常用金属材料的焊接 试述中碳钢的焊接工艺要点。
℃预热 预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预
热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。通常，35 和 45 钢的预热温度为 150～250℃含碳量再高或者因厚
度和刚度很大，裂纹倾向大时，可将预热温度提高至 250～400℃。 若焊件太大，整体预热有困难时，可进行
局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各 150～200mm。 ℃焊条 条件许可时优先选用碱性焊条。 ℃坡
口形式 将焊件尽量开成 U 形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少
母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。 ℃焊接工艺参数 由于母材熔化到第
一层焊缝金属中的比例最高达 30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小
母材的熔深。 ℃焊后热处理 焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结
构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为 600～650℃。 若焊
后不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理。
2 常用金属材料的焊接 试述高碳钢的焊接工艺要点。
℃焊接性 当高碳钢的碳的质量分数大于 %时，焊后的硬化、裂纹敏感倾向更大，因此焊接性极差，不能
用于制造焊接结构。常用于制造需要更硬度或耐磨的部件和零件，其焊接工作主要是焊补修复。 ℃焊条选用
由于高碳钢的抗拉强度大都在 675MPa 以上，所以常用的焊条型号为 E7015、E6015，对构件结构要求不高时
可选用 E5016、E5015 焊条。此外，亦可采用铬镍奥氏体钢焊条进行焊接。 ℃焊接工艺 1）由于高碳钢零件
为了获得高硬度和耐磨性，材料本身都需经过热处理，所以焊前应先进行退火，才能进行焊接。 2）焊件焊
前应进行预热，预热温度一般为 250～350℃以上，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度。 3）焊后
焊件必需保温缓冷，并立即送入炉中在 650℃进行消除应力热处理。
3 常用金属材料的焊接 试述低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。
℃预热 预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能。但预热会恶化劳动条件，使生产工艺复杂
化，过高的预热温度还会降低接头韧性。因此，焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分（碳
当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。 ℃焊接线能量的选择 含碳低的热轧钢（09Mn2、
09MnNb 钢等）以及含碳量偏下限的 16Mn 钢焊接时，因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小，所以对焊接
线能量没有严格的限制。焊接含碳量偏高的 16Mn 钢时，为降低淬硬倾向，焊接线能量应偏大一点。对于含
V、Nb、Ti 的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响，应选择较小的焊接线能量。如 15MnVN 钢
的焊接线能量应控制在 40～45kJ/cm 以下。 对于碳及合金元素含量较高而屈服点为 490MPa 的正火钢（如
18MnMoNb 钢等），因淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但当采用焊前预热时，为了避免过热倾向，
可以适当地减少线能量。 ℃后热及焊后热处理 后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件立即加热至
150～250℃范围内，并保温一段时间，使接头中的氢扩散逸出，防止延迟裂纹产生。 对于厚壁容器、高刚性
的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除
焊接残余应力，改善组织。 焊后立即进行高温回火的焊件，无需再进行后热处理。
4 常用金属材料的焊接 试述 16Mn 钢的焊接工艺。
16Mn 钢属于碳锰钢，碳当量为 %～%，屈服点等于 343MPa（强度级别属于 343MPa 级）。16Mn
钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。但由于 16Mn 钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低
温下（如冬季露天作业）或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。不同板
厚及不同环境温度下 16Mn 钢的预热温度，见表 8。 16Mn 钢手弧焊时应选用 E50 型焊条，如碱性焊条
E5015、E5016，对于不重要的结构，也可选用酸性焊条 E5003、E5001。对厚度小、坡口窄的焊件，可选用
E4315、E4316 焊条。 表 8 焊接 16Mn 钢的预热温度 焊件厚度 （mm） 不同气温下的预热温度计（℃） 16
以上 不低于－10℃不预热，－10℃以下预热 100～150℃ 16～24 不低于－5℃不预热，－5℃以下预热 100～150
℃ 25～40 不低于 0℃不预热，0℃以下预热 100～150℃ 40 以上 均预热 100～150℃ 16Mn 钢埋弧焊时 H08MnA
焊丝配合焊剂 HJ431（开 I 形坡口对接）或 H10Mn2 焊丝配合焊剂 HJ431（中板开坡口对接），当需焊接厚板
深坡口焊缝时，应选用 H08MnMoA 焊丝配合焊剂 HJ431。 16Mn 钢是目前我国应用最广的低合金钢，用于
制造焊接结构的 16Mn 钢均为 16MnR 和 16Mng 钢。
5 常用金属材料的焊接 试述 18MnMoNb 钢的焊接工艺。
18MnMoNb 钢的屈服点等于 490MPa（属于 490MPa 级钢），由于碳及合金钢元素的含量都较高，所以淬火
硬倾向及冷裂倾向均比 16Mn 钢大。焊接工艺要点： 1）除电渣焊外，焊前对焊件应采取预热措施，预热温
度控制在 150～180℃。对于刚度较大的接头，预热温度应提高至 180～230℃。焊后或中断焊接时，应立即进
行 250～350℃的后热处理。 2）焊接材料的选用，见表 7。 3）为保证接头性能和质量，应适当控制焊接线
能量，如手弧焊时，焊接线能量应控制在 24kJ/cm 以下；埋弧焊时，焊接线能量应控制在 35kJ/cm 以下。但
焊接线能量不能过小，否则焊接接头易出现淬硬组织和降低韧性。同时，层间温度应控制在预热温度和 300℃
之间。 4）焊后应进行热处理。电渣焊接头热处理的方式是 900～980℃正火加 630～670℃回火。手弧焊及埋
弧焊接头进行消除焊接残余应力的高温回火处理，回火温度比一般钢材回火温度低 30℃左右。
6 常用金属材料的焊接 试述低温用钢的焊接工艺。
工作温度等于或低于－20℃的低碳素结构钢和低合金钢称为低温用钢，其牌号及成分，见表 9。对低温用钢的
主要要求是应保证在使用温度下具有足够的塑性及抵抗脆性破坏的能力。 表 9 低温容器用钢的牌号及成分
钢 号 化学成分（质量分数）（%） C Mn Si V Ti 16MnDR ≤ ～ ～ ～ ～
09MnTiCuREDR ≤ ～ ≤ 09Mn2VDR ≤ ～ ～ 06MnNbDR ≤ ～
～ 钢 号 化学成分（质量分数）（%） Cu Nb RE S P ≤ 16MnDR ～ ～ (加入量)
09MnTiCuREDR 09Mn2VDR 06MnNbDR "低温用钢由于含碳量
低,淬硬倾向和冷裂倾向小，所以焊接性良好。焊接时，为避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温
韧性，要求采用小的焊接线能量，焊接电流不宜过大，宜用快速多道焊以减轻焊道过热，并通过多层焊的重
热作用细化晶粒，多道焊时要控制层间温度不得过高，如焊接 06MnNbDR 低温用钢时，层间温度不得大于 300
℃。" 焊接低温用钢的焊条，见表 10。 表 10 焊接低温用钢焊条 焊 条 牌 号 焊条型号 主 要 用 途 J506G
E5016G 焊接－40℃工作的 16MnDR 钢 J507GR E5015G W707 TW70-7Cu 焊接－70℃工作的 09Mn2V 及
09MnTiCuRe 钢 W707Ni E5515C1 焊接－70℃工作的低温钢及 %Ni 钢 W907Ni E5515C2 焊接－90℃工作
的 %Ni 钢 W107Ni TW10-7Cu 焊接－100℃工作的 06MnNb、06AINbCuN 及 %Ni 钢 低温用钢焊后可进
行消除应力热处理，以降低焊接结构的脆断倾向。
7 常用金属材料的焊接 试述珠光体耐热钢的焊接工艺。
高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢称为耐热钢，以 Cr、Mo 为主要合金元素的低合金耐热钢，基体组织
是珠光体（或珠光体+铁素体）称为珠光体耐热钢，常用钢号有 15CrMo、12CrMoV、12Cr2MoWVTiB、14MnMov、
18MnMoNb、13MnNiMoNb。 由于珠光体耐热钢中含有一定量的 Cr、Mo 和其它一些合金元素，所以热影响
区会产生硬脆的马氏体组织，低温焊接或焊接刚性较大的结构时，易形成冷裂纹。因此在焊接时应采取以下
几项工艺措施： ℃预热 预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施。为了确保焊接质量，不论在定位焊或正
式施焊过程中，焊件都应预热并保持为 80～150℃用氩弧焊打底和 CO2 气体保护焊时，可以降低预热温度或
不预热。 ℃焊后缓冷 焊后应立即用石棉布覆盖焊缝及热影响区，使其缓慢冷却。 ℃焊后热处理 焊后应立即
进行高温回火，防止产生延迟裂纹、消除应力和改善组织。焊后热处理温度应避免在 350～500℃温度区间内
进行，因珠光体耐热钢在该温度区间内有强烈的加火脆性现象。几种常用珠光体耐热钢的焊后热处理温度见
表 11。 表 11 珠光体耐热钢焊后热处理温度 钢 号 需热处理厚度（mm） 焊后高温回火温度（℃） 15CrMo
＞10 680～700 12Cr1MoV ＞6 720～760 20CrMo 任何厚度 720～760 12Cr2MoWVB 任何厚度 760～780
12Cr3MoVSiTiB 任何厚度 740～780
8 常用金属材料的焊接 试述低碳调质钢的焊接工艺。
常用的各种熔焊方法，都可以适用于焊接低碳调质钢。其焊接工艺如下： ℃焊前预热 当板厚较小或接头拘
束度也较小时，焊前可不进行预热，如 15MnMoVN、14MnMoNbB 钢。当板厚小于 13mm 时，通常采用不预
热施焊。随着板厚的增加，为了防止产生冷裂纹，必须进行预热，但是必须严格控制预热温度，因为过高的
预热温度会使热影响区的冷却速度过于缓慢，使热影响区强度下降，韧性变坏。 几种低碳调质钢的最低预热
温度，见表 14。允许的最高预热温度与表中最低值相比，不得大于 65℃。若有可能，可采用低温预热加后热
或不预热，只采用后热的方法来防止低碳调质钢产生冷裂纹，可以减轻或消除过高的预热温度对热影响区韧
性的损害。 表 14 低碳调质钢的最低预热温度 （℃） 焊件厚度 （mm） 15MnMoVN 14MnMoNbB ＜13
不预热 不预热 13～16 50～100 100～150 16～19 100～150 150～200 19～22 100～150 150～200 22～25 150～
200 200～250 25～35 150～200 200～250 ℃焊接材料 为防止产生冷裂纹，因此必须严格控制焊接材料中的含
氢量，要求所使用的焊条必须是低氢型或超低氢型的，焊前应严格按规定进行烘干、贮存。用于 CO2 气体保
护焊的 CO2 气体应符合 GB6052—85 中规定的℃级气体或℃级 1 类气体的要求。 焊接低碳调质钢推荐用的焊
接材料，见表 15。 表 15 焊接低碳调质钢推荐用的焊接材料 钢 号 手弧焊 熔化极气体保护焊 焊 条 焊 丝
保护气体（体积分数）（%） HQ70A E7015 H08Mn2Ni2Mo CO2 HQ70B 或 Ar+CO220 15MnMoVN 或
15MnMoVNRE Ar+O21～2 15MnMoVNRE（QJ-70） E7515 H08Mn2Ni2Mo Ar+CO220 14MnMoNbB E8515
Ar+O21～2 ℃焊接技术 为避免过度损伤热影响区的韧性，应避免使用过大的线能量，因此，不推荐使用大直
径的焊条或焊丝。只要可能，应采用多层小焊道焊缝，最好采用窄焊道，而不采用横向摆动的运条技术。 ℃
焊后热处理 大多数低碳调质钢的焊接构件都是在焊态下使用，只有在下述条件下才进行焊后热处理。 1）焊
后或冷加工后的韧性过低。 2）焊后需进行高精度加工，要求保证结构尺寸的稳定性。 3）焊接结构承受应
力腐蚀。 焊后热处理的温度必须低于母材调质处理的回火温度。
9 常用金属材料的焊接 试述中碳调质钢的焊接工艺。
常用的各种熔焊方法，都可以适用于焊接中碳调质钢。 ℃预热及后热 除了拘束度小、构造简单的薄壳结构
不用预热外，中碳调质钢都应采取焊前预热和后热措施，预热温度约为 200～350℃后热温度为 300℃左右。
如果焊后不能及时进行调质处理，则必需在焊后及时进行中间热处理，即在等于或高于预热温度下进行保温
一段时间的热处理，如低温回火或 650～680℃高温回火。若焊件焊前处于调质状态，其预热温度、层间温度
及热处理温度都应比母材淬火后的回火温度低 50℃。进行局部预热时，应在焊缝两侧各 100mm 范围内均匀加
热。 ℃焊接材料 为了防止产生热裂纹，要求采用低碳焊丝，焊丝中的碳的质量分数应控制在 %以内，最
高不超过 %，并且控制硫、磷的质量分数应小于 %～%。 焊接中碳调质钢焊条的选用，见表
16。表中 HTJ-1 及 HTJ-4 焊条涂料只起稳弧作用，焊缝金属的力学性能和抗裂性能较差，只适用于受力小、
待焊处可达性不好及要求变形小的 30CrMnSiA 钢薄板的焊接。 ℃焊接线能量 中碳调质钢宜用小线能量焊接，
以有利于减少淬火区的高温停留时间，降低奥氏体的晶粒长大，从而降低淬火区的脆化程度。 表 16 焊接中
碳调质钢的焊条选用 焊条牌号 焊 芯 直 径 （mm） 焊接钢种 HTJ-4（钛型） H08A ～ 25CrMnSiA
HTJ-1（钛型） H08CrMoA 30CrMnSiA HTJ-2（低氢型） H08CrMoA ～ 30CrMnSiA 40CrMnSiMoVA
HTJ-3（低氢型） H08CrMoA ～ 25CrMnSiA 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 40CrMnSiMoVA HTG-1（低氢
型） HGH30 ～ 焊接已调质的： 25CrMnSiA 30CrMnSiA HTG-2（低氢型） HGH41 30CrMnSiNi2A
HTB-3（低氢型） H1Cr19Ni11Si14A1Ti ～ 30CrMnSiA A507（低氢型） E1-16-25Mn6N-15 焊接已调质
的 A502（钛钙型） E1-16-25Mn6N-16 30CrMnSiA 注：“HT”——航空焊条、“J”——结构钢焊条、“G”——
高温合金焊条、“A”——不锈钢焊条及 A5××焊条——焊缝中的铬的质量分数（含铬量）为 16%，镍的质量分
数（含镍量）为 25%。
10 常用金属材料的焊接 试述耐候钢及耐海水腐蚀用钢的焊接工艺。
铜、磷能显著地降低钢的腐蚀速度，这是耐候钢及耐海水腐蚀用钢的主要合金元素，常用耐候钢及耐海水腐
蚀用钢有：16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、09Mn2Cu、16MnCu、09MnCuPTi、08MnPRE、10MnPNbRE
钢等。 铜、磷耐蚀钢对焊接热循环不敏感，焊接热影响区的最高硬度不超过 350HV。虽然钢中含有 Cu、P
等元素，但其含量均不高，通常铜的质量分数控制在 %～%，不会促使产生热裂纹。含磷钢中碳、磷的
质量分数都在 %以下，因而钢的冷脆倾向也不大，所以焊接性良好，焊接工艺与强度级别较低（σs 为
343～392MPa）的普通热轧钢相同。 焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条，见表 17。埋弧焊时，采用
H08MnA、H10Mn2 焊丝配合 HJ431 焊剂。 表 17 焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条 牌 号 型 号 主 要 用
途 J422CrCu E4303 焊接 12CrMoCu J502CuP 焊接 10MnPNbRE、08MnP、09MnCuPTi J502NiCu E5003-G 焊
接耐候铁道车辆 09MnCuPTi J502WCr J502CrNiCu E5003-G 焊接耐候近海工程结构 J506WCu E5016-G 焊接
耐候用钢 09MnCuPTi J506NiCu E5016-G 焊接耐候用钢 J507NiCu E5015-G 焊接耐候用钢 J507CrNi E5015-G
焊接耐海水腐蚀用钢的海洋重要结构
常用金属材料的
焊接
试述奥氏体不锈钢的手弧焊工艺。
奥氏体不锈钢的手弧焊具有热影响区小、易于保证质量，适应各种焊接
位置及不同板厚工艺要求的优点。焊条有酸性钛钙型和碱性低氢钠型两
大类。低氢钠型的不锈钢焊条抗热裂性较高，但成形不如钛钙型焊条，
耐腐蚀性也较差。钛钙型焊条具有良好的工艺性能，生产中应用较普遍。
由于奥氏体不锈钢的电阻率为低碳钢的 4 倍以上，焊接时产生的电阻热
较大，药皮容易发红和开裂，所以同样直径的焊条焊接电流值应比低碳
钢降低 20%左右，焊条长度亦比同直径的碳钢焊条短，否则焊接时由于
药皮的迅速发红、开裂会失去保护而无法焊接。 施焊时，焊条不应作横
向摆动，采用小电流、快速焊，一次焊成的焊缝不宜过宽，最好不超过
焊条直径的 3 倍。多层焊时，每焊完一层要彻底清除焊渣，层间温度应
低于 60℃与腐蚀介质接触的焊缝，为防止由于重复加热而降低耐腐蚀性，
应最后焊接。焊后可采取强制冷却措施，加速接头冷却。焊接开始时，
不要在焊件上随便引弧，以免损伤焊件表面，影响耐腐蚀性。
12 常用金属材料的焊接 试述奥氏体不锈钢的埋弧焊工艺。
奥氏体不锈钢埋弧焊时，由于焊接电流密度大，热量集中，因此形成的弧坑也较
大，并且熔池厚度也增大，在局部间隙的较大处很容易烧穿，因此在施焊过程中
需要在焊件背面采取一定的工艺措施，以防烧漏。常用方法是采用手弧焊封底，
并用纯铜板垫、永久垫和焊剂垫等。 18-8 型奥氏体不锈钢埋弧焊时的焊接工艺参
数，见表 20。 表 20 18-8 型不锈钢埋弧焊焊接工艺参数 焊件厚度（mm） 装配
间隙（mm） 焊接电流（A） 电弧电压（V） 焊接速度（m/h） 6 ～ 650～
700 34～38 46 8 ～ 750～800 36～38 46 10 ～ 850～900 38～40 31 12
～ 900～950 38～40 25 8 500～600 32～34 46 10 600～650 34～36 42
12 650～700 36～38 36 16 2 750～800 38～40 31 20 3 800～850 38～40 25 30
～ 850～900 38～40 16 40 ～ 1050～1100 40～42 12 注：1、表中厚度
为 6～12mm 焊件的焊接工艺参数是在焊剂垫上进行单面埋弧焊的参数。 2、厚度
为 8～40mm 的焊件，应进行双面焊，但焊接第 1 道焊缝时可以在焊剂垫上进行。
3、焊丝均采用 ф5mm。
13 常用金属材料的焊接 试述奥氏体不锈钢的钨极氩弧焊工艺。
奥氏体不锈钢的钨极氩弧焊适宜于厚度不超过 8mm 的板结构，特别适宜于厚度
在 3mm 以下的薄板、直径在 60mm 以下的管子以及厚件的打底焊。钨极氩弧焊电
弧的热功率低，所以焊接速度较慢，约为手弧焊速度的 1/2～1/3。因此，焊接接
头冷却过程中在危险温度区停留的时间长，耐腐蚀性能较差。 奥氏体不锈钢钨极
氩弧焊对接接头的焊接工艺参数，见表 21。
14 常用金属材料的焊接 试述奥氏体不锈钢的熔化极氩弧焊工艺。
奥氏体不锈钢采用熔化极氩弧焊时，若使用纯氩气作为保护气体会引起一系列困
难： 1）液体金属的粘度及表面张力较大，易产生气孔；焊缝金属润湿性差，焊
缝两侧易产生咬边。 2）电弧阴极斑点不稳定，产生所谓阴极飘移现象，使焊缝
的成形很差。如厚度为 3mm 的不锈钢焊后焊缝宽约 4mm，而余高竟超过 3mm，
因此没有得到推广应用。解决上述现象的方法是采用氧化性混合气体作保护气体，
即在纯氩气中加入少量氧气或 CO2 气体。 焊接厚板时推荐以射流过渡焊接，保
护气体的质量分数为 Ar98%+O22%。由于射流过渡必须采用较高的电压和电流值，
熔池流动性好，故只适于平焊和横焊；焊接薄板时推荐以短路过渡焊接，保护气
体的质量分数 %的 Ar+%的 CO2。短路过渡时电压和电流值均较低，熔滴
短路时会熄弧，熔池温度较低容易控制成形，因此适用于任意位置的焊接。 为防
止背面焊道表面氧化和保持良好成形，底层焊道的背面应附加氩气保护。
15 常用金属材料的焊接 试述铁素体不锈钢的焊接工艺。
属于铁素体不锈钢的钢号有 0Cr13A1、1Cr17、1Cr28、0Cr17Ti、1Cr25Ti、
1Cr17Mo2Ti 等。 铁素体不锈钢焊接工艺如下： ℃焊接性 铁素体不锈钢焊接时，
由于热影响区晶粒急剧长大、475℃脆性和 σ 相析出不仅引起接头脆化，而且也使
冷裂倾向加大。在温度高于 1000℃的熔合线附近快速冷却时会产生晶间腐蚀，但
经 650～850℃加热并随后缓冷就可以加以消除。 由于铁素体钢在加热和冷却过程
中不发生相变，所以晶粒长大以后，不能通过热处理来细化。 ℃焊接工艺 1）焊
接时将焊件预热 100～150℃，含铬量越高，预热温度越高。 2）可分别选用铬不
锈钢焊条或铬镍奥氏体焊条。采用铬镍奥氏体焊条时，可不进行焊前预热和焊后
热处理。 焊接铁素体不锈钢用焊条，见表 22。 表 22 焊接铁素体不锈钢用焊条
钢种 对接头性能要求 选用焊条 预热及焊后热处理 型号 牌号 1Cr17 耐硝酸及
耐热 E0-17-16 G302 焊前预热 120～200℃，焊后 750～800℃回火 Cr17Ti E0-17-15
G307 Cr17 提高焊缝塑性 E0-19-10-15 A107 不预热，不热处理 0Cr17Ti
1Cr17Mo2Ti E0-18-12Mo2-15 A207 1Cr25Ti 抗氧化性 E1-23-13-15 A307 不预
热，焊后 760～780℃回火 1Cr28 提高焊缝塑性 E2-26-21-16 A402 不预热，不热
处理 1Cr28Ti E2-26-21-15 A407 3）采用小的焊接线能量，不摆动焊接。多层焊时
应控制层间温度高于 150℃。不宜连续施焊。 4）焊后进行 750～800℃的回火处理，
目的是改善塑性，提高耐腐蚀性。回火后快冷，可防止出现 σ 相及 475℃脆性。
对于超低碳高铬铁素体不锈钢，如 00Cr26Mo1、00Cr30Mo，目前还没有专用焊
条，可采用 E1-23-13-26（A302）、E2-26-21-16（A402）焊条进行焊接。
16 常用金属材料的焊接 试述马氏体不锈钢的焊接工艺。
属于马氏体不锈钢的钢号有 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr13Mo、1Cr17Ni2、
2Cr13Ni2、9Cr18、9Cr18MoV 等。 ℃焊接性 有强烈的冷裂倾向，焊缝及热影响
区焊后均为硬而脆的马氏体组织，钢中含碳量越高，冷裂倾向越大。焊接时在温
度超过 1150℃的热影响区内，晶粒显著长大。过快或过慢的冷却都可能引起接头
脆化。例如，1Cr13 钢焊后冷却速度小于 10℃/s 时，在热影响区将得到粗大的铁
素体加碳化物组织，使塑性显著降低；当冷却速度大于 40℃/s 时，则会产生粗大
的马氏体组织，同样也使塑性下降。 马氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向很小。 ℃焊
接工艺 1）焊前预热 焊前预热是防止产生冷裂纹的主要工艺措施。当 C 的质量
分数为 %～%时，预热温度为 200～260℃，对高刚性焊件可预热至 400～450
℃。 "2）焊后冷却 焊件焊后不应从焊接温度直接升温进行回火处理，因为焊接
过程中奥氏体可能未完全转变，如焊后立即升温回火，会出现碳化物沿奥氏体晶
界沉淀和奥氏体向珠光体转变，产生晶粒粗大的组织，严重降低韧性。因此回火
前应使焊件冷却，让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解完了。对于刚性小的焊件，
可以冷至室温再回火；对于大厚度的焊件，需采用较复杂的工艺；焊后冷至 100～
150℃，保温 ～1h,然后加热至回火温度。" 3）焊后热处理 目的是降低焊缝和
热影响区的硬度，改善塑性和韧性，同时减少焊接残余应力。焊后热处理分回火
和完全退火两种。回火温度为 650～750℃，保温 1h，空冷；若焊件焊后需机加工
的，为了得到最低硬度，可采用完全退火，退火温度为 830～880℃，保温 2h 炉冷
至 595℃，然后空冷。 4）焊条的选用 焊接马氏体不锈钢用焊条分为铬不锈钢焊
条和铬镍奥氏体不锈钢焊条两大类。常用铬不锈钢焊条有 E1-13-16（G202）、
E1-13-15（G207）；常用铬镍奥氏体不锈钢焊条有 E0-19-10-16（A102）、
E0-19-10-15（A107）、E0-18-12Mo2-16（A202）、E0-18-12Mo2-15（A207）等。
17 一般术语 焊接工艺
制造焊件所有的加工方法和实施要求，包括焊接准备、材料选用、焊接方法选定、
焊接参数、操作要求等。
18 一般术语 焊接工艺规范规程
制造焊件所有关的加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练焊工或操作工操作
时质量的再现性
19 无铅波峰焊接 无铅波峰焊接工艺技术与设备
1．无铅焊接技术的发展趋势 随着欧盟 RHS 关于 2006 年 7 月 1 日无铅化期限的
逼近,日本知名的电子产品制造商: PANASONIC/NATIONAL、SONY、TOSHIBA、
PIONEER 、NEC 等，从 2000 年开始导入无铅化制程，至今已基本实施无铅化制
造，在日本及欧美市场上推出"绿色环保"家电产品。中国政府已于 2003 年 3 月由
信息产业部拟定《电子信息产品生产污染防治管理法》自 2006 年 7 月 1 日禁止电
子产品含铅（Pb）。因此，出于对环保的考虑，市场发展趋势是使用含铅焊料的
电子产品将无法进入市场。对于电子组装企业来说，无铅焊接技术的应用已经是
摆在企业面前必须解决的现实问题。 2．无铅焊接技术的工艺特点 电子产品制造
业实施无铅化制程需面临以下问题：1)焊料的无铅化；2)元器件及 PCB 板的无铅
化；3)焊接设备的无铅化 1） 焊料的无铅化到目前为止，全世界已报道的无铅焊
料成分有近百种，但真正被行业认可并被普遍采用是 Sn-Ag-Cu 三元合金，也有采
用多元合金，添加 In,Bi,Zn 等成分。现阶段国际 上是多种无铅合金焊料共存的局
面，给电子产品制造业带来成本的增加，出现不同的客户要求不同的焊料及不同
的工艺，未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。 （1） 熔点高，比 Sn-Pb 高
约 30 度； （2） 延展性有所下降，但不存在长期劣化问题； （3） 焊接时间一
般为 4 秒左右； （4） 拉伸强度初期强度和后期强度都比 Sn-Pb 共晶优越。 （5）
耐疲劳性强。 （6） 对助焊剂的热稳定性要求更高。 （7） 高 Sn 含量，高温下
对 Fe 有很强的溶解性 鉴于无铅焊料的特性决定了新的无铅焊接工艺及设备 2）
元器件及 PCB 板的无铅化 在无铅焊接工艺流程中，元器件及 PCB 板镀层的无铅
化技术相对要复杂，涉及领域较广，这也是国际环保组织推迟无铅化制程的原因
之一，在相当时间内，无铅焊料与 Sn-Pb 的 PCB 镀层共存，而带来 "剥离
(Lift-Off)"等焊接缺陷,设备厂商不得不从设备上克服这种现象。另外对 PCB 板制
作工艺的要求也相对提高，PCB 板及元器件的材质要求耐热性更好。
20 点焊工艺 特殊情况的点焊工艺
4．1 不等厚度及不同材料的点焊在通常条件下，不同厚度和不同材料点焊时，熔
核不以贴合面为对称，而向厚板或导电、电热性差的中偏移，其结果使其在贴合
面上的尺寸小于该熔核直径。同时，也使其在薄件或导电、导热性好的焊件中焊
透率小于规定数值，这均使焊点承载能力降低。 1. 偏移产生的原因熔核偏移的
根本原因是焊接区在加热过程中两焊件析热和散热均不相等所致。偏移方向自然
向着析热多、散热缓慢的一方移动。不同厚度点焊时，厚件电阻大析热多，而其
析热中心由于远离电极而散热缓慢；薄件情况正相反。这就造成焊接温度场及熔
核如图 38a 向厚板偏移。不同材料点焊时，导电性差的工件电阻大析热多，但散
热缓慢；导电性好的材料情况正相反。这同样要造成焊接温度场如图 38b 向导电
性差的工件偏移。温度场的偏移则带来熔核的相应偏移。 2. 克服熔核偏移的措
施（1）采用硬规范 硬规范点焊时电流场的分布，能更好的反映边缘效应对贴合
面集中加热的效果，并且由于焊接时间短使热损失下降，散热的影响相对减小，
均对纠正熔核偏移现象有利。例如，可用电容贮能焊机来点焊厚度比很大的精密
零件。（2）采用不同的电极 1) 采用不同直径的电极。薄件（或导电、导热性好
的焊件）那面采用小直径电极，以增大电流密度，减小热损失；而厚件（或导电、
导热性差的焊件）那面则选用大直径电极。上、下电极直径的不同使温度场分布
趋于合理，减小了熔核的偏移。但是，在厚度比比较大的不锈钢或耐热合金零件
的点焊中与上述原则相反，只有小直径电极安置在厚件那面方能有效，工厂中俗
称为“反焊”。反焊已获得多年的实际应用，但其原理及合理应用范围目前尚有争
议。 2) 采用不同材料的电极。由于上、下电极材料的不同，其散热程度不相同。
导热性好的材料放于厚件（或导电、导热性差的焊件）那面使其热损失也大，也
可调节温度场分布，减小熔核偏移。例如，点焊 5A02-3A21 板材
（λ5A02>λ3A21，δ5A02＝2mm、δ3A21＝3mm），可在 5A02 那面采用导热性差
的 CrCdCu 合金电极，而在 3A21 那面采用导热性好的 T2 纯铜电极。结果表明，
薄件的焊透率达 20％～25％，满足质量要求。 3) 使用特殊电极。在电极头部加
不锈钢环、黄铜套（图 39）或采用尖锥状电极头，均可使焊接电流向中间集中，
从而使薄件（或导电、电热性好的焊件）析热强度增加，使温度场分布趋于合理。
（3）在薄件（或导电、电热性好的焊件）上附加工艺垫片（图 40） 工艺垫片由
导热性差的材料制作，厚度为 ～，有降低薄件（或导电、电热性好的焊
件）散热、增加电流密度的作用。例如，不锈钢箔片可作为铜、铝合金的点焊工
艺垫片；低碳钢箔片可作为黄铜的点焊工艺垫片；钼箔可作为金丝与金箔的点焊
工艺垫片等。在使用工艺垫片时应注意规范不要过大，以避免垫片与零件表面产
生粘结，焊后应很容易将其揭掉。 3. 利用帕尔贴效应帕尔贴效应是热电势现象
的逆向现象，即当直流电按某特定方向通过异种材料接触面时，将产生附加的吸
热或析热现象，所以这个效应仅在单向通电时有效，而且目前仅用于铝与铜合金
电极间才较明显和具有实用价值，如图 41 所示。一些异种金属材料点焊焊接参数
参见表 21 和表 22。 表 21 常见异种钢点焊焊接参数 钢 号 厚度 焊前状态 电极
直径 焊接参数 熔核 /mm 及清理 /mm 直径 焊接电流 通电时间 电极压力 /mm
/A /S /N 1Cr13+ + 1Cr13 回火， ～ 6000～6500 ～ 1000～4500
≥ 1Cr18Ni9Ti + 1Cr18Ni9Ti 淬火，抛光 ～ 6500～6800 ～
5000～5500 ≥ Cr17Ni2+ + 油淬，回火 ～ 8500～9500 ～
8000 ≥ 1Cr11Ni2W2MoV Cr17Ni2+ + Cr17Ni2 油淬，回火，1Cr18Ni9Ti
～ 6500～7000 ～ 5800 ≥ 1Cr18Ni9Ti + 淬火 ～ 9200～
9700 ～ 7300 ≥ 1Cr18Ni9Ti+ + 正火 ～ 6400 ～
4900 4 铸造不锈钢 + 7100 ～ 6000 表 22 不锈钢与镍
基高温合金点焊的焊接参数 材料 厚度 焊前 电极直径 工艺参数 熔核尺寸 /mm
状态 /mm 焊接电流 通电时间 电极压力 d A℃ /A /s /kN /mm (%) GH3044+ +
固溶 5 5800～6200 ～ ～ ～ － 1Cr18Ni9Ti GH1140+ 1+1 固
溶 5 6100～6500 ～ 40～60 1Cr18Ni9Ti 1+ ～ 6200～6500
～ ～ 50～60 + 7 8200～8400 ～ ～ ～
40～70 1+2 ～ 6500～6800 ～ ～ 60～70 1+4 ～
6400～6800 ～ ～ 40～55 ℃ A 为焊点核心的焊透率。 4．2 胶
接点焊与减振钢板点焊 1. 胶接点焊 在点焊工艺中采用结构胶粘剂，可使接头性
能显著提高，这种将点焊与胶接两种工艺结合起来的焊接方法称为胶接点焊，简
称胶焊。胶焊结构具有强度高、质量轻、减振和声学性能好等优点。例如，它的
静抗剪强度是点焊的 ～2 倍，疲劳强度为点焊的 3～5 倍；可防止（铝合金）
焊后阳极化处理时搭接区内表面的腐蚀等。 经过对胶焊、点焊和胶接三种拉剪试
件的力学性能进行研究，试验结果见表 23。 表 23 胶焊、点焊和胶接拉剪试件强
度试验结果 方 法 破断载荷 F/N 疲劳寿命 Nf Fmax＝3000N Fmax＝4000N 胶焊
8444 ×106 ×105 点焊 6000 ×104 <×104 胶接 7780 ×103 ×104
由表中数据可知，胶焊接头的静载强度和疲劳寿命均明显高于点焊和胶接接头，
尤其疲劳寿命十分优越。其原因为：胶焊可大幅度降低点焊结构中焊点部位的高
应力值，消除了焊点边缘的高应力集中，改善了接头的应力分布；胶焊接头中应
力分布均匀，外载将由焊点部位与胶接部位共同承担。而与胶接接头相比，胶焊
接头中焊点的存在，虽然将导致焊点区域有较大的应力值，但焊点具有更高的强
度，而断裂往往始于胶层，当胶层破坏后，焊点仍然可承担一定载荷，故其力学
性能较胶接优越。应该注意，在不同的搭接长度、板厚、焊点直径、胶粘剂种类
和胶层厚度时，胶焊接头对点焊和胶接接头力学性能的改善程度并不相同。 胶接
点焊有 3 种方法：℃先涂胶后点焊；℃先点焊后灌胶；℃预置带孔胶带（膜）。由
于先点焊后灌胶方法相对工艺简便，多余胶液易于清除，质量容易保证等，故目
前多采用此方法，例如国产“运七”型飞机蒙皮与桁条的焊接。 胶接点焊技术要点：
1) 点焊时应选用不宜产生喷溅和接头变形的电流波形（设备）和焊接参数。 2)
点焊后搭接面应保证平整，便于胶液渗透到整个搭接面而不产生缺胶现象。 3)
选用流动性良好的胶粘剂，注胶时宜将工件倾斜 15°～45°。 4) 供先焊后胶的粘
剂主要为改性环氧胶，有多种牌号，如 425-1、425-2（表 24）、TF-3、SY201 等。
2. 减振钢板点焊 随着环保、舒适性要求的提高，对汽车噪声等的限制日益严格，
因此，适合于汽车生产使用的减振钢板将得到广泛应用。所谓减振钢板，就是在
两层金属板材之间夹一层减振胶的钢板，例如厚度 的日本 NKK 钢厂和宝
钢生产的减振钢板，其组成为钢板（）/热可塑非导电型减振胶层
（）/钢板（）。 表 24 425-2 胶粘剂性能 牌号 组 成 工艺条件 胶
粘剂抗剪 胶焊后抗剪 胶焊后的不均匀扯离强度/-1 强度/Mpa 强度/Mpa 温
度 强度值 温度 强度值 /℃ /℃ 425-2 甲 E-51 环氧 100 甲：乙：丙：丁 25
（铝） 25 （铝）≥≥ ≥40 ±60℃适用于铝合金的胶接点焊结构，先焊后胶
D-17 环氧 25 #VALUE! 60 ≥ 60 间苯二酚正丁醛 预固化：20℃50h -60 ≥
环氧树脂 5 固化：135℃3h ≥ 环氧稀释 263 18 乙 "4,4-二氨基二苯甲烷 2-"
乙基，4-甲基咪唑 10 亚麻油酸锡盐 1 β-羟乙基乙二胺 3 丙 780 聚硫橡胶 10
丁 KH-550 5 这种非导电型减振钢板点焊原理如下（图 42）：用导电板构成副导
电回路，点焊时先使焊机输出电流 I2 从工件 1 的上表面通过导电板流到工件 2
的下表面，I2 产生的电阻热使导电区域的减振胶熔化，待焊处已熔化的减振胶在
电极压力的作用下被挤出，导致焊接主回路 I1 导通，焊接区形成熔核，这就是
第 1 个焊点。 当焊接第 2 个焊点时，就以第 1 个焊点构成副导电回路，…，依次
类推。焊接技术要点： 1) 副导电回路的导电状况影响到点焊过程是否稳定，其
中主要因素有回路长度和导电截面大小，因此调整导电板尺寸和位置非常重要，
有时可用 2 个副导电回路（板两端各 1 个）。 2) 使用球面电极能更好的挤出焊
接区的减振胶，有利于保证点焊质量稳定。 3) 减振钢板点焊电流比相同厚度普通
低碳钢大 15％～30％，且其恒流控制精度应不低于±3％。导电型减振钢板价格
较贵，但可以按常规点焊工艺焊接。 4．3 微型件的点焊微型件是指几何尺寸甚
小的仪表构件、元器件等，其接头组成中至少有一个为厚度或直径≤ 的箔材
或丝材，点焊位置空间窄小且材质往往特殊或有镀层（Au、Ag、Ni 等），如可伐
合金、TiNi 合金、钼合金、铍青铜、AgMgNi 合金等。焊接技术要点： 1) 由于焊
件热惯性小，点焊时析热少，而散热强烈是其主要特点，因此在贴合面上难于形
成集中加热的效果，尤其是导热性好的材料更为困难。因此要求焊接电流波形应
脉冲幅值大而通电时间极小，控制精度很高，如采用半波点焊、中频逆变式
（IGBT）点焊、电容放电点焊等。 2) 接头的焊接形式除熔化焊接（熔核）外，
有时亦允许固相焊接，即贴合面并不熔化，仅发生较充分的再结晶和扩散（但要
有一定的体积深度）。固相焊接的强度虽然波动较大，但对微型件的导电、导磁
性能均能满足。也有只能选用固相焊接的场合：℃易再结晶热脆的材料，如钼及其
合金；℃熔点相差悬殊的材料，如铝－镍、钼－铜的焊接；℃热导率极高，熔化焊
接困难而固相结合温度较低的材料，如银等。典型的固相焊接优质接头金相照片
如图 43 所示。 3) 平行间隙焊（又称平行微隙焊，parallel micro gap welding）是一
种专用于点焊电子元器件线和底盘的组装技术，在太阳能电池中也有应用，电源
可采用电容式或逆变式精密点焊设备。下面介绍一种可直接焊接漆包线引出接点
的平行间隙焊新技术，原理如下：用 SW(stripping-welding，除漆－焊接)焊头（中
国专利号：；美国专利号：US6737503B2）压紧待焊处（图 44a）；
电容贮能点焊机输出的脉冲电流 Io 流经二个电极尖端的接触部分，产生电火花
（图 44b），使一部分绝缘漆被烧除，其余部分熔化自动向外侧退缩，使金属裸
露出来；在焊接压力和电阻热的作用下，被焊工件间的接触电阻小于 SW 焊头尖端
的接触电阻，大量电阻 I2 转而流入裸露的金属线和基底，实现焊接（图 44c），同
时，仅有一少量电流 I1 成为分流。这就实现了用同一电流脉冲完成除漆和焊接，
如图 45 所示。焊接技术要点： 1) SW 焊头的设计和制造至关重要：采用烧结材
料作电极，尖端外形为笔尖形，两个电极尖端的接触是不变的线接触。 2) SW 焊
头对焊接参数的设置，双其他电阻焊要求更加精细。同时，应优化脉冲幅度（电
压）、脉冲宽度（时间）、焊接压力等焊接参数。例如，由于 SW 焊头尖端有一
定阻值欧姆接触这样的特殊结构，设置输出脉冲幅度和宽度的值一定要恰到好
处，如果这两个焊接参数设置过大，输出的焊接能量就大，焊头尖端产生的电火
花也大，直接影响焊接质量，影响焊头使用寿命，甚至烧坏焊头；如果这两个焊
接参数设置过小，就会因能量不足而焊接不牢。为了集中焊接能量，SW 焊头的
尖端加工成很细的小长方体，所以焊接压力也要适中。如果压力设置过大，除了
会因漆包线被压得过薄而影响焊接质量，还会影响焊头使用寿命，甚至造成焊头
弯曲变形；而焊接压力过小也会影响焊接质量。焊接压力大小设置的参考标准，
以形成熔核的厚度为被焊接漆包线线径的 1/4～1/3 为宜。用该技术焊接的新型电
子元器件：在外形为 8mm×× 的塑胶盒子里，安装有两个小线圈和
一个 IC 芯片，小线圈漆包线的线径为 φ，共有 12 个焊点、6 个引脚，连结
成一个高性能、多功能的微型通信元器件。
21 凸焊工艺 凸焊一般工艺
2．1 凸焊工艺特点如前所述，单点凸焊工艺在许多方面优于点焊，例如表面清理就可要求低些。但是，多点
凸焊和环焊等，就应注意： 1) 焊前表面必须认真清理。 2) 各凸点或凸环沿圆周高度必须均匀一致。 3) 电
极随动性必须良好，以防止初期喷溅。 4) 必须防止凸点移位（图 3）。 5) 环焊密封性在批量生产中较难保
证，需在凸环结构设计、焊接夹具、焊机等方面采取措施。一般来讲，上述问题不仅仅调整焊接参数就能解
决，而是要在焊接条件上采取措施，如凸焊接头结构合理性、凸焊电极（如可转动自平衡电极等）、凸焊模
具和夹具，以及采用带预热脉冲的控制器，直至采用高精度的直流焊机和滚动摩擦加压机构等。 2．2 凸点
设计凸点搭接接头的设计与点焊相似。通常其搭接量比点焊小，且凸点间距没有严格限制。当一个工件表面
质量要求较高时，凸点应冲在另一工件上。同时，为保证凸点有一定刚度，一般情况下凸点应冲制在其中较
厚的板面上。应该注意，不同资料给出的凸点尺寸往往相差甚远，应根据具体情况作实验修正。 表 2 凸焊的
凸点尺寸 （单位：mm） 凸点所在板厚 平 板 厚 凸 点 尺 寸 直径 d 高度 h 2 1 1
2 1 4 4 1 1 5 4 2 6 6 7 6 3 7 6 9 2 表 3 带凸点螺母的设计尺寸
（单位：mm） 螺纹规格 D 带圆凸点 带弧形凸点 s H b h n s H b h n M4 8 13 6 1 12 4 1 M5 8 13
6 12 4 M6 8 13 6 13 6 M8 11 17 7 3 16 5 M10× 13 19 8 3 17 6 M12× 22 10
－ － － 2．3 凸焊焊接参数选择 凸点形状、尺寸确定后，焊接电流 I、焊接时间 t 及电极压力 Fw 等参数对
接头质量均有影响，其影响规律与点焊时相似。应该注意的是，电极压力 Fw 对接头拉剪载荷的影响比点焊
时要严重的多（图 6）。若电极压力过小，将使通电前凸点预变形量太小，凸点贴合面电流密度显著增大，造
成严重喷溅、甚至烧穿；而电极压力过大将使通电前凸点预变形量太大，失去凸焊意义。此外，焊接电流波
形、压力变化曲线及焊机加压系统的随动性也都对凸焊质量有重要影响。图 6?? 凸焊接头拉剪载荷与电极压
力关系 凸焊焊接参数参见下面各金属材料凸焊时焊接参数表。
22 电阻焊技术新发展 电阻焊新工艺
1． 随机多脉冲回火热处理点焊该工艺可解决焊接性较差的可淬硬钢等的接头脆性和焊接质量不稳定问题。
其工艺特点如下： 1) 采用增大的电极压力（为相同板厚低碳钢点焊时的 ～ 倍），调制焊接电流脉冲
（即使用热量递增控制以减轻或避免内喷溅），以防止点焊接头宏观缺陷（缩松、缩孔、裂纹）的产生。 2)
采用随机多脉冲回火热处理（回火脉冲次数 n≥3），以防止点焊接头显微组织缺陷（硬脆马氏体、过烧组织）
的出现，以及准确控制点焊接头组织及其分布特征，使接头高应力区获得完全回火处理。据报道，该工艺比
通常彩的双脉冲点焊工艺，可显著提高接头强度和疲劳性能。 2． 精密脉冲电阻对焊该工艺可解决形位公差
要求严格，焊接性差和接头性能有特殊要求的精细零件对焊。其工艺特点如下： 1) 采用调制焊接压力（通
过由直流电磁铁为核心的电磁加压机构实现），使顶锻开始时间和顶锻力准确、及时。 2) 采用调制电流脉
冲（焊接脉冲＋后热处理脉冲，后热处理脉冲可为单脉冲、双脉冲及多脉冲）。 3) 调制焊接压力与调制电
流脉冲可适当配合，组成最佳精密脉冲对焊接循环，如图 18 所示。据报道，该工艺可较好实现记忆合金
（TiNi）、可淬硬合金以及热物理性质相差较大的异种金属的对焊。 3． 导热电阻缝焊导热电阻缝焊（conductive
heat resistance seam welding）是利用通用电阻焊机，通过铁的电阻热的传导进行铝材的焊接，具有如下优点：
无热裂纹缺陷；与电弧焊或其他电阻焊方法相比具有较少的内部气孔；高的焊接速度（高于普通电阻缝焊和
电弧焊，低于激光焊）；中等装备成本；不需填充金属或保护气体。
23 高频焊 高频焊一般工艺
2．1 高频焊主要特点 1. 高频焊主要特点 1) 焊速高。这是由于电能高度集中，焊接区加热速度极快，焊速
高达 150～200m/min 时仍不会产生“跳焊”现象。 2) 热影响区小。这是因焊速高，工件自冷作用强，故热影
响区窄且不易发生氧化，从而可获得良好组织与性能的焊缝。 3) 待焊处表面可不必进行焊前清理。 2. 高频
感应焊管与高频接触焊管相比其优点 1) 焊管表面光滑，特别是焊道内表面较平整。 2) 感应圈不与管壁接触，
故对管坯接头及表面质量要求比较低，亦不会像高频接触焊时那样可能引起管子表面烧伤。 3) 因不存在电
极（滑动触头）压力，故不会引起管坯局部失稳变形，也不会引起管坯表面镀层擦伤，因此能适宜于制造薄
壁管和涂层管。 4) 不用电极，因而省料省时，亦不存在电极脱离工件造成功率传输不稳而影响焊接质量等
问题。但是，高频感应焊能量损失较大，在使用相同功率焊制同种规格管子时，其焊速仅为高频接触法的
1/2～1/3，因而对中、大径管的焊制时以选用高频接触法为宜。 2．2 高频焊焊接参数及选择高频焊优质接头
的获得，主要取决于能否建立理想焊接状态以及是否能将氧化物及其他杂质挤出对口焊缝区。其关键是在焊
接区的板内、外边缘获得一致的温度，并使挤压量与加热温度有适当的匹配。除材质因素外，主要影响因素
有：电源频率、管坯坡口形状、会合角、电极和感应圈及阻抗器的安放位置、输入功率、焊接速度、焊接压
力（挤压力）等。 1. 电源频率频率的提高有利于集肤效应和邻近效应的发挥，提高焊接效率，但要获得优质
焊缝，频率选择主要取决于管坯材质及其壁厚。一般焊有色管的频率要比焊碳钢管时为高，这主要因有色管
的热导率高所致。同时，为能保证对口两边加热宽度适中，又能保证厚度方向加热均匀，通常焊薄壁管时选
择频率高些，焊管壁厚时选频率低些。例如，焊制碳钢管多采用 350～450kHz 的频率，而在焊制特别厚壁管
时，采用 50kHz 频率。 2. 管坯坡口形状通常采用 I 形坡口，可使沿厚度方向加热均匀，而且坡口准备容易。
但当管坯厚度很大时，I 形坡口将使坡口横断面的中心部分加热不足，而其上、下边缘加热过度，这时可选用
双 V 形坡口以使横断面加热均匀，焊后接头硬度亦趋向一致。 3. 会合角的选择会合角 α 的大小对高频焊闪
光过程的稳定性、焊缝质量、焊接效率均有很大影响，通常取 2?～6?比较适宜（图 5）。会合角过小，将使
闪光过程不稳定，焊缝中易产生火口、针孔等缺陷；会合角过大，将使邻近效应减弱，功耗增加。同时，形
成过大 α 角度也较困难并易引起管坯边缘产生折皱。 4. 电极、感应圈及阻抗器安放位置 （1）电极位置 在
高频接触焊中，电极安放位置应尽可能靠近挤压辊轮，与其中心线距离取 20～150mm，焊铝管时取下限，焊
壁厚 10mm 以上低碳钢管时取上限，见表 1。 表 1 电极位置（低碳钢） 管外径 D/mm 16 19 25 50 106 至两
挤压辊中心连线距离 L/mm 25 25 30 30 32 （2）感应圈位置 在高频感应焊中，感应圈应与管子同心放置，其
前端距两挤压辊轮中心连线亦应尽可能靠近（表 2）。同时，应注意感应圈宽度 a 与管坯直径 D 关系为 a＝
（～）D；感应圈内径与管坯表面间隙 h≈3～5mm（图 5）。 表 2 感应圈位置（低碳钢） 管外径 D/mm
25 50 75 100 125 150 175 至两挤压辊中心连线距离 L/mm 40 55 65 80 90 100 110 （3）阻抗器位置 阻抗器应
与管坯同轴安放，移动阻抗器、感应圈的前后位置，均可加强或减弱对口边缘加热，调节板厚方向内外温度
至接近一致。通常阻抗器前端可超出两挤压辊轮中心线 c＝3～4mm，但可能使拖走阻抗器的次数增加，影响
焊接生产正常进行，所以在保证质量条件下，c 也可以选为零值或不到辊中心边线 10～20mm。同时，阻抗器
（磁棒）的截面积应约为管坯内圆截面积的 75％，且与管坯内壁之间隙为 6～15mm。 5. 输入功率的选择
生产上用振荡器输入功率来度量输给焊缝的加热功率。输入功率小时，因管坯坡口面加热不足，达不到焊接
温度而产生未焊透缺陷；输入功率过大，将使坡口面加热温度过高而引起过热或过烧，甚至使焊缝击穿，造
成熔化金属严重喷溅而形成针孔或夹杂缺陷。 6. 焊接速度的选择 焊接速度是主要焊接参数。随着焊接速度
提高，管坯坡口面挤压速度会随着提高，这有利于将焊接区液态金属层和氧化物被挤出去，得到优质固相焊
接。然而，在输入功率一定情况下，焊接速度不可能无限制提高，否则将达不到理想的焊接温度。焊接速度
可用下式估算： υ＝P/K1K2δb （m/min） （1） 式中 P——高频振荡器输入功率（kW）； K1——与管坯
材质有关的经验系数，见表 3； K2——与管径有关的修正系数，高频接触焊取 1，高频感应焊时见表 4；
δ——管坯壁厚（mm）； b——坡口两边加热区宽度（cm），一般设 b＝10mm。 表 3 K1 值 材料种类 K1
材料种类 K1 低碳钢 ～ 18-8 不锈钢 ～ 铝 ～ 铜 ～ 表 4 感应焊时的 K2 值 管外径
K2 管外径 K2 mm in mm in 25 1 1 100 4 50 2 125 5 75 3 150 6 2 7. 焊接压力的选择 焊接压
力是高频焊主要焊接参数，一般以 100～300MPa 为宜。在生产上以管坯被挤压的量来表示，它是通过改变挤
压辊轮间距来调节的。挤压量也常用挤压辊前后管材的周长差℃L 来表示，其具体值随管壁厚度不同而异，见
表 5。 表 5 挤压量的经验值 管壁厚 δ/mm ≤ ～ ～ 周长差℃L/mm δ ?/3δ ?/2δ 2．3 高频直缝焊
管 1. 低合金高强钢管纵缝高频焊碳当量 CE<％的碳素钢管，其高频焊焊接性良好，焊后可不必进行热处
理。但低合金高强钢管的 CE 通常在 ％～％，在高频焊过程中，由于集肤效应、邻近效应和热传导的
共同作用，造成了管坯边缘附近的温度分布梯度，形成了熔化区、部分熔化你、过热组织区、正火区、不完
全正火区、回火区等特殊区域。其中过热组织区由于焊接温度在 1373K 以上，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后
晶粒粗大，在一定化学成分和冷速条件下还会形成淬硬组织；此外，由于温度梯度的存在也会产生焊接应力。
作为综合结果，接头力学性能将低于母亲 才，所以必须进行焊后热处理，即所谓“焊缝物理无缝化处理”。主
要有两种方法：℃焊缝局部常化处理——切除钢管外毛剌后，在通水冷却和定径之前用中频感应加热装置（图
1-6）将焊缝热影响区加热至约 1200K，然后空冷至 811K 以下，这是一种在线正火热处理，适用于较大管径
的钢管（外径 200mm 以上）；℃整体常化处理——对于直径较小的钢管，可以采用中频感应或火焰加热方法
将管坯加热到 1173K 以上，然后空冷或在带有可控气氛的冷却室中冷却下来。当焊接含有易生成难熔氧化物
元素（如 Cr）的管坯时，为减少焊缝中的氧化夹杂，可在高频焊接装置处和管坯内部喷送中性气体流（N2）
进行气体保护。 2. 不锈钢管纵缝的高频焊不锈钢的导热性差，电阻率高，可用较低的输入功率和较高的焊接
速度焊接。但由于高温强度大需要增大焊接压力，比焊低碳钢管大 40～50MPa。同时，不锈钢管纵缝高频焊
主要问题是焊接热影响区由于碳化物析出使耐蚀性降低。采用焊前固溶处理、高的焊接速度，并紧接着焊后
使管材通过冷却器进行急冷等措施，在不用惰性气体保护下就可得到耐蚀性良好的接头。 3. 铝合金管纵缝的
高频焊铝合金管纵缝高频焊的关键是必须将对口中难熔氧化物 Al2O3 挤出焊缝，这就要求提高焊接速度，约
为焊制钢管的 2 倍。只有这样才可缩短在液态温度下的停留时间，减少散热所引起的温度降低，并可增加挤
压速度，促进氧化物的挤出。同时，铝合金是非导磁体，高频电流穿透深度较大，要求高频电源的电压和功
率应具有较高的稳定度及较小的波动系数，并应选取较高的电源频率。 2．4 高频螺旋缝焊管高频螺旋缝焊
管简称高频螺旋焊管，除能使用较窄的带钢（卷带）焊出直径很大的管子外，还能用同一宽度的带钢焊出不
同直径的管材。焊接时，将带钢连续的送入成形轨机，使之螺旋地绕心轴弯曲成圆筒状，并使其边缘间相互
形成对接缝（图 7a）或搭接缝（图 7b），同是却又构成相应的 V 形会合角，然后再用高频接触法进行连续焊
接。对接缝一般用于制造厚壁管；搭接缝用于生产薄壁管。为避免对接端面出现不均匀加热，接头两边应加
工成 60°～70°角的坡口。搭接缝的搭接量可随管坯厚度的不同在 2～5mm 选取。用 200kW 高频电源可制造壁
厚 6～14mm，直径达 1024mm 的大直径螺旋接缝管，焊接速度可达 30～90m/min。由于螺旋管比直缝管承载
能力大，多用于石油、天然气管道。综上述，高频焊可焊接低碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝及铝合金、
钛及钛合金（需用惰性气体保护）、铜及铜合金（黄铜件要使用焊剂）、镍、锆等金属材料；可焊接薄壁管、
电缆套管、直缝管、螺旋缝管、鳍片管、结构型材（T 形、I 形、H 形等）、板（带）材等。
24 扩散焊接 扩散焊接工艺
2．1 扩散焊接的工艺特点 1． 工艺特点与其他焊接方法相比，扩散焊接技术有以下几方面的优点： 1) 接
合区域无凝固（铸造）组织，不生成气孔、宏观裂纹等熔焊时的缺陷。 2) 同种材料接合时，可获得与母材
性能相同的接头，几乎不存在残余应力。 3) 对于塑性差或熔点高的同种材料、互相不溶解或在熔焊时会产
生脆性金属间化合物的异种材料（包括金属与陶瓷），扩散焊接是可靠的焊接方法之一。 4) 精度高，变形
小，精密接合。 5) 可以进行大面积极及圆柱的焊接。 6) 采用中间层可减少残余应力。扩散焊接的缺点是：
1) 无法进行连续式批量生产。 2) 时间长，成本高。 3) 对接合表面要求严格。 4) 设备一次性投资较大，
且焊接工件的尺寸受到设备的限制。 2． 接头形式设计（1）接头的基本形式 扩散焊接的接头形式比熔化焊
类型多，可进行复杂形状的接合，如平板、圆管、管、中空、T 形及蜂窝结构均可进行扩散焊接。在实际生
产中常用的接头形式如图 10 所示。（2）扩散焊接制造复合材料 在纤维强化复合材料的制造过程中，常用的
加工方法之一是扩散焊接。 2．2 扩散焊接工艺参数选择扩散焊接参数主要有温度、压力、时间、气氛环境
和试件的表面状态，这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应综合考虑。此外，扩散焊接时
还应考虑中间层材料的选用。 1． 焊接温度焊接温度 T 越高，扩散系数越大，金属的塑性变形能力越好，焊
接表面达到紧密接触所需的压力越小。但是，加热温度受到再结晶、低熔共晶和金属间化合物生成等因素的
影响。因此，不同材料组合的焊接温度，应根据具体情况，通过实验来选定。从大量实验结果看，焊接温度
大都在 ～（母材熔化温度）范围内，最适合的温度一般为≈。对瞬时液相扩散焊接温度，常选
择在可生成液相的最低温度附近，温度过高将引起母材的过量溶解。固相扩散焊接时，元素之间的互扩散引
起化学反应，温度越高，反应越激烈，生成反应相的种类也越多。同时，在其他条件相同时，随着温度的增
加，反应层厚度越厚。图 11 是 SiC/Ti 界面的反应层厚度与时间、温度的关系，从图中可知，焊接时间相同时，
提高温度可以大幅度增加接头反应层厚度。接头强度是多方面因素综合的结果，是由各反应层本身的强度、
各反应层间界面强度以及反应层与母材之间的界面强度所决定。在其他条件一定时，焊接温度与接头强度存
在最佳值。锡青铜与钛扩散焊接时，温度在 1073K（800℃）以下，即使施加很大的压力，接头强度仍然很低，
主要原因是温度过低，界面处于活化状态的原子少，无法形成良好的接合界面。焊接温度在 1073～1093K 范
围内，接头强度随温度的上升而增加（图 12），在 1093K 时达到 165MPa 的最大强度值。但焊接温度进一步
增加，接头强度逐渐下降。由断口分析可知，接合界面出现了脆性的金属间化合物，该化合物层随温度增加
而变厚，从而降低了接头强度。 2． 扩散焊接时间扩散焊接时间 t 也称保温时间，主要决定原子扩散和界面
反应的程度，同时也对所焊接金属的蠕变产生影响。焊接时间不同，所形成的界面产物和界面结构不同。扩
散焊接时，要求接头成分均匀化的程度越高，焊接时间就将以平方的速度增长。在实际扩散焊接工艺中，焊
接时间从几分钟到几小时，甚至达到几十小时。但从提高生产率考虑，焊接时间越短越好。若缩短焊接时间，
必须相应提高温度与压力。接头强度一般是随焊接时间的增加而上升，而后逐渐趋于稳定。接头的塑性，伸
长率和冲击韧度与扩散焊接时间的关系也与此相似。图 13 是铜与钢的接头强度与焊接时间的关系，在焊接时
间为 20min 时得到最大值；当添加镍中间层时，接头强度有所提高，但变化趋势相同。与金属之间的焊接相
比，陶瓷与金属扩散焊接所用的时间较长。焊接时间的选择必须考虑到焊接温度的高低。在焊接温度一定时，
焊接时间越长，反应层越厚（图 11）。同时，受反应层厚度的影响，接头性能也随焊接时间的增加发生变化。
如图 14 所示，SiC/Ti 扩散焊接接头在反应层厚度为 5μm 时接头抗剪强度达到 160MPa 的最大值；而对于
SiC/Cr 接头，反应层厚度为 2μm 时接头强度最大。SiC/Nb 和 SiC/Ta 的接头强度也随反应层厚度而变化，但
没有出现明显的下降。 3． 焊接压力扩散焊接时单位面积上的压力 P 主要为促使焊接表面产生塑性变形及达
到紧密接触状态，使界面区原子激活，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失，防止扩散孔洞的产生。压力越大，
温度越高，紧密接触的面积也越多。但不管压力多大，在扩散焊接的初期不可能使焊接表面达到 100％的紧密
接触状态，总有一小部分演变成界面孔洞。目前，扩散焊接规范中应用的压力范围很宽，最小只有
（瞬时液相扩散焊接），最大可达 350MPa（热等静压扩散焊接），而一般压力约为 10～30MPa。压力较小
时，增大压力可以使接头强度提高和伸长率增大。图 15 是用 Cu 或 Ag 焊接 Al2O3 陶瓷、用 Al 焊接 SiC 时的
变化趋势。与焊接温度和时间的影响一样，压力也存在最佳值，在其他规范参数不变的条件下，最佳压力时
接头可以获得最佳强度。另外，压力的影响还与材料的类型、厚度以及表面氧化状态有关。 4． 环境气氛扩
散焊接一般在真空、不活性气体（Ar、N2）或大气气氛环境下进行。一般来说，真空扩散焊接的接头强度高
于在不活性气体和空气中焊接的接头强度。真空中的材料在温度升高时，气体会从零件和真空室内壁中析出。
计算和实验结果表明，真空室内的真空度在常用的规范范围内（～×10-3Pa），就足以保证焊接表面
达到一定的清洁度，从而确保实现可靠焊接。图 16 是用 Al 做中间层焊接 Si3N4 时环境条件对接头强度的影
响，真空焊接接头的强度最高，抗弯强度超过 500MPa，接头呈交叉状断在 Al 层和陶瓷中，Al 层中的断口为
塑性，陶瓷中的断口为脆性。在氩气保护下的接头强度虽然分散度较大（330～500MPa），但平均强度超过
400MPa。而在大气中焊接时强度低，只有 100MPa 左右，断口分析发现，接头沿 Al/Si3N4 界面脆性断裂，这
是由于焊接时界面发生氧化反应，生成 Al2O3 氧化膜，导致接头强度降低。在 1773K 的高温下直接扩散焊接
Si3N4 陶瓷时，由于高温下 Si3N4 陶瓷容易分解形成孔洞，因此在 N2 气中焊接可以限制陶瓷的分解，N2 气
压力高时接头抗弯强度较高。例如，在 1MPa 氮气中焊接的头抗弯强度在 380MPa 左右，而在 Mpa 氮气中焊
接的接头，抗弯强度下降了 1/3，只有 220MPa。 5． 表面状态扩散焊接材料的表面应光滑平整，一般应先进
行机械加工，然后去除加工表面的油、锈及表面氧化物。（1）表面粗糙度的影响 几乎所有的焊接件都需要
由机械加工制成，不同的机械加工方法，获得的粗糙等级不同。扩散焊接的试件一般要求表面粗糙度应达到
Ra>μm（℃6）以上。扩散焊接时，被焊接工件的表面粗糙度对接头的力学性能也有影响，高温下不易变形
的材料，焊接时的塑性变形小，则表面粗糙度要细一些，一般来讲，工件表面粗糙度 Ra 在 μm 左右。对
耐热合金与耐热钢的扩散焊接，要求表面粗糙度应达到 Ra＝μm 以上。表面加工质量越高，即表面粗糙度
越小，越有利于结合面之间的紧密结合。图 17 是 ЭN893（相当于 CrNi80WNbAlN）合金表面加工状态对扩
散焊接接头强度的影响（焊接压力 P＝20MPa），研磨加工比车削加工能够获得更高的接头强度。同时，适当
增加扩散焊接时材料的横向膨胀率，也使接头强度增加。 Si3N4 陶瓷与金属焊接时，表面粗糙度对接头强度
的影响十分显著，粗糙的表面会在陶瓷中产生局部应力集中而容易引起脆性破坏。Si3N4－Al 接头表面粗糙
度对接头抗弯强度的影响如图 18 所示（试件的焊接温度 T＝1073K，压力 P＝，焊接时间 t＝
10min）。从图中可知，表面粗糙度为 μm 时，接头强度比母材强度稍低，当表面粗糙度由 μm 变为 μm
时，接头抗弯强度从 470MPa 降低到 270MPa。机械去膜是去除表面氧化物和锈蚀的最简单的方法，除机械加
工外，还可用锉刀、刮刀和砂布打磨，也可用金属丝刷、金属丝轮和砂轮去膜。对形状复杂或表面大的部件，
可用喷砂或喷丸去膜，喷砂后的零件，还应作去除砂粒的补充处理。（2）表面清理 待焊接零件在扩散焊接
前的加工和存放过程中，被焊接表面不可避免地形成氧化物、覆盖着油脂和灰尘等。在焊接前需经过脱脂、
去除氧化物及气体处理等工艺过程。 6． 中间层选择扩散焊接时，中间层材料非常主要，除了能够无限互溶
的材料以外，异种材料、陶瓷、金属间化合物等材料多采用中间夹层来进行扩散焊接。中间层材料不仅在固
相扩散焊接时使用，在液相扩散焊接中应用的也比较广泛。 （1）中间层的作用 中间层在扩散焊接时主要起
以下作用： 1) 改善表面接触，减小扩散焊接时的压力。对于难变形材料，扩散焊接时采用软质金属或合金
做中间层，利用中间层的塑性变形和塑性流动，使结合界面达到紧密接触，提高物理接触效果和减少达到紧
密接触所需的时间。同时，中间层材料的加入，使界面的浓度梯度变大，促进元素的扩散，加速扩散空洞的
消失。 2) 可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。例如，Al 合金表面易形成一层稳定的 Al2O3 氧化物
层，扩散焊接时该层不向母材中溶解。可以采用 Si 作中间层，利用 Al-Si 共晶反应形成液膜，促进 Al2O3 层
破碎。又如 Ni 基合金表面也容易形成氧化膜，扩散焊接时，由于微量氧的存在，可在焊接界面促进碳化物和
氮化物的形成，影响接头性能。若采用 Ni 箔做中间层进行扩散焊接，可以对这些化合物的生成抑制作用。 3)
改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物和有害的共晶组织。异种金属材料扩散焊接时，最好选用
与母材不形成金属化合物的第三者材料，以便通过控制界面反应，改善材料的焊接性。例如，Fe 与 Ti 扩散焊
接时，除形成 Fe-Ti 化合物以外，Fe 中的 C 元素和 Ti 反应形成 TiC。若采用 Ni 做中间层进行扩散焊接，可
以抑制 TiC 脆性相的出现。而且，在 Ni 与 Ti 的界面上，形成 Ni-Ti 化合物后，接头强度比形成 TiC 时高。 4)
可以降低焊接温度，减少扩散焊接时间。例如，Mo 直接扩散焊接时，焊接温度为 1260℃，而采用 Ti 箔作为
中间层，焊接温度只需要 930℃。 5) 控制接头应力，提高接头强度。异种材料焊接时，由于材料物理化学性
能的突变，特别是因热膨胀系数不同，接头易产生很大的热应力。选取兼有两种母材性能的材料作为中间层，
形成梯度接头，避免或减少界面的热应力，从而提高接头强度。 （2）中间层的选择 中间层选择应遵循以下
原则： 1) 容易塑性变形，熔点比母材低。 2) 物理化学性能与母材的差异比被焊接材料之间的差异小。 3)
不与母材产生不良的冶金反应，如不产生脆性相或不希望出现的共晶相。 4) 不引起接头的电化学腐蚀。 中
间层可采用多种方式添加，如薄金属垫片、非晶态箔片、粉末（对难以制成薄片的脆性材料）和表面镀膜（如
蒸镀、PVD、电镀、离子镀、化学镀、喷镀、离子注入等）。 （3）固相扩散焊接中间层材料 在固相扩散焊
接中多用软质纯金属材料做中间层，常用的材料为 Ti、Ni、Cu、Al、Ag、Au 及不锈钢。例如 Ni 基超合金扩
散焊接时采用 Ni 箔，Ti 基合金扩散焊接时采用 Ti 箔。常用的中间层材料及扩散焊接参数见表 1。 表 1 固相
扩散焊接时的中间层材料及焊接参数 焊接母材 中间层材料 焊接参数 压力/Mpa 温度/℃ 时间/min 保护气氛
Al/Al Si 7～15 580 1 真空 Be/Be － 70 815～900 240 不活性气体 Be/Be Ag 箔 70 705 10 真空 Mo/Mo － 70
1260～1430 180 不活性气体 Mo/Mo Ti 箔 70 930 120 氩气 Mo/Mo Ti 箔 85 870 10 真空 Ta/Ta － 70 1315～
1430 180 不活性气体 Ta/Ta Ti 箔 70 870 10 真空 Ta-10W/Ta-10W Ta 箔 70～140 1430 氩气 Cu-20Ni/钢 Ni
箔 30 600 10 真空 Al－Ti － 1 600～50 真空 Al－Ti Ag 箔 1 550～600 真空 Al－钢 Ti 箔 610～
635 30 真空 在陶瓷与金属的扩散焊接中，活性金属中间层可选择 V、Ti、Nb、Zr、Hf、Ni-Cr 及 Cu-Ti 等。
为缓解陶瓷与金属接头的残余应力，中间层的选择可分为三种类型，即单一的金属中间层、多层金属中间层
和梯度金属中间层。单一的金属中间层通常采用软金属，如 Cu、Ni、Al 及 Al-Si 合金等，通过中间层的塑性
变形和蠕变变形来缓解接头的残余应力。例如，在进行 Si3N4 与负铁扩散焊接中发现，不录采用中间层时，
接头中的最大残余应力为 350MPa；当分别采用 厚的 Cu 和 Mo 中间层时，接头最大残余应力的数值分
别降至 180MPa 和 250MPa。多层金属中间层降低接头残余应力的效果更好，一般在陶瓷一侧施加低热膨胀系
数、高弹性模量的金属，如 W、Mo 等；而在金属一侧施加塑性好的软金属，如 Ni、Cu 等。梯度金属中间层
是按弹性模量或热膨胀系数逐渐变化设计的，整个中间层表现为在陶瓷一侧的部分热膨胀系数低、弹性模量
高；而在金属一侧的部分热膨胀系数高、塑性好。也就是说，从陶瓷一侧过渡到金属一侧，梯度中间层的弹
性模量逐渐降低，而热膨胀系数逐渐增高，这样能更有效地降低陶瓷/金属接头的残余应力，提高接头的性能。
（4）液相扩散焊接中间层 液相扩散焊接时，除了要求中间层（钎料）具有上述性能以外，还要求与母材润
湿性好、凝固时间短、含有加速扩散的元素（硼、铍、硅等）。对于 Ti 基合金，可以使用含有 Cu、Ni、Zr
等元素的 Ti 基中间层。对 Al 及其 Al 合金，可使用含有 Cu、Si、Ag 等元素的 Al 基中间层。
25 超声波焊 超声波焊接工艺
2．1 工艺特点超声波焊接的焊点，应有高的接合强度和合格的表面质量，除了表面不能有明显的挤压坑和焊
点边缘的凸出以外，还应注意与上声极接触处的焊点表面情况，不允许有裂纹和局部未熔合，因此，超声波
焊接的形式选择、接头设计和焊接参数选择非常重要。 1． 超声波焊接特点 1) 可焊接的材料范围广，可用
于同种金属材料、特别是高导电、高导热性的材料（如金、银、铜、铝等）和一些难熔金属的焊接，也可用
于性能相差悬殊的异种金属材料（如导热、硬度、熔点等）、金属与非金属、塑料等材料的焊接，还可以实
现厚度相差悬殊以及多层箔片等特殊结构的焊接。 2) 焊件不通电，不需要外加热源，接头中不出现宏观的
气孔等缺陷，不生成脆性金属间化合物，不发生像电阻焊时易出现的熔融金属的喷溅等问题。 3) 焊缝金属
的物理和力学性能不发生宏观变化，其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高，且稳定性
好。 4) 被焊金属表面氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊前对焊件表面准备工作比较简单。 5) 形成接头
所需电能少，仅为电阻焊的 5％；焊件变形小。 6) 不需要添加任何粘结剂、填料或溶剂，具有操作简便、焊
接速度快、接头强度高、生产效率高等优点。超声波焊的主要缺点是受现有设备功率的限制，因而与上声极
接触的焊件厚度不能太厚，接头形式只能采用搭接接头，对接接头还无法应用。 2． 超声波焊接分类按照超
声波弹性振动能量传入焊件的方向，超声波焊接的基本类型可以分为两类（图 3）：一类是振动能量由切向传
递到焊件表面而使焊接界面产生相对摩擦，这种方法适用于金属材料的焊接；另一类是振动能量由垂直于焊
件表面的方向传入焊件，主要是用于塑料的焊接。常见的金属超声波焊接可分为点焊、环焊、缝焊及线焊；
近年来，双振动系统的焊接和超声波对焊也有一定的应用。（1）点焊 点焊是应用最广的一种焊接形式，根
据振动能量的传递方式，可以分为单侧式、平行两侧式和垂直两侧式。振动系统根据上声极的振动方向也可
以分为纵向振动系统、弯曲振动系统以及介于两者之间的轻型弯曲振动系统（图 4）。功率 500W 以下的小功
率焊机多采用轻型结构的纵向振动；千瓦以上的大功率焊机多采用重型结构的弯曲振动系统；而轻型弯曲振
动系统适用于中小功率焊机，它兼有上述两种振动系统的优点。（2）环焊 环焊方法如图 5 所示，主要用于
一次成形的封闭形焊缝，能量传递采用的是扭转振动系统。焊接时，耦合杆 4 带动上声极 5 作扭转振动，振
幅相对于声极轴线呈对称分布，轴心区振幅为零，边缘位置振幅最大。该类焊接方法最适合于微电子器件的
封装工艺，有时环焊也用于对气密性要求特别高的直线焊缝的场合，用来代替缝焊。由于环焊的一次焊缝的
面积较大，需要有较大的功率输入，因此常常采用多个换能器的反向同步驱动方式。（3）缝焊 与电阻焊中
的缝焊类似，超声波缝焊实质上是由局部相互重叠的焊点形成一条连续焊缝。缝焊机的振动系统按其滚轮振
动状态可分为纵向振动、弯曲振动以及扭转振动三种形式（图 6）。其中最常见的是纵向振动形式，只是滚轮
的尺寸受到驱动功率的限制。缝焊可以获得密封的连续焊缝，通常焊件被夹持在上下滚轮之间，在特殊情况
下可采用平板式下声极。（4）线焊 是线焊方法示意图，它是点焊方法的一种延伸，利用线状上声极，在一
个焊接循环内形成一条狭窄的直线状焊缝，声极长度就是焊缝的长度，现在可以达到 150mm，这种方法最适
用于金属薄箔的封口。（5）双超声波振动系统的点焊 图 8 是采用两个不同频率的振动系统来完成一个点的
点焊示意图，上下两个振动系统的频率分别为 27kHz 和 20kHz（或 15kHz），上下振动系统的振动方向相互
垂直，焊接时二者作直交振动。当上下振动系统的电源各为 3kW 时，可焊铝件的厚度达 10mm，焊点强度达
到材料本身的强度。双超声波振动系统多用于集成电路和晶体管细导线的焊接，虽然焊接方法与点焊基本相
同，但焊接设备复杂，要求设备的控制精度高，以便实现焊点的高质量和高可靠性焊接。（6）超声波对焊
超声波对焊主要用于金属的对接，是近年来开发的一种新方法，焊接原理如图 9 所示。焊接设备由上、下振
动系统、提供接触压力的液压源和焊件夹持装置等部分组成。左边焊件的一端由夹具固定，另一端夹在上、
下振动系统之间作超声振动；右焊件端面与左端面对接，并由夹具夹紧，接触压力加在右侧焊件上。焊接时，
在超声振动的作用下即可把两个焊件在端面焊接在一起。应注意，焊接装置的上、下振动系统的振动相位必
须相反，上振动系统可以是无源的。采用频率为 27kHz 的该类焊接装置可以焊接 6～10mm 厚的铝板、6mm
厚的铜板和铝板的焊接。目前可以实现 6mm 厚、100～400mm 宽铝板的对接。 2．2 超声波焊接头设计
1． 焊点设计超声波焊接时，要求焊点强度必须达到一定的要求，需要设计出一种合理的焊点结构，同时还
要保持外形尽可能美观。焊点分布如图 10 所示，对焊点与板材边缘的距离没有限制，可以沿边缘布置焊点，
焊点之间的距离可以任意选定，可以重叠和重复焊接（修补），每行之间的距离也可以根据需要任选，不存
在电阻点焊时的分流问题。 2． 焊接界面设计为了在焊接过程中使能量集中，缩短焊接时间，提高焊接质量，
焊接界面的设计非常重要，主要有以下几种形式。（2）台阶式界面 为了提高焊接力，可设计成图 12 所示的
台阶式焊接界面（W 为板宽），三角形凸缘可以使凸缘材料熔化之后流入预留的孔隙，能产生较大的切应力
及拉力强度，这种设计还可以避免外表面上产生的焊接痕迹。（3）凹凸插接式界面 如图 13 所示，待焊材料
设计成带有三角形凸缘的凹凸形式，两焊件之间应留有间隙，凸形焊件壁应有一定的斜度，以便塑料件容易
拼合，同时让熔融的材料有流动的空间，不致溢出外面。在超声波焊的接头设计中应注意控制焊件的谐振问
题。当上声极向焊件引入超声振动时，如果焊件沿振动方向的自振频率与引入的超声振动频率相等或相近，
就有可能引起焊件的谐振，其结果往往造成已焊焊点的脱落，严重时可导致焊件的疲劳断裂。解决上述问题
的简单方法就是改变焊件与声学系统振动方向的相对位置，或者改变焊件的自振频率。 2．3 超声波焊参数
选择超声波焊的主要参数有振动频率?、振幅 A、静压力 F 及焊接时间 t，此外还应考虑超声波功率的选择以
及各参数之间的相互影响。在超声波焊接中，点焊应用得最普遍，下面以点焊为例讨论各参数对焊接质量的
影响。 1． 超声波振动频率? 振动频率主要是指谐振频率的数值和谐振频率精度。振动频率一般在 15～75kHz
之间。频率的选择应考虑被焊材料的物理性能和厚度，焊件较薄的选用比较高的振动频率；焊件较厚、焊接
材料的硬度及屈服强度较低时选用较低的振动频率。这是由于在维持声功能不变的前提下，提高振动频率可
以降低振幅，因而可降低薄件因交变应力引起的疲劳破坏。振动频度对焊点抗剪强度有影响，如图 14 所示，
材料越硬、厚度越大时，频率的影响越明显。应注意，随着频率的提高，高频振荡能量在声学系统中的损耗
将增大，因此大功率超声波点焊机的频率比较低，一般在 15～20kHz 范围内。振动频率的精度是保证焊点质
量稳定的重要因素，由于超声波焊接过程中机械负荷的多变性，会出现随机的失谐现象，造成焊接质量不稳
定。 2． 振幅 A 振幅是超声波焊接工艺中基本的参数之一，它决定着摩擦功率的大小，关系到焊接面氧化
膜的去除、接合面的摩擦产热、塑性变形区域的大小及塑性流动层的状况等。因此，根据被焊材料的性质及
其厚度正确选择振幅的数值是获得高可靠接头的前提。振幅的选用范围一般为 5～25μm，小功率超声波焊机
一般具有高的振动频率，但振幅范围较低。低硬度的焊接材料或较薄的焊件应选用较低的振幅；随着材料硬
度及厚度的提高，所选用的振幅也应相应提高。这是因为振幅的大小对应着焊件接触表面相对移动速度的大
小，而焊接区的温度、塑性流动以及摩擦功的大小又由该相对移动速度所确定。对于具体的焊件，存在一个
合适的振幅范围。图 15 为铝镁合金在不同振幅值下焊点强度的试验结果。当振幅 A 为 17μm 时，焊点抗剪强
度最大，振幅减小，强度随之降低。当振幅小于 6μm 时，已经不能形成接头，即使增加振动作用的时间也无
效果。这是因为振幅值过小，焊件间相对移动速度过小所致。当振幅值超过 17μm 时，焊点强度反而下降，
这主要与金属材料内部及表面的疲劳破坏有关，因此振幅过大，由上声极传递到焊件的振动剪力超过了它们
之间的摩擦力，声极与工件之间发生相对的滑动摩擦，并产生大量的热和塑性变形，导致上声极嵌入焊件，
使有效接合截面减少所致。超声波焊机的换能器材料和聚能器结构决定了焊机振幅的大小，当它们确定以后，
要改变振幅，一般是通过调节起声波发生器的电参数来实现。此外，振幅值的选择与其他参数有关，应综合
考虑。必须指出，在合适的振幅范围内，采用偏大的振幅可大大缩短焊接时间，提高焊接生产效率。 3． 静
压力 F 静压力的作用是通过声极使超声振动有效地传递给焊件，超声波焊接时所需静压力的大小根据材料类
型的不同而异。静压力与焊点抗剪力之间的关系如图 16 所示。当静压力过低时，由于超声波几乎没有被传递
到焊件，不足以在两焊件界面产生一定的摩擦功，超声波能量几乎全部损耗在上声极与焊件之间的表面滑动
方面，因此不可能形成有效的连接。随着静压力的增加，改善了振动的传递条件，使焊区温度升高，材料的
变形抗力下降，塑性流动的程度逐渐加剧；另外，由于压应力的增加，接触处塑性变形的面积及连接面积增
加，因而接头的强度增加。当静压力达到一定数值后再增加压力，接头强度不再提高或反而下降。这是因为
当静压力过大时，振动能量不能合理地利用，使摩擦力过大，造成焊件间的相对摩擦运动减弱，甚至会使振
幅值有所降低，导致了焊件间的连接面积不再增加或有所减小，加之材料压溃造成接头的实际接合截面减少，
使焊点强度降低。在其他焊接条件不变的情况下，选用偏高的静压力，可以在较短的焊接时间内得到同样强
度的焊点，这是因为偏高的静压力能在振动早期较低的温度下产生塑性变形所致。同时，选用偏高的静压力，
能在较短的时间内达到最高的温度，缩短了焊接时间。 4． 焊接时间 t 焊接时间对接头质量有很大影响，焊
接时间太短时，表面的氧化膜来不及被破坏，只形成几个凸点间的接触，则接头强度过低，甚至不能形成接
头。随着焊接时间的延长，焊点强度迅速提高（图 17），在一定的焊接时间内强度值不降低。但当超声波焊
接时间超过一定值以后，焊点强度反而下降，这是由于焊件的热输入量过大，塑性区扩大，上声极陷入焊件，
除了降低焊点的截面积以外，还容易引起焊点表面和内部产生裂纹。从图 17 中还可以看出，对于不同的静压
力，获得接头最佳强度所需的焊接时间不同，增大静压力的数值，可在某种程度上缩短焊接时间。 5． 焊接
功率 P 超声波焊接时，功率的选择主要取决于焊件的厚度和材料的硬度，由于在实际应用中超声波功率的测
量尚有困难，因此常常用振幅来表示功率的大小，超声波功率与振幅的关系可由下式确定： P＝μSFυ＝
μSF2Aω/π＝4μSFA? （1）式中 P——超声波功率； F——静压力； S——焊点面积； υ——相对速度；
A——振幅； μ——摩擦系数； ω——角频率（ω＝2π?）； ?——振动频率。超声波焊接时，振幅的选取范
围为 5～25μm，当换能器材料、结构及其功率选定后，振幅值大小还与聚能器的放大系数有关。通常在确定
上述各种焊接参数的相互影响时，可以通过绘制临界曲线的方法来达到，图 18 为静压力与功率的临界关系曲
线。一般选用最小可用功率时的静压力和比最小可用功率稍高一点的功率值进行实际焊接。上述几个焊接参
数之间并不是孤立的，而是相互影响、相互关联，应统筹考虑。例如，塑料的超声波焊接时，接头质量的好
坏取决于换能器的振幅、静压力及焊接时间等因素的相互配合。焊接时间 t 和焊头静压力 F 是可以调节的，
振幅由换能器和变幅杆决定，这三个量相互有最佳选择值。焊接能量超过合适值时，材料的熔解量大，产生
较大的变形。若焊接能量太小，则不易焊牢。 除了焊接参数以外，上声极材料、形状尺寸及其表面状态等因
素也对焊接质量有影响。
26 爆炸焊 爆炸焊工艺
爆炸焊工艺 2．1 工艺特点 1． 材料的焊接性 爆炸焊主要用于同种金属材料、异种金属材料、金属与陶瓷
的焊接，特别是材料性能差异大而用其他方法难以实现可靠焊接的金属（如铝和钢、铝和钽等）、热膨胀系
数相差很大的材料（钛和钢、陶瓷和金属等）、活性很强的金属（如钽、锆、铌等）。实际上，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，都可以进行爆炸焊接，图 4 是成功实现爆炸焊接
的金属及合金组合。 锆 镁 钨 铂 金 银 铌 钽 耐 钛 镍 铜 铝 不 合 碳 铬 蚀 合 合 锈 金 钢 钴 合
金 金 钢 钢 合 金 金 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 碳钢 16 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 合金钢 15 ●
● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 不锈钢 14 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 铝 13 ● ● ● ● ● ● ● ● 铜合金 12 ● ● ● ● ● ● 镍合金 11 ●
● ● ● ● ● ● 钛 10 ● ● ● ● ● ● 耐蚀合金 9 ● 钽 8 ● ● ● 铌 7 ● ● 银 6 ● 金 5 铂 4 ● 钨铬钴合金 3 镁 2 ●
锆 1 ● 图 4 可实现爆炸焊接的金属及合金 2． 接头形式 按焊件的类型不同，可分为板－板、管－管、管－
板爆炸焊接，其接头形状及工艺装配如图 5 所示。按产品和工艺要求，接头形式主要可以分为对接和搭接两
种。基板与覆板厚度的比值称为基覆比，该值一般不小于 1。基覆比值越大，即基板与覆板的厚度比越大，爆
炸焊质量越容易保证。 （1）复板焊接 即在某一金属基板上焊上另一种金属平板，如把不锈钢板、铜板、钛
板、铝板等焊到普通的钢板上。目前焊到基板上的覆板最大尺寸可以达到 ×2m，厚度从 1～6mm 不等。
（2）管－管包焊 即在某种材料的内壁或外表面上，焊上另一种材料的薄金属管，如钢管与钛管、钛管与紫
铜管、硬铝管与软铝管、铝管与钢管的焊接等。（3）管与板的焊接 主要用于大型热交换器的焊接，其次由
于个别管子损坏而漏水，也可通过爆炸焊接方法把该管堵塞。 2．2 爆炸焊工艺流程爆炸焊工艺流程如下：
（1）表面清理 爆炸焊接时，试件对接表面必须平整，无缺陷存在，表面粗糙度 Ra≤μm。安装前应将待
焊面上的污物除去，常用的清理方法有化学清洗、机械加工、打磨、砂和喷丸等。（2）安放间隙柱 为了保
持基板与覆板之间的距离，可用焊于基板四周的铁丝作支撑，也可在两板之间安装立柱。安装立柱的操作过
程是把基板和覆板安放到焊接基础后，将覆板向上抬高一定距离，将既定长度的间隙柱放置其中。在基板的
边部每隔 200～500mm 放置一个间隙柱。在间隙柱安放之后，如果复合板的面积不太大，则两板之间就形成
了以间隙柱长度为尺寸的间隙距离，并且这个距离在两板之间的任一位置都是相同的均匀的。但是，如果复
合板的面积较大，间隙距离在两板的几何中心位置就可能很小，甚至贴和在一起。在这种情况下，除在基板
边部放置间隙柱外，还应在基板的待结合面上均匀地放置一定数量、形状和尺寸的金属间隙物，以保证基板
与覆板间的整个间隙距离。应注意，覆板的长度和宽度应比基板相应大 5～10mm。（3）涂抹缓冲保护层 当
覆板在基板上支撑起来以后，用毛刷或滚筒将水玻璃或黄油涂抹在覆板的上表面（上表面将接触炸药），有
时采用橡胶材料作缓冲层，这一薄层物质起缓冲爆炸载荷和保护覆板表面免于氧化及损伤的作用。（4）放置
药框 将预先备好的木质或其他材质的炸药框放到覆板上面，药框内缘尺寸比覆板的外缘尺寸稍小。（5）布
放主炸药 药框安放好后，将主炸药用工具放入药框，应保证各处的炸药厚基本相同。（6）布放高爆速的引
爆炸药 为提高主炸药的引爆和传爆能力，在插放雷管的位置上布放 50～200g 的高爆速引爆炸药。引爆炸药
也可在主炸药布放之前放到预定的位置上。（7）安插雷管 引爆炸药和主炸药布放好后，将雷管插入引爆炸
药的位置上，并与覆板表面接触。为防止雷管爆炸后前端的聚能作用对覆板的冲积凹坑，可在雷管下垫一小
块橡皮或其他柔性物质。（8）接起爆线 清理现场的物品，工作人员撤离到安全区，引爆焊接。爆炸焊接时，
接触界面撞击点前方产生的金属射流，以及爆炸发生时覆板的变形和加速运动，必须沿整个焊接接头逐步地
连续完成，这是获得爆炸焊牢固接头的基本条件。因此，炸药的引爆必须是逐步进行的，如果炸药同时一起
爆炸，整个覆板与基板进行撞击，即使压力再高也不能产生良好的结合。 2．3 焊接工艺参数选择爆炸焊的
参数主要有：炸药品种、单位面积药量、基板与覆板的安装间隙和安装角、基板与覆板的尺寸参数（主要有
板材的厚度、基覆比）以及表面状态等。 1． 炸药炸药是爆炸焊的能源，其种类和密度决定爆炸速度。爆速
过高，会使撞击角度变小和作用力过大，容易撕裂结合部位；爆速过低，不能维持足够的爆炸角，也不能产
生良好结合。爆炸焊中使用的炸药分为单一炸药和混合炸药。其中单一的高爆速炸药用作附加药包内的起爆
药；混合的低爆速炸药用作主炸药。炸药必须满足以下要求： 1) 爆速应适当，一般以 2000m/s 左右为宜。
对于大面积复合板材的焊接，覆板越厚，炸药的爆速应当越低。一般来讲，混合炸药能够满足这个要求。 2)
所用炸药应当具有稳定的物理、化学性质和爆炸性能，在厚度和密度较大的变化范围内能够用起爆器材引爆，
并能迅速达到稳定爆轰，即不稳定爆轰区应当尽可能地小。 3) 炸药布放后与覆层紧密贴合，其间不应有间
隙。 4) 炸药来源比较广、价格便宜、加工使用方便，在加工运输贮藏和使用过程中具有高的稳定性和安全
性等。 5) 炸药的数量通常以覆板单位面积上布放的炸药数量或炸药厚度来计算，以 Wg(g/cm2)或 δo(mm）
表示。大面积复合板爆炸焊接时，常用 Wg 来计算总药量，在大厚度复合板坯爆炸焊接时，常用 δo 来计算总
药量。药量的计算目前尚无理论公式，可采用如下经验公式来计算。 式中 ho——覆板与基板的安装间隙
（cm）； Wg——覆板单位面积上布放的炸药量（g/cm2）； ρ——覆板的密度（g/cm3）； δ——覆板的厚
度（cm）； σs——覆板金属材料的屈服点（Mpa）； B、C——计算系数，B 在 ～ 内选择，C 在 ～
内选择。 2． 安装间隙和安装角爆炸焊的能量传递、吸收、转换和分配，是通过间隙借助覆板与基板的
高速冲击碰撞来完成和实现的。安装间隙和安装角是影响爆炸角的主要因素之一，在爆炸焊中，如果爆炸角
过小，不论撞击速度有多大，也不会产生射流现象，反而容易引起结合面的严重熔化，接头强度低。平行法
爆炸焊时采用均匀间隙值，以 ho 表示，一般为覆板厚度的 ～ 倍。角度法爆炸焊时，间距小的一端以 h1
表示，间距大的一端以 h2 表示，由 h1 与 h2 之差、以及金属板的长度计算出初始安装角 α。经验和实践表明，
在大面积复合板的爆炸焊接中常用平行法爆炸焊，小面积复合板和一些特殊试验中可以用角度法进行爆炸焊
接。间隙的计算也无理论公式，一般用如下经验公司来计算。 Ho＝A(ρ δ ) （2）式中 ho——覆板与基板
之间的间隙距离（cm）； ρ——覆板的密度（g/cm3）； δ——覆板的厚度（cm）； A——计算系数，在
～ 范围内选择。当 ho 和 Wg 计算出来之后，就准备相应尺寸的间隙柱和算出炸药的总量，然后进行一
组小型复合板的试验。试验结果如有偏差，可对原来计算的 ho 和 Wg 值进行适当的调整，利用得到的能满足
技术要求的参数进行大面积复合板的爆炸焊接。 3． 基覆比基板与覆板厚度之比称为基覆比。实践证明，基
覆比越大则越容易进行爆炸焊接，接头质量也越容易保证，当基覆比接近 1 时爆炸焊接很难进行，一般要求
该值应在 2 以上。 4． 表面状态表面状态与形成物理接触面积有关，对焊接质量有非常重要的影响，焊前一
定要进行表面清理以保持金属表面尽可能的清洁和具有一定的表面粗糙度。实验结果表明，粗糙的表面既难
于形成波形界面，又易于熔化而形成金属间化合物的中间层，因此应合理选择表面粗糙度。图 6 为钛-钢复合
板的抗拉强度与表面粗糙度的关系，从图中可知，Ra >μm 以后，接头强度降低。
27 变形焊 变形焊工艺
变形焊工艺 2．1 工艺特点 1) 变形焊接工艺的最大特点是焊接时产生变形，变形时是实现两界面键合的重
要条件。通过变形不仅使氧化膜破碎，还可以克服界面上的微观不平度，使两个界面间的金属原子紧密接触。
2) 焊接所需的最小变形量根据外界条件不同而异，如在大气和室温下的变形焊，其最小变形量均在 60％以上。
变形焊所需的最小变形量还与待焊材料的性质以及表面氧化膜的性质有关。例如，在室温和大气条件下，不
同金属的焊接性差别很大，表面生成脆而硬氧化膜的材料所需的变形量小，如铝合金焊接；而生成软（活韧
性好）氧化膜时所需的变形量大，如铜合金焊接。 大气和室温下冷压焊时，如果待焊表面存在油污，则无论
多大的变形量也不能实现连接。 3) 利用纯氩气氛保护，并在室温焊接条件下进行焊接时，所需的最小变形
量可在 20％以下。在超高真空条件下进行变形焊接，其最小变形量可在 5％以下。 在惰性气体或超高真空条
件下，如果表面进行了清理，各种金属变形焊的焊接性没有太大的差别，主要是氧化膜的影响因素已经排除。
4) 表面粗糙度对变形时有影响，在真空精密焊接条件下，待焊界面的粗糙度越小，所需的最小变形量也越小。
5) 焊接温度对变形量也有影响，和扩散连接一样，提高焊接温度可以减小变形量，从而减小焊接压力和变形。
6) 超高真空变形焊可以消除氧化膜的影响，使各种金属的焊接性差异很小，其变形量只有大气中变形焊的 6
％，属精密焊接，压痕最小，耗能也少。 2．2 冷压焊工艺 1． 材料的焊接性 冷压焊主要适用于硬度不高、
塑性好的金属薄板、线材、棒材和管材的连接。特别适宜于在焊接中不允许接头升温的产品。在模具强度允
许的前提下，很多不会产生快速加工硬化或未经严重硬化的塑性金属如 Cu、Al、Ag、Au、Ni、Zn、Cd、Ti、
Su、Pb 及其合金，均适合冷压焊；它们之间的任意组合，包括液相、固相不相溶的非共格金属如 Al 与 Pb、Zn
与 Pb 等的组合，也可进行冷压焊。表 1 给出了各种金属组合采用冷压焊的焊接性。但是对于某些异种金属
（如 Cu 与 Al），在高温下会因扩散作用而产生脆性化合物，使其韧性明显下降，这类材料的组合只宜在较
低温度下进行冷压焊，工作环境温度也不应太高。 表 1 各种金属冷压焊的焊接性 材料 Ti Cd Pt Sn Pb W Zn
Fe Ni Au Ag Cu Al Ti + + + + + Cd + + + + Pt + + + + + + + + + + Sn + + + + + Pb + + + + + + + + + + + W + Zn +
+ + + + + + + Fe + + + + + + + Ni + + + + + + + + + + Au + + + + + + + + + Ag + + + + + + + + + Cu + + + + + + +
+ + + + + Al + + + + + + + + + + + 注：+为焊接性良好（+ +为同种金属焊接）；空白为焊接性差或无相关报道。
2． 表面状态 冷压焊工艺要求焊接件接触界面要有良好的表面状态，主要包括选择合适的表面粗糙度和清洁
度。 （1）表面粗糙度 一般来说，冷压焊对待焊表面粗糙度没有很高的要求，经过轧制、剪切车削的表面都
可以进行冷压焊。带有微小沟槽不平的待焊表面，在挤压过程中有利于界面的切向位移，对焊接过程有利。
但是，当焊接塑性变形量小于 20％和进行精密真空压焊时，就要求待焊表面有较低的粗糙度，特别是精密真
空变形焊时，界面粗糙度越小，所需的最小变形量越小，此时的待焊表面与扩散连接时的表面加工要求相同。
（2）待焊表面的清洁度 待焊表面的油脂、污染物、水膜及其他有相杂质是影响冷压焊质量的主要因素之一。
在冷压焊过程中，这些杂质将被压延成微小的薄膜，不论焊接件产生多大的塑性变形量，都无法将其彻底挤
出结合面，因此必须在焊前采用化学溶剂清洗或超声波净化的方法去除。 焊件表面的金属氧化对冷压焊质量
也有影响，厚度不大的脆性的氧化膜（如铝件表面的 Al2O3）在塑性变形量大于 65％的条件下可以不进行清
理，其余材料在冷压焊前都应进行氧化膜清理。钢丝刷或钢丝轮清理是最常用的清理方法，钢丝轮（丝径为
～，材质最好是不锈钢）的旋转线速度以 1000m/min 为宜，然后再进行化学溶剂或超声波清洗。为
保证获得质量稳定的冷压焊接头，清理后的焊接件表面不允许遗留残渣或氧化膜粉屑。例如用钢丝轮清理时，
通常要附加负压吸收装置，以去除氧化膜法屑。清理后的表面应予以保护，避免装配时造成待焊表面的再污
染。 3． 塑性变形量 冷压焊接时所需的最小塑性变形量是控制焊接质量的关键参数，也是判断材料冷压焊
接性好坏的一个指标。材料的塑性变形量越小，冷压焊接性就越好。不同金属材料具有不同的最小塑性变形
量，纯铝的变形程度最小，其冷压焊接性最好，其次是钛，也具有好的冷压焊接性能。 实现冷压焊的条件之
一是焊接件的实际塑性变形量要大于该金属的标称“变形程度”值，但不宜过大。过大的变形量会增加冷作硬
化现象，使韧性下降。例如对铝及多数铝合金搭接时，压缩率多控制在 65％～70％范围内。 搭接冷压焊的塑
性变形程度用压缩率 ε 表示，是指被压缩厚度占焊件总厚度的百分比，即 （h1+h2）-h ε＝─────── ×100%
（1） h1+h2 式中 h1、h2——分别为焊件的厚度； h——压缩后的剩余厚度。 表 2 给出了各种金属材料的
最小压缩率，这些材料的压缩率是在相同的厚度、相同冷压点焊条件下得到的。在冷压焊生产中，为了保证
得到满意的焊透率，并考虑到各种误差的存在，实际选用的压缩率应比表中的数据大 5％～15％。 表 2 各种
金属材料搭接点焊的最小压缩率 材料名称 压缩率（％） 材料名称 压缩率（％） 材料名称 压缩率（％）
纯铝 60 铜与铝 84 镍 89 工业纯铝 63 铜与铅 85 铁 92 钛 75 铜与银 85 锌 92 硬铝 80 铜 86 银 94
铅 84 铝与钛 88 铁与镍 94 镉 84 锡 88 锌合金 95 对接冷压焊的塑性变形程度用总压缩量 L 表示，它等
于焊件每次压缩长度与顶锻次数的乘积，可用下式表示。 L＝n (L1+L2 ) （2） 式中 L1——固定钳口一侧焊
件每次压缩的长度； L2——活动钳口一侧焊件每次压缩的长度； n——顶锻次数。 对接冷压焊时，获得合
格接头的关键因素是要有足够的总压缩量，表 3 给出了对接冷压焊时的最小总压缩量，有些材料需要靠多次
顶锻才能实现可靠连接。对于塑性好、变形硬化不强烈的金属，工件的压缩量通常小于或等于其直径或厚度，
焊接时使构件的伸出长度等于压缩长度，可一次顶锻焊成。对于硬度较大、形变强化较强的金属，压缩量通
常大于或等于焊件的直径或厚度，需要多次顶锻才能焊成，对于大多数材料，顶锻次数一般不大于 3 次。 表
3 对接冷压焊所需的最小总压缩量 材料名称 每一工件的最小总压缩量 顶锻次数 圆形件（直径 d） 矩形件
（厚度 h1） 铝与铝 （～）d （～）h1 2 铝与铜 铝（2～3）d 铝（2～3）h1 3 铜（3～4）d 铜
（2～3）h1 铜与铜 （3～4）d （3～4）h1 3 铝与银 铝（2～3）d 铝（2～3）h1 3～4 银（3～4）d 银（3～
4）h1 铜与镍 铜（3～4）d 铜（3～4）h1 3～4 镍（3～4）d 镍（3～4）h1 在生产实际中，为了提高生产效
率，希望减少顶锻次数，这就要求构件的伸出长度尽可能大。但伸出长度过大，顶锻时会使焊件发生弯曲。
同种材料对接冷压焊时，直径越小被顶弯的倾向性越大。伸出长度通常取直径或厚度的 ～ 倍，断面小
的工件取下限值。异种材料对接冷压焊时，伸出长度与材料的弹性模量有关，根据两弹性模量的比值选取，
较软焊件的伸出长度也较短。 4． 焊接压力 冷压焊的能量是靠压力而获得的。搭接冷压焊时压力通过压头
传递到待焊部位；而对接冷压焊时，压力通过夹头夹紧传递到待焊构件的界面上。焊接总压力与被焊材料横
截面积有关，在对接冷压焊时是指焊件的截面积，而搭接冷压焊是指压头的端面积。 在冷压焊过程中，由于
塑性变形产生硬化和模具对金属的拘束力，会使单位焊接压力增大。冷压焊的单位焊接压力通常要比被焊材
料的 σa 大许多倍。对接冷压焊时，构件随变形的进行而被镦粗，使工件的名义截面积不断增大。因此，焊接
末期所需的压力比焊接初始时的压力要大。几种金属单位面积所需焊接压力见表 4。 表 4 几种金属冷压焊所
需的压力 （单位：Mpa） 材 料 名 称 搭 接 焊 对 接 焊 铝与铝 750～1000 1800～2000 铝与铜 1500～2000
> 2000 铜与铜 2000～2500 2500 铜与镍 2000～2500 2500 HLJ 型铝合金 1500～2000 > 2000 冷滚压焊时，压
轮直径对焊接压力的影响如图 4 所示（图中材料的屈服强度为 50MPa，形变率为 70％，摩擦系数为 ）。
由图可以看出随着压轮直径 D 的增大，所需的焊接压力急剧增大。 5． 压轮直径冷滚压焊时需要选择合理的
压轮直径，压轮直径选择不仅要考虑设备能够提供的最大输出焊接压力，还要考虑工件总厚度。当焊机功率
确定之后，焊接件总厚度越小，选用的压轮直径可相应减小。焊接件总厚度、压轮直径与焊接压力的关系如
图 5 所示。图中材料的屈服强度为 50MPa，形变率为 70％，摩擦系数为 。从减小焊接压力的角度来考虑，
压轮直径越小越好，同时压轮直径还是决定工件能否自然入机、使滚压焊得以顺利进行的重要因素。焊件能
够自然入机的条件是 D≥175℃h（℃h 为两焊件厚度的差值）。因此，选用压轮直径时，在满足该条件下尽可
能选用小直径的压轮。冷滚压焊的生产率比较高，例如滚压焊接铝管，焊接速度可以达到 28cm/s 以上，而且
在短时间停机的条件下，可以任意调节焊接速度，而焊接质量不受影响，这是其他焊接方法无法实现的。
2．3 热压焊工艺热压焊在半导体器件的引线连接中得到了广泛的应用，其焊接本质与冷压焊完全相同，只是
在加热的条件下施加压力，使等焊金属界面产生足够的塑性变形，达到金属原子间的结合而形成优良的焊缝。
焊接时的加热是为了减小变形程度和焊接压力，实现小压力和小变形程度下的固态焊接。热压焊根据压头形
式，可以分为金丝卧式搭接和金丝球搭接。卧式搭接时压头又有剪刀式和鸟嘴式压头两种形式。热压焊的焊
接参数包括焊接温度、压力和时间等。这些参数的确定要依据被焊材料的性质、加热方式和引线尺寸等。下
面以微电子连接为例介绍两种典型的热压焊工艺的焊接参数。 （1）卧式搭接热压焊 其焊接温度、焊接压力
和焊接时间三者互相影响，加热影响较高时，压力可减小，加压时间也可以相应的缩短；压力还与搭接面积
有关，当搭接面积增大时，相应的焊接压力增大；采用的引线材料不同，压力也不同，当用铝丝做引线时，
所施加的焊接压力比金丝引线要小。 （2）金丝球式热压焊 金丝球热压焊主要应用于硅半导体芯片引线的连
接，例如，当硅半导体芯片表面蒸镀 1350nm 的铝金属层时，采用直径为 μm 的金丝引线，压头材料为玻
璃管，焊接参数见表 5。从表中可知，与卧式搭接相比，金丝球热压焊的焊点面积要小得多，电极压力和焊点
拉力都比较小。从微型化角度出发，金丝球式压焊的接头比较紧凑，占据的面积较小，适用于高密度集成电
路或体积小的半导体芯片的连接。 表 5 典型热压焊焊接参数 压头形式 压头材料 焊接温度/℃ 电极压力/N
时间/s 焊点拉力/N 卧式搭接 碳化钨 310 6 ×10-3 金丝球式 玻璃管 310 6 ×10-3 2．4 超高真
空变形焊工艺 超高真空变形焊不存在氧化膜的再生问题，所需的变形量是为了使两界面上金属原子接近到形
成接触键合的程度。带有氧化膜的构件在真空中施焊时氧化膜很难通过挥发而自行消失，必须在焊前进行清
理。清理的方法可以采用机械方法，但最好的方法是用离子束清理。如图 6 所示，通常在真空室中装有离子
束枪，焊接时先用离子束清洗待焊表面，该过程不但能去除氧化膜和吸附的其他杂质及气体，还能把界面上
的凸出点削平。 （1）清理方法 在真空条件下进行变形焊时，可以先采用机械清理方法，在充高纯度 Ar 气
的真空室内进行。工件放入真空室后抽到 10-7Pa 的真空度，再用氩离子束溅射清理被焊界面，离子束电压为
1100～1400V，离子束流为 20～30mA，束径给 10nm。（2）真空度的确定 清理过的被焊界面经过一段时间
仍然会在界面上吸附一层气体，这层气体仍然是金属键合的障碍。不同真空度条件下吸附一层气体所需的时
间由下式确定： 式中 t——布满一个分子层所需时间（s）； M——气体相对分子质量； T——热力学温度
（K）； d——气体分子直径（cm）； p——真空室压强（Pa）。对于氧气而言，在室温条件下，当 p＝10-4Pa
时，布满一个分子厚的氧化膜层所需时间 t＝31s；而当 p＝10-6Pa 时，t＝310s。因此，当真空室内的压强低
于 10-5Pa 时，清理后即刻施焊就能够满足焊接要求。（3）变形量的确定 超高真空冷压焊所需的变形量比较
小。该变形量与界面的粗糙度和材料的弹性变形量有关系。界面的粗糙度越小，变形量越小；反之选取大的
变形量。被焊材料的弹性变形量大时，除了在挤压变形时克服不平度外，还要加上该材料挤压时的弹性变形
量，这需要用实验方法予以确定。变形量还与焊接的真空度有关，当 p＝10-5Pa 时，变形量只需要大气了变
形焊的 1/3；当待焊表面采用氩离子束溅射清理、p＝10-7Pa 时，变形量为大气中压焊的 1/12。
28 等离子弧切割 等离子弧切割工艺为何要选择离子气种类？
离子气种类决定切割电压。电流相同时，电压越高切割厚度及切割速度也越大。当切割大厚度工件时，通过
改变离子气成分提高切割电压比提高警惕电流更为有效。但应注意切割电压超过电源空载电压的 2/3 时容易
熄弧，因此，电源空载电压应是弧压的两倍。切割时常使用的离子气有氮气，弧压约 150～200V，切割厚度
小于 120mm；氮氩混合气，弧压约 120～200V，切割厚度小于 150mm；氮氢混合气，弧压约 180～300V，切
割厚度小于 200mm；氩氢混合气，弧压约 150～300V，切割厚度小于 200mm。另外，空气弧压 110～150V，
由于其价廉，取用方便，广泛用于切割 30mm 以下材料。
29 管道焊接 管道全自动焊接技术及工艺控制
管道全位置自动焊接就是指在管道相对固定的情况下，焊接小车带动焊枪沿轨道围绕管壁运动，从而实现自
动焊接。一般而言，全位置自动焊接装置由焊接小车、行走轨道、自动控制系统等部分组成。研制全位置自
动焊接装置的目的就是为了提高焊接质量和劳动生产率、减轻工人的劳动强度。 焊接小车 焊接小车是实现
自动焊接过程的驱动机构，它安装在焊接轨道上，带着焊枪沿管壁作圆周运动，是实现管口自动焊接的重要
环节之一。焊接小车应具有外形美观、体积小、重量轻、操作方便等特点。它的核心部分是行走机构、送丝
机构和焊枪摆动调节机构。行走机构由电机和齿轮传动机构组成，为使行走电机执行计算机控制单元发出的
位置和速度指令，电机应带有测速反馈机构，以保证电机在管道环缝的各个位置准确对位，而且具有较好的
速度跟踪功能。送丝机构必须确保送丝速度准确稳定，具有较小的转动惯量，动态性能较好，同时应具有足
够的驱动转矩。而焊枪摆动调节机构应具有焊枪相对焊缝左右摆动、左右端停留、上下左右姿态可控、焊枪
角度可以调节的功能。焊接小车的上述各个部分，均由计算机实现可编程的自动控制，程序启动后，焊接小
车各个部分按照程序的逻辑顺序协调动作。在需要时也可由人工干预焊接过程，而此时程序可根据干预量自
动调整焊接参数并执行。 焊接轨道 轨道是装卡在管子上供焊接小车行走和定位的专用机构，其的结构直接
影响到焊接小车行走的平稳度和位置度，也就影响到焊接质量。轨道应满足下列条件：装拆方便、易于定位；
结构合理、重量较轻；有一定的强度和硬度，耐磨、耐腐蚀。轨道分为柔性轨道和刚性轨道两种。所谓刚性
轨道就是指轨道的本体刚度较大、不易变形，而柔性轨道则是相对刚性轨道而言。两种类型的轨道各自有各
自的特点。刚性轨道定位准确、装卡后变形小，可以确保焊接小车行走平稳，焊接时焊枪径向调整较小，但
重量较大、装拆不方便。而柔性轨道装拆方便、重量较轻，精度没有刚性轨道高。 送丝方式 送丝的平稳程
度直接影响焊接质量。送丝方式可以简单分为拉丝和推丝两种方式。拉丝时焊枪离送丝机的安装位置较近，
焊接过程中焊丝离开送丝机后受到的阻力较小，因此可以保证送丝过程平稳，但送丝机和焊丝盘均须安装在
焊接小车之上，增加了焊接小车的重量，给人工装拆增加了困难，重量增加还容易造成焊接小车行走不平稳。
使用直径为 或 的小盘焊丝（重量约为 5kg）减轻了焊接小车的重量和负载，又使得焊接过程容
易控制，但对焊接效率有一定的影响。采用推丝方式时，将送丝机构安装于焊接小车之外，减小了焊接小车
的体积和重量，可以使用大功率的送丝机和直径为 的大盘焊丝（重量约为 20kg），从而提高焊接效率。
然而，由于推丝时送丝机离焊枪较远，两者之间须有送丝软管相连，当焊丝被连续推送到焊枪嘴处时，焊丝
受到的摩擦阻力较大，而且，焊接过程中送丝软管的弯曲度对送丝的平稳程度有一定的影响，严重时造成送
丝不畅，因此使用推丝时须充分考虑上述因素。 焊接工艺的选择 目前，除采用手工焊接外，管道焊接较多
的是采用埋弧自动焊接工艺和气体保护焊工艺。 埋弧自动焊有焊缝成型好、焊接效率高、焊接成本低等特点，
对于管道施工而言，埋弧自动焊可用于双管联焊，简称“二接一”，即焊枪固定在某一位置，管子转动。显然
长距离管道焊接时不可能让管子转动，因而“二接一”只能用于管子的预制。如果管道全位置自动焊采用埋弧
焊工艺，那么焊接装置上必须配加焊剂的投放、承托与回收机构，使得焊接装置的结构变得较为复杂，给操
作与装拆带来不便，而且增加了行走小车的负载，影响小车行走的平稳性。埋弧焊一般采用粗焊丝、大电流
的焊接方式，用于全位置自动焊可能会由于熔敷率较高出现熔滴下垂、流动等焊接缺陷，影响焊缝的成型与
质量，因此将埋弧焊应用于管道全位置自动焊接实现起来困难较大。 采用药芯焊丝加气体保护的焊接工艺，
若是多遍成型，则每次焊缝表面清渣费工费时；若是强迫成型，则须配加一个与焊枪一起运动的成型铜滑块，
并通入循环冷却水，可以大大提高焊接效率，这样一来不仅焊接装置的结构复杂，而且重量增加。因为药芯
焊丝的价格较高，同时还要解决保护气体的气源，所以焊接成本较高。单一使用自保护焊丝，虽然节省了保
护气体，但存在清渣困难问题。采用实芯焊丝加气体保护的焊接工艺，若是多遍成型，则焊接过程可简单分
为打底、填充、盖面三个阶段，无须对焊缝表面进行清理而直接进行下一道工序，但焊接速度相对强迫成型
而言慢一些。保护气体一般为纯二氧化碳气体、二氧化碳和氩气或二氧化碳和氧气的混合气体。二氧化碳和
氩气的混合气体可以使得焊接时的电弧燃烧稳定、飞溅较小，但在野外施工时氩气气源难寻、价格较高，从
经济方面考虑，在焊接输油管道时，最好尽量使用纯二氧化碳作为保护气体。在有条件的地区施工，使用二
氧化碳和氩气作为保护气体较为理想。 控制方式 在焊接过程中，焊接小车的行走速度、送丝速度以及焊枪
的左右振动频率是三个主要的参数，焊枪的上下调节可以不考虑在内。用一条垂线将管子的圆周分为左右两
个半圆，然后将两个半圆沿顺时针、逆时针方向等分，定出焊接节点。通过大量的试验可以在焊缝的每个节
点处获取理想的焊接参数。但实际焊接与试验时的数据不会完全相同，在焊接过程中可以根据实际情况调节
焊接参数，如送丝速度、振动频率等参数。但这些参数的调节是相互关联的，送丝速度调节合适了，振动频
率、焊车速度却不一定合适，只有通过一定时间的摸索才能将几个参数调节匹配。若采用另一种控制方法，
情况则不大相同。将送丝速度、焊车行走速度、焊枪振动频率作为三个因变量，置于一个空间坐标系中，以
时间作为自变量，以焊接电流、电压作为边界条件，最后得出送丝速度、焊接小车行走速度、焊枪振动频率
之间的关系，即空间坐标方程。在实际焊接时，每一次调节均是上述三个参数同时调节，从而确保调节过程
的准确性。 面对日趋激烈的国际市场竞争，要想在管道焊接市场中占据一席之地，必须提高施工装备和技术
水平，因此，研究管道全位置自动焊接装置对提高我国的管道施工水平具有十分重要的现实意义。
30 凸焊 金属材料的凸焊工艺
一、低碳钢的凸焊 1.板料的凸焊 最适合于凸焊的金属材料是低碳钢。板料凸焊前，通常在其中一块板料上冲
出凸点。它适合于大批量生产的场合。厚度小于 的薄钢板采用凸焊反而比点焊困难，因为在钢板上
加工出达到焊接温度前不压溃的凸点是很困难的。故凸焊通常用于板厚大于 的冲压件。 表 1 推荐的
是低碳钢薄板的凸焊参数，凸点形状为半球状或圆锥状。表 1 中 A 类参数用于单个凸点或是凸点间距较表中
数值大 ～2 倍的情况；B 类参数用于 2 个凸点的情况；C 类参数用于多个凸点，且点距较小的情况。在表
1 中，电极压力及焊接电流两项参数指的都是每个凸点的数值。 表 1 低碳钢薄板凸焊的焊接参数 板厚 点距
焊核 A 参数 B 参数 C 参数 直径 mm 时间 电极 焊接 时间 电极 焊接 时间 电极 焊接 /周 压力 电流 /
周 压力 电流 /周 压力 电流 /N /A /N /A /N /A 7 3 800 5000 6 700 4300 6 500 3300 9 3 3 1100 6600 6
700 5100 10 600 3800 10 4 5 1300 7300 8 900 5500 13 650 4000 1 10 4 8 1500 8000 10 1000 6000 15 700 4300
12 5 8 1800 8800 16 1200 6500 19 1000 4600 15 6 10 2500 10300 20 1600 7700 25 1500 5400 18 7 13
3000 11300 25 2000 8000 32 1800 6000 2 18 7 14 3600 11800 28 2400 8800 34 2100 6400 23 8 16 4600 14100
32 3100 10600 42 2800 7500 3 27 9 18 6800 14900 38 4500 11300 50 3600 8300 表 2 是低碳钢厚板单点凸焊的焊
接参数。待焊的上、下两板厚度可以不相同，但厚板不得超过薄板的 3 倍。不同板厚的板材凸焊时，凸点应
尽可能地加工在较厚的一块板材上，以减少熔核偏移；而参数应按较薄的一面选取，以免喷浅。表 2 中列出
了正常凸点和小尺寸凸点的两种参数。正常凸点通常用单点凸焊，藉以达到较高的焊点强度；缩小凸点则常
用于多点凸焊。为了减小由于凸点加工不均匀而引起的焊接电流和压力分配的不均匀，并减少喷溅，焊接电
流应递增。采用预热脉冲可以得到更理想的结果。另外，与厚板的点焊一样，为了防止熔核内产生缩孔等缺
陷，还需加大锻压力。 表 2 低碳钢厚板单点凸焊的焊接参数 板厚 凸点尺寸/mm 最小 电极压力/N 递增 焊
接 焊接 焊点拉 /mm 直径 高度 间距/mm 焊接 锻压 时间/周 时间/周 电流/kA 剪力/N 正 常 凸 点 4
45 9560 19000 12 54 34700 5 51 13000 26000 17 84 50000 6 61 16700 33400 25 121
76900 小 尺 寸 凸 点 4 7 41 6300 12600 12 54 24600 5 44 7100 14200 17 84 34200 6
43 8900 17800 25 121 53300 2.环形凸焊 在焊件上加工出环形凸缘进行的焊接称环形凸焊。凸缘
截面呈等腰三角形，顶角一般取 60°～90°。若顶角大就不能焊接；若顶角小，环形凸缘工件下沉量快，焊接
质量也不好。表 3 是环形凸焊的焊接参数。中小功率的晶体管封帽时也采用类似方法。 表 3? 环形凸焊的焊
接参数 3.十字形凸焊 十字形凸焊是利用线材、棒料或管子外圆的交叉相接时形成的凸点状态，形成局部的电
流集中，成为一种理想的凸焊。为防止焊件（特别是细线材）被压扁而造成强度降低，电极端面应开出 V 形
或 U 形槽。表 4 是低碳钢丝交叉接头凸焊的焊接参数。 管子十字形凸焊时，可采用不同直径的管子，但壁厚
必须一致。与钢丝交叉接头相类似，较大的压下量导致较大的接头强度（这里以扭矩表示）。例如，
Φ22mm× 的管子焊接时，当压下量为 5%时，接头的扭矩为 1500N·m；压下量为 15%，接头的扭矩高
达 2500N·m。表 5 是管子十字形凸焊的焊接参数。 表 4 低碳钢丝交叉接头凸焊的焊接参数 钢丝直径 时间 15%
压下量时的参数 30%压下量时的参数 /mm /周 电极压力 焊接电流 焊点拉剪 电极压力 焊接电流 焊点拉剪 /N
/A 力/N /N /A 力/N 冷 拔 丝 4 445 600 2000 670 800 2220 8 556 1800 4300 1160 2700 5000 14 1600
3300 8900 2670 5000 10700 19 2600 4500 16500 3780 6700 18700 25 3670 6200 22700 6450 9300 27100 续
表 33 4890 7400 29800 9170 11300 37000 42 6300 9300 42700 12900 13800 50200 50 7600 10300
54300 15100 15800 60500 热 拔 丝 4 445 800 1600 670 800 1780 8 556 2800 3300 1160 2800 3800 14
1600 5100 6700 2670 5100 7500 19 2600 7100 12500 3780 7100 13400 25 3670 9600 20500 6450 9600
22300 33 4890 11800 27600 9170 11800 30300 42 6300 14800 39100 12900 14800 42700 50 7600
16500 51200 15100 16500 55170 注：压下量指电阻焊中一根钢丝压入另一根丝的数量。 表 5 管子十字形交叉
凸焊的焊接参数 压下量（%） 管子外径/mm 壁厚/mm 电极压力/N 时间/周 焊接电流/A 5 10 2000 12 5000
16 1 2000 15 9500 22 2200 20 12000 25 2400 17 14000 30 2400 17 16000 35 2 2700 20 18000 15 10
2000 40 9000 16 1 2000 60 9500 22 2200 60 12000 25 2400 57 14000 30 2400 55 16000 35 2 2700 75
18000 形凸焊 T 形接头也可以采用凸焊，因极难在整个接触面上都焊合，故常在某些点处进行焊接。图 1
为 T 形接头凸焊的实例，图 1a 和 b 适用于汽车制动片的焊接，图 1c 是将二板焊成 T 形接头，为了使两板能
够全部焊上，可将一板的两端做成锯齿状以便电流集中，图 1d 用于箱体焊接场合，上述任何一种情况都只用
于强度要求不太高的焊接。 管子的 T 形接头凸焊常被采用。表 6 是管子 T 形接头凸焊的推荐参数。 螺母、
螺丝类零件与平板间的凸焊，都属于 T 形接头凸焊的形式。这种焊接方法的生产率要比过去用电弧焊、钎焊
高得多，而其成本要低得多，这种接头的强度可为螺纹强度的 2～3 倍。 表 6 管子 T 形接头凸焊的焊接参数
管子外径/mm 壁厚/mm 电极压力/N 时间/s 焊接电流/A 熔深/mm 1 1900 11000 1 2100 12000
16 1 2100 13000 2300 13000 2300 14000 4 2300 14000
2400 14500 5 2500 15000 2500 15000 6 2500 16000 35 2
2700 19000 7 为了得到优良的凸焊质量，必须加工出合理的凸点。带凸点的螺母设计图及其尺寸见图 2 和
表 7。表 8 为焊接螺母凸焊的焊接参数，其焊接参数的特点是焊接电流较大，以加快焊接速度而避免螺纹变形；
且电极压力要大，以免引起凸点位移导致强度下降和螺纹损坏。 表 7 带凸点螺母的设计尺寸 （mm） 螺纹
规格 d D 带圆凸点 带弧形凸点 s H b h n s H b h n M4 8 13 6 1 12 4 1 M5 8 13 6 12 4 M6 8
13 6 13 6 M8 11 17 7 3 16 5 M10× 13 19 8 3 17 6 M2× 22 10 — — — 表 8 焊接螺
母凸焊的焊接参数 螺纹规格/mm 平板厚度/mm A 参数 B 参数 接头扭矩强度/（N·m） 时间 电极压力/N 焊
接电流/A 时间 电极压力/N 焊接电流/A /周 /周 M4 3 3000 10000 6 2400 8000 3 3200 11000 6 2600 9000
M8 3 4000 15000 6 2900 10000 82 4 3 4300 16000 6 3200 12000 M12 3 4800 18000 6 4000 15000 210 4 3
5200 20000 6 4200 17000
31 点焊 方法和工艺
一、点焊方法分类 对焊件馈电进行电焊时，应遵循下列原则：℃尽量缩短二次回路长度及减小回路所包含的
空间面积，以节省能耗；℃尽量减少伸入二次回路的铁磁体体积，特别是避免在焊接不同焊点时伸入体积有
较大的变化，以减小焊接电流的波动，保证各点质量衡定（在使用工频交流时）。 1.双面单点焊 所有的通
用焊机均采用这个方案。从焊件两侧馈电，适用于小型零件和大型零件周边各焊点的焊接。 2.单面单点焊
当零件的一侧电极可达性很差或零件较大、二次回路过长时，可采用这个方案。从焊件单侧馈电，需考虑另
一侧加铜垫以减小分流并作为反作用力支点。 3.单面双点焊 从一侧馈电时尽可能同时焊两点以提高生产率。
单面馈电往往存在无效分流现象，浪费电能，当点距过小时将无法焊接。在某些场合，如设计允许，在上板
二点之间冲一窄长缺口可使分流电流大幅下降。 4.双面双点焊 图 1b 及 j 为双面双点的方案示意。图 2-12b
方案虽可在通用焊机上实施，但两点间电流难以均匀分配，较难保证两点质量一致。而图 1j 由于采用推挽式
馈电方式，使分流和上下板不均匀加热现象大为改善，而且焊点可布置在任意位置。其唯一不足之处是须制
作二个变压器，分别置于焊件两侧，这种方案亦称推挽式点焊。两变压器的通电需按极性进行。 5.多点焊
当零件上焊点数较多，大规模生产时，常采用多点焊方案以提高生产率。多点焊机均为专用设备，大部分采
用单侧馈电方式见图 1h、I，以 I 方式较灵活，二次回路不受焊件尺寸牵制，在要求较高的情况下，亦可采用
推挽式点焊方案。目前一般采用一组变压器同时焊二或四点（后者有二组二次回路）。一台多点焊机可由多
个变压器组成。可采用同时加压同时通电、同时加压分组通电和分组加压分组通电三种方案。可根据生产率、
电网容量来选择合适方案。
32 管道焊接技术规范 管道焊接工艺和焊工
（1）压力容器焊接工定的要求 ℃ 压力容器产品施焊前，对受压元件之间的对接焊接接头和要求全焊透的 T
形焊接接头，受压元件与承载的非受压元件之间全焊透的 T 形或角接焊接接头，以及受压元件的耐腐蚀堆焊
层都应进行焊接工艺评定。 ℃ 钢制压力容器的焊接工艺评定符合 JB 4708《钢制压力容器焊接工艺评定》标
准的有关规定。有色金属制压力容器的焊接工艺评定应符合有关标准的要求。 ℃ 焊接工艺评定所用焊接设
备、仪器以及参数调节装置，应定期检定和校验。评定试件应由压力容器制造单位技术熟练的焊接人员（不
允许聘用外单位焊工）焊接。 ℃ 焊接工艺评定完成后，焊接工艺评定报告和焊接工艺指导书应经制造（组
焊）单位焊接责任工程师审核，总工程师批准，并存入技术档案。焊接工艺指导书或焊接工艺卡应发给有关
的部门和焊工，焊接工艺评定技术档案及焊接工艺评定试样应保存至该工艺评定失效为止。 （2）焊接压力
容器的焊工 必须按照《锅炉压力容器焊工考试规则》进行考试，取得焊工合格证后，才能在有效期间内担任
合格项目范围内的焊接工作。焊工应按焊接工艺指导书或焊接工艺卡施焊。制造单位应建立焊工技术档案，
制造单位检查员应对实际的焊接工艺参数进行检查，并做好记录。 （3）压力容器的组焊要求 ℃ 不宜采用
十字焊缝。相邻的两筒节间的纵缝和封头拼接焊缝与相邻筒节的纵缝应错开，其焊缝中心线之间的外圆弧长
一般应大于筒体厚度的 3 倍，且不小于 100mm。 ℃ 在压力容器上焊接的临时吊耳和拉筋的垫板等，应采用
与压力容器壳体相同或在力学性能和焊接性能方面相似的材料，并用相适应的焊材及焊接工艺进行焊接。临
时吊耳和拉筋的垫板割除后留下的焊疤必须打磨平滑，并应按图样规定进行渗透检测或磁粉检测，确保表面
无裂纹等缺陷。打磨后的厚度不应小于该部位的设计厚度。 ℃ 不允许强力组装。 ℃ 受压元件之间或受压元
件与非受压元件组装时的定位焊，若保留成为焊缝金属的一部分，则应按受压元件的焊缝要求施焊。 （4）
压力容器打焊工钢印 压力容器主要受压元件焊缝附近 50mm 处的指定部位，应打上焊工代号钢印。对无法打
钢印的，应用简图记录焊工代号，并将简图列入产品质量证明书中提供给用户。 （5）焊接接头返修的要求 ℃
应分析缺陷产生的原因，提出相应的返修方案。 ℃ 返修应编制详细的返修工艺，经焊接责任工程师批准后
才能实施。返修工艺至少应包括：缺陷产生的原因；避免再次产生缺陷的技术措施；焊接工艺参数的确定；
返修焊工的指定；焊材的牌号及规格；返修工艺编制人、批准人的签字。 ℃ 同一部位（指焊补的填充金属
重叠的部位）的返修次数不宜超过 2 次。超过 2 次以上的返修，应经制造单位技术总负责人批准，并应将返
修的次数、部位、返修后的无损检测结果和技术总负责人批准字样记入压力容器证明书的产品制造变更报告
中。 ℃ 返修的现场记录应详尽，其内容至少包括坡口形式、尺寸、返修长度、焊接工艺参数（焊接电流、
电弧电压、焊接速度、预热温度、层间温度、后热温度和保温时间、焊材牌号及规格、焊接位置等）和施焊
者及其钢印等。 ℃ 要求焊后热处理的压力容器，应在热处理前焊接返修，如在热处理后进行焊接返修，返
修后再进行热处理。 ℃ 有抗晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢制压力容器，返修部位仍需保证原有的抗晶间腐
蚀性能。 ℃ 压力试验后需返修的，返修部位必须按原要求经无损检测合格。由于焊接接头或接管泄漏而进
行返修的，或返修深度大 1/2 壁厚的压力容器，还应重新进行压力试验。 钢制压力容器及其受压元件应按 GB
150 的有关规定进行焊后热处理。 2. 钢制压力容器（GB 150－1998） 本标准规定了钢制压力容器的设计、
制造、检验和验收要求，适用于设计压力不大于 35MPa 的容器；本标准内容有：范围、引用标准、总论、材
料、内压圆筒和内压球壳、外压圆筒和外压球壳、封头、开孔和开孔补强、法兰、制造、检验和验收及附录
（内容有材料的补充规定、指导性规定、低温压力容器、非圆形截面容器、焊接结构等）。 3. 电力建设施
工及验收技术规范（管道篇）（DL 5031－1994） 本规范是中华人民共和国电力行业标准，内容有总则、术
语、管子、管件和管道附件及阀门的检验，管子、管件及管道附件的配制；管道安装，管道系统的试验和清
洗以及工程验收。本标准介绍弯管、卷管、支架制作及管道安装技术工艺以及管道系统的试验和清洗，同时
应参阅如下标准：弯管弯曲半径应符合设计要求，设计无规定时，弯管的最弯曲半径应符合行业标准 DL/T 515
《电站弯管》；管子的切割应符合现行的 DL 5007《电力建设施工及验收技术规范＜火力发电厂焊接篇＞》
的相应规范。现将总则摘录如下，供参考。 ℃ 本规范适用于火力发电厂和热力网的下列管道的配制、施工
及验收。 A. 600MW 及以下亚临界参数火力发电机组的主蒸汽管道及相应的再热蒸汽管道和主给水管道； b.
火力发电厂范围内的一般性汽水管道、热力网管道和压缩空气管道； c.施工用临时管道。 ℃ 本规范不适用
于： a.铸铁管道； b.钢筋混凝土管道； c.有色金属管道（钛、铜等）； d.非金属管道（塑料等）； e.非金
属衬里管道； f.复合金属管道。 ℃ 下列各类管道的特殊施工及验收，除遵守本规范技术要求外，还应按照
电力建设施工及验收技术规范中有关专业篇的规定执行； a.汽轮机和发电机本体范围内的各类管道； b.锅炉
本体范围内的各类管道，以及烟、风、煤、燃油、燃气和除灰系统的管道； c.油管道及水处理的各类管道； d.
制氢、供氢系统的各类管道； e.热工仪表管道； f.氧气及乙炔管道。 ℃ 进口火力发电机组管道的施工及验
收工作，除建造合同中另有具体规定的部分外，应按本规范的规定执行。 ℃ 电厂管道安装工程，应由具备
必要的技术力量、检测手段和管理水平的专业队伍承担施工。 ℃ 电厂管道施工应按基本建设程序进行，具
备下列条件方可施工； a.设计及其技术资料齐全，施工图纸业经会审； b.电厂管道工程的施工组织设计和施
工方案已经编制和审批； c.技术交底和必要的技术培训与考核已经完成； d.劳动力、材料、机具和检测手段
基本齐全； e.施工环境符合要求； f.施工用水、电气等均可满足施工需要。 ℃ 管子、管件及管道附件的制
造质量及选用应符合现行国家或行业（或专业）技术标准。 ℃ 各类管子、管件及管道附件的保管，应按照
现行的 SDJ 68《电力基本建设火电设备维护保管规程》及相应的补充规定进行。 ℃ 各类管道应按照设计图
纸施工，如需修改设计或采用代用材料时，必须提请设计单位按有关制度办理。 ℃ 管道施工中的切割、焊
接工作，除按照本规范中有关规定外，还应符合现行的 DL 5007《电力建设施工及验收技术规范（火力发电
厂焊接篇）》的相应规定。 ℃ 管道的保温与涂漆应按照 SDJ 245《电力建设施工及验收技术规范（锅炉机组
篇）》的规定执行。管道的涂色应按照 DL 5011《电力施工及验收技术规范（汽轮机机组篇）》的规定执
行。 ℃ 电厂管道施工的安全、环境和防火应按照现行的 DL 《电力建设安全工作规程（火力发电厂部
分）》的有关规定执行。 4. 船舶压力管系的焊接（中国船级社《材料与焊接规范》1998） 1) 适用范围 ℃
本规定适用于采用手工、自动或半自动电弧焊以及经中国船级社认可的其他方法所焊接的管子对接接头、支
管和法兰焊接的接头。 ℃ 氧－乙炔气体焊仅限用于焊接直径不超过 100mm 或壁厚不超过 的管子对接
接头。 2) 管子接头的焊接 （1）一般要求 ℃ 焊缝应远离管子弯曲处和膨胀补偿部分，焊缝应布置在受弯矩
和交变负荷作用最小的位置。 ℃ 管系的焊接应尽可能安排在车间里进行。确定在船上进行的焊接，应考虑
有足够的空间以进行预热、焊接、热处理和检查焊接接头。
33 钢质管道焊接 GTAA 焊接工艺
焊前管端内外壁必须消除铁锈、氧化皮及其他杂物，外壁清理长度约 20mm。 ℃ 坡口（见图 5） A 型适用
于 GMAA、GTAA（加丝）/GTAA；B 型适用于 GTA(P＝0～)、GTA/SMA、GTAA(P＝2～3)；C 型适用
于 GTAA、GTAA(不加丝)/GMAA；D 型适用于 IPW（感应压力焊）；E 型适用于 PAW(等离子弧焊)、FW(摩
擦焊)、FBW(闪光电阻对焊)、GTAA 立焊端面斜度℃f 按管径而定，ф≤60mm，℃f≤；60mm＜
ф≤108mm，℃f≤；108mm＜ф＜159mm，℃f≤；159＜ф＜219mm，℃f≤。 A、C、D 型坡口
管端应作内镗加工，其目的是改善装配质量，防止错边，确保封底焊单面焊双面成形质量良好。D 型坡口的
内镗孔径可取 Dm＝Dn－－℃－，式中，Dn 为管子公称外径，mm；tn 为管子公称壁厚，mm；℃为
管子外径负偏差平均值，mm。 ℃工艺参数 GTAA 脉冲 TIG（氩弧焊）的常用工艺参数见表 22。 表 22 GTAA
脉冲焊工艺参数 母材 管壁厚 焊接 电源 DCSP/A 焊接电 焊速/-1 纯 Ar 喷嘴 钨极 其他 /mm 位置
压/V 流量 直径 直径 基本 脉冲 /-1 /mm /mm 珠光体钢 P+奥氏体钢 ≤8 全位置 70～80 100～130 10～
15 30～80 外部 7～ 8～11 8 内部 5 碳钢 P、T91+P ≤13 不加丝封底焊 平焊 110～160 9～12 70～140 ～
3 钨极与焊件距离 ～
34 钢质管道焊接 GTAA 立焊工艺
焊炬位于管子中心水平面下方，与水平中心线成 20?±5?角，焊接时焊炬固定，管子转动，弧长保持 3mm。相
对焊炬的送丝角度 90?（见图 6），脉冲电流分段（见图 7）。 设备可参阅管道焊接焊管设备，选用脉冲自动
氩弧焊焊管机。电流波形采用方波脉冲，Ip 击穿管壁形成熔池，Ib 维弧燃烧，并让熔池局部冷却凝固，使焊
接过程连续步进完成。通过 Ip、Ib、tp、tb 的控制调节线能量，控制焊缝大小。将焊接过程分为 5 段，每段
电流参数分别设定，以解决线能量不均匀的问题。脉冲电流分段见图 7。
35 碳弧气刨与切割 碳弧气刨的工艺特点
碳弧气刨过程中，因急速加热和冷却以及局部的化学反应，在刨削表面及临近区产生增碳现象和热影响区，
引起组织和硬度的变化。（1）碳弧气刨常见缺陷及防止措施 1) 夹碳刨削速度太快或碳棒送进过速，使碳棒
头部触及铁水或未熔化的金属上，电弧就会因短路而熄灭。由于温度很高，当碳棒再往前送或上提时，端部
脱落并粘在未熔化金属上，产生“夹碳”缺陷。发生夹碳后，在夹碳处电弧不能再引燃，这样就阻碍了碳弧气
蚀的继续进行。此外，夹碳外还形成一层硬脆且不容易清除的碳化铁（碳含量达 ％）。这种缺陷必须注意
防止和消除，否则焊后容易出现气孔和裂纹。清除的方法是在缺陷的前端引弧，将夹碳处连根一起刨除，或
用角形磨光机磨掉。 2) 粘渣碳弧气刨操作时，吹出来的铁水叫“渣”，表面是一层氧化铁，内部是含碳很高
的金属。如果粘潭在刨槽的两侧，即产生粘渣。粘渣主要是由于压缩空气压力小引起的，但刨槽速度与电流
配合不当，刨削速度太慢也易粘渣，在采用大电流时更为明显。其次在倾角过小时也易粘渣。粘渣可采用风
铲清除。 3) 刨槽不正或深浅不均 碳棒歪向刨槽的一侧就会引起刨槽不正，碳棒运动时上下波动就会引起刨
槽的深度不均，碳棒的角度变化同样能使刨槽的深度发生变化。刨槽前，注意碳棒与工件的相对位置，提高
操作的熟练程度。 4) 刨偏 刨削时往往由于碳棒偏离预定目标造成刨偏。碳弧气刨速度大约比电弧焊高 2～4
倍，技术不熟练就容易刨偏。刨偏与否和所用气刨枪结构也有一定的关系。例如，采用带有长方槽的圆周送
风式和侧面送风式枪，均不易将渣吹到正前方，不妨碍刨削视线，因而减少了刨偏缺陷。 5) 铜斑 采用表面
镀铜的碳棒时，有时因镀铜质量不好，会使铜皮成块剥落，剥落的铜皮成熔化状态，在刨槽的表面形成铜斑。
在焊前用钢丝刷或砂轮机将铜斑清除，就可避免母材的局部渗铜。如不清除，铜渗入焊缝金属的量达到一定
数值时，就会引起热裂纹。为避免这种缺陷要选用镀层质量好的碳棒，采用合适的电流，并注意焊前用钢丝
刷或砂轮机清理干净。 （2）碳弧气刨的热影响区组织和硬度 碳弧气刨过程中，热影响区的特性取决于被刨
削金属的化学成分和显微组织。表 10 列出一些典型钢种的热影响区宽度、组织和硬度的变化。附着钢中碳和
合金元素含量的增多，热影响区宽度及显微硬度值增大。但是奥氏体钢未发生组织变化和硬度升高现象。
表 10 碳弧气刨对钢的热影响区宽度、组织和硬度的影响 材 料 母 材 热 影 响 区 组 织 显微硬度/Mpa
宽度/mm 刨削金属表面组织 显微硬度/Mpa Q235 铁素体、珠光体 1274～1450 1 铁素体和珠光体 1519～2156
14Mn2 铁素体、珠光体 － 索氏体 － 12CrNi3A 铁素体、珠光体 1470～2058 ～ 索氏体 4018～4606
20CrMoV 铁素体、珠光体 1421～1960 索氏体和托氏体 2940～4234 40Cr 铁素体、珠光体 1764～2156
～ 托氏体和马氏体 4900～7840 1Cr17Ni2 马氏体、铁素体 4312～4707 ～ 马氏体、铁素体
4410～5880 1Cr17Ni13MoTi 奥氏体、碳化物 2156～2744 － 奥氏体、碳化物 1960～2744 08Cr20Ni10Mn6
奥氏体、碳化物 2254～2744 － 奥氏体、碳化物 2254～2744 （3）碳弧气刨槽道表层的增碳 碳弧气刨时，
增碳主要发生在槽道表层碳含量 ％的钢在厚 ～ 表面层中，碳的质量分数增至 ％，即仅增
加 ％。而 18-8 型不锈钢槽道表面的增碳层厚度仅为 ～，最厚处也不超过 。表 11 列
出 18-8 型不锈钢碳弧气刨区碳的质量分数的分析结果。 表 11 18-8 型不锈钢碳弧气刨区碳的质量分数的分析
结果 取样部位 C/% 取样部位 C/% 碳刨飞溅金属 槽道表层 ～ 处 槽道边缘粘渣 母
材 ～ 离表面深 ～ 处的碳的质量分数同母材含量十分接近，但粘渣的含量高达 ％。而
且在刨削深槽或多程刨削时，也可能产生厚度达 ～ 的增碳层。 碳弧气刨加工的坡口或背面虽存在
增碳的热影响区，但经过焊接后都被熔化，在焊缝中未发现增碳现象，其力学性能也与用机械加工的坡口相
同。但是粘渣和炭灰等必须从槽道中清除，对于某些重要结构件，则需用砂轮去除厚 ～ 表面层后才
能施焊。 （4）碳弧气刨的焊接接头的力学性能 用碳弧气刨削除焊缝的余高，对接头的强度没有影响，但是
会使接头的延性降低，冷弯角低于 105°。若用砂轮磨去厚 ～ 表层后，延性可以恢复。碳刨后的零件
（除不锈钢零件）通过回火处理即可消除增碳层和热影响区的组织变化。表 12 列出碳弧气刨对 18-8 型不锈
钢焊接接头耐晶间腐蚀性能的影响。 表 12 碳弧气刨对 18-8 型不锈钢焊接接头耐晶间腐蚀性能的影响 碳棒
直径/mm 电流/A 空气压力/Mpa 刨槽清理方法 腐蚀情况 5 180～210 294 不锈钢丝刷 合格 砂轮打磨 5 180～
210 392 不锈钢丝刷 合格 砂轮打磨 5 180～210 490 不锈钢丝刷 合格 砂轮打磨 5 180～210 539 不锈钢丝
刷 合格 砂轮打磨 注：1. 焊缝含碳量为 ％。 2. 腐蚀情况的结果是指焊后状态试样的腐蚀试验结果。
36 碳弧气刨与切割 碳弧气刨的工艺参数
碳弧气刨的工艺参数 （1）碳棒直径 碳棒直径通常根据钢板的厚度选用，但也要考虑刨槽宽度的需要，一般
直径应比所需的槽宽小 2～4mm。表 13 列出碳棒直径选用与板厚的关系。 表 13 碳棒直径选用与板厚的关系
板 厚 /mm 碳棒直径/mm 板 厚 /mm 碳棒直径/mm 4～6 4 > 10 7～10 6～8 5～6 > 15 > 10 8～12 6～7 （2）
电源极性 碳素钢和普通低合金钢碳弧气刨时，一般采用直流反接，即工件接负极，碳棒接正极。这样可以使
电弧稳定。实验表明，普通低合金钢采用反极性碳弧气刨，其熔化金属的碳含量高 ％，这是由于碳的正
离子被吸引到工件表面，被阴离子还原成碳原子，熔入熔化的金属中。而正极性时碳含量为 ％。碳含量
较高的熔化金属的流动性较好，凝固温度较低，因此反接时刨削过程稳定，电弧发出刷刷声，刨槽宽窄一致，
光滑明亮。若极性接错，电弧不稳且发出断续的嘟嘟声。部分金属材料碳弧气刨时电源极性的选择要求见表
14。 表 14 部分金属材料碳弧气刨时电源极性的选择要求 材 料 电源极性 备 注 材 料 电源极性 备 注碳
素钢 反接 正接时电弧不稳定，刨槽表面不光滑 铜及铜合金 正接 －合金钢 反接 铝及铝合金 正接或反接 －
铸铁 正接 反接亦可，但操作性比正接差 锡及锡合金 正接或反接 － （3）电流与碳棒直径 刨削电流的选
择根据碳棒规格和刨槽尺寸选用。电流与碳棒直径成正比关系，一般可参照下面的经验公式选择电流，即 I＝
（30～50）D 式中 I——电流，A； D——碳棒直径，mm。 对于一定直径的碳棒，如果电流较小，则电弧
不稳，且易产生夹碳缺陷；适当增大电流，可提高刨削速度，使刨槽表面光滑、宽度增大。在实际应用中，
一般选用较大的电流，但电流过大时，碳棒头部过热而发红，镀铜层易脱落，碳棒烧损很快，甚至碳棒熔化
滴入槽道内，使槽道严重渗碳。正常电流下，碳棒发红长度约为 25mm。碳棒直径的选择主要根据所需的刨
槽宽度而定，碳棒直径越大，则刨槽越宽。一般碳棒直径应比所要求的刨槽宽度小 4mm。 （4）刨削速度
刨削速度对刨槽尺寸、表面质量和刨削过程的稳定性有一定的影响。刨削速度需与电流大小和刨槽深度（或
碳棒与工件间的夹角）相匹配。刨削速度太快，易造成碳棒与金属接触，使碳凝结在刨槽的顶端，造成短路、
电弧熄灭，形成夹碳缺陷。一般刨削速度为 ～ 为宜。 （5）压缩空气压力 压缩空气的压力会直
接影响刨削速度和刨槽表面质量。压力太小熔化的金属吹不掉，刨削很难进行。压力低于 时，就不能
进行刨削。压缩空气压力过高，刨削有利。当电流大时，熔化金属也增加。当电流较小时，高的压缩空气压
力易使电弧不稳，甚至熄弧。碳弧气刨常用的压缩空气压力为 ～。 压缩空气所含水分和油分都应
清除，可通过在压缩空气的管道中加过滤装置，以保证刨削质量。 （6）碳棒的伸出长度 碳棒伸出长度指碳
棒从碳棒枪钳口导电处至电弧始端的长度。手工碳弧气刨时，伸出长度大，压缩空气的喷嘴离电弧就远，电
阻也增大，碳弧易发热，碳棒烧损也较大。并且造成风力不足，不能将熔渣顺利吹掉，而且碳棒也容易折断。
一般外伸长为 80～100mm 为宜。随着碳棒烧损，碳棒的外伸长不断减少，当外伸长减少到 20～30mm 时，应
将外伸长重新调至 80～100mm。 （7）碳棒与工件间的夹角 碳棒与工件间的夹角 α（如图所示）大小，主要
会影响刨槽深度和刨削速度。夹角增大，则刨削深度增加，刨削速度减小。一般手工碳弧气刨采用夹角 45°～
60°左右为宜。碳棒夹角与刨槽深度的关系见表 15。 表 15 碳棒夹角与刨槽深度的关系 碳棒夹角/(°) 25 35 40
45 50 85 刨槽深度/mm 3 4 5 6 7～8 （8）电弧长度 碳弧气刨操作时，电弧长度过长会引起电弧不稳，甚
至会造成熄弧。操作时电弧长度以 1～2mm 为宜，并尽量保持短弧。这样可以提高生产效率，同时也可提高
碳棒的利用率。但电弧太短时，容易引起“夹碳”缺陷。刨削过程弧长变化尽量小以保证得到均匀的刨削尺寸。
（9）刨缝装配间隙 当板厚不大或施工条件限制需先装配接头后刨削时，接头根部间隙应严格控制。否则刨
削薄板易刨穿，刨较厚的板则熔渣氧化铁嵌入缝隙，不宜去除，影响焊接质量。表 16 列出自动碳弧气刨的典
型工艺参数。 表 16 自动碳弧气刨的典型工艺参数 碳棒直径 电流 电弧电压 切割速度 压缩空气 碳棒倾角
碳椴伸出长度/mm 刨槽尺寸/mm /mm /A /V / /Mpa /(°) 宽 度 深 度 ф6 280～300 40 1200 ～ 40 25
～ 4～ ф8 320～350 42 1400 35 12～ ～
37 水下切割 水下切割的工艺参数
（1）水下电弧-氧切割的工艺参数 影响水下电弧-氧切割质量和效率的工艺参数主要有切割电流、氧气压力及
切割角。采用不同的割条和切割不同的材质，对其切割效率和质量的影响也不同。下面主要介绍用无缝钢管
割条切割碳素结构钢时各工艺参数间的关系。 1) 切割电流 切割电流取决于工件厚度及割条的直径。被切割
工件越厚，割条直径越大，切割电流就越大。电流过小，电流不稳定，穿透力小，使切割能力降低；但电流
过大，会使割条过热，药皮爆裂，熔池宽度增大，造成熔融金属粘在切口中，进而使得工件不能被割穿。通
常，切割电流 I 可按下式决定，即 I＝Kd （1） 式中 d——割条钢芯外径，mm； K——跟工件厚度有关的
经验系数，具体见表 1。 表 1 经验系数 K 值 板厚/mm < 10 10～20 > 20 K 值 30～35 40～45 50 表 2 列出了
在 10m 水深，用直径为 8mm 钢管割条切割不同厚度钢板时的切割电流，氧气压力及切割速度。 经水下切割
施工验证，在相同板厚、相同直径的割条、相同切割材料的条件下，切割电流越大，切割速度就越大。表 3
列出了在切割电流不同的情况下，用长 100mm 割条切割出的切缝长度及燃弧时间。 表 2 直径 8mm 钢管割
条的切割工艺参数经验值 钢板厚度/ 切割电流/A 氧气压力/Mpa 切割速度/-1 5～10 280～320 ～ 56～
40 10～50 320～340 ～ 40～30 20～50 340～370 ～ 30～10 50～80 370～400 ～ 10～7 表 3
切割电流与切割速度的关系 切割电流/A 第 100mm 割条得到的切缝长度/mm 氧气消耗量 燃弧时间/s /-1
纯燃弧时间 总燃弧时间 150 无切割效果 － － － 175 83 116 46 52 200 71 107 33 38 250 94 93 34 37 300 96 80
27 29 325 115 51 29 33 350 135 41 23 23 从表 3 可以看出，随着电流的增加，断弧时间越来越少，当电流增加
到 350A 时，几乎不断弧，这大大增加了切割长度，提高了切割速度，同时也降低了耗氧量。所以，提高水
下切割电流，是提高切割效率的有效措施。 但是，切割电流不能无限制地提高。一方面是受切割电源容量的
限制：一般水下电弧-氧切割使用的电源额定输出电流为 500A，如超负荷使用，会损坏电源。另一方面是受
割条直径限制：一定直径割条的最大允许使用电流是一定的。电流过大会使药皮脱落，反而影响切割效果。
当然，对于切割不同厚度的钢板，即使是相同的电流和相同直径的割条，其切割速度是不一样的，见图 1 和
表 4。 表 4 切割不同板厚时的切割速度 钢板厚度/ 切割电流/A 氧气压力/Mpa 切割速度/-1 5 320
8 320 16 330 20 330 25 340 40 300 50 360 80 360 2) 氧气
压力 水下电弧-氧切割中，氧气压力是否合适对切割质量及效率影响很大。一般来说，氧气压力的大小根据
被切割金属的材质、厚度及所处水深来选择。切割不易氧化的金属时，氧气压力（氧气流量）要大些；随着
板厚及水深的增加，氧气压力也要随之增加。图 2 给出了用钢管割条切割碳素钢时耗氧量与工件厚度及水深
的关系。 适当增加氧气的消耗量，可以提高切割速度，而且切口质量良好，背面挂渣少，不易出现粘边现象。
但氧气压力也不能无限制地增加，因为一方面受导气管承压能力的限制，另一方面，若吹向割缝的氧气流量
过大，会使割缝过冷、电弧不稳定，反而导致切割速度下降，如图 3 所示。切割时氧气压力主要根据被切割
工件的厚度大小来选用，同时适当考虑到氧气胶管造成的阻力损失。经验表明，在 10m 水深切割时可选用表
5 推荐的氧气压力大小。 表 5 氧气压力的选择 钢板厚度/mm < 10 10～20 20～30 > 30 氧气压力/Mpa ～
～ ～ > 注：该表仅限于 30m 长氧气胶管，若氧气胶管增加，则每增加 10m，应给予 ～
的压力补偿。 如果切割时水深超过 10m，表 5 中的氧气压力数值应加上水深压力。一般来说，水深
每增加 10m，应增加 的氧气压力。 切割时氧气压力也可用以下经验公式求得 P＝p＋Kd （2） 式中
P——切割氧气压力（表压），Mpa； p——切割水深压力，Mpa； d——割条内径，mm； K——考虑了氧
气胶管阻力损失及板厚的经验系数，其值的选取见表 6。 表 6 经验系数 K 值的选取 钢板厚度/mm < 10 10～
15 15～20 20～25 > 25 K 2 3 ≥4 3) 切割角切割角是指割条与工件表面上垂线之间的夹角 α（如图 4 所
示）。割条后倾时，切割氧气流相对切口前缘形成一个攻角，这有助于加快切割速度；但对于较厚的工件，
割条后倾使得氧气流垂直分量的排渣能力不足，反而会影响切割速度。图 4 给出了切割厚度分别为 13mm 及
20mm 碳素钢板时，切割角度 α 与切割速度之间的关系。由图 4 可以看出，切割厚度为 13mm 碳素钢板时，
割条的切割角 α 约为 30°时的切割速度最高；而切割 20mm 厚碳素钢板时，割条要前倾约 25°才能达到最大切
割速度。总之选择合适的切割角应根据被切割工件的厚度而定。 上述工艺参数是切割低碳钢时试验得到的结
果。切割不锈钢等有色金属时，氧气流主要起吹除熔化金属的作用，所以有时候也可用压缩空气来代替氧气，
但此时的气体的流量应当比切割碳素钢时大一些。 （2）水下等离子弧切割的工艺参数 由于受到水的冷却和
压缩，水下等离子弧切割电弧的稳定性差。为确保水下引弧顺利及切割过程中电弧燃烧稳定，需要较高的电
弧电压和较大的切割电流。经验表明，切割相同厚度的金属材料，水下等离子切割要比陆上切割时电弧电压
提高 20％～50％，切割电流增加 1 倍以上。表 7 列出了水下等离子弧切割各种金属的工艺参数。 表 7 水下
等离子弧切割各种金属的工艺参数 材料 厚度/mm 淡水深度 5m 海水深度 10m 备注 切割电流 电弧电压 喷
嘴孔径 切割速度 切割电流 电弧电压 喷嘴孔径 切割速度 /A /V /mm /-1 /A /V /mm /-1 Q235 低碳钢 10
450 80 － － － － 工作气体为 15+15 500 110 4 － － － － Ar50%+N250% 10 － － － － 370
110 3 工作气体为 Ar 15 － － － － 400 120 3 20 － － － － 480 120 4 9 10+10 500 110 4 450
110 25 500 100 5 8 － － － － 40 － － － － 500 140 3 1Cr18Ni10Ti 10 450 90 － － －
－ 工作气体为 Ar 不锈钢 16 － － － － 500 100 4 20 460 120 4 540 115 40 580 100 5 9 580
120 5 SiCrCuNi 8 380 90 340 100 3 工作气体为 Ar 10 － － － － 350 120 3 船用碳钢 5
－ － － － 340 120 3 工作气体为 Ar 10 360 90 360 110 3 21 28 480 120 4 － － － － 30
480 120 4 550 110 20 480 80 5 － － － － 工作气体为 28 480 90 5 14 － － － －
Ar50%+N250% 30 500 110 4 － － － － 40 560 110 550 150 4 铝合金 20 － － － － 480 125
4 10 工作气体为 Ar 40 520 120 5 570 130 40 480 100 5 － － － － （3）熔化极水喷射水下切
割的工艺参数 在熔化极水喷射切割中，作为切割电极的切割丝是连续供给的，从而提高了生产效率。此外，
该切割法既可进行自动切割，也可进行半自动切割；切割时可以采用实芯割丝，也可采用药芯割丝。用实芯
割丝在 200m 水深切割低碳素钢及铝时的工艺参数见表 8；用药芯割丝对低碳素钢、不锈钢及铝进行熔化极水
喷射切割时的工艺参数分别见表 9、表 10 及表 11。 表 8 实芯℃割丝熔化极水喷射水下切割低碳素钢及铝的
工艺参数 材料 板厚/mm 水深/m 水压力℃ 水流量 电弧电压 切割电流 切割速度 /Mpa /-1 /V /A /-1
低碳素钢 9 6 38 800 120 200 48 16 6 40 1000 75 200 50 25 6 40 1000 35 200 50 铝 20
40 800 100 200 50 40 40 1000 40 200 50 60 40 1000 15 200 50 ℃ 割丝为直径
的碳素钢丝。 ℃ 表中水压力值为除水深静压力之外，另行增加的压力值。 表 9 药芯割丝熔化极水喷
射水下切割低碳素钢的工艺参数 板厚 切割电流 切割速度 切割电压 水压 切口宽度/mm /mm /A /-1 /V
/Mpa 正面 背面 9 500 25～30 ～ ～ ～ 800 1000 16 600 25～30 ～ ～
～ 800 1000 20 600 28～33 ～ ～ ～ 800 1000 25 800 28～
37 ～ ～ ～ 1000 30 1000 － 30～35 ～ ～ ～ 注：割丝直径 ф。
表 10 药芯割丝熔化极水喷射水下切割不锈钢的工艺参数 板厚 切割电流 切割速度 切割电压 水压 切口宽
度/mm /mm /A /-1 /V /Mpa 正面 背面 8 500 22～28 ～ ～ ～ 800 1000 12 600
22～28 ～ ～ ～ 800 1000 18 800 25～30 ～ ～ ～ 1100
25 800 25～30 ～ ～ ～ 1100 注：割丝直径 ф。 表 11 药芯割丝熔化极水喷射
水下切割铝的工艺参数 板厚 切割电流 切割速度 切割电压 水压 切口宽度/mm /mm /A /-1 /V /Mpa 正
面 背面 8 400 25～30 ～ ～ ～ 500 600 2 12 500 25～30 ～ ～ ～
600 700 2 25 600 28～33 ～ ～ ～ 800 1000 1 45 800 32～37 ～ ～
～ 1000 注：割丝直径 ф。
38 水下切割 水下电弧-氧切割工艺
（1）一般操作程序 1) 切割前的准备 ℃ 切割前潜水员应首先对切割作业现场进行调查，仔细了解切割工件
的结构特点、表面状态及周围环境情况。根据调查情况，制定出切割实施方案。 ℃ 按切割方案对拟定的切
割线进行清理，去除表面上的泥沙、海生物、铁锈及不利于切割操作的障碍物等。 ℃ 接好电、气线路，并
进行检查使之处于完好状态；备足消耗材料，如氧气、割条等。 2) 下潜进行切割割炬可由潜水员自己带到
切割地点，也可由水面工作人员通过信号绳传递给潜水员。割条可放置在妥善的容器内由潜水员带到水下，
放到拿取方便的地方，也可装入特制的小口袋中，系在身上。潜水员首先要使自己处于稳定、方便、安全的
位置上，然后一手握住割炬，一手持割条并将它夹入割炬的夹头内，拧紧螺钉将割条固定，握住割炬手柄，
使割条接近切割点，准备引弧进行切割。引弧前，如无自动供氧装置，首先要开启割炬上的氧气阀门，给出
一个较小的气流，以防止灰尘堵塞割条内孔。最好通知水面上工作人员供电，引弧进行切割。引弧的方法可
与水下手工电弧焊引弧一样，可用划擦法，也可用触动法。引弧后，当金属还未被割穿时，潜水员应稳定住
割炬，直到割穿后再开始沿切割线进行正常切割。当割条消耗到离钳口 30mm 左右时停止切割，通知水面上
工作人员停电，以便更换割条，然后再继续切割，直到把工件割开。 3) 切割后的检查与补割切割结束后，
必须对割缝进行检查，看是否有漏割或未完全割透的地方，如有上述现象，需进行补割。判断是否有漏割及
未完全割透的现象，可采用如下几种方法。 ℃ 在可见度较好的水中，可通过观察切割时喷射的火焰及熔渣
的方向来判断。当割缝没有被割透时，暗红色的火焰向割条方向反射，喷出的氧气也因受阻而从正面上浮，
使得周围的水剧烈搅动；如果割缝已被割透，熔渣会随氧流向背面冲出、火焰的红色减退而微带蓝绿色，而
且气流通畅、气泡少、水的波动声也小。 ℃ 在可见度较低的浑水中切割时，潜水员不易观察到火焰及熔渣
的喷射情况，但可凭借经验来判断。若割缝未被割透，气流会受阻，对割炬的反冲力增大，割炬跳动的现象
加剧；若割缝已被连续割透，则这种割炬跳动的现象较弱，感觉割炬很平稳。 ℃ 对已切割完的割缝，可用
细铁丝或薄铁片等插入割缝中沿割缝检查，如通行无阻，则表明割缝已全部割透。（2）水下电弧-氧切割的
操作方法 1) 起割点的操作一般情况下，水下切割过程多从被切割工件的边缘开始，向中间切割，直至切断；
但有时受结构特点或环境所限，需从中间开始切割。从工件边缘开始切割时，首先将割条端部触及工件边缘，
并垂直于切割面，使割条内孔骑到工件边缘棱线上，然后送电起弧。最好采用接触法引弧，开始时最好不要
移动割条，待工件边缘形成凹形口后再慢慢向中间移动，开始正常切割；也可在边缘附近（离边缘线的距离
不超过 10mm）引弧，引弧后迅速向边缘移动，使边缘口形成凹口，然后再向中间逐步切割。从中间开始切
割时，要比从边缘开始切割容易一些。首先将割条端部触及工件，使之与工件的切割面成 80°～85°角，然后
采用接触法或划擦法引弧。引弧后保持原地不动，直至割穿后再开始正常切割。 2) 正常切割的基本操作正
常切割是指起始切口形成后的切割过程，基本操作方法有以下 3 种：支撑切割法、维弧切割法、加深切割法。
支撑切割法是指在引弧形成起始切口后，割条倾斜并与切割面保持 80°～85°角，利用割条药皮套筒支撑在工
件表面上，割条移动过程中，始终不离开工件的电弧-氧切割方法，操作方法如图 5(a)所示。该方法既可自左
向右，也可自右向左，还可靠在规尺上切割，操作方便，效率较高，适用于中、薄板的水下切割。维弧切割
法是指起始切口形成后将割条提起，离开工件表面约 2～3mm，并与工件保持垂直，然后沿切割线均匀地向
前移动，始终维持电弧不熄灭，操作方法如图 5(b)所示。该方法适用于厚度在 5mm 以下薄钢板的水下切割。
由于潜水员在水下保持身体的稳定性较困难，故电弧不易保持稳定。另外，切割质量也略低于支撑切割法，
因此实际应用中不大采用维弧切割法。加深切割法是指在起始切口形成后的切割过程中，割条不断伸入割缝
中，使割缝不断加深，直到割穿工件，如此往复进行，最终将工件割开，如图 5 ? 所示。该方法适用于采用
支撑切割法一次不易割透的厚板或层板。操作时割条上下移动要协调均匀，以保持电弧稳定燃烧。 3) 各种
位置的水下电弧-氧切割技术根据被切割工件或结构在水下的位置，可将水下电弧-氧切割分为平割、立割、横
割及仰割操作技术。横割操作是平割及立割操作在横向被割工件或结构上的运用，而仰割操作不宜应用于这
种位置。 ℃ 平割操作技术 潜水员下潜至切割作业点后，处于俯视割线的位置，一手持割炬，一手扶按在割
线方向的位置。这样有助于切割位置的稳定，使割缝保持平直。如在浑水中或能见度很差的水域中切割时，
这样就可借助于割线上的导向定点（也可用导向绳导向）来指示切割方向。切割开始前，应整理好水面供气
管、信号绳、切割电缆等设备，使之处于手持割炬的一侧，以免被电弧及飞溅出的熔渣烧坏。切割开始后，
随着电弧的引燃及割缝的延伸，潜水员应保持住平衡的姿势，同时沿着割缝的方向移动身体的上部，当达到
最大限度后，再移动整个身体的位置，继续进行切割。切割过程中最好能保持切割的连续性，如果必须中断
切割，则在切割下一段时，应从上段割缝的终点处开始切割。为使割缝整齐，可借助导尺（即靠模）进行切
割。 ℃ 立割操作技术 潜水员下潜至切割作业点后，处于同割线平行的位置。切割开始前，应先整理好水面
供气管、信号绳、氧气管及切割电缆等设备，可将过条的氧气管及切割电缆搭在被割工件上，但应注意不要
使它们处于熔渣流动的线路上，以免被烧坏。 ℃ 横割操作技术 横割时，如果工件上端处于自由状态，为防
止工件被割断后塌落砸伤潜水员，切割前应先在工件上端割出孔洞以便拴上钢缆，用工作船上的吊车吊住钢
缆，然后再进行切割。如果要切割下来的工件较大，不要将工件完全割断，应在边缘处留下一点未割金属，
以确保吊车未起吊之前该工件不会自由移动。待潜水员整理好切割装备并撤离水面或躲到其他安全的地方以
后，再启动吊车将留下的那一小部分金属拉断。 4) 悬空位置的水下切割技术水下切割作业中，许多工件处
于悬空位置，如果直接切割，会给在悬空状态下工作的潜水员造成很大的危险性，切割效率也低。因此，首
先应使潜水员稳定住身体，能安装工作台的尽可能安装，不能安装工作台的可制作一只吊篮，让潜水员站在
吊篮中进行切割。另外，也可利用缆绳稳定住身体。对于悬空位置的切割，应十分注意切割顺序。对于一般
工件或结构进行横割或立割时，应自上而下逐块切割。但对于水平管的切割要严加注意，都要在钢管的上半
周处留一段距离，最后再切割或用吊车拉断。
39 水下切割 水下等离子弧切割工艺
（1）起割方法切割前，应把拟定的切割线清理干净，尤其是对被切割工件的起割点清理好，使其导电良好。
切割时应从工件边缘开始，待工件边缘割穿后再移动割炬。若不允许从工件的边缘起割，则应根据工件的厚
度，在适当位置钻出一个直径为 8～15mm 的小孔作为切割点。（2）喷嘴到工件的距离在整个切割过程中，
喷嘴到工件的距离最好保持稳定，否则距离的波动会使切割速度不平稳，切口不平整。（3）割炬的角度在整
个切割过程中，割炬应与欲形成的切口平面保持合适的位向关系，否则易使切口平面发生偏斜且不光洁，底
面也会形成熔瘤。为了提高切割质量及生产率，一般将割炬向切割的相反方向倾斜 45°角。切割薄板时，割炬
的后倾角可适当大些；切割厚板时，后倾角不能太大。（4）“小弧”的引燃小弧的引燃采用水下等离子弧切割
法对工件进行切割时，等离子弧难以在电极与工件之间形成，必须采用高频振荡器或直接接触方式（比如借
助于带绝缘手柄的导电棒与喷嘴短路的方法）来引燃，以便 用较大流量的气流把喷嘴周围的水排除。另外，
电极内缩过大或与喷嘴短路，也不能使小弧引燃，此时须调整电极的内缩量。 ? ?
40 其他气体火焰切割 高速、高效气割工艺
（1）超声速割嘴快速气割 这种切割方法选用割嘴的切割氧孔道具有超声速均直流的气动特性曲面，切割面
光洁。由于超声速氧流在单位时间内能提供较多的氧气，可促进被切割金属的氧化反应，便于气割过程的顺
利进行。 超声速割嘴因其切割氧出口孔道是扩散形，使氧射流的喷出速度大于声速，且长而挺直、动量大，
故具有良好的切割性能。不仅切割速度快（比一般直筒形割嘴快 20％～25％），而且所能切割的厚度大，切
割面质量好。一般超声速割嘴有切割氧压力 490kPa 和 690kPa 的两种。表 3 给出 690kPa 超声速割嘴切割的工
艺参数。 表 3 690kPa 超声速割嘴切割的工艺参数 切割板厚 割嘴号码 切割氧孔道尺寸/mm 气体压力/kPa
切割速度 /mm 喉径 出口孔径 氧气 乙炔 /-1 6～14 0 690～790 25 800～550 10～20 1 1 690～
790 29 700～600 20～40 2 690～790 39 600～500 40～60 3 690～790 39 500～400 60～80 4
690～790 39 450～350 80～100 5 690～790 39 350～300 100～150 6 690～790 49 300～
200 普通割嘴切割氧孔道是圆柱形的，切割氧压力随孔径的增加而增加，氧气流出口速度较慢，涡流大。而
超声速快速割嘴的切割氧压力基本不随切割厚度的变化而变化。表 4 列出超声速快速割嘴切割的工艺参数。
表 4 超声速快速割嘴切割的工艺参数 割嘴号 割嘴喉部直径/mm 切割厚度 切割速度 气体压力/Mpa 割口宽
度 /mm /-1 氧气 乙炔 丙烷 /mm 1 5～10 750～600 ≤1 2 10～20 600～450
≤ 3 1 20～40 450～380 ≤2 4 40～60 380～320 ≤ 5 60～100 320～
250 ≤ 6 100～150 250～160 ≤4 7 2 150～180 160～130 ≤
1A 5～10 560～450 ≤1 2A 10～20 450～340 ≤ 3A 1 20～40 340～250
≤2 4A 40～60 250～210 ≤ 5A 60～100 210～180 ≤ 超声速
割嘴切割操作方法与普通割嘴相同，但需注意以下几点： ℃ 不论切割薄板还是厚板，切割氧压力的设定需
按照割嘴的设计压力，但可适当高些（主要看风线情况），以弥补软管的压力损失； ℃ 氧气皮管宜使用内
径 8mm 的软管； ℃ 预热火焰功率要适当加大些，但切割厚板不宜增大。 （2）氧帘割嘴快速气割。 氧帘
割嘴快速气割在通常的预热火焰和切割氧流之间附加一层小流量、低流速的保护氧流，在切割氧流外围形成
一道保护屏幕，使之不受周围杂质气体的污染，相对地提高了切割氧的纯度，并对预热火焰起稳定作用。 因
此这种割嘴的切割速度比普通割嘴高 40％～50％，切割面粗糙度可达 μm，且上缘棱角清晰，下缘无粘
渣，特别适合于厚度 40mm 以下成形零件的优质切割。在我国普遍采用气态氧的条件下，氧帘割嘴是提高气
割速度和质量的有效方法。氧帘割嘴的操作注意事项与超声速割嘴相同。 氧帘割嘴快速机械切割低碳钢的工
艺参数见表 5。 表 5 氧帘割嘴快速机械切割低碳钢的工艺参数 板厚/mm 切割速度/-1 备 注 10 770 ℃
割嘴切割氧孔的喉径为 14 730 ℃ 切割氧压力为 686kPa(7kgf/cm2) 16 690 ℃ 预热燃气为乙炔 18 640 ℃
切割面割纹深度 μm 20 600 24 520 30 430 为了提高切割质量，手工切割时可采用在手工割炬装上电动匀
走器的方法（见图 1），利用电动机带动该轮使割炬沿切割线均速行走。也可使用直线导板，这样既减轻劳
动强度，又能提高切割面质量。
锯割 锯割工艺
锯割工艺主要包括工件的夹持及放置、锯条或锯片的安装、起锯、手锯时操作人员的姿势以及锯割质量等。
（1）工件的夹持 ℃ 工件尽可能夹持在虎钳的左面，以方便操作。 ℃ 锯割线应与钳口垂直，以防锯斜。 ℃
锯割线离钳口不应太远，以防锯割时产生颤抖。 ℃ 工件夹持应稳当、牢固，不可有抖动，以防锯割时工件移
动，而使锯条折断。 ℃ 防止夹坏已加工表面和工件变形。 （2）锯条的安装 手锯是在向前推时进行切割的，
在向后返回时不起切割作用，因此安装锯条时要保证齿尖的方向朝前。锯条的松紧要适当，太紧失去了应有
的弹性，锯条易崩断，太松会使锯条扭曲，锯缝歪斜，锯条也容易折断。 （3）起锯 起锯是锯割工件的开始，
起锯的好坏直接影响锯割质量。起锯的方式有远边起锯和近边起锯两种。一般情况下采用远边起锯，因为此
时锯齿是逐步切入材料，不易被卡住，起锯比较方便。如果采用近边起锯，掌握不好时，锯齿由于突然锯入
且较深，容易被工件棱边卡住，甚至崩断或崩齿。 无论采用哪一种起锯方法，起锯角以 15°为宜。如果起锯
角太大，则锯齿易被工件棱边卡住；起锯角太小，则不易切入材料，锯条还能打滑，把工件表面锯坏。为了
使起锯的位置准确和平稳，可用左手大拇指挡住锯条来定位。起锯时压力要小，往返行程要短，速度要慢。
（4）锯割姿势 锯割时操作人员的步和姿势应便于用力。人体的重量均匀分在两腿上。右手稳握锯柄，左手
扶在锯弓前端，锯割时推力和压力主要由右手控制。 推锯时弓运动方式有两种：一种是直线运动，适用于锯
缝底面要求平直的槽和薄壁工件的锯割；另一种是锯弓作上、下摆动，这样操作自然，两手不易疲劳。手锯
在回程中因不进行切削，因此不要施加压力，以免锯齿磨损。在锯割过程中锯齿崩落后，应将近邻几个齿都
磨成圆弧，才可继续使用，否则会连续崩齿，直至锯条报废。 （5）锯条损坏和锯割质量 锯条损坏形式主要
有锯条折断、锯条崩裂、锯齿过早磨钝。产生的原因及预防方法见表 4。 表 4 锯条损坏产生的原因及预防方
法 锯条损坏形式 原 因 预防方法锯条折断 ℃锯条装得过紧、过松 ℃注意装得松紧适当 ℃工件夹装不准确，
产生抖动或松动 ℃工件夹牢，锯缝应靠近钳口 ℃锯缝歪斜，强行纠正 ℃扶正锯弓，按线锯割 ℃压力太大，
起锯较猛 ℃压力适当，起锯较慢 ℃旧锯缝使用新锯条 ℃调换厚度合适的新锯条，调转工件再锯锯条崩裂 ℃
锯条粗细选择不当 ℃正确选用锯条 ℃起锯角度和方向不对 ℃选用正确的起锯方向及角度 ℃突然碰到砂眼、
杂质 ℃碰到砂眼时应减小压力锯齿很快磨钝 ℃锯割速度太快 ℃锯割速度适当减慢 ℃锯割时未加冷却液 ℃可
选用冷却液锯割产生废品的种类有：工件尺寸锯小；锯缝歪斜超差；起锯时工件表面拉毛。其中前两种废品
的主要原因是锯条安装偏松，工件未夹紧而产生抖动和松动，推锯压力过大，换用新锯条后在旧锯缝中继续
锯割；起锯时工件表面拉毛是起锯不当和速度太快而造成的。其主要预防措施是熟练掌握技术要领，锯割时
要仔细认真。
42 高压水射流切割 高压水射流切割的工艺特点
（1）一般工艺特点 ℃ 由于高压水射流切割属于冷切割，在切割过程中产生的热量很少，并且热量很快被水
流带走，所以不会造成工件切口附近的材料氧化、金相组织发生变化，也不会使工件发生变形，同时也避免
了某些材料有害物质的挥发。 ℃ 高压水射流切割属于点切割，切割时作用在工件上的力很小，不会使工件产
生附加应力或应力变形，这对于切割某些表面完整性要求高的零部件及其补充加工有着特殊的意义。 ℃ 高压
水射流切割没有粉尘危害，因为切割碎屑很快会随水流进入收集器而被排走，这对于石棉制品、玻璃钢制品、
酚醛夹层材料以及陶瓷制品等材料的切割是非常有利的。 ℃ 由于高压水射流切割所使用的喷嘴孔径很小，使
得切口的间隙很窄，这可以大大节约材料，特别是对于某些贵重金属的切割，提高了材料的利用率，降低了
生产成本。 ℃ 高压水射流切割设备大都采用计算机或机器人控制的数控切割装置，可以实现多轴联动，所以
采用高压水射流不但可以切割各种板状材料，也可以切割三维曲形的零部件。（2）切割工艺操作要点 1) 切
割前的准备高压水射流切割基本上都采用数控或机器人切割装置。在切割曲率半径小的曲线段及小曲率圆弧
时，若以过高的速度进行高速加工，因局限于数控切割装置处理能力上的原因，有时不能得到正确的零件形
状。因此切割前要事先弄清情况及要求，比如有时用新型数控切割装置替换旧的，或者在选定切割参数时，
通过降低高压水射流压力以便以较低的切割速度进行切割。另外，对机器人进行“示教”时，要关闭高压水泵，
使割枪在不喷水状态下空运转，并确认所设定的轨迹是否符合所要求的工件切割形状。 2) 起割方法高压水
射流切割与氧气切割及等离子弧切割一样，起割方式分为从板端或者板内预开孔部起割及直接从板内打孔后
起割两种。这两种起割方式的操作要领不同。 ℃ 从板端或板内预开孔部起割方式 一般对于厚板的切割都采
用这种方式。起割时，喷嘴置于离起割点 5～10mm 处，待高压水射流喷出后，再让割枪以给定的速度移向起
割点开始正式切割。但当板材较厚时，为使起割点处的工件能顺利割穿，割枪的移动速度宜略放慢些。 ℃ 板
内打孔后起割方式 薄板零件的成形切割经常采用这种方式。在板内打孔时，高压水射流会向上反冲使喷嘴端
部磨损及水雾飞溅。若板较薄，孔很快会被打穿，就可避免上述问题；而板较厚时，上述反冲就变得严重，
加之打孔所需时间也相当长，故不宜采用该种切割方式。当厚板必须从板内开始切割的场合，应预先开孔（如
钻孔等），然后再按℃所述的方式起割。 3) 割枪运行方法在高压水射流切割的起点及终点部位，切口宽度一
般都略大，这就影响到零件的切割质量。为避免这种情况，通常不从切割线上来打孔起割，也不从切割线上
来结束切割，而宜采用图 1 所示的割枪运行方法，即从离切割线起点一定距离的℃点起割，并移至℃点结束切
割。在零件的转角处，切割速度通常要适当放慢，这就不可避免地会使切割面的倾斜角也发生变化。为避免
产生这种情况，宜采用图 3(a)所示的越线切割（即割枪沿切割线延长线多行进一段再拐角）办法。采用这种
方法，转角处就不会残留未切去的部分或出现圆角，进而获得满意的切割质量。但如图 2(a)中所示，因留有
三角形小块，不利于后续的切割操作，除非对切割零件的外形和质量有特殊的要求。一般情况下，还是采用
图 3(b)所示的方法为宜。在切割圆形件的情况下，一般可采用前述图 1 所示的切割方法。但这种方法由于起
割和结束切割的运行路线有重复，故会使切割面的质量有所下降。所以对于要求获得高质量零件的场合，最
好采用图 3 所示的割枪运行路线缓慢改变的方法，这样获得的切割面光顺自然。 4) 终点切割操作在切割厚
板及进行高速切割时，切割面上会产生后拖量，即割枪运行到终点时往往下半部尚未完全割穿。因此，当切
割至接近切割线终点时，宜将切割速度适当降低，使之能完全割穿。 5) 操作注意事项 ℃ 高压水射流反冲和
水雾的防止及有关措施 为防止切割开始时因割枪设置不当或打孔时出现高压水射流反冲及水射流飞散而伤到
操作人员，切割部位四周应适当遮蔽，使高压水射流与操作人员隔开。另外，为防止切割过程中高压水射流
发生反冲，切割工作台的结构要适当设计，同时也可在割头处加装喷嘴装置。对高压水射流形成的水雾，如
厂房未设置总的通风排气装置，则至少应在切割区配备局部性通气排风装置。 ℃ 更换喷嘴及搬送被切割材料
上、下工作台时注意事项 高压水射流对操作会造成很大的伤害，因此，更换喷嘴时必须把高压水的残存压力
释放后才可进行。另外，采用人工搬送被切割材料到切割工作台或割后搬卸零件时，为避免高压水突然喷出
击伤工人，也必须将高压水的残存压力事先释放。 ℃ 操作完毕后的检查要点 在一次切割操作完毕，并且高
压水射流切割机停机后，操作人员应对以下事项进行检查和确认，以使下一次切割工作能顺利进行。 A．?
高压水管路中是否存有残余压力。 B．? 喷嘴前端是有水漏出（包括高压水启动阀的工作是否正常）。 C．?
采用加磨料型高压水射流切割时，要事先把磨料管从割枪体上卸下，并检查输送管中是否残留有磨料。 D．?
检查磨料喷嘴孔的圆度，确认喷嘴的磨损程度。
43 高压水射流切割 高压水射流切割的工艺参数及影响因素
（1）高压水压力采用纯水型高压水射流切割法对玻璃纤维增强塑料（GFPP）进行切割时，在切割速度
（100mm/min）及喷嘴高度（2mm）一定的情况下，切割深度与高压水射流喷出时的压力的关系如图 4 所示。
切割深度与高压水压力呈直线关系，通常可整理成以偏离原点为起点的直线。试验证明，采用加磨料型切割
时切割深度与高压水压力也呈直线关系。高压水射流切割时，由于受到工件材质及割枪参数的影响，高压水
喷出的压力存在一个临界值，当水压力低于该临界值时，就不能实现对工件的切割。比如在采用纯水型切割
法切割各种岩石时，其切割临界水压力与被切割材料的抗拉强度的关系如图 5 所示。随着被切割材料抗拉强
度的增大，切割临界水压力逐渐升高。试验证明，采用纯水型切割法来切割塑料或者采用加磨料型切割法来
切割金属材料时，临界水压力与被切割材料抗拉强度也有类似的关系。上述特性是从板材端部起割时得到的
结果，在实际操作时往往需从板材料中间打孔起割。图 6 所示为采用加磨料型水射流打孔所需的时间与高压
水压力的关系。打孔所需时间与高压水压力的关系。打孔所需时间与高压水压力并非呈直线关系。由于板材
比较厚，打孔需要相当长的时间，但随着高压水压力的增大，打孔所需的时间就相对缩短。（2）切割速度切
割速度不但影响切割能力，也影响到切割质量。图 7 所示为采用加磨料型水射流切割法来切割低碳钢、不锈
钢及铝合金时的切割深度与切割速度的关系；图 8 所示为在不同不压情况下采用加磨料型水射流来切割不锈
钢时的切割深度与切割速度的关系。从上述两图可以看出，切割速度与切割深度大致上呈反比关系，即切割
速度增大时，切割深度就减小。另外，切割厚度相同的低碳钢和不锈钢时，其切割速度基本上是相同的；而
切割相同厚度的铝合金和钢材时，前者的切割速度为后者的 2 倍。当板厚一定时，切割速度存在一个极限值，
当切割速度大于该极限值时，就不能实现切割。图 9 所示为采用纯水型高压水射流切割法来切割玻璃纤维增
强塑料时的极限切割速度与板厚之间的关系。该图括号内所标数字为切割面积速度，其定义为：切割深度×最
大切割速度或切割板厚×极限切割速度。可以看出，切割面积速度的最大值不产生在高速切割薄板时，也不产
生在切割厚板时，而是产生在切割介于两者之间的板材时。切割面积速度最大，亦即切割能力最大，故往往
把接近切割面积速度最大值的工艺参数作为最佳切割参数。采用加磨料型水射流切割铝合金时的切割速度与
切口形状的关系如图 10 所示。当切割速度较慢时，形成上窄下宽的切口；而当切割速度过快时，则形成上宽
下窄的切口，并且切割面的倾斜角较大，同时出现热切割中常见的后拖线，粗糙度也变差；当切割速度适中
时，可获得上口与下口同样宽度的切口（即垂直切割面）。试验表明，最合适的切割速度，即可获得最佳切
割面的切割速度约为极限切割速度的 2/3。因此，在实际应用中，根据切割效率与切割质量的不同侧重点，可
选用不同的切割速度。（3）喷嘴孔径喷嘴孔径的尺寸大小直接影响到喷出的水流量，进而影响到切割能力。
喷嘴孔径增大，从喷嘴中喷出的高压水流量也增大，切割能力相应提高。采用纯水型高压水射流切割时，喷
嘴孔径与切割深度的关系大致为正比关系；采用加磨料型水射流切割时，喷嘴孔径与切割深度的关系如图 11
所示。随着喷嘴孔径的增大，切割深度也增大，即切割能力提高。虽然试验数据的边线略呈曲线形状，但大
致上接近直线关系，如图中点划线所示。（4）喷嘴高度及割枪倾斜度喷嘴高度对切割能力和质量有很大的影
响。图 12 所示为加磨料型水射流切割时的喷嘴高度与切割深度的关系。喷嘴高度从约 2mm 开始逐渐增大时，
切割深度逐渐下降。采用纯水型水射流切割时，喷嘴高度与切割深度也有类似的关系。此外，喷嘴高度过大
时，切口上缘会出现塌肩现象；但喷嘴高度小于 2mm 时，切割深度反而减小，故实际切割时喷嘴高度一般取
2mm。采用高压水射流切割时，割枪大都与工件表面垂直。在对工件进行剥离、冲洗及切削加工等场合则宜
使割枪倾斜一定角度，以便提高切割能力。割枪向后倾斜约 10°角时的切割深度为最大。（5）重复切割时的
切割深度在对切割质量（如分割厚混凝土层及岩石）要求不太严格的情况下，高压水射流可以沿着同一割线
反复地进行切割直至把材料割断。通常使用割枪旋转的回转式切割机，喷嘴孔相对割枪的轴线有一定的倾斜
角。图 13 所示为采用纯水型高压水射流来切割混凝土时，在喷嘴与工件表面间距离保持一定的情况下，沿同
一切割线反复加工次数与切割深度的关系。随着切割次数的增加，实际的喷嘴高度不断增大，总的切割深度
不断增大，而每次切割的切割深度逐渐减小，并且总的切割深度的增加量也相应地逐渐减小。（6）磨料的种
类、粒度及供给量加磨料型高压水射流切割中磨料对切割能力有重要的影响。当磨料硬度高于某一临界值时，
切割深度出现一个突变性的提高；而一些砂粒状磨料，如橄榄石、石英砂、硅酸铝及金刚砂等，其硬度均高
于常用的大多数磨料，但切割深度并未随硬度的升高而增大。切割能力的大小取决于磨料的颗粒结构和韧性。
尖角状的磨粒比圆角状的磨粒具有良好的切削刃；韧性好的磨粒在被粉碎之前比脆性磨粒能保持较长的切削
刃，故切割能力较强。比如铜炉渣，其颗粒硬度虽然低于金刚砂，但具有尖锐的棱角，其切割速度反而比金
刚砂快 30％。所以在磨粒硬度高于被切割材料硬度的前提下，宜选用尖角状、韧性好的、硬度较低的磨料，
而不选用硬而脆的磨料。上述特性对于磨料对喷嘴的磨损作用也同样适用，硬度很高的磨料会使喷嘴很快磨
损，而硬度较低、韧性较好的磨粒能延长喷嘴的使用寿命。几种磨料的硬度值见表 3。另外，选用磨料时还应
考虑其价格，比如金刚砂比石英砂及铜炉渣要贵得多。表 3 几种磨料的硬度值磨 料 硬度值（莫氏硬度/维氏
值） 石英砂（SiO2） 7/1000 " 橄榄石（Mg2SiO4,Fe2SiO4）" " 镍炉渣（Fe2O3,SiO2 等）" 7/1000 "
铜炉渣（Fe2O3,SiO2 等）" 7～ " 阿鲁杜合金砂（Fe2O3,SiO2，Al2O3）" 7～
硅酸锆（ZrSiO4） 金刚砂（Al2O3） 9/2100 目前常用的磨料有石榴石、碎燧石、石英砂、铸铁
砂、铜炉渣、天然砂及金刚砂等。使用金刚砂作磨料进行切割时，磨粒易嵌入切割表面，会对随后的焊接接
头性能造成不良影响。另外，在采用挟带磨料式高压水射流切割时，通常采用干燥态的石榴石、碎燧石、石
英砂或铸铁砂等作为磨料；采用浆液态时的磨料大都选用氧化铝粉末，适合切割薄板及延展性好、易产生毛
剌的材料。 采用加磨料型高压水射流来切割时，磨料的粒度对切割速度有重要影响。图 14 所示为用石榴石
和氧化铝作磨料时磨料的粒度与切割深度的关系。当石榴石的粒度小于 200μm 时，切割深度随着粒度的增大
反而减小。 这是由于： ℃ 由于切割过程中磨料的供给量是固定的，粒度增大，会使与材料相冲击的磨料数
量减少； ℃ 磨料的粒度大，磨粒的质量也大，故不能被高压水射流充分加速。所以，从切割能力的角度而
言，每一种磨料存在一个恰当的粒度大小而使得切割能力最大。比如采用石榴石作磨料时，磨粒的平均粒度
为 200μm 最合适。但切割根据割枪中混合室的形状不同，适宜的磨料粒度大小也略有不同。另外，当要求
获得较光滑的切割面时，通常采用粒度较小的磨料，不过切割能力会有所降低，常用的磨粒度为 50～500μm。
图 15 所示为磨料的供给量与切割深度的关系。磨料的供给量增加，切割能力也相应提高，且大致呈正比关
系。磨料的供给量不一定越大越好。磨料的供给量过大，切割能力并不再提高，对于某些磨料来说，供给量
增大反而会使切割能力下降（如图 24 中虚线所示）。故存在一个临界磨料的供给量，使得切割能量最强，这
与割枪混合室的设计也有一定的关系。（7）被切割材料的材质纯水型高压水射流切割仅适合于切割材质较软
的材料，并且起始切割临界压力与被切割材料的抗拉强度有关。另外，水射流的切割能力还与材料的硬度有
关，在其他条件不变的情况下，随着被切割材料硬度的增大，高压水射流的切割能力逐渐下降。比如采用纯
水型高压水射流来切割材质较软的氨基甲酸乙酯及硬质橡胶等材料时，切割面积速度较大；而切割硬度相对
较大的开普勒塑料、纤维增强塑料及 ABS 塑料时，切割能力就大大降低。此外，采用加磨料型高压水射流切
割时，切割面积速度的大小还同被切割材料的断裂能有关。对于脆性材料来说，仅与陶瓷类材料的断裂能有一
定的关系；而对于延展性材料来说，几乎与它们的断裂能都有关系。
44 高压水射流切割 高压水射流的其他加工工艺
高压水射流，尤其是加磨料型高压水射流除了用于切割加工外，还可用作其他方式的加工。下面列举高压水
射流的一些其他主要应用。 （1）打孔 高压水射流可用于在各种材料上打孔以代替钻头钻孔，其加工速度比
钻孔快，而且质量好，例如对厚 25mm 的铝板打孔时，每打一个孔仅需 30s。 纯水型高压水射流可用于印刷
线路板上的打孔，而加磨料型高压水射流不仅适用于软质材料，更适合于硬质材料的打孔。比如用硬质合金
钻头在由 30％碳纤维合成材料制成的厚模制件上打直径为 3mm 的孔时，钻头很快被磨钝；而采用高压水射流
加工则轻而易举，效率也较高。但高压水射流所能加工的孔径大小，尤其是孔径的最小值受喷嘴孔径的磨料
粒度的限制。 （2）开槽和制备焊接坡口 加磨料型高压水射流可用来在各种金属零件上开凹槽（如用于堆焊、
堆填耐蚀材料的凹槽以及用以固定另一个零件的槽道等）。所需的凹槽形状可通过调整高压水射流加工参数
来实现。如欲加工出较宽的凹槽，可加大喷嘴高度；欲获得较深的凹槽，则可放慢割枪移动速度。在开槽过
程中，割枪与工件表面保持垂直。 另外，也利用加磨料型高压水射流来制备窄间隙焊接坡口。具体做法是：
先把两块直边的厚板拼装成对接接头，并在接头背面焊上一道焊缝，然后从正面用高压水射流除去接头中的
金属，采用适当的加工参数加工出所要求的窄间隙坡口。 （3）清焊根和清除焊接缺陷 高压水射流加工时具
有不产生热量、不改变工件材质的特点，特别适合于代替常用的火焰或电弧刨削等热加工方法，如对热敏感
金属的焊接接头进行背面清根、清除焊缝中的裂纹等缺陷。特别是用于后一种加工时，裂纹在加工过程中不
会继续扩展。 （4）焊趾整形 为了提高焊接结构，尤其是角焊缝的疲劳寿命，通常需对焊道的焊趾区进行整
形并除去裂纹状缺陷。加磨料型高压水射流也适用于焊趾整形。图 1 所示为加磨料型高压水射流修整焊趾的
操作示意图，其中 θ 角应根据具体整形要求确定。而图 2 所示为加磨料型高压水射流加工所形成的焊趾形状
及加工参数的一个例子。 对于采用高压水射流整形的焊趾，其改善疲劳强度的效果与常用的砂轮打磨、TIG
重熔及等离子弧重熔等工艺相当，尤其对高应力工件的改善效果更好。另外，整形速度大大提高：加磨料型
高压水射流的加工速度为 20～45m/h，砂轮打磨的加工速度为 ～
? ?
45 电火花切割 电火花切割的工艺程序
电火花切割工艺是以电极丝切割方法为主要手段，将毛坯加工成满足一定形状、表面粗糙度和尺寸精度要求
的方法和技巧。在一定的设备条件下，合理选择加工工艺方法和制定加工工艺路线是完成工件加工的重要环
节。电火花切割的全过程一般可以分为五个基本步骤。 ℃ 对加工图纸的图形和技术要求进行必要的审核和分
析。 ℃ 加工前进行必要的工艺技术准备和工夹具准备，以及制定预防出现问题的措施。 ℃ 工件的切割工艺，
包括提出材料的热处理要求，电极丝、工作液和脉冲参数的选择；预加工、穿丝孔和切割顺序的安排；编制
程序等。 ℃ 对切割后的工件进行表面处理，主要包括清洗、修正以及去除表面疏松层等。 ℃ 检验。
46 电火花切割 电火花切割工艺参数
（1）切割速度电子束切割速度主要取决于工件厚度、脉冲电源参数、电极丝直径、工作液等。其中脉冲峰值
电流对切割速度有着明显的影响，见图 9。切割速度在一定范围内，随脉冲峰值电流的增加而变大，当脉冲峰
值电流增大到某一临界值后再继续增加，则会引起切割稳定性变差，切割速度明显下降。脉冲宽度对切割速
度的影响见图 10。切割速度随脉冲宽度的增加其变化规律也是先增加后减小。这是因为在一定范围内，脉冲
宽度的增加使放电熔化凹坑体积增大，因而有利于提高切割速度。但是，当脉冲宽度增加到某一临界值以后，
切割速度将会随脉冲宽度的增加而明显减小。这一方面是由于脉冲宽度增加，脉冲能量增大，电极丝振动加
大，当脉冲宽度达到某一临界值后，加工稳定性变差；另一方面脉冲宽度增加到临界值后，工件散热较多，
熔化凹坑体积相对减小，因而影响了切割速度。在其他加工条件不变的条件下，减小脉冲间隔，将导致脉冲
频率的提高。因此，单位时间内的放电次数增加，平均电流增大，切割速度提高。脉冲间隔对切割速度的影
响见图 11。脉冲间隔减小也是有限的。如果脉冲间隔过小，由于影响到放电产物的排除和火花通道的消电离
过程，会破坏加工的稳定性，从而大大降低切割速度。 脉冲间隔的选取与其他脉冲参数、走丝速度、电极丝
直径、工件材料和切割厚度有关。一般的电子束切割，脉冲间隔大于脉冲宽度。走丝速度或电极丝直径较大
时，因排屑条件好，可以适当缩短脉冲间隔；如果工件较厚，排屑条件恶劣，则可以适当加大脉冲间隔。脉
冲宽度和脉冲间隔的比值可以参见表 1。 表 1 脉冲宽度和脉冲间隔的比值的选择 电源波形 方 波 分组脉冲
高低压分组脉冲 材 料 普通厚板 大厚板 超厚板 普通厚板 大厚板 超厚板 普通厚板 大厚板 超厚板 Cr12 01:03
01:05 01:07 01:03 01:04 01:06 01:03 01:04 01:05 Cr12MoV 01:04 01:06 01:08 01:04 01:05 01:07 01:04 01:05 01:06
CrWMn H62 01:02 01:04 01:05 01:02 01:03 01:05 01:02 01:04 01:05 紫铜 01:03 01:05 01:07 01:03 01:04 01:07
01:03 01:04 01:06 硬质合金 01:05 01:06 01:07 01:04 01:05 01:08 01:04 01:05 01:06 铸铁 01:05 01:06 01:07 01:04
01:06 01:09 01:04 01:05 01:06 不锈钢 01:04 01:06 01:08 01:04 01:06 01:08 01:04 01:05 01:07 电工纯铁 01:04
01:06 01:08 01:04 01:05 01:07 01:04 01:05 01:06 硅钢片 01:05 01:07 01:09 01:05 01:06 01:09 01:04 01:05 01:06
电极丝材料的不同也会影响电火花切割速度。目前常用的电极丝有钼丝、钨钼丝、黄铜丝、钨丝、铜钨丝等。
在高速走丝电子束切割设备中普遍采用钼丝、W29Mo 合金丝、W50Mo 合金丝；在低速走丝电子束切割设备
中较多采用黄铜丝。 电极丝的直径对切割速度也有较大的影响。若电极丝直径过小，则承受电流小，切缝较
窄，不利于排屑和稳定加工。因此在一定范围内，增加电极丝直径有利于提高切割速度。但是电极丝直径超
过一定程度，造成切缝过大，反而会影响切割速度。因此电极丝的直径又不宜过大，电极丝直径对切割速度
的影响见图 12。电极丝直径与切割速度和切割效率的关系见表 2。 表 2 电极丝直径与切割速度和切割效率的
关系 电极丝材料 电极丝直径/mm 切割电流/A 切割速度/-1 切割效率/-1 Mo 5 77
Mo 100 W20Mo 5 86 W20Mo 112 W50Mo 5 90 W50Mo
127 注：加工材料为 Cr12，厚度 50mm；脉冲宽度 8μs，脉冲间隔 24μs；工作液为 15％的 DX-1 乳化
液；电源电压 70V。 （2）走丝速度 电极丝的运动速度即走丝速度与以下因素有密切关系。 ℃ 电极丝上任
一点在火花放电区域逗留的时间长短。 ℃ 放电区域电极丝的局部升温。 ℃ 电极丝在运动过程中将工作液带
入放电区域的速度。 ℃ 电极丝在运动过程中将放电区域的放电产物带出的速度。 走丝速度越快，放电区域
（间隙）湿升就会越慢，工作液进入间隙的速度就越快，电蚀产物的排除速度也就越快，因此在一定条件下
有利于切割速度的提高。但是走丝速度过高时会造成电极丝抖动，使切割过程不稳定。一般的电子束切割设
备的走丝速度控制在两个区间范围内使用，即低速走丝（～
走丝进行切割时，走丝速度越高，切割速度越快，见图 13。低速走丝切割不同材料的工艺效果见表 3。 表 3
低速走丝切割不同材料的工艺效果 工件材料 电极丝直径 切割厚度 切割宽度 表面粗糙度 切割速度 电极丝
材料 /mm /mm /mm /μm /-1 碳钢铬铁 0. 1 2～20 ～ 7 黄铜丝 2～50 ～ 12
2～75 ～ 25 10～125 ～ 25 75～150 ～ 25 铜 2～40
～ 硬质合金 2～ ～ 3 2～20 ～ 2～30 ～
2～50 ～ 石墨 2～40 ～ 12 铝 2～40 ～ 60 碳钢铬钢
2～10 ～ 5 钼丝 2～10 ～ 7 高速走丝切割虽然有利于切割速度的提高，但
是当走丝速度增加到一定值，放电区域状态已经改善到一定程度，走丝速度继续增加，反而会加大电极丝抖
动，不利于切割过程的稳定进行。高速走丝切割时走丝速度与切割速度的关系见图 14。 对于一般厚度工件高
速走丝切割时走丝速度为 5～6m/s；大厚度工件高速走丝切割时走丝速度为 6～8m/s；超厚度工件高速走丝切
割时走丝速度为 8～11m/s。（3）进给速度理想的电子束切割加工应是进给速度跟踪切割速度。进给过快容易
造成频繁短路，进给过慢容易造成频繁开路。同时过跟踪和欠跟踪都是造成加工不稳定的直接因素，容易引
起烧伤、断丝等异常现象。要实现理想的进给速度，必须提高设备进给控制系统的性能，同时凭借操作人员
的经验进行调整。
47 电 弧 切 割 电弧切割的工艺特点
（1）熔化极电弧切割熔化极电弧切割（MIG）电弧切割法切割能力较低，切割面质量比等离子弧切割差。切
割的零件边缘在割后状态下不宜直接进行焊接，铝合金的切割边可直接用于焊接。喷水式熔化极电弧切割法
中由于喷射水的冷却作用，切口窄且热影响区小，切割面光滑，粘渣较少。与 MIG 电弧切割相比，操作成本
低，效率相对较高，而且还可以改善操作环境。压缩空气熔化极电弧切割法中压缩空气流既起压缩电弧、冷
却割丝的作用，又排除熔渣。因此切割薄金属（厚度 以下）的速度快，切割面质量好，热变形小，热
影响区窄。而且刨削的槽道光洁，不需另作清理。（2）电弧锯切割电弧锯切割的工艺特点： ℃ 对导电性良
好的被切割金属，不论其强度、硬度、加工硬化性和韧性等力学性能，都能获得外观优良的切割面； ℃ 由于
放电时间极短（～），加上水溶性加工液的冷却作用，切割面的热变质层很浅（约 ）； ℃ 由
于是采用非接触式切割，工件不需要特制的夹持装置； ℃ 由于切割时采用多重套管结构，即使管与管之间存
在气体层也能进行切割； ℃ 电极虽然采用无齿式结构，但是切割过程中消耗很快，因此需经常更换电极； ℃
切割速度同金属的熔化温度有关，比其他方法进行切割的切割速度慢。电弧锯切割法仅适用于水下原子能反
应堆不锈钢零部件的拆解及切割，一般采用远控方式切割。（3）阳极切割阳极切割适用于各种金属材料的切
割。对高硬度、高熔点的金属材料也能轻易切割；阳极切割不会烧损工件和工具电极，因此切缝窄、切割速
度快、效率高；切割面平整、光滑、有利于后续加工；热影响区小，不会改变工件的内部组织结构；工作劳
动强度低、无粉尘、工作环境好；切割成本较低，电源选用一般的直流电焊机，设备较简单。因此，阳极切
割具有比其他电弧切割更好的适用性。
48 电弧切割 电弧切割的工艺参数
（1）惰性气体熔化极电弧切割工艺参数 1) 切割丝极熔化极电弧切割（MIG）切割法中采用铝丝、不锈钢丝
等作为切割丝用于切割铝和不锈钢最理想，但是成本比较高。因此，一般常采用普通钢丝，切割丝极的直径
大都为 。切割薄金属时也可使用直径 的丝极，但送丝速度要超出一般 MIG 焊接装置的送丝速度
范围。 2) 切割气体切割气体的选用根据工件的材质进行选择。切割铝材时以使用 Ar+1％O2 的混合气体为宜，
如使用纯 Ar，切口上缘会形成圆角；切割不锈钢时宜使用 Ar+（15～20）％O2 的混合气体，如采用纯 Ar，
切口上缘呈圆角，下缘粘渣；切割钛需采用纯 Ar，切割气体的流量一般为 570L/h。 3) 切割工艺参数 MIG
切割中电弧电压、切割电流和丝极的进给速度对切割结果有很大的影响。电弧电压一般取 20～25V，切割不
锈钢宜采用比切割铝及铝合金高的电弧电压，切割电流不能低于 600A。送丝速度在 MIG 切割中是十分重要
的工艺参数，送丝速度对切割过程的影响见图。送丝速度比较慢时，则会使切割无法正常进行；当送丝速度
稍快时，虽然能正常进行切割，但是切割面比较粗糙且带有粘渣；当送丝速度比较快时，能够获得良好的切
割质量且切割面垂直。 （2）喷水式熔化极电弧切割工艺参数在空气中切割耐酸不锈钢，可采用镀锌钢丝作
割丝，直径为 。电源为直流弧焊机，割丝接电源正极，空载电压 60～70V，电弧电压 40～60V。切割
过程中要注意使喷嘴轴线和割丝与工件表面保持垂直，喷嘴高度以 10～15mm 为宜。 切割厚度一般在 30mm
以内，但可将几张厚度较小的不锈钢板重叠在一起进行切割。表 4 列出耐酸不锈钢的喷水式熔化极切割工艺
参数。表 5 列出低碳钢的水下喷水式熔化极电弧切割的工艺参数。 表 1 喷水式熔化极电弧切割耐酸不锈钢的
工艺参数 板厚/mm 切割电流/A 送丝速度/-1 水压/Mpa 切割速度/-1 30 750 8～12 340 17 600
8～12 420 10 800 8～12 450 6 650～700 165 6×2 500～700 73 5×2 800 139
4×2 900 381 注：采用直流反接；电弧电压 40～60V。 表 2 低碳钢的水下喷水式熔化极电弧切割的
工艺参数 板厚/mm 电流/A 切割速度 电弧电压 水压 水流量 割缝宽度/mm /-1 /V /Mpa / 上 下
9 500 400 25～30 ～ 6～12 ～ ～ 800 1100 1000 1500 16 600 300 25～60 ～ 6～12
～ ～ 800 550 1000 900 20 600 150 28～33 ～ 6～12 ～ ～ 800 400 1000 600 25
800 150 28～37 ～ 6～12 ～ ～ 1000 350 30 1000 － 30～35 ～ 6～12 ～ ～
（3）压缩空气熔化极电弧切割工艺参数 压缩空气熔化极电弧切割法的主要工艺参数是电弧电压、送丝速
度和空气压力。在刨槽的应用中，提高电压，槽宽增大；增加电流，槽深增加；而加大空气压力则使槽道变
窄。药芯割丝的外伸长度对切割过程的影响不大，外伸长度 ～ 范围内均可以。 目前常用的药芯割
丝的直径有 和 两种，工作电流的范围见表 6。为提高刨割的效率，主要使用直径 的割丝。
表 3 药芯割丝的直径和工作电流范围 割丝直径/mm 工作电流范围/A 电弧电压/V 50～300 小于 50
80～600 注：对直径 的割丝，当送丝速度为 203m/min 时，电流密度可达 620A/mm2。 刨槽的工艺参
数为：割丝直径 ，压缩空气压力 ～，压缩空气流量 142～566L/min，刨削速度 ～
305cm/min。切割板厚小于或等于 的金属材料，割丝直径 ，压缩空气压力 ～，压缩空
气流量 283～850L/min；对于板厚大于 ～，可采用摆动割丝方式切割，但切割速度比较慢。 （4）
电弧-氧切割工艺参数 电弧-氧切割主要用于有色金属的切断、金属构件的拆解、穿孔和水下切割。电弧-氧切
割的电源可使用直流或交流手工电弧焊机，采用直流电时，割条应接负极。表 7 列出常用金属材料的电弧-氧
切割的工艺参数。 表 4 常用金属材料的电弧-氧切割的工艺参数 板厚/mm 镍、镍-铬、铬-钼合金 黄铜、青
铜、铜 碳素钢、低合金钢 电流/A 氧气压力/Mpa 电流/A 氧气压力/Mpa 电流/A 氧气压力/Mpa 6 175 ～
180 ～ 175 12 185 ～ 185 ～ 175 19 195 ～ 190 ～ 175
25 200 ～ 200 ～ 175 32 210 ～ 210 ～ 200 38 215 ～ 215 ～
200 44 225 ～ 220 ～ 200 50 220 ～ 225 ～ 200 56 225 ～
225 ～ 225 62 225 ～ 230 ～ 225 68 230 ～ 230 225 75
230 235 225 （5）阳极切割工艺参数 采用阳极切割法进行切割时在接触点处产生的是瞬时
火花放电，此时放电区的局部温度大大超过各类饿的熔点。因此切割时速度不会受切割材料、金属硬度、熔
点等的影响。对于一切导电的材料均可切割。表 8 列出常用金属材料的切割工艺参数。 表 5 常用金属材料的
切割工艺参数 材料 工件尺寸/mm 工作电压/V 工作电流/A 切割时间/s 切割宽度/mm 普通碳钢 ф90 25～28
190～200 750 高铬白口铁 85×50 22～24 170～180 510 H13 热模钢 ф88 23～25 180～190 630 不锈
钢 ф50 23～26 140～150 100 铝 ф60 26～28 150～160 350 3 铜板 140×20 22～25 150～160 250 2 变质 H13
100×18 25～28 160～170 160
49 钎焊 怎样认识气体火焰钎焊的工艺过程？
气体火焰钎焊的工艺如表 4-1 所示：气体火焰钎焊过程的如图 4-5 所示, 气体火焰钎焊前，要对钎料、钎焊工
件的钎焊接头区表面进行处理 (见图 4-5a，有时也可以只对钎头区表面进行处理，而不对钎料进行处理)；之
后进行钎焊工件的装配，将钎料放置到钎焊工件要钎焊的部位(钎焊接头处，图 4-5b)；将钎剂涂敷到要钎焊的
部位，注意要把钎料覆盖住(图 4-5c)；然后进行气体火焰钎焊(图 4-5e)；焊后要对钎焊接头进行清洗(图 4-5g)。
50
不锈耐热低温耐蚀钢管
道焊接
珠光体耐热钢焊接特点及工艺要点
（1）焊接特点 属于低合金钢，主要合金元素是铬、钼，还含有少量钨、钒、铌等元素，加热后在空气中冷
却具有明显的淬硬倾向，焊接时在焊缝及热影响区易产生硬脆的马氏体组织，这不仅影响焊接接头的力学性
能，还会产生很大的内应力，常导致焊缝和热影响区出现冷裂纹。硬化倾向还与下列因素有关：钢中碳、铬
含量，构件厚度、刚性及焊件拘束度等。焊接时预热是防止冷裂纹的有效措施，焊件未预热或预热温度太低，
工件冷却速度加快都会加重焊缝及热影响区硬化。 用于 Cr9Mo 耐热钢及过热器 16 （2）工艺要点及焊料选
择 ℃ 焊接过程中，应保持焊件温度不低于预热温度（包括多层焊时的层间温度）。焊接过程中尽量避免中断，
不得已中断时，应保证焊件缓慢冷却，重新施焊前仍需预热。℃ 焊件厚度较大时，可采用短道焊（见图 9），
使被焊的这一段焊缝在较短时间内重复加热，目的是为了使焊缝及热影响区缓慢冷却。 ℃ 焊缝正面的余高不
宜太高。 ℃ 保持在自由状态下焊接。由于铬钼耐热钢裂纹倾向比较大，故在焊接时应严格遵守焊接程序，收
缩量大的焊缝先焊，尽量减少拘束度。 ℃ 焊后缓冷。焊后缓冷是必须遵守原则，一般是焊后立即用石板布等
保温材料覆盖在焊缝及近缝区，覆盖务必严实，确保缓冷。 ℃ 焊后热处理（见表 54），防止延迟裂纹，消
除应力，改善组织。对于厚壁容器及管道，焊后常进行高温回火。 ℃ 焊条选择，摘自钢制压力容器焊接规
程 JB/T 4709－92、工业金属管道施工规范 GB 50236－1997，见表 52。 表 52 镍钼耐热钢预热、焊条选择
钢 号 手工电弧焊 埋 弧 焊 型 号 牌号 焊 丝 焊剂 12CrMo E5015-B1 R207 H10CrMo HJ350 R200 HJ430 R202
15CrMo E5515-B2 R307 H08CrMo HJ350 R302 H13CrMoA HJ250 20CrMo E5515-B2 R307 H08CrMo HJ250 气
焊 预热温度 R302 HJ251 焊 丝 /℃ 12Cr1MoV E5515-B2 R317 H08CrMoV HJ250 H08CrMoA (当厚度大 R312
HJ251 于 10mm) 12Cr3MoVSiTiB E5515-B3VWB R417 150～200 12MoVWBSiRe E5515-B2-V R317 H08CrMoa
R327 H13CrMoA 13SiMnWVB E5515-B2-V R317 H08CrMNV 250～350 ZG20CrMoV E5515-B2-V R317 R327
H08CrMoVA 200～300 ZG15Cr1Mo1V E5515-B2-V R317 R327 300～350 12Cr2MoWVB R347 250～300 （3）
锅炉钢管常用材料 250～300 16Mo 钢，用于金属温度 510～530℃，过热器管及金属温度不超过 500℃的蒸汽
管道，在 550℃以下工作具有较好的蠕变强度，焊接性能和冷加工性能良好。由于在高温长期运行中会产生石
墨化现象，使管道发生脆性断裂，目前已很少使用，被 12CrMo、15CrO 替代。 350～400 12CrMo 钢，是在 16Mo
基础上加入 ％Cr 发展起来的，由于钢中有 ，能阻止石墨化倾向，耐蚀性提高，经长期运行，组织稳
定性良好，焊接工艺性能良好。 15CrMo 钢，具有较高的耐热性，广泛应用于管壁温度 550℃的过热器和蒸汽
参数 510℃的蒸汽管道，焊接性良好。 350～400 12Cr1MoV，是目前应用甚广的低合金热强钢，用作温度 450
℃的蒸汽管道，金属壁温 580℃的过热器管，焊接性能良好。 12MoVWBSiXt 钢，是贝氏体无铬热强钢，在工
作温度 580℃以下具有良好的抗氧化性和组织稳定性，用于工作温度 580℃以下的过热器。 250～300
12Cr2Mo(2?Cr-1Mo)，已列入我国高压锅炉钢管标准（GB 5310－85）中。 （4）钢管焊接 可选用 LH1-250
型脉冲等离子弧焊全位置焊管机，特别适合于电站、锅炉焊接直径 38～60mm 的碳钢、耐热钢管子（壁厚
～）。或选用 LH2-300 型脉冲等离子弧焊机，可对 3～8mm 不锈钢板不开坡口实施单面焊双面成形，
一次焊成。或手工电弧焊单面焊双面成形。 3. 奥氏体型耐热钢焊接特点及工艺要点 （1）焊接特点 焊接奥
氏体型耐热钢的主要关键是防止焊缝及热影响区出现热裂缝。防止焊缝金属出现热裂纹的方法与奥氏体型不
锈钢相同；防止热影响区裂纹，取决于母材性能、组织以及杂质含量。钢的晶粒度越细，低熔点杂质及非金
属夹杂物越少，出现热影响区裂纹的倾向也越少。 （2）焊接工艺要点 ℃ 可用氩弧焊、埋弧焊焊接，焊接工
艺可参考 4 奥氏体不锈钢焊接，尽量采用小的焊接线能量，手工弧焊采用短弧焊，焊条不进行横向摆动，焊
接过程中可以采取强迫冷却措施；有裂纹倾向的钢种尽量不用埋弧焊。 ℃ 对于要求固溶加时效处理的耐热钢
焊件，宜在固溶状态下焊接，焊后再进行固溶加时效处理； ℃ 焊后一般不进行热处理，若刚性大的焊接结构，
可按接头性能要求，选用 800～900℃稳定化处理。 （3）焊接材料选择（见表 53） 表 53 焊接材料选择 钢
号 手工电弧焊焊条 焊 接 性 Cr17Ni13W A202 良好 Cr19Ni9WMoNbTi A237 良好 Cr14Ni14Mo2WNb A237
薄板尚好，厚板有裂化倾向 Cr16Ni25Mo6 A507 良好 Mn17Cr7MoVNbBZr 与母材成分相近的焊条 良好
1Cr25Ni20Si2 A402，A407 有裂纹倾向 3Cr18Mn11Si2N A402，A407 良好 3Cr20Mn9Ni2Si2N A402，A407
良好
51 管道焊接制管 钢管生产工艺流程及主要特点
工艺流程共分四个阶段（25 道工序）。 （1）准备阶段 开卷以后，整平，切头尾，用圆盘剪开料，然后复
卷。从钢厂来的原材料是定尺宽度，根据管子实长剪切成相应的宽度，然后储料，供应制管生产。 （2）制
管阶段 工序有开卷、整平、切头尾、剪切对焊（接长）、经过水平螺旋活套（活套是流水生产线中的调节枢
纽）、钢板探伤，在成形机组上逐渐弯曲，直至卷成圆管，接着通过高频焊机， 实施对纵缝焊接，去除内外
毛剌（即焊缝的余高）。见图 3。 （3）热处理及矫直阶段工序有中频退火、空冷、水冷，对圆管定径、超
声波探伤，对方形、矩形管定径，在矫直机组上矫直，飞锯切断，压扁试验。见图 4。 （4）检测、涂油、
成品包装入库工序有修整管端毛剌和飞边、水压试验、离线探伤、打标记、涂油、包装入库。 20 世纪 80 年
代末 90 年代初，我国出现了大、中口径 ERW 钢管，发展很快，高层覆盖率迅速增大，产品已进入石油、天
然气、水利、电力、矿山、煤炭、城市管网、建筑结构等领域。ERW 钢管在国外已用于海底油气管道，上海
埃力生（中轻）石油钢管有限公司从国外和地区引进了具有 20 世纪 90 年代世界先进水平的中口径 ERW 焊
管生产线，能按照 API-5L(41)、ISO 3183－1996 系列标准，GB/T 9711－1998 系列标准及 JIS、ASTM 其他标
准组织生产。
52 点焊工艺 点焊一般工艺
2．1 点焊方法根据点焊时电极向焊接区馈电方式，分为双面点焊和单面点焊。同时，又根据在同一个点焊焊
接循环中所能形成的焊点数，将其进一步细分，如图 14 和图 15 所示。双面点焊应用最广，尤其图 14a 是最
常用的方式；图 14c 常用于装饰性面板点焊，装饰面因处于大面积的导电板电极一侧，会得到浅压痕或无压
痕的焊点；图 14d 因采用多个变压器单独双面馈电，仅用于下电极无法抵达构件背面或里面的场合。其中图
15a 常用于零件较大、二次回路过长情况；图 15b 因无分流产生而优于图 15c ，为降低分流可在工件下面附
设铜垫板，以提供低电阻通路；图 15d 各对电极均由单独变压器供电，可同时通电，具有焊接质量高、生产
率高、变形小和三相负载平衡等优点，在汽车组件生产中常可遇到。有时因焊件的结构形式和所拥有的点焊
设备限制，也会采用一些特殊的点焊形式，如图 16 所示。加入铜芯棒可增强构件点焊部位刚度，使点焊能正
常进行，同时铜芯棒又提供了低电阻通路，降低了分流。其中图 16b 中接头设计优于图 a 的设计，因为分流
减到最小，保证了点焊质量。总之，对焊件馈电点焊时应遵循以下原则：尽量缩短二次回路长度及减小回路
所包围的空间面积，以减少能耗；尽量减少伸入二次回路的铁磁体体积，特别是在不同位置焊点焊接时伸入
体积有很大变化，以避免焊接电流产生较大波动（尤其使用工频交流焊机）；尽量防止和减小分流。 2．2
点焊接头设计 1. 点焊接头主要尺寸的确定点焊通常采用搭接接头或折边接头（图 17）。接头可以由两个或
两个以上等厚度或不等厚度、相同材料或不相同材料的零件组成，焊点数量可为单点或多点。在电极可达性
良好的条件下，接头主要尺寸设计可参见表 1、表 2 和表 3。 表 2 接头的最小搭接量 （单位：mm）最薄板
件厚度 单排焊点的最小搭接量 双排焊点的最小搭接量 结构钢 不锈钢及高温合金 轻合金 结构钢 不锈钢及
高温合金 轻合金 8 6 12 16 14 22 9 7 12 18 16 22 1 10 8 14 20 18 24 11 9 14 22 20 26 12 10 16 24
22 30 2 14 12 20 28 26 34 16 14 24 32 30 40 3 18 16 26 36 34 46 20 18 28 40 38 48 4 22 20 30 42 40 50 表 3
焊点的最小点距 （单位：mm） 最薄板件厚度 最 小 点 距 结构钢 不锈钢及高温合金 轻合金 10 8 15
12 10 15 1 12 10 15 14 12 15 14 12 20 2 16 14 25 18 16 25 3 20 18 30 22 20 35 4 24 22 35 2. 焊
点布置的合理性 点焊焊接结构通常由多点焊接而成，其排列型式多为单排，有时也可为多排。在单排点焊接
头中焊点除受切应力外，还承受由偏心力引起的拉应力，在多排点焊的接头中，拉应力较小。研究表明，焊
点排数多于 3 是不合理的，因为多于 3 排并不能再增加承载能力。同时，还应注意，单排的点焊接头是不可
能达到接头与母材等强度，只有采用多排（3 排）布置焊点，才可以改善偏尽力矩的影响，降低应力集中系
数，如果采用交错的排法，情况将会更好。理论上说，可以得到与基本金属等强度的点焊接头。 应当注意，
点焊接头的疲劳强度很低，增加焊点数量也无效。 点焊接头静载强度计算方法及焊点布置见表 4。 通常焊
点强度用每点切力（FT）及正拉力（Fσ）评定，正拉力与切力之比（Fσ/FT）称塑（延）性比，其值越大表
明塑（延）性越好，而且与材质关系密切。例如钢焊件一般随含碳量增加而塑性比下降，应按结构受力及所
用材料合理选用塑（延）性比。 3. 点焊结构的影响电极能否较方便地达到焊接位置，对焊接质量和生产效
率影响很大。因此，根据电极可达性将点焊结构分为敞开式（上、下均方便可达）、半敞开式（仅上或下可
方便到达）、封闭式（上、下均受到阻碍），这时需采用特殊电极和专用电极握杆，如图 18 所示。 2．3 焊
前工件表面清理 点焊、凸焊和缝焊前，均需对焊件表面进行清理，以除掉表面脏物与氧化膜，获得小而均匀
一致的接触电阻，这是避免电极粘结、喷溅、保证点焊质量和高生产率的主要前提。对于重要焊接结构和铝
合金焊件等，尚需每批抽测施加一定电极压力下的两电极间总电阻 R，以评定清理效果，一般情况下可由清
理工艺保证。清理方法可有二类：机械法清理，主要有喷砂、刷光、抛光及磨光等；化学清理用溶液参见表
5，也可查阅相关熔焊资料。 表 5 化学腐蚀用的溶液成分 金属 腐蚀用溶液 中和用溶液 R 允许值/μΩ 低碳
钢 1.每升水中 H2SO4200g、NaCl 10g、缓冲剂六次甲基四胺 1g，温度 50～60℃ 每升水中 NaOH 或 KOH50～
70g，温度 20～25℃ 600 2. 每升水中 HCl 200g、六次甲基四胺 10g，温度 30～40℃ 结构钢、 1.每升水中
H2SO4100g、NaCl 50g、六次甲基四胺 10g，温度 50～60℃ 每升水中 NaOH 或 KOH50～70g，温度 20～25℃
800 低合金钢 2.每 水中 H3PO465～98g、Na3PO435！50g 乳化剂 OP25g、硫脲 5g 每升水中 NaNO35g，
温度 50～60℃ 不锈钢、 在 水中 H2SO4 110g、HCl 130g、HNO3 10g，温度 50～70℃ 质量分数为 10％
的苏打溶液，温度 20～25℃ 1000 高温合金 钛合金 每 水中 HCl 16g、HNO3 70g、HF50g — 1500 铜合
金 1.每升水中 HNO3 280g、HCl 、炭黑 1～2g，温度 15～25℃ — 300 2.每升水中 HNO3 100g、H2SO4
180g、HCl 1g，温度 15～25℃ 铝合金 每升水中 H3PO4 110～155g、K2Cr2O7 或 Na2Cr2O7 ～，温度
30～50℃ 每升水中 HNO315～25g，温度 20～25℃ 80～120 镁合金 在 ～ 水中 NaOH300～600g、
NaNO340～70g、NaNO2150～250g，温度 70～100℃ — 120～180 注：成分中酸的密度。硫酸－(g/cm3，
下同)，硝酸－，盐酸－，正磷酸－。 焊前点焊电极的正确选用和焊接过程中的维护修理，也是
一个重要条件。 2．4. 点焊焊接参数及其相互关系 1. 点焊焊接循环焊接循环（welding cycle），在电阻焊
中是指完成一个焊点（缝）所包括的全部程序。图 19 是一个较完整的复杂点焊焊接循环，由加压，…，休止
等十个程序段组成，I、F、t 中各参数均可独立调节，它可满足常用（含焊接性较差的）金属材料的点焊工艺
要求。当将 I、F、t 中某些参数设为零时，该焊接循环将会被简化以适应某些特定材料的点焊要求。当其中 I1、
I3、Fpr、Ffo、t2、t3、t4、t6、t7、t8 均为零时，就得到由四个程序段组成的基本点焊焊接循环，该循环是目
前应用最广的点焊循环，即所谓“加压－焊接－维持－休止”的四程序段点焊或电极压力不变的单脉冲点焊。
2. 点焊焊接参数点焊焊接参数的选择，主要取决于金属材料的性质、板厚、结构形式及所用设备的特点（能
提供的焊接电流波形和压力曲线），工频交流点焊在点焊中应用最为广泛且主要采用电极压力不变的单脉冲
点焊。（1） 焊接电流 I 焊接时流经焊接回路的电流称为焊接电流，一般在数万安培（A）以内。焊接电流是
最主要的点焊参数。调节焊接电流对接头力学性能的影响如图 20 所示。 AB 段 曲线呈陡峭段。由于焊接电
流小使热源强度不足而不能形成熔核或熔核尺寸甚小，因此焊点拉剪载荷较低且很不稳定。 BC 段 曲线平
稳上升。随着焊接电流的增加，内部热源发热量急剧增大（Q℃I2），熔核尺寸稳定增大，因而焊点拉剪载荷
不断提高；临近 C 点区域，由于板间翘离限制了熔核直径的扩大和温度场进入准稳态，因而焊点拉剪载荷变
化不大。 CD 段 由于电流过大使加热过于强烈，引起金属过热、喷溅、压痕过深等缺陷，接头性能反而降
低。图 20 还表明，焊件越厚 BC 段越陡峭，即焊接电流的变化对焊点拉剪载荷的影响越敏感。（2） 焊接
时间 t 自焊接电流接通到停止的持续时间，称焊接通电时间，简称焊接时间。点焊时 t 一般在数十周波（1 周
波＝）以内。焊接时间对接头力学性能的影响与焊接电流相似（图 21）。但应注意二点： 1) C 点以后
曲线并不立即下降，这是因为尽管熔核尺寸已达饱和，但塑性环还可有一定扩大，再加之热源加热速率较和
缓，因而一般不会产生喷溅。 2) 焊接时间对接头塑性指标影响较大，尤其对承受动载或有脆性倾向的材料
（可淬硬钢、铝合金等），较长的焊接时间将产生较大的不良影响。（3） 电极压力 Fw 点焊时通过电极施
加在焊件上的压力一般要数千牛（N）。图 22 表明，电极压力过大或过小都会使焊点承载能力降低和分散性
变大，尤其对拉伸载荷影响更甚。当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足，造
成因电流密度过大而引起加热速度增大而塑性环又来不及扩展，从而产生严重喷溅。这不仅使熔核形状和尺
寸发生变化，而且污染环境和不安全，这是绝对不允许的。电极压力过大时将使焊接区接触面积增大，总电阻
和电流密度均减小，焊接散热增加，因此熔核尺寸下降，严重时会出现未焊透缺陷。一般认为，在增大电极
压力的同时，适当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊接区加热程度不变。同时，由于压力增大，可消除焊
件装配间隙、刚性不均匀等因素引起的焊接区所受压力波动对焊点强度的不良影响。此时，不仅使焊点强度
维持不变，稳定性亦可大为提高。（4）电极头端面尺寸 D 或 R 电极头是指点焊时与焊件表面相接触时的电
极端头部分。其中 D 为锥台形电极头端面直径，R 为球面形电极头球面半径，h 为端面与水冷端距离（图
23）。电极头端面尺寸增大时，由于接触面积增大、电流密度减小、散热效果增强，均使焊接区加热程度减
弱，因而熔核尺寸减小，使焊点承载能力降低（图 24）。应该指出，在点焊过程中，由于电极工作条件恶
劣，电极头产生压溃变形和粘损是不可避免的，因此要规定：锥台形电极头端面尺寸的增大℃D<15％D，同
时对由于不断锉修电极头而带来的与水冷端距离 h 的减小也要给予控制。低碳钢点焊 h≥3mm，铝合金点焊
h≥4mm。 3. 焊接参数间相互关系及选择点焊时，各焊接参数的影响是相互制约的。当电极材料、端面形状
和尺寸选定以后，焊接参数的选择主要是考虑焊接电流、焊接时间及电极压力，这是形成点焊接头的三大要
素，其相互配合可有两种方式。（1）焊接电流和焊接时间的适当配合 这种配合是以反映焊接区加热速度快
慢为主要特征。当采用大焊接电流、短焊接时间参数时，称硬规范；而采用小焊接电流、适当长焊接时间参
数时，称软规范。软规范的特点：加热平稳，焊接质量对焊接参数波动的敏感性低，焊点强度稳定；温度场
分布平缓，塑性区宽，在压力作用下易变形，可减少熔核内喷溅、缩孔和裂纹倾向；对有淬硬倾向的材料，软
规范可减小接头冷裂纹倾向；所用设备装机容量小，控制精度不高，因而较便宜。但是，软规范易造成焊点
压痕深，接头变形大，表面质量差，电极磨损快，生产效率低，能量损耗较大。硬规范的特点与软规范基本
相反，在一般情况下，硬规范适用于铝合金、奥氏体不锈钢、低碳钢及不等厚度板材的焊接；而软规范较适
用于低合金钢、可淬硬钢、耐热合金、钛合金等。应该注意，调节 I、t 使之配合成不同的硬、软规范时，必
须相应改变电极压力 Fw，以适应不同加热速度及满足不同塑性变形能力的要求。硬规范时所用电极压力显著
大于软规范焊接时的电极压力。（2）焊接电流和电极压力的适当配合 这种配合是以焊接过程中不产生喷溅
为主要原则，这是目前国外几种常用电阻点焊规范（RWMA、MIL Spec、BWRA 等）的制定依据。根据这一
原则制定的 I-Fw 关系曲线，称喷溅临界曲线（图 25）。曲线左半区为无喷溅区，这里 Fw 大而 I 小，但焊接
压力选择过大会造成固相焊接（塑性环）范围过宽，导致焊接质量不稳定；曲线右半区为喷溅区，因为电极
压力不足，加热速度过快而引起喷溅，使接头质量严重下降和不能安全生产。当将规范选在喷溅临界曲线附
近（无喷溅区内）时，可获得最大熔核和最高拉伸载荷。同时，由于降低了焊机机械功率，也提高了经济效
果。当然，在实际应用这一原则时，应将电网电压、加压系统等的允许波动带来的影响考虑在内。以上讨论
的两种情况，其结果常以金属材料点焊焊接参数表、列线图、曲线图和规范尺等形式表现出来，但在实际使
用这些资料时均需进行试验修正。
53 钎焊 气体钎剂的主要工艺特点是什么？
(1)含具有还原性(非氢)的气体钎剂的火焰，能还原已生成的氧化物，同时还能保护接头区在钎焊过程中不被
氧化。 (2)接头具有优良的质量，由于无残留钎剂，钎焊后接头不需要进行任何附加的表面清理工作，外观
更优美。 (3)不需要改变常规的钎焊方法，既不需要采用特殊的钎料，也不使用特殊焊炬。 (4)除铝及铝合金
外，气体钎剂适用于钎焊绝大部分工程用黑色金属、有色金属和合金，具有较好的经济性和通用性。 (5)钎
焊含锌的黄铜件和镀锌件更容易些。
54 钎焊 工艺镀层 Technological coating 特殊金属钎焊前，为改善钎料对焊件的润湿或减轻去膜的困难，对焊件钎焊面镀覆的金属层。
