焊接原理与工艺1

1焊接原理与工艺焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离(0.3~0.5nm)，形成金属键，从而使两金属连为一体的加工方法。基本焊接方法熔化焊接電弧焊熔化極非熔化極螺柱焊焊條電弧焊埋弧焊氬弧焊CO2電弧焊鎢極氬弧焊原子氫焊等離子弧焊氣焊氧氫氧乙炔空氣乙炔鋁熱焊電渣焊電子束焊激光焊壓力焊接電阻點,縫焊電阻對焊冷壓焊超聲波焊爆炸焊鍛焊擴散焊摩擦焊釬焊火焰釬焊感應釬焊爐釬焊鹽浴釬焊電子束釬焊基本焊接方法及分類2比较常见的有以下几类﹕A.钨极氩弧焊英文全称TungstenInertGasArcWelding，又称GTAW，GasTungstenArcWelding，简称TIG焊﹐保护气体一般为Ar或He。焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处在氩气保护之中，使之与空气隔离，电极为钨或钨的合金棒，电弧燃烧过程中，电极不熔化，焊接过程稳定，当保护气体采用氦气时称为氦弧焊，有时也采用氦或氩的混和气体。TIG焊应用领域：广泛用于飞机制造、原子能、化工、纺织等工业中，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属(如钼、铌、锆)等，脉冲钨极氩弧焊适宜于焊接薄板，特别适用于全位置管道对接焊，它使原子能和电站锅炉工程的焊缝质量得到了显著提高。但是钨电极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低。所以，钨极氩弧焊一般只适于焊接厚度小于6mm的工件。一般来说低周波的脉冲可以有效地采用于热容量小的薄板或材料不同的焊接(板厚或材质不同材料的焊接)但是这种方法在一定的周期内电流会发生变化﹐所以难以定速手工作业﹐焊接困难﹐这时电流的变化只能靠作业者自身凭感觉控制脉冲﹔而高周波的脉冲中,脉冲电流的流动时间极其短暂,电弧一瞬间就会收缩,成了一种指向性高的状态,高精度的薄板焊接和每分锺数米的高速焊接时,这种方法被有效的采用。图2-4表示的就是利用高周波脉冲控制的薄板高速焊接可达到的范围,改善了一般方法下不连续焊道和咬边等非正常焊道的状态,并且提高了焊接中数倍的速度。B.熔化极氩弧焊MIG(英文全称MetalInertGasArcWelding)，保护气体为Ar气﹐又称GMAW，GasMetalArcWelding，如果用Ar-O2﹑Ar-CO2或者Ar-CO2-O2等作保护气体则称MAG焊接(MetalActiveGasArcWelding)，上述混和气体一般为富Ar气体。特点：1.和TIG焊一样，几乎可焊接所有的金属，尤其适合于焊接铝及铝合金，铜及铜合金以及不锈钢等材料﹔2.由于用焊丝作电极，可采用高密度电流，因而母材熔深大，填充金属熔敷速度快，用于焊接厚板铝、铜等金属时生产率比TIG焊高，焊件变形比TIG焊小﹔3.熔化极氩弧焊可直流反接﹐焊接铝及铝合金时有良好的阴极雾化作用﹔4.熔化极氩弧焊焊接铝及铝合金时﹐亚射流电弧的固有自调节作用较为显著。C.焊焊利用某些熔点低于被连接构件材料熔点的熔化金属(焊料)作连接的媒介物在连接界面上的流散浸润作用，然后冷却结晶形成结合面的方法称为焊焊。显然焊焊过程必须采取加热(以使焊料熔化，但母材不熔化)和保护措施(以使熔化的焊料不与空气接触)。按照热源和保护条件的不同，焊焊方法分为：火3焰焊焊(以氧乙炔燃烧火焰为热源)；真空或充气感应焊焊(以高频感应电流的电阻热为热源)；电阻炉焊焊(以电阻炉辐射热为热源)；盐浴焊焊(以高温盐浴为热源)等若干种。通常可分为软焊焊﹐加热温度在500℃以下﹐又称银焊﹐英文名称SOLDERING﹔硬焊焊﹐加热温度在500℃以上﹐又称铜焊﹐英文名称BRAZING。以前焊焊技术在钣金加工中具有封密性好,不易发生变形的优点,所以在钣金产品加工时用于修补或不同材质材料接头的连接,现在又开发了以电弧为热源的焊焊方法。(一)焊材的选择焊焊作业中为了得到良好的接头,应该根据母材的材质,接头的利用条件及可使用的焊焊方法选择合适的材料,所以在现场广泛应用的各种焊材中,以各种焊材中,以各种焊材的特性为基准进行了下列分类。(I)铝合金焊:焊焊的焊接范围在560~640℃之间﹐可利用铝以及铝和其它金属合金的焊接﹐炉中焊焊等方法﹐这种焊材的接头强度高﹐所以必须清除残留焊剂。焊焊范围在200~350℃的铝软焊料﹐可以使焊剂﹐也可以让铝和其它金属连接。(II)银焊:根据焊材的种类﹐焊焊可在620~900℃范围内焊接﹐但除Al,Mg以外。(III)黄铜焊:银焊可焊接材料的范围在820~980℃这种焊材如照片2-23(a)的一般焊焊以及(b)所示的流动焊焊(铜焊)。(IV)磷铜焊:在各种焊焊方法中可进行700~900℃的焊焊作业﹐主要是铜以铜合金。这种焊材可使用焊剂。(V)镍焊:熔点为1000℃﹐使用于高温下的接头或真空零部件的焊焊。(二)焊剂的选择与使用方法在众多焊焊作业中,为了得到好的焊焊结果,必须对照焊材选用合适的焊剂。基本的各焊材相应的焊剂成分选择基准如表2-8所示。焊剂在焊焊中的作用是防止母材和焊材氧化以及清除生成的氧化物不使用焊剂焊材的母材表面会产生大面积的球状现象,而使用了焊剂则产生良好的湿润现象。焊剂除了有清除之个氧化物的作用之外,还有稳定焊温度的作用,稳定焊焊的温度在焊焊作业非常重要,焊材从熔化开始前到渗透整个接头,焊剂的除氧和防氧化作用是必不可少的。表2-8焊用的焊剂焊材适合的母材焊剂成分铝焊铝及铝合金氯化物,氟化物银焊铝,镁以外的金属硼酸,硼氯酸,氧化物,硼氟化物湿温剂黄铜焊焊,镁以外的金属硼酸,硼氯酸,氩化物,硼氟化物湿润剂磷铜焊铜及铜合金氯化物,氯化物,硼氯酸,润滑剂镍焊铝,镁,铜以外的金属硼砂,硼酸,硼酸氯湿润剂焊剂浓度越高﹐焊焊作业越容易﹐即固定热源的一点﹐对于加热母材中心位置4而局部温度上升的状况﹐使用浓度有活性的焊剂就可以控制温度上升﹐为扩散母材的焊焊温度区域﹐起到了一个有效的稳定温度的作用。所以焊剂有清洁母材的作用﹐清洁之后还可以保持有控制母材的加热状态等作用。(1)焊焊接头的设定为了得到良好的焊焊接头﹐除了合适的焊材和焊剂外﹐设定接头的形状和接头的间隙也是非常重要的。基本的焊焊接头有﹕1.重迭接头2.对接接头3.嵌接接头﹐强度最大气密性最好的是重迭接头﹐嵌接接头和对接接头次之﹐接头的形态在焊焊部要求尽可能应力集中﹐以便达到焊接要求的强度。接头间隙和接头强度的关系﹐任何一种接头形状都是间隙越小﹐接头强度越大。接头强度要求很高时﹐应该将间隙设定为0.05~0.1mm﹐用稍高一些的温度进行焊焊。(2)各种焊焊法的注意事项(I)TORCH焊焊:TORCH焊焊是以吹管中可烯性气体燃烧的气焰为热源的焊焊法。一般是手工作业时使用﹐现在多用于专用的自动焊焊装置上﹐这种可能会在局部加热﹐所以作业时应该观察焊焊现象防止发生变形﹐特别是手工作业时﹐应该相当熟练才能得到良好的焊焊效果。熟练和不熟练不同结果的比较﹐熟练者作业时﹐母材加热状态下各测试点的差别很少﹐几乎是平衡的温度﹐所以焊焊的效果整体情况很好。相反﹐如果是不熟练者﹐加热不均衡﹐使母材各位置的温度相差过大﹐部分位置过热致使焊剂和焊材受到破坏﹐母材加热不足。(Ⅱ)炉中焊焊:这种焊焊法是均行加热材料的同时调整温度,一炉加可同时焊焊多件,所以效率高质量好.由于不用清除焊焊后的焊渣。所以说相对TORCH焊焊法﹐是均衡加热材料的同时﹐调整温度﹐一炉可同时焊焊多件﹐所以效率高质量好。由于不用清除焊焊后的焊剂,所以用炉中的气体在材料和焊材中焊焊可良好地焊接。(Ⅲ)MIG焊焊:板金加工焊接时﹐最主要的是将薄板焊接时的变形控制到最小﹐上述的TORCH焊焊难免会产生变形﹐所以为了提高热源的集中性﹐可以利用电弧电源方法进行电弧焊焊﹐高效率焊焊的MIG焊焊。这种方法主要是在MIG焊的电极焊丝中使用焊材﹐MIG焊焊时为了达到长弧状态应该设定稍高一些的电压提高焊接速度。(IV)其它焊焊:除了上述的焊焊外﹐还有高周波焊焊﹐电阻焊焊﹐浸沾焊焊等等,高周波焊焊与TORCH焊焊相比加热效果好﹐但价格昂贵﹐设备费高给成本带来很大的问题﹐电阻焊焊比点焊复杂﹐焊接铜和铜合金时﹐按照点焊的方法操作﹐浸沾焊焊是将工件浸入到熔入到熔化的焊料和焊剂中的焊接方法。D.点焊焊件装配成搭接接头﹐并压紧在两电极之间﹐利用电阻热熔化母材金属﹐形成焊点的电阻焊方法。点焊调整中最主要的因素是﹕加压力﹐焊接电流﹐通电时间以及电极。一、一般的接头形成过程5(1)预压阶段:预压阶段的机电过程特点是Fw0﹐I=0﹐其作用是在电极压力作用下清除一部分接触表面的不平和氧化膜﹐形成物理接触点﹐这就为以后焊接电流的顺利通过及表面原子的键合作好准备。(2)通电加热阶段:通电加热阶段的机电特点是Fw0﹐I0﹐其作用是在热与机械(力)作用下形成塑性环---熔核﹐并随着通电加热的进行而长大﹐直到获得需要的熔核尺寸。(3)冷却结晶阶段:冷却结晶阶段的机电特点是Fw0﹐I=0﹐其作用是使液态熔核在压力作用下冷却结晶。二、判断金属材料点焊焊接性的主要标志﹕(1)材料的导电性和导热性﹔电阻率(ρ)小而热导率(λ)大的金属材料其焊接性较差。(2)材料的高温塑性及塑性温度范围。高温屈服强度大的材料，点焊时塑性变形困难、易产生喷溅，这就要求选用热硬性好的电极和能提供大压力的设备。塑性温度区间较窄的材料(如铝合金)，对点焊规范参数的波动非常敏感，这就对设备及其控制装置提出较高的要求。因此，高温塑性差、塑性温度区间窄的金属材料其焊接性较差。(3)材料对热循环的敏感性。由于点焊热循环的作用，接头中出现某些焊接缺陷(淬硬组织及冷裂纹、热裂纹、软化…………..)使接头承载能力降低，故易生成与热循环有关的焊接缺陷的金属材料其焊接性较差。熔点高﹑线胀系数大﹑硬度高等的金属材料焊接性一般也较差。E.电焊利用药皮焊条做焊接材料的电弧焊方法。药皮的作用是提供焊接时的保护环境同时对焊缝金属起物理/化学冶金作用﹐改善/增强焊缝的力学/化学性能。英文名称SMAW,SHIELDEDMETALARCWELDING。MIG/MAG焊使用的保护气体及其被保护材料保护气体焊接材料Ar除钢材外的一切金属Ar+He一切金属，尤其适合于铜和铝的合金的焊接He除钢材外的一切金属Ar+O20.5%~1%铝Ar+O21%高合金钢Ar+O21%~3%合金钢Ar+O21%~5%非合金钢及低合金钢Ar+CO225%非合金钢Ar+CO21%~3%铝合金Ar+N20.2%铝合金Ar+H26%镍及镍合金Ar+N215%~20%铜6N2铜CO2非合金钢CO2+O215%~20%非合金钢水蒸气非合金钢Ar+O23%~7%+CO213%~17%非合金钢及低合金钢常用富氩混合气体的特点及应用范围被焊材料保护气体焊接方法特点和应用范围碳钢及低合金钢Ar+O21%~5%Ar+O220%熔化极采用射流过渡，使熔滴细化，降低了射流过渡的临界电流值，提高了熔池的氧化性，提高抗N2气孔的能力，降低焊缝含H2﹑含O2量及夹杂物，提高焊缝的塑性及抗冷裂能力，用于焊缝要求较高的场合Ar+CO220%~30%熔化极可采用各种过渡形式，飞溅极小，电弧燃烧稳定，焊缝成形较好，有一定的氧化性，克服了单一Ar保护时阴极漂移及金属粘稠的现象，改善蘑菇形熔深，焊缝力学性能优于纯Ar保护Ar+CO215%+O25%熔化极可采用各种过渡形式，飞溅小，电弧稳定，成形好，有良好的焊接质量，焊缝断面形状及熔深理想。是焊接碳钢及低合金钢的最佳混合气体不锈钢及高强度钢Ar+O21%~2%----提高熔池的氧化性，降低焊缝金属含H2量，增大熔深，成形好，液体金属粘度及表面张力有所降低，不易产生气孔及咬边，克服阴极漂移现象Ar+CO25%+O22%----提高了氧化性，熔深大，焊缝成形良好，但焊缝可能有少量增碳铝及其合金Ar+He(≦100%)Ar+He10%~75%熔化极钨极射流及脉冲射流过渡，电弧热量大，温度高，飞溅较小，电弧稳定，增加和改善熔深，减少气孔，提高焊接速度和生产率。当He含量大于10%时，飞溅较大。适于焊接厚铝板7Ar+CO22%熔化极可简化焊前清理工作