焊接质量检验与焊接缺陷分析

5　焊接技术与项目实训

焊接是通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使工件达到原子结合的一种工艺方法。焊接作为金属材料连接成形方法之一，具有焊接质量可靠、生产率高、制造成本低等优点。在现代制造技术中已成为必不可少的工艺方法，在能源、交通运输、建筑、尤其在机械制造领域发挥着越来越重要的作用。

焊接方法种类很多，根据焊接过程的特点，可分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。熔化焊是利用局部加热的手段，将工件的焊接处加热到熔化状态并形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。压力焊是在焊接过程中，对工件加压（加热或不加热）完成焊接的方法。钎焊是利用熔点比母材低的填充金属熔化后填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的焊接方法。

常用焊接方法归纳如下：

5.1　焊接项目实训

5.1.1　实训目的和要求

（1）了解焊接生产工艺过程、特点和应用。

（2）熟悉焊条电弧焊的原理。

（3）了解焊条电弧焊机的种类、结构、性能和使用方法。

（4）掌握焊条电弧焊的基本操作要领。

（5）了解气焊设备、原理、气焊火焰、焊丝及焊剂的作用；掌握气焊基本操作要领。

（6）熟悉氧气切割的原理、过程和金属气割的条件；掌握气割基本操作要领。

（7）了解二氧化碳气体保护焊设备、原理；掌握二氧化碳气体保护焊基本操作要领。

（8）了解其他常用焊接方法及先进的焊接新技术。

5.1.2　实训安全守则

（1）焊接设备的安装、修理及日常维护应由专业人员进行。

（2）使用焊接设备前必须检查电器线路及焊接设备机壳接地是否良好，以免触电。

（3）开动电焊机前应检查电焊钳焊柄是否绝缘良好，防止焊钳与工件直接接触，造成短路烧坏焊机；焊钳不用时应放在绝缘体上。

（4）焊接时所用照明灯的电压不得超过36V。

（5）焊接时操作人员必须穿焊工工作服、戴焊工专用手套及焊工防护面罩。严防烫伤及灼伤眼睛。

（6）电焊设备如有故障应立即停止使用，并报告实习指导教师经专业人员检查、修理。

（7）进行气焊、气割操作前，应检查焊炬、割炬的射吸能力及是否漏气；焊嘴、割嘴是否有堵塞、胶管是否有漏气等。

（8）在焊、割过程中如遇明火，应迅速关闭氧气阀，然后关闭乙炔气阀，报告实习指导教师后等待处理。

5.1.3　项目实训内容

（1）焊条电弧焊基本操作训练。

（2）气焊、气割基本操作训练。

（3）二氧化碳气体保护焊基本操作训练。

5.2　焊条电弧焊

焊条电弧焊是用手工操纵电焊条进行焊接的一种电弧焊方法。焊条电弧焊设备结构简单、成本低、工艺灵活、安装使用方便，适于各种场合的焊接，因此应用比较广泛。

5.2.1　焊条电弧焊焊接系统

焊条电弧焊焊接系统主要由焊机（电源）、焊接电缆、焊钳、焊条和焊件组成，如图5-2-1a所示。焊接前，将焊钳和焊件分别接到焊机输出端的两极，并用焊钳夹持焊条；焊接时，采用接触短路引弧法引燃电弧，然后提起电焊条并保持一定高度，使电弧稳定燃烧，电弧燃烧产生的高温使焊条和焊件局部被加热至熔化状态，焊条端部熔化后的熔滴和焊件局部熔化的母材熔合在一起形成熔池。施焊过程中，随着焊条和电弧的不断移动，新的熔池不断产生，而原先形成的熔池逐步冷却、结晶形成焊缝（见图5-2-1b）。

在焊接过程中，焊条和药皮熔化后会产生某种气体和熔渣，产生的气体充满电弧和熔池周围的空间，起到隔绝空气的作用；液态熔渣浮在液体金属表面，起保护金属液体的作用；熔化的焊条金属不断向熔池过渡，形成连续的焊缝。熔池中的液态金属、液态熔渣和气体之间进行着复杂的冶金反应，这种反应对焊缝质量影响较大。

图5-2-1　焊条电弧焊及其焊接过程

5.2.2　焊条电弧焊设备

1）电弧焊机

常用的电弧焊机有交流弧焊机和直流弧焊机两大类。

图5-2-2　弧焊变压器工作原理图

图5-2-3　BX3-300型弧焊机

（1）交流弧焊机

交流弧焊机是以弧焊变压器为核心的焊接设备。弧焊变压器的工作原理如图5-2-2所示。图中可调电感器用于调节下降外特性、稳定焊弧和调节电流。它可将工业用的220V或380V电压降到60～90V（焊机的空载电压），以满足引弧的需要。焊接时，随着焊接电流的增加，电压自动下降至电弧正常工作时所需的电压，一般为20～40V。而在短路时，又能使短路电流不致过大而烧毁电路或变压器本身。

交流弧焊机具有结构简单、噪音小、成本低、使用维修方便等优点，但电弧稳定性不足。焊接时优先选用交流弧焊机。图5-2-3所示为BX3-300型弧焊机。

（2）直流弧焊机

直流弧焊机分为整流式直流弧焊机和旋转式直流弧焊机。

①整流式直流弧焊机　整流式弧焊机是以弧焊整流器为核心的焊接设备。弧焊整流器将交流电经变压器降压并整流成直流电源供焊接使用。常用的直流弧焊机有硅整流式直流弧焊机和晶闸管式整流直流弧焊机。图5-2-4所示为ZXG-300型硅整流式直流弧焊机。

图5-2-4　硅整流式直流弧焊机

图5-2-5　直流弧焊机的正反接法

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。弧焊机的正、负两极与焊条、焊件有两种不同的接法，如图5-2-5所示。将焊件接弧焊机正极、焊条接负极，这种接法称正接、又称正极性（图5-2-5a）；反之，将焊条接至弧焊机正极，焊件接至负极称为反接，又称反极性（图5-2-5b）。在焊接厚板时，一般采用直流正接，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；焊接薄板时一般采用直流反接，以防焊件被烧穿。但在使用碱性焊条时，均采用直流反接。

②旋转式直流弧焊机　它是由一台三相感应电动机和一台直流弧焊发动机组成，结构比较复杂、价格高、使用噪音大，且维修困难，已逐步被整流式直流弧焊机所取代。

图5-2-6　焊条

2）焊条

焊条的基本结构如图5-2-6所示，焊条中的金属丝部分称为焊芯。压涂在焊芯表面上的涂料称为药皮；而焊条尾部裸露的金属端部称为夹持端供焊钳夹持用。

（1）焊芯

焊芯是具有一定长度和直径的金属丝。焊接时，焊芯一方面传导焊接电流、产生电弧作用，同时焊芯自身熔化后作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝；另一方面还能调节焊缝中合金元素的成分。常用焊芯材料有碳素钢、合金钢和不锈钢三种。普通电焊条的焊芯都是用碳素钢制成的，其规格见表5-2-1。

表5-2-1　碳素钢焊条焊芯尺寸

常用碳素结构钢焊芯牌号有H08A、H08MnA、H15Mn等。

（2）药皮

①药皮的作用　能保证电弧的稳定，使焊接正常进行；保护熔池，隔绝空气中的氮、氧等气体对熔池冶金过程的影响，并能生成熔渣盖在焊缝表面，有利于降低焊缝的冷却速度，防止产生气孔，改善焊缝的性能；同时，药皮中的合金元素参与熔池中的冶金过程，可控制焊缝的化学成分，如脱氧、脱硫和脱磷，这些都有利于焊接质量的提高。

②药皮的组成和类型　药皮是由多种原料按一定的配方组成的。药皮的组成成分中有稳弧剂、造渣剂、脱氧剂等。其中造渣剂是药皮的基本组成成分。

采用不同材料、按不同的配比设计药皮可适用于不同焊接需求的药皮类型。常用药皮类型有碳素钢和低合金钢药皮、不锈钢焊条药皮和铬钼钢焊条药皮。而根据药皮产生熔渣的酸碱性，又将药皮分为酸性药皮和碱性药皮，与之相应的焊条称为酸性焊条或碱性焊条。

（3）焊条的种类

焊条的种类很多，通常根据焊条的用途和焊条药皮形成熔渣的酸、碱性进行分类。

①按焊条用途分类　可将焊条分为碳素钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条等。表5-2-2列出了各类焊条、代号及应用范围。

表5-2-2　焊条的分类、代号及应用范围

②按药皮形成熔渣的化学性质分类　分酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条是指熔渣中主要以酸性氧化物为主。酸性焊条能交、直流焊机两用，焊接工艺性较好，但焊缝的力学性能、特别是冲击韧度较差，适于一般的低碳钢和相应强度等级的低合金钢的焊接；碱性焊条是指焊条熔渣中主要以碱性氧化物为主，碱性焊条一般用于直流焊机，只有在药皮中加入较多稳弧剂后，才适于交、直流焊机两用。碱性焊条脱硫、脱磷能力强，焊缝金属具有良好的抗裂性和力学性能，特别是冲击韧度很高，但工艺性能差，主要适用于合金钢及承受动载荷的低碳钢重要结构的焊接。

（4）焊条的选用

焊条的选用原则除遵循焊缝和母材具有相同等级的力学性能外，还要根据焊件的结构及焊件的工作条件等选择焊条。

①根据母材的化学成分和性能选用焊条　低碳钢和低合金钢的焊接，一般应按强度等级要求选用焊条，即焊条的抗拉强度不应低于母材。对于某些裂纹敏感性较高的钢种，或刚度较大的焊接结构，焊条的抗拉强度稍低于母材有利于抗裂能力的提高。

②根据焊件的工作条件选用焊条　在高温条件下工作的焊件，应选用耐热钢焊条；在低温条件下工作的焊件，应选用低温钢焊条；接触腐蚀介质的焊件，选用不锈钢焊条；承受动载荷或冲击载荷的焊件应选用强度足够、塑性、韧性较高的低氢型焊条。

③根据焊件结构的复杂程度和刚度选用焊条　形状复杂、结构刚度大且厚度大的焊件，由于焊接过程中产生较大的焊接应力，宜选用抗裂性能好的低氢型焊条。

3）焊钳、焊接电缆及其他辅助工具

（1）焊钳

焊钳是用以夹持焊条并传导电流进行焊接的工具。要求其导电性能好、重量轻，能在各个角度夹住各种型号的焊条，长期使用不发热。常用焊钳的构造如图5-2-7所示。

图5-2-7　焊钳的构造

（2）焊接电缆

焊接电缆是用多股细铜丝绕制而成的，其截面积应根据焊接电流和导线长度来选用。其作用是用于连接焊机与焊件、焊机与焊钳。

（3）焊接辅助工具

焊接辅助工具有面罩、电焊手套及焊缝清渣工具等。其中面罩是防止焊接时产生的飞溅、弧光及其他辐射对焊工面部及颈部损伤的一种防护工具，施焊时必须戴好面罩，并通过护目镜观察熔池，掌握并控制焊接过程。电焊手套用皮革制成，焊接时必须戴上电焊手套以保护双手不受弧光及飞溅物的伤害。焊缝的清渣工具主要有敲渣锤、錾子、钢丝刷等，用于清除焊渣，以便检查焊缝质量。

5.2.3　焊条电弧焊焊接工艺

为了满足焊件的结构设计及使用性能要求，必须确定合理的焊接工艺方案，焊接工艺是否合理，直接影响焊接质量和生产率。焊条电弧焊的焊接工艺主要包括确定焊接接头的形式、坡口的形式及尺寸、焊接的空间位置等；选择焊接电源的种类和极性以及重要的焊接参数等。

1）焊接接头的形式、坡口的形式及尺寸

焊条电弧焊常用的接头形式有对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头。焊接接头主要根据焊接结构形式、焊件厚度、焊缝强度及施工条件等情况进行选择。由于对接接头受力比较均匀，焊缝能承受很高的强度，且外形平整、美观，是应用最多的一种接头形式。为使焊件能焊透，当焊接件较薄时，只要在焊接接头外留有一定间隙即可；当焊接件较厚时，常将焊件接头处的边缘加工成一定形状的坡口，以满足焊接要求。

焊接接头、坡口形式及尺寸见表5-2-3。

表5-2-3　焊条电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸

2）焊接空间位置

在实际生产中，焊缝可以在空间不同的位置施焊，按焊缝在空间的位置，可分为平焊、立焊、横焊和仰焊，如图5-2-8所示。

3）焊接电源和极性

焊条电弧的焊接电源有交流和直流两种。使用酸性焊条时，一般采用交流电焊机，只有使用酸性焊条焊接薄板时，才使用直流电焊机且反接。如果使用低氢焊条时也采用直流焊机并反接。

图5-2-8　焊缝的空间位置

4）焊接工艺参数

焊条电弧焊的焊接工艺参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度及焊接层数等。

（1）焊条直径

焊条直径应根据焊件的厚度、焊缝位置、坡口形式等因素选择。焊件厚度大，选用直径较大焊条；坡口多层焊接时，第一层用直径较小的焊条，其余各层用直径较大焊条；非平焊位置的焊接，宜选用直径较小的焊条。焊条直径的选择参见表5-2-4。

表5-2-4　焊条直径选择

（2）焊接电流

焊接电流直接影响焊接过程的稳定性和焊缝质量。一般情况下，焊接电流的大小首先应根据焊条直径来确定。然后再根据焊件厚度、接头形式、焊接位置、焊条种类等因素来进行必要的修正。表5-2-5给出了焊接电流与焊条直径的关系。

表5-2-5　焊接电流与焊条直径的关系

（3）电弧电压

焊接时，电弧两端的电压称为电弧电压，其值取决于电弧长度。电弧长，电弧电压高；电弧短，电弧电压低。电弧过长时，电弧不稳定，焊缝容易产生气孔。一般情况下，尽量采用短弧操作，且弧长一般不超过焊条直径，多为2～4mm。使用碱性焊条或在立焊、仰焊时，电弧长度应比平焊时短，有利于熔滴过渡。

（4）焊接速度

焊接速度是指焊条沿焊接方向移动的速度。焊接速度慢，则焊缝宽而高；焊接速度快，则焊缝窄而低。焊接速度由焊工凭经验而定。施焊时应根据具体情况控制焊接速度，在外观上，达到焊缝表面几何形状均匀一致且符合尺寸要求。

（5）焊接层数

对于中厚板的焊接，除了两面开坡口之外，还要采取多层焊接才能满足焊接质量要求。具体需要焊接多少层，应根据焊缝的宽度和高度来确定。

5.2.4　焊条电弧焊操作

焊条电弧焊操作过程主要有焊前准备、引弧、运条、焊道连接、焊道收尾及焊后清理和检查等。

图5-2-9　引弧方法

1）焊前准备

焊前准备包括接头清理、组成电焊系统和引弧等操作。焊接前首先将焊件接头处油污、铁锈等清除干净，以便于引弧、稳弧和保证焊缝质量；然后根据焊件结构和焊接工艺要求，将焊机、焊钳及焊件用电缆连接起来组成电焊系统，用焊钳夹持好焊条尾部，准备引弧。

2）引弧

使焊条端部与焊件金属之间产生稳定电弧的操作即为引弧。引弧方法有划擦法和敲击法两种，如图5-2-9所示。划擦法引弧是将焊条对准焊件，在其表面上轻微划擦形成短路，然后迅速将焊条向上提起2～4mm的距离，电弧即被引燃；敲击法引弧是将焊条对准焊件并在其表面上轻敲形成短路，然后迅速将焊条向上提起2～4mm的距离，电弧即被引燃。

3）运条

运条是焊接过程中最重要的环节，它直接影响焊缝的外表成形和内在质量。运条是在引弧后进行的，焊接时焊条要同时完成三种基本运动：向熔池方向逐渐送进；沿焊接方向逐渐移动；沿焊缝横向摆动，如图5-2-10所示。运条方法有直线往复式运条、锯齿形运条、月牙形运条和三角形运条等，具体操作时应根据接头形式、坡口形式、焊接位置、焊条直径和性能、焊接工艺要求及焊工的技术水平来选择合适的运条方式。平焊时焊条的角度如图5-2-11所示。

图5-2-10　运条基本动作

图5-2-11　平焊时的焊条角度

4）焊道连接

焊接长焊缝时，需要不断更换焊条继续焊接下去，直到形成一道长焊缝。更换焊条后，焊道连接处容易发生夹渣、气孔等缺陷。因此，在焊道连接时必须采取适当的方式以避免产生缺陷，图5-2-12所示为常见的焊道接头的四种连接方式。

图5-2-12　焊道接头的连接方式

5）焊道收尾

焊缝焊好后熄灭电弧叫收尾。收尾时要求尽量填满弧坑。收尾的方法有划圈法（在终点做圆圈运动、填满弧坑）、回焊法（到终点后再反方向往回焊一小段）和反复断弧法（在终点处多次熄弧、引弧、把弧坑填满）。回焊法适于碱性焊条，反复断弧法适于薄板或大电流焊接。

6）焊后清理及检查

焊完后用敲渣锤清除焊缝表面的焊渣，用钢丝刷刷干净焊缝表面，然后对焊缝进行检查。一般焊缝先进行目测检查，并用焊缝量尺测量焊角尺寸，焊缝的凹凸度应符合图纸要求；重要焊缝，应作相应的无损伤检测或金相检查。良好的焊缝应与母材金属之间过渡圆滑、均匀、无裂纹、夹渣、气孔及未熔合等缺陷。

5.3　二氧化碳气体保护焊

利用惰性气体将电极、电弧区以及金属熔池与周围空气隔离，并在惰性气体保护下进行的电弧焊称为气体保护焊。用于保护焊的惰性气体主要有二氧化碳和氩气两种，相应的保护焊即为二氧化碳气体保护焊和氩弧焊。

5.3.1　二氧化碳气体保护焊焊接系统

二氧化碳气体保护焊焊接系统主要由焊接电源、焊枪、供气系统、控制系统以及送丝机构、焊件、焊丝和电缆线等组成。其基本工作原理如图5-3-1所示。焊接时，金属焊丝通过滚轮的驱动，以一定的速度进入到焊嘴前端燃烧，加热被焊金属并形成熔池。电弧是靠焊接电源产生并维持的。同时，在焊枪的喷嘴出口周围有来自气瓶并具有一定压力的CO2气体做保护，使电弧、熔池与周围空气隔绝，避免熔池被氧化。在此系统中，除焊件外，其余各组成部分均组装或连接在一台可移动的二氧化碳气体保护焊机上，且供气、送丝都由焊机自动控制，焊接时焊工只需持焊枪沿焊缝方向移动即可完成焊接操作，故又称为半自动二氧化碳气体保护焊。图5-3-2为CO2气体保护焊示意图。

图5-3-1　CO2气体保护焊基本原理

图5-3-2　CO2气体保护焊示意图

5.3.2　二氧化碳气体保护焊焊机

二氧化碳气体保护焊焊机一般由焊接电源、送丝机构、焊枪、供气系统和控制系统组成。其中，焊接电源、焊丝及送丝机构、控制系统通常都安装在焊机的机箱内，因此，焊机结构比较紧凑。

1）焊接电源

气体保护焊对电源电压的稳定性要求较高，较多采用整流式直流电源（弧焊整流器）。当焊接电流变化时，输出电压基本不变。电源与焊件连接时，一般采用反接法。

2）送丝机构

送丝机构由送丝电机、减速装置、送丝滚轮、压紧机构、送丝软管和焊丝轴卷等组成。送丝机构将焊丝以均匀平稳的速度持续不断地送出，送丝速度可在一定范围内进行调节。

3）焊枪

焊枪中重要的组成部分是喷嘴和导电嘴。喷嘴一般是圆柱形的，用纯铜制成。其作用是向熔池和电弧区输送二氧化碳保护气流。导电嘴的作用是将送丝机构送出的焊丝导向熔池并可靠地向焊丝导电，要求其具有良好的导电性和耐磨性，且熔点高，一般也以纯铜制成。

4）供气系统

供气系统由存储二氧化碳气体的钢瓶、预热器、干燥器、减压器、流量计及电磁阀等组成，如图5-3-3所示。其作用是使CO2气瓶内的液态CO2变为质量满足要求并具有一定流量的CO2气体，供焊接使用。CO2气体能否进入喷嘴由电磁阀控制。

5）控制系统

控制系统是对送丝、供气和焊接电源的有序控制。如控制供气系统引弧时提前供气，焊接时控制气流稳定，结束时滞后停气；控制送丝电机正常送进焊丝与停止送进，焊前可调节焊丝伸出长度等；对焊接电源实现控制，供电可在送丝之前或与送丝同时接通，停电时先停止送丝而后再断电等。

一般按焊机使用说明书，调节各自的控制旋钮，即可得到所需要的控制作用。

图5-3-3　CO2供气系统

5.3.3　二氧化碳气体保护焊焊接参数

二氧化碳气体保护焊的焊接参数主要有焊丝直径、焊接电流、电弧电压、CO2气体流量等。

1）焊丝直径

二氧化碳气体保护焊使用实芯焊丝，常用的焊丝有碳素结构钢焊丝H08A、合金结构钢焊丝H08Mn2SiA等。焊丝直径主要取决于焊件的厚度和焊接位置等因素。例如：厚度为3mm的钢板、水平位置焊接时，焊丝直径取0.5～0.8mm之间，焊接熔滴以颗粒形式过渡。

2）焊接电流

焊接电流的大小主要取决于焊丝直径，焊丝直径大，焊接电流大；焊丝直径小，焊接电流相应小。电流大时，熔深、熔宽都增加，不但会产生飞溅，而且会发生烧穿现象。而电流变小时，容易产生焊不透现象，焊缝成形差。因此，选择合适的焊接电流，不但可以保证焊接质量，还可以提高熔化速率，提高焊接生产率。

3）电弧电压

电弧电压是影响熔滴过渡、飞溅大小、短路频率和焊缝成形的主要因素。一般情况下，电弧电压增加，焊缝的宽度增加，焊缝的余高和熔深减小。当焊接电流较小时，电压过高，飞溅严重；而电压太低，焊丝容易伸入熔池，电弧不稳。通常情况下，细丝焊接时，电弧电压为16～24V；粗丝焊接时，电弧电压为25～36V。

4）气体流量

CO2气体流量主要影响保护性能。焊丝粗、焊丝伸出的长度越长时，气体流量应大一些。一般情况下，细丝焊接时流量取6～15L/min，粗丝焊接时流量取20～30L/min。

5）送丝速度

送丝速度是否合适可凭观察认定。若随着电弧的缩短，稳定的反光亮度开始减弱，则此时的送丝速度合适。送丝太慢，可以听到“啪啪”的声响，反光亮度增强；送丝太快，将堵塞电弧，熔敷速度大于熔池吸收速度，产生飞溅并伴有频闪弧光。

表5-3-1为CO2气体保护焊焊接参数，供参考。

表5-3-1　为CO2气体保护焊焊接参数

5.3.4　二氧化碳气体保护焊操作

二氧化碳气体保护焊操作步骤分为引弧、运丝，焊缝的连接和熄弧等。

1）引弧

CO2气体保护焊采用直接短路引弧法引弧。引弧前需将焊丝伸出的长度调节好，使引燃后焊丝端头与工件表面保持2～3mm的距离。引弧前应注意：如果焊丝端头有粗大的球形头，应先用钳子剪去再引弧。正常情况下，导电嘴到母材表面的距离约为6～16mm。

2）运丝

运丝方法有直线移动和横向摆动。直线移动时焊丝只做直线运动而不摆动，其焊道较窄。横向摆动运丝方式是以焊缝中心为基准作两侧交叉摆动，其摆动形式与焊条电弧焊基本相同，有锯齿形、月牙形、正三角形、斜圆圈形等。

图5-3-4　CO2保护焊的两种焊接方法

与其他焊接方法一样，CO2气体保护焊也有左、右焊法之分。焊枪沿焊接方向从左向右移动的焊接方法为右焊法；反之为左焊法。无论采用何种焊法，焊枪与焊件表面的法向均成10°～15°夹角，如图5-3-4所示。采用右焊法熔池不但能得到良好的保护，而且加热集中，电弧的吹力将熔池金属推向后方，从而形成饱满的焊缝。但操作过程中，不容易观察待焊前沿的情况，容易焊偏。采用左焊法，电弧对焊件有预热作用，能得到较大的熔深，改善焊缝的形成，易于掌握待焊区域的情况，不致漏焊。一般情况下，CO2气体保护焊采用左焊法。

3）焊缝的连接

焊缝接头的连接一般采用退焊法，即在焊道的终点前约10mm处引弧，然后迅速移至焊道终点继续进行焊接。具体操作方法与焊条电弧焊相似。

4）熄弧

在焊接结束时，突然切断电弧，将会留下弧坑，产生裂纹或气孔等缺陷。因此，结束焊接时应在弧坑处稍作停留，等填满弧坑再缓慢抬焊枪熄弧。

5.4　氩弧焊

根据氩弧焊电极种类不同，可分为熔化极氩弧焊和非熔化极（钨极）氩弧焊，如图5-4-1所示。

图5-4-1　氩弧焊示意图

5.4.1　熔化极氩弧焊

熔化极氩弧焊利用金属焊丝作为电极，焊丝自动送进并熔化。主要适合焊接3～25mm中厚板的不锈钢与有色金属焊接。

熔化极氩弧焊采用直流电源反接法（工件接负极），且焊丝熔化后，以喷射过渡的形式过渡到熔池。由于喷射过渡不产生焊丝和工件的短路现象，因此电弧燃烧稳定，飞溅小。

5.4.2　钨极氩弧焊

钨极氩弧焊的特点是用熔点比较高的金属材料钨作为电极，焊接时钨极不熔化，仅起产生电弧的作用。为了避免钨极过热，除了焊接铝合金外，钨极氩弧焊都采用直流正接法，即工件接正极。焊接时，填充焊缝的焊丝从一侧进入。钨极氩弧焊一般适合焊接4mm以下的薄板。

手工钨极氩弧焊焊接系统如图5-4-2所示，系统中除焊嘴一般采用水冷方式冷却外，其余各组成部分的功能与二氧化碳气体保护焊大致相同，这里不再叙述。

图5-4-2　手工钨极氩弧焊接系统

5.5　气焊与气割

5.5.1　气焊

气焊是利用气体火焰与氧气混合燃烧产生的热量来熔化金属达到焊接目的的一种焊接方法。最常用的是氧—乙炔焊，如图5-5-1所示，氧气与乙炔气在焊炬中混合，点燃后产生高温火焰，熔化焊件连接处的金属和焊丝形成熔池，经冷却凝固后形成焊缝，从而将焊件连接在一起。

图5-5-1　气焊工作图

1）气焊设备与材料

（1）气焊设备

气焊设备主要由氧气瓶、乙炔发生器（或乙炔瓶）、减压器、回火保险器、焊炬（割炬）、输气管等组成，如图5-5-2所示。

①氧气瓶　氧气瓶是贮存和运输氧气的钢瓶。常用的氧气钢瓶外表漆成蓝色以示识别。其容积为40L，最高压力为15MPa，由于瓶内压力很高，使用时必须经过减压阀减压之后才能接到焊炬上。氧气瓶贮存、运输和保管要严格遵守安全操作规程，以免发生意外事故。

②乙炔瓶　乙炔瓶是贮存、溶解乙炔的钢瓶，其外形与氧气瓶相似，外表漆成白色，并用红漆写上“乙炔”字样。乙炔瓶内装有浸满丙酮的多孔性复合材料，由于丙酮有很高的溶解乙炔的能力，可使乙炔稳定而又安全地贮存在瓶内。

③减压器　气焊使用的氧气和乙炔气一般都是瓶装的高压气体，必须经过减压器减压后才能接入焊炬（割炬）供焊接（气割）用，同时减压器要保持焊接过程中气体压力基本稳定。减压器构造如图5-5-3所示。使用时先缓慢打开氧气瓶（或乙炔瓶）阀门，然后旋转减压器调压手柄，待压力达到所需要的压力（氧气压力为0.1～0.4MPa）时为止。停止工作时先松开调压螺钉，再关闭氧气瓶（或乙炔瓶）阀门。

图5-5-2　气焊（气割）装置示意图

图5-5-3　QD—1型氧气减压器的构造

④回火保险器　回火保险器装在乙炔减压器和焊炬之间，其作用是防止火焰沿乙炔管路往回燃烧（回火现象）。如果回火蔓延到乙炔瓶内将引起爆炸，因此，必须安装回火保险器。回火保险器工作原理如图5-5-4所示。

⑤焊炬　焊炬又称焊枪，是进行气焊的主要工具。其作用是将可燃气体和氧气按一定比例均匀混合后，以一定速度从喷嘴喷出，燃烧后形成火焰作为热源供焊接使用。

图5-5-4　回火保险器工作原理

按可燃气体和氧气混合方式不同，焊炬分为射吸式和等压式两种。图5-5-5所示为射吸式焊炬，其常用型号有H01-2和H01-6等，其中“H”表示焊炬，“0”表示手工，“1”表示射吸式，“2”和“6”表示可焊低碳钢板的最大厚度分别为2mm和6mm。各种型号焊炬均配有3～5个大小不等的喷嘴，供焊接不同厚度的钢板时选用。

图5-5-5　H01-6焊炬构造图

（2）辅助工具

①点火枪　点火枪是气焊点火时的工具，使用手枪式点火枪点火最为方便。

②护目镜　气焊时必须戴护目镜，以免眼睛受强光的刺激及防止飞溅物溅入眼中。

③其他工具　其他工具有钢丝刷、錾子、锤子、锉刀、克丝钳、活扳手、卡子、各种粗细的通针等。

（3）气焊材料

①焊丝　气焊时焊丝不断送入熔池内，与熔化了的母材金属熔合形成焊缝。焊丝的化学成分对焊缝质量影响很大。一般低碳钢焊件采用H08，H08A焊丝；优质碳素钢和低合金结构钢的焊接，可采用H08Mn、H08MnH，H10Mn2等，补焊灰铸铁时可采用RZC-1型或RZC-2型焊丝。

②气焊熔剂　气焊过程中，为了防止金属被氧化，在焊接有色金属、铸铁和不锈钢等材料时，必须使用气焊熔剂。熔剂可直接加入到熔池中，也可在焊前涂于待焊部位与焊丝上。

2）气焊火焰

气焊火焰是可燃气体（乙炔）与氧气混合燃烧形成的，氧—乙炔焰是应用最普通、最广泛的气焊火焰。按氧气和乙炔气的不同比例，将氧—乙炔焰分为中性焰、碳化焰和氧化焰，如图5-5-6所示。

图5-5-6　氧—乙炔火焰形态

（1）中性焰

当氧气与乙炔气的混合比为1.1～1.2时，燃烧所形成的火焰为中性焰又称正常焰（图5-5-6a）。中性焰由焰芯、内焰和外焰组成。焰芯呈尖锥形，白色明亮，轮廓清晰。焰芯温度仅为800～1　200℃。内焰呈蓝白色，位于距焰芯前端约2～4mm处的内焰温度，最高可达3　100～3　150℃。焊接时应用此区火焰加热焊件和焊丝。外焰与内焰并无明显界限。只能从颜色上加以区分。外焰的焰色从里向外由淡紫色变为橙黄色，外焰温度在1　200～2　500℃。

大多数金属的焊接都采用中性焰，如低碳钢、中碳钢、合金钢、紫铜及铝合金的焊接。

（2）碳化焰

当氧气与乙炔气的混合比小于1.1时，燃烧所形成的火焰为碳化焰（图5-5-6b）。由于氧气较少，燃烧不完全，整体火焰比中性焰长。当乙炔过多时会冒黑烟（碳素颗粒），碳化焰最高温度为2　700～3　000℃。

碳化焰用于焊接高碳钢、铸铁和硬质合金等材料。

（3）氧化焰

当氧气与乙炔气的混合比大于1.2时，燃烧所形成的火焰为氧化焰（图5-5-6c）。由于氧气充足、燃烧剧烈，火焰明显缩短，且火焰挺直并有较强的“嘶嘶”声。氧化焰最高温度为3　100～3　300℃。由于具有氧化性，焊接一般碳钢时会造成金属氧化和合金元素烧损，降低焊缝质量，一般只用来焊接黄铜或青锡铜。

3）气焊基本操作

气焊基本操作包括正确引燃和使用焊炬、起焊、焊缝接头及收尾等。

（1）焊炬火焰点燃及调节

点燃氧—乙炔焊炬时，先将氧气调节阀开启少许，然后再开启乙炔调节阀，使两种气体混合后从喷嘴喷出，随后用点火枪点燃。在点燃过程中，如连续发出“叭叭”声或火焰熄灭，应立即关小氧气调节阀或放掉不纯的乙炔，直至正常点燃即可。

刚点燃的火焰一般为碳化焰，不适于直接气焊。点燃后调节氧气调节阀使火焰加大，同时调节乙炔调节阀，直至获得所需要的火焰类型和能率，即可进行焊接。熄灭火焰时，应先关闭乙炔调节阀，后关闭氧气调节阀，否则会出现大量的炭灰，并且容易发生回火。

（2）起焊及焊丝的填充

①起焊　焊接时，右手握焊炬、左手拿焊丝。起焊时，焊炬倾角可稍大些，采取往复移动法对起焊周围的金属进行预热，然后将焊点加热使之成为白亮清晰的熔池，即可加入焊丝并继续向前移动焊炬进行连续焊接。如果采用左焊法进行平焊时，焊炬倾角为40°～50°，焊丝的倾角也为40°～50°，如图5-5-7所示。

②焊丝的填充　正常焊接时，应将焊丝末端置于外焰火焰下进行预热，当焊丝的熔滴滴入熔池时，要将焊丝抬起，并移动火焰以形成新的熔池，然后，再继续不断地向熔池中加入焊丝熔滴，即可形成一道焊缝。

（3）焊炬与焊丝的摆动

①焊炬的摆动　焊炬的摆动有三种形式：一是沿焊缝方向做前后摆动，以便不断熔化焊件和焊丝形成连续焊缝；二是在垂直于焊缝方向做上下跳动，以调节熔池温度；三是在焊缝宽度方向做横向摆动（或打圆圈运动），便于坡口边缘充分熔合。在实际操作中，焊炬可同时存在三种运动，也可仅有两种或一种运动形式，具体根据焊缝结构形式与要求而定。

图5-5-7　焊炬倾角

②焊丝的摆动　焊丝的摆动也有三种方式，即沿焊缝前进方向的摆动，上下和左右摆动。焊丝的摆动与焊炬的摆动相配合，才能形成良好的焊缝。

（4）接头和收尾

①焊缝接头　接头指在已经凝固的熔池处重新起焊（例如更换焊丝时）。接头时应用火焰将原熔池周围充分加热，使已固化的熔池重新熔化而形成新的熔池之后，方可加入焊丝继续焊接。对于重要的焊缝，接头至少要与原焊缝重叠8～10mm。

②焊缝收尾　到达焊缝终点收尾时，由于温度较高，散热条件差，此时，减小焊炬倾角，加快焊接速度并多加一些焊丝使熔池面积扩大，避免烧穿。

5.5.2　气割

图5-5-8　氧气切割示意图

气割是利用气体火焰的热能将工件待切割处加热到一定温度后，喷出高速切割氧气流，使待切割处金属燃烧实现切割的方法，如图5-5-8所示。气割实质上是金属在氧气中燃烧的过程，又称氧气切割，是应用广泛的一种下料方法。

氧—乙炔气割与机械切割相比，具有设备简单、成本低、操作灵活方便、机动性高，生产效率高、应用范围广等特点。

手工气割的割炬如图5-5-9所示，其结构和焊炬相比增加了切割氧气的管路和控制切割氧气的阀门，割嘴的结构与焊嘴也不同。但割炬和焊炬的原理和使用方法基本相同。气割时，先稍微开启预热氧阀门，再打开乙炔阀门并立即点火。然后加大预热氧流量，形成环形的预热火焰，对割件进行预热。待起割处被预热至燃点时，立即打开切割氧阀门，此时，氧气流将切口的熔渣吹除，并按切割线路不断缓慢移动割炬，即可在割件上形成切割口。

尽管气割应用比较广泛，但不是所有的金属都可以被气割。可以被气割的材料必须满足下列条件：

①金属在氧气中燃烧时放出大量的热量，这些放出的热量足以使下层金属具有足够的预热温度，气割因此得以连续进行。

②金属的燃点低于金属的熔点，这样金属才可以在固态时被燃烧并被切割。

③熔渣的熔点低于金属的熔点，否则，固态熔渣将阻碍氧气与下一层金属接触。

图5-5-9　割炬的构造

5.6　其他焊接方法

5.6.1　电阻焊

电阻焊是利用电流通过焊件接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，将焊件加热到塑性状态或局部熔化状态，再通过电极施加压力，从而形成牢固接头的一种焊接方法。

电阻焊不需要填充金属，焊接电压很低（1～12V），焊接电流很大（几千～几万安培），完成一个焊接接头的时间很短（0.01～几秒），故其生产率很高，且操作简单，易于实现自动化和机械化。

电阻焊的基本形式有点焊、对焊和缝焊三种，如图5-6-1所示。

图5-6-1　电阻焊基本形式

1）点焊

点焊主要用于焊接搭接接头，焊件厚度一般为0.05～6mm，可以焊接碳钢、不锈钢、铝合金等。点焊广泛用于汽车、航空航天、电子等工业。

点焊时，首先将焊件叠合，放置在上下电极之间压紧（图5-6-1b）。然后通电，产生电阻热，使工件接触处的金属被加热到熔化状态形成熔核，而熔核周围的金属则被加热到塑性状态，并在压力作用下形成一个封闭的包围熔核的塑性金属环。电流切断后，熔核金属在压力作用下冷却和结晶成为组织致密的焊点。最后，去除压力，取出焊件。

2）对焊

对焊的特点是使两个被焊工件的接触面连接。对焊分电阻对焊和闪光对焊，如图5-6-2所示。

图5-6-2　对焊

（1）电阻对焊

电阻对焊焊接过程（图5-6-2a）如下：

①将焊件装在电极夹具中夹紧并施加压力，使两端面紧密接触。

②接通电流，接触电阻热将接触面加热至塑性状态（黄白色，1　300℃左右）。

③切断电流，同时施加顶锻压力，形成焊接接头。

④去除电压。

电阻对焊操作简单，接头表面光滑，但内部质量不高，接头强度相对较低。

（2）闪光对焊

闪光对焊的焊接过程（图5-6-2b）如下：

①将焊件装在电极夹具中夹紧，使两端面不接触。

②接通电源，并逐渐移动工件，使接触面形成局部接触点，接触点受电阻热熔化及气化，使液体金属发生爆裂，从而产生火花与闪光；继续移动工件，连续不断产生闪光，直至端面全部熔化。

③迅速施加顶锻压力并切断电流，工件在压力下产生塑性变形，从而形成焊接接头。

④去除压力。

3）缝焊

缝焊的焊接过程和点焊相似，只是用转动的圆盘形状电极来代替点焊时所用的圆柱形电极。使被焊工件的接触面之间形成多个连续的焊点（图5-6-1c）。

5.6.2　钎焊

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，冷却后形成接头的一种焊接方法。

钎焊的接头形式一般采用搭接，以便于钎料的流布。钎料通常放在焊接的间隙内或接头附近。钎焊时一般要用钎剂。钎剂的作用是去除母材和钎料表面的氧化膜。使用时将其覆盖在母材和钎料表面，隔绝空气，保护母材连接表面和钎料在钎焊过程中不被氧化，并改善钎料的润湿性能。

按钎焊过程中加热方式不同，钎焊可分为火焰钎焊、烙铁钎焊、电子钎焊、感应钎焊、真空钎焊和炉中钎焊等。

钎焊广泛用于制造硬质合金刀具、钻探钻头、自行车架、仪表、导线、电器部件等。其中，火焰钎焊硬质合金刀具时，采用黄铜作钎料，硼砂、硼酸等作钎剂；焊接电器部件时，使用焊锡作钎料，松香作钎剂。

5.6.3　埋弧自动焊

埋弧自动焊是电弧在焊剂层下燃烧，引弧、送丝及电弧沿焊接方向移动等过程均由焊机自动控制完成。

埋弧自动焊机一般由焊接电源、控制箱和焊车三部分组成，如图5-6-3所示。

图5-6-3　埋弧焊示意图

埋弧自动焊焊接过程如图5-6-4所示，工件被焊处覆盖着一层30～50mm厚的颗粒状焊剂，焊丝连续送进，并在焊剂层下与焊件间产生电弧，电弧的热量使焊丝、工件熔化，形成金属熔池；电弧周围的焊剂被电弧熔化成液态熔渣，而液态熔渣构成的弹性膜包围着电弧和熔池，使它们与空气隔绝。随着电弧向前移动，电弧不断熔化前方的母材金属、焊丝及熔剂，而熔池后面的金属冷却形成焊缝。液态熔渣浮在熔池表面随后也冷却形成渣壳。

埋弧自动焊与焊条电弧焊相比具有如下特点：

①对焊接熔池保护可靠，焊接质量高。

②焊接电流大（比焊条电弧焊大5～10倍），熔深大，生产率高。

③劳动条件好，实现焊接过程机械化、自动化。

④设备较复杂且适应性差，只能平焊较长的直缝和直径较大的环缝。

图5-6-4　埋弧焊示意图

5.6.4　爆炸焊、电渣焊、电子束焊及激光焊简介

1）爆炸焊

利用炸药爆炸产生的冲击压力造成焊件的迅速碰撞，实现连接焊件的一种压焊方法。任何具有足够强度和塑性并能承受工艺过程所要求的快速变形的金属，均可以进行爆炸焊。主要用于材料性能差异大而且其他方法难焊的场合，如铝—钢、钛—不锈钢、钽、锆等的焊接，也可以用于制造复合板。爆炸焊无需专用设备，工件形状、尺寸不限，但以平板、圆柱、圆锥形为宜。

2）电渣焊

电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行熔焊的方法。可用于焊接大厚度工件（通常用于板厚36mm以上的工件，最大厚度可达2m），生产效率比电弧焊高，不开坡口，只在接缝处保持20～40mm的间隙，节省钢材和焊接材料，因此经济效益好。可以“以焊代铸”、“以焊代锻”，减轻结构质量。缺点是焊接接头晶粒粗大，对于重要结构，可通过焊后热处理来细化晶粒，改善力学性能。

3）电子束焊

在真空环境中，从炽热阴极发射的电子被高压静电场加速，并经磁场聚集成高能量密度的电子束，以极高的速度轰击焊件表面，由于电子运动受阻而被制动。遂将动能变为热能而使焊件熔化，从而形成牢固的接头。其特点是焊速很快，焊缝深而窄，热影响区和焊接变形极小，焊缝质量较高。能焊接其他焊接工艺难于焊接的形状复杂的焊件，能焊接特种金属和难熔金属，也适用于异种金属及金属与非金属的焊接等。

4）激光焊

以聚集的激光束作为热源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。其特点是焊缝窄，热影响区和变形极小。激光束在大气中能远距离传射到焊件上，不像电子束那样需要真空室。但穿透能力不及电子束焊。激光焊可进行同种金属或异种金属间的焊接，其中包括铝、铜、银、钼、锆、铌以及难熔金属材料等，甚至还可以焊接玻璃钢等非金属材料。

5.7　焊接质量检验与焊接缺陷分析

5.7.1　焊件质量检验

焊接完毕后，必须根据产品的技术要求及本产品检验技术标准进行焊接质量检验。生产中常用的检验方法有外观检验、着色检验、无损探伤、致密性检验、力学性能和其他性能试验等。

5.7.2　焊接缺陷分析

焊件常见的缺陷有夹渣、气孔、裂纹、未焊透、咬边和焊瘤等，其中未焊透和裂纹是最危险的缺陷，在重要的焊接结构中是绝对不允许出现的，焊接缺陷将直接影响产品的安全运行，必须加以防范，常见的焊接缺陷产生的原因及防止措施见表5-7-1。

表5-7-1　常见的焊件缺陷及其分析

复习思考题

1.交流弧焊机与整流式直流弧焊机的结构有何不同？各在什么场合使用？

2.焊条由哪两部分组成？各部分的作用是什么？

3.常用的焊条电弧焊接头形式有哪些？对接接头常见的坡口形式有哪几种？坡口的作用是什么？

4.焊条弧焊的焊接工艺参数有哪些？各种工艺参数如何确定？

5.焊炬与割炬在结构上有何不同？为什么？

6.气焊时点火操作顺序是什么？灭火时操作顺序如何？

7.氧气切割原理是什么？金属材料氧气切割条件主要有哪些？哪些金属可用氧气切割？

8.CO2气体保护焊焊接设备由哪几部分组成？

9.CO2气体保护焊焊接工艺参数有哪些？如何选择？

10.什么是埋弧自动焊？与焊条电弧焊比较，埋弧自动焊有哪些特点？

11.简述电阻焊的主要方法、特点及应用范围？

12.简述钎焊的主要方法、特点及应用范围？

13.常见的焊条电弧焊焊接缺陷有哪些？产生的主要原因是什么？