焊接工程基础第一章电弧焊基础知识第一节焊接电弧1.焊接电弧的导电特点电弧是一种气体放电现象，即当两电极之间存在电位差时，电荷通过两极之间的气体空间的一种导电现象。

电弧是由两个电极和它们之间的气体放电空间构成,电弧的带电粒子主要由气体的电离和电极发射电子产生。

电弧放电区是气体放电中电压最低、电流最大、温度最高、发光最强的一个放电区域。

电离：在一定的条件下，中性气体分子或原子分离成为电子和正离子的现象。

使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能，生成的正离子称为一价正离子，这种电离称为一次电离。

通常把这种决定电弧气氛的电离电压称为实效电离电压。

当中性气体粒子受外来能量作用，但能量不足以使电子完全脱离气体原子或分子，而可能使电子从较低的能级转移到较高的能级时，中性粒子内部的稳定状态将被破坏，但对外仍呈电中性，这种状态称为激励。

使中性粒子激励所需的最低外加能量称为最低激励能。

激励能小于电离能，也用电压值来表示，称为激励电压。

能量的传输途径：碰撞传递（主要途径）：1.弹性碰撞：引起粒子温度变化，不产生电离 2.非弹性碰撞：导致粒子内部结构变化，并产生电离（当具有足够动能的电子与中性粒子碰撞时，其动能几乎可以全部传递给中性粒子，转换为内能，使其电离。

）光辐射传递（次要途径）：通过光辐射传递能量的方法直接接受外界所施加的能量，使其内能增加，造成内部结构改变而电离。

电弧中气体粒子的电离因外加能量的种类不同而分为三种：由于气体粒子的热运动发生碰撞而产生的热电离；带电粒子在电场的作用下与中性粒子产生非弹性碰撞而产生的场电离；中性粒子由于光辐射的作用而产生的光电离。

电子发射是电极表面的电子在外加能量的作用下冲破表面的束缚而飞到电弧空间的现象。

热发射：金属表面由于受热将使其内部的电子的热运动加剧，当最外层电子的动能大于逸出功时，飞出金属表面参加电弧的导电现象。

电场发射：当金属表面存在一定强度的正电场时，金属内部的电子会受到电场力的作用，当电场力足够大时电子飞出金属表面的现象。

光发射：当金属表面受光能照射时，外层电子冲破表面束缚而产生电子发射的现象。

碰撞发射：当正离子撞击阴极表面时，其动能将传递给阴极内部的电子，从而使其逸出金属表面的发射过程。

在实际焊接电弧中，当使用沸点高的材料（如W或C）作电极时，其阴极区的带电粒子主要靠热发射来提供，通常称为热阴极电弧。

使用沸点很低的材料（如钢、Cu、Al、Mg）作电极时，由于其沸点低，电极加热温度受沸点限制不可能很高，热发射不能提供足够的带电粒子，此时电场发射起主要作用，这种电弧称为冷阴极电弧。

在一定条件下，某些中性原子或分子吸附一个电子就会形成负离子。

元素的电子亲和力越大，越容易形成负离子。

2.焊接电弧的构成及其导电特性焊接电弧由三个不同电场强度的区域组成：阳极区、阴极区和弧柱区。

（1）弧柱区热电离为主整体为中性（2）阴极区向弧柱区提供所需要的电子流，并接受由弧柱区送来的正离子流。

热发射型阴极区导电机构：阴极用W、C等高熔点材料，电流较大时，弧柱所需要的电子流主要由阴极的热发射来提供，此种类型的阴极区即为热发射阴极区。

电场发射型阴极区导电机构：由于电子供应不足，使得邻近阴极区的弧柱处正负电荷的平衡首先受到破坏，造成过剩的正离子堆积，形成正电场。

热发射越弱，则正电场越强。

在正电场的作用下，阴极产生电场发射，同时加速电子向弧柱区运动，或在阴极区产生碰撞电离，共同向弧柱提供所要的电子流。

这种形式的导电机构称为冷阴极导电机构。

等离子型阴极区导电机构：生成高温区使中性粒子被再次加热电离，生成的电子流向弧柱提供弧柱所需要的电子流，生成的正离子流向阴极形成正离子流。

（3）阳极区阳极区的作用是接受由弧柱流过的电子流和向弧柱提供所需要的正离子流。

第二节焊接电弧的能量平衡及电弧力当电弧的弧柱区、阴极区和阳极区的能量交换达到平衡时，电弧便处于稳定的燃烧状态。

电弧的主要作用：磁收缩力等离子流力斑点力电弧的两极与焊接电源的联接方式即为电弧的极性。

第三节磁场对电弧的作用电弧的挺度是电弧抵抗外界机械干扰，力求保持沿焊丝(条)轴向运动的性能。

当电流通过电弧空间时，带电粒子的流动有尽量朝电弧中心方向集中的倾向。

在实际的焊接过程中，由于种种原因，使焊丝(条)轴线周围的磁力线分布不均匀，造成电弧偏离焊丝(条)轴线方向，这种现象称为磁偏吹。

第四节焊丝的融化及熔滴过渡在使用同一材料和同一电流的情况下，焊丝为阴极（正极性）时的产热量比焊丝为阳极（反极性）时大。

在电弧热的作用下，焊丝末端加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝进入熔池的现象，称为熔滴过渡。

自由过渡接触过渡渣壁过渡飞溅：焊接过程中，大部分焊丝熔化后进入溶池冷却成为焊缝，而小部分落到溶池之外的现象。

第五节母材熔化和焊缝成型焊缝形状指焊缝横截面的形状，用熔深H、熔宽B和余高a进行描述。

焊缝成型系数φ=B/H；余高系数ψ=B/a。

焊接速度提高，熔深H和熔宽B都显著减小。

随着焊接电流的增大，熔深H几乎成比例增加，熔宽B增加不大，余高a增加，成型系数φ及余高系数ψ减小；随着焊弧电压的增大，熔宽B显著增加，熔深和余高略有减小。

对熔化极电弧焊而言，直流反接法的熔深和熔宽大于直流正接法，交流电弧焊则介于二者之间；对非熔化极电弧焊而言，直流正接法的熔深和熔宽大于直流反接法；脉冲电流焊接的熔深和熔宽大于一般电流电弧焊第三章金属焊接性及碳钢的焊接第一节金属焊接性基础1.金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度1.）结合性能（工艺焊接性）——好不好焊：金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度2.）使用性能（使用焊接性）——好不好用：金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

2.金属焊接性的影响因素1、材料本身因素—母材和焊接材料的成分及性能2、工艺条件—焊接方法、工艺措施；3、结构因素—刚度、应力集中、多轴应力：应尽量减少焊接接头的刚度、减少交叉焊缝、减少应力集中4、使用条件—工作温度、负荷条件、工作环境。

3.焊接性判据碳当量法碳当量越大，淬硬冷裂的倾向越大，焊接性就越差冷裂纹敏感指数（Pc）4.焊接裂纹实验方法1.斜Y形坡口焊接裂纹实验主要用于检测母材金属热影响区的冷裂纹倾向2.焊接热影响区最高硬度试验适用于低合金钢焊接热影响区由于马氏体转变而引起的裂纹试验，也适用于碳素钢3.插销冷裂纹试验法试验既可用启裂也可用断裂作为判断准则5.焊接接头常见缺陷焊接裂纹、气孔、夹渣、未熔合和未焊透1.裂纹指金属在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙最危险的缺陷热裂纹（在固相线附近的高温区形成的裂纹）：结晶裂纹液化裂纹高温失塑裂纹冷裂纹（焊接接头冷却到Ms温度以下时形成的裂纹）：氢致裂纹淬火裂纹层状撕裂再热裂纹：工件焊接后，若再次被加热(如消除应力处理、多层焊或使用过程中被加热)到一定温度而产生的裂纹2.气孔焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔3.夹渣焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣4.未熔合和未焊透未熔合：在焊缝金属和母材之间或焊道金属与焊道之间未完全熔化的部分。

常出现在坡口的侧壁、多层焊的层间及焊缝的根部未焊透：母材金属之间应该熔合而未焊上的部分。

该缺陷一般出现在单面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边。

未焊透易造成较大的应力集中，往往从其末端产生裂纹第二节碳钢的焊接碳钢的焊接性主要取决于碳含量的高低。

随含碳量的增加，焊接性逐渐变差。

1.低碳钢焊接特点：a、可装配成各种不同的接头，适合各种不同位置的施焊，焊接工艺和技术简单，容易掌握b、焊前一般不需预热c、塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小，适合制造各类大型结构件和受压容器d、不需使用特殊和复杂设备，对焊接电源（交直流）和焊接材料（酸碱性）无特殊要求焊接工艺：低碳钢几乎可采用所有的焊接方法进行焊接，并都能保证焊接接头的良好质量。

焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊用得最多注意事项：A．当母材的厚度较大或周围环境温度较低时，由于焊缝金属及热影响区的冷却速度很快，有可能出现裂纹，此时需要对焊件进行适当预热B．壁厚大于或等于20mm时：应考虑采用焊后热处理或相应的消除应力措施壁厚大于30mm时：必须进行焊后热处理，温度为600-650℃壁厚大于200mm时：待焊至工件厚度的1/2时，应进行一次中间热处理，再继续焊接。

中间热处理温度为550-600℃，焊后热处理温度为600-650℃2.中碳钢焊接特点：中碳钢的碳含量比低碳钢高0.2-0.3%，但焊接性严重恶化物理性能方面，中碳钢比低碳钢线膨胀系数略高，热导率稍低，增加了中碳钢焊接的热应力和过热倾向碳含量的提高使中碳钢的强度增加，但保护碳免于烧损的难度加大，C和FeO的还原反应：C+FeO→Fe+CO↑，生成的CO使气孔形成倾向增大焊接工艺：焊接方法焊条电弧焊是中碳钢最好的焊接法，应采用相应强度级别的碱性低氢型焊条预热预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚度、焊条类型和工艺方法坡口制备一般开U形或V形坡口，并将坡口两侧的油、污、锈等清除干净焊接电源一般选用直流弧焊电源，反极性，以减少熔深，降低裂纹倾向和气孔敏感性焊后热处理立即进行消除应力热处理，不能进行消除应力处理，也要进行后热，即采用保温、缓冷措施，使扩散氢逸出，以减少裂纹的产生3.高碳钢焊接特点：a.高碳钢比中碳钢更易产生焊接热裂纹b.高碳钢对淬火更加敏感，近缝区极易形成马氏体淬硬组织，产生冷裂纹c.受焊接高温的影响，高碳钢焊接时晶粒长大快，碳化物容易在晶界上聚集、长大，焊缝脆弱，使接头强度降低d.高碳钢导热性比低碳钢差，熔池急剧冷却时易在焊缝中引起很大内应力，导致裂纹形成焊条电弧焊工艺：低氢型焊条焊前清理铁锈油污、预热烘干防止裂纹和气孔产生减少焊缝含碳量焊后回火处理以清除应力、固定组织、防止裂纹、改善性能气焊工艺：清除油污焊前预热焊后整体退火选用与木材成分相近的焊丝第四章合金结构钢和铸铁的焊接第一节合金结构钢的焊接强度用钢（高强钢）：热轧正火钢低碳调制钢中碳调制钢特殊用钢：珠光体耐热钢低合金耐蚀钢低温钢合金结构钢的焊接性：1.常见焊接缺陷a、结晶裂纹——在焊接凝固后期，焊缝中的低熔点共晶在晶界形成液态薄膜，在拉伸应力作用下沿晶界开裂形成结晶裂纹的产生与焊缝中的杂质如S、P、C等有关，这些元素均为结晶裂纹形成元素，故应严格控制Mn可以脱S；随含C量增加，应提高Mn/S比b、液化裂纹——在多层焊接情况下，由于焊接热循环的作用，近缝区金属晶界的低熔点共晶发生局部熔化，在拉应力的作用下而产生c、再热裂纹——为降低焊接应力，减小脆性破坏倾向，焊接后应进行去应力处理。