焊接方法与设备绪论

1、绪 论一、焊接方法(fngf)的发展二、焊接(hnji)方法的分类三、熔焊方法的物理本质1共三十五页一、焊接(hnji)方法的发展古代(gdi)焊接技术 中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折，接合良好。 战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成。 据明朝宋应星所著天工开物一书记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热熔炼，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段锻焊大型船锚。 2共三十五页 西方早在青铜器时代就出现了焊接技术：人们把搭接接头通过加压的方式熔接在一起，制成圆形的小金盒子。到了铁器时代，埃及人和地中海东部地区的居民

2、已经掌握了将铁片焊接在一起的技术。 中世纪的西方出现了锻造技术，许多铁制品是通过锻焊的方法制造(zhzo)的，直到19世纪才出现真正的焊接技术。古代焊接(hnji)技术 3共三十五页近现代焊接(hnji)技术碳弧焊金属(jnsh)极电弧焊电阻焊和铝热焊美国焊接协会交流电源自动焊焊条气体保护电弧焊原子氢焊接方法螺柱焊埋弧焊钨极惰性气体保护电弧焊熔化极惰性气体保护电弧焊CO2气体保护电弧焊冷压焊摩擦焊超声波焊扩散焊等离子弧焊电子束焊电渣焊爆炸焊气电立焊激光焊4共三十五页 1881年，法国卡伯特实验室的Auguste De Meritens利用电弧产生的热量成功地焊接了蓄电池用铅板。他的学生-俄国人

3、Nikolai N Benardos和另一个俄国人Stanislaus Olszewski在1885年获得了一项英国专利权，在1887年获得了一项美国专利权。这些专利涉及的是一种早期的电极夹，他们的研究标志(biozh)着碳弧焊的开端。19世纪末20世纪初，碳弧焊开始得到广泛应用。 1800年，Humphry Davy爵士使用电池在两个碳极之间生成了电弧(dinh)。1836年，英国人Edmund Davy发现了乙炔。在19世纪中叶，电动机的发明使电弧(dinh)得到了广泛应用。19世纪末出现了气焊和切割，碳弧焊和金属极电弧(dinh)焊得到了发展。碳弧焊 Carbon arc welding

4、 5共三十五页 1890年，美国底特津的C L Coffin利用金属电极(dinj)（光焊条或光焊丝）进行电弧焊并获得了关于该工艺的首个美国专利权。其工艺原理是：电极(dinj)熔融金属穿过电弧，将填充金属沉积在接头中形成焊缝。与此同时，俄国人N G Slavianoff提出了同样的通过电弧传送金属的概念，不过他的方法是将金属浇铸在模具中。 金属(jnsh)极电弧焊 Metal arc welding 大约在1900年，英国人Strohmenger介绍了一种带药皮的金属电极。这种药皮只是一层薄薄的黏土或石灰，却可以使电弧更加稳定。1907-1914年间，瑞典的Oscar Kjellberg发明

5、了带药皮或涂层的焊条。 其制作工艺是：将短小的光铁丝浸润在碳酸盐和硅酸盐的浓溶液中，然后晾干涂层。6共三十五页电阻(dinz)焊 Resistance welding (RW) 19世纪末20世纪初，电阻焊技术得到(d do)发展，包括点焊、缝焊、凸焊和闪光对焊。Elihu Thompson是电阻焊的创始人，他在1885-1900年间申请了多项专利。7共三十五页 焊接(hnji)时，预先把待焊两工件的端头固定在铸型内，然后把铝粉和氧化铁粉混合物（称铝热剂）放在坩埚内加热，使之发生还原放热反应，成为液态金属（铁）和熔渣(主要为Al2O3)，注入铸型。液态金属流入接头空隙，形成焊缝金属，熔渣则浮在

6、表面上。为了调整熔液温度和焊缝金属化学成分，常在铝热剂中加入适量的添加剂和合金。铝热焊 Thermit welding (TW) 1903年，德国人Goldschmidt发明(fmng)了铝热焊并首次用于焊接铁路钢轨。 铝热焊具有设备简单、使用方便、不需要电源等特点，常用于钢轨、钢筋和其他大截面工件的焊接。8共三十五页铝热焊 Thermit welding (TW)9共三十五页 19世纪末20世纪初，气焊和切割技术也得到了完善。制氧技术、空气液化技术及1887年焊炬(吹管)的发明(fmng)，都促进了焊接和切割的发展。 1900年这前，人们使用的是氢气、煤制气和氧气的混合气。到了1900年，人

7、们发明了能够使用低压力乙炔气的焊炬。 第一次世界大战的爆发极大地推动了军用品的需求，焊接行业发展迅速，美国和欧洲成立了许多焊接设备和焊接制造公司。美国焊接协会(xihu)(American Welding Society, 简称AWS) 第一次世界大战结束后，Comfort Avery Adams带领战时焊接委员会的20名成员创建了美国焊接协会。该协会为非营利机构，其宗旨是推动焊接及相关技术的发展。 10共三十五页 中国焊接协会（英文名：CHINA WELDING ASSOCIATION，缩写CWA），于1987年5月在北京(bi jn)成立，为国家级协会。1991年5月中国焊接协会向民政部正

8、式提出社会团体登记申请。1991年7月11日民政部正式批准中国焊接协会作为中华人民共和国社会团体的注册登记。中国焊接(hnji)协会 中国焊接协会宗旨： 遵照党和国家关于发展国民经济的路线、方针、政策把会员单位组织起来，本着面向行业、面向企业、面向生产实际的原则，调动一切积极因素，加速焊接行业的技术进步，促进焊接专业化生产，提高焊接生产技术水平、管理水平和经济效益，在企业和政府之间发挥桥梁和纽带作用，反映企业的愿望和要求，协助政府部门搞好行业管理。11共三十五页 中国机械工程学会焊接学会是全国性的焊接专业学科及相关技术(jsh)工作者的学术性群众团体，是中国机械工程学会下属的专业学会，协会成立

9、于1962年。秘书处设在哈尔滨焊接研究所。中国(zhn u)机械工程学会焊接学会 宗旨：协会的宗旨是团结广大焊接及相关技术工作者，为提高学术水平，繁荣和发展我国焊接技术事业服务，为我国社会主义现代化做出贡献。12共三十五页交流电源 AC arc welding power source 1919年，C J Holslag发明了交流电源。但直到上世纪30年代人们开始(kish)大量使用厚药皮焊条时，交流电源才得到广泛应用。 1920年，美国通用电气公司的P O Nobel发明了自动焊，其在直流下送丝，利用电弧电压调节送丝速度(sd)。人们利用自动焊技术堆焊修复发动机机体和起重机轮。在汽车工业中，

10、自动焊技术还用于生产齿轮轴机架。自动焊 Automatic arc welding13共三十五页 上世纪20年代，人们发明了各种各样的焊条。那时，人们在厚药皮焊条是否优于薄药皮焊条的问题(wnt)上存在着很大分歧。A O Smith公司的Langstroth和Wunder采用挤出法生产了厚药皮焊条并于1927年投入使用。1929年，林肯电气公司生产了挤出型焊条并向业界出售。到1930年，带药皮焊条已经得到了广泛应用。焊接标准的出现对焊缝金属质量提出了更高的要求，增加了带药皮焊条的使用量。焊条(hntio) electrode 焊接时，空气中的氧气和氮气接触到熔融的焊缝金属会使焊缝变脆或产生气孔

11、。为解决这个问题，上世纪20年代，人们对如何通过外加气体保护电弧和焊缝区进行了大量的研究。气体保护电弧焊 Gas shielded arc welding14共三十五页 Alexander和Langmuir发明了原子氢焊接方法。开始他们用两个碳极，随后又改用钨极。其工艺原理是：首先，氢气在电弧中吸热分解成原子氢，然后被吹出，到达焊件表面又重新结合成分子氢，放出热量，靠此热量及电弧热形成熔池。该电弧的产热量是氧乙炔焰的1/2。这个焊接方法并未得到广泛应用，只是在上世纪30、40年代用于某些特殊用途的焊接，随后又用于焊接工具钢。 H M Hobart和P K Devers进行了类似(li s)的研

12、究工作，他们使用的是氩气和氦气。他们在1926年申请了钨极惰性气体保护焊的专利。他们还发明了一种同心喷嘴并通过该喷嘴送焊丝，这是熔化极气体保护焊的雏形。后人在很大程度上完善了这些工艺。原子氢焊接(hnji)方法 Atomic-hydrogen welding15共三十五页 1930年，纽约海军般厂中出现了螺柱焊技术。该技术主要用于将螺柱焊到金属甲板表面，然后(rnhu)通过螺纹连接甲板盖板，后来逐渐应用到造船业和建筑业中。螺柱焊 Stud welding 美国国家管道公司根据宾夕法尼亚州麦基斯波特的一家管道工厂的需要发明了埋弧焊技术。该技术用于焊接管道中的纵缝。1930年，Robinoff获得

13、了该技术的专利权，随后又将其卖给Linde气体产品(chnpn)公司。Linde气体产品(chnpn)公司将其更名为Unionmelt焊接技术。美国的般厂和军械厂都采用了埋弧焊技术，它是最高效的焊接方法之一，目前被人们广泛使用。 埋弧焊 Submerged-arc welding (SAW)16共三十五页17共三十五页 钨极惰性气体保护电弧焊（GTAW）源于C L Coffin在非氧化气氛中进行焊接(hnji)的概念，他在1890年申请了相关专利。上世纪20年代末，H M Hobart和P K Devers完善了这一概念，前者采用氦气，后者采用氩气。该工艺适于焊接(hnji)镁合金，也可用于焊

14、接(hnji)不锈钢和铝合金。1941年，Meredith完善了该工艺并申请了相关专利，他将其命名为Heliare焊接(hnji)技术。随后，Linde气体产品公司注册了该项技术并发明了水冷式焊枪。从此，钨极惰性气体保护电弧焊技术逐渐成为最重要的焊接(hnji)技术之一。钨极惰性气体(duxng q t)保护电弧焊 Tungsten inert gas arc welding (TIG) Gas tungsten arc welding (GTAW)18共三十五页钨极惰性气体(duxng q t)保护电弧焊 TIG焊/GTAW焊19共三十五页 1948年，在Linde气体产品公司的资助下，Ba

15、ttelle Memorial研究所成功地发明了熔化极惰性气体保护电弧焊技术。其原理(yunl)和钨极惰性气体保护电弧焊相同，只是将钨极换成了连续送给的焊丝。采用细丝和恒压增大了该工艺的使用范围。在此之前，H F Kennedy申请了熔化极惰性气体保护电弧焊的专利。最初其只用于焊接非铁金属，由于其熔敷效率高，后来有人开始尝试用其焊接钢材。当时惰性气体造价相对较高，人们没有找到其合适的替代品。熔化极惰性气体(duxng q t)保护电弧焊 Metal inert-gas arc welding (MIG)20共三十五页 1953年，Lyubavskii和Novoshilov宣布他们采用熔化电极，

16、在CO2气氛下进行了气体保护电弧焊。由于CO2气体保护电弧焊可以利用熔化极惰性气体保护焊的设备，因此立即受到了人们的欢迎。现在可用于焊接钢，十分经济。 CO2弧是一种高热弧，焊丝直径较大，需要相当大的焊接电流。随着小直径焊丝和更完善的焊接电源的使用，CO2气体保护电弧焊开始得到广泛应用。后来又出现了细丝CO2焊和短路过渡CO2焊，采用这些工艺(gngy)可以进行薄板全位置焊接，不久CO2焊就成为了最受欢迎的熔化极气体保护电弧焊工艺(gngy)。CO2气体(qt)保护电弧焊CO2 Shielded Arc Welding21共三十五页 20世纪60年代早期，有人将惰性气体+少量氧气混合作为保护气

17、体，从而获得喷射型电弧过渡。后来又有人采用脉冲电流产生脉冲电弧，以熔化金属并控制熔滴过渡。 后来人们又发明了一种特殊的焊丝。这种焊丝被称为内-外型焊丝，其横截面为管状，里面装有药粉。该工艺名为“ 双保护焊”（Dualshield），除了外加的保护气体，焊丝中的药芯也可以产生保护。Bernard在1954年就宣布了这一工艺，但直到1957年才申请专利，美国国家管道天然气公司采用了这项技术。 1959年，有人发明了不需要外加气体的内-外型焊丝。该工艺名为Innershield，由于无需采用外加气体，被广泛用于焊接(hnji)质量要求较低的焊接(hnji)中。22共三十五页 1953年，美国的Hun

18、t发明了冷压焊，其原理是：在没有外部热源或电流作用条件下，仅仅利用在室温下对工件施加压力的方法，使金属产生(chnshng)塑性变形而实现固态连接。常用于铝片(丝) 的焊接。冷压焊 Cold Pressure Welding (CPW) 1956年，前苏联的丘季科夫发明了摩擦焊技术，其利用焊件接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生(chnshng)的热，使端部达到热塑性状态，从而完成焊接。也称为惯性焊。 爆炸焊对工件表面清理要求不太严，而结合强度却比较高，适合于焊接异种金属。 摩擦焊 Friction Welding (FW)23共三十五页 1957年，前苏联的卡扎克夫发明了扩散焊，其原理是：两

19、焊件紧密结合，在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互(xingh)扩散完成焊接。包括过渡液相扩散焊、热等静压扩散焊、热轧扩散焊、扩散缝焊、热塑成形扩散焊等。扩散(kusn)焊 Diffusion Welding (DW) 1957年，Robert F Gage发明了等离子弧焊。其原理是：利用等离子弧焊炬，将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧，其温度高于钨极气体保护焊的电弧，也用于金属喷涂和切割。 等离子弧焊 Plasma Arc Welding24共三十五页 1958年，前苏联在比利时举行的布鲁塞尔世界博览会上宣布了电渣

20、焊工艺。前苏联自1951年就开始采用电渣焊，但是在美国人R K Hopkins的研究(ynji)工作的基础上实现的，后者在1940年获得了相关专利权。乌克兰基辅的巴顿研究(ynji)所和捷克布拉格的焊接研究(ynji)实验室完善了电渣焊的工艺及设备。芝加哥通用发动机公司的电动部首次采用电渣焊，该公司将其称为电成型工艺。1959年，有人采用电渣焊组焊柴油发动机。 电渣焊的焊接效率较高，适合焊接大壁厚、大断面构件。电渣焊 Electro-slag Welding (ESW)25共三十五页 1959年，美国斯坦福研究所成功地研究出了爆炸焊，其利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞，从而(cng

21、r)实现焊件的连接。包括爆炸点焊、爆炸线焊、多层板爆炸焊、多层管爆炸焊等。爆炸(bozh)焊 Explosive Welding (EW)26共三十五页 1961年，Arcos公司推出了另一种立焊方法，称为气电立焊。该工艺可以采用电渣焊的设备，不同的是需采用药芯焊丝和外加气体。其优点是：生产率高，成本低。与窄间隙焊的主要区别在于焊缝一次成形，而不是多道多层焊。 气电立焊的能量密度比电渣焊高且更加集中，焊接技术却基本相同。它利用类似于电渣焊所采用的水冷滑块挡住熔融的金属，使之强迫成形，以实现立向位置的焊接。通常采用外加单一气体(如CO2)或混合气体如(Ar+O2)作保护气体。 在焊接电弧和熔滴过

22、渡(gud)方面，气电立焊类似于普通熔化极气体保护焊（如CO2焊、MAG焊），而在焊缝成形和机械系统方面又类似于电渣焊。气电立焊与电渣焊的主要区别在于熔化金属的热量是电弧热而不是熔渣的电阻热。 气电立焊 Electrogas (arc) Welding27共三十五页 激光焊是一种以聚焦的激光束作为能源轰击焊件接缝所产生的热量进行焊接的方法。其作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，可以应用到机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金(fn m y jn)、生物医学、微电子行业等诸多领域。激光(jgung)焊 Laser Beam Welding 随着电源种类、焊接材料、各种新技术的发展，焊接朝着新设备、新材料、高效、高质、环保、节能、自动化、智能化、柔性化的方向发展。28共三十五页二、焊接方法(fngf)的分类29共三十五页1、熔焊(rn hn) 在不施加压力的情况下，将母材加热(ji r)熔化形成焊缝的焊接方法。30共