熔焊方法与设备.docx

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1、熔焊方法与设备第一章 焊接电弧 1、熔焊的基本特征：焊接时母材熔化而不施加压力。物理本质：在不施加外力的情况下，利用外加热源使使母材被连接处以及填充材料发生熔化，使液相与液相、液相与固相之间的原子或分子紧密地接触和充分地扩散，使原子间距达到ra，并通过冷却凝固将这种冶金结合保持下来的焊接方法。 2、熔焊的特点：焊接时母材局部在不承受外加压力的情况下呗加热熔化焊接时必须采取有效的隔离空气的措施两种材料之间须有具有必要的冶金相容性焊接时焊接接头经历了更为复杂的冶金过程。 3焊接电弧：是由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。其物理本质：

2、是一种在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所产生的电流量大、电压最低、温度最高、发光最强的自持放电现象。 4、气体放电具备条件:一必须有带电粒子，二在两电极之间必须有一定强度的电场。 5、阴极斑点:电弧燃烧时通常在阴极表面上可以看到一个很小但很光亮的斑点是电子集中发射的地方电流密度大 6、阴极区导电机构有：热发射型、场致发射型、等离子型。 7、最小电压原理含义：在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面，以保证电弧的电场强度具有的数值，即在固定弧长上的电压最小。这意味着电弧总是保持最小的能量消耗。 8、 焊接电弧力：1、电磁收缩力 2、等离子流力 3、斑点压力： 1）

3、正离子和电子对电极的冲撞力2）电磁收缩力3） 电极材料蒸发产生的反作用力 9、焊接电弧力的影响因素：1、焊接电力和电弧压力 2 、焊丝直径 3 、电极的极性 4 、气体介质 5、钨极端部的几何形状 6、电流的脉动 10、焊接电弧的静特性 焊接电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系，也称伏-安特性。 1、弧柱电压降：由Uc=I=jc可知，电压降Uc与电流密度jc成正比，而与其电导率c成反比。在ab段，电流I较小，当电流I增加时弧柱的温度和电离度增加使c增大，同时Sc也增加，而且Sc比I增得快，使电流密度jc减小，所以Uc减小，曲线呈下

4、降特性； 在bc段，I适中电导率达到一定程度不再增加，Sc也相应增加，使Ic基本不变，Uc近似等于常数，曲线呈平特性；在cd段 I很大，Sc受到限制，已不能再增大了，所以Uc随电流I增加而增加，曲线呈上升特性。 2、阴极电压降：小电流区：当增加电流时，阴极区遵循最小电压原理，通过成比例的增加阴极斑点面积，来维持阴极区电压降基本不变。而增加电流I时，随着AB和CD面积的扩大，从AD和BC面耗散热量比例减小，因此阴极电压降降低，呈下降特性。中等电流区：仅发生随着电流的增加阴极斑点面积成比例地增加的过程。这使得电弧的电流密度基本不变，因而阴极电压降呈现平特性。 大电流区：阴极斑点的面积已覆盖阴极端部

5、的全部面积，阴极斑点面积已不再增大。随着电流的增大阴极区的电流密度增大，导致阴极电压降增高，呈现上升特性。 3、阳极电压降：在小电流区，当电流增加时，温度增加，粒子V加快，碰撞和电离加剧，因此阳极电压降下降，呈下降特性。当I增加到一定值时，阳极区温度T很高，通过热电离就能满足弧柱区对正离子的需要，阳极压降到很低，当I继续增加时，阴极电压降基本不发生变化。所以在中等电流和大电流区呈平特性。 11、焊接电弧稳定性及其影响因素：焊接电弧稳定性：焊接时电弧保持稳定燃烧的程度。 1焊接电源： 焊接电源的空载电压越高，越有利于场致发射和场致电离，因此电弧的稳定性越高。 2 焊接电流和电弧电压 ：焊接电流大

6、时的电弧温度要比焊接电流小时高，因而电弧中的热电离要比焊接电流小时强烈，能够产生更多的带电粒子，因此电弧更为稳定。电弧电压增大意味着电弧长度的增大，当电弧过长时，电弧会发生剧烈摆动，使电弧的稳定性下降。 3电流种类和极性：焊接电流可分为直流、交流和脉冲直流三种类型，其中直流电弧为最稳定，脉冲直流次之，交流电弧稳定性最差。 4 焊条药皮和焊剂 ：当焊条药皮或焊剂中含有较多电离能低的元素或他们的化合物时，由于容易电离，使电弧气氛中的带电粒子增多，因此可以提高电弧的稳定性。 5 磁偏吹 ：所谓磁偏吹，是指焊接时由于某种原因使电弧周围磁场分布的均匀性受到破坏，从而导致焊接电弧偏离焊丝的轴线而向某一方向

7、偏吹的现象。 6 其他因素： 焊件上如果偶铁锈、水分以及油污等时，由于分解时需要吸热而减少电弧的热能，因此会降低电弧的稳定性。 第二章 焊丝熔化和熔滴过度 1、焊丝的作用：一、作为电弧的一极导电并传输能量；二、作为填充焊丝向熔池提供熔化金属并和熔化的母材一起冷却结晶而形成焊缝。 2、影响焊丝熔化速度的因素 焊丝熔化速度Vm：以单位时间内焊丝的熔化长度或熔化质量表示。熔化系数m：指每安培焊接电流在单位时间内所熔化的焊丝质量。 1、焊接电流的影响 2、电弧电压的影响 3、焊丝直径的影响 4、焊丝伸出长度的影响 5、焊丝材料的影响 6、气体介质及焊丝极性的影响。 3、熔滴上的作用力 ：1、重力 2、

8、表面张力3、电弧力 1）电磁收缩力 2)等离子流力 3）斑点压力4、爆破力 5 、电弧气体吹力。 4、熔滴过渡：在电弧热的作用下，焊丝末端加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝进入熔池。自由过渡：指熔滴脱离焊丝末端前不与熔池接触，它经电弧空间自由飞行进入熔池的一种过渡形式。渣壁过渡：埋弧焊时在一定条件下熔滴沿熔渣的空腔壁形成过渡形式。 5、短路过渡：主要用于1.6mm以下的细丝CO2气体保护焊或使用碱性焊条。由于电压低，电弧较短，熔滴尚未长大滴时即与熔池接触而形成短路液体过桥，在向熔池方向的表面张力及电磁收缩力的作用下，熔滴金属过渡到熔池中去。 6、短路过渡特点： 1)、短路过渡是燃弧、

9、短路交替进行。燃弧时间对焊件加热，短路时电弧熄灭，熔池温度降低。因此调节燃弧时间或息弧时间即可调节对焊件的热输入，控制母材熔深。 2、 短路过渡时所使用的焊接电流较小，但短路时的峰值电流可达平均电流的几倍。 3、 短路过渡一般采用细丝，焊接电流密度大，焊接速度快，故对焊件热输入低，而且电弧短，加热集中，可减小焊接热影响区宽的和焊件变形。 如果焊接参数不当或焊接电源动特性不佳时，短路过渡将伴随着大量的金属飞溅，过渡过程的稳定性被破坏，不但影响焊接质量，而且浪费焊接材料，恶化劳动条件。 为了保证短路过渡过程稳定进行，不但要求电源有合适的静特性，而且要求电源有合适的动特性。即： 1、 对不同直径的焊

10、丝和焊接参数，要有合适的短路电流上升速度，保证缩颈柔顺的断开，达到减少飞溅的目的。 2、 要有适当的短路峰值电流max，一般max平均电流a的23倍。 3、 短路结束之后，空载电压恢复速度快，以便电弧及时再引燃，避免断狐现象。 7、射流过渡：在电弧力的作用下焊丝短头的液态金属呈铅笔尖状液柱，由于液柱的表面张力很小，在较强的等离子流力作用下，细小的熔滴从尖端一个接一个以高速冲向熔池。 8、射流过渡在工艺上的主要优点： 1、焊接过程稳定，飞溅极少，焊缝成形质量好。2、由于电弧稳定，对保护气流的扰动作用小，故保护效果好。3、射流过渡电弧功率大，热流集中对焊件的熔透能力强。所以射流过渡主要用于平焊厚度

11、大于3mm的工件，不宜焊薄件。 9、射流过渡临界电流c的大小与下列因素有关： 1） 焊丝成分 焊丝成分不同将引起电阻率、熔点及金属蒸发能力的变化。 2） 焊丝直径 即使同种材料的焊丝，直径不同，其临界电流值也不同。 3） 焊丝伸出长度 焊丝伸出长度长，电阻热的预热作用增强，焊丝熔化快，易实现射流过渡，使临界电流值降低。 4） 气体介质 不同的气体介质对电弧电磁强度的影响不同。 5） 电源极性 直流反接时，焊丝为阳极，熔滴上的斑点压力较小，熔滴易脱落，临界电流较小，易实现射流过渡；直流正接时，焊丝为阴极，熔滴上的斑点压力较大，阻碍熔滴过渡，临界电流值较大，电弧不稳定，不易实现射流过渡。 10、熔

12、敷效率：过渡到焊缝中的金属质量与使用的焊丝金属质量之比。 熔敷系数：ay是指单位时间、单位电流所熔敷到焊缝中的焊丝金属质量。 飞溅损失 通常用飞溅率来表示，其定义外飞溅损失的金属与熔化的焊丝金属的质量百分比。 11滴状过渡飞溅的特点：1、CO2含量大于30%的混合气体保护焊时呈粗滴过渡，缩颈；2、细滴过渡时，飞溅较少，主要产生于熔滴与焊丝的缩颈处。射流过渡飞溅的特点：以细滴状过渡，主要是受等离子流力作用机械拉断。 第三章 母材的熔化和焊缝成形 1、焊接熔池：在电弧热的作用下母材被熔化，填充材料也被加热熔化形成熔滴，向母材方向过渡，两金属混合在一起，共同形成具有一定几何形状的液体金属。 2、熔池

13、受到的力及其对焊缝成形的影响 1）熔池金属的重力 2.表面张力 3.焊接电弧力 4.熔滴冲击力。一方面促使熔池内部的对流换热和填充金属与母材金属的混合，从而是焊缝各处的成分比较均匀一致，另一方面影响熔池的形状和焊缝的成形。 3、熔合比：指单道焊时，在焊缝横截面上熔化的母材所占的面积与焊缝的总面积之比。 r=Am/ 4、焊接参数和工艺因素对焊缝成形的影响 一、焊接参数对焊缝成形的影响 焊接电流对焊缝成形的影响 其它条件一定的情况下，随着电弧焊焊接电流的增加，H和h均增加，B略有增加。原因：1） 随着电弧焊焊接电流增加，作用在焊件上的电弧力增加，电弧对焊件的热输入增加，热源位置下移，有利于热量向熔

14、池深度方向传导，使H增大。 2） 电弧焊的焊芯或焊丝的熔化速度与焊接电流成正比。3）焊接电流增大后，弧柱直径增大，但是电弧潜入工件深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而B的增加量较小。 电弧电压对焊缝成形的影响 在其他条件一定的情况下，提高电弧电压，焊件输入的热量有所增加。H略有减小而B增大、h减小。 焊接速度对焊缝成形的影响 在其他条件一定的情况下，提高速度V，B、h和H都减小。 二、焊接电流种类和极性、电极尺寸对焊缝成形的影响 1. 焊接电流的种类和极性 a、钨极氩弧焊焊接钢、钛等金属材料时，直流正接时形成的焊缝熔深最大，直流反接时的熔深最小，交流介于两者之间。 b、熔化极电弧焊时，直流

15、反接时的焊缝熔深和熔宽都要大于直流正接的情况，交流焊接的熔深和熔宽介于两者之间。有阴极雾化作用。 2. 钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度的影响 a、电弧越集中即0减小、k增大、H大、B减小。 b、焊丝越细，电弧加热集中，H增加，B减小。 c、l增加，h增大，H略有增加。 其他工艺因素对焊缝成形的影响 1. 坡口和间隙越大，h小 2.电极前倾法H减小、B增大、h减小 3.焊件倾角上坡焊时，H减小、B增大、h减小。 4.焊件材质导热性越好，H和B减小；厚度增加，B和H都减小。5. a、焊剂密度小，H减小、B较大、h减小。b、保护气体不同，熔深，熔宽不同。 第五章 埋弧焊 1、埋弧焊：是电弧在焊剂下

16、燃烧以进行焊接的熔焊方法。优点：1、生产效率高2、焊接质量好3、劳动条件好4、节约金属及电能。缺点：1、焊接适用位置受到限制2、焊接厚度受限制3、对焊件坡口加工与装配要求较严。 2、埋弧焊的冶金特点：1机械保护作用好 2 冶金反应充分 3 焊缝化学成分稳定 4 焊缝的组织易粗化 3、低碳钢埋弧焊的主要化学冶金反应 锰、硅的还原反应及过渡： 锰可以提高焊缝金属的强度和韧度，并能提高焊缝的抗热裂性能；硅能镇静熔池，有利于获得致密的焊缝，但必须控制焊缝中的硅和锰含量。 焊接低碳钢时，通常采用锰、硅含量均比较低的焊丝 Fe+(MnO)=Mn+(FeO) 2Fe+(SiO2)=Si+2(FeO) 影响锰

17、、硅过渡的因素 1） 焊剂的成分 当焊剂中的MnO、SiO2增多时，会使锰和硅的过渡量增加。 SiO2+2Mn=Si+2MnO 2） 锰、硅的原始含量 焊丝和母材中Mn、Si的原始含量越低，越有利于Mn、Si的还原；反之，会阻碍，甚至造成Mn、Si的氧化烧损。 (SiO2)+ 2Mn=2+Si 3）焊剂的碱度 提高焊剂的碱度，使Mn的过渡量增加，而使Si的过渡量减少。 4）焊接参数 当电弧电压提高时，焊剂的熔化量增加，使Mn、Si增多；当焊接电流小时，使Mn、Si的过渡量增加；当增大电流时，Mn、Si的过渡量减少。 碳的氧化烧损 由于碳与氧的亲和力大于硅与锰的，所以易烧损C+O=CO 。 去氢

18、反应 1.形成HF 2CaF2+3SiO2=2CaSiO3+SiF4 SiF4+3H=SiF+3HF SiF4+2H2O=SiO2+4HF 2.形成OH XnOm+mH=nX+mOH ，OH排出熔池。 脱硫和脱麟反应 1 增加焊丝中的含锰量 FeS+Mn=+Fe FeS+=+ FeS+=+ 2 增加焊剂中的CaO等碱性氧化物的含量 2Fe3P+5+3=3P2O5）+11Fe 2Fe3P+5+4=4P2O5）+11Fe 4、 埋弧焊的工艺特点：1、稀释率高2、热输入高3、焊接速度快。 5、 工艺内容：焊前准备、材料选用、焊接方法、焊接参数、明确操作要求、制定焊接缺陷的检查方法及修补技术。 第六章

19、 TIG焊 1、钨极气体保护焊 直流反接时电弧对母材表面的氧化膜具有“阴极清理”作用称阴极雾化。原因：母材作为阴极发射电子，电弧有自动寻找金属氧化物的性质，在氧化膜上容易形成阴极斑点，而同时阴极斑点受到质量较大的正离子的撞击，因此能使该区域内的氧化膜被清理掉。 直流正接适用于焊接铝、镁及其合金。 2、焊枪作用与要求：作用：是夹持钨极、传导焊接电流和输送并喷出保护气体。要求：喷出的保护气体具有良好的流动状态和一定的挺度，以获得可靠的保护；枪体有良好的气密性和水密性，传导电流的零件有良好的导电性；枪体能被充分冷却，一保证持久地工作；喷嘴与钨极之间哟良好绝缘质量轻、结构紧凑，可达到性好，装拆维修方便

20、。 3、对钨极的要求：1、引弧及稳弧性能好2、耐高温、不易损耗3、电流容量大。钨极材料：纯钨电极、钍钨极、铈钨极、。 3、TIG焊接参数 焊接电流：焊接电流时决定焊缝熔深的最主要参数，要按焊件材料、厚度、接头形式、焊接位置等因素来决定。 电弧电压：电弧电压主要影响焊缝宽度，它由电弧长度决定。 焊接速度：当焊接电流确定后，焊接速度决定单位长度焊缝的热输入。 焊丝直径与填丝速度：焊丝直径与焊接板厚及接头间隙有关。 保护气体流量：主要因素有保护气流量、喷嘴尺寸、喷嘴与母材的距离、外来风等。 钨极直径与形状：钨极直径要根据焊接电流值和极性来选取。 钨极伸出长度：钨极伸出长度是指钨极从喷嘴端部伸出的距离

21、。 第七章 熔化极氩弧焊 1、熔化极氩弧焊的特点 熔化极氩弧焊与其它焊接方法相比较具有以下特点 1. MIG焊的保护气体是每一偶氧化性的纯惰性气体，电弧空间无氧化性，能避免氧化，焊接中不产生熔渣，在焊丝中不需要加入脱氧剂，可以使用与母材同等成分的焊丝进行焊接；MIG焊的保护气体虽然具有氧化性，但相对比较弱。 2. 与CO2气体保护电弧焊相比较，熔化极氩弧焊电弧稳定，熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成形美观。 3. 与TIG焊相比较，熔化极氩弧焊由于采用焊丝作为电极，焊丝和电弧的电流密度大，焊丝熔化速度快，熔敷效率，母材熔深大，焊接变形小，焊接生产率高。 4. MIG焊采用焊丝为正的直流电弧来焊接

22、铝及铝合金时，对母材表面的氧化膜有良好的阴极清理作用。 熔化极氩弧焊也有如下不足： 1. 氩气及混合气体均比CO2气体的售价高，顾焊接成本比CO2气保焊的焊接成本高 2. MIG焊对工件、焊丝的焊前清理要求较高，即焊接过程对油、锈等污染比较敏感。 2、射滴过渡特点 1、熔滴尺寸接近于焊丝直径 2.电弧形态成钟罩形 3.沿焊丝轴向过渡 ，过渡加速度大于重力加速度4、焊接电流增加到射滴过渡的临界值 3、射流过渡特点： 1、电弧呈圆锥状 2.焊丝端部的液体金属呈铅笔尖状 3.熔滴的过渡加速度可以达到重力加速度的几十倍。 4.熔滴直径小于焊丝直径的1/2 .5、电流超过射滴过渡的临界值 4、亚射流过渡

23、特点：1、弧长较短呈碟形 2.存在熔滴短路3、电弧略微带有爆声 4、介于短路过渡和射滴过渡之间。 5、电弧固有的自调节系统：是由具有固有自调节作用的电弧，配合以等速送丝方式和垂降特性焊接电源而构成的。它与电弧自身调节系统相同处都是利用焊丝熔化速度作调节量来保持焊接弧长的稳定；不同：电弧自身调节系统是依靠焊接电流的改变来影响焊丝的熔化速度，而电弧固有的自调节系统是依靠焊丝熔化系数的改变来影响焊丝的熔化速度。 6、熔化极氩弧焊设备：有弧焊电源、送丝系统、焊枪、行走台车、供气系统、水冷系统、控制系统组成。 7、熔化极氩弧焊用焊接材料 保护气体 1、Ar+He 焊接铝、铜、钛及其合金 2. Ar+H2

24、 焊接镍及其合金 3. Ar+N2 铜及其合金4. Ar+O2 低氧时焊不锈钢及高强度钢；高氧焊低碳钢及低合金钢 5. Ar+CO2 焊接碳钢及低合金钢 6. Ar80%+15%CO2+ 5%O2 焊低碳钢、低合金钢。 8、焊接参数 焊接电流和电弧电压 通常是根据焊件的厚度及焊缝熔深来选择焊接电流及焊丝直径。 焊接速度 在焊件厚度、焊接电流及电弧电压等其他条件确定的情况下，焊接速度增加，焊缝熔深及熔宽均减小；焊缝单位长度上的焊丝熔敷量减小，焊缝余高将减小。 焊丝伸出长度 焊丝的伸出长度增加，其电阻热增加，其电阻热增加，焊丝的熔化速度增加。 保护气体流量 熔化极氩弧焊要求保护气体具有良好的保护效

25、果。 9、脉冲熔化极氩弧焊的参数选择：1、基值电流Ib及基值时间Tb .2、脉冲电流Ip及脉冲时间Tp .3、焊接电流Ia .4、脉冲频率p和脉冲宽度比Kp 第八章 CO2焊 1、CO2焊的特点： 优点：1）用粗丝焊接时可用较大电流，实现射滴过渡。2）用细丝焊接时可用小电流，实现短路过渡。3）CO2焊是一种高效节能的焊接方法。4）是一种低氢型焊接方法，抗锈能力较强，不易产生氢气孔。5)使用的焊丝和气体价格便宜。6）是一种明弧焊接方法，利于实现实现焊接过程的机械化和自动化。 2、CO2焊熔滴过渡的特点：1）、在小电流低电压焊接时，熔滴在未脱离焊丝前就与熔池接触形成液态金属短路，使电弧熄灭。当液桥

26、金属在电磁收缩力、表面张力的作用下，脱离焊丝过渡到熔池中去后，电弧复燃。适合用细焊丝焊接薄板；2）当采用中等电流、电弧电压较高时，熔滴呈变化形态的排斥过渡。此时，电弧较长，熔滴呈粗滴状。稳定性较差，焊缝成形较粗糙，飞溅较大；3）当采用大电流且电弧较高焊接时，熔滴呈细滴的非轴向过渡，焊接熔深大，飞溅小，适合焊接较厚的工件。 3、CO2气体保护电弧焊的冶金特点 1）合金元素氧化问题 ：CO2气体在高温作用下分解 CO2=CO+1/2O2 ；在电弧高温区域发生：Fe+CO2 = FeO+CO；2Fe+O2 = 2FeO ；Si+2O = SiO2 ；2Mn+O2 = MnO2 ；C+O2 = 2CO

27、 ，在远离电弧的较低温度熔池区域合金元素又被氧化反应方程式：2FeO+Si=2Fe+SiO2 ； FeO+Mn = Fe+MnO ；FeO+C = Fe+CO 。易使焊缝金属产生气孔及夹渣等缺陷，合金元素的烧损，降低焊缝的力学性能。 2）脱氧与合金化问题：是抑制焊缝中合金元素和铁的氧化以及使氧化铁还原，尤其关注在熔池尾部的较低温度区域内所发生的脱氧反应；还注意焊接过程合金元素的烧损。温度越高，金属与气体的比接触表面积增大或时间增长，合金元素的烧损也增加。 3）气孔问题：焊缝中可能产生N2、H2、CO气孔，一般认为是在焊接熔池中溶解了较多的N2或H2，在焊缝金属结晶瞬间由于溶解度突然减小，这些气

28、体来不及从熔池中逸出时，就在焊缝中形成了气孔。 在电弧热作用下，结晶水分解：H2O = 2H+O ；由于CO2和氧的含量很高，将发生：CO2+H = CO+OH ；O+H = OH 。从而减弱了氢的有害作用。 4、CO2焊对焊丝化学成分的要求：1）焊丝必须含有足够数量的Mn、Si等元素；2）焊丝的含碳量要低Wc 4mm时，应采用直径 = 1.6mm的焊丝。直径为1.6和2mm的焊丝，可以用于短路过渡和细滴过渡焊接，而直径大于2mm的焊丝，只能用于细滴过渡焊接。 2. 焊接电流的选择： 焊接电流的作用是熔化焊丝和工件，同时也是决定熔深 的最主要因素。焊接电流使用范围随焊丝直径和熔滴过渡形式的不同

29、而不同。 3. 电弧电压的选择 ：电弧电压时焊接参数中很重要的一个参数。电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，它对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的力学性能有很大的影响 4. 焊接速度的选择 ：主要根据生产率和焊接质量。 5. 焊丝伸出长度的选择： 伸出长度太长易发生过热而成段熔断飞溅严重；焊丝伸出长度过小，会妨碍观察电弧，影响焊工操作。一般是焊丝直径的10-12倍。 6. 电流极性选择：主要采用直流反接，电弧稳定，飞溅较少。 7. 焊接回路电感值的选择：主要是调节短路频率、燃烧时间和电源的动特性，应根据焊丝直径和焊接位置来选择。 8. 气体流量的选择 ：主要是根据对焊接区域的保护效果来决定的。