焊接的介紹

  焊接:通常是指金屬的焊接。是通過加熱或加壓,或兩者同時并用,使兩個分離的物體產生原子間結合力而連接成一體的成形方法。

  分類:根據焊接過程中加熱程度和工藝特點的不同,焊接方法可以分為三大類。

  (1)熔焊 。將工件焊接處局部加熱到熔化狀態,形成熔池(通常還加入填充金屬),冷卻結晶后形成焊縫,被焊工件結合為不可分離的整體。常見的熔焊方法有氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。

  (2)壓焊。在焊接過程中無論加熱與否,均需要加壓的焊接方法。常見的壓焊有電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、擴散焊、爆炸焊等。

  (3)釬焊 。采用熔點低于被焊金屬的釬料(填充金屬)熔化之后,填充接頭間隙,并與被焊金屬相互擴散實現連接。釬焊過程中被焊工件不熔化,且一般沒有塑性變形。

  焊接生產的特點:

  (1)節省金屬材料,結構重量輕。

  (2)以小拼大、化大為小,制造重型、復雜的機器零部件,簡化鑄造、鍛造及切削加工工藝,獲得最佳技術經濟效果。

  (3)焊接接頭具有良好的力學性能和密封性。

  (4)能夠制造雙金屬結構,使材料的性能得到充分利用。

  應用:焊接技術在機器制造、造船工業、建筑工程、電力設備生產、航空及航天工業等應用十分廣泛。

  不足:焊接技術也還存在一些不足之處,如焊接結構不可拆卸,給維修帶來不便;焊接結構中會存在焊接應力和變形;焊接接頭的組織性能往往不均勻,并會產生焊接缺陷等。


各種焊接技術介紹

一 電弧焊


電弧:一種強烈而持久的氣體放電現象,正負電極間具有一定的電壓,而且兩電極間的氣體介質應處在電離狀態。引燃焊接電弧時,通常是將兩電極(一極為工件,另一極為填充金屬絲或焊條)接通電源,短暫接觸并迅速分離,兩極相互接觸時發生短路,形成電弧。這種方式稱為接觸引弧。電弧形成后,只要電源保持兩極之間一定的電位差,即可維持電弧的燃燒。

  電弧特點:電壓低、電流大、溫度高、能量密度大、移動性好等,一般20~30V的電壓即可維持電弧的穩定燃燒,而電弧中的電流可以從幾十安培到幾千安培以滿足不同工件的焊接要求,電弧的溫度可達5000K以上,可以熔化各種金屬。

 

  電弧組成:陰極區、陽極區、弧柱區三部分,

  弧焊電源:焊接電弧所使用的電源稱為弧焊電源,通常可分為四大類:交流弧焊電源、直流弧焊電源、脈沖弧焊電源和逆變弧焊電源。

  直流正接:采用直流焊機當工件接陽極,焊條接陰極時,稱為直流正接,此時工件受熱較大,適合焊接厚大工件;

  直流反接:當工件接陰極,焊條接陽極時,稱為直流反接,此時工件受熱較小,適合焊接薄小工件。采用交流焊機焊接時,因兩極極性不斷交替變化,故不存在正接或反接問題。

  焊接冶金過程

  在電弧焊過程中,液態金屬、熔渣和氣體三者相互作用,是金屬再冶煉的過程。但由于焊接條件的特殊性,焊接化學冶金過程又有著與一般冶煉過程不同的特點。

  首先,焊接冶金溫度高,相界大,反應速度快,當電弧中有空氣侵入時,液態金屬會發生強烈的氧化、氮化反應,還有大量金屬蒸發,而空氣中的水分以及工件和焊接材料中的油、銹、水在電弧高溫下分解出的氫原子可溶入液態金屬中,導致接頭塑性和韌度降低(氫脆),以至產生裂紋。

  其次,焊接熔池小,冷卻快,使各種冶金反應難以達到平衡狀態,焊縫中化學成分不均勻,且熔池中氣體、氧化物等來不及浮出,容易形成氣孔、夾渣等缺陷,甚至產生裂紋。

  為了保證焊縫的質量,在電弧焊過程中通常會采取以下措施:

  (1)在焊接過程中,對熔化金屬進行機械保護,使之與空氣隔開。保護方式有三種:氣體保護、熔渣保護和氣-渣聯合保護。

  (2)對焊接熔池進行冶金處理,主要通過在焊接材料(焊條藥皮、焊絲、焊劑)中加入一定量的脫氧劑(主要是錳鐵和硅鐵)和一定量的合金元素,在焊接過程中排除熔池中的FeO,同時補償合金元素的燒損。

  常用電弧焊方法:

1手弧焊

 

  手弧焊是各種電弧焊方法中發展最早、目前仍然應用最廣的一種焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊條作電極和填充金屬,電弧是在焊條的端部和被焊工件表面之間燃燒。涂料在電弧熱作用下一方面可以產生氣體以保護電弧,另一方面可以產生熔渣覆蓋在熔池表面,防止熔化金屬與周圍氣體的相互作用。熔渣的更重要作用是與熔化金屬產生物理化學反應或添加合金元素,改善焊縫金屬能。 手弧焊設備簡單、輕便,操作靈活。可以應用于維修及裝配中的短縫的焊接,特別是可以用于難以達到的部位的焊接。手弧焊配用相應的焊條可適用于大多數工業用碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁、鎳及其合金。


2埋弧焊 Submerged Metal Arc Welding (SMAW)

 

  埋弧焊是以顆粒狀焊劑為保護介質,電弧掩藏在焊劑層下的一種熔化極電 焊接方法。埋弧焊的施焊過程由三個環節組成:1在焊件待焊接縫處均勻堆敷足夠的顆粒狀焊劑;2 導電嘴和焊件分別接通焊接電源兩級以產生焊接電弧;3 自動送進焊絲并移動電弧實施焊接。

  埋弧焊的主要特點如下:

  1、電弧性能獨特(1)焊縫質量高熔渣隔絕空氣保護效果好,電弧區主要成分為CO2,焊縫金屬中含氮量、含氧量大大降低,焊接參數自動調節,電弧行走機械化,熔池存在時間長,冶金反應充分 ,抗風能力強,所以焊縫成分穩定,力學性能好;(2)勞動條件好 熔渣隔離弧光有利于焊接操作;機械化行走,勞動強度較低。

  2、弧柱電場強度較高 比之熔化極氣體保護焊有如下特點:(1)設備調節性能好,由于電場強度較高,自動調節系統的靈敏度較高,使焊接過程的穩定性提高;(2)焊接電流下限較高。

  3、生產效率高由于焊絲導電長度縮短,電流和電流密度顯著提高,使電弧的熔透能力和焊絲的熔敷速率大大提高;又由于焊劑和熔渣的隔熱作用,總的熱效率大大增加,使焊接速度大大提高。

  冶金反應:焊劑參與冶金反應,Si 、Mn被還原,C部分燒毀,限制雜質S、P去H,防止產生氫氣孔。

  熔滴過渡:渣壁過渡

  電源:直流電源用于小電流情況,等速送絲,自身電弧調節;大電流一般用交流電源,變速送絲(SAW焊絲一般較粗),弧壓反饋電弧調節 焊接材料:焊絲和焊劑。焊絲和焊劑的選配必須保證獲得高質量的焊接接頭,同時又要盡可能減低成本,還要注意適用的電流種類和極性。

  適用范圍:由于埋弧焊熔深大、生產率高、機械操作的程度高,因而適于焊接中厚板結構的長焊縫。在造船、鍋爐與壓力容器、橋梁、超重機械、核電站結構、海洋結構、武器等制造部門有著廣泛的應用,是當今焊接生產中最普遍使用的焊接方法之一。 埋弧焊除了用于金屬結構中構件的連接外,還可在基體金屬表面堆焊耐磨或耐腐蝕的合金層。 隨著焊接冶金技術與焊接材料生產技術的發展,埋弧焊能焊的材料已從碳素結構鋼發展到低合金結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼等以及某些有色金屬,如鎳基合金、鈦合金、銅合金等。由于自己的特點,其應用也有一定的局限性,主要為:(1)焊接位置的限制,由于焊劑保持的原因,如不采用特殊措施,埋弧焊主要用于水平俯位置焊縫焊接,而不能用于橫、立、仰焊;(2)焊接材料的局限,不能焊接鋁、鈦等氧化性強的金屬及其合金,主要用于焊接黑色金屬;(3)只適合于長焊縫焊接切,且不能焊接空間位置有限的焊縫;(4)不能直接觀察電弧;(5)不適用于薄板、小電流焊。

  3 鎢極氣體保護電弧焊

  這是一種不熔化極氣體保護電弧焊,是利用鎢極和工件之間的電弧使金屬熔化而形成焊縫的。焊接過程中鎢極不熔化,只起電極的作用。同時由焊炬的噴嘴送進氬氣或氦氣作保護。還可根據需要另外添加金屬。在國際上通稱為TIG焊。 鎢極氣體保護電弧焊由于能很好地控制熱輸入,所以它是連接薄板金屬和打底焊的一種極好方法。這種方法幾乎可以用于所有金屬的連接,尤其適用于焊接鋁、鎂這些能形成難熔氧化物的金屬以及象鈦和鋯這些活潑金屬。這種焊接方法的焊縫質量高,但與其它電弧焊相比,其焊接速度較慢。 

  4熔化極氣體保護電弧焊(GMAG)


(GMAG)屬于用電弧作為熱源的熔化焊方法,其電弧建立在連續送進的焊絲與熔池之間熔化的焊絲金屬與母材金屬混合而成的熔池在電弧熱源移走后結晶形成焊縫并把分離的母材通過冶金方式連接起來。

  CO2焊接的特點:(1)在焊接電弧高溫作用下CO2會分解成CO、O2和O,對電弧具有叫強烈的壓縮作用,從而導致該焊接方法的電弧形態具有弧柱直徑較小,弧跟面積小且往往難于覆蓋焊絲端部全部熔滴的特點,因此熔滴受到的過渡阻力(斑點力)較大而使熔滴粗化,過渡路徑軸向性變差,飛濺率大;(2)對焊接區保護良好,CO2的密度是常用保護氣體中最大的,加上CO2氣體受熱分解后,體積增大,因此保護較好;(3)能量相對集中,熔透能力較大;(4)生產成本低,節約電能。(5)工藝和技術上還具有焊接區可見度好,便于觀察、操作;焊接熱影響區和焊接變形較小;熔池體積較小結晶速度較快,全位置焊接性能良好;對銹污敏感度低的優點。


冶金特性:(1)、合金元素的氧化CO2焊時,在電弧高溫作用下,CO2會分解成CO、O2和O,在焊接條件下,CO不溶于金屬,也不參與反應,而CO2和O都有強烈的氧化性,使Fe及其它合金元素氧化。(2)、脫氧及焊縫金屬的合金化?通常在焊絲中加入一定量的脫氧劑進行脫氧,此外,剩余的脫氧劑作為合金元素留在焊縫中,以彌補氧化燒損損失并保證焊縫的化學成分要求。

  熔滴過渡:(1)、短路過渡(短弧、細絲、小電流)適用于薄板全位置焊接;(2)、細顆粒過渡,粗絲、長弧、大電流焊接;(3)、潛弧射滴過渡(很少用)。

  電源:平特性電源(單旋鈕調節)、直流反接、等速送絲焊接材料:CO2氣體和焊絲

  適用范圍:目前CO2氣體保護焊廣泛應用于機車制造、船舶制造、汽車制造、采煤機械制造等領域。適用于焊接低碳鋼、低合金鋼、低合金高強鋼,但是不適合于焊接有色金屬、不銹鋼。盡管有資料顯示CO2氣體保護焊可以用于不銹鋼的焊接,但不是焊接不銹鋼的首選。

  5等離子弧焊

 

  助水冷噴嘴等措施,可以使電弧的弧柱區橫截面積減小,電弧的溫度、能量密度、等離子的流速都顯著提高,這種用外部拘束使弧柱受到壓縮的電弧稱為等離子弧。

  等離子弧是電弧的一種特殊形式,是一種具有高能量密度的電弧,仍然是氣體導電現象。等離子弧焊接是利用等離子弧的熱量加熱&熔化工件和母材實現焊接的方法。

  分類:穿孔型等離子弧焊和微束等離子弧焊。

  穿孔型等離子弧:焊接電流在100~300A,接頭無需開坡口,不要留間隙。焊接時,等離子弧可以將焊件完全熔透并形成一個小通孔,熔化金屬被排擠在小孔的周圍,電弧移動,小孔隨之移動,并在后方形成焊縫,從而實現單面焊雙面一次成形。這種方法可以焊接的板厚上限為:碳鋼7mm,不銹鋼10mm。

 

  微束等離子弧:焊接電流為0.1~30A,焊接厚度為0.025~2.5mm。此外,還有適用于銅及銅合金焊接的熔入型等離子弧焊,可用于厚板深熔焊或薄板高速焊以及堆焊的熔化極等離子弧焊,可解決鋁合金等離子弧焊的交流(變極性)等離子弧焊等工藝方法。等離子弧焊的主要工藝參數有焊接電流、焊接速度、保護氣流量、離子氣流量、焊槍噴嘴結構與孔徑等。


等離子弧切割:利用等離子弧的高溫高速弧流使切口的金屬局部熔化以致蒸發,并借助高速氣流或水流將熔化的材料吹離基體形成切口的切割方法。

  特點:

  (1)等離子弧能量密度大,弧柱溫度高,穿透能力強,10~12mm厚度鋼材可不開坡口,能一次焊透雙面成形,焊接速度快,生產率高,應力變形小。

  (2)焊縫截面成酒杯狀,無指狀熔深問題。

  (3)電弧挺直性好,受弧長波動的影響,熔池的波動小。

  (4)電弧穩定0.1A,仍具有較平的靜特性,配用恒流源,可很好的進行薄板的焊接(0.1mm)。

  (5)鎢極內縮,防止焊縫夾鎢

  (6)采用小孔焊接技術,實現單面焊雙面成形。

  (7)設備比較復雜,氣體耗量大,只宜于室內焊接。焊槍的可達性比TIG差。

  (8)電弧直徑小,需要焊槍軸線與焊縫中線更準確地對中。

  冶金反應:單一,只有蒸發

  電源:陡降電源、直流正接;焊接鋁鎂時用交流、陡降電源、需引弧、穩弧措施。焊接材料:保護氣體、鎢極

  適用范圍:廣泛用于工業生產,特別是航空航天等軍工和尖端工業技術所用的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鉬等金屬的焊接,如鈦合金的導彈殼體,飛機上的一些薄壁容器等。


6 管狀焊絲電弧焊

  管狀焊絲電弧焊也是利用連續送進的焊絲與工件之間燃燒的電弧為熱源來進行焊接的,可以認為是熔化極氣體保護焊的一種類型。所使用的焊絲是管狀焊絲,管內裝有各種組分的焊劑。焊接時,外加保護氣體,主要是CO2。焊劑受熱分解或熔化,起著造渣保護溶池、滲合金及穩弧等作用。 管狀焊絲電弧焊除具有上述熔化極氣體保護電弧焊的優點外,由于管內焊劑的作用,使之在冶金上更具優點。管狀焊絲電弧焊可以應用于大多數黑色金屬各種接頭的焊接。管狀焊絲電弧焊在一些工業先進國家已得到廣泛應用。 “管狀焊絲”即現在所說的“藥芯焊絲”


二 熔焊

  1氣焊


氣焊:利用可燃氣體在氧氣中燃燒時所產生的熱量,將母材焊接處熔化而實現連接的一種熔焊方法。氣焊是用氣體火焰為熱源的一種焊接方法。應用最多的是以乙炔氣作燃料的氧-乙炔火焰。由于設備簡單操作方便,但氣焊加熱速度及生產率較低,熱影響區較大,且容易引起較大的變形。 氣焊可用于很多黑色金屬、有色金屬及合金的焊接。

 

  可燃氣:乙炔、液化石油氣等。以乙炔為例,其在氧氣中燃燒時的火焰溫度可達3200℃。氧乙炔火焰有三種:

  ①中性焰:氧氣與乙炔體積混合比為1~1.2,乙炔充分燃燒,適合焊接碳鋼和非鐵合金。

  ②碳性焰:氧氣和乙炔體積混合比小于1,乙炔過剩,適用于焊接高碳鋼、鑄鐵和高速鋼。

  ③氧化焰:氧氣與乙炔體積混合比大于1.2,氧氣過剩,適用于黃銅和青銅的釬焊。

  氣焊火焰溫度低,加熱速度慢,加熱區域寬,焊接熱影響區寬,焊接變形大,且焊接過程中,熔化金屬受到的保護差,焊接質量不易保證,因而其應用已很少。但氣焊又具有無需電源、設備簡單、費用低、移動方便、通用性強等特點,因而在無電源場合和野外工作時有實用價值。目前,主要用于薄鋼板(厚度0.5~3mm)、銅及銅合金的焊接和鑄鐵的補焊。

  2氣壓焊
氣壓焊和氣焊一樣,氣壓焊也是以氣體火焰為熱源。焊接時將兩對接的工件的端部加熱到一定溫度,后再施加足夠的壓力以獲得牢固的接頭。是一種固相焊接。 氣壓焊時不加填充金屬,常用于鐵軌焊接和鋼筋焊接。


3電渣焊

  電渣焊是以熔渣的電阻熱為能源的焊接方法。焊接過程是在立焊位置、在由兩工件端面與兩側水冷銅滑塊形成的裝配間隙內進行。焊接時利用電流通過熔渣產生的電阻熱將工件端部熔化。 根據焊接時所用的電極形狀,電渣焊分為絲極電渣焊、板極電渣焊和熔嘴電渣焊。

  電渣焊的特點 :在電渣焊的焊接過程中,除開始階段有一電弧過程外,其余均為穩定的電渣過程,與埋弧焊有本質區別。

  電渣焊的優點是:可焊的工件厚度大(從30mm到大于1000mm),生產率高。主要用于在斷面對接接頭及丁字接頭的焊接。 電渣焊可用于各種鋼結構的焊接,也可用于鑄件的組焊。電渣焊接頭由于加熱及冷卻均較慢,熱影響區寬、顯微組織粗大、韌、因此焊接以后一般須進行正火處理。

  電渣焊的局限性:

  (1)由于焊接熔池大,加熱和冷卻緩慢,在焊縫及熱影響區容易過熱形成粗大組織,因此電渣焊通常焊后用正火處理消除接頭中的粗晶。

  (2)電渣焊總是以立焊方式進行,不能平焊,電渣焊不適于厚度在30mm以下的工件,焊縫也不宜過長。

  電渣焊的分類及應用

  電渣焊的分類:絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊和管極電渣焊等。

  絲極電渣焊是最常用的電渣焊方法,它采用焊絲作電極,根據焊件厚度的不同,可采用一根或多根焊絲,單絲焊能夠焊接的焊件厚度為40~60mm,當焊件厚度大于60mm時,焊絲要作橫向擺動;三絲擺動可以焊接450mm厚的焊件。絲極電渣焊主要用于焊接厚度為40~450mm的焊件及較長焊縫的焊件,也可用于大型焊件的環焊縫。

  應用:主要用于重型機械制造業中,制造鍛-焊結構件和鑄-焊結構件,如重型機床的機座、高壓鍋爐等,焊件厚度一般為40~450mm,材料為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等。


4電子束焊

  電子束焊是以集中的高速電子束轟擊工件表面時所產生的熱能進行焊接的方法。 電子束焊接時,由電子槍產生電子束并加速。常用的電子束焊有:高真空電子束焊、低真空電子束焊和非真空電子束焊。前兩種方法都是在真空室內進行。焊接準備時間 (主要是抽真空時間)較長,工件尺寸受真空室大小限制。 電子束焊與電弧焊相比,主要的特點是焊縫熔深大、熔寬小、焊縫金屬純度高。它既可以用在很薄材料的精密焊接,又可以用在很厚的(最厚達300mm)構件焊接。所有用其它焊接方法能進行熔化焊的金屬及合金都可以用電子束焊接。主要用于要求高質量的產品的焊接。還能解決異種金屬、易氧化金屬及難熔金屬的焊接。但不適于大批量產品。

  電子束焊機:核心是電子槍,它是完成電子的產生、電子束的形成和會聚的裝置,主要由燈絲、陰極、陽極、聚焦線圈等組成。燈絲通電升溫并加熱陰極,當陰極達到2400K左右時即發射電子,在陰極和陽極之間的高壓電場作用下,電子被加速(約為1/2光速),穿過陽極孔射出,然后經聚焦線圈,會聚成直徑為0.8~3.2mm的電子束射向焊件,并在焊件表面將動能轉化為熱能,使焊件連接處迅速熔化,經冷卻結晶后形成焊縫。

  根據焊接工作室(焊件放置處)的真空度不同,電子束焊的分類:

  (1)高真空電子束焊 。工作室與電子槍同在一室,真空度為10-2~10-1Pa,適用于難熔、活性、高純金屬及小零件的精密焊接。

  (2)低真空電子束焊 。工作室與電子槍被分為兩個真空室,工作室的真空度為10-1~15Pa,適用于較大型的結構件,和對氧、氮不太敏感的難熔金屬。

  (3)非真空電子束焊 。需另加惰性氣體保護罩或噴嘴,焊件與電子束流出口的距離應控制在10mm左右,以減少電子束與氣體分子碰撞造成的散射。非真空電子束焊適用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、難熔金屬及銅、鋁合金等的焊接,焊件尺寸不受限制。

  真空電子束焊的優點:

  (1)電子束能量密度大,最高可達5×108W/cm2,約為普通電弧的5000~10000倍,熱量集中,熱效率高,熱影響區小,焊縫窄而深,焊接變形極小。

  (2)在真空環境下焊接,金屬不與氣相作用,接頭強度高。

  (3)電子束焦點半徑可調節范圍大,控制靈活,適應性強,可焊接0.05mm的薄件,也可焊接200~700mm的厚板。

  應用:特別適合焊接一些難熔金屬、活性或高純度金屬以及熱敏感性強的金屬。但設備復雜,成本高,焊件尺寸受真空室限制,裝配精度要求高,且易激發X射線,焊接輔助時間長,生產率低,這些弱點都限制了電子束焊的廣泛應用。


5激光焊

  激光焊是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進行的焊接。這種焊接方法通常有連續功率激光焊和脈沖功率激光焊。 激光焊優點是不需要在真空中進行,缺點則是穿透力不如電子束焊強。激光焊時能進行精確的能量控制,因而可以實現精密微型器件的焊接。它能應用于很多金屬,特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。

  激光的產生:物質受激勵后,產生的波長、頻率、方向完全相同的光束。

  激光的特點:具有單色性好、方向性好、能量密度高的特點,激光經透射或反射鏡聚焦后,可獲得直徑小于0.01mm、功率密度高達1013W/cm2的能束,可以作為焊接、切割、鉆孔及表面處理的熱源。產生激光的物質有固體、半導體、液體、氣體等,其中用于焊接、切割等工業加工的主要是釔鋁石榴石(YAG)固體激光和CO2氣體激光。

  激光焊的主要優點是:

  (1)激光可通過光導纖維、棱鏡等光學方法彎曲傳輸,適用于微型零部件及其它焊接方法難以達到的部位的焊接,還能通過透明材料進行焊接。

  (2)能量密度高,可實現高速焊接,熱影響區和焊接變形都很小,特別適用于熱敏感材料的焊接。

  (3)激光不受電磁場的影響,不產生X射線,無需真空保護,可以用于大型結構的焊接。

  (4)可直接焊接絕緣導體,而不必預先剝掉絕緣層;也能焊接物理性能差別較大的異種材料。

  激光焊的主要缺點是:設備昂貴,能量轉化率低(5%~20%),對焊件接口加工、組裝、定位要求均很高,目前主要用于電子工業和儀表工業中的微型器件的焊接,以及硅鋼片、鍍鋅鋼板等的焊接。 


三 壓焊

  1電阻焊


這是以電阻熱為能源的一類焊接方法,包括以熔渣電阻熱為能源的電渣焊和以固體電阻熱為能源的電阻焊。由于電渣焊更具有獨特的特點,故放在后面介紹。這里主要介紹幾種固體電阻熱為能源的電阻焊,主要有點焊、縫焊、凸焊及對焊等。 電阻焊一般是使工件處在一定電極壓力作用下并利用電流通過工件時所產生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化而實現連接的焊接方法。通常使用較大的電流。為了防止在接觸面上發生電弧并且為了鍛壓焊縫金屬,焊接過程中始終要施加壓力。 進行這一類電阻焊時,被焊工件的表面善對于獲得穩定的焊接質量是頭等重要的。因此,焊前必須將電極與工件以及工件與工件間的接觸表面進行清理。

  優點:1)熔核形成時,始終被塑性環包圍,熔化金屬與空氣隔絕,冶金過程簡單。2)加熱時間短、熱量集中、故熱影響區小,變形與應力也小,通常在焊后不必安排校正和熱處理工序。3)不需要焊絲、焊條等填充金屬,以及氧、乙炔、氬等焊接材料,焊接成本低。4)操作簡單,易于實現機械化和自動化,改善了勞動條件。5)生產率高,且無噪聲及有害氣體,在大批量生產中,可以和其他制造工序一起編到組裝線上。但閃光對焊因有火花噴濺,需要隔離。

  缺點:1)目前還缺乏可靠的無損檢測方法,焊接質量只能靠工藝試樣和工件的破壞性試驗來檢查,以及靠各種監控技術來保證。2)點、縫焊的搭接接頭不僅增加了構件的重量,且因在兩板間熔核周圍形成夾角,致使接頭的抗拉強度和疲勞強度較低。3)設備功率大,機械化自動化程度較高,使設備成本較高、維修較困難,并且常用的大功率單相交流焊機不利于電網的正常運行。

  適用范圍:在汽車、飛機、儀器、家電、建筑用的鋼筋、等行業有廣泛應用,適用材料廣泛,只是易氧化金屬的電阻焊焊接性稍差。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板組件。各類鋼材、鋁、鎂等有色金屬及其合金、不銹鋼等均可焊接。 


2摩擦焊

  摩擦焊是以機械能為能源的固相焊接。它是利用兩表面間機械摩擦所產生的熱來實現金屬的連接的。 摩擦焊的熱量集中在接合面處,因此熱影響區窄。兩表面間須施加壓力,多數情況是在加熱終止時增大壓力,使熱態金屬受頂鍛而結合,一般結合面并不熔化。 摩擦焊生產率較高,原理上幾乎所有能進行熱鍛的金屬都能摩擦焊接。摩擦焊還可以用于異種金屬的焊接。 要適用于橫斷面為圓形的最大直徑為100mm的工件。

  利用焊件接觸端面相互摩擦所產生的熱,使端面達到熱塑性狀態,然后迅速施加頂鍛力,實現焊接的一種固相壓焊方法,

  摩擦焊具有以下優點:

  (1)焊接質量穩定,焊件尺寸精度高,接頭廢品率低于電阻對焊和閃光對焊。

  (2)焊接生產率高,比閃光對焊高5~6倍。

  (3)適于焊接異種金屬,如碳素鋼、低合金鋼與不銹鋼、高速鋼之間的連接,銅-不銹鋼、銅-鋁、鋁-鋼、鋼-鋯等之間連接。

  (4)加工費用低,省電,焊件無需特殊清理。

  (5)易實現機械化和自動化,操作簡單,焊接工作場地無火花,弧光及有害氣體。

  缺點:靠工件旋轉實現,焊接非圓截面較困難。盤狀工件及薄壁管件,由于不易夾持也很難焊接。受焊機主軸電機功率的限制,目前摩擦焊可焊接的最大截面為20000mm2。摩擦焊機一次性投資費用大,適于大批量生產。

  應用:異種金屬和異種鋼產品,如電力工業中的銅-鋁過渡接頭,金屬切削用的高速鋼-結構鋼刀具等;結構鋼產品,如電站鍋爐蛇形管、閥門、拖拉機軸瓦等。 


3擴散焊

  擴散焊一般是以間接熱能為能源的固相焊接方法。通常是在真空或保護氣氛下進行。焊接時使兩被焊工件的表面在高溫和較大壓力下接觸并保溫一定時間,以達到原子間距離,經過原子樸素相互擴散而結合。焊前不僅需要清洗工件表面的氧化物等雜質,而且表面粗糙度要低于一定值才能保證焊接質量。

  擴散焊在真空或保護氣氛的保護下,在一定溫度(低于母材的熔點)和壓力條件下,使相互接觸的平整光潔的待焊表面發生微觀塑性流變后緊密接觸,原子相互擴散,經過一段較長時間后,原始界面消失,達到完全冶金結合的焊接方法。

  擴散焊具有以下優點:

  (1)可以在幾乎不損壞被焊材料性能的情況下,實現各類同種材料和異種材料間的焊接,可以用來制造雙層或多層復合材料。

  (2)能焊接結構復雜以及厚薄相差大的工件。

  (3)接頭成分、組織均勻,減小了應力腐蝕傾向。

  (4)焊接變形小,接頭精度高,可作為部件最后的組裝連接方法。

  (5)可與其它加工工藝同時進行(如真空熱處理等),可同時完成多個接頭的焊接,從而提高生產率。

  不足:擴散焊對焊件表面加工及清理的要求高,焊接時間長、生產率低,成本高,設備投資大。

  應用:熔點差別大或冶金上不相容的異種金屬之間的焊接、金屬與陶瓷的焊接和鈦、鎳、鋁合金結構件的焊接。不僅應用于原子能、航空航天及電子工業等尖端技術領域,而且已推廣至一般機械制造工業部門。


四 釬焊

 

  釬焊的能源可以是化學反應熱,也可以是間接熱能。它是利用熔點比被焊材料的熔點低的金屬作釬料,經過加熱使釬料熔化,毛細管作用將釬料及入到接頭接觸面的間隙內,潤濕被焊金屬表面,使液相與固相之間互擴散而形成釬焊接頭。因此,釬焊是一種固相兼液相的焊接方法。

  1.釬焊的特點及應用

  釬焊采用熔點低于母材的合金作釬料,加熱時釬料熔化,并靠潤濕作用和毛細作用填滿并保持在接頭間隙內,而母材處于固態,依靠液態釬料和固態母材間的相互擴散形成釬焊接頭。釬焊對母材的物理化學性能影響小,焊接應力和變形較小,可焊接性能差別較大的異種金屬,能同時完成多條焊縫,接頭外表美觀整齊,設備簡單,生產投資小。但釬焊接頭的強度較低,耐熱能力差。

  應用:硬質合金刀具、鉆探鉆頭、自行車車架、換熱器、導管及各類容器等;在微波波導、電子管和電子真空器件的制造中,釬焊甚至是唯一可能的連接方法。

  2.釬料和釬劑

  釬料是形成釬焊接頭的填充金屬,釬焊接頭的質量在很大程度上取決釬料。釬料應該具有合適的熔點、良好的潤濕性和填縫能力,能與母材相互擴散,還應具有一定的力學性能和物理化學性能,以滿足接頭的使用性能要求。按釬料熔點的不同,釬焊分為兩大類:軟釬焊與硬釬焊。

  (1)軟釬焊 。釬料熔點低于450℃的釬焊稱為軟釬焊,常用釬料是錫鉛釬料,它具有良好的潤濕性和導電性,廣泛用于電子產品、電機電器和汽車配件。軟釬焊的接頭強度一般為60~140MPa。

  (2)硬釬焊。 釬料熔點高于450℃的釬焊稱為硬釬焊,常用釬料是黃銅釬料和銀基釬料。用銀基釬料的接頭具有較高的強度、導電性和耐蝕性,釬料熔點較低、工藝性良好,但釬料價格較高,多用于要求較高的焊件,一般焊件多采用黃銅釬料。硬釬焊多用于受力較大的鋼和銅合金工件,以及工具的釬焊。硬釬焊的接頭強度為200~490MPa,

  注意:母材的接觸面應很干凈,因此要用釬劑。釬劑的作用是去除母材和釬料表面的氧化物和油污雜質,保護釬料和母材接觸面不被氧化,增加釬料的潤濕性和毛細流動性。釬劑的熔點應低于釬料,釬劑殘渣對母材和接頭的腐蝕性應較小。軟釬焊常用的釬劑是松香或氯化鋅溶液,硬釬焊常用的釬劑是硼砂、硼酸和堿性氟化物的混合物。

  根據熱源或加熱方法不同釬焊可分為:火焰釬焊、感應釬焊、爐中釬焊、浸沾釬焊、電阻釬焊等。 釬焊時由于加熱溫度比較低,故對工件材料的性能影響較小,焊件的應力變形也較小。但釬焊接頭的強度一般比較低,耐熱能力較差。

  釬焊加熱方法: 幾乎所有的加熱熱源都可以用作釬焊熱源,并依此將釬焊

  分類。

  火焰釬焊:用氣體火焰進行加熱,用于碳鋼、不銹鋼、硬質合金、鑄鐵、銅及銅合金、鋁及鋁合金的硬釬焊。

  感應釬焊:利用交變磁場在零件中產生感應電流的電阻熱加熱焊件,用于具有對稱形狀的焊件,特別是管軸類的釬焊。

  浸沾釬焊:將焊件局部或整體浸入熔融鹽混合物熔液或釬料熔液中,靠這些液體介質的熱量來實現釬焊過程,其特點是加熱迅速、溫度均勻、焊件變形小。

  爐中釬焊:利用電阻爐加熱焊件,電阻爐可通過抽真空或采用還原性氣體或惰性氣體對焊件進行保護。

  除此以外,還有烙鐵釬焊、電阻釬焊、擴散釬焊、紅外線釬焊、反應釬焊、電子束釬焊、激光釬焊等。

  釬焊可以用于焊接碳鋼、不銹鋼、高溫合金、鋁、銅等金屬材料,還可以連接異種金屬、金屬與非金屬。適于焊接受載不大或常溫下工作的接頭,對于精密的、微型的以及復雜的多釬縫的焊件尤其適用。


五 其他焊接介紹

  高頻焊

  高頻焊是以固體電阻熱為能源。焊接時利用高頻電流在工件內產生的電阻熱使工件焊接區表層加熱到熔化或接近的塑*狀態,隨即施加(或不施加)頂鍛力而實現金屬的結合。因此它是一種固相電阻焊方法。 高頻焊根據高頻電流在工件中產生熱的方式可分為接觸高頻焊和感應高頻焊。接觸高頻焊時,高頻電流通過與工件機械接觸而傳入工件。感應高頻焊時,高頻電流通過工件外部感應圈的耦合作用而在工件內產生感應電流。 高頻焊是專業化較強的焊接方法,要根據產品配備專用設備。生產率高,焊接速度可達30m/min。主要用于制造管子時縱縫或螺旋縫的焊接。

  爆炸焊

  爆炸焊也是以化學反應熱為能源的另一種固相焊接方法。但它是利用炸藥爆炸所產生的能量來實現金屬連接的。在爆炸波作用下,兩件金屬在不到一秒的時間內即可被加速撞擊形成金屬的結合。 在各種焊接方法中,爆炸焊可以焊接的異種金屬的組合的范圍最廣。可以用爆炸焊將冶金上不相容的兩種金屬焊成為各種過渡接頭。爆炸焊多用于表面積相當大的平板包覆,是制造復合板的高效方法。

  超聲波焊

  超聲波焊也是一種以機械能為能源的固相焊接方法。進行超聲波焊時,焊接工件在較低的靜壓力下,由聲極發出的高頻振動能使接合面產生強裂摩擦并加熱到焊接溫度而形成結合。 超聲波焊可以用于大多數金屬材料之間的焊接,能實現金屬、異種金屬及金屬與非金屬間的焊接。可適用于金屬絲、箔或2~3mm以下的薄板金屬接頭的重復生產。


六 焊接新工藝、新技術簡介

  1焊接機器人

 

  焊接技術進步的突出的表現就是焊接過程由機械化向自動化、智能化和信息化發展。智能焊接機器人的應用,是焊接過程高度自動化的重要標志。焊接機器人突破了焊接自動化的傳統方式,使小批量自動化生產成為可能。

  焊接機器人大多為固定位置的手臂式機械,有示教型和智能型兩種。

  示教型機器人:通過示教,記憶焊接軌跡及焊接參數,并嚴格按照示教程序完成產品的焊接。只需一次示教,機器人便可以精確地再現示教的每一步操作。這類焊接機器人的應用較為廣泛,適宜于大批量生產,用于流水線的固定工位上,其功能主要是示教再現,對環境變化的應變能力較差。對于大型結構在工地上的小批量生產沒有用武之地。

  智能型機器人:可以根據簡單的控制指令自動確定焊縫的起點、空間軌跡及有關參數,并能根據實際情況自動跟蹤焊縫軌跡、調整焊炬姿態、調整焊接參數、控制焊接質量。這是最先進的焊接機器人,具有靈巧、輕便、容易移動等特點,能適應不同結構、不同地點的焊接任務,目前實際應用很少,尚處在研究開發階段。

  焊接機器人中,點焊機器人占50%~60%,它由機器人本體、點焊系統和控制系統三大部分組成。機器人本體的自由度為1~5個,控制系統分本體控制和焊接部分控制。

  焊接系統主要包括:焊接控制器、焊鉗和水、電氣等輔助部分(水下焊接)。

  2計算機軟件的應用

  計算機軟件系統在焊接領域中的應用主要有以下幾個方面:

  1.計算機模擬技術 包括模擬焊接熱過程、焊接冶金過程、焊接應力和變形等。焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學等學科的復雜過程。一旦焊接中的各個過程都實現了計算機模擬,就能夠通過計算機系統來確定焊接各種結構和各種材料時的最佳設計方案、工藝方法和焊接參數。傳統上,焊接工藝總是要通過一系列的實驗或根據經驗來確定,以獲得可靠而經濟的焊接結構,計算機模擬只要通過少量驗證試驗證明數值方法在處理某一問題上的適用性,大量篩選工作即可由計算機完成,省去了大量的試驗工作,從而大大節約了人力、物力和時間,在新的工程結構及新材料的焊接方面具有很重要的意義。計算機模擬技術的水平還決定了自動化焊接的范圍。此外,計算機模擬還廣泛用于分析焊接結構和接頭的強度和性能等問題。

  2.數據庫技術與專家系統 用于焊接工藝設計和工藝參數的選擇、焊接缺陷診斷、焊接成本預算、實時監控、焊接CAD、焊工考試等。

  數據庫技術目前已經滲透到焊接領域的各個方面,從原材料、焊接試驗、焊接工藝到焊接生產。典型的數據庫系統有焊接工藝評定、焊接工藝規程、焊工檔案管理、焊接材料、材料成分和性能、焊接性、焊接CCT圖管理和焊接標準咨詢系統等。這些數據庫系統為焊接領域內各種數據和信息管理提供了有利條件。

  焊接專家系統主要集中在工藝制定、缺陷預測和診斷、計算機輔助設計等方面。現有的焊接專家系統中,工藝選擇和工藝制定是最主要的應用領域,焊接過程的實時控制是重要的發展方向。

  3.計算機輔助質量控制技術(CAQ) 用于對產品的數據分析、焊接質量的實時監測等。

  另外,計算機輔助設計/制造(CAD/CAM)在焊接加工中的應用也日益增加,主要用于數控切割、焊接結構設計和焊接機器人中。
 

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