1.焊接的原理
图 1-1
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，使相邻工件结合到一起的一种方法。
焊接的用途非常广泛，钢、铸钢和一定条件下的铸铁等材料都可以焊接，铜合金、铝合金和镁合金，镍、锌、铅以及热塑性塑料也可以焊接。有很多机械设备用焊接代替了铆接，也有很多焊接的机械零件代替了锻造和铸造的零件。此外焊接还用来修补缺陷、裂缝和断口，用堆焊来加强磨损的部位。最后，还用与焊接技术密切联系的火焰切割来切断或拆除某些结构。
在机械制造中，如果在结构设计上能够采用焊接结构时，一般在相同的强度和刚度条件下，焊接的零件要比铸造的零件轻，也比铆接的零件轻，但焊接的质量比较难以控制，焊后产生的变形和残余应力也需要制定专门的措施加以控制。
图 1-2
焊接结构适用于单件、少批量、要求结构重量轻及交货期短的情况。有些情况下，焊接的机械零件要比铸件重量轻一半以上。尤其是在单件生产时，焊接代替铸造可以大大节省零件开模费用和缩短交货周期。但是在大批量生产时，则往往还是铸件成本比较低。
根据焊接过程中加热程度和工艺特点的不同，焊接方法可以分为熔化焊、压力焊和钎焊三大类。本章就熔化焊常见的几种焊接工艺进行展开介绍。
2.熔化焊的分类
熔化焊将工件焊接处局部加热到熔化状态，形成熔池（通常还加入填充金属），冷却结晶后形成焊缝，被焊工件结合为不可分离的整体。常见的熔化焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。
图 2-1 熔化焊的分类
2.1.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℃。
根据不同的焊接方式和材料，电弧焊可以分为多种类型。
1）手工电弧焊
图 2-2 手工电弧焊基本原理
手工弧焊又称涂药焊条电弧焊，是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。
图 2-3 手工电弧焊应用实例
特点：
a.手工电弧焊具有灵活、机动，适用性广泛，可进行全位置焊接；
b.所用设备简单、耐用性好、维护费用低等优点;
c.工人劳动强度大，焊接质量取决于操作者技术水平，质量不够稳定。
适用范围：
在单件、小批、零星、修配中广泛应用，适于焊接3mm以上的碳钢、低合金钢、不锈钢和铜、铝等非铁合金。
2）埋弧焊
图 2-4 埋弧焊基本原理
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。
图 2-5 埋弧焊适用实例
特点：
a.焊缝质量高，熔渣隔绝空气保护效果好;
b.电弧区主要成分为CO2，焊缝金属中含氮量、含氧量大大降低，焊接参数自动调节，电弧行走机械化，熔池存在时间长，冶金反应充分 ，抗风能力强，所以焊缝成分稳定，力学性能好；
c.劳动条件好 熔渣隔离弧光有利于焊接操作；机械化行走，劳动强度较低;
d.设备调节性能好，由于电场强度较高，自动调节系统的灵敏度较高，使焊接过程的稳定性提高；
e.生产效率高由于焊丝导电长度缩短，电流和电流密度显著提高，使电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速率大大提高；又由于焊剂和熔渣的隔热作用，总的热效率大大增加，使焊接速度大大提高。
适用范围：
由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械操作的程度高，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、超重机械、核电站结构、海洋结构、武器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。埋弧焊除了用于金属结构中构件的连接外，还可在基体金属表面堆焊耐磨或耐腐蚀的合金层。随着焊接冶金技术与焊接材料生产技术的发展，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、铜合金等。
由于埋弧焊具有以上的特点，其应用也有一定的局限性，主要为：
a.焊接位置的限制，由于焊剂保持的原因，如不采用特殊措施，埋弧焊主要用于水平俯位置焊缝焊接，而不能用于横、立、仰焊；
b.焊接材料的局限，不能焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金，主要用于焊接黑色金属；
c.只适合于长焊缝焊接，且不能焊接空间位置有限的焊缝；
d.不能直接观察电弧；
e.不适用于薄板、小电流焊。
2.2.气焊
图 2-6 气焊基本原理
利用可燃气体与助燃气体混合燃烧生成的火焰为热源，熔化焊件和焊接材料使之达到原子间结合的一种焊接方法。助燃气体主要为氧气，可燃气体主要采用乙炔、液化石油气等。
图 2-7 气焊应用实例
特点：
a.设备简单,操作灵活方便,不需要电源 ;
b.气焊火焰温度比 较低,熔池容易控制,易实现单面焊双面成形,并可以焊接很薄的焊件;
c.在焊接铸铁、铝及铝合金、铜及铜合金时焊缝质量好;
d.气焊热量分散,接头变形大,不易自动化,生产率低,焊缝组织粗大,性能较差。
适用范围:
常用于低碳钢、低合金钢、不锈钢薄板的对接、端接,在熔点较低的铜、铝及其合金的焊接中仍有应用,焊接需要预热和缓冷的工具钢、铸铁也比较适合。
2.3.气体保护焊
利用惰性气体或活性气体来保护焊接区域，防止焊接区的氧化和其他杂质进入焊接区域，从而保护焊接质量的一种电弧焊接工艺。
常见的气体保护焊有CO2气体保护焊和氩弧焊。
1）CO2气体保护焊
采用CO2气体作为保护气体的焊接方法称为CO2气体保护焊。
图 2-8 CO2气体保护焊基本原理
特点：
a.电流密度大，生产效率较高；
b.焊接热影响区小，焊件不易变形；
c.焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好；
d.焊接成本较低.
图 2-9
适用范围：
适用于焊接低碳钢、低合金钢、低合金高强钢，但是不适合于焊接有色金属、不锈钢。
2）氩弧焊
图 2-10 氩弧焊基本原理
采用惰性气体氩气作为保护气体的焊接方法称为氩弧焊。
氩弧焊按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。
特点：
a.焊件不易氧化；
b.便于操作，容易实现全位置自动化；
c.焊接热影响区小，焊件不易变形；
d.焊缝致密，成形美观；
e.焊接成本高。
适用范围：
主要用于焊接易氧化的有色金属和铝合金，如铝、镁、钛及其合金、耐热钢、不锈钢等。为防止保护气流破坏，氩弧焊只能在室内进行。
2.4.电子束焊
图 2-11 电子束焊基本原理
电子束焊是指利用加速和聚焦电子束轰击置于真空中焊件所产生的热能进行焊接的方法。
特点：
a.焊缝金属纯度高；
b.焊缝表面质量好，内部熔合性好；
c.焊接热影响区小，焊件不易变形；
d.控制灵活，精度高，适应性强。
适用范围：
用于焊接从微型电子线路组件、真空膜盒、钼箔蜂窝结构、原子能燃料原件到大型的导弹外壳，以及异种金属，复合结构件的焊接等，由于设备复杂，造价高，使用维护技术要求高，焊件尺寸受限制等，其应用范围受一定限制。
2.5.等离子焊
图 2-12 等离子焊基本原理
等离子弧焊是指借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。
特点：
a.焊件不易氧化；
b.便于操作，容易实现全位置自动化；
c.焊接热影响区小，焊件不易变形；
d.焊缝致密，成形美观；
e.电弧挺直度和方向性好，可焊接薄壁结构；
f.弧柱温度高，焊接速度快，生产率高。
适用范围：
广泛应用于铜合金、合金钢、钨、钼、钴、钛等金属如钛合金的导弹壳体、波纹管及膜盒，微型电容器、电容器的外壳封接以及飞机和航天装置上的一些薄壁容器的焊接。
2.6.电渣焊
图 2-13 电渣焊基本原理
电渣焊是指利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法
特点：
a.厚大截面可一次焊成，生产效率高；
b.金属焊缝比较纯净；
c.接头组织粗大，焊后需要进行正火处理；
适用范围：
应用于碳钢、合金钢，大型和重型结构如水轮机、水压机、轧钢机等全焊或组合结构的制造，常用于35～400mm壁厚结构。
2.7.激光焊
图 2-14 激光焊基本原理
激光焊是指利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统聚焦到十分微小的焦点，当焦点到焊件接头处时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成接头的焊接工艺。
特点：
a.焊接热影响区极小，焊件不易变形；
b.焊件不易被氧化，可在空气中焊接；
c.焊焊接设备与焊件间无接触，可焊接难于接近的接头；
适用范围：
特别适用于焊接微型精密、排列非常密集，对受热敏感的焊件、除焊接一段薄壁搭接外，还可焊接细的金属线材以及导线和金属薄板的搭接，如集成电路内外引线，仪表游丝等的焊接。
3.焊接生产的特点
(1)节省金属材料，结构重量轻。
(2)以小拼大、化大为小，制造重型、复杂的机器零部件，简化铸造、锻造及切削加工工艺，获得最佳技术经济效果。
(3)焊接接头具有良好的力学性能和密封性。
(4)能够制造双金属结构，使材料的性能得到充分利用。
应用：焊接技术在机器制造、造船工业、建筑工程、电力设备生产、航空及航天工业等应用十分广泛。
不足：焊接技术也还存在一些不足之处，如焊接结构不可拆卸，给维修带来不便；焊接结构中会存在焊接应力和变形；焊接接头的组织性能往往不均匀，并会产生焊接缺陷等。
