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新老焊接技术,用过的、见过的、听过的都找齐了  

2016-12-30 10:33:48|  分类: 102工程百科杂坛 |  标签: |举报 |字号 订阅

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小七说 

化工设备安装是化工设备投产前的关键步骤,焊接技术直接影响着设备的使用性能,化工设备中的大部分运行环境较为恶劣,因此焊接对于化工设备的制造和使用来说有着重要的意义,下面,小七为大家汇总各种焊接技术。





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一、焊接的介绍


焊接:通常是指金属的焊接。是通过加热或加压,或两者同时并用,使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成形方法。


分类:根据焊接过程中加热程度和工艺特点的不同,焊接方法可以分为三大类。


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(1)熔焊 。


将工件焊接处局部加热到熔化状态,形成熔池(通常还加入填充金属),冷却结晶后形成焊缝,被焊工件结合为不可分离的整体。常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。


(2)压焊。


在焊接过程中无论加热与否,均需要加压的焊接方法。常见的压焊有电阻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、爆炸焊等。


(3)钎焊 。


采用熔点低于被焊金属的钎料(填充金属)熔化之后,填充接头间隙,并与被焊金属相互扩散实现连接。钎焊过程中被焊工件不熔化,且一般没有塑性变形。


焊接生产的特点:

(1)、节省金属材料,结构重量轻。

(2)、以小拼大、化大为小,制造重型、复杂的机器零部件,简化铸造、锻造及切削加工工艺,获得最佳技术经济效果。

(3)、焊接接头具有良好的力学性能和密封性。

(4)、能够制造双金属结构,使材料的性能得到充分利用。


二、各种焊接技术介绍

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01

电弧焊


电弧:一种强烈而持久的气体放电现象,正负电极间具有一定的电压,而且两电极间的气体介质应处在电离状态。引燃焊接电弧时,通常是将两电极(一极为工件,另一极为填充金属丝或焊条)接通电源,短暂接触并迅速分离,两极相互接触时发生短路,形成电弧。这种方式称为接触引弧。电弧形成后,只要电源保持两极之间一定的电位差,即可维持电弧的燃烧。


电弧特点:电压低、电流大、温度高、能量密度大、移动性好等,一般20~30V的电压即可维持电弧的稳定燃烧,而电弧中的电流可以从几十安培到几千安培以满足不同工件的焊接要求,电弧的温度可达5000K以上,可以熔化各种金属。


电弧组成:阴极区、阳极区、弧柱区三部分


弧焊电源:焊接电弧所使用的电源称为弧焊电源,通常可分为四大类:交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变弧焊电源。


直流正接:采用直流焊机当工件接阳极,焊条接阴极时,称为直流正接,此时工件受热较大,适合焊接厚大工件;


直流反接:当工件接阴极,焊条接阳极时,称为直流反接,此时工件受热较小,适合焊接薄小工件。采用交流焊机焊接时,因两极极性不断交替变化,故不存在正接或反接问题。


焊接冶金过程


在电弧焊过程中,液态金属、熔渣和气体三者相互作用,是金属再冶炼的过程。但由于焊接条件的特殊性,焊接化学冶金过程又有着与一般冶炼过程不同的特点。


首先,焊接冶金温度高,相界大,反应速度快,当电弧中有空气侵入时,液态金属会发生强烈的氧化、氮化反应,还有大量金属蒸发,而空气中的水分以及工件和焊接材料中的油、锈、水在电弧高温下分解出的氢原子可溶入液态金属中,导致接头塑性和韧度降低(氢脆),以至产生裂纹。


其次,焊接熔池小,冷却快,使各种冶金反应难以达到平衡状态,焊缝中化学成分不均匀,且熔池中气体、氧化物等来不及浮出,容易形成气孔、夹渣等缺陷,甚至产生裂纹。


电弧焊过程中通常会采取以下措施:

(1)在焊接过程中,对熔化金属进行机械保护,使之与空气隔开。保护方式有三种:气体保护、熔渣保护和气-渣联合保护。


(2)对焊接熔池进行冶金处理,主要通过在焊接材料(焊条药皮、焊丝、焊剂)中加入一定量的脱氧剂(主要是锰铁和硅铁)和一定量的合金元素,在焊接过程中排除熔池中的FeO,同时补偿合金元素的烧损。

常用电弧焊方法:


1手弧焊


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手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属,电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧,另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面,防止熔化金属与周围气体的相互作用。


熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素,改善焊缝金属能。 手弧焊设备简单、轻便,操作灵活。可以应用于维修及装配中的短缝的焊接,特别是可以用于难以达到的部位的焊接。手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及其合金。


2埋弧焊 


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埋弧焊是以颗粒状焊剂为保护介质,电弧掩藏在焊剂层下的一种熔化极电  焊接方法。埋弧焊的施焊过程由三个环节组成:1在焊件待焊接缝处均匀堆敷足够的颗粒状焊剂;2 导电嘴和焊件分别接通焊接电源两级以产生焊接电弧;3 自动送进焊丝并移动电弧实施焊接。


埋弧焊的主要特点如下:

1、电弧性能独特


(1)焊缝质量高熔渣隔绝空气保护效果好,电弧区主要成分为CO2,焊缝金属中含氮量、含氧量大大降低,焊接参数自动调节,电弧行走机械化,熔池存在时间长,冶金反应充分 ,抗风能力强,所以焊缝成分稳定,力学性能好;

(2)劳动条件好 熔渣隔离弧光有利于焊接操作;机械化行走,劳动强度较低。


2、弧柱电场强度较高 比之熔化极气体保护焊有如下特点:

(1)设备调节性能好,由于电场强度较高,自动调节系统的灵敏度较高,使焊接过程的稳定性提高;

(2)焊接电流下限较高。


3、生产效率高由于焊丝导电长度缩短,电流和电流密度显著提高,使电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速率大大提高;又由于焊剂和熔渣的隔热作用,总的热效率大大增加,使焊接速度大大提高。


适用范围:


由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械操作的程度高,因而适于焊接中厚板结构的长焊缝。在造船、锅炉与压力容器、桥梁、超重机械、核电站结构、海洋结构、武器等制造部门有着广泛的应用,是当今焊接生产中最普遍使用的焊接方法之一。 埋弧焊除了用于金属结构中构件的连接外,还可在基体金属表面堆焊耐磨或耐腐蚀的合金层。 随着焊接冶金技术与焊接材料生产技术的发展,埋弧焊能焊的材料已从碳素结构钢发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等以及某些有色金属,如镍基合金、钛合金、铜合金等。


由于自己的特点,其应用也有一定的局限性,主要为:

(1)焊接位置的限制,由于焊剂保持的原因,如不采用特殊措施,埋弧焊主要用于水平俯位置焊缝焊接,而不能用于横、立、仰焊;

(2)焊接材料的局限,不能焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金,主要用于焊接黑色金属;

(3)只适合于长焊缝焊接切,且不能焊接空间位置有限的焊缝;

(4)不能直接观察电弧;

(5)不适用于薄板、小电流焊。


4 钨极气体保护电弧焊


这是一种不熔化极气体保护电弧焊,是利用钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。焊接过程中钨极不熔化,只起电极的作用。同时由焊炬的喷嘴送进氩气或氦气作保护。还可根据需要另外添加金属。在国际上通称为TIG焊。 钨极气体保护电弧焊由于能很好地控制热输入,所以它是连接薄板金属和打底焊的一种极好方法。这种方法几乎可以用于所有金属的连接,尤其适用于焊接铝、镁这些能形成难熔氧化物的金属以及象钛和锆这些活泼金属。这种焊接方法的焊缝质量高,但与其它电弧焊相比,其焊接速度较慢。 


4熔化极气体保护电弧焊


熔化极气体保护电弧焊属于用电弧作为热源的熔化焊方法,其电弧建立在连续送进的焊丝与熔池之间熔化的焊丝金属与母材金属混合而成的熔池在电弧热源移走后结晶形成焊缝并把分离的母材通过冶金方式连接起来。


CO2焊接的特点:


(1)在焊接电弧高温作用下CO2会分解成CO、O2和O,对电弧具有叫强烈的压缩作用,从而导致该焊接方法的电弧形态具有弧柱直径较小,弧跟面积小且往往难于覆盖焊丝端部全部熔滴的特点,因此熔滴受到的过渡阻力(斑点力)较大而使熔滴粗化,过渡路径轴向性变差,飞溅率大;

(2)对焊接区保护良好,CO2的密度是常用保护气体中最大的,加上CO2气体受热分解后,体积增大,因此保护较好;

(3)能量相对集中,熔透能力较大;

(4)生产成本低,节约电能。

(5)工艺和技术上还具有焊接区可见度好,便于观察、操作;焊接热影响区和焊接变形较小;熔池体积较小结晶速度较快,全位置焊接性能良好;对锈污敏感度低的优点。


冶金特性:(1)、合金元素的氧化CO2焊时,在电弧高温作用下,CO2会分解成CO、O2和O,在焊接条件下,CO不溶于金属,也不参与反应,而CO2和O都有强烈的氧化性,使Fe及其它合金元素氧化。(2)、脱氧及焊缝金属的合金化?通常在焊丝中加入一定量的脱氧剂进行脱氧,此外,剩余的脱氧剂作为合金元素留在焊缝中,以弥补氧化烧损损失并保证焊缝的化学成分要求。


熔滴过渡:(1)、短路过渡(短弧、细丝、小电流)适用于薄板全位置焊接;(2)、细颗粒过渡,粗丝、长弧、大电流焊接;(3)、潜弧射滴过渡(很少用)。


适用范围:目前CO2气体保护焊广泛应用于机车制造、船舶制造、汽车制造、采煤机械制造等领域。适用于焊接低碳钢、低合金钢、低合金高强钢,但是不适合于焊接有色金属、不锈钢。尽管有资料显示CO2气体保护焊可以用于不锈钢的焊接,但不是焊接不锈钢的首选。


5等离子弧焊


助水冷喷嘴等措施,可以使电弧的弧柱区横截面积减小,电弧的温度、能量密度、等离子的流速都显著提高,这种用外部拘束使弧柱受到压缩的电弧称为等离子弧。


等离子弧是电弧的一种特殊形式,是一种具有高能量密度的电弧,仍然是气体导电现象。等离子弧焊接是利用等离子弧的热量加热&熔化工件和母材实现焊接的方法。


分类:穿孔型等离子弧焊和微束等离子弧焊。


穿孔型等离子弧:焊接电流在100~300A,接头无需开坡口,不要留间隙。焊接时,等离子弧可以将焊件完全熔透并形成一个小通孔,熔化金属被排挤在小孔的周围,电弧移动,小孔随之移动,并在后方形成焊缝,从而实现单面焊双面一次成形。这种方法可以焊接的板厚上限为:碳钢7mm,不锈钢10mm。


微束等离子弧:焊接电流为0.1~30A,焊接厚度为0.025~2.5mm。此外,还有适用于铜及铜合金焊接的熔入型等离子弧焊,可用于厚板深熔焊或薄板高速焊以及堆焊的熔化极等离子弧焊,可解决铝合金等离子弧焊的交流(变极性)等离子弧焊等工艺方法。等离子弧焊的主要工艺参数有焊接电流、焊接速度、保护气流量、离子气流量、焊枪喷嘴结构与孔径等。


等离子弧切割:利用等离子弧的高温高速弧流使切口的金属局部熔化以致蒸发,并借助高速气流或水流将熔化的材料吹离基体形成切口的切割方法。


特点:


  (1)等离子弧能量密度大,弧柱温度高,穿透能力强,10~12mm厚度钢材可不开坡口,能一次焊透双面成形,焊接速度快,生产率高,应力变形小。


  (2)焊缝截面成酒杯状,无指状熔深问题。


  (3)电弧挺直性好,受弧长波动的影响,熔池的波动小。


  (4)电弧稳定0.1A,仍具有较平的静特性,配用恒流源,可很好的进行薄板的焊接(0.1mm)。


  (5)钨极内缩,防止焊缝夹钨


  (6)采用小孔焊接技术,实现单面焊双面成形。


  (7)设备比较复杂,气体耗量大,只宜于室内焊接。焊枪的可达性比TIG差。


  (8)电弧直径小,需要焊枪轴线与焊缝中线更准确地对中。


  冶金反应:单一,只有蒸发


  电源:陡降电源、直流正接;焊接铝镁时用交流、陡降电源、需引弧、稳弧措施。焊接材料:保护气体、钨极


  适用范围:广泛用于工业生产,特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接,如钛合金的导弹壳体,飞机上的一些薄壁容器等。


6 管状焊丝电弧焊


管状焊丝电弧焊也是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧为热源来进行焊接的,可以认为是熔化极气体保护焊的一种类型。所使用的焊丝是管状焊丝,管内装有各种组分的焊剂。焊接时,外加保护气体,主要是CO2。焊剂受热分解或熔化,起着造渣保护溶池、渗合金及稳弧等作用。 管状焊丝电弧焊除具有上述熔化极气体保护电弧焊的优点外,由于管内焊剂的作用,使之在冶金上更具优点。管状焊丝电弧焊可以应用于大多数黑色金属各种接头的焊接。管状焊丝电弧焊在一些工业先进国家已得到广泛应用。 “管状焊丝”即现在所说的“药芯焊丝”


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02

熔焊


1 气焊


利用可燃气体在氧气中燃烧时所产生的热量,将母材焊接处熔化而实现连接的一种熔焊方法。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。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。


  可燃气:乙炔、液化石油气等。以乙炔为例,其在氧气中燃烧时的火焰温度可达3200℃。氧乙炔火焰有三种:


  ①中性焰:氧气与乙炔体积混合比为1~1.2,乙炔充分燃烧,适合焊接碳钢和非铁合金。


  ②碳性焰:氧气和乙炔体积混合比小于1,乙炔过剩,适用于焊接高碳钢、铸铁和高速钢。


  ③氧化焰:氧气与乙炔体积混合比大于1.2,氧气过剩,适用于黄铜和青铜的钎焊。


  气焊火焰温度低,加热速度慢,加热区域宽,焊接热影响区宽,焊接变形大,且焊接过程中,熔化金属受到的保护差,焊接质量不易保证,因而其应用已很少。但气焊又具有无需电源、设备简单、费用低、移动方便、通用性强等特点,因而在无电源场合和野外工作时有实用价值。目前,主要用于薄钢板(厚度0.5~3mm)、铜及铜合金的焊接和铸铁的补焊。


2 气压焊


气压焊和气焊一样,气压焊也是以气体火焰为热源。焊接时将两对接的工件的端部加热到一定温度,后再施加足够的压力以获得牢固的接头。是一种固相焊接。 气压焊时不加填充金属,常用于铁轨焊接和钢筋焊接。


3 电渣焊


电渣焊是以熔渣的电阻热为能源的焊接方法。焊接过程是在立焊位置、在由两工件端面与两侧水冷铜滑块形成的装配间隙内进行。焊接时利用电流通过熔渣产生的电阻热将工件端部熔化。 根据焊接时所用的电极形状,电渣焊分为丝极电渣焊、板极电渣焊和熔嘴电渣焊。


  电渣焊的特点 :在电渣焊的焊接过程中,除开始阶段有一电弧过程外,其余均为稳定的电渣过程,与埋弧焊有本质区别。


  电渣焊的优点是:可焊的工件厚度大(从30mm到大于1000mm),生产率高。主要用于在断面对接接头及丁字接头的焊接。 电渣焊可用于各种钢结构的焊接,也可用于铸件的组焊。电渣焊接头由于加热及冷却均较慢,热影响区宽、显微组织粗大、韧、因此焊接以后一般须进行正火处理。


  电渣焊的局限性:


  (1)由于焊接熔池大,加热和冷却缓慢,在焊缝及热影响区容易过热形成粗大组织,因此电渣焊通常焊后用正火处理消除接头中的粗晶。


  (2)电渣焊总是以立焊方式进行,不能平焊,电渣焊不适于厚度在30mm以下的工件,焊缝也不宜过长。


  电渣焊的分类及应用


  电渣焊的分类:丝极电渣焊、板极电渣焊、熔嘴电渣焊和管极电渣焊等。


  丝极电渣焊是最常用的电渣焊方法,它采用焊丝作电极,根据焊件厚度的不同,可采用一根或多根焊丝,单丝焊能够焊接的焊件厚度为40~60mm,当焊件厚度大于60mm时,焊丝要作横向摆动;三丝摆动可以焊接450mm厚的焊件。丝极电渣焊主要用于焊接厚度为40~450mm的焊件及较长焊缝的焊件,也可用于大型焊件的环焊缝。


  应用:主要用于重型机械制造业中,制造锻-焊结构件和铸-焊结构件,如重型机床的机座、高压锅炉等,焊件厚度一般为40~450mm,材料为碳钢、低合金钢、不锈钢等。


3 电子束焊


电子束焊是以集中的高速电子束轰击工件表面时所产生的热能进行焊接的方法。 电子束焊接时,由电子枪产生电子束并加速。常用的电子束焊有:高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。


前两种方法都是在真空室内进行。焊接准备时间 (主要是抽真空时间)较长,工件尺寸受真空室大小限制。 电子束焊与电弧焊相比,主要的特点是焊缝熔深大、熔宽小、焊缝金属纯度高。它既可以用在很薄材料的精密焊接,又可以用在很厚的(最厚达300mm)构件焊接。


所有用其它焊接方法能进行熔化焊的金属及合金都可以用电子束焊接。主要用于要求高质量的产品的焊接。还能解决异种金属、易氧化金属及难熔金属的焊接。但不适于大批量产品。


  电子束焊机:核心是电子枪,它是完成电子的产生、电子束的形成和会聚的装置,主要由灯丝、阴极、阳极、聚焦线圈等组成。灯丝通电升温并加热阴极,当阴极达到2400K左右时即发射电子,在阴极和阳极之间的高压电场作用下,电子被加速(约为1/2光速),穿过阳极孔射出,然后经聚焦线圈,会聚成直径为0.8~3.2mm的电子束射向焊件,并在焊件表面将动能转化为热能,使焊件连接处迅速熔化,经冷却结晶后形成焊缝。


  根据焊接工作室(焊件放置处)的真空度不同,电子束焊的分类:


  (1)高真空电子束焊 。工作室与电子枪同在一室,真空度为10-2~10-1Pa,适用于难熔、活性、高纯金属及小零件的精密焊接。


  (2)低真空电子束焊 。工作室与电子枪被分为两个真空室,工作室的真空度为10-1~15Pa,适用于较大型的结构件,和对氧、氮不太敏感的难熔金属。


  (3)非真空电子束焊 。需另加惰性气体保护罩或喷嘴,焊件与电子束流出口的距离应控制在10mm左右,以减少电子束与气体分子碰撞造成的散射。非真空电子束焊适用于碳钢、低合金钢、不锈钢、难熔金属及铜、铝合金等的焊接,焊件尺寸不受限制。


  真空电子束焊的优点:


  (1)电子束能量密度大,最高可达5×108W/cm2,约为普通电弧的5000~10000倍,热量集中,热效率高,热影响区小,焊缝窄而深,焊接变形极小。


  (2)在真空环境下焊接,金属不与气相作用,接头强度高。


  (3)电子束焦点半径可调节范围大,控制灵活,适应性强,可焊接0.05mm的薄件,也可焊接200~700mm的厚板。


  应用:特别适合焊接一些难熔金属、活性或高纯度金属以及热敏感性强的金属。但设备复杂,成本高,焊件尺寸受真空室限制,装配精度要求高,且易激发X射线,焊接辅助时间长,生产率低,这些弱点都限制了电子束焊的广泛应用。


3 激光焊


激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接。这种焊接方法通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。 激光焊优点是不需要在真空中进行,缺点则是穿透力不如电子束焊强。


激光焊时能进行精确的能量控制,因而可以实现精密微型器件的焊接。它能应用于很多金属,特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。


激光的产生:物质受激励后,产生的波长、频率、方向完全相同的光束。


激光的特点:具有单色性好、方向性好、能量密度高的特点,激光经透射或反射镜聚焦后,可获得直径小于0.01mm、功率密度高达1013W/cm2的能束,可以作为焊接、切割、钻孔及表面处理的热源。产生激光的物质有固体、半导体、液体、气体等,其中用于焊接、切割等工业加工的主要是钇铝石榴石(YAG)固体激光和CO2气体激光。


  激光焊的主要优点是:


  (1)激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输,适用于微型零部件及其它焊接方法难以达到的部位的焊接,还能通过透明材料进行焊接。


  (2)能量密度高,可实现高速焊接,热影响区和焊接变形都很小,特别适用于热敏感材料的焊接。


  (3)激光不受电磁场的影响,不产生X射线,无需真空保护,可以用于大型结构的焊接。


  (4)可直接焊接绝缘导体,而不必预先剥掉绝缘层;也能焊接物理性能差别较大的异种材料。


  激光焊的主要缺点是:设备昂贵,能量转化率低(5%~20%),对焊件接口加工、组装、定位要求均很高,目前主要用于电子工业和仪表工业中的微型器件的焊接,以及硅钢片、镀锌钢板等的焊接。 


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03

压焊


1 电阻焊


这是以电阻热为能源的一类焊接方法,包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻热为能源的电阻焊。


 电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法。通常使用较大的电流。为了防止在接触面上发生电弧并且为了锻压焊缝金属,焊接过程中始终要施加压力。 进行这一类电阻焊时,被焊工件的表面善对于获得稳定的焊接质量是头等重要的。因此,焊前必须将电极与工件以及工件与工件间的接触表面进行清理。


优点:


1)熔核形成时,始终被塑性环包围,熔化金属与空气隔绝,冶金过程简单。


2)加热时间短、热量集中、故热影响区小,变形与应力也小,通常在焊后不必安排校正和热处理工序。


3)不需要焊丝、焊条等填充金属,以及氧、乙炔、氩等焊接材料,焊接成本低。4)操作简单,易于实现机械化和自动化,改善了劳动条件。


5)生产率高,且无噪声及有害气体,在大批量生产中,可以和其他制造工序一起编到组装线上。但闪光对焊因有火花喷溅,需要隔离。


缺点:


1)目前还缺乏可靠的无损检测方法,焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查,以及靠各种监控技术来保证。


2)点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量,且因在两板间熔核周围形成夹角,致使接头的抗拉强度和疲劳强度较低。3)设备功率大,机械化自动化程度较高,使设备成本较高、维修较困难,并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的正常运行。


适用范围:在汽车、飞机、仪器、家电、建筑用的钢筋、等行业有广泛应用,适用材料广泛,只是易氧化金属的电阻焊焊接性稍差。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板组件。各类钢材、铝、镁等有色金属及其合金、不锈钢等均可焊接。 


2 摩擦焊


摩擦焊是以机械能为能源的固相焊接。它是利用两表面间机械摩擦所产生的热来实现金属的连接的。 摩擦焊的热量集中在接合面处,因此热影响区窄。两表面间须施加压力,多数情况是在加热终止时增大压力,使热态金属受顶锻而结合,一般结合面并不熔化。


 摩擦焊生产率较高,原理上几乎所有能进行热锻的金属都能摩擦焊接。摩擦焊还可以用于异种金属的焊接。 要适用于横断面为圆形的最大直径为100mm的工件。


利用焊件接触端面相互摩擦所产生的热,使端面达到热塑性状态,然后迅速施加顶锻力,实现焊接的一种固相压焊方法,


摩擦焊具有以下优点:


  (1)焊接质量稳定,焊件尺寸精度高,接头废品率低于电阻对焊和闪光对焊。


  (2)焊接生产率高,比闪光对焊高5~6倍。


  (3)适于焊接异种金属,如碳素钢、低合金钢与不锈钢、高速钢之间的连接,铜-不锈钢、铜-铝、铝-钢、钢-锆等之间连接。


  (4)加工费用低,省电,焊件无需特殊清理。


  (5)易实现机械化和自动化,操作简单,焊接工作场地无火花,弧光及有害气体。


缺点:靠工件旋转实现,焊接非圆截面较困难。盘状工件及薄壁管件,由于不易夹持也很难焊接。受焊机主轴电机功率的限制,目前摩擦焊可焊接的最大截面为20000mm2。摩擦焊机一次性投资费用大,适于大批量生产。


应用:异种金属和异种钢产品,如电力工业中的铜-铝过渡接头,金属切削用的高速钢-结构钢刀具等;结构钢产品,如电站锅炉蛇形管、阀门、拖拉机轴瓦等。 


4 扩散焊


扩散焊一般是以间接热能为能源的固相焊接方法。通常是在真空或保护气氛下进行。焊接时使两被焊工件的表面在高温和较大压力下接触并保温一定时间,以达到原子间距离,经过原子朴素相互扩散而结合。焊前不仅需要清洗工件表面的氧化物等杂质,而且表面粗糙度要低于一定值才能保证焊接质量。


扩散焊在真空或保护气氛的保护下,在一定温度(低于母材的熔点)和压力条件下,使相互接触的平整光洁的待焊表面发生微观塑性流变后紧密接触,原子相互扩散,经过一段较长时间后,原始界面消失,达到完全冶金结合的焊接方法。


扩散焊具有以下优点:


(1)可以在几乎不损坏被焊材料性能的情况下,实现各类同种材料和异种材料间的焊接,可以用来制造双层或多层复合材料。


(2)能焊接结构复杂以及厚薄相差大的工件。


(3)接头成分、组织均匀,减小了应力腐蚀倾向。


(4)焊接变形小,接头精度高,可作为部件最后的组装连接方法。


(5)可与其它加工工艺同时进行(如真空热处理等),可同时完成多个接头的焊接,从而提高生产率。


  不足:扩散焊对焊件表面加工及清理的要求高,焊接时间长、生产率低,成本高,设备投资大。


  应用:熔点差别大或冶金上不相容的异种金属之间的焊接、金属与陶瓷的焊接和钛、镍、铝合金结构件的焊接。不仅应用于原子能、航空航天及电子工业等尖端技术领域,而且已推广至一般机械制造工业部门。


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04

钎焊


钎焊的能源可以是化学反应热,也可以是间接热能。它是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属作钎料,经过加热使钎料熔化,毛细管作用将钎料及入到接头接触面的间隙内,润湿被焊金属表面,使液相与固相之间互扩散而形成钎焊接头。因此,钎焊是一种固相兼液相的焊接方法。


1.钎焊的特点及应用


钎焊采用熔点低于母材的合金作钎料,加热时钎料熔化,并靠润湿作用和毛细作用填满并保持在接头间隙内,而母材处于固态,依靠液态钎料和固态母材间的相互扩散形成钎焊接头。钎焊对母材的物理化学性能影响小,焊接应力和变形较小,可焊接性能差别较大的异种金属,能同时完成多条焊缝,接头外表美观整齐,设备简单,生产投资小。但钎焊接头的强度较低,耐热能力差。


应用:硬质合金刀具、钻探钻头、自行车车架、换热器、导管及各类容器等;在微波波导、电子管和电子真空器件的制造中,钎焊甚至是唯一可能的连接方法。


2.钎料和钎剂 


钎料是形成钎焊接头的填充金属,钎焊接头的质量在很大程度上取决钎料。钎料应该具有合适的熔点、良好的润湿性和填缝能力,能与母材相互扩散,还应具有一定的力学性能和物理化学性能,以满足接头的使用性能要求。按钎料熔点的不同,钎焊分为两大类:软钎焊与硬钎焊。


(1)软钎焊 。钎料熔点低于450℃的钎焊称为软钎焊,常用钎料是锡铅钎料,它具有良好的润湿性和导电性,广泛用于电子产品、电机电器和汽车配件。软钎焊的接头强度一般为60~140MPa。


(2)硬钎焊。 钎料熔点高于450℃的钎焊称为硬钎焊,常用钎料是黄铜钎料和银基钎料。用银基钎料的接头具有较高的强度、导电性和耐蚀性,钎料熔点较低、工艺性良好,但钎料价格较高,多用于要求较高的焊件,一般焊件多采用黄铜钎料。硬钎焊多用于受力较大的钢和铜合金工件,以及工具的钎焊。硬钎焊的接头强度为200~490MPa,


注意:母材的接触面应很干净,因此要用钎剂。钎剂的作用是去除母材和钎料表面的氧化物和油污杂质,保护钎料和母材接触面不被氧化,增加钎料的润湿性和毛细流动性。钎剂的熔点应低于钎料,钎剂残渣对母材和接头的腐蚀性应较小。软钎焊常用的钎剂是松香或氯化锌溶液,硬钎焊常用的钎剂是硼砂、硼酸和碱性氟化物的混合物。


根据热源或加热方法不同钎焊可分为:火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊、浸沾钎焊、电阻钎焊等。 钎焊时由于加热温度比较低,故对工件材料的性能影响较小,焊件的应力变形也较小。但钎焊接头的强度一般比较低,耐热能力较差。


钎焊加热方法: 几乎所有的加热热源都可以用作钎焊热源,并依此将钎焊

分类。


  火焰钎焊:用气体火焰进行加热,用于碳钢、不锈钢、硬质合金、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金的硬钎焊。


  感应钎焊:利用交变磁场在零件中产生感应电流的电阻热加热焊件,用于具有对称形状的焊件,特别是管轴类的钎焊。


  浸沾钎焊:将焊件局部或整体浸入熔融盐混合物熔液或钎料熔液中,靠这些液体介质的热量来实现钎焊过程,其特点是加热迅速、温度均匀、焊件变形小。


  炉中钎焊:利用电阻炉加热焊件,电阻炉可通过抽真空或采用还原性气体或惰性气体对焊件进行保护。


  除此以外,还有烙铁钎焊、电阻钎焊、扩散钎焊、红外线钎焊、反应钎焊、电子束钎焊、激光钎焊等。


  钎焊可以用于焊接碳钢、不锈钢、高温合金、铝、铜等金属材料,还可以连接异种金属、金属与非金属。适于焊接受载不大或常温下工作的接头,对于精密的、微型的以及复杂的多钎缝的焊件尤其适用。


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05

其他焊接介绍


1 高频焊



高频焊是以固体电阻热为能源。焊接时利用高频电流在工件内产生的电阻热使工件焊接区表层加热到熔化或接近的塑*状态,随即施加(或不施加)顶锻力而实现金属的结合。因此它是一种固相电阻焊方法。 


高频焊根据高频电流在工件中产生热的方式可分为接触高频焊和感应高频焊。接触高频焊时,高频电流通过与工件机械接触而传入工件。感应高频焊时,高频电流通过工件外部感应圈的耦合作用而在工件内产生感应电流。 高频焊是专业化较强的焊接方法,要根据产品配备专用设备。生产率高,焊接速度可达30m/min。主要用于制造管子时纵缝或螺旋缝的焊接。



2 爆炸焊



爆炸焊也是以化学反应热为能源的另一种固相焊接方法。但它是利用炸药爆炸所产生的能量来实现金属连接的。在爆炸波作用下,两件金属在不到一秒的时间内即可被加速撞击形成金属的结合。 在各种焊接方法中,爆炸焊可以焊接的异种金属的组合的范围最广。可以用爆炸焊将冶金上不相容的两种金属焊成为各种过渡接头。爆炸焊多用于表面积相当大的平板包覆,是制造复合板的高效方法。



3 超声波焊



超声波焊也是一种以机械能为能源的固相焊接方法。进行超声波焊时,焊接工件在较低的静压力下,由声极发出的高频振动能使接合面产生强裂摩擦并加热到焊接温度而形成结合。 超声波焊可以用于大多数金属材料之间的焊接,能实现金属、异种金属及金属与非金属间的焊接。可适用于金属丝、箔或2~3mm以下的薄板金属接头的重复生产。


焊接新工艺、新技术

1焊接机器人


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焊接技术进步的突出的表现就是焊接过程由机械化向自动化、智能化和信息化发展。智能焊接机器人的应用,是焊接过程高度自动化的重要标志。焊接机器人突破了焊接自动化的传统方式,使小批量自动化生产成为可能。


焊接机器人大多为固定位置的手臂式机械,有示教型和智能型两种。


示教型机器人:通过示教,记忆焊接轨迹及焊接参数,并严格按照示教程序完成产品的焊接。只需一次示教,机器人便可以精确地再现示教的每一步操作。这类焊接机器人的应用较为广泛,适宜于大批量生产,用于流水线的固定工位上,其功能主要是示教再现,对环境变化的应变能力较差。对于大型结构在工地上的小批量生产没有用武之地。


智能型机器人:可以根据简单的控制指令自动确定焊缝的起点、空间轨迹及有关参数,并能根据实际情况自动跟踪焊缝轨迹、调整焊炬姿态、调整焊接参数、控制焊接质量。这是最先进的焊接机器人,具有灵巧、轻便、容易移动等特点,能适应不同结构、不同地点的焊接任务,目前实际应用很少,尚处在研究开发阶段。


焊接机器人中,点焊机器人占50%~60%,它由机器人本体、点焊系统和控制系统三大部分组成。机器人本体的自由度为1~5个,控制系统分本体控制和焊接部分控制。


焊接系统主要包括:焊接控制器、焊钳和水、电气等辅助部分(水下焊接)。


2计算机软件的应用


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计算机软件系统在焊接领域中的应用主要有以下几个方面:


1.计算机模拟技术 包括模拟焊接热过程、焊接冶金过程、焊接应力和变形等。焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等学科的复杂过程。一旦焊接中的各个过程都实现了计算机模拟,就能够通过计算机系统来确定焊接各种结构和各种材料时的最佳设计方案、工艺方法和焊接参数。传统上,焊接工艺总是要通过一系列的实验或根据经验来确定,以获得可靠而经济的焊接结构,计算机模拟只要通过少量验证试验证明数值方法在处理某一问题上的适用性,大量筛选工作即可由计算机完成,省去了大量的试验工作,从而大大节约了人力、物力和时间,在新的工程结构及新材料的焊接方面具有很重要的意义。计算机模拟技术的水平还决定了自动化焊接的范围。此外,计算机模拟还广泛用于分析焊接结构和接头的强度和性能等问题。


2.数据库技术与专家系统 用于焊接工艺设计和工艺参数的选择、焊接缺陷诊断、焊接成本预算、实时监控、焊接CAD、焊工考试等。


数据库技术目前已经渗透到焊接领域的各个方面,从原材料、焊接试验、焊接工艺到焊接生产。典型的数据库系统有焊接工艺评定、焊接工艺规程、焊工档案管理、焊接材料、材料成分和性能、焊接性、焊接CCT图管理和焊接标准咨询系统等。这些数据库系统为焊接领域内各种数据和信息管理提供了有利条件。


焊接专家系统主要集中在工艺制定、缺陷预测和诊断、计算机辅助设计等方面。现有的焊接专家系统中,工艺选择和工艺制定是最主要的应用领域,焊接过程的实时控制是重要的发展方向。


3.计算机辅助质量控制技术(CAQ) 用于对产品的数据分析、焊接质量的实时监测等。


另外,计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)在焊接加工中的应用也日益增加,主要用于数控切割、焊接结构设计和焊接机器人中。

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