焊接工程师手册(第3版）

第3版前言
时隔9年，《焊接工程师手册》的第3版终于与大家见面了。我们本着“与时俱进，不断充实更新，服务于读者”的宗旨，努力把焊接工程师喜爱的这本手册修订好，今后也将定期地进行修订。
本次修订的总设想是：保留原书特色，继承第1、2版好的想法和好的写法；适当删去逐渐被淘汰的或已很少使用的内容，以减小全书的篇幅；增添近几年新发展并已用于生产中的焊接新材料、新工艺和新设备，紧跟时代的步伐，凸显本手册的先进性。
在第1版前言中指出了“便于查阅、简明扼要、适应性强和适当说理”的特色；在第2版前言中强调了“基本、常用同时兼顾先进性的取材原则”。可见本手册的性质是一本面向焊接工程师的内容系统、全面的综合性专业工具书，具有储存、实用和便查等功能，这些都是本次修订需要继承的。
我国现在已是世界上钢铁产量大国，大约有一半的钢材用于制造不同用途的焊接结构。焊接技术已广泛应用于航空航天、船舶、海洋工程、压力锅炉、化工容器、大型或重型机械装备，以及桥梁、建筑等钢结构的建造，焊接作为一种金属加工工艺方法在制造业中起着无法替代的作用。
当前在建造大型而复杂的焊接结构时所遇到的金属材料不仅是常规的金属材料，还有具有或耐高温、或耐低温、或抗氧化、或耐腐蚀等特殊性能的金属材料，焊件的厚薄差异很大；不仅焊接工作量大，而且焊接技术难度越来越大，对焊接质量的要求也越来越高。常规的焊接方法和普通工艺已经不适应新的需求了，同时生产方式也需要相应改变。为了适应焊接行业的现状和发展趋势，本次修订在内容取舍上做了一些调整。
本次修订增加的内容较多地体现在焊接生产数字化、自动化和柔性化方面，例如，增加了数字式弧焊电源，介绍了如何把数字控制技术引入到弧焊电源，实现了对电源输出波形及各种参数等的一体化调节与自适应控制，以满足特殊材料和特殊结构在焊接工艺过程中提出的各种特殊要求；考虑了航空航天工业和能源工业的发展需要，增加了轻金属镁合金焊接的内容，充实了焊接难度较大的细晶高强韧型马氏体耐热钢的焊接工艺；在目前应用多的气体保护焊工艺中，增补了先进的波形控制焊接热输入的气体保护焊新技术；在焊接结构设计和生产设计方面增加了计算机技术辅助设计的篇幅和实现自动化、柔性化生产的内容，贯彻执行了如承压设备、建筑钢结构等建造的现行国家标准和规范。无损检测是保证焊接质量很重要的一环，这次修订增添了新的超声相控阵检测技术和衍射时差法超声检测（TOFD）技术，在焊接残余应力的测定方面增添了超声波法、压痕法等三种新方法。这些增补都符合当前国内工业生产大型化、高参数、高效率和高质量发展方向的需要。
我们在修订过程中参考和引用了许多专著和技术资料，在此特向被引用专著或资料的各位作者致以衷心感谢。由于我们能力有限，在修订中难免有错漏，希望各位读者批评指正。

编者

《焊接工程师手册》（第3版）是焊接专业的综合性工具书，基本涵盖了焊接专业的技术内容。本版在保留第2版精华和特色的基础上添加了先进的工艺技术内容。全书共9篇58章。第1篇汇集了焊接工程师*常用而又不易记忆的符号、公式和数据等资料；第2篇阐述了焊接过程中的物理行为和冶金行为，以及与金属焊接性密切相关的焊接裂纹问题；第3、4、5篇介绍工程中的各种焊接方法及设备，包括电弧焊、电阻焊和其他特殊的焊接方法及其设备等；第6篇以焊条、焊丝和焊剂为重点介绍了焊接材料的性能参数及选用方法；第7篇介绍了各种金属材料的焊接性能及其焊接工艺；第8篇为焊接结构，重点介绍焊接应力与变形、结构强度和结构设计等；第9篇除介绍生产中遇到的焊接工艺过程设计、焊接工艺评定和焊接质量检验外，还介绍了与焊接过程机械化、自动化和柔性化有关的焊接工装的设计和计算以及焊接机器人的应用等方面的内容。

目录
第3版前言
第2版前言
第1版前言
第1篇综合资料
第1章符号3
1.1希腊字母3
1.2标准代号3
1.2.1中国标准代号3
1.2.2国外部分标准代号4
1.3数学符号5
1.4物理量名称及其符号9
1.5化学元素符号9
1.6图形符号12
1.6.1机械图样中的常用符号12
1.6.2焊缝图形符号16
1.6.3电工系统图常用图形符号20
1.7我国钢铁产品牌号及其统一数字代号中字母的含义26
1.8焊接材料型号和牌号中的代号28
1.9电焊机型号中的符号30
1.9.1电焊机型号的编制30
1.9.2电焊机型号中符号的含义30
1.10焊接方法的英文缩写字母32
1.11焊缝无损检测符（代）号33
1.12焊缝工作位置的符号34
第2章单位及其换算37
2.1单位与单位制37
2.2国际单位制及我国法定计量单位37
2.2.1国际单位制及其构成37
2.2.2我国的法定计量单位37
2.3物理量的符号和单位39
2.3.1常用空间、时间和周期的量和单位39
2.3.2常用力学的量和单位40
2.3.3常用热力学的量和单位41
2.3.4常用电学及磁学的量和单位43
2.3.5常用光学及声学的量和单位44
2.4简易单位换算45
2.4.1米制倍数与分数单位换算45
2.4.2英制与米制单位换算45
2.4.3市制单位换算47
2.4.4温度换算公式48
第3章常用公式、数据和资料49
3.1基本与常用物理常数49
3.2化学元素周期表及各元素的物理性能49
3.2.1化学元素周期表49
3.2.2各化学元素的物理性能49
3.3工程制图常用基础资料54
3.3.1图纸幅面和格式54
3.3.2标题栏与明细栏54
3.3.3比例54
3.3.4字体及其在CAD制图中的规定55
3.3.5图线及其在CAD制图中的规定56
3.4常用计算公式及运算57
3.4.1常用数学公式57
3.4.2常用平面图形的计算公式61
3.4.3常用几何体的计算公式62
3.4.4常用理论力学公式64
3.4.5常用材料力学公式65
3.4.6常用电工学公式68
3.5钢铁材料基础资料69
3.5.1钢铁及其热处理基础资料69
3.5.2常用钢材的品种及规格80
3.5.3钢铁材料的硬度及强度换算83
3.6常用材料的物理性能 88
3.6.1常用材料的线胀系数88
3.6.2常用材料的熔点、热导率及比热容88
3.6.3常用材料的密度88
3.6.4材料的滑动摩擦因数89
3.7常用有机与无机化工产品及盐类的性质90
第2篇焊接物理冶金
第1章焊接及其分类95
1.1焊接过程的物理本质95
1.2焊接的分类95
1.3各种焊接方法的基本特点与应用96
1.4焊接方法的选择98
第2章焊接物理102
2.1焊接热过程及其特点102
2.1.1概述102
2.1.2焊接的热源103
2.1.3焊接热传导105
2.1.4焊接热循环110
2.2焊接电弧及其特性116
2.2.1焊接电弧116
2.2.2电弧的构造及其电压分布118
2.2.3焊接电弧的小能量消耗特性118
2.2.4焊接电弧的热特性119
2.2.5焊接电弧的电特性120
2.2.6焊接电弧的力学特性121
2.2.7拘束电弧122
2.2.8磁场对电弧的作用122
2.3焊丝的加热、熔化与熔滴过渡124
2.3.1焊丝的加热与熔化124
2.3.2熔滴过渡125
2.4母材的熔化与焊缝的形成129
2.4.1母材的熔化与熔池的形成129
2.4.2熔池的形状与焊缝的形成129
第3章焊接冶金132
3.1液相冶金132
3.1.1液相冶金过程的特点132
3.1.2焊接时对金属的保护132
3.1.3焊接冶金反应区及其反应条件133
3.1.4气相对金属的作用134
3.1.5熔渣及其对金属的作用142
3.2凝固冶金150
3.2.1焊接熔池凝固的特点150
3.2.2熔池结晶的一般规律151
3.2.3熔池结晶的线速度151
3.2.4熔池结晶的形态152
3.2.5焊缝金属的化学成分不均匀性155
3.2.6焊缝一次结晶组织的改善157
3.2.7焊缝的固态相变组织158
3.2.8焊缝中的气孔与夹杂161
3.3固相冶金164
3.3.1焊缝金属的固态相变164
3.3.2焊接热影响区的固态相变164
3.3.3焊接连续冷却转变图及其应用170
第4章焊接裂纹174
4.1概述174
4.1.1裂纹的危害174
4.1.2焊接裂纹的分类及其特点174
4.2焊接热裂纹175
4.2.1结晶裂纹175
4.2.2液化裂纹179
4.2.3多边化裂纹180
4.3焊接再热裂纹180
4.3.1再热裂纹的发生及其特点180
4.3.2再热裂纹的形成机理181
4.3.3再热裂纹的影响因素及其防治181
4.4焊接冷裂纹183
4.4.1冷裂纹的基本特征及其分类183
4.4.2冷裂纹的形成机理184
4.4.3冷裂倾向的判据187
4.4.4防止冷裂纹的措施189
4.5层状撕裂192
4.5.1层状撕裂的特征与危害192
4.5.2层状撕裂的形成机理193
4.5.3影响层状撕裂的因素193
4.5.4防止层状撕裂的措施193
4.6应力腐蚀裂纹195
4.6.1应力腐蚀裂纹的特征与形成条件195
4.6.2应力腐蚀开裂的机理196
4.6.3防治应力腐蚀裂纹的途径196
第3篇弧焊方法及设备
第1章弧焊电源201
1.1弧焊电源的类型、基本特点及其适用范围201
1.1.1弧焊电源的类型201
1.1.2弧焊电源的基本特点和适用范围201
1.2对弧焊电源的基本要求201
1.2.1对弧焊电源外特性的要求201
1.2.2对弧焊电源调节特性的要求203
1.2.3对弧焊电源动特性的要求203
1.2.4对弧焊电源的其他要求205
1.3交流弧焊电源205
1.3.1弧焊变压器205
1.3.2矩形波交流弧焊电源207
1.4直流弧焊电源——弧焊发电机208
1.5直流弧焊电源——弧焊整流器208
1.5.1弧焊整流器的分类208
1.5.2硅弧焊整流器208
1.5.3晶闸管式弧焊整流器211
1.6脉冲弧焊电源212
1.6.1脉冲弧焊电源的基本原理213
1.6.2脉冲弧焊电源的种类、特点与应用213
1.6.3晶闸管式脉冲弧焊电源214
1.6.4晶体管式脉冲弧焊电源215
1.7逆变式弧焊电源216
1.7.1逆变式弧焊电源的基本原理及组成216
1.7.2逆变式弧焊电源的分类、特点及应用范围217
1.7.3逆变式弧焊电源的基本电路217
1.7.4各类逆变式弧焊电源的比较221
1.8数字式弧焊电源222
1.8.1数字式弧焊电源的基本结构222
1.8.2数字式弧焊电源的特点223
1.9弧焊电源的选择、使用与维修224
1.9.1弧焊电源的选择224
1.9.2弧焊电源的安装、使用及维修226
第2章焊条电弧焊227
2.1概述227
2.1.1定义与工作原理227
2.1.2工艺特点227
2.1.3适用范围与局限性227
2.2焊接设备227
2.2.1弧焊电源227
2.2.2辅助器具228
2.3焊接材料——焊条228
2.4焊条电弧焊接头的设计与准备228
2.4.1接头的设计与选用228
2.4.2坡口的制备230
2.4.3焊接位置231
2.4.4焊接衬垫与引出板231
2.4.5装配与定位焊232
2.5焊条电弧焊的焊接工艺233
2.5.1焊前准备233
2.5.2焊接参数233
2.5.3后热与焊后热处理236
第3章埋弧焊237
3.1概述237
3.1.1基本原理237
3.1.2优缺点237
3.1.3分类238
3.2适用范围238
3.2.1材料范围238
3.2.2厚度范围238
3.3埋弧焊的自动调节系统238
3.3.1实现焊接过程自动化的一般要求238
3.3.2电弧自身调节系统239
3.3.3电弧电压反馈调节系统240
3.3.4等速与电弧电压反馈送丝系统性能的比较241
3.4埋弧焊机241
3.4.1组成与分类241
3.4.2埋弧焊机的电源241
3.4.3送丝与行走机构243
3.4.4焊接机头调整机构245
3.4.5易损件及辅助装置245
3.5焊接材料——焊丝与焊剂246
3.6埋弧焊接工艺与技术246
3.6.1焊缝形状与尺寸及影响因素246
3.6.2焊接接头设计与坡口加工250
3.6.3组装与定位焊251
3.6.4引弧板与引出板251
3.6.5焊接衬垫与打底焊道251
3.6.6焊前与层间的清理253
3.6.7自动埋弧焊的常规工艺与技术253
3.6.8高效埋弧焊接工艺与技术258
3.7埋弧焊常见的缺陷及消除266
第4章钨极氩弧焊（TIG焊）268
4.1概述268
4.1.1原理与分类268
4.1.2TIG焊的优缺点268
4.1.3适用范围269
4.2不同电流与极性的TIG焊的工艺特点269
4.2.1直流钨极氩弧焊269
4.2.2交流钨极氩弧焊270
4.2.3脉冲钨极氩弧焊271
4.3钨极氩弧焊焊机273
4.3.1TIG焊接过程的一般程序273
4.3.2TIG焊机的组成273
4.3.3焊接电源273
4.3.4引弧和稳弧装置274
4.3.5焊接电流衰减装置275
4.3.6焊枪275
4.3.7供气系统与水冷系统277
4.3.8送丝机构和焊接小车277
4.4焊接材料277
4.4.1钨极277
4.4.2保护气体278
4.4.3填充金属279
4.5焊接工艺280
4.5.1接头形式与坡口280
4.5.2焊前清理280
4.5.3装配281
4.5.4电流类型与极性选择281
4.5.5钨极的选择与使用282
4.5.6焊接参数的选择282
4.6管子TIG焊287
4.6.1固定管全位置TIG焊287
4.6.2管板焊接290
4.7工艺缺陷及其产生原因与防止措施291
4.8特殊TIG焊技术291
4.8.1TIG点焊291
4.8.2热丝TIG焊293
4.8.3TOPTIG焊294
4.9安全技术295
第5章熔化极气体保护焊297
5.1概述297
5.1.1基本原理297
5.1.2分类297
5.1.3优缺点297
5.1.4适用范围297
5.2保护气体和焊丝298
5.2.1保护气体298
5.2.2焊丝299
5.3熔化极气体保护焊的熔滴过渡299
5.3.1短路过渡299
5.3.2细颗粒过渡300
5.3.3喷射过渡300
5.3.4亚射流过渡301
5.3.5脉冲喷射过渡301
5.4熔化极气体保护电弧焊的设备302
5.4.1焊接电源302
5.4.2焊枪303
5.4.3送丝系统304
5.4.4供气与水冷系统305
5.4.5控制系统305
5.5MIG/MAG焊的焊接工艺306
5.5.1焊接材料的选择306
5.5.2焊接参数307
5.5.3典型MIG焊的焊接参数310
5.6CO2气体保护焊315
5.6.1工艺特点315
5.6.2冶金特点316
5.6.3焊接材料317
5.6.4CO2气体保护焊的焊接参数318
5.6.5CO2气体保护焊的常见缺陷及其产生原因322
5.7药芯焊丝气体保护电弧焊323
5.7.1药芯焊丝气体保护电弧焊的工艺特点323
5.7.2药芯焊丝324
5.7.3药芯焊丝气体保护焊的工艺324
5.8窄间隙熔化极气体保护电弧焊326
5.8.1基本特征326
5.8.2优缺点及适用范围326
5.8.3焊接工艺327
5.9CO2电弧点焊329
5.9.1特点与应用329
5.9.2常用接头形式329
5.9.3焊接工艺330
5.10气电立焊330
5.10.1操作原理330
5.10.2优缺点330
5.10.3适用范围331
5.10.4焊接设备331
5.10.5焊接材料332
5.10.6焊接工艺332
5.11先进熔化极气体保护焊333
5.11.1冷金属过渡（CMT）焊333
5.11.2表面张力过渡（STT）焊335
5.11.3TIME焊（四元混合气体熔化极气体护焊）336
5.11.4Time Twin GMAW（相位控制的双丝脉冲GMAW）337
第6章等离子弧焊339
6.1概述339
6.1.1等离子弧及其形成339
6.1.2等离子弧的特性339
6.1.3等离子弧的类型340
6.2等离子弧焊的工艺特点与适用范围340
6.2.1工艺特点340
6.2.2适用范围341
6.3等离子弧焊的类型341
6.4等离子弧焊设备342
6.4.1设备的组成342
6.4.2焊接电源342
6.4.3焊枪343
6.5等离子弧焊的双弧问题345
6.6等离子弧焊工艺345
6.6.1焊接接头345
6.6.2装配与夹紧346
6.6.3等离子弧焊气体的选择346
6.6.4焊接参数347
6.7等离子弧焊的常见缺陷及其产生原因351
第7章螺柱焊352
7.1概述352
7.2拉弧式螺柱焊352
7.2.1瓷环保护拉弧式螺柱焊352
7.2.2短周期拉弧式螺柱焊355
7.3电容放电螺柱焊356
7.3.1电容放电螺柱焊的焊接过程356
7.3.2电容放电螺柱焊的设备358
7.3.3电容放电螺柱焊的焊接工艺359
7.4螺柱焊材料的组合及其焊接性360
7.5螺柱焊方法的选择与应用361
7.5.1螺柱焊方法的选择361
7.5.2螺柱焊的应用363
第4篇电阻焊方法及设备
第1章电阻焊基础367
1.1概述367
1.1.1电阻焊的分类367
1.1.2电阻焊的优缺点368
1.2电阻焊的热量及其影响因素368
1.2.1电阻焊的热量368
1.2.2影响焊接热量的因素368
1.3热平衡及温度分布370
1.3.1热平衡370
1.3.2温度分布371
1.4焊接循环371
1.5金属材料电阻焊的焊接性及其影响因素372
第2章电阻焊设备374
2.1概述374
2.1.1分类374
2.1.2电阻焊设备的型号编制方法374
2.1.3电阻焊机的技术指标374
2.1.4电阻焊设备的基本构成374
2.2点焊机378
2.2.1摇臂型点焊机378
2.2.2直压型点焊机379
2.2.3移动型点焊机379
2.2.4多点型点焊机380
2.3其他电阻焊机381
2.3.1凸焊机381
2.3.2缝焊机381
2.3.3对焊机382
2.4电阻焊机的控制器382
2.4.1控制器的功能382
2.4.2控制器的分类、特点和选用382
2.5点焊机器人384
2.5.1点焊机器人的组成384
2.5.2点焊机器人的优点385
第3章点焊工艺386
3.1熔核的形成及对其质量的一般要求386
3.1.1熔核的形成386
3.1.2对熔核质量的一般要求386
3.2点焊方法的种类387
3.3点焊接头的设计388
3.4点焊电极与电极握杆389