4-熔化焊與熱切割作業(yè)基礎(chǔ)知識(一)

熔化焊接與熱切割特種作業(yè)操作人員培訓(xùn)：陳文生上節(jié)課程內(nèi)容1

法律法規(guī)基礎(chǔ)知識解讀

練習(xí)2法律體系組成、《安全生產(chǎn)法》簡介、從業(yè)人員權(quán)利和義務(wù)、焊工操作規(guī)程等熔化焊與熱切割作業(yè)基礎(chǔ)知識（一）第一節(jié)焊接與熱切割概述一、焊接的基本原理及分類焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，使兩個同種或異種工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和連接方式。焊接應(yīng)用廣泛，既可用于金屬，也可用于非金屬。按照焊接過程中金屬所處的狀態(tài)及工藝的特點(diǎn)，可以將焊接方法分為熔化焊、壓焊和釬焊三大類。第一節(jié)焊接與熱切割概述熔化焊是利用局部加熱的方法將連接處的金屬加熱至熔化狀態(tài)而完成的焊接方法。在加熱的條件下，增強(qiáng)了金屬原子的動能，促進(jìn)原子間的相互擴(kuò)散，當(dāng)被焊接金屬加熱至熔化狀態(tài)形成液態(tài)熔池時，原子可以充分?jǐn)U散和緊密接觸，因此冷卻凝固后，即可形成牢固的焊接接頭。常見的氣焊、電弧焊、電渣焊、氣體保護(hù)焊、等離子弧焊等均屬于熔化焊的范疇。第一節(jié)焊接與熱切割概述壓焊，顧名思義是利用焊接時施加一定壓力而完成焊接的方法。這類焊接有兩種形式，一是將被焊金屬接觸部分加熱至塑性狀態(tài)或局部熔化狀態(tài)，然后施加一定壓力，以使金屬原子間相互結(jié)合形成牢固的焊接接頭，如鍛焊、接觸焊、摩擦焊和氣壓焊等就是這種類型的壓焊方法。二是不進(jìn)行加熱，僅在被焊金屬接觸面上施加足夠大的壓力，借助于壓力所引起的塑性變形，以使原子間相互接近而獲得牢固的壓擠接頭，這種壓焊的方法有冷壓焊、爆炸焊等。第一節(jié)焊接與熱切割概述釬焊是把比被焊金屬熔點(diǎn)低的釬料金屬加熱熔化至液態(tài)，然后使其填充到被焊金屬接縫的間隙中而達(dá)到結(jié)合的方法。焊接時被焊金屬處于固體狀態(tài)，工件只適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行加熱，沒有受到壓力的作用，僅依靠液態(tài)金屬與固態(tài)金屬之間的原子擴(kuò)散而形成牢固的焊接接頭。釬焊是一種古老的金屬永久連接工藝，但由于釬焊的金屬結(jié)合機(jī)理與熔焊和壓焊是不同的，并且具有一些特殊的性能，所以在現(xiàn)代焊接技術(shù)中仍占有一定的地位。常見的釬焊方法有烙鐵釬焊、火焰釬焊和感應(yīng)釬焊等。焊接方法分類第一節(jié)焊接與熱切割概述二、熱切割的基本原理及分類切割分為火焰切割、電弧切割和冷切割三類。熱切割是指采用熱能、電能或化學(xué)能將金屬加熱到其熔化溫度以上，并使金屬保持在熔化或半熔化狀態(tài)，再利用流體動力將金屬去除、吹開或燃燒，達(dá)到切割或去除金屬的工藝方法。切割方法分類切割方法火焰切割電弧切割冷切割氧－乙炔氣割液化石油氣切割氫氧源切割氧熔劑切割等離子弧切割碳弧氣割激光切割水射流切割激光切割氣割碳弧氣割等離子弧切割水射流切割第一節(jié)焊接與熱切割概述1．火焰切割按加熱氣源的不同，火焰切割可分為氣割、液化石油氣切割、氫氧源切割、氧熔劑切割。氣割(即氧－乙炔切割)是利用氧乙炔切割預(yù)熱火焰使金屬在純氧氣流中能夠劇烈燃燒，生成熔渣和放出大量熱量的原理而進(jìn)行的。液化石油氣切割的原理與氣割相同，不同的是液化石油氣的燃燒特性與乙炔氣不同，所以割炬也有所不同：它擴(kuò)大了低壓氧噴嘴孔徑及燃料混合氣噴口截面，還擴(kuò)大了吸管同柱部分孔徑。第一節(jié)焊接與熱切割概述氫氧源切割是利用水電解氫氧發(fā)生器，用直流電將水電解成氫氣和氧氣，其氣體比例為恰好完全燃燒，溫度可達(dá)2800—3000℃?？梢杂糜诨鹧婕訜帷Ｑ跞蹌┣懈钍窃谇懈钛趿髦屑尤爰冭F粉或其他熔劑，利用它們的燃燒熱和廢渣作用實(shí)現(xiàn)氣割的方法。第一節(jié)焊接與熱切割概述2．電弧切割電弧切割按生成電弧的不同可分為等離子弧切割和碳弧氣割。等離子弧切割是利用高溫高速的強(qiáng)勁等離子射流，將被切割金屬熔化并隨即吹除，形成狹窄的切口而完成切割的方法。碳弧氣割是使用碳棒與工件之間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉。實(shí)現(xiàn)切割的方法。第一節(jié)焊接與熱切割概述2．電弧切割電弧切割按生成電弧的不同可分為等離子弧切割和碳弧氣割。等離子弧切割是利用高溫高速的強(qiáng)勁等離子射流，將被切割金屬熔化并隨即吹除，形成狹窄的切口而完成切割的方法。碳弧氣割是使用碳棒與工件之間產(chǎn)生的電弧將金屬熔化，并用壓縮空氣將其吹掉。實(shí)現(xiàn)切割的方法。3．冷切割冷切割的主要切割方法有激光切割和水射流切割。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識一、金屬晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)是由基本粒子組成的，也是由化學(xué)元素組成的，已發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素大部分是金屬，其次是非金屬，還有個別的類金屬。金屬元素共有83種，一般呈現(xiàn)固態(tài)。固態(tài)金屬具有不透明、有光澤、有延展性、有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特性，并且隨著溫度的升高，金屬的導(dǎo)電性降低，電導(dǎo)率減小。這是金屬獨(dú)具的一個特點(diǎn)。常見的金屬元素有鐵、銅、錫、鉛、鋅、鋁、鉻、鎳、錳、鈦、鎂、鎢等。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識

非金屬元素有22種。非金屬元素不具備金屬元素的特征，而且與金屬相反，隨著溫度的升高，非金屬的電導(dǎo)率增大，導(dǎo)電性提高。常見的非金屬元素有氮、氧、氫、碳、硫、磷等。個別元素具備金屬的部分性質(zhì)，比如硅、鍺等，這類金屬有獨(dú)特的性質(zhì)，具有特殊功能和應(yīng)用。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識1、晶體的特點(diǎn)食鹽、水結(jié)成的冰都是晶體。固態(tài)金屬及合金也是晶體。食鹽晶體晶體的外觀

水結(jié)成冰晶體第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識1、晶體的特點(diǎn)松香、玻璃之類不是晶體，屬于非晶體。松香玻璃第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識晶體與非晶的區(qū)別不在外形、而在內(nèi)部的元子排列。在晶體中，原子按一定規(guī)律排列很整齊。而在非晶體中，原子則是散亂分布，至多有些局部的短程規(guī)則排列。由于晶體與非晶體中原子排列不同，因此性能也不相同。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識2、典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬的原子按一定方式有規(guī)則地排列成一定空間幾何形狀的結(jié)晶格子，稱為晶體。常見金屬晶格有體心立方晶格和面心立方晶格。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識體心立方晶格：晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的中心各有一個原子。體心立方晶格第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識面心立方晶格：晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的六個面的中心各有一個原子。面心立方晶格第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識鐵屬于立方晶格，隨著溫度的變化，鐵可以由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恢鼐Ц?。這種晶格的轉(zhuǎn)變，稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。純鐵在常溫下是體心立方晶格（稱為α–Fe）；當(dāng)溫度升高到910℃時，純鐵的晶格由體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц瘢ǚQ為

–Fe）；再升溫度到1390℃時，面心立方晶格又重新轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格（稱為

–Fe），然后一直保持到純鐵的熔化溫度。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識純鐵的這種特性非常重要,是鋼材所以能通過各種熱處理方法來改變其內(nèi)部組織，從而改善性能的內(nèi)在因素之一，也是焊接熱影響區(qū)中各個區(qū)域與母材相比，具有不同組織和性能的原因之一第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識二、合金的組織和結(jié)構(gòu)1、合金的組織兩種或兩種以上的元素（其中至少一種是金屬元素），組合成的金屬，叫做合金。根據(jù)兩種元素相互作用的關(guān)系，以及形成晶體結(jié)構(gòu)和顯微組織的特點(diǎn)可將合金的組織分為三類：固溶體、化合物、機(jī)械混合物。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識（1）固溶體固溶體是一種物質(zhì)的原子均勻地溶解在另一種物質(zhì)的晶格內(nèi)，形成單相晶體晶結(jié)構(gòu)。根據(jù)原子在晶格上分布的形式，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識（2）化合物兩種元素的原子按一定比例相結(jié)合，具有新的晶體結(jié)構(gòu)，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通常化合物具有較高的硬度，低的塑性，脆性也較大。XCE金4相顯微鏡JVC彩色攝像機(jī)計(jì)算機(jī)圖像采集設(shè)備第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識（3）機(jī)械混合物固溶體和化合物均為單相合金，若合金是由兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)彼此機(jī)械混和組成，稱為機(jī)械混合物。它往往比單一的固溶體合金有更高的強(qiáng)度、硬度和耐磨；塑性和壓力加工性能則較差。工業(yè)上使用的大多數(shù)合金屬于機(jī)械混合物，如鋼、生鐵、鋁合金、黃銅、青銅等。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識三、鐵碳合金的基本知識鋼中常見的顯微組織有以下幾種：(1)鐵素體(F)鐵素體是少量的碳和其他合金元素固溶于α－Fe中的固溶體。α－Fe為體心立方晶格，碳原子以間隙狀態(tài)存在，合金元素以置換狀態(tài)存在。鐵素體溶解碳的能力很差，在723℃時質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．02％，室溫時質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為O．006％。鐵素體的強(qiáng)度和硬度低，但塑性和韌性很好，所以含鐵素體多的鋼(如低碳鋼)就表現(xiàn)出軟而韌的特點(diǎn)。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(2)滲碳體(Fe3C)滲碳體是鐵與碳的化合物，分子式是Fe3C，其性能與鐵素體相反，硬而脆，隨著鋼中含碳量的增加，鋼中滲碳體的量也增多，鋼的硬度、強(qiáng)度也增加，而塑性、韌性則下降。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(3)珠光體(P)珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，含碳量為0.77％左右，溫度低于723℃時才存在。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，結(jié)構(gòu)鋼很多是珠光體。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(4)奧氏體(A)奧氏體是碳和其他合金元素在γ-Fe中的固溶體。在一般鋼材中，只有高溫時存在。當(dāng)含有一定量擴(kuò)大γ區(qū)的合金元素時，則可能在室溫下存在，如鉻鎳奧氏體不銹鋼在室溫時的組織為奧氏體。奧氏體為面心立方晶格，奧氏體的強(qiáng)度和硬度不高，塑性和韌性很好。奧氏體的另一種特點(diǎn)是沒有磁性，生活中常用的不銹鋼大部分是奧氏體。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(5)馬氏體(M)馬氏體是碳在α－Fe中的過飽和固溶體，一般可分為低碳馬氏體和高碳馬氏體。馬氏體的體積比相同重量的奧氏體的體積大，因此，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時體積要膨脹，局部體積膨脹后引起的內(nèi)應(yīng)力往往導(dǎo)致零件變形、開裂。高碳淬火馬氏體具有很高的硬度和強(qiáng)度，但很脆，延展性很低，承受沖擊載荷的能力差。低碳回火馬氏體則具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性相結(jié)合的特點(diǎn)。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(6)魏氏組織魏氏組織是一種過熱組織，是由彼此交叉約60o的鐵素體針嵌入基體的顯微組織。碳鋼過熱，晶粒長大后，高溫下晶粒粗大的奧氏體以一定溫度冷卻時，很容易形成魏氏組織。粗大的魏氏組織使鋼材的塑性和韌性下降，使鋼變脆。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識四、有色金屬的基本知識有色金屬是相對黑色金屬而言的，在80多種金屬大家庭中除了鐵、錳、鉻以外的金屬都是有色金屬。常用的有色金屬有銅、鋁、鉛、鋅、鎳、錫、鎂、鈦、鎘、銻、鈷、鎢、鉬、釩等。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識1．銅及其合金銅的新鮮斷口呈玫瑰色，由于覆蓋一層氧化物薄膜而變?yōu)榧t褐色，其密度8.9g/cm2，熔點(diǎn)1083℃，沸點(diǎn)2580℃，導(dǎo)熱率0.98cal／(cm?s?℃)換熱系數(shù)，電阻率0.017241Ω?mm2／m，其表面氧化物有Cu0氧化銅和CU2O氧化亞銅。注意：所有金屬中只有銅是紅色，接近金色。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識銅與鋅的合金是黃銅，銅與鎳的合金是白銅，銅與其他金屬的合金是青銅。(1)黃銅黃銅主要是由銅和鋅組成的合金，其特點(diǎn)是耐磨性能高，強(qiáng)度高，硬度大，耐化學(xué)腐蝕，切削工藝性好。黃銅常發(fā)生季裂(應(yīng)力腐蝕開裂)，在氨氣、氨水或硫酸中明顯。黃銅季裂的原因有三，一是點(diǎn)蝕(電化學(xué)腐蝕)，二是脫鋅，三是殘余應(yīng)力。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識黃銅分類如下：加入Zn鋅，只由銅鋅組成，稱普通黃銅，用來制造銅板、銅管等。加入Pb鉛，除了銅鋅，還有鉛，切削加工性能特別好，稱快切黃銅，鑄造性好，流動性好。加入Sn錫．除了銅鋅，還有錫，耐腐蝕，用于海洋氣候。加入AI鋁．提高強(qiáng)度、硬度，提高大氣中抗腐蝕性，用于制造耐腐蝕零件。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識加入Si硅．提高力學(xué)性能、耐腐蝕性和耐磨性，用于制造海船零件及化工機(jī)械零件。加入Mn錳．如58—4(L105)，常作釬料，高溫潤濕性好。加入Ni鎳．耐熱、耐腐蝕性好。加入Fe鐵．耐熱、耐腐蝕性好。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(2)白銅白銅是指銅鎳合金，呈銀白色。純銅加鎳可以顯著提高強(qiáng)度、耐腐蝕性和硬度，并降低電阻率溫度系數(shù)。與其他銅合金相比，白銅的機(jī)械性能和物理性能都較好，尤其是耐熱和耐腐蝕性能。白銅分類如下：加入Ni鎳，簡單的鎳白銅。加入Zn鋅，除了鎳之外，還含有鋅叫鋅白銅，加工性好，耐腐蝕。

第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識加入Mn錳，鎳太貴，以錳代鎳叫錳白銅，有較寬的溫度使用范圍。加人Fe鐵，除了鎳之外，還含有鐵叫鐵白銅，鐵白銅的成本低、強(qiáng)度高、抗腐蝕性好，特別是抗流動海水腐蝕性能好。加入Al鋁，除了鎳之外，還含有鋁叫鋁白銅，鋁白銅耐腐蝕，用于造船和電力、化工等工業(yè)部門中各種高強(qiáng)腐蝕件的制造。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識(3)青銅青銅是除銅鋅、銅鎳合金外的所有銅合金的統(tǒng)稱，具有熔點(diǎn)低、硬度大、可塑性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于鑄造各種器具。其分類如下：錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鈦青銅、鋯青銅、鎘青銅、錳青銅和鉻青銅等。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識2．鋁及其合金(1)鋁的主要特性①鋁是銀白色的輕金屬，密度約為2．72g/cm3，約為純銅的1／3。②鋁的熱容量和熔化潛熱高，純鋁的熔點(diǎn)約為661℃，沸點(diǎn)約為2450℃，其氧化物A1203熔點(diǎn)約為2050℃。③鋁為面心立方結(jié)構(gòu)。④工業(yè)純鋁塑性極高(Z=80％)，很容易承受各種成型工藝，但其強(qiáng)度過低，故純鋁只有通過冷變形強(qiáng)化或合金化來提高其強(qiáng)度后，才能作結(jié)構(gòu)材料。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識

⑤鋁線膨脹系數(shù)為23．5×10-6／℃(100℃以下)，其彈性模量為70GPa。

⑥鋁導(dǎo)電率是銅的60％左右，電阻率是銅的50％，導(dǎo)熱率是銅的70％。常見金屬的導(dǎo)電率從高到低次序?yàn)椋篈g銀、Cu銅、Au金、Al鋁。

總之，鋁的密度小、塑性好、易加工、抗腐蝕性好，且資源豐富，在地殼中含量約占7．73％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。(2)鋁合金的分類

鋁合金可分為鑄造鋁合金、變形鋁合金、不能熱處理強(qiáng)化鋁合金和可熱處理強(qiáng)化鋁合金。鋁合金中常加的元素有Si硅、Cu銅、Mg鎂、Zn鋅等。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識鑄造鋁合金的特點(diǎn)：強(qiáng)度低，成本低，材料化學(xué)成分波動大，機(jī)械性能差，但流動性好；變形鋁合金特點(diǎn)：強(qiáng)度高，對成分要求嚴(yán)，機(jī)械性能好；不能熱處理強(qiáng)化鋁合金有A1鋁-Si硅系、A1鋁-Mn錳系；可熱處理強(qiáng)化鋁合金有A1鋁-Cu銅系、Al鋁—Mg鎂系和A1鋁-Zn鋅系。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識五、熱處理將金屬加熱到一定溫度，并保持一段時間，然后按適宜的冷卻速度冷卻到室溫，這個過程稱為熱處理。常用的熱處理工藝方法主要有淬火、回火、正火和退火等。

第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識1．淬火將鋼加熱到A1(對過共析鋼)或A3線(對亞共析鋼)以上30～70℃，在此溫度下保持一段時間，使鋼的組織轉(zhuǎn)變成奧氏體，然后放入水中(或油中、鹽溶液中)快速冷卻，使奧氏體來不及分解，合金元素來不及擴(kuò)散而形成馬氏體組織，稱為淬火。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識淬火后可以提高鋼的硬度、抗拉強(qiáng)度及耐磨性。在焊接中碳鋼和某些合金鋼時，熱影響區(qū)中可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接作業(yè)過程中要注意預(yù)防的。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識2．回火將鋼加熱到A1線以下的某一溫度，保溫一段時間，然后冷卻到室溫，使馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織的熱處理工藝稱為回火。淬火后進(jìn)行回火，可以在保持一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上恢復(fù)鋼的韌性。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識按回火溫度的不同可分為

高溫回火(500～650℃)

中溫回火(300～500℃)低溫回火(150～300℃)高溫回火后得到回火索氏體組織，可消除內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的塑性和韌性；第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識中溫回火后得到回火屈氏體組織，提高了鋼的彈性極限和屈服強(qiáng)度，同時也有較好的韌性；低溫回火后得到回火馬氏體組織，硬度稍有降低，韌性有所提高。淬火加高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)能得到韌性和強(qiáng)度最好的配合，獲得良好的綜合力學(xué)性能。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識

3．正火將鋼加熱到A3或Acm線以上50～70℃，保溫一段時間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝，稱為正火。許多碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)正火后，各項(xiàng)力學(xué)性能均較好，可以細(xì)化晶粒，常用來作為最終熱處理。對于焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)正火后，能改善焊接接頭性能，可消除粗晶組織及促使組織均勻等。第二節(jié)金屬學(xué)及熱處理基本知識4．退火將鋼加熱到A3以上或A1線左右一定范圍的溫度，保溫一段時間后，隨爐緩慢而均勻地冷卻的熱處理工藝，稱為退火。退火可降低硬度，使材料便