摘要：焊接作为材料连接的关键工艺，在现代工业中应用广泛。无论是机械制造、建筑施工，还是航空航天等领域，焊接技术都发挥着不可替代的作用。以下将从焊接原理、工艺、材料、设备及安全等多个方面，系统阐述焊接专业必须掌握的基础知识。

焊接作为材料连接的关键工艺，在现代工业中应用广泛。无论是机械制造、建筑施工，还是航空航天等领域，焊接技术都发挥着不可替代的作用。以下将从焊接原理、工艺、材料、设备及安全等多个方面，系统阐述焊接专业必须掌握的基础知识。

一、焊接基本概念

焊接定义

焊接是一种通过加热、加压，或两者并用，并且使用或不使用填充材料，使两个或多个分离的金属工件之间形成原子间结合，从而连接成一个整体的加工方法。该过程借助外部能量，打破金属原子间的原有束缚，促使它们在新位置相互靠近并形成稳定化学键，实现永久性连接。

焊接分类

熔焊：利用局部加热使焊件接头部位达到熔化状态，在不加压情况下，填充金属（或不填充金属）与母材熔合形成焊缝，冷却凝固后实现连接。如电弧焊，以电弧为热源，是应用广泛的熔焊方法，包括手工电弧焊（SMAW）、气体保护钨极电弧焊（GTAW）、气体保护金属极电弧焊（GMAW ）；还有气焊，利用可燃气体与助燃气体混合燃烧的火焰作热源；激光焊，以高能量密度的激光束为热源；等离子焊，利用等离子弧作为热源。

压焊：焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热） ，使其产生塑性变形，通过原子间的扩散和再结晶实现连接。像电阻焊，通过电极施加压力，利用电流通过接头接触面及邻近区域产生的电阻热加热；摩擦焊，利用焊件接触端面相对旋转运动的摩擦热；扩散焊，在一定温度和压力下，使待焊表面相互接触，通过原子扩散实现连接。

钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接，分为软钎焊（如锡焊，钎料熔点低于450℃ ）和硬钎焊（如银焊、铜焊，钎料熔点高于450℃）。

二、焊接物理与冶金基础

焊接热过程

热源类型：焊接热源多样，电弧热能量集中，能快速加热焊件局部；电阻热由电流通过电阻产生；激光作为高能量密度热源，可实现快速加热熔化。

热输入计算：热输入公式为Q = UI/v，Q为热输入（J/cm），U为电弧电压（V），I为焊接电流（A），v为焊接速度（cm/s）。合理控制热输入对保证焊接质量至关重要，热输入不当会导致焊件出现过热、未焊透等问题。

温度场分布：焊接时焊件各点温度随时间和空间变化形成温度场，靠近热源中心温度最高，其分布受多种因素影响，了解温度场有助于预测焊接热应力、变形及组织转变。

焊接冶金反应

熔池形成：焊接热源作用下，焊件和填充金属熔化形成熔池，熔池的形状、尺寸和存在时间影响焊接质量，其形成过程有强烈热对流和物质传输，导致化学成分和温度分布不均匀。

气体与熔渣的作用：焊接产生的气体（如CO₂、Ar）保护熔池免受有害气体侵入，熔渣覆盖熔池表面，起到隔离空气、保护熔池、脱氧、去硫、去磷及改善焊缝成型等作用。

焊缝金属的结晶与相变：熔池冷却凝固时，焊缝金属经历结晶和相变。结晶从熔池边缘向中心生长，可能产生偏析；冷却过程中的固态相变产物组织和性能取决于冷却速度、化学成分等，控制焊接工艺参数可调整结晶和相变过程。

焊接缺陷成因

气孔：熔池中的气体在凝固前未逸出残留在焊缝形成空穴，原因包括焊接材料受潮、焊件清理不干净、焊接工艺参数不当等，会降低焊缝强度和致密性。

夹渣：熔渣残留在焊缝形成缺陷，产生原因有焊接电流过小、层间清渣不彻底、焊条角度不当等，会降低焊缝有效截面积，导致应力集中。

裂纹：严重焊接缺陷，热裂纹在焊缝金属冷却到固相线附近高温区产生，与低熔点共晶物、焊接工艺等有关；冷裂纹在焊接接头冷却到较低温度时产生，与氢含量、淬硬组织、残余应力有关；再热裂纹在焊后焊件再次加热时产生，与沉淀相析出、晶界强化等有关。

未熔合：焊缝金属与母材或焊缝层间未完全熔化结合，原因是焊接电流过小、速度过快、坡口角度过小等，影响焊缝强度和密封性。

未焊透：焊接时接头根部未完全熔透，由焊接电流过小、速度过快、坡口角度过小、钝边过大等导致，会降低焊缝承载能力，引发应力集中。

三、焊接材料

焊条

分类：按药皮性质分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条药皮含大量酸性氧化物，电弧稳定、飞溅小、脱渣容易、对杂质敏感性低，适用于一般低碳钢和低合金钢焊接，如E4303；碱性焊条药皮含大量碱性氧化物和萤石，脱硫、脱磷能力强，焊缝力学性能好、抗裂性强，但电弧稳定性差、对杂质敏感，常用于重要低合金钢和合金钢焊接，如E5015。

牌号解读：以E6010为例，“E”表示焊条；“60”表示熔敷金属最小抗拉强度为60,000psi （约415MPa）；“1”表示适用于全位置焊接；“0”表示药皮类型及电流种类（高纤维素钠型药皮，直流反接）。

焊丝与焊剂

实心焊丝：如ER70S - 6，“ER”表示实芯焊丝，“70”表示熔敷金属最小抗拉强度为70,000psi （约480MPa），“S”表示焊丝，“6”表示化学成分分类代号，用于碳钢和低合金钢气体保护焊。

药芯焊丝：如E71T - 1，“E”表示焊条，“7”表示熔敷金属最小抗拉强度为70,000psi （约480MPa），“1”表示适用于全位置焊接，“T”表示药芯焊丝，后面数字和字母表示药芯类型和保护气体种类 ，焊接工艺性能好、生产效率高。

埋弧焊剂：如HJ431，“HJ”表示埋弧焊剂，“4”表示焊剂中MnO含量，“3”表示SiO₂和CaF₂含量，“1”表示同一类型焊剂的不同牌号，与埋弧焊丝配合使用，起保护熔池、参与冶金反应等作用。

保护气体

惰性气体：Ar、He化学性质稳定，不与金属反应，用于保护焊接区，氩气常用，价格低、密度大、保护效果好；氦气保护效果更好但价格贵，用于高熔点金属和高要求场合。

活性气体：CO₂具有氧化性，用于MAG焊，价格便宜、来源广，但会使合金元素烧损，需选择合适焊丝成分补偿。

混合气体：如Ar + CO₂，兼具惰性气体和活性气体优点，能改善焊缝成型、减少飞溅，提高焊接质量和效率，常见比例有Ar80% + CO₂20% ，可按需调整。

四、焊接工艺与参数

关键工艺参数

电流：影响焊接质量和效率，直流电流电弧稳定、飞溅小；交流电流设备简单、成本低。电流大小依焊件厚度、材质、接头形式、焊条（焊丝）直径等选择，过大或过小会产生焊接缺陷。

电压：与电弧长度相关，合适电压保证焊缝宽度和熔深均匀，电压不当会导致焊缝成型问题。

焊接速度：单位时间完成的焊缝长度，速度过快或过慢都会影响焊接质量和效率，需根据多种因素合理调整。

电弧长度：短电弧热效率高、飞溅小，手工电弧焊电弧长度一般为焊条直径的0.5 - 1.0倍，气体保护焊也需控制合适电弧长度。

坡口形式：常见有V型、U型、X型、Y型等，V型加工简单、填充金属量大，适用于薄焊件；U型根部窄、填充金属量少、焊缝质量高，适用于厚焊件；X型和Y型结合两者优点，用于大厚度焊件，可减少变形和填充金属量。

接头设计

对接接头：两焊件端面相对放置焊接，受力均匀，应用广泛，一般需开坡口并保证装配间隙和错边量。

角接接头：两焊件端部构成直角或近似直角，主要承受横向载荷，根据焊件厚度和受力情况可开坡口或不开坡口焊接。

T型接头：一焊件端面与另一焊件表面构成直角或近似直角，受力复杂，易应力集中，常采用双面焊或开坡口焊接提高强度。

搭接接头：两焊件部分重叠焊接，装配简单，但受力不均匀、强度低，用于受力小或非承载结构，可增加搭接长度或采用塞焊、槽焊等提高强度。

预热与后热

防止冷裂纹的预热温度计算：根据碳当量计算预热温度，碳当量越高，钢材淬硬倾向越大，需预热以降低冷却速度，防止冷裂纹产生。公式为Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15（元素符号表示其质量分数），根据Ceq值和焊件厚度等因素查表确定预热温度。

消氢处理：焊后将焊件加热到一定温度（如250 - 350℃ ）并保温一段时间，使焊缝中的氢逸出，防止产生氢致裂纹，尤其适用于低合金钢和高强度钢焊接。

五、焊接设备

电弧焊机

交流焊机：变压器式，将电网交流电通过变压器降压，获得适合焊接的低电压交流电，结构简单、成本低，但电弧稳定性较差。

直流焊机：包括整流式和逆变式。整流式焊机通过整流元件将交流电转换为直流电；逆变式焊机先将交流电转换为直流电，再逆变为高频交流电，经降压、整流后输出适合焊接的直流电，具有体积小、重量轻、节能、电弧稳定性好等优点。

气体保护焊设备

MIG/MAG焊机：MIG焊使用惰性气体保护，MAG焊使用活性气体或混合气体保护，以连续送进的焊丝作为电极和填充金属，生产效率高，适用于多种金属材料焊接。

TIG焊机：采用高熔点钨棒作电极，利用惰性气体保护电弧和熔池，具有焊接质量高、电弧稳定等特点，常配备高频引弧装置和脉冲功能，可实现更精确的焊接控制，适用于焊接有色金属、不锈钢及薄件。

辅助工具

焊枪：传递焊接电流、输送保护气体和引导焊丝（如果是熔化极焊接），其结构和性能影响焊接操作和焊接质量。

气瓶：储存保护气体，如氩气瓶、二氧化碳气瓶等，需定期检查和维护，确保安全使用。

送丝机：在熔化极气体保护焊中，将焊丝匀速送进焊接区，送丝速度稳定对保证焊接质量很重要。

接地钳：保证焊接回路接地良好，防止触电事故发生，同时确保焊接电流稳定。

面罩：自动变光面罩能根据电弧光强度自动调节镜片透光率，有效保护焊工眼睛免受电弧辐射伤害 ，提高焊接操作安全性和舒适性。

六、焊接缺陷与质量控制

常见缺陷

裂纹：除热裂纹、冷裂纹、再热裂纹外，还有层状撕裂，多发生在厚板焊接结构中，由于钢板内部存在分层夹杂物，在焊接应力作用下沿轧制方向产生阶梯状裂纹。

气孔：分为氢气孔、一氧化碳气孔、氮气孔等，不同气体来源导致的气孔形态和分布有所差异，如氢气孔多为表面针状，一氧化碳气孔多为内部条虫状。

夹渣：包括非金属夹渣和金属夹渣，前者如氧化物、硫化物等，后者如钨夹渣（TIG焊时钨极熔化混入焊缝）。

咬边：由于焊接参数选择不当或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷，会削弱焊件有效截面积，造成应力集中。

未焊透：除接头根部未焊透，还有单面焊根部未焊透和多层焊层间未焊透等情况。

检测方法

目视检测（VT）：通过肉眼或借助放大镜、量规等工具，对焊缝外观进行检查，包括焊缝尺寸、形状、表面缺陷等。

射线检测（RT）：利用射线（如X射线、γ射线）穿透焊件，根据缺陷对射线吸收程度不同，在底片上形成不同黑度影像来检测缺陷，可检测内部气孔、夹渣、裂纹、未焊透等缺陷，对体积型缺陷敏感。

超声波检测（UT）：利用超声波在焊件中传播时遇到缺陷产生反射、折射等现象，通过分析反射波信号来检测缺陷，可检测内部缺陷，对面积型缺陷敏感，适用于厚板检测。

磁粉检测（MT）：用于检测铁磁性材料表面和近表面缺陷，在被检工件表面施加磁场，缺陷处会产生漏磁场，吸附磁粉形成磁痕显示缺陷位置和形状。

渗透检测（PT）：通过将含有色染料或荧光剂的渗透液涂覆在焊件表面，使其渗入缺陷中，然后去除表面多余渗透液，再施加显像剂，使缺陷中的渗透液被吸附显示出来，可检测表面开口缺陷。

标准规范

ISO 5817：对焊缝质量进行分级，根据缺陷类型、尺寸和数量等指标，将焊缝质量分为B、C、D三个等级，适用于熔化焊焊接接头。

AWS D1.1：美国钢结构焊接规范，规定了钢结构焊接的材料、工艺、质量检验等要求，在北美地区广泛应用。

GB/T 12467：中国焊接质量要求系列标准，对焊接质量要求进行了详细规定，包括质量等级划分、检验方法和验收准则等。

七、焊接安全与防护

主要危险源

电弧辐射：包括紫外线、红外线和可见光，其中紫外线对人体危害较大，可引起电光性眼炎、皮肤灼伤等。

电击：焊接设备漏电、操作不当或在潮湿环境下作业等，可能导致触电事故。

烟尘：焊接过程中产生的金属氧化物等烟尘，长期吸入会对呼吸系统造成损害，引发尘肺病等职业病。

高温飞溅：焊接时高温金属液滴飞溅，可能烫伤皮肤。

有害气体：如臭氧、一氧化碳、氮氧化物等，臭氧有强氧化性，刺激呼吸道；一氧化碳无色无味，易导致中毒；氮氧化物对呼吸道有刺激和腐蚀作用。

防护措施

个人防护装备：穿戴防护服，采用防火、隔热、耐磨材料制成，防止高温飞溅和辐射伤害；焊接手套，具有隔热、绝缘、耐磨性能；面罩，除自动变光面罩外，还有手持式面罩，用于保护面部和眼睛；防尘口罩，过滤焊接烟尘。

通风措施：保证焊接场所良好通风，自然通风不足时，安装机械通风设备或排烟装置，及时排出有害气体和烟尘。

急救知识

触电急救：立即切断电源，若触电者呼吸、心跳停止，应在现场进行心肺复苏术（CPR），包括胸外按压和人工呼吸，按压频率至少100次/分钟，按压深度至少5厘米，按压与呼吸比为30:2 ，并及时拨打急救电话。

灼伤处理：对于轻微灼伤，立即用大量冷水冲洗受伤部位15 - 30分钟，降低皮肤温度，减轻疼痛和损伤；严重灼伤应避免自行处理，用干净纱布或毛巾覆盖伤口，尽快送医治疗。

烟尘吸入应急措施：若吸入大量烟尘感到不适，应立即转移至通风良好的空旷处，呼吸新鲜空气，若症状严重，及时就医。

八、金属材料焊接性

碳钢焊接

低碳钢：含碳量低于0.25%，焊接性良好，一般不需特殊工艺措施，选用合适焊条或焊丝即可。

中碳钢：含碳量0.25% - 0.6%，焊接时易产生淬硬组织和冷裂纹，需预热（预热温度150 - 250℃ ），选用低氢型焊条，控制焊接热输入。

高碳钢：含碳量大于0.6%，焊接性差，焊接前需预热到250 - 350℃以上，采用低氢型焊条，焊后进行缓冷和热处理，消除应力和改善组织。

不锈钢焊接

- 奥氏体不锈钢：晶间腐蚀是其焊接时的主要问题。在石油化工设备的焊接中，为防止晶间腐蚀，常选用含钛（如A132）或铌（如A137）等稳定化元素的焊条，或超低碳焊条（如A002）。采用小电流、快速焊，短弧焊，减少焊缝在敏化温度区间（450 - 850℃）的停留时间，降低晶间腐蚀倾向。

- 铁素体不锈钢：焊接时易出现脆化现象，包括475℃脆化和σ相脆化。在焊接管道时，为防止脆化，焊前预热温度控制在100 - 300℃，采用小热输入焊接工艺，避免在475℃附近长时间停留，焊后可进行快速冷却，必要时进行退火处理，恢复韧性。

- 双相不锈钢：焊接时需严格控制热输入。在海洋工程结构焊接中，采用合适的焊接方法（如TIG、MIG），选择合适的焊接参数，使热输入控制在一定范围内，以保证焊缝和热影响区的奥氏体和铁素体比例，防止因热输入不当导致相比例失调，影响焊接接头的耐蚀性和力学性能。

铝合金焊接

铝合金表面有一层致密的氧化膜（Al₂O₃），其熔点高达2050℃，阻碍焊接熔合，且铝合金导热性强，焊接时热量散失快，易导致焊接变形。在航空航天领域的铝合金结构件焊接中，常采用TIG焊或MIG焊。焊前需用机械方法（如刮削）或化学方法（如碱洗）彻底清理焊件表面的氧化膜；焊接过程中，合理选择焊接电流、电压和焊接速度，采用合适的工装夹具刚性固定焊件，或采用反变形法、随焊激冷等措施控制变形；对于厚板焊接，可采用多层多道焊，控制层间温度。

异种金属焊接

以钢与铝的焊接为例，由于钢和铝的物理性能（如熔点、热膨胀系数）和化学性能差异大，直接焊接会在接头处形成脆性金属间化合物，降低接头强度。在汽车发动机的一些零部件制造中，采用过渡层焊接工艺，如在钢表面先镀一层锌、铜等金属作为过渡层，再与铝进行焊接；或采用特殊的钎焊工艺，选择合适的钎料和钎焊温度，利用钎料在母材间的扩散和溶解，形成良好的接头连接，减少金属间化合物的产生，提高接头质量。

九、焊接符号与图纸

焊接符号

- 基本符号：用来表示焊缝横截面形状，如角焊缝用等边三角形表示，对接焊缝用直线表示，V形坡口对接焊缝用带斜边的直线表示，直观反映焊缝的基本形式。

- 补充符号：用于补充说明焊缝的某些特征，现场焊符号为一个涂黑的小旗，表示该焊缝需在现场施焊；周围焊符号为一个圆圈，表示焊缝环绕焊件周围进行焊接。

- 尺寸标注：包含焊缝长度、宽度、厚度、坡口角度、钝边尺寸等。例如，在标注角焊缝时，会注明焊脚尺寸；对接焊缝则会标注坡口深度、间隙等尺寸，为焊接施工提供精确的数据依据。

图纸识读

- 坡口形式：从图纸上识别V型、U型、X型等坡口形式，根据焊件厚度、焊接方法和工艺要求确定坡口尺寸，如V型坡口的角度、钝边大小、装配间隙等，保证焊接时能够充分熔合，获得良好的焊缝质量。

- 焊缝位置：明确平焊、立焊、横焊、仰焊位置。不同位置的焊接难度和工艺要求不同，平焊操作相对容易，焊接质量易保证；立焊和横焊需控制熔池形状和尺寸，防止液态金属下淌；仰焊难度最大，对焊工技术和操作要求高，图纸标注有助于焊工选择合适的焊接工艺和操作方法。

- 工艺要求：如焊后热处理要求，图纸会注明是否需要进行退火、正火、回火、调质等处理，以及处理的温度、时间和冷却方式等参数，通过焊后热处理改善焊接接头的组织和性能，消除残余应力。

十、焊接技术发展趋势

自动化与智能化

- 机器人焊接：在汽车制造行业广泛应用，机器人可按照预设程序精确完成焊接操作，保证焊接质量的稳定性和一致性，提高生产效率，减少人工成本和劳动强度，同时能在恶劣环境下工作。

- 视觉传感：通过视觉传感器实时获取焊接过程中的图像信息，如焊缝位置、形状、熔池状态等，反馈给控制系统，实现对焊接过程的实时监测和调整，提高焊接质量的可靠性和适应性，如在复杂结构件的焊接中，能自动跟踪焊缝，确保焊接精度。

- 自适应控制：根据焊接过程中的实时参数（如电流、电压、焊接速度）和焊件的变化（如材料厚度波动、装配误差），自动调整焊接工艺参数，保证焊接质量不受外界因素影响，实现智能化焊接生产。

新材料焊接

- 高强钢：随着建筑、桥梁等行业对结构轻量化和高强度要求的提高，高强钢的应用越来越广泛。研发适合高强钢的焊接材料和工艺，控制焊接热影响区的组织和性能，防止裂纹产生，提高接头的强度和韧性是研究重点。

- 镍基合金：常用于航空航天、石油化工等领域，因其具有耐高温、耐腐蚀等优良性能。研究镍基合金的焊接冶金过程，解决焊接过程中的热裂纹、气孔等缺陷，开发专用焊接设备和工艺，满足特殊工况下的使用要求。

- 复合材料：如碳纤维增强复合材料，在航空航天领域应用逐渐增多。研究复合材料与金属或其他材料的连接技术，开发适合复合材料的焊接方法和工艺，解决界面结合强度和可靠性问题，拓展复合材料的应用范围。

绿色焊接

- 低烟尘焊材：开发新型低烟尘、低毒的焊接材料，减少焊接过程中烟尘和有害气体的产生，改善工作环境，保护焊工健康，如采用环保型药皮配方的焊条，降低烟尘中的有害物质含量。

- 节能设备：研发高效节能的焊接电源和设备，如逆变式焊接电源，相比传统电源，具有更高的电能转换效率，减少能源消耗，降低生产成本，符合可持续发展要求。

- 环保工艺：冷金属过渡（CMT）工艺是一种新型的焊接工艺，其特点是在焊接过程中实现无飞溅、低热量输入，减少对焊件的热影响，降低变形和缺陷产生的概率，同时减少能源消耗和焊接烟尘排放，是一种绿色环保的焊接工艺，在薄板焊接和对焊接质量要求高的场合具有广阔的应用前景。

推荐学习资源

- 书籍：

- 《焊接冶金学》：深入剖析焊接过程中的冶金反应、组织转变和性能变化，为理解焊接质量控制提供理论基础。

- 《焊接方法与设备》：全面介绍各种焊接工艺方法、工艺参数选择和焊接设备的原理、结构与应用，具有很强的实用性。

- 《ASME锅炉与压力容器规范》：是锅炉与压力容器设计、制造、检验等方面的权威标准，对从事相关领域焊接工作的人员具有重要指导意义。

- 标准：

- AWS（美国焊接学会）标准：在国际上具有广泛影响力，涵盖焊接材料、工艺、质量控制等多方面标准，为焊接行业提供技术规范。

- ISO（国际标准化组织）标准：是全球通用的标准体系，在焊接质量分级、检测方法等方面的标准促进了国际间的焊接技术交流与合作。

- GB（中国国标）：我国焊接领域的国家标准，结合国内实际情况和行业需求制定，对规范国内焊接行业发展起到重要作用。

- 实践：参与焊工技能培训并考取AWS或ISO 9606焊工资格证，通过系统培训和实际操作，掌握各种焊接方法和技能，熟悉焊接质量控制流程，获得权威的资格认证，提升在焊接领域的就业竞争力和专业水平。

来源：小小焊割人