焊接基础知识培训教材 - 图文

第一章 金属材料的定义及其分类

一、

什么是金属？

所谓金属，就是指具有光泽、不透明、高的塑性、良好的导电性以及固定熔点特征的结晶物质。 二、 金属的分类

目前，在地球上天然存在的人工造成的金属材料约86种。天然存在的金属都以各种形式存在于矿石之中，经开采、冶炼而成为纯金属和合金。 1、

纯金属

具有金属特征的、单一的、基本上下不含任何杂物的物质，如：铁（Fe）、铜（Cu）、铝（A1）、银（Ag）等都叫做纯金属。 2、

合金

由两种或两种以上的纯金属，或者由纯金属与非金属组成的新物质叫做合金。如铜和锌（Zn）组成的黃铜；铁和碳组成的钢等。黄铜和钢均属于合金。不具备金属特征的矿物质，如：碳（C）硅（Si）、硫（S）、磷（P）等均属于非金属。从金属的表露颜色的不同，还可分为黑色金属如：铁、锰（Mn）、铬（Cr）等和有色金属如：铜、铝、铅等两大类。

第一节 金属的性能

各种纯金属都具有各自不同的独特性能，它们所表现出来的物理的、化学的、机械的、和工艺的性能也不相同。 一、 物理性能

金属的物理性能主要包括：比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等。 1、

比重

以1立方厘米作为金属的单位体积时的重量叫做该金属的比重，符号以r表示，其单位为克/立方厘米（或g/cm3）。也可用金属的重量与同体积水的重量的比值作为该金属的比重（无计算单位）。如：铁的比重为7.89；铜为8.96；铝为2.7等。比重小于或等于5的金属叫轻金属，比重大于5的叫重金属。 2、

熔点

固体金属加热过程中，开始转变成液体状态时的最高温度叫熔点，其符号以t熔表示，单位为℃。如：铁的熔点为1537℃；铜为1083℃；铝为660.1℃；铅为327.3℃。 3、

导电性

能传导电流的性能叫导电性，一般以导电系数或导电率作为指标，其符号以ρ表示，单位为米/欧姆2平方毫米（或mm/Ω2mm2）。如：铁的导电率为0.1；铜为0.59；铝为0.37；银为0.66。 4、导热性

金属受热后，能将热量向四周冷金属方向传导的性能叫金属的导热性，一般以导热系数作为指标，其符号以λ表示，单位为焦/厘米2秒2度（J/cm2s2℃）。如：铁的导热系数为0.75；铜为3.94；铝为2.22；银为4.19。 5、 热膨胀性

金属在加热过程中发生体积增大的性能叫热膨胀性，通常以线膨胀系数做为指标，其符号为ψ表示，单位为1/度（或1/℃）。如：铁的膨胀系数为11.76，铜为17.0；铝为23.6；银为19.7. 6、 导磁性

能传导磁的性质叫导磁性，通常以导磁率作为指标，其符号以μ表示，单位为特《斯拉》/安（培）每米（或T/m/A）。不同的金属，它们的导磁性的强弱也有所不同。如：铁、镍（Ni）等属于铁磁性材料，其它大多数金属都属于弱磁性或逆磁性材料。 二、 机械性能

金属在外界机械力的作用下所反应出来的各种性能叫做机械性能，或叫力学性能。

根据金属材料受力的状态的不同，可分为静载荷受力和动载受力两类。如：拉抻、压缩、剪切、扭曲弯折等均属静载荷，而冲击则属于动载荷。

纵观来看，金属的机械性能主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳等等。它们都是通过各种不同试验手段来反映金属抵抗外力的能力。

1、

强度

金属材料在外力的作用下，抵抗金属本身变形和被破坏的能

力叫强度。其代表符号为σb单位为兆帕（或MPa）。

金属的强度包括抗拉强度、抗弯强度、抗扭强度等。常见的为抗拉强度（或抗拉强度极限）。如：铁的抗拉强度σb=250MPa.

抗拉强度值是通过万能试验机对特制试样（见图2-1a）进行拉伸试验取得的。其过程是：

（1）

弹性变形过程

试样开始受拉抻载荷而变形。当外力消失后，试样本身能自行恢复原来的形状和尺寸。这种性能叫做弹性，这种变形现象叫弹性变形（见图2-2的0-a直线部分）当金属受拉达到图2-2的b点时，试点称为弹性极限（以σe）表示。

（2）

塑性变形过程

如继续拉伸，虽外力消除，但试样不能恢复原来的形状和尺寸，这种现象称为塑性变形（如图2-2的b-e段）。但其中仍保留一定的弹性。

（3）

屈服过程

当试样受力达到C点时，虽然不再增强载荷，但试样仍继续发生变形，这种现象称为屈服（即图2-2的C-D段），D点即为该金属的屈服极限（以σs）表示。

（4）

断裂过程

对试样继续增加载荷，达到B点时，试样的长度方向内出现局部直径变细，这种现象称为缩颈。虽然外力不再增强，但缩劲部分仍继续变细，直至试样由该处被拉断止（风图2-1B及图2-2的BK段）。B点就是该金属的最大抗拉强度（即抗拉强度极限或极限强度）。K点为试样被拉断点。

2、 塑性

金属承受外力发生永久变形（即塑性变形）而不断裂的性质叫塑性。一般以金属的延伸率和断面收缩率作为衡量金属塑性的指标。

（1）

延伸率

试样被拉断后，其变形后的长度（L1）与原标定长度（L0）之差，再被原标定长度除，所得的商值叫延伸率（见图2-1b）。其符号以δ表示，单位为%，计算公式为：

δ=（ L1- L0）/ L03100% 式中δ-延伸率（%）

L0- 试样原标定长度（ mm）

L1-试样被拉断后的长度（mm）

通常δ右下角加5（即δ5），表示标距长度为5倍直径的延伸率。

（2）

断面收缩率

试样被拉断后，试样原来的截面积（F0）与被拉断后所收缩的最小截面积（F1）之差，再被原截面积除，所得的商值叫断面收缩率（见图2-1b）。其符号以ψ表示，单位为%，计算公式为：

ψ=（ F1- F0）/ F03100% 式中ψ-断面收缩率（100%） F0-试样原截面积（mm2）

F1-试样被拉断后的最小截面积（mm2） 3、

硬度

金属材料表面在外界硬物的作用下（静载荷）压成一个凹坑，以此压痕的深浅显示出金属本身抵抗外力的能力叫硬度。

一般根据硬度试验设备及所配备的压头形状，尺寸和载荷大小的不同，可分为布氏硬度（HB）、洛氏硬度(HR)等。常用的为布氏硬度。

布氏硬度的测试方法是：用一个直径D的淬硬钢球在规定的载荷下压入被测金属表面，根据压痕的球形表面积计算，即可得出该金属的布氏硬度值。其单位为牛顿/平方毫米（或N/mm2）计算公式为：

HB=P/F??（2-3）

式中 HB-布氏硬度（N/mm2） P-加给钢球的载荷（N）

F-金属表面上的压痕表面积（mm2）

布氏硬度值习惯上不标注单位，例如20号低碳钢的布氏硬度值HB=156N/mm2

即可写成HB156.

锤击式布氏硬度计（见图2-3）是现场常用的一种检测金属硬度的工具，它是利用手锤击打冲头（6），钢球（2）同时作用在标准试棒（4）和金属表面上，根据这两个表面压痕直径查表，即可得出该金属的硬度值。

由于这种硬度计的测量误差较大，试验重复性较差，故目前已被数字显示便携里氏硬度计所取代。

4、

冲击韧性

金属材料随冲击载荷（即动载荷）时的抵抗能力叫冲击韧性。摆锤冲断试样时所做的功叫冲击功，其符号以AK表示，单位为焦耳（J）。试样单位截面积所

吸收的冲击功叫冲击值。其符号以ak表示，单位为焦/平方厘米（或J/cm2），计算公式为：ak=AK/F??

式中 ak-冲击值（J/cm2） AK-冲击功（J） F-试样断面积（cm2）

图2-4为摆锤式冲击试验机，它的工作原理是：将摆锤（1）提升到位置Ⅱ处，将特制的标准试样（5）放在位置Ⅲ处，松开摆锤，利用摆刃击断试样，指针（2）移向标尺（4）的某一个位置，指出的读数便是冲击功值，冲击功值被试样缺口的横截面积除，所得的商值便是被测金属的冲击韧性值。

5、

疲劳

金属材料长时间承受变交载荷（往返幅度相同）下所表现出来的抵抗能力叫耐疲劳性。经过若干次交变载荷作用下，金属发生破坏性断裂时称为金属的疲劳破坏，这种现象就叫做金属的疲劳。在规定的返复次数而不断裂的最大应力称为

疲劳极限。

三、工艺性能

金属的工艺性能主要包括铸造性、可锻造性、焊接性、淬透性和切削加工性等。

1、

铸造性

金属在熔化、烧铸过程中，液态金属能否充满铸模；冷凝时金属体积收缩量的大小和铸件内部化学成分分布的是否均匀等的性能叫能铸造性。

2、

可锻造性

金属材料在承受外力锻打加工时而不断裂的抵抗能力叫可锻造性。钢铁为塑性材料，故其可锻造性良好。而铸铁为脆性材料，击打易裂，故其不可锻造。

3、

焊接性

金属工件焊接时，在工艺上的难易程度，或者说，焊后容易与否出现裂纹等缺陷的性能叫金属的焊接性。如低碳钢具有良好的焊接性，而高碳钢、铸铁、有色金属等的焊接性就差。

4、

淬透性

金属制品接受淬火工艺的难易程度叫淬硬性。如高碳钢易于接受淬火工艺，故有良好的淬硬性；而低碳钢则淬硬性较差，不易淬火。易于淬火的金属在接受淬火工艺后，其淬火层的深浅叫淬透性。不同金属，不同规范，不同的淬火工艺，其淬火层的浓度也不同。

5、

切削加工性

金属接受机械切削加工的能力叫做金属的切削加工性。如低碳钢易于切削，故切削加工性能良好；而高碳钢硬、不锈钢粘，都属于不易切削加工的金属材料。 四、化学性能

金属材料对各种腐蚀物质（如大气、水蒸汽、有害气体、酸、碱、盐类等）所表现出来的抵抗能力叫化学性能。如铁的化学性能不稳定，与氧气的结合力较强，故耐腐蚀性就差。而不锈钢的化学性能较稳定，故耐腐蚀性就高。

第二节 碳素钢

一、 什么叫碳素钢？

纯铁与碳所组成的新物质叫碳素钢。

纯铁虽然有其一定的良好性能，但与钢的机械性能相比较，就显得低很多。例如纯铁的σb=250MPa;布氏硬度为HB80。当纯铁中加入0.17-0.22%的碳而形成的20低碳钢时，这种钢的σb值可达410MPa，布氏硬度提高到HB156。显然，钢的硬度和强度均高于纯铁。同时，钢的价格比纯铁要低，故在工业生产中应用的极为广泛。

二、 钢的化学成分及其影响

以铁为基体的碳素钢内除含有一定量的碳成分外，还含有硅、锰、硫、磷等多种成分，这些成分无论是有意加入的，或是残留于钢中的，对钢材的性能都有一定的影响。 1、

碳（C）的影响

钢的强度和硬度是随着钢的含量增强而提高，如含碳量为0.42-0.50的45号钢，其σb值为610MPa；布氏硬度值为HB241.假若含碳量超过0.9%，钢材的性能就会变脆，冲击韧性也随之降低，易于断裂。故钢的含碳量一般控制在0.9%以下。 2、

锰（Mn）的影响

钢在冶炼时，为了脱除钢水中的氧气和其它有害物质而有意加入的一种化学成分。锰在钢中也能起到提高钢的强度和硬度的作用。但锰含量如果超过1.6%时，便成为合金系列的钢种。故在碳素钢中，其含锰量一般均小于或等于0.8%。 3、

硅（Si）的影响

硅是一种良好的脱氧剂，它是在钢的冶炼过程中有意加入的一种化学成分。硅在钢中也能提高钢的强度和硬度。但硅的含量不宜过多，否则对钢的某些性能变差。因此，硅在碳素钢中不应超过0.5%。 4、

硫（S）的影响

硫在钢中是一种有害杂质，它是在钢的冶炼过程随着矿石带入钢液中，冷凝后未能脱除而残留在钢中。如进行热加工时，极易使钢在热状态下引起裂纹缺陷，这种现象称之为由硫引起的热脆性。故钢中硫的含量一般均限制在0.05%以下。 5、

磷（P）的影响

磷在钢中也是一种有害杂质。冶炼时带入钢中而未能除掉的一种成分。磷在室温或低温下易使钢产生裂纹，这种现象称为由磷引起的冷脆性。一般钢中的含

磷量不就超过0.05%。 三、 碳素钢的分类 1、 （1） （2） （3） 2、 （1）

按钢的含碳量为：

低碳钢：含碳量＜0.25%； 中碳钢：含碳量0.25-0.6%的钢； 高碳钢：含碳量＞0.6%的钢。 按用途分

碳素结构钢

碳素结构钢又分为普通结构和优质结构钢两种。 a) 普通结构钢分为：

甲类钢（或A类钢）：只保证机械性能。如A3、A5等； 乙类钢（或B类钢）：只保证化学成分。如B3、B5等。

丙类钢（或C类特类钢）：既保证机械性能，又保证化学成分，如C3、C5等。 b) 优质结构钢：保证机械性能，又保证化学成分，而且钢中的含硫、磷量也较低。如08号钢、10号钢、20号钢等。 （2）

碳素工具钢

用以制作各种手用工具、器具的钢。 （3）专用碳素钢

如制造锅炉汽包、电焊条等用钢。 四、 碳素钢的编号方法

1、普通结构钢目前的均按国际标准化组织ISO0630《结构钢》标准确定钢的牌号，其表示方法主要由代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号和脱氧方法符号四部分组成。

第一部分为一般结构钢和工程用钢系列的总符号 ，即以钢材的屈服点的“屈”字汉语拼音首位字母“Q”表示。

第二部分为钢材的屈服强度值（σs），如σs=195、215、235、255、275（MPa）等。

第三部分为钢材质量等级，一般分为A、B、C、D四相等级，主要以钢中含硫、磷量区分。

第四部分为钢材脱氧方法来分，如沸腾钢（F）镇静钢（Z）、特镇静钢（TZ）和半镇静钢（b）等。一般“Z”与“TZ”在钢号中可省略。 其形式是：

2、优质结构钢均以负中所含的碳量进行编号，即按钢中含碳量的平均值的万分之几来表示钢号。如：含碳量为0.07-0.14%的钢，其平均含碳量为0.1%，经折算后为10，故该钢号即为10号钢。

3、 碳素工具钢一般在钢号的前面加一“T”字予以表示，如T7、T9等。 4、 专用碳素钢通常在钢号的前面或后面加一汉语拼音字母。如20g表示20号锅炉钢；H08表示碳平均含量为0.08%的焊条用钢。有时在钢号的尾部加一“A”字，则表示高级优质的意思。

第三节 普通低合金钢

一、 什么叫普通低合金钢？

普通低合金钢简称为普低钢，它是低碳钢的基础上加了少量的锰、硅、钒（V）、钛（Ti）、铜等合金成分而组成的一种新型钢种。由于加入的合金成分总量不超过3%，故称之为普低钢。

前面已经提到，两种或两种以上的金属，或者金属与非金属组成的新物质叫做合金。虽然钢是由纯铁与碳组成的合金，但不能称之为合金钢，只能称之为碳素钢。如果为了提高或改善钢的性能有意加入较多量的其它化学成分时，就形成了合金钢。由于普低钢含有的合金成分量少，故以此名与合金钢加以区别。 二、 普低钢的分类

根据普低钢中加入的合金成分及其含量，一般分为强度钢、耐热钢、低温钢和耐蚀钢四类。其中以强度钢应用较为广泛，故作为重点介绍。

普低钢（系指强度钢系列）所含的化学成分主要以锰为主，其含量一般均超过0.7%，故称之为锰钢。

按规定：钢中锰含量＜1.6%的锰钢，其锰字的右下角不加数字。如果含锰量

≥1.6%时，锰字的右下角就加一“2”字数码。例如16锰（或16Mn）钢，其含锰量为1.2-1.6%，而25锰2钒（25Mn2V）钢，其含锰量则为1.8-2.1%。 三、 普低钢的编号方法

钢号的前面数字表示这种钢的平均含碳量为万分之几。后面的汉字或化学符号表示普低钢的合金成分及其含量。

四、 普低钢的强度等级划分

普低（强度）钢的强度等级一般按屈服或强度划分为300、350、400、450、500、550、MPa等六个等级，级别越大，屈服强度也越高。16Mn钢即属于350MPa等级的普低钢。

第四节 特殊钢

一、 什么叫特殊用钢？

具有特殊物理和化学性能的钢称为特殊钢。在热力设备中，主要使用不锈钢、耐热钢和耐磨钢。本节只讨论不锈钢和耐热钢。

1、

不锈耐酸金钢

不锈耐酸钢（亦称不锈钢）是指在空气、水、盐的水溶液以

及其它腐蚀性介质中具有抵抗腐蚀能力的钢。严格区分，把能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢；把能抵抗某些化学介质（如酸类等）腐蚀的钢称为耐酸钢。耐酸钢一定是不锈钢，而不锈钢不一定能耐酸。

根据不锈钢基体组织不同，分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不

锈钢。

（1）

马氏体型不锈钢

常用的马氏体型不锈钢是Cr13型不锈钢，平均含Cr量为

13%，含C量在0.08-0.45%范围，室温组织为马氏体。常用的钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等，前两者主要为耐蚀结构钢，后两者主要为耐蚀工具钢。

（2）

铁素体型不锈钢

热力设备中常用的是1Cr17和1Cr25Ti铁素体不锈钢，室温

下为单相铁素体组织，耐蚀性优于马氏体型不锈钢。这类钢的强度低、塑性好、但高温下晶粒长大倾向较严重，脆性较大。主要用于机械性能要求不高的耐蚀构件（如锅炉燃烧室，高温过热区的吹灰器，吊架等）上。

（3）

奥氏体型不锈钢

是生产上应用最广泛的不锈钢，主要合金元素为铬、镍，典型的是18-8型（如1Cr18Ni9Ti）不锈钢，平均含碳量很低（≤0.14%），含铬量为17-19%，含镍量为8-12%。这类钢除具有很高的耐蚀性外，还具有高的塑性、韧性和良好的焊接性。由于基本组织为单相奥氏体，而奥氏体品体的致密度和再结晶温度均高于高铁素体，故该类还可以作为温度在550℃以上的耐热钢使用。

镍是比较稀缺的元素，为节省用镍，国内外的奥氏体不锈钢中采用Mn、N取代Ni，并已研制出节Ni的奥氏体钢或奥氏体铁素体复相钢，如Cr13Mn8Ni5N、1Cr18Mn10Ni5M03N、0Cr17Mn13M02N等。

2、

耐热钢

高温下工作的钢称为耐热钢。

电站锅炉、汽轮机的零部件广泛采用耐热钢。

随着火力发电厂机组温度、压力参数的不断升高，这类钢具 有良好的高温化学稳定性和高温强度。

高温化学稳定性是指钢在高温下工作不致因介质侵蚀而破

坏的能力，具有这种性能的钢称为热稳定钢（又称抗氧化金钢或不起皮钢）。

高温强度是指钢在高温下具有足够的强度而不致大量变形或断裂的性能，具有这种性能的钢称为热强钢。

显然，热强钢既具有高温化学稳定性，又有足够的高温强度。抗氧化钢的

热强钢统称为耐热钢。

钢中加入Cr、A1、Re等合金元素，能提高钢的抗氧化性：加入Si、Cr、Ni、W、V、Ti、Nb、B、Re（稀土）等合金元素，可提高钢的热强性和组织稳定性。

电站常用的耐热钢主要有如下几种： （1）

珠光体耐热钢

该类钢在正火状态下，显微组织由细片状珠光体和铁素体组

成，加入的合金元素主要为铬、钼、钒等。在热力设备中，合金元素含量较低的CrMo钢（如12CrMo、15CrMo）主要好用于500-510℃以下的蒸汽管道、集箱等零件及540-550℃以下的锅炉受热面管子；合金元素含量较高的低碳CrMo和Cr-MoV钢（如12CrMoV、10CrMo9101等）主要用于540℃以下的蒸汽管道、集箱及580℃以下的锅炉受热面管子，随着机组参数的提高，我国研制的12Cr2MoWVB（钢102）、12Cr3MoSiTiB等新钢种适应于580℃甚至600℃以上温度的使用要求。

（2）

马氏体耐热钢

这类钢在正火状态下的组织为马氏体或马氏体加铁素体。应

用最多的马氏体耐热钢有1Cr13、2Cr13等，该类钢具有较高的耐蚀性和一定的热强性。既可作为不锈钢，又可作为耐热钢。但Cr13钢的最高工作温度仅为470℃，为提高Cr13型钢的热强性，根据耐热钢的合金化原理，在这类钢的基础上添加Mo、V、W、Nb、B等元素，以提高马氏体耐热钢的热强性。

马氏体耐热刚一般在回火索氏体状态下使用，主要用于制造汽轮机和燃汽轮机叶片、围带等。使用温度较珠光体耐热钢高，如12Cr1MoV钢的工作温度为540-550℃，而1CrMoMV和1Cr12MoNbB钢分另为580℃-600℃。P91、T91钢用于主蒸汽，再热热段以及高温过热器和高温再热器等。

（3）

奥氏体耐热钢

奥氏体耐热钢是从奥氏体不锈钢发展而来的。奥氏体耐热钢

不仅热强性高，而且还有较高的塑性、韧性和良好的焊接性能，由于含Cr、Ni量较多，有优良的抗氧化性和耐蚀性能。

奥氏体耐热钢的种类很多，热力设备常用的有：1Cr18Ni9Ti、 1Cr18Ni9Mo、4Cr14Ni14W2Mo、1Cr15Ni36W3Ti等。

1Cr18Ni9Ti是应用于广泛的奥氏体耐热钢，抗氧化工作温度可达700-900℃，在600℃左右时，有足够的热强性，可用于610℃以下的锅炉过热器管、主蒸汽管以及汽轮机导管、阀体等。4CrNi14W2Mo钢有更高的热强性和组织稳定性，常用于650℃以下的超高参数锅炉、汽轮机、热热器管、主蒸汽管及其它重要零件。

（4）

铁素体耐热钢

钢中加入相当数量的Cr、A1、Si等铁元素体形成元素，使钢具有单相铁素体组织的钢称为铁素体耐热钢。这类钢的抗氧化和耐腐蚀性能优良，但热强性差，实际上是抗氧化钢（如1Cr18Si2、1Cr25Si2等）。这类钢不宜用作受冲击载荷的零件，只家用于受力不大的锅炉构件（如热器吊架、热交换器等）。

第五节 中国钢铁产品牌号表示方法的基本原则

一、 碳素钢的分类

碳素钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金，其中含有少量硅、锰、硫、磷等杂质，总量不超过1.5%。由于碳素钢的价格较低，工艺性能好，因而在各个工业部门得到了广泛地应用。碳素钢有以下几种主要的分类方法。

1、

按钢的含碳量分

（1）低碳钢 含碳量在0.25%以下的钢。低碳钢强度、硬度较低，塑性、冲击韧性好。压力加工的焊接性能好。因此低碳钢广泛应用于机械、建筑、桥梁、船舶的各种焊接结构和各种化工设备上。

（2）中碳钢 含碳量在0.25-0.6%之间的碳。这类钢具有较高的强度，而塑性和焊接性稍差，但在热处理后机械性能可显著提高，常用于制造各种机械零件。 （3）高碳钢 含碳量大于0.6%的钢。这类钢具有较高的强度和硬度，但塑性和焊接性能差，热处理后有很高的硬度和耐磨性，常用于制造各种工具、刃具、模具及要求耐磨损的零件等。

2按钢的质量分类 钢的质量主要是根据钢中有害杂质硫、磷的含量多少来区分的，可分为普通、优质及高级优质三类。

(1)普通碳素钢 钢中硫、磷含量分别不得大于0.055%和0.045%,此钢夹杂物较多，质量较差，价格较低，可用作一般的焊接结构和机器零件。普通碳素钢根据供货的保证条件不同，又可分成甲类、乙类及特类三种。

（2）优质碳素钢、钢中硫、磷含量分别不大于0.04%，此钢杂物较少，质量较好，价格较高，常用于制造重要的焊接结构和机器零件。

（3）高级优质碳素钢 钢中硫、磷含量分别不大于0.03%和0.035%，此钢杂质最少，质量最好，价格也最高，用于制造工具，如刀具、量具等。

3、按钢的用途分 主要分有用于制造结构及工具两类

（1）碳素结构钢 用于制造各种工程构件和机器零件。碳素结构钢的一般含碳量≤0.6%，最常用结构钢含碳量≤0.35%。

（2）碳素工具钢 主要用于制造各种工具，刃具、量具、模具等。碳素工具钢的含碳量＞0.6%。

4、按供货的保证条件分类 普通碳素钢可以分为甲、乙、特三类。 （1）甲类钢（又称A类钢）这类钢按照机械性能供货，保证抗拉强度和延伸率，化学成分除硫、磷外，其它成分仅供参考，不作供货条件。

甲类钢多轧制成棒材、板材、条材和型材，直接供车辆、桥梁、船舶、化工、建筑等各方面使用，使用过程一般不再进行锻压和热处理。其中A3是一般钢结构所采用的标准钢材。

（2）乙类钢（又称B类钢） 这类钢是按照保证化学成分供货。乙类钢主要用来制造对机械性能要求不高的机器零件，使用时往往要进行锻压和热处理。

（3）特类钢（又称C类钢）这类钢供货时既保证机械性能又保证化学成分。 特类钢可以满足某些特定的要求，以供专门的应用，其机械性能与化学成分和对应牌号的甲类、乙类的钢相同。 5、

按炼钢方法分类

（1） 转炉钢 用转炉炼出来的钢。它按炉衬材料可分类酸性转炉钢和碱性转炉钢，按送风方法又可分为底吹转炉钢，侧吹转炉钢和纯氧顶吹转炉钢。 (2)平炉钢 用平炉炼出来的钢。按炉衬材料也分为酸性平炉钢和碱性平炉钢。 （3）电炉钢 用电炉炼出来的钢。按炉衬材料也可分为酸性电炉钢和碱性电炉钢。 6、按脱氧程度分类 钢还可按冶炼时脱氧程度的不同，分为镇静金钢、沸腾钢及半镇静钢。

（1）镇静钢 这类钢脱氧完全，浇钢锭时没有严重的翻滚现象，形态“镇静”，故名为镇静钢。

（2）沸腾钢 这类钢脱氧不安全，浇注钢锭时有CO析出，产生严重的翻滚现象，犹如“沸腾”,故名为沸腾钢。钢锭内部有许多分散的小气泡，但是钢锭外层仍是坚实的，在轧制时可以被压合消除掉。它的优点是生产率高，成本较低，同时仍能保证钢材的强度和坚固性，缺点是成分和性能的不均匀性较严重，强度冲击韧性较低，不适宜在低温和冲击载荷条件下使用，当用来制造重要焊接结构时要采用适当的措施。

（3）半镇静钢 这类钢的脱氧程度和性能介于镇静钢和沸腾钢之间。 四、合金钢的分类

随着现代工业和科学技术的发展，对钢材各种性能的要求越来越高，碳素钢虽然便宜，但性能已满足不了各种特殊性能的要求。为了改善钢的性能，满足使用上的要求。常在冶炼时有目的加入一定量的合金元素（如锰、硅、钒、铬、镍、钨等），这类钢称为合金钢。

合金钢的种类繁多，按含金属元素含量分为高、中、低三类，按用途来划分，又可分为合金结构钢、合金工具和特殊合金钢三类。下面进行分别叙述。

1、

合金结构钢 合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一种或数种

合金钢元素而构成的钢种，常用的合金元素有铬、锰、硅、镍、钼、钨、钒、钛等。加入这些元素，可以提高强度、增加淬透性，使零件能获得优良的机械性能。合金结构钢，根据用途不同又可分为普通低合金结构钢及机械制造结构钢两类。

2、 普通低合金结构钢 普通低合金钢是在低碳钢的基础上加入少量锰、硅、铜等元素（合金元素总量不超过3%）所组成的钢种。它与含碳量相同的普通碳素钢相比，具有较高的强度和耐磨性、良好的焊接性和加工工艺性能以及较高的耐大气、海水腐蚀的能力。普通低合金结构钢多热轧成型材、板材和棒材，主要应用于是车辆、桥梁、船舶、压力容器、起重设备以及代替碳素结构钢，制作其它焊接结构。例如采用16Mn钢代替A3钢制作成球形罐，可以减少钢材用量20%，降低自重系数，提高结构的强度，延长使用寿命等，故普通低合金结构钢在生产中的应用已日益广泛，也是我们焊接的主要对象。

3、 机械制造结构钢 可分为合金渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚珠轴承钢四类。

（1） 合金渗碳钢，是针对碳素钢的缺点，在碳素渗碳钢的基础上加入一

种或数种合金元素的渗碳钢。常用的合金渗碳钢有20Cr、20CrMn、202Mn2、20CrMnTi等。合金渗碳钢经一般表面渗碳、淬火及低温回火后使用，表面硬而内部韧。

（2） 合金调质钢 合金调质钢是在碳素调质钢的基础上加入一种或数种合金元素的钢材。常加入的合金元素有锰、硅、钼、钒、钛和硼等。加入这些元素的主要目的是提高淬透性和回火稳定性，使调质后的钢材具有很好的强度、硬度及韧性。常用的合金调质钢有40Cr、45Mn2、50Mn2、35CrMn、30CrMnTi等。如内燃、电力机车上的电动机转子，车轴上的牵引动齿轮等零件，都是用这类钢制造的。

（3）

合金弹簧钢 合金弹簧钢是针对碳素弹簧钢的缺点，在含碳量为

0.45-0.07%的优质和高级优质碳素钢中加入锰、硅、铬、钒等元素组成的钢种，其中以锰、硅用得最广、这些元素可以提高钢的弹性极限和淬透性。合金弹簧钢使用时，一般淬火及中温火处理。常用的合金弹簧钢有55Si2Mn,60Si2Mn,50CrVA等。

（4） 滚珠轴承钢 此钢的含碳量约为0.95-1.1%,，并具还含有一定的合金元素，如铬、锰、硅等。滚珠轴承钢经热处理后具有高的抗压强度、疲劳强度、硬度和耐磨性，足够的冲击韧性和淬透性，同时还有一定的耐蚀能力，常用的有GCr9、GCr15等。

机械制造结构钢的含碳量较高，并含有一定的合金元素量，所以焊接性较差，一般制造过程中很少采用焊接方法，但常用堆焊补焊等方法进行保养机械零件。

4、 合金工具钢 合金工具钢根据用途不同，可以分为刃具钢、量具钢和模具钢。

（1） 刃具钢 刃具钢用来制造切削金属的刀具。为了满足切削金属的要求，刃具钢应有高的硬度、耐磨性、红硬性以及足够的强度和韧性。根据合金元素含量多少的不同，刃具钢可分为低合金工具钢和高速钢。低合金工具钢所加入的合金元素有铬、钨、钒、等，总重量不超地3-5%，其淬透性及回火稳定性较高，可用来制造丝锥、板牙、铰刀等工具。常用的工具钢有9Mn2V、9SiCr、CrMn、CrWMn、CrW5等。

高速钢是一种高合金工具钢，热处理后具有高的红硬性和足够的强度，以及高的硬度和耐磨性，可在较高的切削速度下进行切削加工，温度高达600℃时，硬度仍不下降，用来制造钻头、车刀、刨刀等切削工具。常用的高速钢有W18Cr4V、W6M05Cr4V2等。

（2） 量具钢 量具钢是用来制造量具用的钢。量具是用来度量和检验成品尺寸的工具，因此对它的要求是精度高，并在热处理和工作过程中尺寸稳定，同时要求工作部分有高的硬度和耐磨性。常用的量具钢有CrMn、SiMn等。

（3） 模具钢 用来制作冷热加工的各种模具用，要求具有高的硬度、耐磨性和一定的韧性，对热作模具，还要求具有高的高温强度和热疲劳性。常用的有9Mn2V、9SiCr、5CrMnMo、5CrNiTi等。

合金工具钢的含碳量及合金量较高，焊接性差，一般不采用焊接方法加工。 5、 特殊合金钢 特殊合金钢是具有特殊性能的合金钢材，如抗蚀性、耐热性、抗磨性等。特殊合金钢的特点是合金元素含量较高，同时焊接性较好，是制造焊接结构的重要材料。

（1） 不锈钢 不锈钢具有抵抗空气、水、酸、碱等腐蚀作用的能力。不锈钢成分的特点是有较高的Cr和Ni,含碳量低。常用的有铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。

铬不锈钢主要有1Cr13、2Cr13、3Cr13等。它们可以用来制造医疗工具、量具、阀门等。铬镍不锈钢主要有0CR18Ni9、1CR18Ni9、2CR18Ni9。这类钢抗蚀能力强，耐酸性好，可制造盛酸容器和管材，也称为耐酸钢。 不锈钢是化工生产中的主要材料，应用极为广泛。

（2）耐热钢 耐热钢适应于高温条件下工作，即在高温条件下仍具有高的强度和不被氧化的性能。耐热钢也含有较高的铬、镍，另外还有钨、钼、钒等。常用的耐热钢有4Cr9Si2、15CrMo、4Cr10Si2Mo等。

（3）抗磨钢 抗磨钢可以在严重磨擦及强烈撞击条件下工作，目前使用的抗磨钢主要是Mn13。这种钢含锰量在13%左右，它具有高强度、高韧性、高抗磨能力。

第二章 金属学及热处理基本知识

一、金属晶体结构的一般知识

众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分

成两大类：

第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。

第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。

我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。 (一)晶体的特点

对于晶体，大家并不生疏。食盐、水结成的冰，都是晶体。一般的固态金属及合金也都是晶体。并非所有固态物质都是晶体。如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。

晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。

由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。 (二)典型的金属晶体结构

金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。

图1—4 典型的金属晶体结构 (a)体心立方晶格 (b)面心立方晶格

铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。这种晶格的转变，称为同素异晶转变。纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe)；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe)；再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。纯铁的这种特性非常重要，是钢材所以能通过各种热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在因素之一，也是焊接热影响区中各个区域与母材相比，具有不同组织和性能的原因之一。

二、合金的组织、结构及铁碳合金的基本知识 (一)合金的组织

两种或两种以上的元素(其中至少一种是金属元素)，组合成的金属，叫做合金。根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：

(1)固溶体 固溶体是一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成单相晶体结构。根据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。某一元素晶格上的原子部分地被另一元素的原子所取代，称为置换固溶体；如果另一元素的原子挤入某元素晶格原子之间的空隙中，称为间隙固溶体，见图1—5所示。

图1—5 固溶体示意图 (a)置换固溶体；(b)间隙固溶体

两种元素的原子大小差别愈大，形成固溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。扭曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力，所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。 (2)化合物 两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通常化合物具有较高的硬度，低的塑性，脆性也较大。

(3)机械混合物 固溶体和化合物均为单相的合金，若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成，称为机械混合物。它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性；塑性和压力加工性能则较差。 (二)钢中常见的显微组织

(1)铁素体(F)：铁素体是少量的碳和其它合金元素固溶于α-铁中的固溶体。α-铁为体心立方晶格，碳原子以填隙状态存在，合金元素以置换状态存在。铁素体溶解碳的能力很差，在723℃时为0．02％，室温时仅0．006％。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以含铁素体多的钢(如低碳钢)就表现出软而韧的性能。

(2)渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁与碳的化合物，分子式是Fe3C，其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。

(3)珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0．8％左右，只有温度低于723℃时才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间。 (4)奥氏体(A) 奥氏体是碳和其它合金元素在γ-铁中的固溶体。在一般钢材中，只有高温时存在。当含有一定量扩大γ区的合金元素时，则可能在室温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢则在室温时的组织为奥氏体。奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。奥氏体的另一特点是没有磁性。 (5)马氏体(M) 马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体，一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大，因此，由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相

结合的特点。

(6)魏氏组织 魏氏组织是一种过热组织，是由彼此交叉约60°的铁素体针嵌入基体的显微组织。碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却时，很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。

(二)铁—碳合金平衡状态图

钢和铸铁都是铁碳合金。含碳量低于2．11％的铁碳合金称为钢，含碳量2．11％～6．67％的铁碳合金称为铸铁。为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用Fe-C合金平衡状态图来表示这种关系，见图1—6。图上纵座标表示温度，横座标表示铁碳合金中碳的百分含量。例如，在横座标左端，含碳量为零，即为纯铁；在右端，含碳量为6．67％，全部为渗碳体(Fe3C)。

图1—6 Fe-C平衡状态图

图中ACD线为液相线，在ACD线以上的合金呈液态。这条线说明纯铁在1535℃凝固，随碳含量的增加，合金凝固点降低。C点合金的凝固点最低，为

1147℃。当含碳量大于4．3％以后，随含碳量的增加，凝固点增高。 AHJEF线为固相线。在AHJEF线以下的合金呈固态。在液相线和固相线之间的区域为两相(液相和固相)共存。

GS线表示含碳量低于0．8％的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度。

ECF水平线，1147℃，为共晶反应线。液体合金缓慢冷却至该温度时，发生共晶反应，生成莱氏体组织。

PSK水平线，723℃，为共析反应线，表示铁碳合金在缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。

为了使用方便，PSK线又称为A1线，GS线称为A3线，ES线为Acm线。 E点是碳在奥氏体中最大溶解度点，也是区分钢与铸铁的分界点，其温度为1147℃，含碳量为2．11％。

S点为共析点，温度为723℃，含碳量为0．8％。S点成分的钢是共析钢，其室温组织全部为珠光体。S点左边的钢为亚共析钢，室温组织为铁素体+珠光体；S点右边的钢为过共析钢，其室温组织为渗碳体+珠光体。

C点为共晶点，温度为1147℃，含碳量为4．3％。C点成分的合金为共晶铸铁，组织为莱氏体。含碳量在2．11％～4．3％之间的合金为亚共晶铸铁，组织为莱氏体+珠光体+渗碳体；含碳量在4．3％～6．67％之间的合金为过共晶铸铁，组织为莱氏体+渗碳体。

莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的机械混合物，其性硬而脆。 现以含碳0．2％的低碳钢为例，说明从液态冷却到室温过程中的组织变化。当液态钢冷却至AC线时，开始凝固，从钢液中生成奥氏体晶核，并不断长大；当温度下降到AE线时，钢液全部凝固为奥氏体；当温度下降到GS(A3)线时，从奥氏体中开始析出铁素体晶核，并随温度的下降，晶核不断长大；当温度下降到PSK(A1)线时，剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体；从A1下降至室温，其组织为铁素体+珠光体，不再变化，见图1—7。

图1—7 低碳钢由高温冷却下来的组织变化示意图

Fe—C合金平衡状态图对于热加工具有重要的指导意义，尤其对焊接，可根据状态图来分析焊缝及热影响区的组织变化，选择焊后热处理工艺等。 三、钢的热处理

将金属加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。

常用的热处理工艺方法有以下几种： (一)淬火

将钢(高碳钢和中碳钢等)加热到A1(对过共析钢)或A3(对亚共析钢)以上30～70℃，在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却(水冷或油冷)，使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织，称为淬火。

淬火后可以提高钢的硬度及耐磨性。

在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。

(二)回火

淬火后进行回火，可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。回火温度在A1以下。按回火温度的不同可分为低温回火(150～250℃)、中温回火(350～450℃)、高温回火(500～650℃)。低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。中温回火后得到回火屈氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性。高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性。

钢在淬火后再进行高温回火，这一复合热处理工艺称为调质。调质能得到韧性和强度最好的配合，获得良好的综合力学性能。 (三)正火

将钢加热到A3或Acm以上50～70℃，保温后，在空气中冷却，称为正火。许多碳素钢和低合金结构钢经正火后，各项力学性能均较好，可以细化晶粒，常用来作为最终热处理。对于焊接结构，经正火后，能改善焊接接头性能，可消除粗晶组织及组织不均匀等。 (四)退火

将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却，称为退火。

退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除内应力等。

焊接结构焊接以后会产生焊接残余应力，容易导致产生延迟裂纹，因此重要的焊接结构焊后应该进行消除应力退火处理。消除应力退火属于低温退火，加热温度在A1以下，一般采用600～650℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却。亦称焊后热处理。

第三章 安全用电的基本知识

在现代工业中应用的各种焊接方法，除少数几种，绝大部分是直接应用电能，或是以电为动力实行焊接，所以焊工在焊接时经常接触电源和电气设备，可能因设备故障或操作失误等原因造成触电事故和火灾等，所以焊接时的安全用电直接关系到个人生命和国家财产的安危。

一、 造成触电事故的原因

造成焊工触电事故的原因很多，但归纳起来不外乎：不安

2、不同焊接方法的电弧静特性曲线 不同的电弧焊方法，在一定的条件下，其静特性只是曲线的某一区域。（1）手工电弧焊 其静特性曲线无上升特性区。

（2）埋弧自动焊 在正常电流密度下焊接时，其静特性为平特性区；采用大电流密度焊接时，其静特性为上升特性区。

（3）钨极氩弧焊 一般在小电流区间焊接时，其静特性为下降特性区；在大电流区间焊接时，静特性为平特性区。

（4）细丝熔化极气体保护焊 其静特性曲线为上升特性区。 二、电弧电压和弧长的关系

电弧电压由阴极电压降、阳极电压降和弧柱电压降三部分组成。其中阴极电压降和阳极电压降在一定电极材料和气体介质的场合下，基本上是固定的数值，弧柱电压降在一定的气体介质条件下和弧柱长度（实际上是电弧长度）成正比。所以电弧电压可表示为：

U=a＋bL 式中a——阴极和阳极电压降之和，即U阴＋U阳，V； b—一弧柱单位长度上的电压降，V／mm； L—一弧柱长度，㎜。

所以当弧长拉长时，电弧电压升高；当弧长缩短时，电弧电压降低。 第三节 对弧焊电源的基本要求 一、对空载电压的要求

当焊机接通电网而输出端没有接负载（即没有电弧时），焊接电流为零，此时输出端的电压称为空载电压，常用U空表示，在确定空载电压的数值时，应考虑以下几个方面：

（1）电弧的燃烧稳定 引弧时，必须有较高的空载电压，才能使两极间高电阻的接触处击穿。空载电压太低，引弧将发生困难，电弧燃烧也不够稳定。 （2）经济性 电源的额定容量和空载电压成正比，空载电压越高，则电源容量越大，制造成本越高。

（3）安全性 过高的空载电压会危及焊工的安全。 因此，我国有关标准中规定最大空载电压U空最大为： 弧焊变压器U空最大≤80V 弧焊整流器U空最大≤90V

弧焊发电机U空最大≤100V（单头焊机）； U空最大=60V（多头焊机）

二、对短路电流的要求

当电极和焊件短路时，电压为零，此时焊机的输出电流称作短路电流，常用I短来表示，在引弧和熔滴过渡时，经常发生短路。如果短路电流过大，电源将出现过载而有烧坏的危险，同时还会使得焊条过热，药皮脱落，并使飞溅增加。但是如果短路电流太小，则会使引弧和熔滴过渡发生困难，因此，短路电流值应满足以下要求：1.25

式中I工——工作电流，A； I短——短路电流，A； 三、对电源外特性的要求

焊接电源输出电压与输出电流之间的关系称为电源的外特性，外特性用曲线来表示，称之为外特性曲线。

弧焊电源外特性曲线的形状对电弧及焊接参数的稳定性有重要的影响。在弧焊时，为保证电源一电弧系统的稳定性，必须使弧焊电源外特性曲线的形状与电弧静特性曲线的形状作适当的配合。

弧焊电源外特性曲线有若干种，如图5一3所示，可供不同的弧焊方法及工作条件选用。

电弧的静特性曲线与电源的外特性曲线的交点就是电弧燃烧的工作点。手弧焊焊接时要采用具有陡降外特性的电源。因为手弧焊时，电弧的静特性曲线呈L型。当焊工由于手的抖动，引起弧长变化时，焊接电流也随之变化，当采用陡降的外特性电源时，同样的弧长变化，它所引起的焊接电流变化比缓降外特性或平特性要小得多，有利于保持焊接电流的稳定，从而使焊接过程稳定。

四、对电源动特性的要求

焊接过程中，电弧总在不断地变化，弧焊电源的动特性，就是指弧焊电源对焊接电弧这样的动负载所输出的电流和电压与时间的关系。它是用来表示弧焊电源对负载瞬变的反应能力。弧焊电源动特性对电弧稳定性、熔滴过渡、飞溅及焊缝成形等有很大影响，它是直流弧焊电源的一项重要技术指标。 五、对电源调节特性的要求

当弧长一定时，每一条电源外特性曲线和电弧静特性曲线的交点中，只有一个稳定工作点，即只有一个对应的电流值和电压值。

所以，选用不同的焊接工艺参数时，要求电源能够通过调节，得出不同的电源外特性曲线，即要求电源具有良好的调节特性。 六、焊机的型号

1、焊机型号的编制原则 我国焊机型号是按统一规定编制的。焊机型号采用汉语拼音字母及阿拉伯数字组成，其编排次序。

特殊环境用的产品在型号末尾加注代表字母。三种类型焊机型号代表字母见表5-1。

2、焊机的主要技术指标

（1）负载持续率 焊机负载的时间占选定工作时间的百分率称为负载持续率，用公式表示为：

负载持续率=在选定的工作时间周期内焊机负载时间/选定的工作时间周期3100%

我国的有关标准规定，对于主要用作手工焊的焊机，选定的工作周期为5min，如果在5min内，焊接时间为3min，则负载持续率即为60%。 对于不同的负载持续率，焊机有不同的允许使用的最大焊接电流值。

（2）额定值 是指对电源规定的使用限额，如电压、电流及功率的限额。按额定值使用设备是最经济合理、安全可靠的。超过额定值工作时，称为过载，严重过载将使设备损坏。

总之，使用焊机应根据其负载持续率和额定值选择工艺参数和时间。 第五章 常用交、直流弧焊机的构造和使用方法 一、常用交流弧焊机的构造

弧焊变压器是一种具有下降外特性的降压变压器，通常又称为交流弧焊机。获得下降外特性的方法是在焊接回路中串一可调电感。

常用国产弧焊变压器型号见表5-2

1、分体式弧焊机

（1）结构特点 这类弧焊变压器分别由一台独立的降压变压器和一台独立的电抗器组成。

（2）工作原理 变压器将电网电压（220V／380V）降到60V～80V左右（空载

电压），串联电抗器使变压器输出特性下降，获得下降外特性，以满足电弧稳定燃烧的需要。串联电抗器有一活动铁心，通过改变铁心间隙大小，调节焊接电流。 2、同体式弧焊机

（1）结构特点 焊机由一台具有平特性的降压变压器上面叠加一个电抗器组成。变压器与电抗器有一个共同的磁轭。变压器初级绕组分别绕在变压器侧柱上，次级绕组与电抗器线圈串联后向电弧供电，电抗器铁心中间留有可调的间隙δ，以调节焊接电流。

（2）工作原理 同体式弧焊变压器与分体式弧焊变压器的工作原理基本上相同，只是由于同体式弧焊变压器与电抗器有一个共同的磁轭，使结构变得紧凑，并能部分节省铁心的材料。 3、动铁漏磁式弧焊机

（1）结构特点 焊机由一台初、次级绕组分别绕在两边心柱上的变压器，中间再插入一个活动铁心所组成。

（2）工作原理 由于变压器的初、次级绕组分别绕在两边的心柱上，产生很大的漏磁，次级绕组就起了一个相当于电抗线圈的作用，并且由于中间还有一活动

铁心，焊接时活动铁心中形成磁分路，造成更大的漏磁，使次级电压迅速下降，从而获得了下降的外特性。

4、动圈式弧焊机

（1）结构特点：焊机有一个高而窄的口字形铁心，目的是为了保证初、次级线圈之间的距离δ12有足够的变化范围。变压器的初、次级线圈分别做成匝数相等的两盘，用夹板夹成一体。初级线圈固定于铁心底部，次级线圈可用丝杆带动，摇动手柄则上下移动，改变δ12的距离，从而调节电流。

（2）工作原理：由于变压器的初、次级绕组分成两部分安放，使得两者之间造成较大的漏磁，焊接时使次级电压迅速下降，从而获得下降的外特性。 5、抽头式弧焊机 其基本工作原理与动圈式弧焊变压器相似。初级线圈分绕在口字形铁心的两个心柱上，两次级线圈仅绕在一个心柱上。所以初、次级线圈之间产生较大的漏磁，从而获得下降外特性。电流调节是有级的。

二、常用直流弧焊机

1、直流弧焊发电机 直流弧焊发电机由一台异步电动机和一台弧焊发电机组成。体积大，笨重，耗材多，噪声大，效率低，制造过程中耗能高，加工工艺复

杂。每台焊机比可控硅整流焊机多耗材65％，每年多耗电4000kwh，效率低20％。因此，为淘汰产品。但由于直流弧焊发电机具有电弧燃烧稳定、可靠性好、经久耐用等特点，应用一直较为广泛。本书只作简单介绍。

（1）结构特点 主要由三相交流电动机、发电机电枢、发电机励磁极及绕组、换向片、电刷、控制盘等组成。

（2）工作原理 下降外特性的获得，一般是使工作磁通随焊接电流的增加而迅速降低。采用的方法有增设去磁绕组，利用电枢反应等方法。

（3）常用型号和规格 AX一320、AX1一500、AX4一300，分别属于裂极式、差复励式。换向极式。

2、弧焊整流器 是一种将交流电经变压、整流转换成直流电的焊接电源。采用硅整流器作整流元件称为硅整流焊机，采用晶闸管（可控硅）的称为晶闸管整流弧焊机。 （1）硅整流焊机

1）结构特点 它是由三相降压变压器、饱和电抗器、整流器组、输出电抗器、通风及控制系统等部分组成。

2）工作原理 磁饱和电抗器相当一个很大的电感，空载时无焊接电流通过，因此不产生压降，电源输出较高的空载电压，焊接时由于磁饱和电抗器通交流电，且电流越大压降也越大，从而使电源获得陡降的外特性。 （2）晶闸管弧焊机

1）结构特点 由电源系统、触发系统、控制系统、反馈系统等几部分组成。 2）工作原理 电流负反馈电路和电压反馈电路均由集成运算放大器构成，电流负反馈电路使弧焊机获得陡降外特性；电压反馈电路使弧焊机获得推力，电流外拖，电弧吹力外拖，连弧与断弧选择及飞溅控制等功能。由于电路中没有防止振荡的校正环节，故本焊机动特性十分理想。 （3）逆变式弧焊机

1）结构特点 主要由三相全波整流器、逆变器、降压变压器、低压整流器、电抗器组成。

2）工作原理 逆变弧焊机电源通常都采用三相交流电源供电，380V交流电经三相全波整流后变成600Hz的高压脉动直流电，经滤波变频后变成几百赫到几十

千赫的中频高压交流电，再经中频变压器降压、整流后变成低压直流电。通过这一系列逆变过程，实现了整机闭环控制，改善了焊接性能。

第六章 常用电弧焊工艺知识

第一节 手弧焊的工艺特点、焊接工艺参数和焊接坡口的基本形式与尺寸 一、手工电弧焊的工艺特点 1、优点

（1）工艺灵活、适应性强

（2）质量好 与气焊及埋弧焊相比，金相组织细，热影响区小，接头性能好。

（3）易于通过工艺调整（如对称焊等等）来控制变形和改善应力。 （4）设备简单、操作方便。 2、缺点

（1）对焊工要求高，焊工的操作技术和经验直接影响产品质量的好坏。 （2）劳动条件差 焊工在工作时必须手脑并用，精神高度集中，而且还要受到高温烘烤，有毒、烟、尘和金属蒸气的危害。

（3）生产率低 受焊工体质的影响，焊接工艺参数选择较小，故生产率低。

3、应用范围 在造船、锅炉及压力容器、机械制造、建筑结构、化工设备等制造维修行业中都广泛使用手工电弧焊。 二、手工电弧焊的工艺参数

焊接工艺参数（焊接规范）是指焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量。 1、焊条种类和牌号的选择（详见第七章） 主要根据母材的性能、接头的刚性和工作条件选择焊条，焊接一般碳钢和低合金钢主要是按等强原则选择焊条的强度级别，对一般结构选用酸性焊条，重要结构选用碱性焊条。 2、焊接电源种类和极性的选择 手弧焊时采用的电源有交流和直流两大类，根据焊条的性质进行选择。通常，酸性焊条可同时采用交、直流两种电源，一般优选交流弧焊机。碱性焊条由于电弧稳定性差，所以必须使用直流弧焊机，对药皮中含有较多稳弧剂的焊条，亦可使用交流弧焊机，但此时电源的空载电压应较高些。

采用直流电源时，焊件与电源输出端正、负极的接法，叫极性。 焊件接电源正极，焊条接电源负极的接线法叫正接，也称正极性。 焊件接电源负极，焊条接电源正极的接线法叫反接，也称反极性。 极性的选择原则：①碱性焊条常采用反接，酸性焊条如使用直流电源时通常采用正接。②焊接厚钢板时可采用正接，而焊接薄板、铸铁、有色金属时，应采用反接。

采用交流电源时，不存在正接和反接的接线法。

3、焊条直径 可根据焊件厚度进行选择。厚度越大，选用的焊条直径应越粗，见表6一l(P61)。但厚板对接接头坡口打底焊时要选用较细焊条，另外接头形式不同，焊缝空间位置不同，焊条直径也有所不同：如T形接头应比对接接头使用的焊条粗些，立焊、横焊等空间位置比平焊时所选用的应细一些。立焊最大直径不超过5mm，横焊仰焊直径不超过4mm。

4、焊接电流的选择 选择焊接电流时，要考虑的因素很多，如焊条直径、药皮类型、工件厚度、接头类型、焊接位置、焊道层次等。但主要由焊条直径、焊接位置和焊道层次来决定。

（1）焊条直径 焊条直径越粗，焊接电流越大，每种直径的焊条都有一个最合适的电流范围，见表6—2(P61)，还可以根据下面的经验公式计算焊接电流： I=（35～55）d

式中I——焊接电流，A； d——焊条直径，mm。

（2）焊接位置 在平焊位置焊接时，可选择偏大些的焊接电流。横、立、仰焊位置焊接时，焊接电流应比平焊位置小10％～20％。角焊电流比平焊电

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