后立即对焊件全部或局部进行加热或保温使其缓冷的工艺措施，称为后热。后热的目的是避免形成硬脆组织，以及使扩散氢逸出焊缝表面，从而防止产生裂纹。焊后为改善接头的显微组织和性能或消除焊接残余应力而进行的热处理，称为焊后热处理。例如，对于易产生脆断和延迟裂纹的重要结构、尺寸稳定性要求高的结构

4、、有应力腐蚀的结构、以及厚度超过一定限度的结构，应考虑焊后进行消除应力退火。3.2 埋弧自动焊Submeerged-Arc Welding (SAW)埋弧焊时，采用盘状焊丝配合焊剂，以代替手弧焊时的焊条。焊接过程中，焊剂不断撒在焊件接缝和接缝附近区域。焊丝末端伸入焊剂内并与焊件之间产生电弧。由于电弧被厚约30-50mm的焊剂层所覆盖，看不见电弧，所以称为埋弧焊。3.2.1 焊接过程图3-2是埋弧自动焊的过程示意图。电弧的引燃和移动，金属熔池、液态熔渣和气体的形成，液态金属与熔渣和气体之间的相互作用，以及焊缝金属和熔渣的凝固等过程都与手弧焊基本相同。两者的主要不同之处在于：用颗粒状焊剂取代焊条药

5、皮；用连续自动送进的焊丝取代焊芯；用自动焊机取代焊工的手工操作。图3-2 埋弧焊示意图3.2.2 埋弧焊的优点生产效率高焊接质量好节省金属和电能在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果胜过其它焊接方法。劳动条件好3.2.3 埋弧焊的缺点主要适用于水平位置焊缝焊接。难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。只适于长焊缝的焊接不适合焊接厚度小于1mm的薄板。容易焊偏。3.2.4 应用范围埋弧焊适用于焊接比较大而长的直焊缝和大直径圆筒的环焊缝，尤其适用于大批量生产。它广泛应用于锅炉、化工容器、造船、机车车辆、起重机等金属结构的制造中。3.2.5 焊接电弧自动调节原理焊接过程中的外界干扰会导致焊接工艺

6、参数不稳。外界干扰主要来自弧长波动和电网电压的波动。由于焊件不平、装配不良或遇到定位焊点等，都会引起弧长的变化。如图3-3，如果弧长缩短，电弧的稳定工作点就由O沿电源外特性移到O1。电网电压变化时，电源的外特性也相应发生变化，如果电网电压降低，电弧的稳定工作点就由O沿电弧静特性移到O2。可以看出，弧长波动和电网电压的波动都会使焊接电流和焊接电压发生变化（稳定工作点对应的电压、电流），所以要保持焊接参数稳定，必须要有一种自动调节系统，来消除或减弱外界干扰的影响，尤其是弧长的干扰，因为弧长的微小变化会带来电弧电压的明显变化，所以自动调节弧长就成为自动焊机的特有任务。最常用的有电弧自身调节系统和电弧

7、电压反馈自动调节系统。图3-3 电弧静态工作点的波动3.2.5.1 电弧自身调节作用的原理这种系统在焊接时，焊丝以给定的速度等速送进，所以也称为等速送丝系统。如果弧长保持稳定，那么送丝速度Vf（feed）和焊丝的熔化速度Vm(melt)必须相等，也就是Vf=Vm这是任何熔化极电弧系统的稳定条件。当焊接过程中由于某种原因使弧长波动时，必然会引起焊接电流和电压发生变化，进而引起焊丝熔化速度发生变化。如果弧长由于某种原因缩短的话，电弧稳定工作点就由O沿电源外特性移到O1，对应的焊接电流加大，电压下降，由于焊丝熔化速度主要受电流影响，所以焊丝熔化速度加快，而送丝速度是不变的，这就出现了VfVm，弧长加

8、大，从而电弧稳定工作点自动恢复到原来的O点。从上面的分析可以看出，在电弧自身调节系统中，完全是由弧长变化所引起的焊接电流等工艺参数的变化使弧长恢复到原来长度。当焊接电流较大、焊丝较细而且电源外特性较平缓时，电弧的自身调节作用大。所以，等速送丝焊机一般都采用缓降特性甚至平特性的电源。3.2.5.2 电弧电压均匀调节原理由于在粗焊丝的情况下，仅靠电弧自身调节作用已经不能保证焊接过程的稳定性，所以发展了电弧电压均匀调节方法，它主要用在变速送丝并匹配陡降外特性的粗丝熔化焊。这种方法和电弧自身调节作用的不同之处在于，当弧长波动引起焊接规范参数波动时，它是利用电弧电压作为反馈量，并通过一个专门的自动调节装

9、置，强迫送丝速度发生变化。因为一般焊接规范下电弧电压和弧长是呈正比的，如果弧长增加，电弧电压就增大，通过反馈作用使送丝速度相应增加，就会强迫弧长恢复到原来的长度从而保持焊接工艺参数稳定。可以看出，均匀调节是一种强迫调节，而电弧的自身调节是一种自发调节。利用均匀调节的时候电弧的自身调节也起作用，但是由于均匀调节一般采用陡降外特性的电源，弧长变化引起的电流变化不大，所以电弧自身调节作用很弱。3.2.6 埋弧自动焊工艺3.2.6.1 焊前准备（1）接头形式和坡口加工（2）焊前清理（3）装配3.2.6.2 埋弧焊工艺（1）平板双面对焊悬空焊焊剂垫法图3-4 焊剂垫结构原理1-焊件；2-焊剂；3-橡皮帆

10、布；4-橡皮帆布软管临时工艺垫板法图3-5 临时垫双面焊(a)薄钢带垫；(b)石棉绳垫；(c)石棉板垫手弧焊封底法（2）单面焊双面成形（3）角焊缝图3-6 船形焊和斜角焊(a)船形焊；(b)斜角焊3.2.6.3 焊接参数对焊缝成形的影响（1）焊接电流、焊接电压 图3-7 焊接电流对焊缝成形的影响 图3-8 电弧电压对焊缝成形的影响B-熔宽；H-熔深；a-余高（3）焊丝干伸长（4）极性（5）焊丝直径（6）焊接速度（7）焊丝倾角图3-9 焊丝倾角对焊缝成形的影响(a)前倾；(b)后倾；(c)后倾角度的影响（8）焊件倾斜 图3-10 焊件斜度对焊缝成形的影响a）上坡焊；b）上坡焊焊件斜度的影响；c）

11、下坡焊；d）下坡焊焊件斜度的影响（9）坡口形状和间隙大小图3-11 坡口形状和间隙大小对焊缝成形的影响（10）焊件厚度和焊件散热条件3.3 气体保护电弧焊Gas Shielded-Arc Welding气保护焊是依靠特殊的焊枪将保护气体连续不断的送到电弧周围，在电弧以及焊接区形成局部气体保护层，从而防止大气污染焊缝。3.3.1 气保护焊的优点与手弧焊相比由于不采用药皮焊条，容易实现自动化、半自动化提高生产率，容易实现全位置焊接。HAZ小，焊接变形小。因为保护气体对电弧有压缩作用，电弧热量集中。与埋弧焊相比是一种明弧焊，焊接过程中电弧和熔池的加热熔化情况清晰可见，便于操作和控制。焊缝表面没有渣，

12、厚件多层焊时可节省大量的层间清渣工作，生产率高、产生夹渣等焊缝缺陷的可能性少。可进行全位置焊接适用范围广3.3.2 气体保护焊的类型根据在焊接过程中电极是不是熔化，气体保护焊可分为两种类型：不熔化极气体保护电弧焊和熔化极气体保护电弧焊。前者包括钨极惰性气体保护焊（一般称为TIG焊，T是英语tungsten（钨）的首字母，ig代表inert gas惰性气体）、等离子弧焊和原子氢焊，后者包括熔化极氩弧焊（以氩气或氩气氦气的混合气作保护气体时称为MIG焊-metal inert gas welding，M是metal的首字母；用氩-O2、氩-CO2或者氩-CO2-O2等混合气体作保护气体时称为MAG

13、焊-metal active gas welding，由于混合气体为富氩气体，所以电弧性质仍然是氩弧特征）、CO2气体保护焊以及混合气体保护焊等等。3.4 钨极氩弧焊（TIG焊）3.4.1 钨极氩弧焊原理钨极气体保护焊的设备图见图3-12。焊枪的前面有一个喷嘴，其中夹持着钨极，电流经导电嘴输入并在钨极和焊件之间产生电弧。氩气由入口处进入喷嘴后喷向焊接区形成气体保护层。图3-12 钨极氩弧焊示意图特点：钨极不熔化，只起导电和产生电弧作用，比较容易维持电弧的长度，焊接过程稳定，易实现机械化；保护效果好，焊缝质量高。适用于焊接厚度为6mm以下的薄板。一般不采用直流反接。焊接铝、镁及其合金时，则采用交

14、流电源或直流反接。钨极氩弧焊需加填充金属，填充金属可为焊丝，也可为填充金属条或者采用卷边接头等。熔深浅，生产率低。3.4.1.1 电极TIG焊时，电极可以是纯钨，也可以是钨合金，因为它们满足不熔化极气保护焊时电极材料要满足的三个要求：(a)耐高温、焊接过程中不发生损耗。(b)电流容量大。(c)引弧和稳弧性好。一般，用纯钨极效果比不上用钨合金极。钨合金电极通常含有1%到2%的氧化钍或氧化铈。加氧化钍可以增大电极的电流容量和电子发射能力，在给定电流下使电极尖端保持较低温度并使起弧更为容易。W+12%ThO2，W+12%CeO2，ZrO2，Y2O3，La2O3 经实践证明：Y2O3、ZrO2、CeO

15、2性能较好（图3-20）。（许用电流、耐用、引弧及稳定电弧性好，放射性小）。 3.4.1.2 保护气体TIG焊的保护气体可以是氩气、氦气或氩气和氦气的混合气体。因为氩气比氦气便宜、容易引弧，而且在一定的焊速下，能得到比较窄的焊缝，HAZ也小，所以氩气使用更为普遍。氩气是惰性气体，保护效果极好，可以获得优质焊缝。但氩气没有脱氧作用，所以TIG焊中，对氩气的纯度要求很高，否则会严重影响焊接质量。一般，氩气的纯度应不低于99.7%，氧和其它气体和水分的含量应极小。3.4.1.3 钨极氩弧特点（1）直流钨极氩弧直流TIG焊时，电弧燃烧稳定。正接：钨极是阴极，发射电子的能力强，电弧稳定，而且焊件作阳极，

16、产生的热量大，熔深大、生产率高，而钨极上产生的热量少，不易过热，允许通过的焊接电流大。反接：钨极是阳极，电子轰击钨极，放出大量热量，容易使钨极过热而熔化；且焊件为阴极，阴极斑点活动范围大，易散热，电子发射困难，电弧稳定性差。同时由于反接时熔池浅而宽，生产率低，因此一般不推荐使用。焊件是阴极，氩气的正离子流以高速冲向熔池表面，氩的正离子质量很大，在电弧热与力的共同作用下，使焊件表面上的氧化膜破碎、分解而被清除掉，这种现象称为“阴极破碎”或“阴极清理”作用。（2）交流钨极氩弧交流钨极氢弧焊电压和电流波形如图3-13所示。图3-13 交流钨极氢弧焊时电弧电压和电流波形及直流分量示意图 a）电压波形；

17、b）电流波形 U0一电源空载电压；I电流；U电弧电压正半波时，钨极为负极相当于直流正接正半周正接钨极作阴极钨极得到冷却，同时发射足够的电子，使电弧稳定负半波时，焊件为负极相当于直流反接负半周反接工件作阴极阴极破碎作用，可以清除熔池表面的氧化膜所以 TIG 焊焊铝、镁及其合金时一般都是采用交流电源采用交流电源时的问题：会产生直流分量；必须采取稳弧措施。由于交流焊机中存在电流不断换向的问题，每当电流改变方向时，都有一极短时间内没有电流流过，导致电弧不稳，甚至熄弧，所以交流电弧没有直流电弧稳定。直流分量交流电焊接铝、镁等金属时，钨极和铝、镁等工件的电子发射能力是不同的，钨极作阴极时发射电子的能力比较

18、强。正半周时钨极作阴极，电弧空间电子数目增多，导电容易，就相当于电弧的等效电阻减小，所以在相同电源电压下，电弧电流就增大；相反，负半周时，电弧电流就比较小（图3-13）。由于两半周的电流不对称，所以交流电弧的电流可以看成有两部分构成，一是直流电，一是叠加在交流部分上的直流电，这部分直流电流就称为直流分量，它的方向和正半周内的电流方向相同，由母材流向钨极。这种交流电弧中产生直流分量的现象称为钨极交流氩弧焊的“整流作用”。一般，两种电极材料物理性能差别越大，直流分量就越大。直流分量的出现，会使阴极破碎作用减弱，影响焊接变压器的正常工作，所以有必要消除直流分量。在焊接回路中串入反极性电池和隔离电容可

19、以消除直流分量，电池产生的电流方向和直流分量方向相反，而电容只允许交流通过而直流电不能通过。稳弧方面，采用高频振荡器稳弧或用高压脉冲引弧和稳弧。3.4.1.4 焊接电源外特性的选择TIG焊时，由于使用的电流密度较小以及氩气的导热率小，电弧基本不受压缩，电弧的静特性是水平的，根据电弧静特性对电源外特性的要求，不论采用交流电源还是直流电源，都应该采用下降外特性的电源。由于TIG焊时，弧长的微小变化都会引起焊接电流发生很大的波动，所以，TIG焊时最理想的是采用垂直陡降外特性的电源（比如磁放大器式硅弧焊整流器），它可以消除由弧长变化所引起的电流波动（图3-14）。图3-14 垂直陡降的电源外特性3.4

20、.1.5 焊枪TIG焊焊枪的作用是夹持电极、传导焊接电流和输送保护气体。手工焊焊枪手把上装有启动和停止按纽。为防止焊枪过热，焊接时要采取一定的冷却措施。焊枪可以用气冷，也可以用水冷，气冷焊枪适合于进行小电流的焊接，而水冷焊枪建议在焊接电流超过200A时使用。为控制保护气体的方向和分布，焊枪端部都装有喷嘴，安装时一定要保证钨极和喷嘴间的同心度，否则会降低气体的保护效果。 图3-15 TIG焊焊枪3.4.2 应用由于氩气的保护，隔离了空气对熔化金属的有害作用，所以，TIG焊广泛用于焊接容易氧化的有色金属铝、镁等及其合金、不锈钢、高温合金、钛以及钛合金，还有难熔的活性金属（如钼、铌、锆等），而一般碳

21、钢、低合金钢等普通材料，除了对焊接质量要求很高的场合，一般不采用TIG焊。3.5 熔化极氩弧焊（MIG或MAG焊）3.5.1 原理和TIG焊不同，MIG（MAG）焊是用采用可熔化的焊丝作电极，以连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属。在焊接过程中，保护气体氩气通过焊枪喷嘴连续输送到焊接区，使电弧、熔池及其附近的母材金属免受周围空气的有害作用。焊丝不断熔化并以熔滴形式过渡到熔池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝金属。3.5.2 特点和TIG焊一样，它几乎可以焊接所有的金属，尤其适合于焊接铝及铝合金、铜及铜合金以及不锈钢等材料。焊接过程中几乎没有氧化烧损，只有少量

22、的蒸发损失，冶金过程比较简单。劳动生产率高。MIG焊可直流反接，焊接铝、镁等金属时有良好的阴极雾化作用，可有效去除氧化膜，提高了接头的焊接质量。不采用钨极，成本比TIG焊低。有可能取代TIG焊。MIG焊焊接铝及铝合金时，可以采取亚射流熔滴过渡方式提高焊接接头的质量。由于氩为惰性气体，不与任何物质发生化学反应，所以对焊丝及母材表面的油污、铁锈等较为敏感，容易产生气孔，焊前必须仔细清理焊丝和工件。3.5.3 熔滴过渡熔滴过渡是指在电弧热作用下，焊丝或焊条端部的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用从焊丝端部脱离并过渡到熔池的全过程。它和焊接过程稳定性、焊缝成形、飞溅大小等有直接的关系。3.5.3.1

23、影响熔滴过渡的力焊丝端部熔化金属形成的熔滴受到各种力的作用，各种力对熔滴过渡的影响是不同的。 重力 平焊位置，重力方向和熔滴过渡的方向相同，促进过渡；仰焊位置，阻碍熔滴过渡。 表面张力表面张力是在焊丝端头上保持熔滴的主要作用力，F=2R（表面张力系数），焊丝越细，熔滴越容易过渡。 电磁力导体本身磁场所产生的力称为电磁力，它的轴向分力总是由小截面指向大截面。熔化极电弧焊，电流通过焊丝熔滴电极斑点，导体的截面是变化的，电磁力的方向也在变化。同时，斑点处电流密度很高，将使金属强烈的蒸发，也会对熔滴金属表面产生很大的反作用力。电磁力对熔滴过渡的影响决定于电弧形态。 等离子流力 在电磁力的收缩作用下，电

24、弧等离子体在电弧轴线方向产生的流体静压力，其大小与弧柱截面积成反比，即从焊丝末端向熔池表面逐渐减小，它是促进熔滴过渡的。 斑点压力3.5.3.2 熔滴过渡的形式用熔化焊丝进行气体保护焊时，金属的过渡以三种方式进行：喷射过渡、滴状过渡和短路过渡（图3-28）。 图3-16 熔滴过渡形式a）短路过渡； b）滴状过渡； c）射流过渡（1）短路过渡形成条件：U较低，I较小形成原因：细丝气体保护焊（0.8-0.6mm）时，在小电流、低电压情况下，焊丝端部在电弧热作用下形成熔滴，由于弧长短，熔滴还没有完全长大就接触到了熔池（图3-16a），导致电路短路并产生熄弧，然后在重力、表面张力、电磁力等各种力的作用

25、下，熔滴离开焊丝，使电路短路中断，电弧重新引燃。随焊丝继续送进和熔化，不断重复上面的过程，就能实现稳定的短路过渡。焊接特点：熔滴过渡频率高，电弧稳定，飞溅少、熔深浅、焊缝成形美观，适合于薄件的全位置焊接。滴状过渡形成条件：U较高，I较小形成原因：U较高弧长长不易短路；I较小弧柱和熔滴间的斑点面积小表面张力、电磁力、斑点压力都是阻力，等离子流力又小，所以熔滴过渡主要靠重力。随熔滴长大，重力加大，只有当大到一定程度后，它才会克服表面张力等阻碍熔滴过渡的力形成大滴过渡。焊接特点：电弧不稳定，熔深浅，飞溅多，焊缝表面粗糙。另外，它主要是靠熔滴的重力作用实现过渡，所以只适合于平焊位置。滴状过渡形式一般很

26、少采用。射流过渡形成条件：U较高，I较大，直流反接，氩气或富氩混合气作保护气形成原因：采用直流反接的情况下，如果焊丝中流过的电流大于焊丝的临界电流（焊丝由滴状过渡转变为射流过渡的电流），而且采用长弧焊时，就会出现射流过渡。这是由于电流很大，熔滴和弧柱之间斑点的面积增大，使电磁力的轴向分力急剧增大，且成为促进熔滴过渡的力，此时促进过渡的等离子流力也增大，同时采用反接又减小了阻碍熔滴过渡的斑点压力，所以熔滴在直径等于或小于焊丝直径时就可以从焊丝末端沿焊丝轴向迅速通过电弧空间进入熔池。射流过渡存在一个临界电流值。射流过渡必须适用氩气或氩氧混合气体作保护气，因为氩促使焊丝的熔化端产生收缩效应，结果在焊

27、接过程中只允许很小的熔滴形成和过渡。焊接特点：熔滴很小，过渡频率高，电弧稳定，飞溅少，焊缝成形好。另外，由于电流大，粗焊丝易于熔化，因而可得到深的焊缝熔深，所以射流过渡适合于焊接厚大尺寸的金属。射流过渡不适合于焊接薄板，因为它会引起烧穿。由于金属过渡是由比重力强的轴向力产生的，所以射流过渡熔滴轴向性好，对于非平焊位置的焊接是有效的，适合于全位置焊接。3.5.3.3 MIG焊的熔滴过渡特点MIG焊和MAG焊时，熔滴过渡主要采用短路过渡和射流过渡，其中短路焊接用于薄板高速焊接和全位置焊，射流过渡用于中、厚板的水平对接和角接。MIG焊时，基本上都用直流反接。因为反接时可实现细射流过渡，而正接时是正离

28、子撞击熔滴，产生很大的斑点压力阻碍熔滴过渡，使得正接时基本上都是不规则的滴状过渡。MIG焊不适用交流电，因为在每一个半周上焊丝的熔化情况不相等。采用MIG焊焊接铝和铝合金时，由于铝容易氧化，所以为保证保护效果，焊接时弧长不能太长，因而我们就不能采用电流大、弧长长的射流过渡方式。如果选择的电流大于临界电流，而弧长控制在射流过渡和短路过渡之间，就会形成亚射流过渡。过渡特征：与短路过渡相似，但短路过渡是先短路后缩颈，亚射流过渡是先缩颈后短路。形成条件：I较大（与射流过渡时的相近或相等），U较低（但略高于短路时的电压）。形成原因：I较高、U比短路时高熔滴缩颈（U不高）短路已经缩颈，短路迅速中断重新引弧

29、焊接特点：电弧稳定，飞溅小，成形美观，熔池保护效果好，阴极破碎能力强，广泛用于焊接铝和铝合金。3.6 熔化极脉冲氩弧焊普通MIG焊是以射流过渡为主要的金属过渡形式。但焊接电流必须大于临界电流才能产生射流过渡，因此限制了 MIG 焊的应用范围，例如很难进行薄板、空间位置焊缝和热敏性强的材料的焊接。熔化极脉冲氢弧焊就是适应此需要在普通 MIG 焊的基础上发展起来的。它是将脉冲电流周期性地叠加在维弧电流上。维弧电流与脉冲电流的平均值低于射流过渡的临界电流。维弧电流的作用是维持电弧燃烧，并使焊丝端部部分熔化。脉冲电流的作用是给熔滴施加一较大的力促使其过渡。每输入一次脉冲电流，熔滴就过渡一次，这种过渡形

30、式称为可控的射流过渡。熔化极脉冲氢弧焊时，它具有以下特点：（1）具有较宽的电流调节范围。采用脉冲电流后，可在平均电流小于临界电流的条件下获得射流过渡。因此对同一直径的焊丝，随着脉冲频率的变化，能在几十至几百安培的电流范围内稳定地进行焊接。焊接薄板时，比短路过渡熔透情况好；比TIG焊生产率高且变形小。用熔化极脉冲氢弧焊焊接薄板的最大优点是可用粗焊丝。这将使送丝容易（尤其对柔软的铝及铝合金焊丝更明显）、容易对中、有利于减小气孔倾向。 （2）容易实现全位置焊接。由于采用脉冲电流后使总的平均电流较小，因而熔池体积小；同时熔滴过渡和熔池的加热是间歇的，因此金属不易流淌而利于进行全位置焊接。 （3）可焊接

31、热敏感性强的材料。由于脉冲电流既可使母材得到较大的熔深又因总的平均电流较小，使焊缝及 HAZ 金属过热程度小，即有效地控制了线能量，因而接头具有良好的韧性并减小了裂纹的倾向。脉冲电弧还有加强熔池搅拌的作用，有利消除气孔。熔化极脉冲氢弧焊现已越来越多的用于厚板，特别是高强度钢的厚板窄间隙焊接。3.7 CO2气体保护焊氩弧焊焊接质量虽高，但成本高，所以目前在焊缝成形不十分重要，而熔深却极为重要的场合大量使用的是纯CO2气体保护焊。图3-17 CO2气体保护焊3.7.1 CO2气体保护焊的特点3.7.1.1 优点 生产效率高，节省能源 焊接成本低 适用范围广 焊缝质量高 焊后不用清渣，又是明弧，便于

32、监视和控制。 焊接变形小3.7.1.2 缺点 飞溅大，焊缝成形差 电弧气氛具有较强的氧化性，必须采取含有脱氧剂的焊丝3.7.2 CO2气体保护焊需要克服的问题3.7.2.1 氧化问题（1）合金元素的氧化电弧高温下， 。 氧化反应的结果就使得合金元素大量烧损，导致焊缝金属力学性能下降。溶入熔池的FeO与碳元素作用，产主CO气体。如果此气体不能析出熔池，便在焊缝中形成气孔。溶入熔滴中的FeO与碳元素作用产生的CO气体，则在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴爆破而引起金属飞溅。合金元素烧损、CO气孔、金属飞溅是CO2焊中的三个主要问题。这三方面的问题都与CO2气体在高温时的氧化性有关。（2）脱氧措施通常是在

33、焊丝金属中，加入一定量的脱氧剂（与氧的亲和力比Fe大的合金元素），使FeO中的Fe还原。脱氧剂在完成脱氧任务之余，所剩余的量便作为合金元素留在焊缝中，起着提高焊缝机械性能的作用。实践表明， Si、Mn联合脱氧（如应用H08Mn2SiA焊丝）具有满意的效果，可以得到高质量的焊缝。加入到焊丝中的Si 和Mn，在焊接过程中一部分被直接氧化掉和蒸发掉，一部分耗于FeO的脱氧，其余部分则剩留在焊缝金属中充作合金元素。焊丝中Si含量过高将降低焊缝的抗热裂缝能力，Mn含量过高将使焊缝金属的冲击值下降。Si 和Mn 之间的比例还必须适当（Mn：Si为1.53比较合适），否则不能很好地结合成硅酸盐MnOSiO2

34、熔渣浮出熔池，而会有一部分残留在焊缝中，使焊缝的塑性和冲击值下降。3.7.2.2 气孔问题：由于CO2焊时，没有熔渣覆盖，熔池暴露，CO2气流对它有附加的冷却作用，熔池凝固的快，熔池内的气体（H2、N2和CO）来不及逸出，所以产生气孔的可能性很大。CO气孔脱氧不足 N2气孔保护不良 H2气孔污染通过选择合适的焊接工艺参数（气流量、弧长等）可以控制氮气孔，通过控制焊丝和母材表面的铁锈、油污、水分或CO2气体中的水分可以控制氢气孔。目前，CO2焊丝都含有足够的硅、锰脱氧元素，焊丝含碳量也得到控制，所以，CO2焊接时气孔问题就可以解决了。3.7.2.3 飞溅问题（1）金属飞溅产生飞溅的主要原因有两个

35、：一是熔滴区碳氧化生成的大量CO气体急剧膨胀而发生的剧烈爆炸，一是CO2焊一般用短弧焊接，短路过渡后电弧再引燃时对熔池产生的巨大冲击力使金属溅出。（2）减小金属飞溅的措施目前，减少飞溅的措施主要有以下几方面：正确选择工艺参数a. 焊接电流和电压b. 焊枪角度c. 焊丝伸出长度采用混合气体（+Ar）在焊接回路中串联电抗、电阻、增大电源变压器阻抗等方法采用直流反接，减小斑点压力，促进熔滴细颗粒过渡在50年代初期，上面的问题曾经使CO2焊的应用受到了阻碍，但是随着这些问题的解决，目前这种工艺已经成为最流行的焊接钢材的半自动化方法。3.7.3 CO2气体保护焊焊接规范参数的选择3.7.3.1 短路过渡

36、（1）焊接电流和电压短路过渡的特点是电流小，电压低（短弧）。电流太小，就会降低生产率、同时焊缝成形变差，所以在保证飞溅不太大条件下采用较大的电流。焊接电压是影响焊接过程稳定性，电压太高了会变成滴状过渡，电压太小焊丝直接接触熔池会产生固体短路，所以电压的大小也有一个范围。焊接电压和电流具体要根据焊丝直径来定（图3-18）。图3-18 CO2焊适用的焊接电流和电弧电压范围（2）焊丝直径短路过渡焊接主要采用直径0.6-1.4mm的细丝，实际应用中最大不能超过1.6mm，因为随焊丝直径增大，飞溅颗粒和数量都相应增大。直径超过1.6mm的焊丝一般采用潜弧射滴过渡。焊丝直径为0.5-1.2mm的焊法称为细

37、丝焊，用于焊0.8-4mm的薄板。焊丝直径为1.6-5mm的称为粗丝焊，用于焊3-25mm的中厚板。我们国家生产中以细丝焊用的多，所以我们国家CO2焊一般采用短路过渡形式。（3）焊接速度V随V焊缝熔深、熔宽，V太快容易产生咬边、未焊透随V冷却速度出现脆硬组织（高强钢） 冷却速度、高温停留时间HAZ出现过热组织 生产率（4）焊丝干伸长指的是导电嘴到焊丝端部的距离。L过大R电阻热焊丝过热、成段熔化、飞溅严重 过大气保护效果变坏L过小妨碍焊工观察焊缝，且飞溅金属容易堵塞喷嘴所以，L要适当。一般干伸长取焊丝直径的10-12倍。（5）气体流量太小，保护效果不好；太大，保护气体的紊流度增加，反而会将外界空

38、气卷入焊接区，使保护效果变差。一般小电流焊枪，取5-15L/min；中电流焊枪（120200A）气体流量为1525L/min。（6）电源极性CO2焊一般采用直流反接，堆焊时采用直流正接。3.7.3.2 潜弧射滴过渡潜弧过渡采用的电弧U和I要比短路过渡高。CO2焊中，对于一定直径的焊丝，当电流增大到一定数值并匹配适当的电弧电压后，焊丝金属熔滴可以较小的尺寸自由飞落进入熔池，这种熔滴过渡形式称为射滴过渡（细颗粒过渡）。射滴过渡时，电弧穿透力强，电弧可以在焊件表面以下燃烧形成潜弧，焊丝端部和熔池并不短路。潜弧射滴过渡焊接过程稳定，适合于焊接中等厚度和大厚度工件。（1）焊丝直径（2）电流和电压（3）气

39、体流量（4）焊接速度3.7.4 焊接设备CO2焊焊接设备是由供气系统、送丝系统、自动或半自动焊枪、焊接电源以及控制系统组成的，见图3-19。图3-19 CO2焊焊接设备示意图 1-CO2气瓶；2-预热器；3-高压干操器；4-气体减压阀；5-气体流量计；6-低压干燥器；7-气阀；8-送丝机构；9-焊枪；10-可调电感；11-焊接电源；12-焊件3.7.4.1 焊接电源（1）电流种类和极性的选择（2）对外特性的要求图3-20 弧长变化时电源外特性曲线对电流变化的影响1平特性； 2下降外特性（3）对动特性的要求3.7.4.2 供气系统3.7.4.3 送丝系统 CO2焊采用等速送丝系统。3.7.4.4

40、 自动和半自动焊枪它们的作用是导电、导丝和导气。3.7.4.5 控制系统气体保护焊控制系统应完成下列工作：（1）控制送丝包括焊前调整焊丝干伸长和送丝速度，送丝、停丝和退丝，焊接过程中电压有微小波动时自动保持恒定送丝速度。（2）控制供气为保护引弧点，引弧前应提前送气，以排除引弧点附近的空气。停焊后应继续供气，使熄弧后的熔池在凝固期间受到保护。（3）控制供电开始供电时可以在送丝前也可以和送丝同时进行，但停电时必须先停丝后停电，以免焊丝与熔池粘连。3.8 等离子弧焊接3.8.1 等离子弧 等离子弧是借助水冷喷嘴对电弧的拘束压缩作用而获得的一种比普通电弧能量密度及温度更高，导电性更好的压缩电弧。等离子

41、弧是通过三种压缩效应得到的（可参看图3-21）： 图3-21 等离子弧发生装置原理图（1）热收缩效应当钨极和工件之间的电弧通过水冷喷嘴时，由于喷嘴是用导热性好的紫铜制成，内部通有循环冷却水，所以它的温度较低。另外，喷嘴内不断通入具有一定压力和流量的高速冷气，迫使弧柱导电面积进一步减小，电流密度大大增加，此称热收缩效应；（2）电磁收缩效应 电弧可看成是一束平行的导线，导线中通过同一方向的电流，这些电流所产生的磁场因互相吸引而迫使电弧收缩。电流密度越大，磁收缩作用越强。（3）机械压缩效应 电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。 当采用小直径喷嘴、大的气体流量和增大电流

42、时，等离子弧自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割，反之，若等离于弧的冲力很小，则称“柔性弧”，主要用于焊接。目前，等离子弧绝大多数采用具有下降外特性的直流电源，进行正接。3.8.2 等离子弧焊接的特点（1）弧柱温度高，能量密度大，加热集中，熔透能力强，可以高速施焊，生产率高；（2）等离子弧工作稳定，工艺参数调节范围宽，可焊接极薄的金属，也可完成厚板的穿孔型焊接；（3）焊缝深宽比大，热影响区窄，焊接变形小，可保证优良的焊接质量；（4）由于钨极内缩至喷嘴内，不与焊件接触，钨极损耗小；（5）设备复杂，成本高，工艺参数的调节较复杂，喷嘴的使用寿命短。3.8.3

43、 等离子弧焊的种类按电流大小，等离子弧又分为两类：大电流等离子弧焊接（穿孔法和熔入法）和微束等离子弧焊3.8.3.1 穿孔型等离子弧焊接原理见图3-22。在等离子能量密度足够和等离子流力够大等条件下焊接，产生穿透小孔，熔化金属被排挤在小孔周围和后方，随着等离子弧前移，小孔也前移，该现象叫小孔效应。该焊接工艺方法称为穿孔型等离子弧焊。 图3-22 穿孔型等离子弧焊接穿孔型离子弧焊可保证完全焊透，一般大电流等离子弧焊（100300A）大都采用此方法。3.8.3.2 熔入型等离子弧焊接 当离子气流量减小，穿孔效应消失时采用。该方法同一般钨极氩弧焊相似。该方法适用于薄板，多层焊缝的盖面及角焊缝，可填加

44、或不填加焊丝，其优点为焊速较快。3.8.3.3 微束等离子弧焊接指30A以下的熔入型等离子弧焊。微束等离子弧焊的等离子弧喷射速度和能量密度较小，比较柔和，可用于焊接0.0252.5mm的箔材及薄板。微束等离子弧的弧柱细、能量集中，故焊速快、焊缝及 HAZ 窄且焊接质量好。焊前应仔细清洁焊件表面，采用精密的装焊夹具，以保证焊接质量与防止焊接变形。3.8.4 应用 等离子弧可焊不锈钢、耐热钢、铜合金、钛合金以及钨、钼、钴、铬、镍、钽等难熔、易氧化材料，目前主要应用于化工、原子能、电子、精密仪器仪表、火箭、航空和空间技术中。3.9 电渣焊3.9.1 焊接过程电渣焊是利用电流通过液态熔渣产生的熔渣电阻

45、热作为热源熔化母材和电极 (填充金属)，利用熔渣保护熔池进行焊接的熔焊方法。电渣焊过程：电弧产生焊剂熔化形成渣池电弧熄灭、熔渣导电产生电阻热金属熔化形 成熔池凝固结晶、形成焊缝。 电渣焊时除开始阶段有一个电弧过程外，其余均为稳定的电渣过程，故与埋弧焊有实质的区别，此外，电渣焊总是以立焊方式进行，不能平焊。 液态熔渣既是焊接热源，又是熔池的良好保护层，其保护作用比埋弧焊的更强。电渣焊的熔渣需有一定的导电性，故有专用的电渣焊焊剂。但有的埋孤焊焊剂如焊剂-431也可用于电渣焊。3.9.2 特点3.9.2.1 优点（1）可焊厚件，生产率高（2）焊缝质量好（3）焊剂及电能消耗少3.9.2.2 缺点由于加

46、热和冷却过程缓慢，金属在高温停留时间长，使热影响区比电弧焊宽得多，且晶粒粗大，机械性能下降，故焊后一般要进行热处理（通常用正火）以改善组织和性能。此外，因为焊剂用量少，向焊缝渗合全只能通过电极材料来实现，故对电极要求高。3.9.3 应用电渣焊主要应用于30mm以上的厚件，可与铸造及锻压相结合生产组合件，以解决铸、锻能力的不足，因此特别适用于重型机械制造业，如轧钢机、水轮机、水压机及其它大型锻压机械。在高压锅炉、石油高压精炼塔、电站的大型容器、炼铁高炉以及造船工业中亦获得大量应用。3.10 电阻焊电阻焊是利用接触电阻热将接头加热到塑性或熔化状态，并由电极对工件施加压力，形成原子间结合的焊接方法。3.10.1 特点（1）优点 两金属是在压力下从内部加热完成焊接的，无论是焊点的形成过程或结合面的形成过程，其冶金问题都很简单。因此，焊接时无需焊剂或气体保护，也不需使用焊丝、焊条等填充金属，便可获得质量较好的焊接接头，其焊接成本低。