第一章焊接基础

第一章焊接基本常识主讲：董文宁陈国余第一节焊接在国民经济建设中的作用机械制造工业是国民经济的基础工业，它决定着整个国家的工业生产能力和水平。焊接技术则是机械制造工业中的关键技术之一。例如很多工业产品以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程等，无不依靠机械制造工业提供装备。对于各种压力容器、核反应堆器件、宇航运载工具等产品，如不采用焊接技术，产品就不可能制造出来。随着近代科学技术的迅猛发展，对结构和材料的要求越来越高，如造船和海洋工程要求解决大面积拼板、大型立体框架结构自动焊及各种低合金高强钢的焊接问题；石油化学工业要求解决各种耐高温、耐低温及耐各种腐蚀性介质的压力容器焊接；航空航天工业中要求解决铝、钛等轻合金结构的焊接；重型机械工业中要求解决大截面构件的拼接；电子及精密仪表制造工业要求解决微型精密焊件的焊接。可见，现代工业及科学技术的发展促进了焊接技术的发展，同时为焊接技术的发展提供了广阔的空间天地。一、焊接的优点焊接与螺钉联接、铆接，铸件及锻件相比，具有下列优点：（1）节省金属材料，减轻结构重量，经济效益好。（2）简化加工与装配工序，生产周期短，生产效率高。（3）结构强度高（接头能达到与母材等强度），接头密封性好。（4）为结构设计提供较大的灵活性。例如，按结构的受力情况可优化配置材料，按工况需要，在不同部位选用不同强度、不同耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等的材料。（5）焊接工艺过程容易实现机械化和自动化。二、焊接的缺点（1）焊接结构容易引起较大的残余变形和焊接内应力。由于绝大多数焊接方法都采用局部加热，经焊接后的焊件，不可避免地在结构中会产生一定的焊接应力和变形，从而影响结构的承载能力、加工精度和尺寸稳定性。同时，在焊缝与焊件交界处还会引起应力集中，对结构的脆性断裂有较大的影响。（2）焊接接头中易存在一定数量的缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、焊透、未熔合等。缺陷的存在会降低强度、引起应力集中、损坏焊缝致密性，是造成焊接结构破坏的主要原因之一。（3）焊接接头具有较大的性能不均匀性。由于焊缝的成分及金相组织与母材不同，接头各部位经历的热循环不同，使不同区域接头的性能不同。（4）焊接过程中产生高温、强光及一些有毒气体，对人体有一定的损害，故需加强劳动保护。第二节焊接方法的定义和分类一、焊接的定义焊接是通过加热或加压或两者兼用，可以用或不用填充材料，使焊件达到原子间结合的一种加工方法。焊接的本质是使两个分离的物体产生原子间结合，使之连接成一体的连接方法。焊接与其他连接方式主要的区别在于：焊接构件不可分离，不可拆分；铆接和螺丝连接可拆分。二、焊接的分类金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊、压焊和钎焊3大类，见下图1：熔化焊：焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊（MIG/MAG/CO2）电弧焊非熔化极：钨极氩弧焊、等离子弧焊熔焊气焊电子束焊激光焊焊接电阻焊：点焊、缝焊、对焊压焊高频焊爆炸焊钎焊：火焰钎焊、烙铁钎焊、炉中钎焊、感应钎焊等图1：焊接方法分类华恒公司主要从事电弧焊，即钨极氩弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊。这些焊接方法都要在两极形成电弧，由电弧产生的能量来熔化待焊金属和填充材料，从而达到连接金属的目的。电弧是在两电极之间的气体介质产生强烈而持久的放电现象。气体放电主要依靠两电极之间的气体电离和阴极电子发射这两个物理过程来实现。第三节焊条电弧焊方法介绍及特点焊条电弧焊是药皮手工电弧焊的简称，代号SMAW。是手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法。它利用焊条与工件之间燃烧的电弧热熔化焊条端部和工件的局部，在焊条端部迅速熔化的金属以细小熔滴经电弧弧柱过渡到工件已经熔化的金属中，并与之融合一起形成熔池，随着电弧向前移动，熔池的液态金属逐步冷却结晶形成焊缝。焊条的药皮经电弧高温分解和熔化而生成气体和熔渣，形成气渣联合保护焊缝金属。电弧的中心温度在5000ºC以上，电弧电压在16～40V之间，焊接电流在20～500A之间。工艺特点：设备简单，操作灵活方便，适应性强，可达性好，不受焊接位置和场所的限制；可焊金属广，除难熔金属或极易氧化的金属外，大部分金属均能焊接；待焊接头装配要求低，但对焊工操作技术要求高，焊接质量在一定程度上取决于焊工的操作水平劳动条件差，熔敷速度慢，生产效率低。焊接过程中要更换焊条，焊接烟尘大，焊后还要清渣。第四节钨极氩弧焊方法介绍和特点在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件之间产生的电弧热熔化工件和填充焊丝的焊接方法称钨极氩弧焊或非熔化极气体保护焊，代号TIG或GTAW。焊接时惰性气体经焊枪喷嘴连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止对钨极、熔池、热影响区的有害作用，从而获得优质焊缝。保护气体可以是氩气、氦气或者两者混合气，有时焊接不锈钢加入少量的氢气。绝大多数场合下所用氩气纯度为99.99%，我们称工业纯氩，焊接极易氧化金属如锆合金时要用高纯氩，含量99.999%。钨极是TIG的易耗材料，钨的熔点为3400ºC，是熔点最高的金属。在钨中加入微量逸出功小的稀土元素，能够显著提高电子发射能力，既利于引弧和稳弧，又能提高其电弧的载流能力。目前常采用钍钨和铈钨，由于钍钨中的钍具有放射性，所以工厂很少使用，常用铈钨极。钨极标记为钍钨端头涂有红色，铈钨涂有灰色。钨极氩弧焊的工艺特点：由于是在惰性气体保护下焊接，一方面可以获得高纯净的焊缝；另一方面几乎可以焊接所有的金属。焊接工艺性能好。明弧观察，易于操作，电弧燃烧稳定，无飞溅，焊后不用去渣，焊缝成型美观；能进行全位置焊接，是实现单面焊背面成型的理想焊接方法。能进行脉冲焊接，减少焊接热输入，很适合薄板或热敏感材料的焊接。氩弧焊电源有直流和交流。除焊接铝、镁及其合金采用交流电源外，其余金属焊接皆用直流正接。此外，电流波形还还分为直流和脉冲。脉冲主要用于薄板和全位置焊接。第五节等离子弧焊方法介绍及工艺特点等离子(PAW)电弧是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种高能焊接方法。钨极氩弧焊是自由电弧，而等离子是压缩电弧。等离子电弧是由钨极缩到焊枪的喷嘴内部，并在喷嘴中通人等离子气体，强制电弧从喷嘴的孔道通过，这样电弧就受到三个压缩效应，即喷嘴的机械压缩、离子气冷气流的热收缩、弧柱自身电磁产生的磁收缩，从而导致电弧的横截面变小，电流密度增大，电弧温度增高。等离子弧能量密度可达105～106W/cm2,比自由电弧（约105W/cm2以下）高，其温度可达18000～24000K，也高于自由电弧（约5000～8000K）很多。此外等离子弧挺度比自由电弧好，指向性好，喷射有力，熔透能力强，可比自由电弧一次焊透更厚的金属。等离子电弧主要分为三种类型：非转移型等离子电弧主要用于非金属材料的焊接。转移型等离子电弧金属材料的焊接一般采用此电弧。联合型电弧主要用于电流小于30A以下的微束等离子焊接。等离子基本焊接方法按焊缝成型原理，等离子焊接有两种基本的焊接方法：小孔型等离子焊接及熔透型等离子焊接。小孔型等离子焊接利用小孔效应实现等离子焊接的方法称为小孔型等离子焊接。小孔型等离子焊接的主要优点在于可以单道焊接厚板，板厚的范围：1.6~9mm。小孔法一般用于平焊。由于小孔法产生较为对称的焊缝，焊接横向变形小。熔透型等离子焊接焊接过程只熔透工件，但不产生小孔效应的等离子焊接方法。当离子气较小，弧柱受压缩的程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应，焊缝成形原理与氩弧焊类似。主要用于薄板焊接及厚板多层焊。等离子焊接的工艺特点：穿透能力强，8mm以下板厚无须开坡口，大大减小了焊前准备时间。电弧能量集中，焊接热影响区小，焊接变形小。焊接速度快，等离子比手工氩弧焊减小4-5倍时间。卓越的重复生产性。弧柱刚性大，采用小孔效应，可以实现稳定的单面焊双面成型。电极缩在喷嘴内，不易污染和烧损及电极寿命长，焊缝缺陷少。焊接质量好，可焊材料多。等离子弧具有良好的可控性和调节性等。第六节熔化极气体保护焊方法介绍及工艺特点熔化极气体保护焊(GMAW)是以可熔化的金属焊丝作电极，并由气体作保护的电弧焊。其焊接过程是利用焊丝和工件之间的电弧来熔化焊丝和工件，形成熔池，熔池凝固后即为焊缝金属。气体通过喷嘴喷出，保护处于高温下的焊丝和熔池以及热影响区周围空气的有害作用。焊丝由专门的送丝机构送出，所以熔化极气体保护焊又称半自动或自动焊。作为填充金属的焊丝，有实芯和药芯焊丝两种。实芯和TIG用焊丝类似，药芯焊丝中的药芯成分和焊条的药皮相似。根据所用气体成分不同，熔化极气体保护焊又分熔化极惰性气体保护焊，简称MIG，其气体成分为氩气、氦气或二者混合气；熔化极活性气体保护焊，简称MAG，其气体成分为氩气中一定比例的活性气体，如O2、CO2等；二氧化碳气体保护焊，简称CO2。熔化极气体保护焊工艺特点：焊接效率高，因是连续送丝，没有更换焊条工序，焊道之间无须清渣，节省时间，通过焊丝的电流密度大，因而提高了熔敷速度。在相同电流下，熔深比焊条电弧焊的大焊接变形小明弧观察，易于操作焊缝质量高，容易实现机械自动化烟雾少，焊接区域粉尘少，减轻了劳动强度熔化极气体保护焊可分为普通和脉冲两种方式。第七节埋弧焊方法介绍和工艺特点埋弧焊（SAW）是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。焊剂漏斗在焊接区前方不断地输送焊剂于待焊工件的表面上，焊丝经送丝机构保证焊丝不断地向焊接区输送，焊丝经导电嘴而导电，保证焊丝于工件之间形成电弧，电弧热熔化焊丝、工件和焊剂，焊丝和工件熔化形成焊缝，焊剂熔化形成气渣联合保护焊缝金属，免受空气对焊接区域的污染，整个焊接过程是在焊剂层下进行，操作者看不道电弧，因而得名埋弧焊。根据焊丝直径埋弧焊可分为细丝（焊丝直径﹤3mm）和粗丝（≥3mm）埋弧焊；根据焊丝个数可分为单丝、双丝和多丝埋弧焊。按电极形状可分为丝极埋弧焊和带极埋弧焊，后者主要用于金属表面堆焊。埋弧焊工艺特点：生产效率高，焊丝从导电嘴伸出长度短，可以提高焊接电流，一般可提高手工焊的4～5倍。因此熔透能力和焊丝的熔敷效率大大提高。由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧的热散失少，可提高焊接速度，单丝埋弧焊速度可达30～50m/h.焊缝质量高，焊缝表面光洁平直，内部缺陷少，对焊工技术水平要求不高。节省焊接材料和能源。劳动条件好，由于焊接过程的机械化和自动化，焊工劳动强度大大降低，没有弧光和辐射，以及焊接时放出的烟尘和有害气体少，改善了焊工的劳动条件。第八节弧焊电源弧焊电源是用来对焊接提供电能的一种专用设备，是电弧焊中的核心部位。和一般电力电源不同，弧焊电源的负载是电弧，它必须具有弧焊工艺所要求的电气性能，如合适的空载电压，一定形状的外特性，良好的动特性和灵活的调节特性等。一、弧焊电源的类型按输出电流的种类分；直流、交流、脉冲三大弧焊电源。按输出外特性分：有恒流（垂直下降）外特性、恒压（平）外特性和介于二者之间的缓降外特性三大弧焊电源。按调节方式和使用的关键元器件种类华恒公司电源分为：变压器抽头式、可控硅和逆变式三大弧焊电源。二、对弧焊电源的基本要求弧焊电源的负载是电弧，它不仅要为焊接提供能量，而且要保证引弧容易，电弧燃烧稳定，焊接工艺参数可调而且恒定。为此，弧焊电源必须具有下述的各项要求。对弧焊电源外特性的要求在稳定状态下弧焊电源的输出电压Uy和输出电流Iy之间的关系曲线——Uy=f(Iy)称为弧焊电源的外特性。它对电弧的稳定燃烧和焊接参数的稳定有着密切关系。各种焊接方法要求的电源外特性不同，这主要和各焊接方法下电弧的静特性有关。所谓电弧的静特性是指一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压U与I之间的关系，Uf=f（If）。其曲线呈“U”形，钨极氩弧焊、等离子弧焊电弧工作在水平段，熔化极气体保护焊工作在微上升段，埋弧焊也工作在水平断。电弧稳定燃烧的条件：电弧静特性与电源外特性必须相交，且电弧静特性曲线在相交点的斜率必须大于电源外特性曲线在此点的斜率。因而钨极氩弧焊和等离子电源的外特性为垂降特性（恒流特性），即使弧长在很大范围内变化，电流基本不变；熔化极气体保护焊电源的外特性为平特性（恒压特性），即