第六章焊接

第六章焊接把金属零件或材料在加热或加压下，利用原子间的结合与扩散作用，连接成为一个整体的过程称为焊接。

它是工业生产和工程建设中应用广泛的一种金属连接方法。

焊接方法的种类很多，按焊接工艺特征可以分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。

生产上常用的焊接方法有手工电弧焊、气焊和电阻焊等。

6.1 手工电弧焊6.1.1 手工电弧焊的焊接过程(a) 焊接连线(b) 焊接过程图 6.1 焊条电弧焊过程1—零件2—焊缝3—焊条4—焊钳1'—熔渣2'—焊缝3'—保护气体4'—药皮5—焊接电源6—电缆7—地线夹头5'—焊芯6'—熔滴7'—电弧8'—母材9'—熔池手工电弧焊通常又称为焊条电弧焊，属于熔化焊焊接方法之一，它是利用电弧产生的高温、高热量进行焊接的。

如图6.1所示，焊接时电源的一极接工件，另一极与焊条相接。

工件和焊条之间的空间在外电场的作用下，产生电弧。

该电弧的弧柱温度可高达6000°K（阴极温度达2400°K，阳极温度达2600°K）。

它一方面使工件接头处局部熔化，同时也使焊条端部不断熔化而滴入焊件接头空隙中，形成金属熔池。

当焊条移开后，熔池金属很快冷却、凝固形成焊缝，使工件的两部分牢固的连接在一起。

手工电弧焊的适用范围很广，是焊接生产中普遍采用的焊接方法。

6.1.2 手工电弧焊的设备与工具1．交流弧焊机交流弧焊机是一种特殊的降压变压器，它具有结构简单、噪音小、价格便宜、使用可靠、维护方便等优点，但电弧稳定性较差。

BX1-330型弧焊机是目前用得较广的一种交流弧焊机，其外形如图6.2a所示。

型号中“B”表示弧焊变压器，“X”表示下降外特征（电源输出端电压与输出端电流的关系称为电源的外特征），“1”为系列品种序号，“330”表示弧焊机的额定焊接电流为330A。

交流弧焊机可将工业用的电压（220V或380V）降低至空载时的60~70V、电弧燃烧时的20~35V，电流调节范围为50~450A，其工作原理如图6.2b所示。

它的电流调节要经过粗调和细调两个步骤。

粗调是改变焊机一次接线板上的活动接线片，以改变二次线圈匝数来实现。

具体操作方法是改变线圈抽头的接法选定电流范围。

细调是通过改变活动铁心的位置来进行。

具体操作方法是借转动调节手柄，并根据电流指示盘将电流调节到所需值。

（a）交流弧焊机外形图（b）交流弧焊机工作原理图图 6.2 BX1-330交流弧焊机1-电流指示盘2-调节手柄（细调电流）3-接地螺钉4-焊接电源两极（接工件和焊条）5-线圈抽头（粗调电流）2．直流弧焊机直流弧焊机输出端有正、负极之分，焊接时电弧两端极性不变。

弧焊机正、负两极与焊条、焊件有两种不同的接线法：将焊件接到弧焊机正极，焊条接至负极，这种接法称正接，又称正极性；反之，将焊件接到负极，焊条接至正极，称为反接，又称反极性。

焊接厚板时，一般采用直流正接，这是因为电弧正极的温度和热量比负极高，采用正接能获得较大的熔深。

焊接薄板时，为了防止烧穿，常采用反接。

但在使用碱性焊条，均采用直流反接。

直流弧焊机有旋转式直流弧焊机和整体式直流弧焊机。

旋转式直流弧焊机结构复杂，价格比交流弧焊机贵得多，维修较困难，使用时噪音大，目前这种弧焊机已经被淘汰。

整流式直流弧焊机的结构相当于在交流弧焊机上加上整流器，从而把交流电变成直流电。

它既弥补了交流弧焊机电弧稳定性不好的缺点，又比旋转式直流弧焊机结构简单，消除了噪音。

3．工具进行手工电弧焊时，常用的工具有焊钳、面罩、钢丝刷和尖头锤。

焊钳是用来夹持焊条进行焊接的工具。

面罩是用来保护眼睛和脸部，免受弧光伤害的。

钢丝刷和尖头锤则用于清理和除渣。

6.1.3 电焊条的结构与分类1．电焊条的结构电焊条（简称焊条）是涂有药皮的供手工电弧焊用的熔化电极，是手工电弧焊时的焊接材料，它由焊芯和药皮两部分组成，如图6.3所示。

焊芯在焊接过程中既可以作为产生电弧的电极，又可以在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上的涂料层，它由矿石粉、铁合金粉和粘结剂等原料按一定比例配置而成。

在焊接过程中，药皮主要起机械保护作用，防止空气进入焊缝（渣保护和气体保护）。

它还具有冶金作用，如脱氧、脱磷、脱硫和渗合金元素等。

药皮还能使焊条有良好的工艺性能，如稳弧、脱渣、成型美观等。

图6.3焊条结构1—药皮2—焊芯3—焊条夹持部分2．电焊条的种类、型号和牌号（1）手工电弧焊所用焊条的种类很多，按我国统一的焊条牌号，共分为十大类：如结构钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条等，其中应用最广的是结构钢焊条。

（2）按焊条药皮熔化后的熔渣化学性质不同，焊条可分为酸性焊条和碱性碱性两大类。

药皮中含酸性氧化物较多的焊条，熔渣呈酸性，称为酸性焊条，可用于交、直流电源焊接一般的焊接结构；药皮中含碱性氧化物较多的焊条，称为碱性焊条，一般宜用直流反接，常用于重要结构的焊接。

（3）焊条型号是国家标准中的焊条代号，如标准规定碳钢焊条型号是以字母“E”加四位数字组成，例如E4315。

其中字母“E”表示焊条；前两位数字表述熔敷金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊接位置（“0”及“1”表示焊条适用于全位置焊接，即平焊、立焊、横焊、仰焊，“2”为平焊及平角焊等）；第三、四位数字组合时表示焊条的药皮类型及适用的电源种类。

（4）焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号，常用的酸性焊条牌号有J422、J502等，碱性焊条牌号有J427、J506等。

牌号中的“J”表示结构钢焊条，牌号中三位数字的前两位“42”或“50”表示焊缝金属的抗拉强度等级，分别为420MPa或500MPa；最后一位数表示药皮类型和焊接电源种类，1~5为酸性焊条，使用交流或直流电源均可，6~7为碱性焊条，只能用直流电源。

6.1.4 焊接接头、坡口与位置1) 焊接接头形式和焊接坡口形式焊接接头是指用焊接的方法连接的接头，它由焊缝、熔合区、热影响区及其邻近的母材组成。

根据接头的构造形式不同，可分为对接接头、T 形接头、搭接接头、角接接头、卷边接头等5 种类型。

前4 类如图6.4 所示，卷边接头用于薄板焊接。

熔焊接头焊前加工坡口，其目的在于使焊接容易进行，电弧能沿板厚熔敷一定的深度，保证接头根部焊透，并获得良好的焊缝成形。

焊接坡口形式有I 形坡口、V 形坡口、U 形坡口、双V 形坡口、J 形坡口等多种。

常见焊条电弧焊接头的坡口形状和尺寸如图6.4所示。

对焊件厚度小于6 mm 的焊缝，可以不开坡口或开I 形坡口；中厚度和大厚度板对接焊，为保证熔透，必须开坡口。

V 形坡口便于加工，但零件焊后易发生变形；X 形坡口可以避免V 形坡口的一些缺点，同时可减少填充材料；U 形及双U 形坡口，其焊缝填充金属量更小，焊后变形也小，但坡口加工困难，一般用于重要焊接结构。

2) 焊接位置在实际生产中，由于焊接结构和零件移动的限制，焊缝在空间的位置除平焊外，还有立焊、横焊、仰焊，如图6.5所示。

平焊操作方便，焊缝成形条件好，容易获得优质焊缝并具有高的生产率，是最合适的位置；其他三种又称空间位置焊，焊工操作较平焊困难，受熔池液态金属重力的影响，需要对焊接规范控制并采取一定的操作方法才能保证焊缝成形，其中焊接条件仰焊位置最差，立焊、横焊次之。

图6.4 焊条电弧焊接头形式和坡口形式(a) (b) (c) (d)图 6.5 焊缝的空间位置a）平焊 b）立焊 c）横焊 d）仰焊6.1.5 手工电弧焊的工艺规范1. 备料按图纸要求对原材料画线，并裁剪成一定形状和尺寸。

注意选择合适的接头型式，当工件较厚时，接头处还要加工出一定形状的坡口。

2. 焊接规范的选择手工电弧焊的焊接规范，主要就是对焊接电流的大小和焊条直径的选择。

至于焊接速度和电弧长度，通常由焊工根据焊条牌号和焊缝所在空间的位置，在施焊过程中适度调节。

（1）焊条直径焊条直径的大小的选择主要取决于焊件厚度、接头型式、焊缝位置、焊道层次等因素。

焊条直径与板厚关系可参考表6-1；搭接和T形接头的焊接，可选用较大直径的焊条；平焊时焊条直径可也大些，立焊、横焊及仰焊则宜选用较小直径的焊条；多层焊的第一层焊缝，为了防止产生未焊透缺陷，宜采用小直径焊条。

表6-1 焊条直径与板厚的关系焊件厚度/mm＜44～89～12＞12焊条直径/mm≤板厚φ3.2～4φ4～5φ5～6焊接电流的大小主要根据焊条直径来确定。

焊接电流太小，焊接生产率较低，电弧不稳定，还可能焊不透工件。

焊接电流太大，则会引起熔化金属的严重飞溅，甚至烧穿工件。

对于焊接一般钢材的工件，焊条直径在3-6mm时，可由下列经验公式求得焊接电流的参考值：I = （35～55）d式中：I ——焊接电流（A）；d ——焊条直径（mm）；此外，电流大小的选择，还与接头型式和焊逢在空间的位置等因素有关。

立焊、横焊时的焊接电流应比平焊减少10 - 15%；仰焊则减少15 - 20%。

6.1.6 手工电弧焊的基本操作技术1．接头清理焊前，接头处应除尽铁锈、油污，以便于引弧、稳弧和保证焊缝质量。

2．引弧电弧焊开始焊接时，引燃焊接电弧的过程叫引弧。

常用敲击法（又称直击法）、摩擦法（又称划擦法）引弧，如图6.6所示。

其中摩擦法比较容易掌握，适宜于初学者引弧操作。

图6.6引弧方法引弧时，应先接通电源，把电焊机调至所需的焊接电流。

然后把焊条端部与工件接触短路，并立即提起到2～4 mm距离，就能使电弧引燃。

如果焊条提起的距离超过5 mm，电弧就会立即熄灭。

如果焊条与工件接触时间太长，焊条就会粘牢在工件上。

这时，可将焊条左右摆动，就能与工件拉开，然后重新进行引弧。

3．运条引弧后，首先必须掌握好焊条与焊件之间的角度，如图6.7所示。

并使焊条同时完成图6.7中的三个基本动作。

这三个基本动作是：（1）焊条向下送进运动。

送进速度应等于焊条熔化速度，以保持弧长不变。

（2）焊条沿焊缝纵向移动。

移动速度应等于焊接速度。

（3）焊条沿焊缝横向移动。

焊条以一定的运动轨道周期地向焊缝左右摆动，以获得一定宽度的焊缝。

图 6.7 焊条运动和角度控制1—横向摆动2—送进3—焊条与零件夹角为70°～80°4—焊条前移4．焊缝收尾焊缝收尾时，为了不出现尾坑，焊条应停止向前移动，而采用划圈收尾法或反复断弧法自下而上地慢慢拉断电弧，以保证焊缝尾部成形良好。

6.2 其他焊接方法6.2.1气焊与气割1.气焊气焊是利用气体燃烧所产生的高温火焰来进行焊接的，如图6.8所示。

火焰一方面把工件接头的表层金属熔化，同时把金属焊丝熔入接头的空隙中，形成金属熔池。

当焊炬向前移动，熔池金属随即凝固成为焊缝，使工件的两部分牢固地连接成为一体。

图6.8 气焊1-焊丝；2-焊嘴；3-工件气焊的温度比较低，热量分散，加热速度慢，生产率低，焊件变形较严重。