焊接工艺相关知识

概述焊接是通过加热或加压，或两者兼用，使焊件达到原子间结合并形成永久接头的工艺过程。世界每年钢材消耗量的50%都有焊接工序的参与，在现代制造工业中，广泛应用于金属结构件的生产。例如桥梁、船体、车厢、容器等，都可采用焊接而成。焊接可分为三大类：熔焊、压力焊、钎焊。熔焊：将要焊接的工件局部加热至融化，冷凝后形成焊缝而使构件连接在一起的加工方法。包括电弧焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊等。熔焊是广泛采用的焊接方法，大多数的低碳钢、合金钢都采用熔焊方法焊接。特种熔焊还可以焊接陶瓷、玻璃等非金属。压力焊：焊接过程中必须要施加压力，可能加热也可能不加热才能完成的焊接。其加热的主要目的是为使金属软化，靠施加压力使金属塑变,让原子接近到相互稳固吸引的距离，这一点与熔焊时的加热有本质的不同。包括电阻焊、摩擦焊、超声波焊、冷压焊、爆炸焊、扩散焊、磁力焊。其特点是焊接变形小、裂纹少、易实现自动化等特点。电阻点焊机超声波焊机电阻对焊机钎焊：将熔点比母材低的钎料加热至融化，但加热温度低于母材的熔点，用融化的钎料填充焊缝、润湿母材并与母材相互扩散形成一体的焊接方法。钎焊分两大类：硬钎焊和软钎焊。硬钎焊的加热温度大于450度，抗拉强度大于200MPa，经常用银基、铜基钎料，适于工作应力大，环境温度高的场合，比如硬质合金车刀、地质钻头的焊接。软钎焊的加热温度小于450度，抗拉强度小于70MPa适于应力小，工作温度低的环境。比如电路的锡基钎焊4.1焊条电弧焊焊条电弧焊通常又称为手工电弧焊，是应用最普遍的熔化焊焊接方法，它是利用电弧产生的高温、高热量进行焊接的。掌握了手工电弧焊的操作原理对认识其他种类的熔焊有很大帮助，因此将手工电弧焊的操作列为焊接实习的最重要内容。4.1.1焊条电弧焊的焊接过程如图4-1所示，焊接时电源的一极接工件，另一极与焊条相接。工件和焊条之间的空间在外电场的作用下，产生电弧。该电弧的弧柱温度可高达5000-8000K,阴极温度达2400K，阳极温度达2600K。它一方面使工件接头处局部熔化，同时也使焊条端部不断熔化而滴入焊件接头空隙中，形成金属熔池。当焊条移开后，熔池金属很快冷却、凝固形成焊缝，使工件的两部分牢固的连接在一起。请看焊条金属熔化滴入焊件接头熔池过程。4.1.2焊条电弧焊的设备与工具焊条电弧焊的电源设备分三类：包括交流电弧焊变压器、直流弧焊电源、逆变弧焊电源。1.对焊条电弧焊电源设备的要求焊条电弧焊时，欲获得优良的焊接接头，首先要使电弧稳定地燃烧。决定电弧稳定燃烧的因素很多，如电源设备、焊条成分、焊接规范及操作工艺等，其中主要的因素是电源设备。焊接电弧在起弧和燃烧时所需要的能量，是靠电弧电压和焊接电流来保证的，为确保能顺利起弧和稳定地燃烧。要求：（1）焊接电源在引弧时，应供给电弧以较高的电压（但考虑到操作人员的安全，这个电压不宜太高，通常规定该空载电压在50-90伏）和较小的电流（几个安培）；引燃电弧、并稳定燃烧后，又能供给电弧以较低的电压（16-40伏）和较大的电流（几十安培至几百安培）。电源的这种特性，称为陡降外特性。（2）焊接电源还要满足可以灵活调节焊接电流，以满足焊接不同厚度的工件时所需的电流。此外，还应具有好的动特性。2．交流弧焊电源交流弧焊电源是一种特殊的降压变压器，它具有结构简单、噪音小、价格便宜、使用可靠、维护方便等优点。交流弧焊电源分动铁式和动圈式两种。BX1-300型动铁式弧焊机是目前用得较广的一种交流弧焊机，其外形如图4-2所示。交流弧焊机可将工业用的电压（220V或380V）降低至空载60~70V、电弧燃烧时的20~35V。它的电流调节通过改变活动铁心的位置来进行。具体操作方法是借转动调节手柄，并根据电流指示盘将电流调节到所需值。动圈式弧焊电源则通过变压器的初级和次级线圈的相对位置来调节焊接电流的大小。图４-2BX1-330交流弧焊机图4-3BX3型动圈式弧焊变压器示意图1-电流指示盘2-调节手柄（细调电流）3-接地螺钉1-调节手柄2-调节螺杆3-主铁心4-焊接电源两极（接工件和焊条）5-线圈抽头（粗调电流）4-可动次级线圈5-初级线圈３．直流弧焊电源直流弧焊电源输出端有正、负极之分，焊接时电弧两端极性不变。弧焊机正、负两极与焊条、焊件有两种不同的接线法：将焊件接到弧焊机正极，焊条接至负极，这种接法称正接，又称正极性；反之，将焊件接到负极，焊条接至正极，称为反接，又称反极性。焊接厚板时，一般采用直流正接，这是因为电弧正极的温度和热量比负极高，采用正接能获得较大的熔深。焊接薄板时，为了防止烧穿，常采用反接。在使用碱性低氢钠型焊条时，均采用直流反接。图4-4直流弧焊机的不同极性接法1）旋转式直流弧焊机旋转式直流弧焊机是由一台三相感应电动机和一台直流弧焊发电机组成，又称弧焊发电机。图4-5所示是旋转式直流弧焊机的外形。它的特点是能够得到稳定的直流电，因此，引弧容易，电弧稳定，焊接质量较好。但这种直流弧焊机结构复杂，价格比交流弧焊机贵得多，维修较困难，使用时噪音大。现在，这种弧焊机已停止生产正在淘汰中。图4-5直流弧焊机2）整流式直流弧焊机整流式直流弧焊机的结构相当于在交流弧焊机上加上整流器，从而把交流电变成直流电。它既弥补了交流弧焊机电弧稳定性不好的缺点，又比旋转式直流弧焊机结构简单，消除了噪音。它己逐步取代旋转式直流弧焊机。3)逆变式弧焊变压器：逆变是指将直流电变为交流电的过程。它可通过逆变改变电源的频率，得到想要的焊接波形。其特点是：提高了变压器的工作频率，使主变压器的体积大大缩小，方便移动；提高了电源的功率因数；有良好的动特性；飞溅小，可一机多用，可完成多种焊接。其原理框图如下：图4-6逆变电源的基本原理框图4.1.3电焊条的分类与保管1．电焊条分类、组成和作用手工电弧焊用焊条的种类很多。按我国统一的焊条牌号，共分为十大类：如结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条等，其中应用最广的是结构钢焊条。焊条由焊条芯和药皮组成，如图4-5所示。焊条焊芯的作用之一是作为电极导电，同时它也是形成焊缝金属的主要材料，因此焊条芯的质量直接影响焊缝的性能，其材料都是特制的优质钢。焊接碳素结构钢的焊条芯一般是0.08%C的低碳钢，应用最普遍的有H08和H08A。其含碳量及硫、磷有害杂质都有极严格的限制。常用的焊条直径（即焊条芯的直径）为2.5~6毫米，长度在350~450mm。药皮是压涂在焊条芯表面上的涂料层，焊接时形成熔渣及气体，药皮对焊接质量的好坏同样起着重要的作用。药皮的主要作用是：（1）保持电弧稳定燃烧；以改善焊接工艺，保证焊接质量。（2）对焊缝进行机械保护；药皮在焊接时产生大量的气体和熔渣，隔绝空气的有害影响，对焊缝金属起到保护。（3）脱去焊缝金属的有害杂质（如氧、氢、硫、磷等）。（4）向焊缝金属渗入有益的合金元素；以改善焊缝质量。结构钢焊条按熔渣的性质，可把焊条分为酸性和碱性两类。如果熔渣中的酸性氧化物比碱性氧化物多，这种焊条就叫做酸性焊条；反之，则称为碱性焊条。通常酸性焊条的焊接质量较碱性焊条的差。碱性焊条由于焊缝中含氢较少，所以塑性、韧性好，但飞溅大，对油、水分敏感；而酸性焊条抗裂性差，但工艺性好，熔敷速度快。图4-7电焊条的结构2．电焊条的牌号与保管典型酸性焊条牌号有J422（E4303）等，碱性焊条牌号有J507(E5015)等。牌号中的“J”表示结构钢焊条，牌号中三位数字的前两位“42”或“50”表示焊缝金属的抗拉强度等级，分别为420MPa（42Kgf/mm）或500MPa（50Kgf/mm）；最后一位数表示药皮类型和焊接电源种类，1~5为酸性焊条，2表示钛钙型药皮，使用交流或直流电源均可，7为低氢钠性焊条，只能用于直流电源反接。电焊条的保管应保存在干燥的地方，避免受潮。特别是碱性焊条，每次使用前都要经烘干处理后才能使用。4.1.4焊接接头与坡口1.接头型式在焊接前，应根据焊接部位的形状、尺寸、受力的不同，选择合适的接头类型。常见的接头型式有对接、搭接、丁字接和角接等，如图4-8所示。图4-8常见的接头型式2.坡口型式在焊接时为确保焊件能焊透，必须开一定形状的坡口。焊件厚度小于6mm时，只需在接头处留一定的间隙，就能保证焊透。但在焊较厚的工件时，就需要在焊接前，把焊件接头处加工成一定的形状，以确保焊透。对接接头是采用最多的一种接头型式，这种接头常见的坡口型式有“Y”型坡口、双“Y”型坡口当板厚达到20-60mm时，为减少焊接量并减小变形通常开“U”型坡口、双“U”型坡口机组和型坡口，为防止焊接时烧穿，坡口处均应留一定的钝边。如图4-9所示。图4-9对接接头的坡口型式4.1.5焊条电弧焊的工艺规范1.备料按图纸要求对原材料画线，并裁剪成一定形状和尺寸。注意选择合适的接头型式，当工件较厚时，接头处还要加工出一定形状的坡口。2.焊接规范的选择焊条电弧焊的焊接规范，主要就是对焊接电流的大小类型和焊条直径的选择。根据所焊接工件的材质选择焊条牌号，至于焊接速度和电弧长度，通常由焊工根据焊条牌号和焊缝所在空间的位置，在施焊过程中适度调节。（1）焊条直径为提高生产率，通常选用直径较粗的焊条，但一般不大于6mm。工件厚度在4mm以下的对接焊时，一般均用直径小于等于工件厚度的焊条。可参考表4.1。大厚度工件焊接时，一般接头处都要开坡口，在焊打底层焊时，可采用2.5～4mm直径的焊条，之后的各层均可采用5~6mm直径的焊条。立焊时，焊条直径一般不超过5毫米；仰焊时则不应超过4毫米。表4-1焊条直径与板厚的关系焊件厚度/mm＜44～89～12＞12焊条直径/mm≤板厚φ3.2～4φ4～5φ5～6（2）焊接电流焊接电流的大小主要根据焊条直径来确定。焊接电流太小，焊接生产率较低，电弧不稳定，还可能焊不透工件。焊接电流太大，则会引起熔化金属的严重飞溅，甚至烧穿工件。对于焊接一般钢材的工件，焊条直径在3-6mm时，可由下列经验公式求得焊接电流的参考值:I=(30-55)dI——焊接电流（A）；d——焊条直径（mm）；此外，电流大小的选择，还与接头型式和焊逢在空间的位置等因素有关。立焊、横焊时的焊接电流应比平焊减少10-15%；仰焊则减少15-20%。图4-10多层焊的焊缝和焊接顺序3．焊缝层数焊缝层数视焊件厚度而定。中、厚板一般都采用多层焊。焊缝层数多些，有利于提高焊缝金属的塑性、韧性。对质量要求较高的焊缝，每层厚度最好不大于4~5mm。图4-8所示为多层焊的焊缝，其焊接顺序按照图中的序号进行焊接。4.焊缝的空间位置依据焊缝在空间的位置不同，有平焊、立焊、横焊和仰焊四种，如图4-11所示。平焊易操作，劳动条件好，生产率高，焊缝质量易保证，所以焊缝布置应尽可能放在平焊位置。立焊、横焊和仰焊时，由于重力作用，被熔化的金属要向下滴落而造成施焊困难，因此，应尽量避免。图4-11焊缝的空间位置a）平焊b）立焊c）横焊d）仰焊4.1.6焊条电弧焊的基本操作技术焊条电弧焊是在面罩下观察和进行操作的。由于视野不清，工作条件较差。因此要保证焊接质量，不仅要求有较为熟练的操作技术，还应注意力高度集中。初学者练习时应注意：电流要合适，焊条要对正，电弧要短，焊速不要快，力求均匀。焊接前，应把工件接头两侧20mm范围内的表面清理干净（消除铁锈、油污、水分），并使焊条芯的端部金属外露，以便进行短路引弧。引弧方法有敲击法和摩擦法两种；其中摩擦法比较容易掌握，适宜于初学者引弧操作。1.引弧(1)划擦法---先将焊条对准焊件，再将焊条像划火柴似的在焊件表面轻轻划擦，引燃电弧，然后迅速将焊条提起2-4mm，并使之稳定燃烧，(2)敲击法---将焊条末端对准焊件，然后手腕下弯，使焊条轻微碰一下焊件，再迅速将焊条提起2~4mm，引燃电弧后手腕放平，使电弧保持稳定燃烧。这种引弧方法不会使焊件表面划伤，又不受焊件表面大小、形状的限制,所以是在生产中主要采用的引弧方法。但操作不易掌握，需提高熟练程度。图4-12引弧方法a）直击法b）划擦法引弧时需注意如下事项：1)引弧处应无油污、水锈，以免产生气孔和夹渣。2)焊条在与焊件接触