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第二章常见的焊接方法第一节气焊一、气焊概述气焊是利用可燃气体与助燃气体混合后燃烧产生的火焰作为热源，将接头部位母材金属和焊丝熔化，使被熔化的金属形成熔池，冷却后形成一个牢固的接头，从而使两焊件连接成一个整体的焊接方法。图1气焊（氧乙炔焊）示意图1-混合气管2-焊件3-焊缝4-焊丝5-火焰6-焊嘴气焊的优缺点：1、优点：a、设备简单，移动方便，在无电力供应地区可以方便进行焊接；b、可以焊接很薄的工件；c、焊接铸铁和部分有色金属时焊缝质量好。2、缺点：a、热量较分散，热影响区及变形大；b、生产率较低，不易焊较厚的金属；c、由于气焊火焰中氧、氢易与熔化金属发生作用，使某些金属降低焊缝性能；d、难以实现自动化。气焊用气体：气焊用气体由助燃气体（氧气）和可燃气体（乙炔、液化石油气等）两部分组成。气体发热量/J·L-1火焰温度/℃乙炔527533200氢100482160丙烷、丁烷88762000煤气209342100沼气330762000表1可燃气体的发热量及火焰温度氧气是气焊时必须使用的气体，且必须使用高纯度的氧气才能获得所需的导热强度。常用工业氧的纯度分两级：一级氧的纯度质量分数大于99.5%，用于质量要求较高的气焊；二级氧的纯度大于98.5%，用于没有严格要求的气焊。乙炔的分子式为C2H2，是未饱和的碳氢化合物，常有刺鼻的特殊气味，密度为1.17kg/m3，沸点为-82.4℃，凝固点为-85℃，是一种危险、易爆的气体，在摩擦、冲击条件下易爆炸。图2射吸式焊炬示意图1-乙炔阀2-乙炔导管3-氧气导管4-氧气阀5-喷嘴6-射吸管7-混合气管8-焊嘴二、气焊用焊接材料1、气焊丝A、焊丝选用原则力学性能考虑：应根据焊件的成分和受力情况选用焊丝。对焊接接头强度要求高的焊件，应选用比母材金属强度高的或等强度的焊丝；若焊件承受冲击力，应选用韧性好的焊丝；若要求焊件耐磨，则应选用耐磨材料焊丝。焊接性考虑：应考虑焊缝金属和母材金属的熔合及其组织的均匀性。要求焊丝的熔点应等于或略低于母材金属的熔点，否则容易形成烧穿、咬边或夹渣等缺陷。B、常见气焊丝的型号和用途碳素结构钢焊丝：一般低碳钢焊件采用H08A焊丝；重要低碳钢焊件采用H08Mn、H08MnA焊丝；中强度焊件采用H15A焊丝；高强度焊件采用H15Mn焊丝。焊接普通碳素钢时采用H08A、H08Mn、H08MnA焊丝；焊接优质碳素钢和低合金结构钢时采用H08Mn、H08MnA、H10Mn2、H10Mn2MoA焊丝。铸铁用焊丝：分灰铸铁焊丝和合金铸铁焊丝两种。2、气焊熔剂A、气焊熔剂的作用气焊过程中，被加热的熔化金属极易与周围空气中的氧或火焰中的氧化合生成氧化物，使焊缝中产生气孔和夹渣等缺陷。为防止金属的氧化及消除已经形成的氧化物，在焊接有色金属、铸铁和不锈钢等材料时，必须采用气焊熔剂。气焊熔剂可以在焊前涂在焊件的待焊位置上或焊丝上。在高温下熔剂熔化与熔池内的金属氧化物或非金属夹杂物相互作用形成熔渣，浮在熔池表面从而防止熔池金属氧化以改善焊缝金属性能。B、气焊熔剂的种类化学熔剂：由一种或几种酸性氧化物或碱性氧化物组成，也称酸性熔剂或碱性熔剂。酸性熔剂如硼砂、硼酸、二氧化硅，主要用于焊接铜及其合金、合金钢等。焊接时形成的氧化亚铜、氧化锌和氧化铁属于碱性氧化物，故应采用酸性熔剂；碱性熔剂如碳酸钾、碳酸钠主要用于补焊铸铁，因为铸铁焊接时熔池内易形成高熔点的二氧化硅，故应采用碱性熔剂中和。物理熔剂：在气焊铝及其合金时，熔池表面会形成一层Al2O3薄膜，该薄膜不能被酸性或碱性熔剂中和，会阻碍焊接过程的进行。此时，可用有物理作用的熔剂将Al2O3溶解，从而获得高质量焊缝。物理熔剂有氯化钾、氯化钠、氯化锂、氟化钾、氟化钠、硫酸氢钠等。气焊熔剂的选择：应根据母材金属在气焊过程中所产生的氧化物的种类进行选择，所选用熔剂应能中和或溶解这些氧化物。熔剂型号代号应用范围基本性能熔剂101CJ101不锈钢、耐热钢熔点约为900℃，有良好的湿润作用，能防止熔化金属被氧化，焊后熔渣易清除。熔剂201CJ201铸铁熔点约为650℃，呈碱性反应，能有效去除硅酸盐和氧化物，可加速金属熔化。熔剂301CJ301铜及铜合金为硼基盐类，熔点约为650℃，呈酸性反应，能有效消除氧化铜和氧化亚铜。熔剂401CJ401铝及铝合金熔点约为560℃，呈碱性反应，能有效破坏氧化铝膜。三、气焊工艺1、气焊火焰乙炔和氧混合燃烧时，不同的混合比会产生三种不同火焰：碳化焰：氧乙炔混合比（体积比）小于1.1时形成的火焰。内焰有多余的游离碳，故为淡白色，有较强的还原和渗碳作用。中性焰：氧与乙炔混合比为1.1-1.2时形成的火焰。在亮白色的焰心端部有淡白色火焰闪动，内焰区气体为CO和H2，无过量氧和游离碳。焰心外2-4mm处温度最高，达3150℃。氧化焰：氧乙炔混合比大于1.2时形成的火焰。火焰有过量的氧，呈氧化性。焰心端部无淡白色火焰闪动，内、外焰分不清。图3氧乙炔焰示意图a-中性焰b-碳化焰c-氧化焰1-焰心2-内焰（暗红色）3-内焰（淡白色）4-外焰焊件材料应用火焰焊件材料应用火焰低碳钢中性焰铬不锈钢中性焰或轻微碳化焰中碳钢中性焰或轻微碳化焰铬镍不锈钢中性焰或轻微碳化焰低合金钢中性焰纯铜中性焰高碳钢轻微碳化焰锡青铜轻微氧化焰灰铸铁碳化焰或轻微碳化焰黄铜氧化焰高速钢碳化焰铝及其合金中性焰或轻微碳化焰各种金属材料气焊火焰的选择2、气焊焊接参数A、焊丝直径的选择：工件厚度/mm焊丝直径/mm1-21-22-323-52-35-103-410-154-6＞156-8B、火焰性质的选择：对于需要尽量减少元素烧损和减少增碳的材料，应选用中性焰；对于允许和需要增碳及还原气氛的材料，可选用碳化焰；对于母材金属含有低沸点元素（Sn、Zn等）的材料，因需要生成氧化薄膜覆盖在熔池表面以保护这些元素不再蒸发，应选用氧化焰。C、焊炬倾角的选择：焊炬倾角是指焊炬中心线与焊件平面之间的夹角α。焊炬倾角大，热量散失少，焊件得到的热量多，升温快；焊炬倾角小，热量散失多，焊件受热少，升温慢。因此，在焊接厚度大、熔点较高或导热性较好的焊件时，或焊接开始时，为了较快地加热焊件和迅速形成熔池，焊炬的倾角要大些；反之，可小些。图4焊炬倾角与焊件厚度的关系D、焊接方向的选择：气焊方向有两种：左向焊适用于焊接薄板；右向焊适用于焊接厚度较大的工件。图5左向焊与右向焊a-左向焊b-右向焊E、焊接速度的选择：对于厚度大、熔点高的焊件，焊接速度要慢些，以免发生未熔合的缺陷；对于厚度小、熔点低的焊件，焊接速度要快些，以免烧穿或使焊件过热，降低焊缝质量。第二节焊条电弧焊一、焊条电弧焊的工作原理焊条电弧焊是利用焊条与工件之间燃烧的电弧热熔化焊条端部和工件的局部，在焊条端部迅速熔化的金属以细小熔滴经弧柱过渡到工件已经局部熔化的金属中，并与之融合形成熔池。随着电弧向前移动，熔池的液态金属逐步冷却结晶而形成焊缝。在焊条电弧焊的焊接过程中，焊条是焊接电弧的一个极，并作为填充金属熔化后成为焊缝的组成部分。焊条的药皮经电弧高温分解和熔化而生成气体和熔渣，对金属熔滴和熔池起防止大气污染的保护作用和冶金反应作用。某些药皮中加入金属粉末，为焊缝提供附加的填充金属。电弧中心的温度在5000℃以上，电弧电压一般为16～40V，焊接电流为20～500A。二、焊条电弧焊的工艺特点1、设备简单——其操作灵活、方便，适应性强，不受场地和焊接位置的限制，在焊条能达到的地方一般都能施焊。2、应用范围广——除难熔或极易氧化的金属外，大部分工业用金属均能采用焊条电弧焊进行焊接。3、操作技术要求高——焊接质量在一定程度上取决于焊工的操作水平。4、生产率较低——每焊完一根焊条，需更新焊条，并残留一部分，焊条未充分利用。三、焊条电弧焊的使用范围焊条电弧焊适用于碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、铜、铝及其合金的焊接；可焊但需预热、后热处理的金属有铸铁、高强度钢和淬火钢。一般而言，1mm以下的薄板不宜采用焊条电弧焊，焊条电弧焊一般用于3—40mm厚度工件的焊接。四、焊条电弧焊的辅助工具1、电焊钳——夹紧焊条并传导焊接电流的操作器具。其要求为：在任何斜度都能夹紧焊条，具有可靠的绝缘和良好的隔热性能。2、焊条保温筒——用于装载已烘干的焊条，并能保持一定的温度，以防焊条受潮的容器。有立式和卧式两种，温度一般为100—450℃之间。3、防护面罩——用于保护电焊工的眼睛和面部不受电弧光的辐射和灼伤。有手持式和头盔式两种。面罩的护眼玻璃有减弱电弧光并过滤红外线、紫外线的作用。五、电焊条的分类1、按焊条用途分结构钢焊条——焊接碳钢和低合金高强钢；钼和铬钼耐热钢焊条——焊接珠光体耐热钢和马氏体耐热钢；低温钢焊条——焊接低温工作的结构钢；铸铁焊条——用于补焊铸铁构件；镍及镍合金焊条——焊接镍及高镍合金；铜及铜合金焊条——焊接铜及铜合金；铝及铝合金焊条——焊接铝及铝合金；特殊用途焊条——用于水下焊接等特殊工作需要的焊条。2、按焊接熔渣的酸碱度分酸性焊条——药皮中含有大量酸性氧化物的焊条。该类焊条的工艺性能好，焊缝外表美观，波纹细密，但熔渣的氧化性强。典型的酸性焊条型号为E4303。碱性焊条——药皮中含有大量碱性氧化物的焊条。由于焊条中含有大理石和萤石等成分，在焊接冶金反应中生成了HF，降低了焊缝中的含氢量，故又称低氢焊条。碱性焊条的焊缝具有较高的塑性和冲击韧性，尤其适合于有动载构件的焊接。典型的碱性焊条型号为E5015。六、电焊条的选用原则1、从焊件的力学性能和化学成分考虑：低碳钢、中碳钢和低合金钢可按其强度的等级选用相应强度的焊条，如焊接结构刚性大、受力情况复杂时，应选用比钢材强度低一级的焊条，以保证有良好强度与塑性的综合性能。对于塑性、冲击韧性和抗裂性能要求较高，低温条件下工作的焊缝应选用碱性焊条；当焊接坡口处有不易清除的铁锈、油污和氧化皮等脏物时，应选用对其敏感性小、抗气孔性能强的酸性焊条。不同强度级别钢材的焊接，一般选用与较低强度等级钢材相匹配的焊条。2、从提高生产率和降低成本考虑：在满足焊件使用性能和焊条操作性能的前提下，应选用规格大、效率高的焊条；在使用性能基本相同时，应尽量选用价格低的焊条，以降低焊接生产的成本；薄板焊接尽量采用酸性焊条，以便更易引弧。七、焊接位置的种类焊接位置，即熔焊时焊件接缝所处的空间位置，可用焊缝倾角和焊缝转角来表示。焊缝倾角，即焊缝轴线与水平面Y轴之间的夹角。图6焊缝倾角焊缝转角，即焊缝中心线和水平参照面的夹角。图7焊缝转角根据焊缝倾角和焊缝转角的不同，焊缝可分为：a、平焊；b、横焊；c、立焊；d、仰焊；e、平角焊；f、仰角焊。图8各种焊接位置八、焊接工艺参数1、焊条直径在保证焊接质量的前提下，尽可能选用大直径焊条以提高效率。带坡口需多层焊的接头，第一层焊缝应选用小直径焊条，以便在接头根部容易操作，有利于熔透；在横焊、立焊和仰焊时，由于重力作用熔化金属易从液态熔池中流出，故应选用小直径焊条，以便于控制焊接熔池。2、焊接电流在保证焊接质量的前提下，尽可能选用较大的焊接电流以提高效率。应避免：焊接电流过大，焊条后部发红，药皮失效或崩落，保护效果变差，易造成气孔、飞溅、烧穿等缺陷，并导致热影响区晶粒粗大、韧性差。焊接电流过小，则电弧不稳，易造成未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷。3、电弧电压电弧电压由电弧长度决定。电弧长度是焊条芯的熔化端到焊接熔池表面的距离。电弧长则电弧电压高，反之则低。若电弧太长，电弧漂摆，燃烧不稳，熔深减少，熔宽加大，外部空气易侵入，降低焊缝质量；若弧长太短，熔滴过渡易发生短路，操作困难。4、焊接速度焊接速度越大，热输入就越大，易使焊缝及热影响区的显微组织粗化，降低焊接接头的力学性能；若焊接速度太小，造成效率低。5、焊前预热焊前预热可延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的氢有充分的时间逸出，避免冷裂纹的产生，并延长焊接接头从800℃到500℃的冷却时间，改善焊缝金属及热影响区的显微组织，降低热影响区的最高硬度，减少内应力，提高抗裂性。6、后热及焊后保温后热是在焊后立即加热焊件或焊接区，并保持一定时间，然后缓慢