焊工工艺学

焊工工艺学教师讲义第一章焊接的基本知识第一节焊接的概念和焊接方法的分类一、焊接的概念金属焊接是指通过适当的手段，如通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而广泛应用于国民生产与人民生活的各个方面。二、常用焊接方法简介按焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接方法划分为三大类，即熔焊、压焊和钎焊。一、焊条的组成与作用焊条由两部分组成，表面的药皮与内部的焊芯组成，如图1-1所示。图1-1第二节焊条二、焊条的分类、型号与选用1.焊条的分类（1）按用途分类。按原国家机械工业委员会在《焊接材料产品样本》中分为10大类：结构钢焊条（J）、钼及铬钼耐热钢焊条（R）、低温钢焊条（W）、不锈钢焊条（铬不锈钢焊条G、铬镍不锈钢焊条A）、堆焊焊条（D）、铸铁焊条（Z）、镍及镍合金焊条（Ni）、铜及铜合金焊条（T）、铝及铝合金焊条（L）、特殊用途焊条（TS）。（2）药皮熔化后熔渣酸碱性分类。按熔渣酸碱性可分为：酸性焊条（熔渣酸碱度小于1.5）与碱性焊条（熔渣酸碱度大于1.5）两类。二、焊条的分类、型号与选用2.焊条的型号（1）碳钢焊条型号表示。（2）低合金钢焊条型号表示。根据国国家标准规定，低合金钢焊条型号用字母“E”与4位数字表示。（3）不锈钢焊条型号表示。不锈钢焊条表示举例如图1-2与图1-3所示。图1-2不锈钢焊条型号图1-3不锈钢焊条型号3.焊条的牌号焊条的牌号是根据焊条的主要用途及性能特点对焊条产品具体命名的，并由焊条厂制定。焊条牌号是用1个汉语拼音字母及汉字与3位数字表示，拼音字母或汉字表示焊条各大类，后面的3位数字中，前两位数字表示各大类中的若干小类，第三位数字表示各种焊条牌号的药皮类型及焊接电源种类，其含义见表1-4。4.焊条规格常用焊条的直径和长度规格见表1-5.第三节电焊机的型号及分类一、电焊机的组成及作用电焊机一般由大功率电源变压器（10KW以上）、电抗器、引线电缆及焊钳等组成。电源变压器的作用是将电网电压降到60-70V低压，供安全操作用。二、电焊机代表符号电焊机的代表符号见表1-6。三、型号编制举例AX-320为具有下降外特性的直流弧焊发电机，额定焊接电流为320A。ZX5-400为具有下降外特性晶闸管弧焊整流器，额定焊接电流为400A。ZX7-400为具有下降外特性逆变式弧焊整流焊机，额定焊接电流为400A。四、电焊机的分类电焊机是焊接用的主要设备，电焊机具体分类如图1-4所示。图1-4电焊机的分类第四节焊接设备的选用一、焊条电弧焊对焊机的要求（1）要求焊机能承受焊接回路短时间的持续短路，能限制短路电流值，使之不超过焊接电流的50%，防止焊接因短路过热而烧坏。（2）具有良好的动特性。短路时，电弧、电压等于零，要求恢复到工作电压的时间不超过0.05s。（3）具有足够的电流调节范围和功率。二、弧焊电源按弧焊电源输出的焊接电流波形形状将弧焊电源分为交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源三种类型。每种类型的弧焊电源，根据其结构特点不同又可分为多种形式。如图1-5所示。二、弧焊电源图1-5弧焊电源的种类三、焊条电弧焊设备1.焊条电弧焊的型号图1-6焊条电弧焊的型号的编制次序2.焊条电弧焊设备焊条电弧焊设备的选用原则见表1-8。四、埋弧焊设备1.埋弧焊机的分类埋弧焊机的分类见表1-9。2.埋弧焊机的组成完整的自动埋弧焊机一般包括弧焊电源、送丝机构、行走机构、控制箱(盒)、焊(枪)头调整机构和易损件及辅助装置等组成。3.埋弧焊机实例ZD5-1000/1250晶闸管控制自动埋弧机,其中,Z代表弧焊整,D代表多特性;5代表晶闸管式,1000代表额定电流（1000Ａ）;可焊材料：碳钢、合金钢、不锈钢;焊接厚度：适合4mm以上厚度的材料;焊接位置：平板对接、T型角焊缝、船型角焊缝、圆周焊缝.使用行业：钢结构、造船、铁路、电建、冶金、锅炉、压力容器等。五、熔化极气体保护焊设备图1-7气电立焊摆动机构六、等离于弧焊设备图1-8等离子弧焊设备组成七、激光焊接设备激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。两者优缺点比较见表1-11。八、焊接设备的选用原则（1）根据焊接结构所选用材料的厚度、所需焊机容量等选用相应的焊接设备。（2）根据焊条类型、母材材质、焊接结构选择弧焊设备。（3）选用焊接设备时，应注意观察该设备铭牌上所标注的额定焊接电流值。（4）根据综合情况选择焊接设备。第二章气焊与气割第一节气体火焰一、气焊与气割使用的气体二、气体火焰生产中所采用的可燃气体多数是采用乙炔气体，助燃气体采用氧气，乙炔与氧气混合燃烧产生的火焰称为氧-乙炔焰。1.火焰的种类及特点根据氧气与乙炔的不同混合比例所产生的火焰分为：中性焰、碳化焰和氧化焰等，3种火焰的形式如图2-1所示。图2-1气体火焰2.各种火焰的获得氧气与乙炔不同的混合比例燃烧所产生的火焰也不同，为了获得最好的焊接或切割效果，就需要根据不同工作条件调节正确气体火焰。（1）碳化焰（2）中性焰（3）氧化焰3.气体火焰异常现象与解决办法在现场工作中，气体火焰随时可能发生异常现象，这里列出常见异常现象及解决方案。（1）火焰熄灭或火焰强度不够.产生这种现象的原因可能有：乙炔管道内有水；压力调节器性能不良；回火保险性能不良。解决办法：清理乙炔皮管，排除集水；更换压力调节器；调整好回火保险器的水位。（2）回火时有爆破声。产生这种现象的原因可能有：焊嘴或气割火焰喷嘴堵塞或嘴的孔径扩大与变形；气体流量不足；混合气体未完全排除；乙炔压力过低。解决办法：清理焊嘴或气割火焰喷嘴及射吸管积碳，更换焊嘴或气割火焰喷嘴；排除皮管中的水；排除焊炬或气割炬内的空气；检查乙炔发生器。（3）氧气倒流产生这种现象的原因可能有：火焰喷嘴堵塞，焊炬损坏无射吸力。解决办法：清理焊嘴；更换或修理焊炬。（4）回火有异样声响并伴有焊炬或气割炬手把发烫产生这种现象的原因可能有：乙炔供给不足；射吸力降低；焊嘴或气割火焰喷嘴离工件太近；焊嘴或气割火焰喷嘴过热、孔道污物堵塞、扩大、变形。解决办法：检查乙炔供给系统；检查焊炬或气割炬；使焊嘴或气割火焰喷嘴与工件保持适当距离；关闭氧气、乙炔，水冷焊炬或气割炬。第二节气焊气焊是用气体火焰为热源的一种焊接方法。应用最多的是以乙炔气作燃料的氧－乙炔火焰焊接。由于设备简单，操作方便，但气焊加热速度及生产率较低，热影响区较大，且容易引起较大的变形。气焊可用于很多黑色金属、有色金属及合金的焊接。一般适用于维修及单件薄板焊接。一、气焊的设备气焊是利用气体燃烧所产生的高温火焰来进行焊接的，如图2-2所示。火焰一方面把工件接头的表层金属熔化，同时把金属焊丝熔入接头的空隙中，形成金属熔池。当焊炬向前移动，熔池金属随即凝固成为焊缝，使工件的两部分牢固地连接成为一体。1-焊丝2-焊嘴3-工件图2-2气焊（1）氧气瓶。氧气瓶是运送和存储高压氧气的容器，常用的容积为40L，工作压力为15MPa，其结构如图2-3所示。图2-3氧气瓶与溶解乙炔气瓶2.乙炔发生装置或存储器（1）乙炔发生器，如图2-4所示。图2-4乙炔发生器（2）溶解乙炔气瓶，如图2-3（b)所示。（3）减压器，如图2-5所示。（4）回火保险器。图2-5减压器（5）焊矩，如图2-6所示。图2-6氧-乙炔射吸式焊炬1.气焊工艺（1）焊丝和焊剂。气焊所用的焊丝是没有药皮的金属丝；其成分与工件基本相同，原则上要求焊缝与工件达到相等的强度。焊丝的直径是根据工件的厚度而定。焊接厚度为3mm以下的工件时，所用的焊丝直径与工件的厚度基本相同。焊接较厚的工件时，焊丝直径应小于工件厚度。焊丝直径一般不超过6mm。焊接合金钢、铸铁和有色金属时，熔池中容易产生高熔点的稳定氧化物，如Cr2O3、SiO2和Al2O3等，使焊缝中夹渣。故在焊接时，使用适当的焊剂，可与这类氧化物结成低熔点的熔渣，以利浮出熔池。二、气焊工艺常用焊剂型号及性能见表2-4。（2）气焊工艺参。气焊的接头型式和焊接空间位置等工艺问题的考虑，与焊条电弧焊基本相同，详见第二章焊条电弧焊讲解内容。气焊的焊接规范则主要是确定焊丝的直径、火焰类型及火焰能率、焊嘴的大小以及焊嘴对工件的倾斜角度、焊接速度等。不同材料气焊时K值见表2-5。焊嘴的选择见表2-6。夹角的选择见表2-7与图2-7所示。图2-7工件厚度与焊嘴倾角关系2.气焊基本操作（1）基本操作。①焊矩握法。②点火、调节火焰与灭火。③左焊法与右焊法，如图2-8所示。图2-8左焊法与右焊法（2）平焊、立焊、横焊、仰焊操作。①平焊。平焊操作图如图2-9所示。图2-9平焊②立焊。立焊操作如图2-10所示。图2-10立焊③横焊。横焊操作如图2-11所示。图2-11横焊④仰焊。仰焊操作如图2-12所示。图2-12仰焊一、气割过程利用可燃气体同氧混合燃烧所产生的火焰分离材料的热切割，又称氧气切割或火焰切割。气割时，火焰在起割点将材料预热到燃点，然后喷射氧气流，使金属材料剧烈氧化燃烧，生成的氧化物熔渣被气流吹除，形成切口，只要把割炬向前移动，就能把工件连续切开。气割设备主要是割炬和气源。割炬是产生气体火焰﹑传递和调节切割热能的工具﹐其结构影响气割速度和质量。采用快速割嘴可提高切割速度，使切口平直，表面光洁。气割过程如图2-13所示。第三节气割1-割缝2-割嘴3-氧气流4-工件5-氧气物6-预热火焰图2-13气割过程气割的条件包括：一、金属的燃点应低于其熔点；二、金属氧化物的熔点应低于金属的熔点。常用金属及其氧化物熔点，见表2-8。二、气割条件三、气割工艺1.气割割炬（1）手工气割割矩，如图2-14所示。1-割嘴2-割嘴螺母3-割嘴接头4-氧气接头螺纹5-氧气螺母6-氧气皮管接头7-乙炔接头螺纹8-乙炔螺母9-乙炔皮管接头图2-14割炬（2）机械气割工具。GCD2-100A半自动气割机如图2-15所示。数控龙门式火焰切割机如图2-16所示。图2-15GCD2-100A半自动气割机图2-16数控龙门式火馅切割机2.气割工艺参数（1）气割割嘴到工件表面的距离（L）（2）预热时间（3）气割时氧气的压力（4）气割速度（5）割嘴与被割件的倾角。一、气焊与气割的安全分析气焊与气割所应用的乙炔、液化石油气、氢气和氧气等都是易燃易爆气体；氧气瓶、溶解乙炔气瓶、液化石油气瓶和乙炔发生器都属于压力容器。在焊接燃料容器和管道时，还会遇到其他许多易燃易爆气体和压力容器接触，同时又使用明火，如果焊接设备的安全装置有缺陷，或者违反安全操作规程，都可能造成爆炸和火灾。在气焊与气割火焰的作用下，尤其是气割时氧气射流的喷射，使火星、熔滴和溶渣四处飞溅，容易造成人员灼烫；较大的火星，熔滴和熔渣能飞到距操作点5米以外的地方，若引燃易燃易爆物品，可造成火灾和爆炸。高处作业时，还存在高处坠落以及落下的火星引燃地面的可燃物品。第四节气焊与气割作业安全技术二、气焊与气割作业安全规定（1）焊接工、切割工必须参加消防培训，经考试取得合格证后，方能上岗作业。（2）在氧气瓶嘴上安装减压器之前，应进行短时间吹除，以防瓶嘴堵塞。（3）乙炔发生器内、氧气瓶嘴部和开氧气瓶的扳手上均不得沾有油脂。（4）乙炔发生器（溶解乙炔气瓶）和氧气瓶均应距明火10米以上。（5）乙炔发生器与焊炬之间均应有可靠的回火防止器。（6）乙炔发生器和氧气瓶均应放置在空气流通的地方，不得在烈日下曝晒，不得靠近火源与其它热源。（7）开启电石桶时，不得猛力敲打，以防止发生火花而引起爆炸。（8）使用焊割炬前，必须检查喷射情况是否正确。（9）在通风不良的地点或在容器内作业时，焊割炬应先在外面点好火。（10）点火时应开乙炔少许，点燃后迅速调节氧气和乙炔气，按工作需要选取火焰。11操作完毕后，停止使用焊炬与割炬时，应先关乙炔阀，后关氧气阀，以防止火焰倒吸或焊、割炬内产生烟灰。（11）对可燃气体的容器、管道进行焊、割时，可将惰性气体（如氮气、二氧化碳）、蒸汽