第三章焊接方法与设备

第三章焊接方法与设备焊接方法基本上可分为三大类：熔化焊、固相焊和钎焊。具体的焊接方法有几十种，这一章主要讨论埋弧焊、气体保护焊等一些常用的电弧焊方法。3.1手工焊条电弧焊－ShieldedMetal-arcWelding(SMAW)手工焊条电弧焊（习惯称为手弧焊）是以手工操纵焊条，利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池，随着电弧向前移动，熔池液态金属逐步冷却结晶，最终形成焊缝，是目前在工业生产中应用最广的一种焊接方法。焊接过程如下图3-1：图3-1焊条电弧焊焊接过程示意图手弧焊的主要优点：①操作灵活，可达性好．②设备简单，使用方便，无论采用交流弧焊机或直流弧焊机，焊工都能很容易地掌握，而且使用方使、简单、投资少。③应用范围广。选择合适的焊条可以焊接许多常用的金属材料。手弧焊的主要缺点有；①焊接质量不够稳定。焊接质量受焊工的操作技术、经验、情绪的影响。②劳动条件差。焊工劳动强度大，还要受到弧光辐射、烟尘、臭氧、氮氧化合物、氟化物等有毒物质的危害。③生产效率低。受焊工体能的影响，焊接工艺参数中挥接电流受到限制，加之辅助时间较长，所以生产效率低。焊前准备：①烘干焊条，祛除受潮涂层中的水分，以减少熔池及焊缝中的氢，防止产生气孔和冷裂纹。②清除工件坡口及两侧各20mm范围内的锈、水、油污等，防止产生气孔和延迟裂纹。③组对工件，保证结构的形状和尺寸，预留坡口根部间隙和反变形量，然后按规定的位置进行定位焊。④针对刚性大的结构和可焊性差的材料，焊前对工件进行全部或局部预热，以减小接头焊后冷却速度，避免产生淬硬组织，减小焊接应力和变形，防止产生裂纹。后热和焊后热处理：焊后立即对焊件全部或局部进行加热或保温使其缓冷的工艺措施，称为后热。后热的目的是避免形成硬脆组织，以及使扩散氢逸出焊缝表面，从而防止产生裂纹。焊后为改善接头的显微组织和性能或消除焊接残余应力而进行的热处理，称为焊后热处理。例如，对于易产生脆断和延迟裂纹的重要结构、尺寸稳定性要求高的结构、有应力腐蚀的结构、以及厚度超过一定限度的结构，应考虑焊后进行消除应力退火。3.2埋弧自动焊－Submeerged-ArcWelding(SAW)埋弧焊时，采用盘状焊丝配合焊剂，以代替手弧焊时的焊条。焊接过程中，焊剂不断撒在焊件接缝和接缝附近区域。焊丝末端伸入焊剂内并与焊件之间产生电弧。由于电弧被厚约30-50mm的焊剂层所覆盖，看不见电弧，所以称为埋弧焊。3.2.1焊接过程图3-2是埋弧自动焊的过程示意图。电弧的引燃和移动，金属熔池、液态熔渣和气体的形成，液态金属与熔渣和气体之间的相互作用，以及焊缝金属和熔渣的凝固等过程都与手弧焊基本相同。两者的主要不同之处在于：①用颗粒状焊剂取代焊条药皮；②用连续自动送进的焊丝取代焊芯；③用自动焊机取代焊工的手工操作。图3-2埋弧焊示意图3.2.2埋弧焊的优点⑴生产效率高⑵焊接质量好⑶节省金属和电能⑷在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果胜过其它焊接方法。⑸劳动条件好3.2.3埋弧焊的缺点⑴主要适用于水平位置焊缝焊接。⑵难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。⑶只适于长焊缝的焊接⑷不适合焊接厚度小于1mm的薄板。⑸容易焊偏。3.2.4应用范围埋弧焊适用于焊接比较大而长的直焊缝和大直径圆筒的环焊缝，尤其适用于大批量生产。它广泛应用于锅炉、化工容器、造船、机车车辆、起重机等金属结构的制造中。3.2.5焊接电弧自动调节原理焊接过程中的外界干扰会导致焊接工艺参数不稳。外界干扰主要来自弧长波动和电网电压的波动。由于焊件不平、装配不良或遇到定位焊点等，都会引起弧长的变化。如图3-3，如果弧长缩短，电弧的稳定工作点就由O沿电源外特性移到O1。电网电压变化时，电源的外特性也相应发生变化，如果电网电压降低，电弧的稳定工作点就由O沿电弧静特性移到O2。可以看出，弧长波动和电网电压的波动都会使焊接电流和焊接电压发生变化（稳定工作点对应的电压、电流），所以要保持焊接参数稳定，必须要有一种自动调节系统，来消除或减弱外界干扰的影响，尤其是弧长的干扰，因为弧长的微小变化会带来电弧电压的明显变化，所以自动调节弧长就成为自动焊机的特有任务。最常用的有电弧自身调节系统和电弧电压反馈自动调节系统。图3-3电弧静态工作点的波动3.2.5.1电弧自身调节作用的原理这种系统在焊接时，焊丝以给定的速度等速送进，所以也称为等速送丝系统。如果弧长保持稳定，那么送丝速度Vf（feed）和焊丝的熔化速度Vm(melt)必须相等，也就是Vf=Vm这是任何熔化极电弧系统的稳定条件。当焊接过程中由于某种原因使弧长波动时，必然会引起焊接电流和电压发生变化，进而引起焊丝熔化速度发生变化。如果弧长由于某种原因缩短的话，电弧稳定工作点就由O沿电源外特性移到O1，对应的焊接电流加大，电压下降，由于焊丝熔化速度主要受电流影响，所以焊丝熔化速度加快，而送丝速度是不变的，这就出现了VfVm，弧长加大，从而电弧稳定工作点自动恢复到原来的O点。从上面的分析可以看出，在电弧自身调节系统中，完全是由弧长变化所引起的焊接电流等工艺参数的变化使弧长恢复到原来长度。当焊接电流较大、焊丝较细而且电源外特性较平缓时，电弧的自身调节作用大。所以，等速送丝焊机一般都采用缓降特性甚至平特性的电源。3.2.5.2电弧电压均匀调节原理由于在粗焊丝的情况下，仅靠电弧自身调节作用已经不能保证焊接过程的稳定性，所以发展了电弧电压均匀调节方法，它主要用在变速送丝并匹配陡降外特性的粗丝熔化焊。这种方法和电弧自身调节作用的不同之处在于，当弧长波动引起焊接规范参数波动时，它是利用电弧电压作为反馈量，并通过一个专门的自动调节装置，强迫送丝速度发生变化。因为一般焊接规范下电弧电压和弧长是呈正比的，如果弧长增加，电弧电压就增大，通过反馈作用使送丝速度相应增加，就会强迫弧长恢复到原来的长度从而保持焊接工艺参数稳定。可以看出，均匀调节是一种强迫调节，而电弧的自身调节是一种自发调节。利用均匀调节的时候电弧的自身调节也起作用，但是由于均匀调节一般采用陡降外特性的电源，弧长变化引起的电流变化不大，所以电弧自身调节作用很弱。3.2.6埋弧自动焊工艺3.2.6.1焊前准备（1）接头形式和坡口加工（2）焊前清理（3）装配3.2.6.2埋弧焊工艺（1）平板双面对焊①悬空焊②焊剂垫法图3-4焊剂垫结构原理1-焊件；2-焊剂；3-橡皮帆布；4-橡皮帆布软管③临时工艺垫板法图3-5临时垫双面焊(a)薄钢带垫；(b)石棉绳垫；(c)石棉板垫④手弧焊封底法（2）单面焊双面成形（3）角焊缝图3-6船形焊和斜角焊(a)船形焊；(b)斜角焊3.2.6.3焊接参数对焊缝成形的影响（1）焊接电流、焊接电压图3-7焊接电流对焊缝成形的影响图3-8电弧电压对焊缝成形的影响B-熔宽；H-熔深；a-余高（3）焊丝干伸长（4）极性（5）焊丝直径（6）焊接速度（7）焊丝倾角图3-9焊丝倾角对焊缝成形的影响(a)前倾；(b)后倾；(c)后倾角度的影响（8）焊件倾斜图3-10焊件斜度对焊缝成形的影响a）上坡焊；b）上坡焊焊件斜度的影响；c）下坡焊；d）下坡焊焊件斜度的影响（9）坡口形状和间隙大小图3-11坡口形状和间隙大小对焊缝成形的影响（10）焊件厚度和焊件散热条件3.3气体保护电弧焊－GasShielded-ArcWelding气保护焊是依靠特殊的焊枪将保护气体连续不断的送到电弧周围，在电弧以及焊接区形成局部气体保护层，从而防止大气污染焊缝。3.3.1气保护焊的优点与手弧焊相比⑴由于不采用药皮焊条，容易实现自动化、半自动化提高生产率，容易实现全位置焊接。⑵HAZ小，焊接变形小。因为保护气体对电弧有压缩作用，电弧热量集中。与埋弧焊相比⑴是一种明弧焊，焊接过程中电弧和熔池的加热熔化情况清晰可见，便于操作和控制。⑵焊缝表面没有渣，厚件多层焊时可节省大量的层间清渣工作，生产率高、产生夹渣等焊缝缺陷的可能性少。⑶可进行全位置焊接⑷适用范围广3.3.2气体保护焊的类型根据在焊接过程中电极是不是熔化，气体保护焊可分为两种类型：不熔化极气体保护电弧焊和熔化极气体保护电弧焊。前者包括钨极惰性气体保护焊（一般称为TIG焊，T是英语tungsten（钨）的首字母，ig代表inertgas—惰性气体）、等离子弧焊和原子氢焊，后者包括熔化极氩弧焊（以氩气或氩气氦气的混合气作保护气体时称为MIG焊-metalinertgaswelding，M是metal的首字母；用氩-O2、氩-CO2或者氩-CO2-O2等混合气体作保护气体时称为MAG焊-metalactivegaswelding，由于混合气体为富氩气体，所以电弧性质仍然是氩弧特征）、CO2气体保护焊以及混合气体保护焊等等。3.4钨极氩弧焊（TIG焊）3.4.1钨极氩弧焊原理钨极气体保护焊的设备图见图3-12。焊枪的前面有一个喷嘴，其中夹持着钨极，电流经导电嘴输入并在钨极和焊件之间产生电弧。氩气由入口处进入喷嘴后喷向焊接区形成气体保护层。图3-12钨极氩弧焊示意图特点：①钨极不熔化，只起导电和产生电弧作用，比较容易维持电弧的长度，焊接过程稳定，易实现机械化；保护效果好，焊缝质量高。②适用于焊接厚度为6mm以下的薄板。③一般不采用直流反接。④焊接铝、镁及其合金时，则采用交流电源或直流反接。⑤钨极氩弧焊需加填充金属，填充金属可为焊丝，也可为填充金属条或者采用卷边接头等。⑥熔深浅，生产率低。3.4.1.1电极TIG焊时，电极可以是纯钨，也可以是钨合金，因为它们满足不熔化极气保护焊时电极材料要满足的三个要求：(a)耐高温、焊接过程中不发生损耗。(b)电流容量大。(c)引弧和稳弧性好。一般，用纯钨极效果比不上用钨合金极。钨合金电极通常含有1%到2%的氧化钍或氧化铈。加氧化钍可以增大电极的电流容量和电子发射能力，在给定电流下使电极尖端保持较低温度并使起弧更为容易。W+1~2%ThO2，W+1~2%CeO2，ZrO2，Y2O3，La2O3经实践证明：Y2O3、ZrO2、CeO2性能较好（图3-20）。（许用电流、耐用、引弧及稳定电弧性好，放射性小）。3.4.1.2保护气体TIG焊的保护气体可以是氩气、氦气或氩气和氦气的混合气体。因为氩气比氦气便宜、容易引弧，而且在一定的焊速下，能得到比较窄的焊缝，HAZ也小，所以氩气使用更为普遍。氩气是惰性气体，保护效果极好，可以获得优质焊缝。但氩气没有脱氧作用，所以TIG焊中，对氩气的纯度要求很高，否则会严重影响焊接质量。一般，氩气的纯度应不低于99.7%，氧和其它气体和水分的含量应极小。3.4.1.3钨极氩弧特点（1）直流钨极氩弧直流TIG焊时，电弧燃烧稳定。正接：钨极是阴极，发射电子的能力强，电弧稳定，而且焊件作阳极，产生的热量大，熔深大、生产率高，而钨极上产生的热量少，不易过热，允许通过的焊接电流大。反接：钨极是阳极，电子轰击钨极，放出大量热量，容易使钨极过热而熔化；且焊件为阴极，阴极斑点活动范围大，易散热，电子发射困难，电弧稳定性差。同时由于反接时熔池浅而宽，生产率低，因此一般不推荐使用。焊件是阴极，氩气的正离子流以高速冲向熔池表面，氩的正离子质量很大，在电弧热与力的共同作用下，使焊件表面上的氧化膜破碎、分解而被清除掉，这种现象称为“阴极破碎”或“阴极清理”作用。（2）交流钨极氩弧交流钨极氢弧焊电压和电流波形如图3-13所示。图3-13交流钨极氢弧焊时电弧电压和电流波形及直流分量示意图a）电压波形；b）电流波形U0一电源空载电压；I—电流；U—电弧电压正半波时，钨极为负极——相当于直流正接正半周→正接→钨极作阴极→钨极得到冷却，同时发射足够的电子，使电弧稳定负半波时，焊件为负极——相当于直流反接负半周→反接→工件作阴极→阴极破碎作用，可以清除熔池表面的氧化膜所以TIG焊焊铝、镁及其合金时一般都是采用交流电源采用交流电源时的问题：①会产生直流分量；②必须采取稳弧措施。由于交流焊机中存在电流不断换向的问题，每当电流改变方向时，都有一极短时间内没有电流流过，导致电弧不稳，甚至熄弧，所以交流电弧没