金属焊接及切割技术

AmericanWeldingSociety&MoodyInternational1of36Module3第三章金属连接及切割工艺目录介绍………………………………………………………………………………………………2焊接工艺…………………………………………………………………………………………3钎焊工艺…………………………………………………………………………………………28切割工艺…………………………………………………………………………………………30小结………………………………………………………………………………………………35术语和定义………………………………………………………………………………………35AmericanWeldingSociety&MoodyInternational2of36Module3第三章金属连接及切割工艺介绍作为焊接检验师，首先关心的是焊接，但掌握各种连接及切割工艺也是非常有帮助的。虽然焊接检验师不必是有资格的焊工，但以往的焊接经验是很有用的。事实上，很多焊接检验师是从焊工中选取的，而且他们往往能成为最好的检验师。一个好的焊接检验师，必须掌握各种连接及切割工艺方面的知识，以便有效的进行工作。首先，检验师必须认识到每种工艺的长处或短处，也应该知道特定的工艺可能会产生哪些不连续。虽然许多缺陷的产生是与实施的工艺无关的，但有些缺陷的产生是与特定的工艺有关，这里将对每种工艺可能产生的缺陷进行探讨并将其定为“可能出现的问题”。焊接检验师也必须具备与各种工艺相关的焊接设备方面的知识，因为缺陷的产生经常是由设备原因引起的。检验师必须在一定程度上掌握各种设备的控制方法以及设备调整与焊接质量之间的关系。当焊接检验师具备某些工艺方面的基础知识后，他或她便可以准备进行目视焊接检验，这将有助于及时发现问题而不是事后采取花费很大的纠正措施。检验师具备在过程中发现问题的能力无论对生产还是产品质量的控制都是有益的。具备焊接工艺方面的知识的另一个好处是，焊工尊重检验师以及所做的结论；另外，焊工也更倾向于将在实际焊接过程中遇到的问题交由检验师处理，这将有助于检验师与焊工和其他制造人员的合作。本章所讨论的内容分为三个部分：焊接、钎焊和切割。焊接和钎焊用于金属间的连接，而切割则是为了将材料去除或将其分离。对每一种连接和切割方法，这里将描述其主要特性，包括：每种工艺的长处、短处、设备要求、焊条/填充金属、技术、应用范围以及可能出现的问题。在金属产品的制造中有很多种连接和切割方法，图3。1描述了由美国焊接学会给出的焊接和及其相关工艺总图，此图将连接和切割方法进行分类，命名为焊接工艺及相关工艺。其中焊接工艺分为七组，分别为电弧焊、固相焊、电阻焊、气焊、软钎焊、硬钎焊以及其他焊接。相关工艺包括热喷涂、粘接以及热切割（包括氧气、电弧及其它）。本课程不可能对这么多工艺一一描述，因此，本课程仅选取与美国焊接学会认可焊接检验师考试相关的工艺进行讨论，详列如下：焊接工艺钎焊工艺切割工艺手工电弧焊火焰钎焊气割气体保护电弧焊炉中钎焊碳弧切割药芯焊丝电弧焊感应钎焊等离子切割钨极气体保护电弧焊电阻钎焊机械切割埋弧焊浸沉钎焊等离子焊红外线加热钎焊电渣焊氧乙炔焊AmericanWeldingSociety&MoodyInternational3of36Module3螺柱焊激光束焊电子束焊电阻焊焊接工艺在讨论各种焊接工艺之前，有必要先搞清楚焊接的具体含义。根据美国焊接学会的定义，焊接是“通过将材料加热到焊接温度、加压或不加压，或仅通过加压，使用或不使用填充材料而将金属或非金属在局部接合的过程”，接合即“连接在一起”，因此焊接是指实现连接的操作活动。本节将对加热但不加压的常用焊接工艺的基本特性作一介绍。对各种焊接工艺而言，需强调的是它们具有某些共性。为了获得满意的焊缝，焊接工艺中的一些特AmericanWeldingSociety&MoodyInternational4of36Module3定要求必须予以满足，包括加热所需的能量、保护熔融金属免受大气影响的方法以及填充金属（可根据工艺和接头形式选择）。之所以一种工艺不同于其他工艺，就是因为他们各自用不同的方式以满足上述的共性，这也是不同焊接工艺形成的原因。因此，对每种焊接工艺而言，就必须掌握其如何满足这些特定要求。手工电弧焊（SMAW）这里首先要讨论的是手工电弧焊，也就是我们通常所说的“手把焊”，它是通过带药皮的焊条和被焊金属间的电弧将被焊金属加热，从而达到焊接的目的。图3.2给出了手工电弧焊的各种影响因素及成型的情况。从图中可以看出，焊条和工件的电弧是由电流引起的，它提供热能并将母材、填充金属以及药皮融化，随着电弧向右移动，焊接金属得以凝固并在表面形成一层焊渣，焊渣是在金属的凝固过程中浮上来的，因此，焊接缺陷夹渣，即使很少，也有可能出现。图3.2也说明了焊接保护气体是由焊条药皮在加热后分解形成的，这些气体帮助焊剂为电弧周围的熔融金属提供保护。手工电弧焊中最主要的要素是焊条本身，它是由金属芯外覆一层粒状焊剂和某种粘接剂制作而成的。所有的碳钢和低合金钢焊条基本上都用低碳钢丝做芯，而合金元素则来自于药皮，这也是较为经济的一种合金化方法。焊条药皮的不同导致了不同焊条种类，焊条药皮有以下五种作用：（1）保护——药皮分解后产生的气体为熔融金属提供保护。（2）脱氧——药皮为焊剂去除氧气和其他气体。（3）合金化——药皮为焊缝提供合金化元素。（4）电离——药皮改善电特性以增强电弧稳定性。（5）保温——凝固的焊渣在焊缝金属上的覆盖降低了焊缝金属的冷却速度（次要影响）。由于焊条在手工电弧焊中的影响很大，就有必要了解其分类和品种。美国焊接学会给出了手工电弧焊焊条的标识方法，见图3.3。美国焊接学会技术条件A5.1和A5.5分别介绍了对碳钢和低合金钢焊条的有关要求，并描述了它们的分类和特性。焊条标识中用字母E和另外四到五个数字组成，字母E代表焊条。前二个数字代表熔敷金属的最小抗拉强度，单位为千磅每平方英寸，“70”就表示熔覆金属的最小抗拉强度为70，000磅每平方英寸（PSI）。AmericanWeldingSociety&MoodyInternational5of36Module3接下来的数字代表焊条的可焊位置。数字“1”表示焊条可用于任何焊接位置，数字“2”表示熔融金属流动性非常好，只能用于平焊或角焊缝的横焊，数字“4”表示焊条可用于立向下焊，数字“3”不再使用。最后一个数字表示焊条药皮的组成和性能，药皮决定了可焊性和推荐的电流类别，AC（交流），DCEP（直流反接）或DCEN（直流正接）。图3.4列出了手工电弧焊的焊条标识方法。F-No分类电流电弧熔深药皮与焊渣铁粉F-3EXX10直流反接深深纤维素钠0-10%F-3EXXX1交流与直流反接深深纤维素钾0%F-2EXXX2交流与直流正接中等中钛钠型0-10%F-2EXXX3交流与直流轻轻钛钾型0-10%F-2EXXX4交流与直流轻轻钛型铁粉24-40%F-4EXXX5直流反接中中低氢钠0%F-4EXXX6交流或直流反接中中低氢钾0%F-4EXXX8交流或直流反接中中低氢铁粉25-45%F-1EXX20交流或直流中中氧化铁钠0%F-1EXX24交流或直流轻轻钛型铁粉50%F-1EXX27交流或直流中中氧化铁铁粉50%F-1EXX28交流或直流反接中中低氢铁粉50%图3.4–手工电弧焊焊条后缀数字的含义必须强调的是，焊条最后一个数字为“5”、“6”和“8”的，表示其为“低氢焊条”。为了保持其低氢含量以免受潮，这些焊条必须按原包装密封保存，或贮存在适宜的烘箱内，这些烘箱应采用电加热并将温度控制在150F至350F的范围内，烘箱必须保持低的潮湿度（小于0.2%），因此需要有合适的通风能力。任何低氢焊条如果不用或刚拆封应立即放入烘箱，大多数规范均要求低氢焊条在拆封后放入温度不低于250F（120C）的烘箱中。但是，这里也必须指明的是，除以上说明外，其它焊条放入烘箱可能是有害的。有些焊条是要有一定的潮湿度的，如果潮湿度下降，焊条的可焊性将急剧下降。低合金钢焊接的焊条，是在标准的焊条标识后，再加上用字母和数字组成的后缀，图3.5给出了一些重要的组合。AmericanWeldingSociety&MoodyInternational6of36Module3手工电弧焊的设备相对简单，见图3.6。可以看出，一条导线连接待焊工件，另一条导线连接至焊工夹持焊条的焊把，焊条和母材通过焊条和工件靠近后产生的电弧加热后而熔化。手工电弧焊的电源就是通常所说的恒流电源，它具有“下降”的特性，这个术语可通过观察电源的电压——电流曲线图来加以理解。当焊工增加弧长时，将会增加焊接回路的电阻，从而导致电流的轻微下降（10%），见图3.7（A），电流的下降促使电压急剧地上升（32%），电压的上升又反过来限制了电流的进一步下降。由于热量是电压、电流以及时间的函数，可以看出长的电弧((32Vx135Ax60)/10IPM=25,920J/in.)将比短的电弧((22Vx150Ax60)/IPM=19,800J/in.)产生更多的热量。从工艺控制的角度看，这点很重要，因为焊工可通过改变电弧长度来增减焊缝熔池的流动性。但是，太大的电弧长度将使电弧的集中度降低，从而导致熔池热量的损失，使电弧稳定性降低，也会损失熔池的保护气体。如果电源装备有特性控制，通过调整焊接电源，焊工就可通过轻微改变电弧长度从而达到控制焊接熔池流动性的目的。图3.7(B)给出了两个不同下降特性的设定，有经验的焊工将选择缓降特性设定以便更好的控制，而没有经验的焊工会选择陡降特性设定以减少由于电弧长度不稳造成的焊接熔池的变化。除特殊合金材料外，手工电弧焊在大多数工业中大量使用。但它也是一种相对陈旧的焊接方法，有些新的焊接工艺在某些方面的应用上已经取代了它，即便这样，手工电弧焊仍然在焊接工业中广泛应用。有以下几个原因说明了它应用的广泛性。第一，设备简单而便宜，这就使得手工电弧焊很轻便。事实上，有很多种由汽油或柴油驱动的电焊机，用来完成在没有电的边远地区的焊接任务。还有，有些新的固态电源小而且轻巧，焊工很容易携带它们去工作。另外，由于各种各样的焊条易于获取，这种焊接工艺被认为是万能的。最后，随着设备和焊条的不断改进，这种焊接方法始终能保持很高的焊接质量。手工电弧焊的其中一个局限性是焊接速度，它受到焊工周期性停止焊接，来更换长度为9到18英寸焊条的限制。手工电弧焊在许多应用场合已被其它半自动、机械化和自动化的焊接工艺所取代，原因就是这些工艺与手工电弧焊相比，有着更高的生产效率。手工电弧焊的另一个缺点也是影响生产率的，即焊后焊渣的清理。而且，当使用低氢焊条时，还需AmericanWeldingSociety&MoodyInternational7of36Module3要有适当的贮存设施如烘箱以保持其较低的潮湿度。有关手工电弧焊的基本原理先介绍到此，接下来讨论手工电弧焊可能产生的缺陷，这些缺陷不仅是我们可预料的，也可能来自于工艺使用不当。一种缺陷是焊缝中的气孔，是由于焊缝周围的潮湿和污染引起的，它可能来自于焊条药皮、材料表面或周围的大气，气孔也可能是由于焊工使用过长的电弧引起的，这点对低氢焊条尤其突出，因此，短弧将有助于减少气孔的出现。气孔也可能是由所说的“电弧偏吹”现象造成的，它存在于所有的电弧焊当中，这是一种常见问题且常常使手工焊焊工很苦恼。（1）要理解电弧偏吹,首先要知道当电流通过导体时，周围将产生磁场，磁场方向垂直于电流方向，可以看作是围绕着导体周围的一组同心圆组成的，（2）减小焊接电流（3）向电弧偏吹的相反方向倾斜焊条（4）在接头两端用大的定位焊，在接头内用断续的定位焊（5）向着大的定位焊或完工焊缝的方向焊接（6）用分段退焊法（7）远离接地以减小电弧后吹，朝向接地以减小电弧前吹（8）将电缆连接至焊缝两端（9）将电缆缠绕在工件周围，其电流方向应能产生抵销电弧偏吹的磁场（10）在接头末端加熄弧板除会产生气孔外，电弧偏吹还会导致飞溅、