电弧焊

电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。电弧焊焊接低碳钢或低合金钢时，电弧中心部分的温度可达6000～8000℃，两电极的温度可达到2400～2600℃。

1) 手弧焊

手工电弧焊可以进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多位置焊接。另外由于电弧焊设备轻便，搬运灵活，可以在任何有电源的地方进行维修及装配中的短缝的焊接作业。特别适用于难以达到部位的焊接。适用于各种金属材料、各种厚度和各种结构形状的焊接。如工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及合金。

2) 埋弧焊

埋弧焊也是利用电弧作为热源的焊接方法。埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊剂覆盖下燃烧，电弧光不外露。埋弧有自动埋弧焊和半自动埋弧焊两种方式。前者的焊丝送进和电弧移动都由专门的机头自动完成，后者的焊丝送进由机械完成，电弧移动则由人工进行。埋弧焊的主要优点是：

①热效率较高，熔深大，工件的坡口可较小，减少了填充金属量；

②焊接速度高，当焊接厚度为8～10mm的钢板时，单丝埋弧焊速度可达 50～2000px/min；

③焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池金属较慢地凝固，减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。

但由于采用颗粒状焊剂，这种焊接方法一般只适用于平焊位置，且不能直接观察电弧与坡口的相对位置，容易焊偏。另外，不适于焊接厚度小于1 mm的薄板。

由于埋弧焊熔深大，生产效率高，机械化操作的程度高，因而适于焊接中厚板结构的长焊缝。在造船、锅炉与压力容器、桥梁、起重机械、铁路车辆、工程机械、重型机械和冶金机械、核电站结构和海洋结构等制造部门有着广泛的应用，是当今焊接生产中最普遍使用的焊接方法之一。埋弧焊能焊的材料已从碳素结构钢发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等以及某些有色金属，如镍基合金、钛合金和铜合金等。

计算公式：

q=IU/v

式中I——焊接电流(A)；

U——电弧电压(V)；

v——焊接速度(mm/s)；

q——热输入(J/mm)。

例如，一厚度为12mm的低碳钢板，采用双面埋弧焊，焊接参数为焊丝直径4mm，焊接电流600A，电弧电压38V焊接速度8mm/s，此时热输入为

q=（600A×38V）÷8mm/s=22800J/s÷8mm/s=2600J/mm

热输入综合了焊接电流、电弧电压和焊接速度三大焊接参数。热输入增大时，热影响区宽度增大，加热到高温的区域增宽，焊件在高温的停留时间增长，同时冷却速度减慢。

气体保护电弧焊

用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊称为气体保护电弧焊，简称气电焊。

气电焊与其它焊接方法相比，具有以下特点：

1、电弧和熔池的可见性好，焊接过程中可根据熔池情况调节焊接参数；

2、焊接过程操作方便，没有熔渣或很少有熔渣，焊后基本上不需清渣；

3、电弧在保护气流的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小；

4、有利于焊接过程的机械化和自动化，特别是空间位置的机械化焊接；

5、可以焊接化学活泼性强和易形成高熔点氧化膜的镁、铝、钛及其合金；

6、可以焊接薄板；

7、在室外作业时，需设挡风装制，否则气体保护效果不好，甚至很差；

7、电弧的光辐射很强；

8、焊接设备比较复杂，比焊条电弧焊设备价格高。

气电焊通常按照电极是否熔化和保护气体不同，分为不熔化极（钨极）惰性气体保护焊和熔化极气体保护焊，氧化混合气体保护焊、CO2气体保护焊和管状焊丝气体保护焊。

① 钨极（不熔化极）惰性气体保护焊

钨极惰性气体保护焊是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）一种焊接方法。焊接时惰性形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响，从而可获得优质的焊缝，惰性气体主要采用氩气。

钨极氩弧焊接操作方式分为手工焊、半自动焊和自动焊三类。钨极惰性气体保护焊具有下列优点：不和金属反应，并自动清除工件表面氧化膜的作用，可焊接化学活泼性强的有色金属、不锈钢、耐热钢等和各种合金；适用于薄板及超薄板材料焊接；可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。不足之处是熔深浅，熔敷速度小，生产率较低；其微粒有可能进入熔池，造成污染（夹钨）；惰性气体（氩气、氦气）较贵，生产成本较高。

钨极惰性气体保护焊所焊接的板材厚度范围，从生产率考虑以3mm以下为宜。对于某些黑色和有色金属的厚壁重要构件（如压力容器及管道），为了保证高的焊接质量，也采用钨极惰性气体保护焊。

② 熔化极气体保护焊

这种方法也是利用连续的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接。与钨极气体保护焊不同的是，作为焊极的焊丝在焊接过程中熔化为液态金属，填充在焊缝处。因此其除具备不熔化极气体保护焊的主要优点（可进行各种位置的焊接；适用于有色金属、不锈钢、耐热钢、碳钢、合金钢绝大多数金属的焊接）外，同时也具有焊接速度较快，熔敷效率较高等优点。

③ 二氧化碳气体保护焊

二氧化碳 气体保护焊属熔化极气体保护焊，其具有生产效率高、焊接变形小、适用范围广等特点。焊接时电弧为明弧焊，可见性好，采用半自动焊接法进行曲线焊缝和空间位置焊缝的焊接十分方便，操作简单，容易掌握，但不足之处是焊接飞溅较大，防风能力差。CO2 气体保护焊是广泛应用的一种电弧焊方法，主要用于汽车、船舶、管道、机车车辆、集装箱、矿山及工程机械、电站设备和建筑等金属结构的焊接。从被焊件材质上看，CO2气体保护焊可以焊接碳钢和低合金钢；从工件厚度上看，采用钢丝短路过渡的方法，可以焊接薄板；采用粗丝熔滴过渡的方法，可以焊接中、厚板；从焊接位置上看，可以进行全位置焊接，也可以进行平焊、横角焊及其他空间位置的焊接。

等离子弧焊

等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊，其等离子弧是自由电弧压缩而成的,叫转移电弧。其离子气为氩气、氮气、氦气或其中二者之混合气。等离子弧的能量集中，温度高，焰流速度大。这些特性使得等离子弧广泛应用于焊接、喷涂和堆焊。

等离子弧焊与钨极惰性气体保护焊相比，有以下特点：

1）等离子弧能量集中、温度高，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得小孔效应，可以得到充分熔透，反面成形均匀的焊缝；

2）电弧挺度好，等离子弧的扩散角仅5°左右，基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小。所以，等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显；

3）焊接速度比钨极惰性气体保护焊快；

4）能够焊接更细、更薄的工件（如1mm以下极薄金属的焊接）；

5）其设备比较复杂、费用较高，工艺参数调节匹配也比较复杂。

电渣焊

电渣焊是利用电流通过液体熔渣时所产生的电阻热进行焊接的方法。

激光焊

激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方式。

电子束焊

电子束焊是利用加速和聚集的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。

1、焊接过程中，焊接区内充满大量气体。

用酸性焊条焊接时，主要气体成分是CO、H2、H2O；用碱性焊条焊接时，主要气体成分是CO、CO2；埋弧焊时，主要气体成分是CO、H2。

焊接区内的气体主要来源于以下几方面：一是为了保护焊接区域不受空气的侵入，人为地在焊接区域添加一层保护气体，如药皮中的造气剂（淀粉、木粉、大理石等）受热分解产生的气体、气体保护焊所采用的保护气体（CO2气体、Ar气）等；其次是用潮湿的焊条或焊剂焊接时，析出的气体、保护不严而侵入的空气、焊丝和母材表面上的杂质（油污、铁锈、油漆等）受热产生的气体，以及金属和熔渣高温蒸发所产生的气体等。

2、氮、氢、氧对焊缝金属的作用和影响

⑴氮主要来自焊接区域周围的空气。手弧焊时，堆焊金属中约含有0.025%的氮。氮是提高焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素，也是在焊缝中产生气孔的主要原因之一。

⑵氢主要来源于焊条药皮、焊剂中的水分、药皮中的有机物，焊件和焊丝表面上的污物（铁锈、油污）和空气中的水分等。各种焊接方法均使焊缝增氢，只是增氢的程度不同：手弧焊时用纤维素药皮焊条焊得的焊缝含氢量比母材高出70倍；只有采用低氢型焊条施焊时，焊缝的含氢量才比较低；而用CO2气体保护焊时，含氢量最低。

氢使焊缝金属的塑性性严重下降，促使在焊接接头中产生气孔和延时裂纹，并且还会在拉伸试样的断面上形成白点。

⑶氧主要来源于空气、药皮和焊剂中的氧化物、水分及焊接材料表面的氧化物。随着焊缝中含氧量的增加，其强度、硬度和塑性会明显下降，还能引起金属的热脆、冷脆和时效硬化，并且也是焊缝中形成气孔（CO气孔）的主要原因之一。

总之，进入焊缝金属中的氮、氢、氧都是属于有害的元素。

3、对焊接区域要进行保护方法对焊接区域进行保护的目的是防止空气侵入熔滴和熔池，减少焊缝金属中的氮、氧含量。保护的方式有下列三种：

⑴气体保护

例如，气体保护焊时采用保护气体（CO2、H2、Ar）将焊接区域与空气隔离起来。

⑵渣保护

在熔池金属表面覆盖一层熔渣使其与空气分开隔离，如电渣焊、埋弧焊。

⑶气—渣联合保护

利用保护气体和熔渣同时对熔化金属进行保护，如手弧焊。

4、 减少焊缝金属中的含氧量

对焊接区域进行保护、防止空气与熔化金属进行接触是控制焊缝金属中含氧量的重要措施，但是不能根本解决问题，因为氧还可以通过许多其它渠道进入焊缝中，要彻底堵塞这些渠道事实上是不可能的，因此只能采取措施，对已进入熔化金属中的氧进行脱氧处理。

5、焊缝金属常用的脱氧方法

利用熔渣或焊芯（丝）金属与熔化金属相互作用进行脱氧，是焊缝金属常用的脱氧办法。

⑴扩散脱氧

当温度下降时，原先熔解于熔池中的FeO会不断地向熔渣进行扩散，从而使焊缝中的含氧量下降，这种脱氧方法称为扩散脱氧。

如果熔渣中有强酸性氧化物SiO2、TiO2等，它们会与FeO生成复合物，其反应式为：

（SiO2+FeO）= FeO·SiO2

（TiO2+FeO）= FeO·TiO2

反应的结果使熔渣中的自由FeO减少，这就使熔池金属中的[FeO]不断地向渣中扩散，焊缝金属中的含量因此得以减少。

酸性熔渣（如焊条J422、焊剂HJK431熔化所成的熔渣）中含有较多量的SiO2、TiO，所以其脱氧方法主要是扩散脱氧。但是在焊接条件下，由于熔池冷却速度快，熔渣和液体金属相互作用的时间短，扩散脱氧进行得很不充分，因此用酸性焊条（剂）焊成的焊缝，其含氧量还比较高，焊缝金属的塑性和韧性也比较低。

6、用脱氧剂脱氧 在焊芯、药皮或焊丝中加入某种元素，使它本身在焊接过程中被氧化，从而保证被焊金属及其合金元素不被氧化或已被氧化的金属还原出来，这种用来脱氧的元素称为脱氧剂。常用的脱氧剂有碳、锰、硅、钛和铝。

碱性焊条的脱氧剂以铁合金的形式加入到药皮中去，如锰铁、硅铁等。埋弧焊常采用合金焊丝，如H08MnA、H10MnSi等。

用脱氧剂脱氧的效果比扩散脱氧好得多，所以用碱性焊条施焊的焊缝，其含氧量比用酸性焊条施焊时要低，塑性、韧性相应得到提高，因此碱性焊条常用来焊合金钢及重要的焊接结构。

7、 减少焊缝金属中的含氢量方法

减少焊缝金属中含氢量的常用措施有：

1） 烘干焊条的焊剂；

2） 清除焊件和焊丝表面上的杂质并尽量使焊丝及焊件表面保持干燥；

3） 在药皮和焊剂中加入适量的氟石（CaF2）、硅砂（SiO2），两者都具有较好的去氢效果；

4） 焊后立即对焊件加热，进行后热处理；

5） 采用低氢型焊条、超低氢型焊条和碱性焊剂。

硫的危害性

硫是焊缝中常存的有害元素之一。硫能促使焊缝金属产生热裂纹、降低冲击韧度和需腐蚀性，并能促使产生偏析。厚板焊接时，硫还会引起层状撕裂。

硫在液态金属中以FeS的形式存在，熔渣中的Mn、MnO、CaO具有一定的脱硫作用；其反应式如下：

[Mn]+[FeS] =[MnS]+[Fe]

[MnO]+[FeS]=[MnS]+[FeO]

[CaO]+[FeS] =[CaS]+[FeO]

生成的MnS、CaS都进入熔渣中，由于MnO、CaO均属碱性氧化物，在碱性熔渣中含量较多，所以碱性熔渣的脱硫能力比酸性熔渣强。

磷的危害性

磷也是焊缝中常存的有害元素之一。磷会增加钢的冷脆性，大幅度地降低焊缝金属的冲击韧度，并使脆性转变温度升高。焊接奥氏体类钢或焊缝中含碳量较高时，磷也会促使焊缝金属产生热裂纹。

磷在液态金属中以Fe2P、P2O5形式存在。脱磷反应可分为两步进行：第一步是将磷氧化成P2O5；第二步使之与渣中的碱性氧化物CaO生成稳定的复合物进入熔渣。其反应式为

2[Fe2P]+5（FeO=P2O5+11[Fe]

P2O5+3（CaO）=（CaO）3·P2O5

P2O5+4（CaO）=（CaO）4·P2O5

由于碱性熔渣中含有较多的CaO，所以脱磷效果比酸性熔渣要好。

但是实际上，不论是碱性熔渣还是酸性熔渣，其最终的脱硫、脱磷效果仍不理想。所以控制焊缝中的硫、磷含量，只能采取限制原材料（母材、焊条、焊丝）中硫、磷含量的方法。

合金化就是把所需要的合金元素，通过焊接材料过渡到焊缝金属（或堆焊金属）中去。

目的

1）补偿焊接过程中由于氧化、蒸发等原因造成的合金元素的损失；

2）改善焊缝金属的组织和性能；

3）获得具有特殊性能的堆焊金属。

常用的合金化方式有：应用合金焊丝；应用药芯焊丝或药芯焊条；应用合金药皮或粘结焊剂；应用合金粉末；应用熔渣与金属之间的置换反应。

过渡系数

合金元素在焊接过程中总有一部分因氧化、蒸发等原因损耗掉，不可能全部过渡到焊缝中去。合金元素的过渡系数是指焊接材料中的合金元素过渡到堆焊金属中的数量与其原始含量的百分比，即

式中η——某合金元素的过渡系数（%）；

CF——堆焊金属中某合金元素的含量；

CT——焊条（焊丝、焊剂）中某合金元素的原始总含量。

合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。

焊缝中的偏析现象有以下三种：

⑴显微偏析

熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素和杂质最高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均现象称为显微偏析。

⑵区域偏析

熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析。焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，因此焊缝中心聚集有较多的杂质。这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质则聚集在焊缝的上部，这种焊缝具有较高的抗热裂能力。

⑶层状偏析

熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现暂时的停顿。以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏析。层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔。