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第4章
焊接是使相互分离的金属材料借助于原子间的结合力连接起来的一种热加工工艺方法。焊接连接性好、省工省料、结构重量轻，广泛应用于锅炉、压力容器、船舶、桥梁、化工设备等的制造。焊接方法很多，本章主要介绍各种焊接的工艺原理和方法以及常用金属材料的焊接性能和焊接结构工艺性。
焊接
4.1 概述
焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。其实质就是通过适当的物理-化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离（0.3～0.5nm）形成金属键，从而使两金属连为一体。
焊接方法的种类很多，根据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。以热源类型为横坐标，以两材料发生结合时的物理状态为纵坐标，用二元坐标法将焊接方法进行分类，见表4.1.1。
焊接方法的主要特点是：
⒈ 节省材料，减轻重量，焊接的金属结构件可比铆接节省材料10％～25％；采用点焊的飞行器结构重量明显减轻，降低油耗，提高运载能力。
⒉ 简化复杂零件和大型零件的制造过程。焊接方法灵活，可化大为小，以简拼繁，加工快，工时少，生产周期短。许多结构都以铸—焊、锻—焊形式组合，简化了加工工艺。
⒊ 适应性强。多样的焊接方法几乎可焊接所有的金属材料和部分非金属材料。可焊范围较广，而且连接性能较好。焊接接头可达到与工件金属等强度或相应的特殊性能。
⒋ 满足特殊连接要求。不同材料焊接在一起，能使零件的不同部分或不同位置具备不同的性能，达到使用要求。如防腐容器的双金属筒体焊接、钻头工作部分与柄的焊接、水轮机叶片耐磨表面堆焊等。
⒌ 降低劳动强度，改善劳动条件。 尽管如此，焊接加工在应用中仍存在某些不足。例如不同焊接方法的焊接性有较大差别，焊接接头的组织不均匀，焊接热过程造成的结构应力与变形以及各种裂纹问题等，都有待进一步研究和完善。
焊接方法在工业生产中主要用于：
⒈ 制造金属结构件 焊接方法广泛应用于各种金属结构的制造，如桥梁、船 、压力容器、化工设备、机动车辆、矿山机械、发电设备及飞行器等。
⒉ 制造机器零件和工具 焊接件具有刚性好、改型快、周期短、成本低的优点，适合于单件或小批量生产加工各类机器零件和工具。如机床机架和床身、大型齿轮和飞轮、各种切削工具等。
⒊ 修复 采用焊接方法修复某些有缺陷、失去精度或有特殊要求的工件，可延长其使用寿命，提高使用性能。
近年来，焊接技术迅速发展，新的焊接方法不断出现，在应用了计算机技术后，使其功能大增。焊接的精密化和智能化必将效力无比。
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表4.1.1 焊接方法分类（二元坐标法）
两 材 料 结 合 时 状 态 焊 接 过 程 中 手 段 熔 化 不 加 压 力 手 弧 焊 手 堆弧 焊堆 焊 电 弧 热 熔渣电阻 熔体化保极护气焊 管电状弧焊堆丝焊 电渣焊 电 阻 热 固体电阻 工频 接触式 感应式 高频 接触式 感应式 高能束 电 激 子 光 束 束 电子束焊 激 光 焊 化学反应热 涂料（焊剂）保护 埋 弧 焊 埋弧堆焊 钨弧 极焊 氩 钨 极堆氩焊弧 气体保护 火 焰 气 焊割 及 气 火 焰 堆 焊 热 剂 热 剂 焊 炸药 等弧离焊子 等 离堆 子焊弧 液 相 水 下弧 电焊 电焊 容⌒ 储放 能电 电 弧 点 焊 电焊 弧 螺 柱 碳 弧 气 刨 熔 化 加 压 力 加压力不熔化 加压力熔化 点缝焊 焊 凸 焊 电 工感阻 频应焊 固 相 电阻对焊 闪光对焊 电阻钎焊 电散阻焊扩 接触高频对焊 电阻对焊 闪光对焊 感应高频对焊 电阻对焊 闪光对焊 气 压 焊 爆摩炸擦焊 焊 固 相 兼 液相 感 高应 频钎 焊 电子束钎焊 火 焰 钎 焊 钎 焊喷火涂 焰 等 离 子 喷 涂
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4.2 手工电弧焊
手工电弧焊是熔化焊中最基本的一种焊接方法。它利用电弧产生的热熔化被焊金属，使之形成永久结合。由于它所需要的设备简单、操作灵活,可以对不同焊接位置、不同接头形式的焊缝方便地进行焊接，因此是目前应用最为广泛的焊接方法。
手工电弧焊按电极材料的不同可分为熔化极手工电弧焊和非熔化极手工电弧焊。非熔化极手工电弧焊如手工钨极气体保护焊。溶化极手工电弧焊是以金属焊条作电极，电弧在焊条端部和母材表面燃烧的方法。
图4.2.1是手工电弧焊示意图，图中的电路是以弧焊电源为起点，通过焊接电缆、焊钳、焊条、工件、接地电缆形成回路。在有电弧存在时形成闭合回路,形成焊接过程。焊条和工件在这里既作为焊接材料，也作为导体。焊接开始后，电弧的高热瞬间熔化了焊条端部和电弧下面的工件表面，使之形成熔池，焊条端部的熔化金属以细小的熔滴状过渡到熔池中去，与母材熔化金属混合，凝固后成为焊缝。
图4.2.1 手工电弧焊示意图
手工电弧焊所用的设备需根据焊条和被焊材料选取。电源分为交流电和直流电两种。使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，应优先考虑选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，则应选用直流弧焊机。购置能力有限而焊件材料的类型繁多时，可考虑选用通用性强的交、直流两用弧焊机。当采用某些碱性药皮焊条时，如结507时，必须选用直流焊接电源，而且要注意此时应将电焊机的负极接工件，正极接焊条，称为直流反接法；反之称为正接法。如图4.2.2所示。
图4.2.2 采用直流电焊接的极性接法 （a）正接法 （b）反接法
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4.2.1 焊接电弧
焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈、持久的气体放电现象。 ⒈ 电弧的引燃
常态下的气体由中性分子或原子组成，不含带电粒子。要使气体导电，首先要有一个使其产生带电粒子的过程。产生中一般采用接触引弧。先将电极（钨棒或焊条）和焊件接触形成短路（图4.2.3（a）），此时在某些接触点上产生很大的短路电流，温度迅速升高，为电子的逸出和气体电离提供能量条件，而后将电极提起一定距离（<5mm图4.2.3（b））。在电场力的作用下，被加热的阴极有电子高速逸出，撞击空气中的中性分子和原子，使空气电离成阳离子、阴离子和自由电子。这些带电粒子在外电场作用下定向运动，阳离子奔向阴极，阴离子和自由电子奔向阳极。在它们的运动过程中，不断碰撞和复合，产生大量的光和热，形成电弧（图4.2.3（c））。电弧的热量与焊接电流和电压的乘积成正比，电流愈大，电弧产生的总热量就愈大。
图4.2.3 电 弧 的 引 燃
⒉ 电弧的组成
焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成（图4.2.3（c））。
阴极区因发射大量电子而消耗一定能量，产生的热量较少，约占电弧热的36%，阳极表面受高速电子的撞击，传入较多的能量，因此阳极区产生的热量较多，占电弧热的43%。其余21%左右的热量在弧柱区产生。
电弧中阳极区和阴极区的温度因电极的材料（主要是电极熔点）不同而有所不同。用钢焊条焊接钢材料时，阳极区热力学温度约2600K，阴极区热力学温度约2400K，弧柱区热力学温度高达5000～8000K。正接时，电弧热量主要集中在焊件（阳极）上，有利于加快焊件熔化，保证足够的熔深，适用于焊接较厚的工件。反接时，焊条接阳极，适用于焊接有色金属及薄钢板，以避免烧穿焊件。
4.2.2 焊接接头
焊缝以及其周围受不同程度加热和冷却的母材是焊缝的热影响区，总称为焊接接头。 ⒈ 焊缝形成过程
熔焊焊缝的形成经历了局部加热熔化，使分离工件的结合部位产生共同熔池，再经凝固结晶成为一个整体的过程。
图4.2.4为焊缝形成示意图。在电弧高温作用下，焊条和工件同时产生局部熔化，形成熔池。熔化的填充金属呈球滴状过渡到熔池。电弧在沿焊接方向移动中，熔池前部（②-①-
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