焊接课(理论)

第一节焊接基础一、焊接的实质焊接是指两个或两个以上的零件（同种或异种材料），通过局部加热或加压达到原子间的结合，造成永久性连接的工艺过程。具体措施：（1）加压——用以破坏结合面上的氧化模或其它吸附层，并是接触面发生塑性变形，以扩大接触面。在变形足够时，也可直接形成原子间结合，得到牢固接头。（2）加热——对连接处进行局部加热，使之达到塑性或熔化状态，激励并加强原子的能量，从而通过扩散、结晶和再结晶的形成与发展，以获得牢固接头。二、焊接方法分类一般都根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来划分。1、熔化焊熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。它包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊、堆焊和铝热焊等。2、压焊压焊是通过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法。它包括爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。3、钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下，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焊件的方法。它包括硬钎焊、软钎焊等。三、焊接的特点1、节约金属材料，产品密封性好2、以小拼大，化复杂为简单3、便于制造双金属结构缺点是焊缝处的力学性能有所降低，个别焊接方法的焊接质量检验仍有困难。四、焊接的应用1、制造金属结构2、制造金属零件或毛坯3、连接电器导线第二节熔化焊熔化焊是利用电弧产生的热量使连接处金属局部熔化而实现连接的焊接方法。一、焊条电弧焊1、焊接电弧电弧是两带电导体之间持久而强烈的气体放电现象。1）电弧的形成（1）焊条与工件接触短路短路时，电流密集的个别接触点被电阻热Q=I2Rt所加热，极小的气隙的电场强度很高。结果：①少量电子逸出。②个别接触点被加热、熔化，甚至蒸发、汽化。③出现很多低电离电位的金属蒸汽。（2）提起焊条保持恰当距离在热激发和强电场作用下，负极发射电子并作高速定向运动，撞击中性分子和原子使之激发或电离。结果：气隙间的气体迅速电离，在撞击、激发和正负带电粒子复合中，其能量转换，发出光和热。2）电弧的构造与温度分布电弧由三部分构成，即阴极区（一般为焊条端面的白亮斑点）、阳极区（工件上对应焊条端部的溶池中的薄亮区）和弧柱区（为两电极间空气隙）。3、电弧稳定燃烧的条件（1）应有符合焊接电弧电特性要求的电源a）当电流过小时，气隙间气体电离不充分，电弧电阻大，要求较高的电弧电压，方能维持必需的电离程度。b）随着电流增大，气体电离程度增加，导电能力增加，电弧电阻减小，电弧电压降低。但当降低到一定程度后，为了维持必要的电场强度，保证电子的发射与带电粒子的运动能量，电压须不随电流增大而变化。（2）做好清理工作，选用合适药皮的焊条。（3）防止偏吹。4、电极的极性在焊接中，采用直流电焊机时，有正接和反接两种方法。而大量使用的是交流电弧焊设备，电极的极性频繁交变，不存在极性问题，（1）正接——焊件接电源正极，焊条接负极。一般焊接作业均采用正接法。（2）反接——焊件接电源负极，焊条接正极。一般焊接薄板时，为了防止烧穿，采用反接法进行焊接作业。2、焊条电弧焊的焊接过程1）焊接过程2）焊条电弧焊加热特点（1）加热温度高，而且使局部加热。焊缝附近金属受热极不均匀，可能造成工件变形、产生残余应力以及组织转变与性能变化的不610026002400平均温度（K）4产热21%不是焊接热量的主要来源。产热43%是熔化工件金属热量的主要来源。产热36%是熔化焊条热量的主要来源。产生的热量（%）3①电子和正离子不断形成和复合；②带电粒子在电场作用下作定向运动；③释放强烈的光和热。①电子撞击工件熔池的薄亮区，并与正离子复合放出光和热；②撞击个别电子和正离子；③无发射电子任务，不消耗大量能量。①发射电子；②正离子撞击焊条、端头熔化金属的白亮区、与表面电子复合放出热和光。所进行的物理过程2气隙间工件熔池上的薄亮区焊条端头白热区正接时所处位置1弧柱区阳极区阴极区项目序号均匀。（2）加热速度快（1500度/秒），温度分布不均匀，可能出现在热处理中不应出现的组织和缺陷。（3）热源是移动的，加热和冷却的区域不断变化。3、电弧焊的冶金特点（1）反应区温度高，使合金元素强烈蒸发和氧化烧损。（2）金属熔池体积小，处于液态的时间很短，导致化学成分均匀，气体和杂质来不及浮出而易产生气孔和夹渣等缺陷。4、焊条1）焊条的组成手弧焊焊条由焊芯和药皮两部分组成。（1）焊芯①作为电弧焊的一个电极，与焊件之间导电形成电弧；②在焊接过程中不断熔化，并过渡到移动的熔池中，与熔化的母材共同结晶形成焊缝；（2）焊条药皮①药皮的作用a）对熔池造成有效的气渣联合保护；b）使熔池内金属液脱氧、脱硫以及向熔池金属中渗合金，提高焊缝的力学性能；c）起稳弧作用，以改善焊接的工艺性。②药皮的组成a）稳弧剂：主要使用易于电离的钾、钠、钙的化合物。b）造渣剂：形成熔渣覆盖在熔池表面，不让大气侵入熔池，且起冶金作用。c）造气剂：分解出CO和H2等气体包围在电弧和熔池周围，起到隔绝大气、保护熔滴和熔池的作用。d）脱氧剂：主要应用锰铁、硅铁、钛铁、铝铁和石墨等，脱去熔池中的氧。e）合金剂：主要应用锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钒铁和钨铁等铁合金。f）粘结剂：常用钾、钠水玻璃。（3）焊条药皮的种类a）酸性焊条——药皮中含有多量酸性氧化物，如SiO2、TiO2、Fe2O3等。b）碱性焊条——药皮中含有多量碱性氧化物，如CaO、FeO、MnO、Na2O、MgO等。2）焊条的种类焊条共分为十大类，即结构钢焊条、低温钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条和特殊用途焊条。3）焊条的选用原则（1）选择与母材化学成分相同或相近的焊条（2）选择与母材等强度的焊条（3）根据结构的使用条件选择焊条药皮的类型5、焊接接头的金属组织和性能的变化1）焊件上温度的变化与分布焊缝区金属经受有偿稳状态开始被加热大较高的温度，然后在逐渐冷却到常温这样一个热循环。2）焊接接头处的组织和性能的变化（以低碳钢为例）3）焊接接头的主要缺陷（1）气孔气孔是焊接时熔池中的气泡在焊缝凝固时未能逸出而留下来形成的空穴。防治措施：a）烘干焊条，仔细清理焊件的带焊表面及附近区域；b）采用合适的焊接电流，正确操作。（2）夹渣夹渣是焊后残留在焊缝中的熔渣。预防措施：a）仔细清理带焊表面；b）多层焊时层间要彻底清渣；c）减缓熔池的结晶速度。（3）焊接裂纹a）热裂热裂是焊接过程中，焊接接头的金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。预防措施：减小结构刚度、焊前预热、减小合金化、选用抗裂性好的低氢型焊条等。b）冷裂焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹。预防措施：a）用低氢型焊条并烘干、清除焊件表面的油污和锈蚀；b）焊前预热、焊后热处理。（4）未焊透未焊透是焊接接头根部未完全熔透的现象。产生原因：坡口角度或间隙太小、钝边过厚、坡口不洁、焊条太粗、焊速过快、焊接电流太小以及操作不当等所致。（5）未溶合未溶合是焊缝与母材之间未完全熔化结合的现象。产生原因：坡口不洁、焊条直径过大及操作不当等造成。（6）咬边咬边是沿焊趾的母材部分产生的沟槽或凹陷的现象。产生原因：焊接电流过大、电弧过长、焊条角度不当等所致。6、焊接变形1）焊接应力与变形的原因焊接时局部加热是焊件产生焊接应力与变形的根本原因。2）焊接变形的基本形式3）防止与减小焊接变形的工艺措施（1）反变形法（2）加余量法（3）刚性夹持法（4）选择合理的焊接工艺4）减小焊接应力的工艺措施（1）选择合理的焊接顺序（2）预热法（3）焊后退火处理二、埋弧自动焊电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，称为埋弧焊。埋弧焊的引弧、送进焊条一般均由自动装置来完成，因此又称为埋弧自动焊。1、埋弧自动焊的焊接过程2、埋弧自动焊的主要特点（1）生产率高（2）焊接质量高而且稳定（3）节约焊接材料（4）改善了劳动条件（5）适用于平焊长直焊缝和较大直径的环形焊缝。对于短焊缝、曲折焊缝、狭窄位置及薄板的焊接，不能发挥其长处。3、焊丝和焊剂4、埋弧自动焊的工艺特点（1）焊前准备工作要求严格（2）焊接熔深大（3）采用引弧板和引出板（4）采用焊剂垫或钢垫板（5）采用导向装置三、气体保护焊1、氩弧焊使用氩气作为保护气体的气体保护焊称为压弧焊。氩气是惰性气体，可保护电极和熔化金属不受空气的有害作用。氩弧焊按所用电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。（1）非熔化极氩弧焊电极只作为发射电子、产生电弧用，填充金属另加。常用掺有氧化钍或氧化铈的钨极，其特点是电子热发射能力强，熔点沸点高（为3700K和5800K）。（2）熔化极氩弧焊钨极氩弧焊电流小、熔深浅。中厚以上的钛、铝、铜等合金的焊接多选用高生产率的熔化极氩弧焊。（3）氩弧焊的特点a）由于氩气的保护，它适于各类合金钢、易氧化的有色金属，以及锆、钽、钼等稀有金属的焊接。b）氩弧焊电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观，焊接变形小。c）明弧可见，便于操作，容易实现全位置自动焊接。d）钨极脉冲氩弧焊接可焊接0.8mm以下的薄板及某些异种金属。2、二氧化碳气体保护焊利用CO2作为保护气体的气体保护焊，称为二氧化碳气体保护焊。它的保护作用主要是使焊接区与空气隔离，防止空气中的氮气对熔化金属的有害作用。焊接时：2CO2=2CO+O2CO2=C+O2因此焊接是在CO2、CO、O2氧化气氛中进行的。二氧化碳气体保护焊的特点：（1）焊速高，可实现自动焊，生产率高。（2）为明弧焊接，易于控制焊缝成形。（3）对铁锈敏感性小、焊后熔渣少。（4）价格低廉。（5）焊接飞溅与气孔仍是生产中的难点。第三节其它常用焊接方法一、电渣焊电渣焊就是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行焊接的方法。1、焊接过程2、电渣焊的特点（1）可一次焊成很厚的焊件。（2）生产率高，成本低。（3）焊缝金属比较纯净。（4）适于焊接中碳钢与合金结构钢。（5）焊缝区高温停留时间长，晶粒粗大，焊后需热处理来细化晶粒。二、等离子弧焊与切割1、等离子弧的概念（1）一般焊接电弧为自由电弧，电弧区只有部分气体被电离，温度不够集中。（2）当自由电弧压缩成高能量密度的电弧，弧柱气体被充分电离，成为只含有正离子和负离子的状态时，即出现物质的第四态——等离子体。等离子弧具有高温（15000~30000K）、高能量密度（480千瓦/厘米2）和等离子流高速运动（最大可数倍与声速）（3）等离子弧焊的三种压缩效应a）机械压缩效应在等离子枪中，当高频震荡引弧以后，气体电离形成的电弧通过焊嘴细小喷孔，受到喷嘴内壁的机械压缩。b）热压缩效应由于喷嘴内冷却水的作用，使靠近喷嘴内壁处的气体温度和电离度急剧降低，迫使电弧电流只能从弧柱中心通过，使弧柱中心电流密度急剧增加，电弧截面进一步减小，这是对电弧的第二次压缩。c）电磁收缩效应因为弧柱电流密度大大提高而伴生的电磁收缩力使电弧得到第三次压缩。因三次压缩效应，使等离子弧直径仅有3mm左右，而能量密度、温度及气流速度大为提高。2、等离子弧焊的特点（1）能量密度大，温度梯度大，热影响区小，可焊接热敏感性强的材料或制造双金属件。（2）电弧稳定性好，焊接速度高，可用穿透式焊接，使焊缝一次双面成型，表面美观，生产率高。（3）气流喷速高，机械冲刷力大，可用于焊接大厚度工件或切割大厚度不锈钢、铝、铜、镁等合金。（4）电弧电离充分，电流下限达0.1A以下仍能稳定工作，适合于用微束等离子弧（0.2~30A）焊接超薄板（0.01~2mm），如膜盒、热电偶等。三、真空电子束焊真空电子束焊是利用定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化，形成焊缝。真空电子束焊的特点：（1）在真空中进行焊接，焊缝纯净、光洁，呈镜面，无氧化等缺陷。（2）电子束能量密度高达108瓦/厘米2，能把焊件金属迅速加热到很高温度，因而能熔化任何难熔金属与合金。熔深大、焊速快，热影响区极小，因此对接头性能影响小，接头基本无变形。四、激光焊激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。激