焊接方法與設備緒論

1、緒 論一、焊接方法(fngf)的發(fā)展二、焊接(hnji)方法的分類三、熔焊方法的物理本質1共三十五頁一、焊接(hnji)方法的發(fā)展古代(gdi)焊接技術 中國商朝制造的鐵刃銅鉞，就是鐵與銅的鑄焊件，其表面銅與鐵的熔合線婉蜒曲折，接合良好。 戰(zhàn)國時期制造的刀劍，刀刃為鋼，刀背為熟鐵，一般是經過加熱鍛焊而成。 據明朝宋應星所著天工開物一書記載：中國古代將銅和鐵一起入爐加熱熔煉，經鍛打制造刀、斧；用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上，分段鍛焊大型船錨。 2共三十五頁 西方早在青銅器時代就出現了焊接技術：人們把搭接接頭通過加壓的方式熔接在一起，制成圓形的小金盒子。到了鐵器時代，埃及人和地中海東部地區(qū)的居民

2、已經掌握了將鐵片焊接在一起的技術。 中世紀的西方出現了鍛造技術，許多鐵制品是通過鍛焊的方法制造(zhzo)的，直到19世紀才出現真正的焊接技術。古代焊接(hnji)技術 3共三十五頁近現代焊接(hnji)技術碳弧焊金屬(jnsh)極電弧焊電阻焊和鋁熱焊美國焊接協會交流電源自動焊焊條氣體保護電弧焊原子氫焊接方法螺柱焊埋弧焊鎢極惰性氣體保護電弧焊熔化極惰性氣體保護電弧焊CO2氣體保護電弧焊冷壓焊摩擦焊超聲波焊擴散焊等離子弧焊電子束焊電渣焊爆炸焊氣電立焊激光焊4共三十五頁 1881年，法國卡伯特實驗室的Auguste De Meritens利用電弧產生的熱量成功地焊接了蓄電池用鉛板。他的學生-俄國人

3、Nikolai N Benardos和另一個俄國人Stanislaus Olszewski在1885年獲得了一項英國專利權，在1887年獲得了一項美國專利權。這些專利涉及的是一種早期的電極夾，他們的研究標志(biozh)著碳弧焊的開端。19世紀末20世紀初，碳弧焊開始得到廣泛應用。 1800年，Humphry Davy爵士使用電池在兩個碳極之間生成了電弧(dinh)。1836年，英國人Edmund Davy發(fā)現了乙炔。在19世紀中葉，電動機的發(fā)明使電弧(dinh)得到了廣泛應用。19世紀末出現了氣焊和切割，碳弧焊和金屬極電弧(dinh)焊得到了發(fā)展。碳弧焊 Carbon arc welding

4、 5共三十五頁 1890年，美國底特津的C L Coffin利用金屬電極(dinj)（光焊條或光焊絲）進行電弧焊并獲得了關于該工藝的首個美國專利權。其工藝原理是：電極(dinj)熔融金屬穿過電弧，將填充金屬沉積在接頭中形成焊縫。與此同時，俄國人N G Slavianoff提出了同樣的通過電弧傳送金屬的概念，不過他的方法是將金屬澆鑄在模具中。 金屬(jnsh)極電弧焊 Metal arc welding 大約在1900年，英國人Strohmenger介紹了一種帶藥皮的金屬電極。這種藥皮只是一層薄薄的黏土或石灰，卻可以使電弧更加穩(wěn)定。1907-1914年間，瑞典的Oscar Kjellberg發(fā)明

5、了帶藥皮或涂層的焊條。 其制作工藝是：將短小的光鐵絲浸潤在碳酸鹽和硅酸鹽的濃溶液中，然后晾干涂層。6共三十五頁電阻(dinz)焊 Resistance welding (RW) 19世紀末20世紀初，電阻焊技術得到(d do)發(fā)展，包括點焊、縫焊、凸焊和閃光對焊。Elihu Thompson是電阻焊的創(chuàng)始人，他在1885-1900年間申請了多項專利。7共三十五頁 焊接(hnji)時，預先把待焊兩工件的端頭固定在鑄型內，然后把鋁粉和氧化鐵粉混合物（稱鋁熱劑）放在坩堝內加熱，使之發(fā)生還原放熱反應，成為液態(tài)金屬（鐵）和熔渣(主要為Al2O3)，注入鑄型。液態(tài)金屬流入接頭空隙，形成焊縫金屬，熔渣則浮在

6、表面上。為了調整熔液溫度和焊縫金屬化學成分，常在鋁熱劑中加入適量的添加劑和合金。鋁熱焊 Thermit welding (TW) 1903年，德國人Goldschmidt發(fā)明(fmng)了鋁熱焊并首次用于焊接鐵路鋼軌。 鋁熱焊具有設備簡單、使用方便、不需要電源等特點，常用于鋼軌、鋼筋和其他大截面工件的焊接。8共三十五頁鋁熱焊 Thermit welding (TW)9共三十五頁 19世紀末20世紀初，氣焊和切割技術也得到了完善。制氧技術、空氣液化技術及1887年焊炬(吹管)的發(fā)明(fmng)，都促進了焊接和切割的發(fā)展。 1900年這前，人們使用的是氫氣、煤制氣和氧氣的混合氣。到了1900年，人

7、們發(fā)明了能夠使用低壓力乙炔氣的焊炬。 第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)極大地推動了軍用品的需求，焊接行業(yè)發(fā)展迅速，美國和歐洲成立了許多焊接設備和焊接制造公司。美國焊接協會(xihu)(American Welding Society, 簡稱AWS) 第一次世界大戰(zhàn)結束后，Comfort Avery Adams帶領戰(zhàn)時焊接委員會的20名成員創(chuàng)建了美國焊接協會。該協會為非營利機構，其宗旨是推動焊接及相關技術的發(fā)展。 10共三十五頁 中國焊接協會（英文名：CHINA WELDING ASSOCIATION，縮寫CWA），于1987年5月在北京(bi jn)成立，為國家級協會。1991年5月中國焊接協會向民政部正

8、式提出社會團體登記申請。1991年7月11日民政部正式批準中國焊接協會作為中華人民共和國社會團體的注冊登記。中國焊接(hnji)協會 中國焊接協會宗旨： 遵照黨和國家關于發(fā)展國民經濟的路線、方針、政策把會員單位組織起來，本著面向行業(yè)、面向企業(yè)、面向生產實際的原則，調動一切積極因素，加速焊接行業(yè)的技術進步，促進焊接專業(yè)化生產，提高焊接生產技術水平、管理水平和經濟效益，在企業(yè)和政府之間發(fā)揮橋梁和紐帶作用，反映企業(yè)的愿望和要求，協助政府部門搞好行業(yè)管理。11共三十五頁 中國機械工程學會焊接學會是全國性的焊接專業(yè)學科及相關技術(jsh)工作者的學術性群眾團體，是中國機械工程學會下屬的專業(yè)學會，協會成立

9、于1962年。秘書處設在哈爾濱焊接研究所。中國(zhn u)機械工程學會焊接學會 宗旨：協會的宗旨是團結廣大焊接及相關技術工作者，為提高學術水平，繁榮和發(fā)展我國焊接技術事業(yè)服務，為我國社會主義現代化做出貢獻。12共三十五頁交流電源 AC arc welding power source 1919年，C J Holslag發(fā)明了交流電源。但直到上世紀30年代人們開始(kish)大量使用厚藥皮焊條時，交流電源才得到廣泛應用。 1920年，美國通用電氣公司的P O Nobel發(fā)明了自動焊，其在直流下送絲，利用電弧電壓調節(jié)送絲速度(sd)。人們利用自動焊技術堆焊修復發(fā)動機機體和起重機輪。在汽車工業(yè)中，

10、自動焊技術還用于生產齒輪軸機架。自動焊 Automatic arc welding13共三十五頁 上世紀20年代，人們發(fā)明了各種各樣的焊條。那時，人們在厚藥皮焊條是否優(yōu)于薄藥皮焊條的問題(wnt)上存在著很大分歧。A O Smith公司的Langstroth和Wunder采用擠出法生產了厚藥皮焊條并于1927年投入使用。1929年，林肯電氣公司生產了擠出型焊條并向業(yè)界出售。到1930年，帶藥皮焊條已經得到了廣泛應用。焊接標準的出現對焊縫金屬質量提出了更高的要求，增加了帶藥皮焊條的使用量。焊條(hntio) electrode 焊接時，空氣中的氧氣和氮氣接觸到熔融的焊縫金屬會使焊縫變脆或產生氣孔

11、。為解決這個問題，上世紀20年代，人們對如何通過外加氣體保護電弧和焊縫區(qū)進行了大量的研究。氣體保護電弧焊 Gas shielded arc welding14共三十五頁 Alexander和Langmuir發(fā)明了原子氫焊接方法。開始他們用兩個碳極，隨后又改用鎢極。其工藝原理是：首先，氫氣在電弧中吸熱分解成原子氫，然后被吹出，到達焊件表面又重新結合成分子氫，放出熱量，靠此熱量及電弧熱形成熔池。該電弧的產熱量是氧乙炔焰的1/2。這個焊接方法并未得到廣泛應用，只是在上世紀30、40年代用于某些特殊用途的焊接，隨后又用于焊接工具鋼。 H M Hobart和P K Devers進行了類似(li s)的研

12、究工作，他們使用的是氬氣和氦氣。他們在1926年申請了鎢極惰性氣體保護焊的專利。他們還發(fā)明了一種同心噴嘴并通過該噴嘴送焊絲，這是熔化極氣體保護焊的雛形。后人在很大程度上完善了這些工藝。原子氫焊接(hnji)方法 Atomic-hydrogen welding15共三十五頁 1930年，紐約海軍般廠中出現了螺柱焊技術。該技術主要用于將螺柱焊到金屬甲板表面，然后(rnhu)通過螺紋連接甲板蓋板，后來逐漸應用到造船業(yè)和建筑業(yè)中。螺柱焊 Stud welding 美國國家管道公司根據賓夕法尼亞州麥基斯波特的一家管道工廠的需要發(fā)明了埋弧焊技術。該技術用于焊接管道中的縱縫。1930年，Robinoff獲得

13、了該技術的專利權，隨后又將其賣給Linde氣體產品(chnpn)公司。Linde氣體產品(chnpn)公司將其更名為Unionmelt焊接技術。美國的般廠和軍械廠都采用了埋弧焊技術，它是最高效的焊接方法之一，目前被人們廣泛使用。 埋弧焊 Submerged-arc welding (SAW)16共三十五頁17共三十五頁 鎢極惰性氣體保護電弧焊（GTAW）源于C L Coffin在非氧化氣氛中進行焊接(hnji)的概念，他在1890年申請了相關專利。上世紀20年代末，H M Hobart和P K Devers完善了這一概念，前者采用氦氣，后者采用氬氣。該工藝適于焊接(hnji)鎂合金，也可用于焊

14、接(hnji)不銹鋼和鋁合金。1941年，Meredith完善了該工藝并申請了相關專利，他將其命名為Heliare焊接(hnji)技術。隨后，Linde氣體產品公司注冊了該項技術并發(fā)明了水冷式焊槍。從此，鎢極惰性氣體保護電弧焊技術逐漸成為最重要的焊接(hnji)技術之一。鎢極惰性氣體(duxng q t)保護電弧焊 Tungsten inert gas arc welding (TIG) Gas tungsten arc welding (GTAW)18共三十五頁鎢極惰性氣體(duxng q t)保護電弧焊 TIG焊/GTAW焊19共三十五頁 1948年，在Linde氣體產品公司的資助下，Ba

15、ttelle Memorial研究所成功地發(fā)明了熔化極惰性氣體保護電弧焊技術。其原理(yunl)和鎢極惰性氣體保護電弧焊相同，只是將鎢極換成了連續(xù)送給的焊絲。采用細絲和恒壓增大了該工藝的使用范圍。在此之前，H F Kennedy申請了熔化極惰性氣體保護電弧焊的專利。最初其只用于焊接非鐵金屬，由于其熔敷效率高，后來有人開始嘗試用其焊接鋼材。當時惰性氣體造價相對較高，人們沒有找到其合適的替代品。熔化極惰性氣體(duxng q t)保護電弧焊 Metal inert-gas arc welding (MIG)20共三十五頁 1953年，Lyubavskii和Novoshilov宣布他們采用熔化電極，

16、在CO2氣氛下進行了氣體保護電弧焊。由于CO2氣體保護電弧焊可以利用熔化極惰性氣體保護焊的設備，因此立即受到了人們的歡迎?，F在可用于焊接鋼，十分經濟。 CO2弧是一種高熱弧，焊絲直徑較大，需要相當大的焊接電流。隨著小直徑焊絲和更完善的焊接電源的使用，CO2氣體保護電弧焊開始得到廣泛應用。后來又出現了細絲CO2焊和短路過渡CO2焊，采用這些工藝(gngy)可以進行薄板全位置焊接，不久CO2焊就成為了最受歡迎的熔化極氣體保護電弧焊工藝(gngy)。CO2氣體(qt)保護電弧焊CO2 Shielded Arc Welding21共三十五頁 20世紀60年代早期，有人將惰性氣體+少量氧氣混合作為保護氣

17、體，從而獲得噴射型電弧過渡。后來又有人采用脈沖電流產生脈沖電弧，以熔化金屬并控制熔滴過渡。 后來人們又發(fā)明了一種特殊的焊絲。這種焊絲被稱為內-外型焊絲，其橫截面為管狀，里面裝有藥粉。該工藝名為“ 雙保護焊”（Dualshield），除了外加的保護氣體，焊絲中的藥芯也可以產生保護。Bernard在1954年就宣布了這一工藝，但直到1957年才申請專利，美國國家管道天然氣公司采用了這項技術。 1959年，有人發(fā)明了不需要外加氣體的內-外型焊絲。該工藝名為Innershield，由于無需采用外加氣體，被廣泛用于焊接(hnji)質量要求較低的焊接(hnji)中。22共三十五頁 1953年，美國的Hun

18、t發(fā)明了冷壓焊，其原理是：在沒有外部熱源或電流作用條件下，僅僅利用在室溫下對工件施加壓力的方法，使金屬產生(chnshng)塑性變形而實現固態(tài)連接。常用于鋁片(絲) 的焊接。冷壓焊 Cold Pressure Welding (CPW) 1956年，前蘇聯的丘季科夫發(fā)明了摩擦焊技術，其利用焊件接觸端面相對旋轉運動中相互摩擦所產生(chnshng)的熱，使端部達到熱塑性狀態(tài)，從而完成焊接。也稱為慣性焊。 爆炸焊對工件表面清理要求不太嚴，而結合強度卻比較高，適合于焊接異種金屬。 摩擦焊 Friction Welding (FW)23共三十五頁 1957年，前蘇聯的卡扎克夫發(fā)明了擴散焊，其原理是：兩

19、焊件緊密結合，在真空或保護氣氛中，在一定溫度和壓力下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互(xingh)擴散完成焊接。包括過渡液相擴散焊、熱等靜壓擴散焊、熱軋擴散焊、擴散縫焊、熱塑成形擴散焊等。擴散(kusn)焊 Diffusion Welding (DW) 1957年，Robert F Gage發(fā)明了等離子弧焊。其原理是：利用等離子弧焊炬，將陰極（如鎢極）和陽極之間的自由電弧壓縮成高溫、高電離度及高能量密度的電弧，其溫度高于鎢極氣體保護焊的電弧，也用于金屬噴涂和切割。 等離子弧焊 Plasma Arc Welding24共三十五頁 1958年，前蘇聯在比利時舉行的布魯塞爾世界博覽會上宣布了電渣

20、焊工藝。前蘇聯自1951年就開始采用電渣焊，但是在美國人R K Hopkins的研究(ynji)工作的基礎上實現的，后者在1940年獲得了相關專利權。烏克蘭基輔的巴頓研究(ynji)所和捷克布拉格的焊接研究(ynji)實驗室完善了電渣焊的工藝及設備。芝加哥通用發(fā)動機公司的電動部首次采用電渣焊，該公司將其稱為電成型工藝。1959年，有人采用電渣焊組焊柴油發(fā)動機。 電渣焊的焊接效率較高，適合焊接大壁厚、大斷面構件。電渣焊 Electro-slag Welding (ESW)25共三十五頁 1959年，美國斯坦福研究所成功地研究出了爆炸焊，其利用炸藥爆炸產生的沖擊力造成焊件的迅速碰撞，從而(cng

21、r)實現焊件的連接。包括爆炸點焊、爆炸線焊、多層板爆炸焊、多層管爆炸焊等。爆炸(bozh)焊 Explosive Welding (EW)26共三十五頁 1961年，Arcos公司推出了另一種立焊方法，稱為氣電立焊。該工藝可以采用電渣焊的設備，不同的是需采用藥芯焊絲和外加氣體。其優(yōu)點是：生產率高，成本低。與窄間隙焊的主要區(qū)別在于焊縫一次成形，而不是多道多層焊。 氣電立焊的能量密度比電渣焊高且更加集中，焊接技術卻基本相同。它利用類似于電渣焊所采用的水冷滑塊擋住熔融的金屬，使之強迫成形，以實現立向位置的焊接。通常采用外加單一氣體(如CO2)或混合氣體如(Ar+O2)作保護氣體。 在焊接電弧和熔滴過

22、渡(gud)方面，氣電立焊類似于普通熔化極氣體保護焊（如CO2焊、MAG焊），而在焊縫成形和機械系統(tǒng)方面又類似于電渣焊。氣電立焊與電渣焊的主要區(qū)別在于熔化金屬的熱量是電弧熱而不是熔渣的電阻熱。 氣電立焊 Electrogas (arc) Welding27共三十五頁 激光焊是一種以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件接縫所產生的熱量進行焊接的方法。其作為一種高質量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，可以應用到機械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金(fn m y jn)、生物醫(yī)學、微電子行業(yè)等諸多領域。激光(jgung)焊 Laser Beam Welding 隨著電源種類、焊接材料、各種新技術的發(fā)展，焊接朝著新設備、新材料、高效、高質、環(huán)保、節(jié)能、自動化、智能化、柔性化的方向發(fā)展。28共三十五頁二、焊接方法(fngf)的分類29共三十五頁1、熔焊(rn hn) 在不施加壓力的情況下，將母材加熱(ji r)熔化形成焊縫的焊接方法。30共