第八章焊接剖析

金屬工藝學(xué)主編：王英杰張芙麗副主編：金升王成國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社第八章焊接一、焊接概述二、焊條電弧焊三、氣焊與氣割四、其他焊接方法簡(jiǎn)介五、常用金屬材料的焊接六、焊接應(yīng)力、焊接變形與焊接缺陷七、焊接結(jié)構(gòu)工藝方法八、焊接新技術(shù)簡(jiǎn)介第一節(jié)焊接概述一、焊接的分類焊接是指通過(guò)加熱或加壓或同時(shí)加熱加壓,并且用或不用填充材料使工件達(dá)到結(jié)合的一種工藝方法。焊接方法的種類很多,通常分為三大類:熔焊、壓焊和釬焊。(1)熔焊熔焊是熔化焊的簡(jiǎn)稱,它是將兩個(gè)焊件的連接部位加熱至熔化狀態(tài),加入(或不加入)填充金屬,在不加壓力的情況下,使其冷卻凝固成一體,從而完成焊接的方法。(2)壓焊焊接過(guò)程中,必須對(duì)焊件施加壓力(加熱或不加熱)以完成焊接的焊接方法,稱為壓焊。(3)釬焊采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料,將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn),低于母材熔化溫度,利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材,填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的工藝方法,稱為釬焊。常用焊接方法的分類見(jiàn)表8-1。二、焊接的特點(diǎn)焊接方法與其他金屬加工工藝相比,具有以下一些突出特點(diǎn):1)減輕結(jié)構(gòu)重量,節(jié)省金屬材料。焊接與傳統(tǒng)的鉚接方法相比,一般可以節(jié)省金屬材料15%~20%。減輕金屬結(jié)構(gòu)自重。2)利用焊接可以制造雙金屬結(jié)構(gòu)。例如,利用對(duì)焊、摩擦焊等方法,可以將不同金屬材料焊接,制造復(fù)合層容器等,以滿足高溫、高壓設(shè)備、化工設(shè)備等特殊性能要求。3)能化大為小,由小拼大。在制造形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件時(shí)常常先把材料加工成較小的部分,然后采用逐步裝配焊接的方法由小拼大,最終實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu),如輪船體等的制造都是通過(guò)由小拼大實(shí)現(xiàn)的。4)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,產(chǎn)品質(zhì)量好。在多數(shù)情況下焊接接頭能達(dá)到與母材等強(qiáng)度,甚至接頭強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度,因此,焊接結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品質(zhì)量比鉚接要好,目前焊接已基本上取代了鉚接。5)焊接時(shí)的噪聲較小,工人勞動(dòng)強(qiáng)度較低,生產(chǎn)率較高,易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。6)容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力、焊接變形及焊接缺陷等。由于焊接是一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程,所以,焊接后會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力與焊接變形。同時(shí),由于工藝或操作不當(dāng),還會(huì)產(chǎn)生多種焊接缺陷,降低焊接結(jié)構(gòu)的安全性。如果在焊接過(guò)程中采取合理的措施后,可以消除或減輕焊接應(yīng)力、焊接變形及焊接缺陷。焊接在橋梁、容器、艦船、鍋爐、管道、車輛、起重機(jī)械、電視塔、金屬桁架、石油化工結(jié)構(gòu)件、冶金設(shè)備、航天設(shè)備等的制造中應(yīng)用廣泛,并且隨著焊接技術(shù)的發(fā)展,焊接質(zhì)量及生產(chǎn)率不斷提高,焊接在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用也將更加廣泛。第二節(jié)焊條電弧焊焊條電弧焊是用手工操縱焊條利用焊條與焊件之間產(chǎn)生的電弧熱,熔化焊件與焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。焊條電弧焊是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最多、最普遍的一種金屬焊接方法。一、焊接電弧焊接電弧是在電極與焊件之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象,如圖8-1所示。焊接電弧的產(chǎn)生一般有接觸引弧和非接觸引弧兩種方式,焊條電弧焊采用接觸引弧。將裝在焊鉗上的焊條,擦劃或敲擊焊件,由于焊條末端與焊件瞬時(shí)接觸而造成短路,并產(chǎn)生很大的短路電流,使焊件和焊條末端的溫度迅速升高,為電子的逸出和氣體電離準(zhǔn)備了能量條件。接著迅速把焊條提起2~4mm的距離,在兩極間電場(chǎng)力作用下,被加熱的陰極間就有電子高速飛出并撞擊氣體介質(zhì),使氣體介質(zhì)電離成正離子、負(fù)離子和自由電子。此時(shí)正離子奔向陰極,負(fù)離子和自由電子奔向陽(yáng)極。在它們運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與到達(dá)兩極時(shí)不斷碰撞和復(fù)合,使動(dòng)能變?yōu)闊崮?產(chǎn)生大量的光和熱,于是在焊條端部與焊件之間形成了電弧。如圖8-2所示,在焊條與焊件之間形成的電弧熱,使焊件局部和焊條端部同時(shí)熔化成為熔池,金屬焊條熔化后成為金屬熔滴,并借助重力和電弧氣體的吹力作用過(guò)渡到焊件形成的熔池中。同時(shí),電弧熱還使焊條的藥皮熔化或燃燒,藥皮熔化后與液體金屬發(fā)生物理化學(xué)作用,使液態(tài)熔渣不斷地從熔池中向上浮起,藥皮燃燒時(shí)產(chǎn)生的大量氣體環(huán)繞在電弧周圍。借助熔渣和氣體可防止空氣中氧、氮的侵入,起到保護(hù)液態(tài)金屬的作用。焊接電弧由陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)三部分組成。

陰極區(qū)是發(fā)射電子的地方。發(fā)射電子需消耗一定能量,所以,陰極區(qū)產(chǎn)生的熱量不多,約占電弧總熱量的36%左右,溫度大約在2400K左右。陽(yáng)極區(qū)是接收電子的地方,由于高速電子撞擊陽(yáng)極表面因而產(chǎn)生較多的熱量,約占到電弧總熱量的43%左右,溫度大約在2600K左右。弧柱區(qū)是指陰極與陽(yáng)極之間的氣體空間區(qū)域,弧柱區(qū)產(chǎn)生的熱量約占電弧總熱量的21%左右,弧柱中心溫度最高,大約在6000~8000K的范圍內(nèi)?；≈鶇^(qū)的熱量大部分通過(guò)對(duì)流和輻射散失到周圍空氣中。焊接電弧不同的區(qū)域,其溫度是不同的,陽(yáng)極區(qū)的溫度高于陰極區(qū)。采用直流電焊機(jī)焊接時(shí),如果將焊件接正極、焊條接負(fù)極,則電弧熱量大部分集中在焊件上,焊件熔化加快,可保證足夠的熔深,適用于焊接厚焊件,這種接法稱為正接法(圖8-3a)。相反,如果將焊件接負(fù)極,焊條接正極,則焊條熔化快,適合于焊接較薄焊件或不需要較多熱量的焊件,這種接法稱為反接法(圖8-3b)。如果使用交流電焊機(jī),由于陰極和陽(yáng)極在不斷地變化,焊件與焊條得到的熱是相等的,因此不存在正接或反接問(wèn)題。圖8-3直流焊接電源的正接法和反接法焊接電弧的熱量與焊接電流的平方和電壓的乘積成正比。通常電弧穩(wěn)定燃燒時(shí),焊件與焊條之間所保持的電壓,稱為電弧電壓。電弧電壓主要與電弧長(zhǎng)度(焊件與焊條間的距離)有關(guān)。電弧越長(zhǎng),相應(yīng)的電弧電壓越高,一般電弧電壓在20~35V范圍內(nèi)。由于電弧電壓變化較小,所以生產(chǎn)中主要是通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流來(lái)調(diào)節(jié)電弧熱量。焊接電流越大則電弧產(chǎn)生的總熱量越多,反之,則總熱量越少。二、焊條電弧焊設(shè)備及工具(一)焊條電弧焊的主要設(shè)備焊條電弧焊的主要設(shè)備是電弧焊機(jī),它實(shí)際上是一種弧焊電源。生產(chǎn)中按焊接電流種類的不同,焊條電弧焊的電源可分為弧焊變壓器(交流弧焊電源)和弧焊整流器(直流弧焊電源)兩類。1.弧焊變壓器弧焊變壓器(圖8-4)實(shí)際上是一種特殊的降壓變壓器。焊接時(shí),焊接電弧的電壓基本不隨焊接電流變化。當(dāng)接通電源時(shí)(一次繞組形成回路),由于互感作用,使二次繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(即空載電壓)。當(dāng)焊條與工件接觸時(shí),二次繞組形成閉合回路,便有感應(yīng)電流通過(guò),從而熔化工件與焊條進(jìn)行焊接。弧焊變壓器的效率較高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用可靠,成本較低,噪聲較小,維護(hù)與保養(yǎng)容易,但焊接時(shí)電弧的穩(wěn)定性不如弧焊整流器。圖8-4弧焊變壓器圖8-5弧焊整流器2.弧焊整流器弧焊整流器(圖8-5)是將交流電經(jīng)降壓整流后獲得直流電的電氣設(shè)備。它具有制造方便、價(jià)格較低、空載損耗小和噪聲小等優(yōu)點(diǎn),并且可遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)焊接參數(shù),能自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓和電流的影響,焊接過(guò)程中電弧比較穩(wěn)定,可作為各種弧焊方法的電源?；『刚髌鬟m宜焊接不銹鋼、薄板、較重要的焊件以及銅合金、鋁合金等。(二)焊條電弧焊的工具1.焊鉗焊鉗(圖8-6)的作用是夾持焊條和傳導(dǎo)電流。一般要求電焊鉗導(dǎo)電性能好、重量輕、焊條夾持穩(wěn)固、換裝焊條方便等。2.焊接電纜焊接電纜的作用是傳導(dǎo)電流。一般要求用多股純銅軟線制成,絕緣性要好,而且要有足夠的導(dǎo)電截面積,其截面積大小應(yīng)根據(jù)焊接電流大小而定。圖8-6焊鉗圖8-7面罩3.面罩及護(hù)目玻璃面罩(圖8-7)的作用是焊接時(shí)保護(hù)操作人員的面部免受強(qiáng)烈的電弧光照射和飛濺金屬的灼傷。護(hù)目玻璃又稱黑玻璃,它的作用是減弱電弧光的強(qiáng)度,過(guò)濾紫外線和紅外線,使操作人員在焊接時(shí)既能通過(guò)護(hù)目玻璃觀察到熔池的情況,便于控制焊接過(guò)程,又避免眼睛受弧光的灼傷。三、焊條(一)焊條的組成與作用電焊條由焊芯和藥皮兩部分組成(圖8-8)。電焊條質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響焊縫金屬的力學(xué)性能。1.焊芯焊芯是組成焊縫金屬的主要材料。它的主要作用是傳導(dǎo)焊接電流,產(chǎn)生電弧并維持電弧穩(wěn)定;其次是作為填充金屬與母材熔合成一體,組成焊縫。在焊縫金屬中,焊芯金屬約占50%~70%,由此可見(jiàn)焊芯的化學(xué)成分和質(zhì)量對(duì)焊縫質(zhì)量有重大的影響。為了保證焊接質(zhì)量,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊芯的化學(xué)成分和質(zhì)量作了嚴(yán)格規(guī)定。焊芯的牌號(hào)以“焊”字打頭(牌號(hào)是“H”),其后的牌號(hào)表示法與鋼號(hào)表示法完全一樣。例如,常用的焊芯牌號(hào)有H08、H08MnA、H10Mn2、H00Cr21Ni10等,牌號(hào)尾部標(biāo)有“A”或“E”時(shí),分別表示“優(yōu)質(zhì)品”或“高級(jí)優(yōu)質(zhì)品”,表明S、P等雜質(zhì)含量更少。2.藥皮壓涂在焊芯表面上的涂料層稱為藥皮。焊條藥皮由穩(wěn)弧劑、造氣劑、造渣劑、脫氧劑、合金劑、粘結(jié)劑等組成。它的主要作用如下。(1)機(jī)械保護(hù)作用利用焊條藥皮熔化后產(chǎn)生的大量氣體和形成的熔渣,隔離空氣,防止空氣中的氧、氮侵入,保護(hù)熔滴和熔池金屬。(2)冶金處理和滲合金作用通過(guò)熔渣與熔化金屬的冶金反應(yīng),除去有害雜質(zhì)(如氧、氮、硫、磷、氫等),滲入有益合金元素,使焊縫獲得需要的力學(xué)性能。(3)改善焊接工藝性能好的焊接工藝性可以保證焊接電弧穩(wěn)定燃燒,飛濺少,焊縫成形好,易脫渣,熔敷效率高,有利于進(jìn)行各種位置的焊接。(二)焊條的分類、型號(hào)及牌號(hào)1.焊條的分類焊條的分類方法很多。根據(jù)焊條的化學(xué)成分和用途,焊條可分為:非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條(碳鋼焊條)、熱強(qiáng)鋼焊條(低合金鋼焊條)、不銹鋼焊條、鑄鐵焊條、堆焊焊條、鎳和鎳合金焊條、銅和銅合金焊條、鋁和鋁合金焊條等。按照焊條藥皮熔化后的酸堿度不同,焊條又可分為酸性焊條和堿性焊條兩類。其中酸性焊條熔渣中酸性氧化物的比例較高,焊接時(shí),工藝性好,容易引弧,電弧穩(wěn)定、飛濺小,脫渣性好,覆蓋性較好,焊縫成形美觀,對(duì)鐵銹、油脂、水分的敏感性不大,但焊接中對(duì)藥皮合金元素?zé)龘p較大,抗裂性較差。酸性焊條可使用交、直流焊接電源,適用于采用低碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼制作的結(jié)構(gòu)件中的各種位置的焊縫;堿性焊條熔渣中堿性氧化物的比例較高,焊接時(shí),工藝性一般,脫渣性較好,熔渣的覆蓋性較差,電弧不夠穩(wěn)定,焊縫美觀性較差,焊前要求清除掉油脂和鐵銹。但它的脫氧和去氫能力較強(qiáng),故又稱為低氫型焊條,焊接后焊縫的質(zhì)量較高,適用于焊接重要的和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。2.焊條型號(hào)焊條型號(hào)是以焊條國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),反映焊條主要特性的一種表示方法。焊條型號(hào)應(yīng)包括焊條類型、焊條特點(diǎn)(如熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度、使用溫度、焊芯金屬的類型、熔敷金屬的化學(xué)組成類型等)、藥皮類型及焊接電流種類。不同型號(hào)的焊條有不同的表示方法。目前,我國(guó)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),陸續(xù)對(duì)不同焊條型號(hào)作了修改,如GB/T5117—2012規(guī)定非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條(碳鋼焊條)型號(hào)編制以字母“E”打頭表示電極焊條,“E”后面的前兩位數(shù)字表示熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的最小值的十分之一(單位為MPa),第三位數(shù)字表示焊條適用的焊接位置?！?”及“1”表示焊條適用于全位置焊接;“2”表示焊條適用于平焊及平角焊;“4”表示焊條適用于向下立焊;第三位和第四位數(shù)字組合表示焊接電流種類及藥皮類型,如“03”為鈦型藥皮,適合于交流或直流正、反接電源;“15”為堿性(低氫鈉型)藥皮,適合于直流反接電源;“20”為氧化鐵型藥皮,適合于交流或直流正接。例如,E4303表示焊縫金屬的Rm≥430MPa,適用于全位置焊接,藥皮類型是鈦型,適合于交流或直流正、反接電源。熱強(qiáng)鋼焊條(低合金鋼焊條)的型號(hào)由GB/T5118—2012規(guī)定,“E”后面的四位數(shù)字含義與碳鋼焊條相同,四位數(shù)字后面附加字母、數(shù)字或字母和數(shù)字的組合表示熔敷金屬的化學(xué)成分分類代號(hào),并以短劃“-”與前面的四位數(shù)字分開(kāi)。如果還有附加擴(kuò)散氫代號(hào)時(shí),可用H15、H10或H5表示,如E6215-2C1MH10。(三)焊條選用正確選用焊條是焊接準(zhǔn)備工作的重要一環(huán),選用焊條時(shí)應(yīng)綜合考慮下列一些因素:1.考慮母材的力學(xué)性能和化學(xué)成分對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼,要考慮焊條的抗拉強(qiáng)度與母材的抗拉強(qiáng)度等級(jí)相匹配;對(duì)于低溫鋼,要考慮焊條的低溫特性要與母材的低溫特性相一致;對(duì)于耐熱鋼、不銹鋼、高溫合金等,要考慮熔敷金屬的化學(xué)成分要與母材基本相同。2.考慮焊件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和剛性對(duì)于形狀復(fù)雜、剛性較大的結(jié)構(gòu),需要保證一定的塑性和韌性,應(yīng)選用抗裂性好的低氫型焊條;對(duì)于薄板和剛性較小、構(gòu)件受力不復(fù)雜、母材質(zhì)量較好以及焊接表面帶有油、銹、水等難以清理的焊件,應(yīng)盡量選用酸性焊條。3.考慮簡(jiǎn)化焊接工藝、提高生產(chǎn)率和降低成本在滿足使用要求的前提下,要盡量選用工藝性好、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、勞動(dòng)條件好、焊接質(zhì)量容易保證、成本低的焊條。四、焊條電弧焊工藝(一)焊接接頭組成部分如圖8-9a所示,焊件經(jīng)焊接后所形成的結(jié)合部分稱為焊縫;被焊的焊件稱為母材;兩個(gè)焊件的連接處稱為焊接接頭。焊縫其他部分的相關(guān)名稱如圖8-9b所示。(二)焊接位置熔焊時(shí)焊件接縫所處的空間位置稱為焊接位置。按焊縫在空間位置(圖8-10)的不同,焊接位置分為平焊位置、立焊位置、橫焊位置和仰焊位置四種。在平焊位置、立焊位置、橫焊位置和仰焊位置進(jìn)行的焊接分別稱為平焊、立焊、橫焊和仰焊。其中平焊操作容易,勞動(dòng)條件好,生產(chǎn)率高,質(zhì)量易于保證,因此,一般應(yīng)把焊縫放在平焊位置施焊。立焊、橫焊、仰焊時(shí)焊接較為困難,應(yīng)盡量避免。若無(wú)法避免時(shí),可選用小直徑的焊條,較小的電流,調(diào)整好焊條與焊件的夾角與弧長(zhǎng)再進(jìn)行焊接。圖8-10焊接位置(三)焊接接頭基本形式和坡口基本形式在焊接過(guò)程中,由于結(jié)構(gòu)形狀,工件厚度及對(duì)質(zhì)量的要求不同,會(huì)遇到不同的接頭形式和坡口形式。基本的焊接接頭形式有:對(duì)接接頭、角接接頭、T形接頭、搭接接頭等?；镜钠驴谛问接蠭形坡口(不開(kāi)坡口)、V形坡口、X形坡口、U形坡口、雙U形坡口等。圖8-11所示是對(duì)接接頭的坡口形式示意圖。圖8-11對(duì)接接頭的坡口形式示意圖焊接接頭形式的選擇是根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀、強(qiáng)度要求、焊件厚度、焊接材料消耗量及焊接工藝決定的。坡口形式的選擇主要是根據(jù)焊件厚度決定的,其目的是保證焊件焊透,提高生產(chǎn)效率和降低成本。坡口的加工方法主要有氣割、切削加工(如刨削和銑削等)、碳弧氣刨等。在焊件厚度相同時(shí),X形坡口需要填充的金屬比V形坡口少,因此,X形坡口焊接所需消耗的焊條少、工時(shí)少及角變形小,但X形坡口需要雙面焊。U形坡口根部較寬,方便焊條深入和運(yùn)條,容易焊透,比V形坡口省焊條、省工時(shí)和變形小,但U形坡口形狀相對(duì)復(fù)雜,需要切削加工,加工成本較高,一般適合于重要的、受循環(huán)應(yīng)力作用的、厚焊件的焊接結(jié)構(gòu)。對(duì)于要求焊透的受力焊縫,在焊接工藝容許的情況下,應(yīng)盡量采用雙面焊,這樣可以保證焊透,減小變形和保證焊接質(zhì)量。(四)焊接參數(shù)的選擇焊接參數(shù)是焊接時(shí)為了保證焊接質(zhì)量而選定的各物理量的總稱。焊條電弧焊的焊接參數(shù)主要包括焊條直徑、電源種類與極性、焊接電流、電弧電壓、焊接層數(shù)、電弧長(zhǎng)度和焊接速度等。焊接參數(shù)選擇是否合理將直接影響焊縫的形狀、尺寸、焊接質(zhì)量、焊接成本和生產(chǎn)率,因此,正確選擇焊接參數(shù)非常重要。下面主要介紹焊條直徑、焊接電流、電弧電壓、電弧長(zhǎng)度和焊接速度等。1.焊條直徑的選擇焊條直徑的大小與焊件厚度、焊接位置、焊接層數(shù)及接頭形式有關(guān)。一般焊件厚度大時(shí)應(yīng)選用大直徑焊條;橫焊和仰焊時(shí)焊條直徑不宜超過(guò)4mm,立焊時(shí)焊條直徑不宜超過(guò)5mm,平焊時(shí)焊條直徑應(yīng)盡量大些;多層焊在焊第一層時(shí)應(yīng)選用較小直徑的焊條;搭接接頭和T形接頭因不存在全部焊透問(wèn)題,因此可選用較大直徑的焊條,以提高生產(chǎn)效率。焊件厚度與焊條直徑的關(guān)系見(jiàn)表8-2。2.焊接電流的選擇焊接時(shí)流經(jīng)焊接回路的電流稱為焊接電流。焊接電流的選擇主要取決于焊條直徑(表8-2),焊條直徑越大,焊接電流也越大。非水平位置焊接或焊接不銹鋼時(shí),焊接電流應(yīng)小15%左右。焊角焊縫時(shí),焊接電流應(yīng)稍大些。3.電弧電壓與電弧長(zhǎng)度的選擇電弧電壓主要由電弧長(zhǎng)度決定。電弧長(zhǎng)電弧電壓高,電弧短電弧電壓低。所謂短電弧是指電弧的長(zhǎng)度是焊條直徑的0.5~1.0倍。焊接時(shí)電弧電壓由操作人員根據(jù)具體情況靈活掌握。在焊接過(guò)程中電弧不宜過(guò)長(zhǎng),否則會(huì)使電弧不穩(wěn)定,易擺動(dòng),電弧熱量分散,熔深減小,飛濺增加,產(chǎn)生咬邊、未焊透、焊波不勻、氣孔等缺陷,降低焊縫質(zhì)量。因此,應(yīng)盡量使電弧長(zhǎng)度短些,相應(yīng)的電弧電壓應(yīng)為16~25V。在立焊和仰焊時(shí)弧長(zhǎng)應(yīng)比平焊時(shí)更短些,防止熔化金屬下淌。堿性焊條焊接時(shí)應(yīng)比酸性焊條弧長(zhǎng)短些,保證電弧穩(wěn)定和防止產(chǎn)生氣孔。4.焊接速度的選擇焊接速度是單位時(shí)間內(nèi)完成的焊縫長(zhǎng)度。對(duì)于焊條電弧焊,焊接速度就是操作人員移動(dòng)焊條的速度。焊接速度不應(yīng)過(guò)快或過(guò)慢,應(yīng)以保證焊透,不燒穿,焊縫的外觀與內(nèi)在質(zhì)量及生產(chǎn)效率均達(dá)到要求為適宜。例如,直徑為4mm的E5015焊條,可選擇160~170A的焊接電流,22~24V的電弧電壓,其焊接速度是10~15mm/min。五、焊條電弧焊的基本操作技術(shù)焊接電弧焊的基本操作技術(shù)主要包括:引弧、運(yùn)條和焊道收尾等。1.引弧引弧是指在弧焊開(kāi)始時(shí),引燃焊接電弧的過(guò)程。引弧的方法有劃擦法和敲擊法兩種,如圖8-12所示。劃擦法一般適合于堿性焊條,其引弧動(dòng)作類似于劃火柴,初學(xué)者容易掌握,但容易損壞焊件表面。敲擊法一般適合于酸性焊條或狹窄的焊接環(huán)境,其操作方式是將焊條對(duì)準(zhǔn)引弧處,手腕下彎,用焊條末端垂直地輕擊焊件表面,使焊條與焊件接觸并形成短路,然后迅速將焊條向上提起2~4mm,電弧即可引燃。敲擊法不易掌握,如果操作不當(dāng),會(huì)造成焊條粘在焊件上。此時(shí),只要將焊條左右擺動(dòng)幾下就可將焊條脫離焊件,如果焊條還不能脫離焊件,則應(yīng)立即使焊鉗脫離焊條,待焊條冷卻后,用手將焊條扳下。圖8-12焊條引弧方法圖8-13焊條角度與運(yùn)條示意圖2.運(yùn)條運(yùn)條是在焊接過(guò)程中,焊條相對(duì)于焊縫所做的各種動(dòng)作的總稱。引弧后,首先必須掌握好焊條與焊件之間的角度,如圖8-13所示。同時(shí),在操作過(guò)程中要使焊條同時(shí)完成三個(gè)基本運(yùn)條動(dòng)作。(1)焊條沿自身中心線向熔池方向的送進(jìn)運(yùn)動(dòng)焊條送進(jìn)速度應(yīng)等于焊條熔化速度,以保持弧長(zhǎng)穩(wěn)定。(2)焊條沿焊接方向逐漸移動(dòng)焊條移動(dòng)速度應(yīng)等于焊接速度。(3)焊條沿焊縫橫向擺動(dòng)焊條以一定的運(yùn)動(dòng)軌跡周期性地沿焊縫左右擺動(dòng),以便獲得一定寬度的焊縫。焊接薄板焊件或厚板底層焊道時(shí),焊條一般不做橫向擺動(dòng)。常見(jiàn)的運(yùn)條方法有直線運(yùn)條法、鋸齒形運(yùn)條法、環(huán)形運(yùn)條法、月牙形運(yùn)條法、三角形運(yùn)條法等,它們適用于不同的焊接位置,如圖8-14所示。圖8-14焊條電弧焊常見(jiàn)的運(yùn)條方法3.焊道收尾焊道收尾是指一條焊道結(jié)束焊接時(shí)如何收尾。焊道收尾時(shí),為防止弧坑的出現(xiàn),焊條應(yīng)停止向前移動(dòng)?？刹捎脛澣κ瘴卜ê秃笠剖瘴卜ǖ?自下而上地慢慢拉斷電弧,以保證焊道尾部成形良好。

第三節(jié)氣焊與氣割氣焊是利用可燃?xì)怏w和助燃?xì)怏w(氧氣)混合燃燒的火焰所釋放出的熱量作為熱源,熔化母材和填充金屬,實(shí)現(xiàn)金屬焊接的一種熔焊接方法,如圖8-15所示。氣割是利用可燃?xì)怏w的熱能將工件切割處預(yù)熱到一定溫度,噴出高速切割氧流,使工件燃燒并放出熱量,實(shí)現(xiàn)金屬切割的方法,如圖8-16所示?？扇夹詺怏w主要有乙炔、液化石油氣、天然氣、丙烷氣等,其中最常用的是乙炔和液化石油氣。乙炔與氧氣混合燃燒產(chǎn)生的溫度最高,可達(dá)3000℃以上。圖8-16氣割過(guò)程示意圖圖8-15氣焊過(guò)程示意圖氣焊(一)氣焊所用設(shè)備和工具氣焊所用設(shè)備和工具主要包括:氧氣瓶、氧氣減壓器、乙炔氣瓶、乙炔減壓器、回火保險(xiǎn)器、焊炬、橡皮管等,如圖8-17所示。1.氧氣瓶及氧氣氧氣瓶是一種儲(chǔ)存和運(yùn)輸氧氣用的高壓容器,瓶口上裝有開(kāi)閉氧氣的閥門,并套有保護(hù)瓶閥的瓶帽。常用氧氣瓶容積一般為40L,在15MPa壓力下,可儲(chǔ)存6000L的氧氣。按規(guī)定,氧氣瓶外表涂成天藍(lán)色并用黑色字樣標(biāo)明“氧氣”字樣。氧氣瓶不許暴曬、火烤、振蕩及敲打,也不許被油脂沾污。使用的氧氣瓶必須定期進(jìn)行壓力試驗(yàn)。2.乙炔氣瓶及乙炔氣乙炔氣瓶是一種儲(chǔ)存和運(yùn)輸乙炔氣的高壓容器,瓶口裝有閥門并套有瓶帽保護(hù)。按規(guī)定乙炔氣瓶外表涂成白色并用紅色字樣標(biāo)明“乙炔火不可近”字樣。乙炔氣瓶的工作壓力是1.5MPa。3.氧氣減壓器和乙炔氣減壓器減壓器又稱為壓力調(diào)節(jié)器,按用途分,可分為氧氣減壓器、乙炔氣減壓器、液化石油氣減壓器等。氧氣減壓器是將氧氣瓶?jī)?nèi)的高壓氧氣調(diào)節(jié)成工作時(shí)所需要的低壓氧氣的調(diào)節(jié)裝置;乙炔氣減壓器是將乙炔氣瓶?jī)?nèi)的高壓乙炔氣調(diào)節(jié)成工作時(shí)所需要的低壓乙炔氣的調(diào)節(jié)裝置。例如,氧氣瓶?jī)?nèi)的氧氣壓力最高達(dá)15MPa,經(jīng)過(guò)減壓器調(diào)節(jié)后,可降為工作時(shí)的壓力0.1~0.4MPa;乙炔氣瓶?jī)?nèi)的乙炔氣壓力最高可達(dá)1.5MPa,經(jīng)過(guò)減壓器調(diào)節(jié)后,工作時(shí)的壓力最大不超過(guò)0.15MPa。4.回火保險(xiǎn)器在氣焊與氣割過(guò)程中,由于氣體供應(yīng)不足,或管道與焊嘴阻塞等原因,均會(huì)導(dǎo)致火焰沿乙炔導(dǎo)管向內(nèi)逆燃,這種現(xiàn)象稱為回火?；鼗鹑菀滓鹨胰矚馄?或乙炔發(fā)生器)發(fā)生爆炸。為了防止這種事故的發(fā)生,必須在導(dǎo)管與乙炔氣瓶(或乙炔發(fā)生器)之間裝上回火保險(xiǎn)器。5.焊炬焊炬是氣焊時(shí)用于控制氣體與氧氣的混合比例、流量及火焰并進(jìn)行焊接的工具。按可燃?xì)怏w與氧氣混合方式的不同,焊炬可分為射吸式焊炬(或稱低壓焊炬)和等壓式焊炬兩類。目前使用較多的是射吸式焊炬,如圖8-18所示。(二)氣焊工藝氣焊具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、不需電源、成本低等特點(diǎn),能焊接多種材料,但氣焊火焰溫度較低,加熱緩慢,熱影響區(qū)較寬,焊件易變形且難于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。氣焊適合焊接厚度在3mm以下的薄鋼板、小直徑薄壁管、非鐵金屬及其合金、釬焊刀具及鑄鐵的補(bǔ)焊等。雖然氣焊曾經(jīng)在金屬焊接方面廣泛應(yīng)用,但隨著焊接技術(shù)的發(fā)展,氣焊已經(jīng)逐漸被其他高效率的焊接方法所代替,重要的焊接結(jié)構(gòu)中幾乎不再使用氣焊。1.氣焊火焰氣焊時(shí)質(zhì)量的好壞與所用氣焊火焰的性質(zhì)有很大的關(guān)系。改變氧氣和乙炔氣體的體積比,可得到氧化焰、中性焰和碳化焰三種不同性質(zhì)的氣焊火焰,如圖8-19所示。(1)氧化焰火焰中有過(guò)量的氧,在尖形焰芯外面形成一個(gè)有氧化性的富氧區(qū)的火焰稱為氧化焰。氧氣與乙炔的混合比例大于1.2。由于氧氣充足,燃燒劇烈,火焰較短,火焰溫度可達(dá)3100~3300℃,適合于焊接黃銅、錳黃銅、鍍鋅鋼板等。(2)中性焰在一次燃燒區(qū)內(nèi)既無(wú)過(guò)量氧又無(wú)游離碳的火焰稱為中性焰。氧氣與乙炔的混合比例是1~1.2。氧氣與乙炔充分燃燒,內(nèi)焰的最高溫度,可達(dá)3000~3200℃,適合于焊接低碳鋼、高碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、灰鑄鐵、純銅、錫青銅、鋁及其合金、鉛錫合金、鎂合金等。(3)碳化焰火焰中含有游離碳,具有較強(qiáng)還原作用,也有一定滲碳作用的火焰為碳化焰。氧氣與乙炔的混合比例小于1。此時(shí)乙炔過(guò)剩,火焰較長(zhǎng),火焰溫度可達(dá)2700~3000℃,適合于焊接高碳鋼、高碳合金鋼(如高速鋼)、鑄鐵及硬質(zhì)合金等。2.接頭形式與坡口形式氣焊時(shí)主要采用對(duì)接接頭,而角接接頭和卷邊接頭只是在焊薄板時(shí)使用。搭接接頭和T形接頭很少采用,因?yàn)檫@種接頭容易產(chǎn)生較大的變形。在對(duì)接接頭中,當(dāng)焊件厚度小于5mm時(shí),可以不開(kāi)坡口,只留0.5~1.5mm的間隙,厚度大于5mm時(shí)必須開(kāi)坡口。坡口的形式、角度、間隙及鈍邊等與焊條電弧焊基本相同。3.焊絲直徑的選擇氣焊焊絲的化學(xué)成分要求與焊件的化學(xué)成分基本相符;焊絲的直徑一般是根據(jù)焊件的厚度來(lái)決定的,見(jiàn)表8-3。4.焊炬的傾斜角度焊炬的傾斜角度是指焊嘴長(zhǎng)度方向與焊件之間的夾角,如圖8-20所示,其大小主要取決于焊件厚度和母材的熔點(diǎn)與導(dǎo)熱性等。氣焊過(guò)程中,焊絲與焊件表面的傾斜角一般為30°~40°,焊絲與焊炬中心線的角度為90°~100°,如圖8-21所示。5.焊接速度焊接速度與焊件母材的熔點(diǎn)及厚度有關(guān),一般當(dāng)焊件母材的熔點(diǎn)高、厚度大時(shí)焊速應(yīng)慢些,但在保證焊接質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量提高焊接速度,以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。6.焊接方向氣焊時(shí),按照焊炬與焊絲的移動(dòng)方向不同,可分為右向焊法和左向焊法兩種,如圖8-22所示。7.氣焊基本操作方法氣焊前,先調(diào)節(jié)好氧氣壓力和乙炔壓力,裝好焊炬,點(diǎn)火時(shí),先微開(kāi)氧氣閥門,再打開(kāi)乙炔閥門,隨后點(diǎn)燃火焰,并將火焰調(diào)節(jié)成所需要的火焰。在點(diǎn)火過(guò)程中,如果有放炮聲或火焰熄滅現(xiàn)象,應(yīng)立即減少氧氣或放掉不純的乙炔氣后,再點(diǎn)火。滅火時(shí),應(yīng)先關(guān)乙炔閥門,再關(guān)氧氣閥門,以免發(fā)生回火并減少煙塵。割炬的作用是將可燃?xì)怏w與氧氣以一定的方式和比例混合后,形成穩(wěn)定燃燒并具有一定熱能和形狀的預(yù)熱火焰,并在預(yù)熱火焰的中心噴射切割氧氣流進(jìn)行切割。按可燃?xì)怏w與氧氣混合方式的不同,割炬分為射吸式割炬(或稱低壓割炬)和等壓式割炬兩類,其中射吸式割炬使用廣泛。(二)氣割工藝

氣割設(shè)備簡(jiǎn)單,操作靈活方便,適應(yīng)性強(qiáng),常用于純鐵、低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼的下料,鑄鋼澆注冒口的切除及板材開(kāi)坡口等。氣割在中小企業(yè)中應(yīng)用較多,目前正逐漸被半自動(dòng)切割、數(shù)控火焰切割、離子切割和數(shù)控等離子弧切割技術(shù)等取代。1.氧乙炔焰切割金屬的條件利用氧乙炔焰切割金屬的條件如下。1)金屬材料的燃點(diǎn)必須低于其熔點(diǎn)。例如,低碳鋼的燃點(diǎn)為1350℃,熔點(diǎn)為1500℃,所以低碳鋼具有良好的氣割條件。否則,金屬在燃燒之間就已經(jīng)熔化,從而使工件割口過(guò)寬且不整齊。2)燃燒生成的金屬氧化物的熔點(diǎn)應(yīng)低于金屬本身的熔點(diǎn),這樣熔渣具有一定的流動(dòng)性,便于被高壓氧氣流吹掉。例如,金屬鋁的熔點(diǎn)是660℃,而其氧化物的熔點(diǎn)卻是2050℃,所以金屬鋁不能采用氧乙炔焰切割。3)金屬在氧氣中燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量應(yīng)大于金屬本身由于熱傳導(dǎo)而散失的熱量,這樣才能保證有足夠高的預(yù)熱溫度,使切割過(guò)程不斷地進(jìn)行。2.氣割氧壓力氣割氧壓力一般根據(jù)割炬或板厚選擇,通常取0.2~0.6MPa。隨著被割件厚度的增加或割炬型號(hào)、割嘴號(hào)碼的增大,氣割氧壓力應(yīng)增大;相反,割件越薄,則氣割氧壓力越低。3.氣割速度氣割速度主要由被割件的厚度決定。割件越厚,氣割速度越慢;相反,割件越薄,氣割速度越快。4.割嘴與割件間的傾斜角割嘴與割件間的傾斜角是指割嘴與氣割運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角,它直接影響氣割速度。割嘴傾斜角的大小由割件厚度來(lái)確定。直線切割時(shí),當(dāng)割件厚度為20~30mm時(shí),割嘴應(yīng)與割件表面垂直;厚度小于20mm時(shí),割嘴應(yīng)與切割運(yùn)動(dòng)方向相反方向成60°~70°;當(dāng)割件厚度大于30mm時(shí),割嘴應(yīng)與切割運(yùn)動(dòng)方向成60°~70°。曲線切割時(shí),不論厚度大小,割嘴都必須與割件表面垂直,以保證割口平整。割嘴離割件表面的距離可根據(jù)預(yù)熱火焰及割件的厚度決定。一般割嘴離割件表面的距離是3~5mm,并要求在整個(gè)切割過(guò)程中保持一致。5.基本操作方法氣割前根據(jù)割件厚度選擇割炬和割嘴,并對(duì)割件表面切口處的鐵銹、油污等雜質(zhì)進(jìn)行清理;割件要墊平,并在下方留出一定的間隙,預(yù)熱火焰的點(diǎn)燃過(guò)程與氣焊相同,預(yù)熱火焰一般調(diào)整為中一性焰或輕微氧化焰。氣割時(shí)將預(yù)熱火焰對(duì)準(zhǔn)割件切口進(jìn)行預(yù)熱,待加熱到金屬表層即將氧化燃燒時(shí),再以一定壓力的氧氣流吹入切割層,吹掉氧化燃燒產(chǎn)生的熔渣,不斷移動(dòng)割炬,切割便可以連續(xù)地進(jìn)行下去,直至切斷為止。第四節(jié)其他焊接方法簡(jiǎn)介一、埋弧焊埋弧焊是指電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。埋弧焊屬于電弧焊的一種,可分為自動(dòng)埋弧焊和半自動(dòng)埋弧焊兩種。埋弧焊的工作原理是,電弧在顆粒狀的焊劑下燃燒,焊絲由送絲機(jī)構(gòu)自動(dòng)送入焊接區(qū),電弧沿焊接方向的移動(dòng)靠手工操作或機(jī)械自動(dòng)完成(分別稱為半自動(dòng)埋弧焊和自動(dòng)埋弧焊)。自動(dòng)埋弧焊設(shè)備如圖8-24所示。電源接在導(dǎo)電嘴和焊件上,顆粒狀焊劑通過(guò)軟管均勻地撒在被焊的位置,焊絲被送絲電動(dòng)機(jī)自動(dòng)地送入電弧燃燒區(qū),并維持選定的弧長(zhǎng),在焊接小車的帶動(dòng)下,以一定的移動(dòng)速度完成焊接。自動(dòng)埋弧焊的優(yōu)點(diǎn)是:允許采用較大的焊接電流使生產(chǎn)率提高,焊縫保護(hù)好,焊接質(zhì)量高,能節(jié)省材料和電能,無(wú)弧光、無(wú)飛濺、煙霧少,勞動(dòng)條件好,容易實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化和機(jī)械化。缺點(diǎn)是焊接時(shí)電弧不可見(jiàn),不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,接頭的加工與裝配要求較高,設(shè)備較昂貴,焊前準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。埋弧焊主要用于焊接低碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼,也可用于焊接不銹鋼、耐熱鋼、低溫鋼及純銅等。特別適合于大批量焊接較厚的大型結(jié)構(gòu)件的直線焊縫和大直徑環(huán)形焊縫。二、氣體保護(hù)焊氣體保護(hù)焊是利用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊,簡(jiǎn)稱氣體保護(hù)焊或氣電焊。氣體保護(hù)焊按所用的電極材料不同,可分為熔化極氣體保護(hù)焊和非熔化極氣體保護(hù)焊兩種;按所用保護(hù)氣體的不同,可分為氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、氮弧焊、氦弧焊等。1.氬弧焊氬弧焊是以氬氣作為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊。按所用的電極材料不同,氬弧焊可分為非熔化極(鎢極)氬弧焊和熔化極氬弧焊兩種,如圖8-25所示。氬弧焊的特點(diǎn)是:氬弧焊是一種明弧焊,便于觀察,操作靈活,適宜于各種位置的焊接,焊后無(wú)熔渣,易實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化;焊縫表面成形好,具有較好的力學(xué)性能;焊接電弧燃燒穩(wěn)定,飛濺較小;可焊接1mm以下薄板及某些異種金屬。但氬弧焊所用的設(shè)備及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,維修困難,氬氣價(jià)格較貴,焊接成本高。氬弧焊應(yīng)用范圍廣泛,幾乎可以用于所有的鋼材、非鐵金屬及其合金。氬弧焊通常用于焊接鋁、鎂、鈦及其合金,低合金鋼,耐熱合金等,但對(duì)于低熔點(diǎn)和易蒸發(fā)的金屬焊接困難。

2.二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊是用二氧化碳?xì)怏w作為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊。它是以可熔化的焊絲作電極,以自動(dòng)或半自動(dòng)的方式進(jìn)行焊接,如圖8-26所示。焊接時(shí)焊絲連續(xù)送進(jìn),二氧化碳?xì)怏w從噴嘴中以一定流量噴出,電弧引燃后,電弧與熔池被二氧化碳?xì)怏w包圍,防止空氣侵入。二氧化碳是氧化性氣體,高溫下能使鋼中的合金元素?zé)龘p。所以,必須選擇具有脫氧能力的合金鋼焊絲,如H08MnSi等。圖8-26二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊示意圖二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的特點(diǎn)是:二氧化碳?xì)怏w來(lái)源廣,價(jià)格低,使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的成本約為埋弧焊的40%~50%;電弧的穿透能力強(qiáng),熔池深;明弧操作,無(wú)熔渣,焊接速度快,生產(chǎn)率比焊條電弧焊高2~4倍,而且熱影響小,焊件變形小,焊接質(zhì)量高。但二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊接設(shè)備較為復(fù)雜,要求采用直流電源;焊接時(shí)弧光較強(qiáng),飛濺較大,易產(chǎn)生氣孔,焊縫表面不平滑,室外焊接時(shí)常受風(fēng)的影響。二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊主要用于低碳鋼和低合金鋼薄板等材料的焊接。三、等離子弧焊等離子弧是經(jīng)過(guò)壓縮的、高能量密度的自由電弧。等離子弧焊就是利用等離子弧作為熱源的一種焊接方法。當(dāng)自由電弧經(jīng)過(guò)水冷卻噴嘴孔道時(shí),受到噴嘴細(xì)孔的機(jī)械壓縮;弧柱周圍的高速冷卻氣流使電弧產(chǎn)生熱收縮;弧柱的帶電粒子流在自身磁場(chǎng)作用下,產(chǎn)生相互吸引力,使電弧產(chǎn)生磁收縮,如圖8-27所示。等離子弧焊接的特點(diǎn)是:電弧穩(wěn)定性好,等離子弧能量易于控制,弧柱溫度高(可達(dá)15700℃以上),穿透能力強(qiáng),焊接質(zhì)量高,生產(chǎn)率高,焊縫深寬比大,熱影響區(qū)小。但其焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)控制系統(tǒng)要求較高,焊接區(qū)可見(jiàn)度較差,焊接最大厚度受到限制。用等離子弧可以焊接絕大部分金屬,但由于焊接成本較高,故主要適于焊接某些焊接性差的金屬材料和精細(xì)工件等。等離子弧焊常用于不銹鋼、耐熱鋼、高強(qiáng)度鋼及難熔金屬材料的焊接。此外,還可以焊接厚度為0.025~2.5mm的箔材及板材,也可進(jìn)行等離子弧切割。四、電阻焊(接觸焊)電阻焊是工件組合后通過(guò)電極施加壓力,利用電流流過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。生產(chǎn)中根據(jù)接頭的形式不同,電阻焊分為點(diǎn)焊、縫焊和對(duì)焊三種,如圖8-28所示。電阻焊的特點(diǎn)是:生產(chǎn)率較高,成本較低,勞動(dòng)條件好,工件變形小,易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化,由于焊接過(guò)程極快,因而電阻焊設(shè)備需要相當(dāng)大的電功率和機(jī)械功率。電阻焊在航空、汽車、自行車、地鐵車輛、建筑、量具、無(wú)線電等行業(yè)中應(yīng)用廣泛,主要用于低碳鋼、不銹鋼、鋁、銅等材料的焊接。其中點(diǎn)焊主要用于厚度在4mm以下的薄板的焊接;縫焊主要用于厚度在3mm以下的薄板的焊接;對(duì)焊主要用于較大截面(直徑或邊長(zhǎng)小于20mm)焊件與不同種類的金屬和合金的對(duì)接。五、電渣焊電渣焊是利用電流通過(guò)液態(tài)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱而進(jìn)行焊接的一種熔焊方法,如圖8-29所示。完成一道電渣焊的焊縫需要經(jīng)歷引弧造渣階段、正常焊接階段和引出階段。根據(jù)所用電極形狀的不同,電渣焊可分為絲極電渣焊、熔嘴電渣焊、板極電渣焊和管極電渣焊。電渣焊時(shí),焊縫盡可能處于垂直位置,當(dāng)需要傾斜時(shí)最大不超過(guò)30°。焊件不需開(kāi)坡口,裝配間隙(焊縫寬度)一般為25~38mm,而且是上端大、下端小,一般相差3~6mm。焊縫金屬在液態(tài)停留時(shí)間長(zhǎng),且焊縫軸線與浮力方向一致,因此,不易產(chǎn)生氣孔及夾渣等缺陷。焊縫及靠近焊縫區(qū)的冷卻速度緩慢,對(duì)于難焊接的鋼材,不易出現(xiàn)淬硬組織和冷裂縫傾向,故焊接低合金高強(qiáng)度鋼及中碳鋼時(shí),通常不需預(yù)熱。但焊接熱影響區(qū)在高溫停留時(shí)間長(zhǎng),易產(chǎn)生晶粒粗大和過(guò)熱組織。焊縫金屬呈鑄態(tài)組織,焊接接頭沖擊韌度低,一般焊后需要正火或回火,以改善接頭的組織與性能。電渣焊生產(chǎn)效率高,勞動(dòng)衛(wèi)生條件好,特別適合焊接板材厚度在40mm以上的結(jié)構(gòu)件,可以焊接非合金鋼、耐熱鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金等。在重型機(jī)械、船舶、壓力容器等制造業(yè)中應(yīng)用廣泛,主要用于厚壁壓力容器縱焊縫的焊接以及大型的鑄-焊、鍛-焊或厚板拼焊結(jié)構(gòu)的制造。六、釬焊釬焊與熔化焊相比,焊件加熱溫度低、組織和力學(xué)性能變化較小,接頭光滑平整,可以連接異種金屬材料;某些釬焊方法可以一次焊多個(gè)工件、多個(gè)接頭,生產(chǎn)率高。但釬焊接頭強(qiáng)度較低,工作溫度不能太高。釬焊廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、輕工、電工電子、航空和航天、核能等領(lǐng)域。釬焊根據(jù)釬料熔點(diǎn)的不同,可分為硬釬焊和軟釬焊。1.硬釬焊所用釬料熔點(diǎn)在450℃以上的釬焊稱為硬釬焊。其焊接強(qiáng)度大約為300~500MPa。屬于硬釬焊的釬料有銅基、鋁基、銀基、鎳基、錳基釬料等,常用的是銅基釬料。硬釬焊時(shí)需要加釬劑,對(duì)銅基釬料常用硼砂、硼酸混合物。硬釬焊的加熱方式有火焰加熱、電阻加熱、爐內(nèi)加熱、電弧加熱、激光加熱等,適合于受力較大的工件及工具的焊接。2.軟釬焊所用釬料熔點(diǎn)在450℃以下的釬焊稱為軟釬焊。其焊接強(qiáng)度一般不超過(guò)140MPa。屬于軟釬焊的釬料有錫鉛釬料、錫銀釬料、鉛基釬料、鎘基釬料等,常用的為錫鉛釬料。軟釬焊時(shí)所用的釬劑為松香、酒精溶液、氯化鋅或氯化鋅加氯化氨水溶液。軟釬焊時(shí)可用鉻鐵、噴燈或爐子加熱焊件。軟釬焊常用于受力不大的儀表、導(dǎo)電元件等的焊接。第五節(jié)常用金屬材料的焊接一、金屬材料的焊接性焊接性是材料在限定的施工條件下焊接成設(shè)計(jì)要求規(guī)定的構(gòu)件,并滿足預(yù)定服役要求的能力。它包括兩方面的內(nèi)容,其一是使用焊接性:指在一定工藝條件下所獲得的焊接接頭或整體結(jié)構(gòu),滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各項(xiàng)使用性能的能力,如對(duì)強(qiáng)度、塑性、耐蝕性、低溫韌性、抗疲勞、高溫抗蠕變等;其二是工藝焊接性:指在一定的焊接工藝條件下,金屬材料在焊接中由于受到熱作用和冶金作用,所得焊接接頭性能發(fā)生改變的程度,尤其是對(duì)產(chǎn)生裂紋等缺陷的敏感性。例如,鈦及鈦合金采用氣焊和焊條電弧焊進(jìn)行焊接時(shí),焊接接頭會(huì)出現(xiàn)氣孔、冷裂紋和塑性下降,而采用氬弧焊方法焊接,則焊接接頭中就不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。焊接性是一個(gè)相對(duì)概念。如果金屬材料在比較簡(jiǎn)單的焊接工藝條件下能夠獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭,我們就說(shuō)該金屬材料的焊接性好;如果金屬材料在比較復(fù)雜的焊接工藝條件下(如高溫預(yù)熱、真空保護(hù)、焊后熱處理等)才能進(jìn)行焊接,或其焊接接頭不能很好地滿足使用要求,我們就說(shuō)該金屬材料的焊接性差。例如,低碳鋼在一般條件下,不需要復(fù)雜的工藝措施,就能獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭,其焊接性好。但在低溫條件下焊接時(shí),就需要采取預(yù)熱等措施,才能保證焊接接頭質(zhì)量,此時(shí)低碳鋼的焊接性就變差。金屬材料的焊接性主要受其化學(xué)成分、焊接方法、構(gòu)件類型及使用條件四個(gè)因素影響。對(duì)于非合金鋼及低合金鋼,常用碳當(dāng)量來(lái)評(píng)定它的焊接性,所謂碳當(dāng)量是指把鋼中的合金元素(包括碳)含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量的總和。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量CE的計(jì)算公式如下CE=w(C)+w(Mn)/6+(w(Cr)+w(Mo)+w(V))/5+(w(Ni)+w(Cu))/15在計(jì)算碳當(dāng)量時(shí),各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都取化學(xué)成分范圍的上限。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn),碳當(dāng)量CE<0.4%時(shí),淬硬傾向小,產(chǎn)生冷裂紋傾向小,焊接性良好,焊接時(shí)不需預(yù)熱;CE=0.4%~0.6%時(shí),淬硬傾向較大,產(chǎn)生冷裂紋傾向明顯,焊接性較差,一般需要預(yù)熱;CE>0.6%時(shí),淬硬傾向嚴(yán)重,產(chǎn)生冷裂紋傾向嚴(yán)重,焊接性差,需要較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。二、焊接接頭的組織與性能如圖8-30所示,金屬材料焊接接頭包括焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分。焊縫是焊件經(jīng)焊接后所形成的結(jié)合部分。熔合區(qū)是焊接接頭中焊縫向熱影響區(qū)過(guò)渡的區(qū)域,即焊縫與母材交接的過(guò)渡區(qū),熔合區(qū)的范圍很窄(非合金鋼電弧焊時(shí)寬度僅為0.133~0.5mm)。熱影響區(qū)是焊接或切割過(guò)程中金屬材料(但未熔化)因受熱影響而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。圖8-30低碳鋼熔焊接頭組織示意圖1.焊縫焊縫組織是由熔池金屬結(jié)晶后得到的鑄態(tài)組織。熔池中金屬的結(jié)晶一般從液固交界的熔合線上開(kāi)始,晶核從熔合線向兩側(cè)和熔池中心長(zhǎng)大。由于晶核向熔合線兩側(cè)生長(zhǎng)受到相鄰晶體的阻擋,所以,晶核主要向熔池中心長(zhǎng)大,這樣就使焊縫金屬獲得柱狀晶粒組織。由于熔池較小,熔池中的液態(tài)冷卻較快,所以,柱狀晶粒并不粗大。另外,由于焊條中含有合金元素,因此可以保證焊縫金屬的力學(xué)性能與母材相近。2.熔合區(qū)熔合區(qū)在焊接過(guò)程中始終處于半熔化狀態(tài),該區(qū)域晶粒粗大,塑性和韌性差,化學(xué)成分不均勻,容易產(chǎn)生裂紋,是焊接接頭組織中力學(xué)性能最差的區(qū)域。3.熱影響區(qū)熱影響區(qū)由于溫度分布不均勻,可以將熱影響區(qū)分為過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)。(1)過(guò)熱區(qū)它是指熱影響區(qū)中,熱影響溫度接近于鐵碳合金相圖中的AE線,冷卻后具有過(guò)熱組織或晶粒顯著粗大的區(qū)域。過(guò)熱區(qū)的塑性和韌性最差,容易產(chǎn)生焊接裂紋,該區(qū)域是焊接接頭組織中最薄弱的區(qū)域。(2)正火區(qū)它是指熱影響區(qū)中,熱影響溫度接近于Ac3線,具有正火組織特征的區(qū)域。該區(qū)域的組織冷卻后獲得細(xì)小均勻的鐵素體和珠光體組織。正火區(qū)組織的性能較好,優(yōu)于母材,是焊接接頭組織中性能最好的區(qū)域。(3)部分相變區(qū)它是指熱影響區(qū)中,熱影響溫度處于Ac1~Ac3線之間,是部分組織發(fā)生相變的區(qū)域。該區(qū)域的組織冷卻后得到細(xì)小鐵素體和珠光體組織,但組織不均勻,力學(xué)性能略有下降。三、常用金屬材料的焊接1.非合金鋼的焊接(1)低碳鋼的焊接低碳鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,塑性好,一般沒(méi)有淬硬與冷裂傾向,所以,低碳鋼的焊接性良好。一般不需預(yù)熱,幾乎所有的熔焊和壓焊方法都可獲得優(yōu)良的焊接接頭。只有在厚度大的大型結(jié)構(gòu)件以及在0℃以下環(huán)境中焊接時(shí),需要考慮采取預(yù)熱措施。(2)中碳鋼和高碳鋼的焊接中碳鋼和高碳鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,淬硬與冷裂傾向較大,焊接性較差。因此,焊前必須預(yù)熱及焊后進(jìn)行熱處理。2.低合金鋼和合金鋼的焊接當(dāng)?shù)秃辖痄摰那?qiáng)度在400MPa以下,碳當(dāng)量較小時(shí),其焊接性良好;屈服強(qiáng)度在400MPa以上,碳當(dāng)量較大時(shí),淬硬傾向較大,其焊接性較差,焊前需預(yù)熱,焊后還要熱處理。中、高合金鋼的碳當(dāng)量較大,其焊接性更差,因此,焊接時(shí)必須采取措施,通常是焊前預(yù)熱,焊后熱處理。3.鑄鐵的焊接鑄鐵的焊接性較差,焊接時(shí)焊縫金屬的碳和硅等元素?zé)龘p較多,易產(chǎn)生白口組織及裂紋。因此,焊接時(shí)必須采取嚴(yán)格的工藝措施,一般采取焊前預(yù)熱焊后保溫緩冷以及通過(guò)調(diào)整焊縫化學(xué)成分等方法來(lái)防止白口組織及裂紋的產(chǎn)生。4.銅及銅合金的焊接銅及銅合金的焊接性一般較差,同時(shí)由于銅的熱導(dǎo)率高,焊接時(shí)母材和填充金屬難以熔合,容易產(chǎn)生變形、氣孔及熱裂紋,焊接接頭性能低,因此,必須采用大功率熱源,必要時(shí)還要采取預(yù)熱措施。生產(chǎn)中一般采用不同的焊接方法來(lái)焊接不同的銅合金,這樣可以改善銅及銅合金的焊接性。目前常用氬弧焊焊接純銅、黃銅、青銅及白銅;黃銅還可采用氣焊。另外,還可以采用釬焊及等離子弧焊等方法進(jìn)行焊接。

5.鋁及鋁合金的焊接鋁及鋁合金的焊接一般較為困難,鋁極易生成熔點(diǎn)(2050℃)很高的氧化鋁薄膜,其密度比純鋁大1.4倍,且易吸收水分,焊接時(shí)易形成氣孔、夾渣等缺陷;鋁的熱導(dǎo)率高,焊接時(shí)消耗的熱量多,必須采用大功率的熱源;鋁的線脹系數(shù)較大,熔點(diǎn)低,液態(tài)時(shí)溶解氫的能力很強(qiáng),易使焊件產(chǎn)生變形、氣孔和熱裂紋。此外,鋁及鋁合金從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí),無(wú)明顯的顏色變化,使操作者難以掌握加熱溫度。生產(chǎn)中一般采用不同焊接方法來(lái)焊接不同的鋁或鋁合金。目前最常用的是氬弧焊,它適合于各類鋁合金。此外,氣焊適用于不重要的結(jié)構(gòu)件,焊條電弧焊適合于焊接4mm以上的鋁板。另外,等離子弧焊及電子束焊也適宜于焊接不同的鋁合金。第六節(jié)焊接應(yīng)力、焊接變形及焊接缺陷一、焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因焊接是一種局部加熱的工藝過(guò)程。焊后當(dāng)焊件溫度冷至室溫時(shí),殘存于焊件中的內(nèi)應(yīng)力則為焊接應(yīng)力。焊后殘存于焊件上的變形稱為焊接變形,焊接變形是由于焊接應(yīng)力超過(guò)焊件的屈服強(qiáng)度(Rm)時(shí)產(chǎn)生的。焊接應(yīng)力和焊接變形的大小,一方面取決于材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、比熱、密度等,另一方面還取決于工件的形狀、尺寸和焊接工藝。焊接應(yīng)力是形成各種焊接裂縫的因素之一。焊接應(yīng)力與變形在一定的條件下,還影響焊接結(jié)構(gòu)的性能,如強(qiáng)度、剛度、受壓時(shí)的穩(wěn)定性,尺寸的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、加工精度,耐蝕性等。因此,在焊接過(guò)程中,應(yīng)盡可能減少焊接應(yīng)力與變形,以保證焊接結(jié)構(gòu)有較高的質(zhì)量。二、焊接變形的基本形式焊接結(jié)構(gòu)件在焊接以后,一般都會(huì)發(fā)生變形,而且變形的形式較為復(fù)雜。常見(jiàn)的焊接變形可歸納為收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形五種基本形式,如圖8-31所示。三、預(yù)防和減少焊接應(yīng)力與焊接變形的措施預(yù)防和消除焊接應(yīng)力與焊接變形一般從設(shè)計(jì)方面和工藝方面采取措施。1.設(shè)計(jì)方面可采取的措施(1)選用合理的焊縫尺寸和形狀在保證焊接結(jié)構(gòu)件有足夠的承載能力的前提下,應(yīng)盡量采用尺寸小的焊縫。對(duì)僅起連接作用和受力不大的角焊縫,應(yīng)按板厚選取工藝上可能的最小尺寸。(2)盡可能減少焊縫數(shù)量焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選用型材、沖壓件、鑄件等。這樣能減少焊縫數(shù)量,簡(jiǎn)化焊接工藝,使焊接應(yīng)力與變形減少,保證焊接質(zhì)量。(3)盡可能使焊縫分散,避免集中兩條平行焊縫一般要求相距100mm以上,其他焊縫也應(yīng)保持足夠的距離,這樣可以避免應(yīng)力集中、焊接變形和其他缺陷,提高焊件質(zhì)量。(4)合理安排焊縫位置只要結(jié)構(gòu)上允許,應(yīng)盡可能使焊縫對(duì)稱于焊件截面的中性軸或者接近中性軸,這樣可以使焊接彎曲變形消除或減小到最低程度。(5)焊接接頭的厚薄處要逐漸過(guò)渡如圖8-32所示,當(dāng)接頭兩側(cè)的焊件厚度差別很大時(shí),由于熱量不均勻,易引起應(yīng)力集中,或產(chǎn)生其他焊接缺陷。(6)采用剛性較小的接頭形式如圖8-33所示,采用翻邊連接代替插入式連接,可降低焊縫的拘束度,減少焊接應(yīng)力。2.工藝方面可采取的措施(1)焊前進(jìn)行預(yù)熱,焊后進(jìn)行保溫緩冷這樣可以減少焊縫區(qū)和焊件其他部分的溫差,降低焊縫區(qū)的冷卻速度,使焊件能較均勻地冷卻下來(lái),從而減少殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。但此工藝措施增加了焊接成本,只適用于焊接性較差的金屬材料。(2)采用合理的焊接順序和焊接方向在選擇焊接順序和焊接方向時(shí),應(yīng)盡量使焊縫能比較自由地收縮。焊接時(shí),應(yīng)先焊收縮量較大的焊縫,后焊收縮量較小的焊縫。先焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫,后焊直通的長(zhǎng)焊縫,如圖8-34a所示。對(duì)稱的截面梁應(yīng)按對(duì)角方式進(jìn)行焊接,如圖8-34b所示。(3)采用反變形法焊前先將焊件向焊接變形相反的方向進(jìn)行變形,待焊接變形產(chǎn)生時(shí),焊件各部分則可回復(fù)到正常位置,從而達(dá)到消除焊接變形目的,如圖8-35所示。(4)采用剛性固定法利用夾具或其他一些工具與方法,將焊件固定在正常位置上,焊接時(shí)焊件被強(qiáng)制固定不能產(chǎn)生變形,從而減少焊后變形。(5)焊后及時(shí)消除應(yīng)力對(duì)于一些重要結(jié)構(gòu),焊后應(yīng)及時(shí)消除所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。常用的方法有:整體高溫回火、局部高溫回火、機(jī)械拉伸焊接結(jié)構(gòu)、對(duì)焊件進(jìn)行振動(dòng)等,這些方法都能不同程度地降低焊接內(nèi)應(yīng)力。四、矯正焊接變形的方法焊后對(duì)焊接變形進(jìn)行矯正是必不可少的一個(gè)工序,常用的矯正焊接變形的方法有機(jī)械矯正法和火焰矯正法兩類。機(jī)械矯正法是在冷態(tài)或熱態(tài)下利用外力使焊件產(chǎn)生變形的部位,再產(chǎn)生相反的塑性變形以抵消原來(lái)的變形,使焊件恢復(fù)正常。機(jī)械矯正法通常采用壓力機(jī)、千斤頂、專用矯正機(jī)和手錘等對(duì)焊件變形部位或其他部位施加一定的力,使焊件變形消失,如圖8-36所示。機(jī)械矯正法簡(jiǎn)單易行,效果好,應(yīng)用較普遍,但對(duì)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重,以防斷裂。圖8-36機(jī)械矯正法示意圖圖8-37火焰矯正法示意圖火焰矯正法是利用火焰局部加熱焊件,使焊件局部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形,使較長(zhǎng)的金屬在冷卻后收縮,從而達(dá)到矯正變形的目的,如圖8-37所示?；鹧娉C正法一般采用氧乙炔火焰,利用氣焊焊炬,不需要專門的設(shè)備,方法簡(jiǎn)便、靈活,在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用,但在使用時(shí),必須掌握好火焰加熱的變形規(guī)律,合理地選擇加熱位置,控制好恰當(dāng)?shù)募訜崃?否則,達(dá)不到預(yù)期效果。對(duì)經(jīng)過(guò)熱處理的高強(qiáng)度鋼,其加熱溫度要嚴(yán)格控制不應(yīng)超過(guò)其回火溫度。五、焊接缺陷焊接缺陷是指焊接過(guò)程中在焊接接頭中產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象,如未焊透與未焊合、氣孔與夾渣、咬邊、裂紋等缺陷,如圖8-38所示。第七節(jié)焊接結(jié)構(gòu)工藝性焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量一方面決定于焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理,另一方面還與焊接結(jié)構(gòu)的工藝性有關(guān)。因此,焊接結(jié)構(gòu)要從設(shè)計(jì)和焊接工藝兩方面考慮,以保證獲得優(yōu)質(zhì)的焊接結(jié)構(gòu)。一、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素為保證焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下一些因素。1)在滿足使用性能的前提下,應(yīng)選用焊接性能好的金屬材料來(lái)制造焊接結(jié)構(gòu)件,保證焊縫和焊接接頭的質(zhì)量,保證焊接結(jié)構(gòu)具有較高的使用壽命。2)要考慮焊接接頭的工作環(huán)境和使用條件,如溫度、壓力、腐蝕性介質(zhì)、振動(dòng)及疲勞等。3)對(duì)于大型焊接結(jié)構(gòu),應(yīng)盡可能減少焊前預(yù)熱和焊后熱處理的工作量,降低制造成本。4)盡量使焊件不再進(jìn)行或僅需進(jìn)行少量的切削加工。5)盡可能減少焊縫數(shù)量,減少工作量,便于施焊,創(chuàng)造良好的工作條件。6)盡可能減小焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。7)盡量采用新的自動(dòng)化程度高的焊接技術(shù),提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率。8)焊縫應(yīng)便于檢驗(yàn),保證檢驗(yàn)人員能及早地發(fā)現(xiàn)焊接缺陷,確保焊接接頭的質(zhì)量。二、焊接方法的選擇制造焊接結(jié)構(gòu)時(shí),選擇什么樣的焊接方法,才能獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接接頭,并具有比較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率,是根據(jù)金屬材料的焊接性、焊件厚度、產(chǎn)品的接頭形式、結(jié)構(gòu)形式、不同焊接方法的適用范圍以及所用的焊接方法的生產(chǎn)率和現(xiàn)場(chǎng)擁有的設(shè)備條件等進(jìn)行綜合考慮決定的。無(wú)論如何選擇,最基本的原則是要求焊接結(jié)構(gòu)件質(zhì)量好、焊接工藝性好、焊接成本低、生產(chǎn)率高。三、合理布置焊縫的位置焊縫的位置直接影響到焊件的質(zhì)量和焊接過(guò)程是否能順利進(jìn)行,因此,對(duì)焊縫要進(jìn)行科學(xué)合理的布置。布置焊縫位置一般應(yīng)考慮以下