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AthesissubmittedtoXXXinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofEngineering第二十九章焊接第一节概述焊接(welding)是通过局部加热或加压（或二者同时）的方法，借助金属内部原子之间的扩散与结合，将分离的金属连接成为一个不可拆卸的整体、形成永久性接头的加工过程。一、焊接的分类焊接方法很多，一般可分为三类：1、熔化焊（fusionwelding，fusewelding）将焊接接口处的金属加热到熔化状态，经过冷却结晶形成接头的焊接方法，这类焊接一般都需加入填充金属。常用的电弧焊（电焊）、氧-乙炔焊（气焊）均属此类。2、压力焊（pressurewelding，weldingwithpressure）在焊接接口处加压，并在压力作用下形成焊接接头的焊接方法。3、钎焊（brazing，soldering）利用比焊件熔点低的钎料和焊件同时加热，使钎料熔化（但焊件并不熔化）后填满焊件连接处的间隙，待钎料凝固后形成焊接接头的焊接方法。二、焊接的特点焊接的优点：1、节省材料和工时用焊接代替铆接，可以节省15～20的金属材料，不仅降低了消耗，而且还减轻了自重。同时，还可大大降低劳动强度，节约大量工时，提高生产率。2、接口的强度和严密性高。3、化大为小，拼小成大，可用小型铸、锻设备来生产大的零件。4、操作简单，易于实现机械化和自动化。由于焊接具有以上优点，故其应用十分广泛，在国民经济各部门中发挥着极其重要的作用。焊接的主要缺点是不可拆卸。第二节手工电弧焊手工电弧焊（manularcwelding）是利用电弧产生的热量来加热和熔化金属进行焊接的一种手工操作焊接方法。其设备简单，操作方便，是最常用的一种焊接方法。一、焊接过程及基本原理手工电弧焊以电弧(electricarc,arc)为热源，焊接前，焊条（通过焊钳）和工件分别接到电焊机输出端的两极。焊接时，首先在工件和焊条间引出电弧，电弧同时将工件和焊条熔化，随着电弧沿焊接方向前移，被熔化的金属迅速冷却，凝结成焊缝，从而使两工件牢固的地连接在一起。二、焊接电弧焊接电弧（weldingarc）是在焊条和焊件之间的气体介质中发生的持久而强烈的放电现象，其温度高，热量集中，电弧的热量与焊接电流成正比。焊接时的电弧必须是稳定的。1、焊接电弧的引燃电弧产生的条件是气体要成为导电体。通常气体是不导电的，气体成为导体则需要两个条件，即阴极电子发射和气体电离。当焊条与焊件瞬时接触时，相当于弧焊电源短接。短路产生了大量电阻热，使金属熔化，甚至蒸发、气化，引起强烈的电子发射和气体电离。这时，再把焊条与焊件之间拉开一点距离（3～4mm），由于电源电压的作用，在这段距离内，形成很强的电场，又促使产生电子发射。同时，加速气体的电离，这样使带电粒子在电场作用下向两极定向运动。弧焊电源不断地供给电能，新的带电粒子不断得到补充，形成连续燃烧的电弧。2、焊接电弧的构造和温度分布采用直流电源时，焊接电弧可划分为三个区域：阴极区、阳极区和弧柱区，三个区域中产生的热量和温度分布是不均匀的。电弧靠近阴极很薄的一层为阴极区。阴极区放出的热量为电弧总热量的36左右，其温度的高低决于阴极的材料，可达2400～3500K。电弧靠近阳极很薄的一层为阳极区。阳极区放出的热量为电弧总热量的43左右，其温度略高于阴极区，可达2600～4200K。阴极区与阳极区之间的部分为弧柱（arcstream）。其长度基本等于电弧长度，放出的热量为电弧总热量的21左右，弧柱中心的温度可达2400～3500K。焊接电源既可是直流电源也可是交流电源。由于三个区域发出的热量不同，使用直流电源焊接时就有两种不同的接法：若把阳极连接在焊件上，阴极连接在焊条上，则称为正接法（straightpolarity）。采用正接法时，电弧中的热量大部分集中在焊件上，可加快焊件的熔化速度，多用于焊接较厚的工件。反之，若焊件接阴极，焊条接阳极，则称为反接法（reversedpolarity）。反接法常用于焊接较薄的工件或不需要高热量的工件。使用交流电源时，阳极和阴极不断变化，没有正反接法的差别。三、电焊机电焊机（arcweldingmachine）是供给焊接电源的专用设备，按其供给的焊接电流种类的不同，弧焊机分交流弧焊机和直流弧焊机两类。交流弧焊机具有结构简单、价格便宜、使用可靠、效率高、噪音小、维护方便等优点，应用较广，但在电弧稳定性方面有些不足。直流弧焊机具有引弧容易、电弧稳定、焊接质量好、可根据焊件情况选用不同的接法等优点，但其结构复杂、价格较高、维修困难、使用时噪音大，因此只用于焊接薄钢板、铸铁、有色金属、合金钢以及其它重要工件。四、电焊条1、电焊条的组成电焊条（electrode，metalpencil）由焊条芯（weldingrodcore）和药皮两部分组成。焊条芯（weldingrodcore）是一根具有一定直径和长度的金属丝，是组成焊缝金属的主要材料。其作用是：(1)作为电极，产生电弧；(2)熔化后作为填充金属，与熔化后的工件一起形成焊缝。为了保证焊接质量，国标对焊条芯的化学成分和质量有一定限制。焊接碳素钢时，焊条芯的材料常用Ｈ08、Ｈ08Ａ和Ｈ08ＭｎＡ，焊接合金钢或不锈钢时，则应采用相应钢种的焊条芯。焊条的直径和长度是指焊条芯的直径和长度。药皮（electrodecoating）是由矿石粉和铁合金粉等按一定比例配制而成，其作用是：（1）使电弧容易引燃并保持电弧的稳定；（2）焊接时向焊缝中添加有益的合金元素，改善焊缝质量，提高焊缝金属的机械性能；（3）形成熔渣，保护熔化金属不被氧化。2、电焊条的分类和牌号手工电弧焊焊条共分十大类：结构钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、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、特殊用途焊条。每大类中，按其重要性能的不同又分若干小类。为便于管理和选用，通用的焊条牌号方法是：牌号前用大写字母表示焊条所属的大类，结构钢焊条用Ｊ，钼和铬钼耐热钢焊条用Ｒ、不锈钢焊条用Ｇ或Ａ、铸铁焊条用Ｚ。字母后面是三位数字，前两位数字表示各大类中的小类，第三位数字表示药皮类型及焊接电源。对于结构钢焊条，前两位数字表示焊缝金属抗拉强度等级（抗拉强度的十分之一，单位ＭＰａ）。第三位数字的含义是：1──药皮为氧化钛型，焊接电源为直流或交流；2──药皮为氧化钛钙型，焊接电源为直流或交流；6──药皮为低氢钾型，焊接电源为直流或交流；7──药皮为低氢钠型，焊接电源为直流。例如：J506表示低氢钾型药皮，焊接电源为直交流两用的碳素结构钢焊条，焊缝金属的抗拉强度b500MPa。根据焊条药皮熔化后的熔渣特征，焊条可分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条药皮的成分主要是氧化铁、氧化锰、氧化钛等，具有较强的氧化性，焊接时药皮中的合金元素烧损大，焊缝的机械性能，特别是塑性和冲击韧性较低。但由于酸性焊条中碳的氧化造成熔池的沸腾，有利于溶熔池中的气体逸出，不易产生气孔，因此对焊缝中的铁锈、油脂和水分的敏感性不大。酸性焊条适用于一般低碳钢和强度较低的普通低合金钢的焊接。碱性焊条药皮中含有较多的大理石和莹石，并含有较多的铁合金作为脱氧剂和合金剂，焊接时会产生大量的二氧化碳作为保护气体，与酸性焊条相比，碱性焊条的保护气体中含氢很少，故又称为低氢焊条。碱性焊条能使焊缝金属具有良好的机械性能，冲击韧性较高，抗裂性较好。但碱性焊条稳弧性差，易产生气孔，焊缝成形不美观，脱渣困难，焊前必须清除油污和铁锈，另外采用碱性焊条时，应采用直流反接并注意排除有毒气体（氟化氢）。碱性焊条主要适用于焊接重要结构，如压力容器、合金结构钢等。五、焊接工艺手工电弧焊的焊接工艺主要包括焊接接头型式的选择、焊缝的空间位置的确定、焊接规范的选择等。1、焊接接头型式手工电弧焊常用的焊接接头型式有对接接头、搭接接头、角接接头和丁字接头四种，其中，对接接头是采用最多的一种接头形式。当被焊工件较薄时，在工件接头处只要留出一定的间隙，就能保证焊透；当工件较厚时，要保证焊透，就必须在焊接前把工件的待焊处加工成为所需的几何形状（坡口）。坡口形式可根据实际情况选择。2、焊缝的空间位置按焊缝的位置不同，焊接可分为平焊、立焊、横焊和仰焊。其中平焊时操作方便，生产率高，焊缝质量也容易保证，在焊接时应尽量在平焊位置施焊。在进行立焊和仰焊时，由于重力的作用，熔化金属向下滴落而造成施焊困难，应尽量避免。若不得不采用立焊和仰焊时，则应选用较小的焊条直径和较小的焊接电流进行短弧操作。3、焊接规范手工电弧焊的焊接规范主要包括焊条直径和焊接电流。焊接规范选择的合适与否直接影响着焊接的质量和工作效率。焊条直径主要根据工件厚度来选择，工件越厚，焊条直径一般应越大，选择焊条直径时可参考表29-1。工件较厚时，还要采用多层焊，多层焊的关键是要保证焊缝根部熔透。多层焊时，第一层应选用直径较小的焊条，以后各层可根据工件厚度选用较粗的焊条。焊接电流主要根据焊条直径来选择，一般情况下，焊条直径越大焊接电流应越大，焊接电流通常按经验公式计算。另外，选择焊接规范时还应综合考虑接头型式、焊缝位置等多种因素。例如，平焊时操作容易，可选用较大的焊接电流。第三节气焊与气割气焊是利用氧气和可燃气体（一般是乙炔）混合燃烧所产生的热量来加热和熔化金属进行焊接的一种焊接方法。用上述气体燃烧所产生的热量切割金属，则称为气割。因为气焊的火焰有一定的保护和还原作用，故气焊的焊接质量较好，同时气焊不需要电源，可在无电源的地点进行焊接，因此其应用较广泛。但气焊的热量分散且温度较低（一般只能达到3000Ｃ左右），焊接变形较大，目前多用于焊接薄钢板、有色金属及其合金、需要预热和缓冷的工具钢及铸铁工件。气割多用于钢材的下料及焊件的坡口加工。一、气焊设备气焊设备主要有：乙炔发生器、回活防止器、氧气瓶、减压器、焊炬等。它们用管道连接起来形成整套系统。1、乙炔发生器乙炔发生器是使电石和水发生反应，生成乙炔气体，并自动保持一定的乙炔量与压力的设备。乙炔发生器的类型较多，图29-8是较常用的一种排水式乙炔发生器。该设备乙炔的工作压力为0.045～0.1兆帕。为提高效率，保证安全，乙炔也可集中生产，用钢瓶贮运。使用时打开钢瓶，乙炔气体通过减压器后供气焊用。乙炔瓶的外表涂白色，并用红漆写有“乙炔”字样；输送乙炔的橡皮管为红色。2、回火防止器在气焊或气割时，由于气体压力不正常或焊嘴堵塞等原因会发生火焰沿导管倒燃的情况，这种现象称为回火。若火焰倒燃到乙炔发生器，会发生严重爆炸。回火防止器的作用就是装在乙炔发生器的输出管路上，防止回火现象的发生。3、焊炬焊炬的外形如图29-9。打开氧气阀门和乙炔阀门，两种气体便进入混合管内，均匀混合后从焊嘴喷出即可点燃火焰。调节氧气阀门和乙炔阀门可改变两种气体的比例，以便形成适合不同要求的火焰。焊接结束后，应先关乙炔阀门后关氧气阀门。一般焊炬备有7种大小不同的焊嘴，可根据工件的不同而调换。4、氧气瓶氧气瓶是贮存高压氧气的容器，容积一般为40升，贮气最大压力为14.7MPa，输出氧气时必须经过减压器减压。氧气瓶外表涂天蓝色并用黑漆写有“氧气”字样，输出氧气的管道采用绿色或黑色导管。5、减压器减压器是将高压气体降为低压气体的调节装置，其作用是将氧气瓶中流出的氧气压力降到所需工作压力，并保持压力稳定。如图29-10是较常用的单级反作用式减压器。二、气焊火焰气焊时，因氧气和乙炔的比例不同可得到三种不同性质的火焰（如图29-11）。1、正常焰，又称中性焰，氧气与乙炔的体积比为1～1.2。这种火焰乙炔燃烧较完全，应用较多，常用于焊接低碳钢、中碳钢、紫铜及铝合金。2、氧化焰，氧气与乙炔的体积比大于1.2，对工件有氧化作用，一般较少采用，只用来焊接黄铜工件。3、碳化焰，氧气与乙炔的体积比小于1.2，供氧不足，乙炔不能完全燃烧，对工件有增碳作用，一般用于含碳量较高的铸铁工件。以上三种火焰均由焰心、内焰和外焰三部分组成，其中内焰温度最高，常用来进行焊接。三、气焊焊