金属连接成形.Convertor

材料加工工程系刘少平制作材料热加工基础材料科学与工程学院辽宁工程技术大学第三篇金属的连接成形第一章金属连接成形原理及途径第二章连接成形的主要工艺第三章常用金属材料的焊接第三篇金属的连接成形目录第一章连接成形原理及途径一、连接成形的本质连接成形工艺有：①可拆式连接：螺栓连接、摩擦连接②不可拆式连接：焊接、粘接、铆接其中焊接是现代制造技术中重要的金属连接技术。焊接成形技术的本质在于：利用加热或加压的方法，使分离的物质通过原子间或分子间的结合，彼此接近晶格的距离（0.3～0.5nm）形成金属键并产生原子或分子间的结合力，从而成为一体的工艺方法。§1金属连接成形原理二、连接成形的特点与切削加工、压力加工、铸造、热处理一起构成了现代金属加工技术。在汽车、船舶、飞机、航天、石油化工、桥梁、建筑、交通、电力电子等部门得到广泛的应用。与铆接比有如下特点：1、连接性能好。焊接接头的力学性能、耐高低温、高压性能和导电性、耐腐蚀性、耐磨性、密封性等均可达到与母材性能一致。例，120万kW核电站锅炉，外径6400mm，壁厚200mm，高13000mm，耐压17.5MPa。使用温度350℃2、与铆接相比，结构重量轻，节约材料，制造周期短，成本低。简化工艺，能以小拼大，被喻为神奇的“钢铁裁缝”。3、焊接的不足之处①结构无可拆性。②焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比会发生变化；焊接接头产生焊接残余应力、焊接变形和焊接裂纹等缺陷。③焊接缺陷的隐避性，如裂纹、气孔、未熔合和未焊透、夹渣等，容易导致焊接结构的早期破坏。如比利时大桥、采油平台、储罐等。（一）液相焊接利用热源加热待焊部位，使之发生熔化，凝固结晶后实现原子间结合。熔化焊属于最典型的液相焊接。除了被连接的母材（同质或异质）、还可填加同质或非同质的填充材料。常用的填充材料是焊条或焊丝。§2连接成形途径和方法一、焊接方法的分类大多数焊接方法都需要借助加热或加压。或同时实施加热和加压，以实现原子结合。从冶金的角度来看，可将焊接分为三大类：（二）固相焊接固相焊接属于典型的压力焊方法。因为固相焊接时，必须利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊表面的温度升高（但一般低于母材金属熔点），通过调节温度、压力和时间以保证充分进行扩散而实现原子间结合。在预定的温度（利用电阻热、摩擦热、超声振荡等）紧密接触时，金属内的原子获得足够能量、增大活动能力，可在待焊界面上进行相互扩散，从而形成固相连接接头。（三）固－液相焊接固－液相焊接，就是待焊表面并不直接接触，而是通过两者毛细间隙中的中间液相相互联系。于是，在待焊的同质或异质固态母材与中间液相之间存在两个固－液界面，通过固－液相间原子充分扩散，可实现原子间的结合。钎焊即属此类，形成中间液相的填充材料称为钎料。根据钎料熔点不同可分为：（1）软钎焊熔点低于450℃（2）硬钎焊熔点高于450℃二、焊接热源的种类及特征1、电弧热利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，是目前焊接热源中应用最为广泛的一种，如手工电弧焊、埋弧自动焊等。2、化学热利用可燃气体（氧、乙炔等）或铝、镁热剂燃烧时所产生的热量作为焊接热源，如气焊。这种热源在一些电力供应困难和边远地区仍起重要的作用。3、电阻热利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源，如电阻焊和电渣焊。采用这种热源所实现的焊接方法，都具有高度的机械化和自动化，有很高的生产率，但耗电量大。4、高频热源对于有磁性的被焊金属，利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实质上也属电阻热。由于这种加热方式热量高度集中，故可以实现很高的焊接速度，如高频焊管等。5、摩擦热由机械摩擦而产生的热能作为焊接热源，如摩擦焊。6、电子束在真空中，利用高压高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源，如电子束焊。7、激光束通过受激辐射而使放射增强的单色光子流，即激光，它经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源。焊接方法熔化焊压力焊钎焊气焊电弧焊电渣焊电子束焊激光焊手工电弧焊气体保护焊埋弧焊氩弧焊CO2焊电阻焊摩擦焊扩散焊高频焊点焊缝焊对焊烙铁钎焊火焰钎焊炉中钎焊焊接方法的分类§3熔焊原理及过程一、熔化焊的本质及特点所有的焊接方法中，熔焊是目前焊接生产中应用最多的一类焊接方法。对大型、高参数（高温、高压下运行）设备，如大吨位船舶、舰艇、发电设备、核能装置、锅炉、化工容器等的制造中，几乎全部采用熔焊。

熔化焊是焊接利用热源将分离的两个固态物质局部加热到熔化状态，形成熔池，随热源的移动，熔池也随之移动，熔池中的液态金属逐步冷却结晶后形成焊缝，从而将两个焊件连接成一个整体的焊接方法。其实质是达到原子间距0.3~0.5nm。在熔焊过程中，焊接热源首先将焊接处的母材及填充金属加热熔化形成熔池，熔池金属与周围的高温固体母材金属紧密接触，充分的浸润，待焊接热源离开，温度降低，液态的熔池金属冷却凝固，形成同母材长合在一起的联生结晶，成为原子结合的接头。形成熔池形成焊缝和接头二、熔化焊的三要素1、热源能量要高度集中，温度要高。以保证金属快速熔化，减小热影响区。常用的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。2、熔池的保护可分为渣保护、气保护和渣—气联合保护三种方式。起到防止氧化，脱氧、脱硫、脱磷和焊缝合金化作用。3、填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素，并达到力学性能。主要有焊芯和焊丝。三、焊接接头的组织与性能1-焊缝区2-熔合区3-热影响区4-母材熔焊热源在熔化焊缝区金属的同时，向工件金属传导热量，必然引起附近未熔化区域金属的组织和性能发生变化。这个受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域叫热影响区。低碳钢一般分为四个区域：熔合区、过热区、正火区和部分相变区。（一）不易淬火钢低碳钢和某些低合金钢（不易淬火钢）的HAZ（HeatAffectedZone）可分为四个区：1、熔合区也叫做半熔化区。是焊缝与母材相邻的部位（温度处于固液相线之间），范围很窄。在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，对焊接接头的强度、韧性都有很大的影响。Q235双面埋弧焊20×2、过热区温度范围处在固相线以下1100℃韧性很低，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或渗碳体从奥氏体晶界沿一定晶面向晶内生长并呈针片状析出。452×452×3、相变重结晶区也叫正火区。母材金属加热到Ac3温度以上的区域，发生重结晶（即铁素体和珠光体全部转变为奥氏体），在空气中冷却就会得到均匀而细小的珠光体和铁素体。在HAZ中塑性和韧性都最好，所处的温度范围约在Ac3~1000℃20×20钢双面埋弧焊452×4、不完全重结晶区热影响区中处于Acl~Ac3之间范围内。只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分始终未能溶入奥氏体的铁素体，成为粗大的铁素体。晶粒大小和组织不均匀，力学性能不佳。250X452×（二）易淬火钢1、完全淬火区处于Ac3以上的区域。钢的淬硬倾向较大，焊后得到淬火组织（马氏体）。靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），晶粒严重长大，得到粗大的马氏体。相当于正火区的部位得到细小的马氏体。15MnV600×过热区：板条M+A′焊缝区和过热区2、不完全淬火区母材被加热到Acl~Ac3温度之间的热影响区。原铁素体保持不变，有不同程度的长大，形成马氏体-铁素体的组织。3、回火区（低于Acl以下的区域）如果母材在焊前是调质状态，低于焊前调质温度的部位，其组织性能不发生变化。热影响区高于此温度的部位，组织性能将发生变化，出现软化现象（也叫回火软化区）。5000×30CrSiNiMoVA过热区电镜焊缝属铸态组织，由于按等强原则选择的焊接材料，强度不低于母材，韧度也接近母材，只是塑性略有降低。塑性和韧度最低区域是熔合区和过热区。原因是晶粒粗大、拉应力也最大，是接头中最薄弱的部位。改善的途径是：合理选择焊接方法、接头形式与焊接规范；控制焊后冷却速度；尽量减小热影响区范围、细化晶粒以降低脆性；可焊后热处理改善接头的组织和性能；尽量选择低碳、低氢的焊接材料和低碳、低硫和磷的母材。（三）改善焊接接头组织和性能的途径由于焊接局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，导致在焊接结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因；焊接变形使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求，直接影响结构的制造质量和使用性能。变形是物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化。应力是存在于物体内部的、受外力作用或其他因素引起物体内部之间相互作用力，叫做内力。物体单位截面积上的内力叫做应力。四、焊接应力与变形（一）焊接应力与变形产生的原因1、焊件的不均匀受热（1）长板条中心加热引起的应力与变形①基本规律：加热时，焊缝区受压应力，两边受拉应力，焊件沿焊缝长度方向增长。

②基本原因：焊接时对焊件进行了局部不均匀加热，焊接区金属的膨胀、收缩受到阻碍所致。（2）长板条一侧加热引起的应力与变形2、焊缝金属的收缩3、金属组织的变化4、焊件的刚性和拘束（二）焊接变形的种类及其影响因素焊接变形分为5种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。焊接变形的基本形式1、收缩变形焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形。（1）纵向收缩变形（2）横向收缩变形横向收缩变形纵向收缩变形纵向收缩纵向收缩2、角变形角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。3、弯曲变形弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称、焊缝的收缩沿焊件宽度方向分布不均匀而引起的。（1）纵向收缩引起的弯曲变形（2）横向收缩引起的变曲变形4、波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过程中，又称之为失稳变形。工字梁的扭曲变形5、扭曲变形产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。（三）控制焊接变形和应力的措施1、焊前预热目的是减小各部分温差，降低接头冷却速度，从而减小焊接变形。预热温度一般在400℃2、选择合理的焊接顺序（1）尽量使焊缝自由收缩，减小残余应力（2）对称焊缝采用分散对称焊3、加热减应区600~700℃在焊接前加热图示减应区，焊接后，整个框架在热塑性状态下缩短，应力释放。图示中部杆件断裂，由于结构刚性大，焊缝不能自由收缩，焊接后仍易开裂，若选框架左右两杆中段为减应区，加热后框架膨胀并使断裂的间隙增大，焊后焊缝与减应区一起冷却收缩，这样就可以消除或减小焊接应力。被加热的部位叫做“减应区”。适合于铸铁的焊补。4、反变形法焊前预测焊接变形量和变形方向，在焊前组装时将被焊工件的焊接方向变形相反的方向进行人为的变形，已达到抵消焊接变形的目的。5、刚性固定法利用卡具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件减少焊接变形。（四）消除焊接变形和应力的措施1、消除焊接应力的方法（1）锤击焊缝焊后用圆头小锤对红热状态的焊缝锤击，以延展焊缝，使应力得以释放。（2）焊后热处理（焊后回火）去应力退火，效果较好。碳钢或低合金钢整体加热到580~680℃（3）机械拉伸微量塑性拉伸降低残余应力。如水压试验1.2~1.5倍工作应力。2、矫正焊接焊接变形的措施（1）机械矫正利用压力或锤击产生塑性变形，以抵消焊接变形。适合塑性好、厚度不大的焊件。（2）火焰矫正利用氧乙炔焰加热拉应力小三角区，通过塑性变形释放应力。加热温度一般600~800℃（一）焊接缺陷焊接过程中，由于设计、工艺及操作不当所产生的不符合标准要求的弊端。影响焊缝的美观、减小有效的承载截面积、造成应力集中等，直接影响焊接结构使用过程中的可靠性。按其位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。按危害的程度，可分为面积型和体积型缺陷。

通常将缺陷分成六种类型，分别是：裂纹、孔穴、固体夹渣、未焊透和未熔合、形状缺陷和其它缺陷。五、焊接缺陷与检验GB6417-86金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明1、焊接裂纹在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，是焊接结构中最危险的缺陷。1－热影响区2－纵向裂纹3－间断裂纹4－弧坑裂纹5－横向裂纹6－枝状裂纹7－放射状裂纹按裂纹的外观形貌和产生的部位分横向、纵向、弧坑、放射状、枝状和间断裂纹等。按裂纹产生的温度范围划分热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。2、气孔焊接时，熔池中的气泡在凝同时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔。从形状上分，有球状气孔、条虫状气孔；从数量上可分单个气孔和群状气孔。群状气孔又有均布气孔，密集状和链状分布气孔之分；按气孔内气体成分氢气孔、氮气孔、二氧化碳气孔、一氧化碳气孔、氧气孔等。位置….危害：气孔减少焊缝有效截面积，使焊缝疏松，从而降低了接头的强度，降低塑性，还会引起泄漏。3、固体夹杂（1）夹渣焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣。其形状较复杂，一般呈线状、长条状、颗粒状及其它形式。主要发生在坡口边缘和每层焊道之间非圆滑过渡的部位。焊道形状发生突变或存在沟的部位也容易产生夹渣。（2）夹钨钨极氩弧焊时，使钨的颗粒进入焊缝金属中而造成夹钨，焊接镍铁合金时，则其与钨形成合金，即使用X射线探伤也很难发现。4、未熔合和未焊透（1）未熔合在焊缝金属和母材之间或焊道金属与焊道金属之间末完全熔化结合的部分称为未熔合。常出现在坡口的侧壁、多层焊的层间及焊缝的根部。（2）未焊透焊接时，母材金属之间应该熔合而未焊上的部分称为未焊透。出现在单面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边5、形状缺陷（1）咬边由于焊接参数选择不当，或操作工艺不正确，沿焊趾的母材部位产生沟槽或凹陷称为咬边。在立焊及仰焊位置容易发生咬边，在角焊缝上部边缘也容易产生咬边。（2）焊瘤焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外末熔化的母材上所形成的金属瘤称为焊瘤。存在于焊缝表面，在其下面往往伴随着未熔合、未焊透等缺陷。（3）烧穿和下塌焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷叫烧穿。烧穿容易发生在第一道焊道及薄板对接焊缝或管子对接焊缝中。穿过单层焊缝根部或在多层焊接接头中穿过前道熔敷金属塌落的过量焊缝金属称为下塌。烧穿下塌（4）错边和角变形由于两个焊件没有对正而造成板的中心的平行偏差称为错边。当两个焊件没有对正而造成它们的表面不平行或不成预定角度称为角变形。（5）焊缝尺寸、形状不符合要求尺寸缺陷指焊缝的几何尺寸不符合标准的规定。焊缝形状缺陷是指焊缝外观粗糙、鱼鳞波高低不等、宽窄发生突变、焊缝与母材非圆滑过渡等。6、其它缺陷（1）电弧擦伤在焊缝坡口外部引弧时产生于母材金属表面上的局部损伤。如果在坡口外随意引弧，有可能形成弧坑而产生裂纹。（2）飞溅熔化的金属颗粒和熔渣向周围飞散的现象称为飞溅。不同药皮成分的焊条和不同的焊接方法具有不同的飞溅损失。（二）焊接质量检验是焊接生产的重要环节，在焊前和焊接过程中对影响焊接质量的因素认真检查，以防止和减少焊接缺陷的产生。焊后根据产品技术要求和相关标准对缺陷和性能进行检验，确保安全运行。分破坏性检验和非破坏性检验两大类。破坏性检验分化学成分分析、金相组织分析、力学性能试验、化学性能检验等；非破坏性检验由于不对产品产生损害，因而在焊接质量检验中占有重要地位。非破坏性检验包括外观检验、致密性检验、射线检验、超声波检验、磁力探伤、涡流探伤、声发射检验、渗透探伤等。1、外观检查在一般通过肉眼观察，借助于标准样板、量规和放大镜等工具来进行检验。检验之前要将焊缝附近10～20mm上的飞溅及其它污物清理干净；合金钢焊接产品要进行两次，既焊后和经过15～30天以后；对未填满的弧坑要特别仔细检查，因可能会有星形散射状裂纹。测焊缝余高测焊脚的高度测角焊缝有效厚度2、致密性检验在储存液体或气体的焊接容器，其贯穿型缺陷如裂纹、气孔、夹渣、未焊透等，可用致密性检验来发现。（1）煤油试验常用于检查敞开型容器、贮存石油、汽油的固定式储器和同类型的其它产品。其方法如下：在比较容易修补和发现缺陷的一面，将焊缝涂上白粉水溶液，干燥后，将煤油仔细的涂在焊缝的另一面上。煤油粘度和表面张力小、渗透性强，有透过极小的贯穿性缺陷的能力，有贯穿性缺陷时，在白粉涂过的表面上显示油斑。（2）载水试验常用于不受压力的容器或敞口容器的检查。其方法如下：将容器的全部或部分充水，观察表面是否有水渗出，如没有视为合格。（3）水冲试验常用于检查大型敞口容器如船体甲板密封性的检查。方法如下：在焊缝的一侧用高压水流喷射，另一面观察是否有水渗出。喷射方向与焊缝表面夹角不应小于70°，喷嘴直径要大于15mm，水压应是垂直面上的反射水环直径大于400mm。检查垂直焊缝时要从下到上。（4）沉水试验常用于检查小型容器，如飞机、汽车的汽油箱等。方法如下：将工件浸入到水中，然后充灌压缩空气，为便于发现缺陷，被检焊缝要在水下约20～40mm的深处，当有贯穿性缺陷时，有缺陷的部位有气泡出现。（5）吹气实验其方法如下：用压缩空气对焊缝的一面猛吹，在焊缝的另一侧涂上肥皂水，有缺陷时产生肥皂泡。压力要大于405.3kPa（4个大气压），距离小于30mm。3、受压容器的整体强度检验用来检验焊接产品的接头强度是否符合产品的设计强度要求。常用于贮存液体或气体的受压容器的检查上。可分两类：一类是破坏性强度试验；另一类是超载试验。破坏性试验时试验载荷的性质与工作载荷性质相同，负载要加到破坏为止，用破坏载荷和正常工作载荷的比值说明产品的强度情况，达到或超过为合格；超载试验时，对产品所加载荷超过工作载荷的一部分，如25％、50％观察焊缝是否出现裂纹及产品变形的部分是否符合要求来判断是否合格。受压容器要求100％接受这种检查。（1）水压试验用作焊接容器的致密性和强度试验。试验时，将容器充满水，彻底排除空气，用水压机加一静水压力，一般为工作压力1.25～1.5倍。持续一定时间降到工作压力，并用0.4～0.5Kg的小锤沿焊缝边缘15～20mm的地方轻轻敲击，发现漏水或潮湿为不合格。（2）气压试验也用作焊接容器的致密性和强度试验。比水压试验更为灵敏，但危险性远大于受压试验，试验时，气压一般为工作压力1.05倍，且必须要采取安全措施。基本原理：铁磁材料被磁化后，其表面和近表面的缺陷处磁力线发生变形，逸出工件表面，用一定方法将漏磁场检测出来，在合适光照下目视可见的磁痕，进而确定缺陷的位置、形状、大小和深度。4、表面缺陷的检验（1）磁力探伤磁力探伤是通过对铁磁材料进行磁化所产生的漏磁场，来发现表面或近表面缺陷的无损检验法。包括磁粉法、磁敏探头法和录磁法。通过在被检工件表面涂敷含有着色剂或荧光物质且具有高度渗透能力的渗透液，在液体对固体表面的湿润作用和毛细管作用下，渗透液渗入被检工件表面开口缺陷中，然后将工件表面多余的渗透液清洗干净，待工件干燥后再在工件表面涂上一层显像剂，将缺陷中的渗透液在毛细作用下重新吸附到工件表面，从而形成缺陷的痕迹。通过直接目视等方法，观察缺陷痕迹或荧光图像对缺陷进行评定。（2）渗透探伤渗透清洗显像检测着色探伤的探伤过程预清洗渗透清洗干燥显像观察射线探伤是利用X射线或γ射线可以穿透物质和在物质中有衰减的性质来发现物质内部缺陷的一种无损探伤方法。按所使用的射线源种类，分X射线探伤、γ射线探伤、高能X射线等。5、内部缺陷的无损探伤（1）射线探伤X射线产生装置示意图1-高压变压器2-灯丝变压器3-X射线4-阳极5-X射线管6-电子7-阴极γ射线是由放射性物质（60Co、192Ir等）内部原子核的衰变过程产生的。最常用的射线照相法探伤是根据被检工件与其内部缺陷介质对射线能量衰减程度的不同，使得射线透过工件后的强度不同，使缺陷能在射线底片上显示出来的方法。射线照相法原理1-X射线2-工件3-胶片4-底片黑度变化射线照相法探伤过程按其工作原理分脉冲反射法等；按显示缺陷的方式分A型、B型、C型和3D型显示超声波探伤等；按所使用的波型可分为纵波法、横波法、表面波法和板波法探伤；按声耦合的方式可分直接接触法和液浸法超声被探伤等。（2）超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等特性来发现缺陷的一种无损检测方法。主要用于检测金属或非金属材料的内部缺陷。具有成本低、操作方便、检测厚度大、对人和环境无害等优点。但也存在如探伤不直观、难以确定缺陷的性质、评定结果在很大程度上受操作者技术水平和经验的影响及不能给出永久性记录等缺点。当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好耦合时，机械振动就以超产波形式传播进去，用于发射。反之当晶片受到超声波作用（实际上使遇到异质界面反射回来）而发生伸缩变形时，正压电效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，用于接收。超声波是频率大于20000Hz的机械振动在弹性介质中的一种传播过程。因此，是超声频率的机械波。探伤中常用的超声波其频率为0.5~10MHz。脉冲反射法是应用最广的方法。其基本原理是将一定频率间断发射的超声波（称脉冲波）通过一定介质（称耦合剂）的耦合传入工件，当遇到异质界面（缺陷或工件底面）时，超声波产生反射，回波（反射波）为仪器接收并以电脉冲信号在示波屏上显示出来，由此判断缺陷的有无，以及进行定位、定量和评定。利用压电效应使压电晶片发射和接收超声波，使发现缺陷成为可能。其装置是超声波探头也叫换能器。A型显示脉冲反射法超声波探伤主要特点是示波屏上纵座标代表反射波的振幅，横坐标代表超声波的传播时间。它虽不能实现缺陷成象的目的，但却是脉冲回波超声波成象的基础。A型脉冲反射式超声波探伤仪原理框图超声波探伤过程超声波探伤过程超声波探伤过程第二章连接成形的主要工艺§1电弧焊利用电弧作为焊接热源的熔化焊方法，称为电弧焊。一、焊接电弧的物理基础（一）电弧的产生电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。气体导电必须具备两个条件：①两电极之间有带电粒子；②两电极之间有电场。带电粒子在电场作用下运动形成电流，从而使两电极之间气体空间成为导体，形成电弧。焊接电弧气体放电现象条件有带电粒子电极两端有电压降（碰撞传递能量）气体电离阴极电子发射气体的电离：热电离、场致电离、光电离。阴极电子发射：热发射、场致发射、光发射和粒子碰撞发射。1、电弧结构及压降分布焊接电弧分为三个区：阴极区、阳极区和弧柱区。阳极和阴极上有阴极斑点和阳极斑点（电流密度大，温度高，发出光亮的点），各区分布如下：1）弧柱区的温度最高，但热量大部分通过对流的形式流失了，对加热工件的贡献不大，焊接时主要应用两极产热。（二）电弧的构成及特性电弧焊焊接过程2）阴极区的热量用于对阴极加热，这部分热量可用于加热填充材料或工件；3）阳极区的热量主要用于加热工件和填充材料，多数情况下，阳极区和阴极区相比，阴极区产热量相对较高。其压降分布如图，电弧电压为Ua：Ua=UA+UC+UK1）弧柱对整个的焊接电弧起到主要的作用。2）当电流一定时，电弧电压大小与电弧的弧长成正比。弧长增加，电弧电压增大。2、电弧的静特性一定长度的电弧稳定燃烧时，电弧电压稳定值与电流稳定值之间的关系，称为电弧的静特性。电弧电阻随电流变化而变化，不是定值，可认为电弧是一种非线性电阻负载，不符合Ω定律。1）电流较小时，曲线下降，呈负阻特性；2）电流中等大小时，曲线平缓，等压特性；3）电流较大时，上升特性。由于两极区压降一般不随电流的变化而变，而当弧长变化时，弧柱压降增高，所以当电弧长度变化时，电弧静特性曲线要上下平行移动。通常一种焊接方法对应曲线的一段。如：（1）手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等，一般工作在静特性曲线的水平段；（2）细丝熔化极气体保护焊，工作在上升段。U/VI/A0（三）电弧中的能量平衡借助于电弧的产生，电弧将热能转换成热能、机械能和光能。其中热能用于熔化焊接部位；机械能用于熔池的搅拌、加速冶金反应、控制焊缝成形等；光能对焊接没有贡献，只是弧光。1、电弧的产热单位时间能电弧产生的热量与各极区有关：阴极区PK=I（UK－UW－UT）阳极区PA=I（UA+UW+UT）弧柱区PC=IUC电弧总的热量为Pa=I（UA+UC+UK）=IUa2、电弧的产力电弧不仅是热源，而且也是力源，可产生各种作用力。1）电磁收缩力电流限之间相互吸引；2）等离子流力焊接电弧呈锥形，沿轴线方向的弧柱截面是变化的，产生压力差，使高温气流流动；3）斑点力当电极上形成斑点时，由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上将产生斑点力。此力在一定条件下将阻碍过渡。4）爆破力短路过渡液桥爆断。5）细熔滴冲击力富氩气体射流过渡时。二、手工电弧焊手工电弧焊是利用手工操纵电焊条进行焊接的电弧焊方法。手工电弧焊适用范围非常广泛，设备简单，是最常用的焊接方法之一。（一）焊接过程及特点手工电弧焊焊接过程特点1）设备简单，应用灵活方便，可以进行各种位置及各种不规则焊缝的焊接；2）焊接厚度一般在3～20mm之间，生产率较低，焊接质量很大程度上取决于焊工的操作技能；3）适合全位置焊接；4）焊工需要在高温、尘雾环境下工作，劳动条件差，强度大；5）速度慢，生产率低。1、焊条的选用原则1）考虑工件的物理、力学性能和化学成分。2）考虑工件的工作条件和使用性能。对于承受动载荷和冲击载荷的工件，除了要保证抗拉强度和屈服强度外，对冲击韧性、塑性均有较高要求，此时应选用低氢型焊条。3）考虑改善焊接工艺。碱性焊条对操作技术及施工准备要求高，允许情况下优先采酸性焊条。4）考虑经济性。保证使用性能的前提下，选价格低廉的。根据我国矿藏资源，大力推广使用钛铁矿型焊条。（二）焊条5）考虑效率。对焊接工作量大的结构，有条件时尽量采用高效率焊条如底层焊条、立向下焊条之类的专用焊条。6）考虑工件的复杂程度、刚度大小、焊接坡口制备和焊接部位等。优先选用氧化性强，对铁锈和油污反应不敏感的酸性焊条，防止缺陷。2、焊条的组成与作用它由心部的金属焊芯和表面药皮组成。焊条组成示意图1-焊芯2-药皮3-夹持端4-引弧端为便于引弧在焊条前端药皮有45°左右的倒角，尾部有一段裸焊芯，约占焊条总长1/16，便于焊钳夹持并有利于导电。焊条的直径（实际上是指焊芯直径）通常为2、2.5、3.2、4、5、6mm等几种规格，常用的是个3.2、4、5三种，其长度一般在250～450mm之间。（1）焊芯焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。是一根具有一定长度及直径的金属丝。焊接时，焊芯有两个作用：一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能；二是焊芯本身熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。（2）药皮压涂在焊芯表面的涂层称为药皮。有三方面作用。其一是机械保护，焊条药皮熔化后产生大量的气体，把熔化金属与空气隔绝开来。这些气体中绝大部分是还原性气体（CO、H2等），能在电弧区、熔池周围形成一个很好的保护层，防止氧、氮侵入，起到了保护熔化金属的作用；另药皮被电弧高温熔化后形成熔渣覆盖着熔滴和熔池金属。其二是冶金作用，通过熔渣与熔化金属冶金反应，除去有害杂质(如氧、氢、硫、磷)和添加有益的合金元素，获得合乎要求的机械性能。其三是改善焊接工艺性能使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、易脱渣等。3、焊条的分类焊条按用途分有碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、镍及镍合金焊条、堆焊焊条，特殊用途焊条等。熔渣的特性分酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条容易脱渣，有良好工艺性能，飞溅小，电弧稳定，焊缝成形美观，交、直流机均可。缺点是焊缝的力学性能和抗裂性比碱性焊条差，尤其是塑性和韧性较差。碱性焊条的工艺性能稍差，电弧不稳定，不易脱渣，对油、锈、污敏感，只能采用直流电源。但具有抗裂性好、去氢性较强，故又称为低氢型焊条，且焊缝金属力学性能高。4、焊条型号及牌号型号是国标中的焊条代号按GB5117-1995和GB/T5118-1995规定表示，碳钢焊条和低合金钢焊条型号用一个大写字母和四位数字表示。首位字母“E”表示焊条；此后的前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊条的焊接位置。“0”及“1”表示焊条适用于全位置焊接（平焊、立焊、仰焊、横焊）；“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；第三和第四位数字组合表示焊接电流种类及药皮类型。如：E4315表示焊缝金属σb≥43kgf/mm2，适用于全位置焊接，药皮类型是低氢钠型，电流种类是直流反接。型号药皮类型焊接电流焊接位置适用范围E4303钛钙型直流或交流全位置焊接低碳钢结构E4322氧化铁型直流或交流平焊焊接低碳钢结构E5015低氢钠型直流反接全位置焊接重要的低碳钢和中碳钢结构E4316低氢钾型直流反接或交流全位置焊接重要的低碳钢结构E5003钛钙型直流或交流全位置焊接重要的低碳钢和中碳钢结构E7015低氢钠型直流反接全位置焊接重要的低碳钢和中碳钢结构几种常见碳钢焊条的型号及适用范围牌号是焊条行业中现行的焊条代号。通常用一个大写的字母和三位数字表示，字母表示焊条的类别，前两位数字表示焊缝金属抗拉强度的最低值，单位为kgf/mm2，最后一位数字表示药皮类型和电流种类。如J422，“J”表示结构钢焊条，“42”表示焊缝金属抗拉强度不低于43kgf/mm2，“2”表示钛钙型药皮，直流或交流。型号牌号型号牌号E4303J422E5003J502E4316J426E5015J507E5016J506E6016J606E6015J607E7015J707常见焊条的牌号与型号对照（三）焊接工艺参数的选择包括：焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源种类和极性、焊接层数等。1、焊条直径焊条直径是指焊芯直径。焊条直径一般根据工件厚度选择。同时还要考虑接头形式、施焊位置和焊接层数，对于重要结构还要考虑焊接热输入的要求，在一般情况下，焊条直径与工件厚度之间有可参考的数据，如表所示。焊件厚度/mm234~56~12＞13焊条直径/mm23.23.2~44~54-62、焊接电源种类和极性的选择用交流电焊接时，电弧稳定性差。采用直流电焊接，电弧稳定、柔顺、飞溅少。但磁偏吹较交流严重。低氢型焊条稳弧性差，必须采用直流弧焊电源。用小电流焊接薄板时，也常用直流弧焊电源，因为引弧比较容易，电弧比较稳定。低氢型焊条用直流电焊接时，一般要反接。因为熔化焊方法阴极产热量大，所以反接比正接熔深大。堆焊时，一般采用正接，以提高焊条的熔敷率和减小熔深。3、焊接电流的选择应根据焊条类型、焊条直径、工件厚度、接头型式、焊接位置层数等因素综合考虑。直径/mm1.62.02.53.2456焊接电流/A25～4040～6550～80100～130160～210200～270260～3004、焊缝层数的选择在工件厚度较大时，往往需要进行多层焊。焊接层数主要根据钢板厚度、焊条直径、坡口型式和装配间隙等来确定，可作如下近似估算：n=δ/dn—为层数；δ—工件厚度（mm）；d—焊条直径（mm）5、电弧电压与焊接速度的控制电弧电压主要由电弧长度来决定：电弧长度越大，电弧电压越高；弧长越短，电弧电压越低。在焊接过程中，应尽量使用短弧焊接。焊接过程中，焊接速度应该均匀适当，既要保证焊透又要保证不焊穿，同时还要使焊缝宽度和余高符合设计要求。（1）电流增加，H增大，其次余高和熔宽；（2）电压增加，B显著增大，a和H略减；（3）焊速增加H和B明显减小，a略减。焊缝形状和尺寸对接接头和角接接头焊缝形状和尺寸H－焊缝熔深B－焊缝熔宽h－焊缝余高Ah－填充金属熔化面积AM－母材熔化面积（四）焊接成形工艺设计1、焊缝空间位置、接头和坡口形式（1）焊缝空间位置基本位置有平焊、横焊、立焊和仰焊4种。其中平焊位置施焊及操作最方便、焊接质量最容易保证，应尽量采用。平焊横焊立焊仰焊（2）操作姿势a）平焊b）立焊c）仰焊（3）运条方法整圈形（横焊）套圈形（仰焊）月牙形环形（立焊）往复直线形锯齿形圆圈形（平焊）焊接接头的基本形式有：对接、搭接、角接和T形接头。（4）接头基本形式和坡口基本形式对接接头角接接头T形接头搭接接头Ⅰ形坡口V形坡口X形坡口U形坡口双U形坡口当工件厚度较大时，无法焊透，需要开坡口。a)对接接头b)对接接头c)T形接头d)搭接接头焊缝的不同位置对焊接结构质量有重要影响。焊接结构中焊缝的位置，应遵循以下原则：（1）便于焊接操作要有足够的操作空间，即可达性。2、焊缝位置不合理合理焊缝位置的选择电弧焊点焊（2）焊缝要避开应力较大和应力集中部位右图除考虑应力集中的因素外，实际上也考虑了将角接头变成对接接头以及埋弧自动焊时焊剂的保护效果等问题。避开应力集中的部位避开受力最大的部位无折边封头碟形封头（3）焊缝应避免密集交叉压力容器设计规定，不能采用十字焊缝，而且焊缝与焊缝间要有一定距离。不合理合理（4）焊缝设置应尽量对称（对称焊缝最好能同时施焊）（5）尽量减少焊缝长度和焊缝截面（减少变形、成本，提高生产率）不合理合理（6）焊缝应尽量设置在平焊位置（7）焊缝应避开加工部位埋弧焊气体保护焊合理不合理不合理合理？？3、焊缝符号的标注焊缝符号的标注方法Ⅰ形坡口对接焊缝的标注V形坡口对接焊缝的标注（五）典型工艺设计实例结构名称：液化气钢瓶组成：瓶体、瓶嘴材料：20钢（或16Mn）壁厚：3mm生产类型：大量生产设计要点：瓶体要耐压，必须绝对安全。材料的焊接性不存在问题。关键技术是结构的成形和焊接。1、确定焊缝位置2、焊接接头设计焊缝多，工作量大，轴向焊缝处于拉应力最高位置合理瓶体与瓶嘴的焊缝：角焊缝（不开坡口）瓶体主环缝：衬环对接或缩口对接（V型坡口）3、焊接方法和焊接材料的选择瓶体环缝：埋弧焊（生产率高、质量稳定）焊接材料采用H08A、H08MnA，HJ431瓶嘴焊缝：手工电弧焊焊条采用E4303（20钢），E5015（16Mn）4、主要工艺过程落料拉深再结晶退火冲孔除锈装焊衬环、瓶嘴装配上、下封头焊主环缝正火水压试验气密试验5、瓶体焊接结构工艺图焊接结构工艺图内容：1、构成件的形状及其相互关系；2、各构成件的装配尺寸及板厚、型材规格；3、焊缝的符号和尺寸；4、焊接工艺的要求。另外还有：零件的成形工艺和焊接顺序卡片等。是以可以熔化的颗粒装焊剂作为保护介质，电弧掩埋在焊剂层下的一种熔化极电弧焊接方法。（一）埋弧焊的焊接过程埋弧焊焊接时，电弧被焊剂所包围。引弧、送丝、电弧沿焊接方向移动等过程均由机械完成。属于渣保护的电弧焊方法。与手弧焊相比：①用颗粒状焊剂取代焊条药皮；②用连续自动送进的焊丝取代焊芯；③用自动焊机取代焊工的手工操作。三、埋弧自动焊埋弧焊的焊接过程动画埋弧焊熔池的形成埋弧焊设备埋弧焊的小车埋弧焊的生产（二）埋弧焊的特点及应用1、主要优点1）生产效率高导电长度缩短，电流和电流密度显著提高，熔深能力和熔敷率都大大提高，单面一次焊透能力达20mm；焊剂和熔渣隔热作用，热效率大大增加。8~10mm钢板对接，单丝焊接速度达30～50m/h，手弧不超过6~8m/h。2）焊缝质量高因为熔渣隔绝空气的保护效果好，电弧区主要成分是CO2，焊缝中含氮量、含氧大大降低；参数稳定，焊缝成分稳定，力学性能比较好。3）劳动条件较好无弧光辐射。2、主要缺点1）由于保护要求，需堆积颗粒状焊剂，因此自动埋弧焊主要适用于水平面俯位焊缝焊接。2）目前埋弧焊焊剂的成分主要是MnO、SiO2等金属及非金属氧化物，同焊条手弧焊一样，难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。3）机动灵活性差，焊接设备也比手弧焊复杂些，一般短焊缝显不出生产效率高的特点，一般只适合于长和规则焊缝的焊接。4）埋弧焊电弧的电场强度较大，小于100A电流时电弧的稳定性很差。因此，不适宜焊接厚度小于1mm的薄板。（三）埋弧焊的焊接材料1、焊剂常用熔炼焊剂是将按配比混合的原料经火焰或电弧加热熔炼后制成的。温度1500~1600℃，期间发生碳酸盐分解、高价猛还原生成MnO并与SO2形成硅酸盐等反应。然后把熔融状焊剂倒入低于20℃的水中（湿法水化处理），或利用压缩空气吹成小颗粒（干法），也可干、湿法联合应用。水化处理后250~烧结焊剂又称非熔炼焊剂，不常用。2、焊丝埋弧焊及其它熔化极电弧焊焊丝与手弧焊条钢芯同属于一个国家标准。埋弧焊常用1.6~6mm实心焊丝。焊丝应注意分类保管，防止混用、错用。3、焊丝和焊剂的选配低碳钢埋弧焊焊接时可选高锰高硅型焊剂，配用H08MnA焊丝，或选用低锰、无锰型焊剂，配用H08MnA、H10Mn2焊丝，也可选用硅锰型烧结焊剂，配用H08A焊丝。低合金高强度钢可选中锰中硅或低锰中硅型焊剂，配适当强度的低合金高强度钢焊丝。也可选用硅锰型烧结焊剂，配用H08A焊丝。（四）埋弧焊工艺1、平板对接双面焊如能反转采用双面焊接以保证焊透。主要困难是第一面焊接时既需保证的足够熔深，又要防止熔池流溢或烧穿。具体方法有：1）悬空焊接法反面不加衬托，用于间隙小于1mm且不开坡口焊接。正面电流应小于反面电流，焊速则相反。2）焊剂垫法第一面焊允许预留较大间隙，焊接电流较大，熔深可达板厚60~70％。反面焊接时重要产品要挑焊根及清渣。3）薄钢带、石棉绳、石棉板等焊剂垫结构实例悬空双面焊工艺参数2、平板对接单面双面成形常用方法有以下四种：龙门压力架－焊剂铜垫法、水冷滑块铜垫法、热固化焊剂衬垫法及陶瓷衬垫法。3、角接焊缝T形接头和搭接接头角焊缝可用船形位置或斜角位置两种方法。前者焊丝处于垂直状态，熔池处于水平对称位置，焊缝成形条件好，但要求装配间隙小于1.5mm，否则易产生烧穿或满溢，电弧电压不宜过高，否则易咬边。后者对装配间隙要求相对较抵，但一次焊脚高度小于8mm，焊丝与腹板夹角最好保持在20~30°，为防止熔渣流出，电弧电压也不宜太高。（五）埋弧焊的分类分类依据分类名称应用范围按送丝方式等速送丝埋弧焊细丝高电流密度变速送丝埋弧焊粗丝低电流密度按焊丝数目或形状单丝埋弧焊常规对接、角接、筒体纵缝、环缝焊双丝埋弧焊高生产率对接、角接焊多丝埋弧焊螺旋焊管等超高生产率对接焊带极埋弧焊耐磨、耐蚀合金堆焊按焊缝成形条件双面埋弧焊常规对接焊单面焊双面成形埋弧焊高生产率对接焊，难以双面焊的对接焊埋弧焊焊接实例一埋弧焊焊接实例二埋弧焊焊接实例三埋弧焊焊接实例四压力容器环缝和纵缝的埋弧自动焊纵缝环缝压力容器焊接生产埋弧焊焊接实例五CO2焊可以认为是一种先进的焊接方法，是气体保护焊的一种。具有焊接质量好（含H量低）、效率高（约为手弧焊的2~5倍）、成本低（约为手弧焊的40%），易于实现过程自动化和实现全位置焊接等一系列优点。在国内外焊接领域应用日趋广泛，巳成为一种重要弧焊方法。它是以CO2气体为保护介质。焊丝做电极，焊丝是自动送进的。按操作方式可分半自动焊和自动焊；按焊丝直径分为细丝CO2焊（Φ0.51.2mm）和粗丝CO2焊（Φ1.65.0mm，多用于焊3~25mm厚钢板）。细丝用得多，主要用0.84.0mm薄板。四、CO2气体保护焊CO2焊原理示意图（一）CO2气体是最经济的焊接方法，CO2是酿造厂副产品，焊接成本低，0℃和101.3kPa，密度1.9768g由于CO2气体分解吸热，导致弧根收缩，对熔滴过渡起阻碍作用，加之与铁作用所生成的FeO如果熔入熔池或熔滴中，水与C作用生成CO，将引起飞溅和焊缝表面粗糙；同时CO2气体有氧化性，不能焊易氧化的有色金属和合金钢。与H作用生成OH有去氢作用。（二）气体保护焊气体流态气体是流体一种，从流体力学知道，在不同条件下，流体质点呈两种流态：—种为层流，指气体在管内呈有规则的层状或流束状运动，此时的气体质点在层次分明的平行层中运动，质点之间不产生相互干扰或混杂；另一种为紊流，指气体在管内流动时，气体质点之间相互干扰或搅混。显然，层流最好。但实践表明，要使得气体在管内流态转化成近似于层流，管子长度则必须大于圆管直径的25~50倍。在实际中很难实现，因此，采用近壁层层流和中间紊流的双重流态。短路过渡焊接主要工艺参数有；电弧电压、焊接电流、焊接回路电感、焊接速度、气体流量以及焊丝伸出长度等。（三）CO2焊熔滴过渡形式及规范1、短路过渡常在细丝、低电压、小电流的条件下实现。焊丝直径一般为0.6~1.4mm。随着直径增大，飞溅颗粒和飞溅数量都相应增大。生产中焊丝直径最大可选到1.6mm，大于1.6mm后，如再采用短路过渡，飞溅会相当严重，所以很少应用。直径0.81.21.6弧压181920电流100～110120～135140～180不同焊丝直径焊接规范在CO2电弧中，对于一定直径的焊丝，当电流增大到一定数值并配以适当电压后，熔滴可以较小的颗粒自由过渡到熔池中去，称细颗粒过渡。细颗粒过渡时电弧功率较大，穿透力强，母材熔深大，适合于焊接中等厚度及大厚度工件。焊丝直径电流下限电弧电压1.21.62.03.04.030040050060075034～45细颗粒过渡焊接仍采用直流反极性。2、细颗粒过渡不同焊丝直径焊接规范一种介于短路过渡和细颗粒过渡两者之间的过核形式，这就是混合过渡（或称半短路过接）。混合过接的电流和电压数值，比短路过渡大，比细颗粒过渡小。熔滴是以短路过渡为主，伴有少量颗粒过渡。由于熔滴过渡频率较低，熔滴尺寸较大，因而飞溅也较大；但比起短路过渡，母材输入热量多，熔深较大，所以在生产中可用于中等厚度工件的焊接。3、混合过渡短路过渡混合过渡细颗粒过渡飞溅率电流飞溅率的大小（四）气体保护焊的送丝方式a)推丝式b)、c)拉丝式d)推拉丝式补充两个（五）CO2焊设备CO2焊接实例一CO2焊接实例二氩气（Ar）是惰性气体，在高温下，既不同金属发生化学反应，也不溶于液态金属。但由于氩气没有还原性气体或氧化性气体的脱氧或去氢作用，所以对焊前的除油、去锈、去水等工作要求严格，否则易产生氢气孔，影响焊缝质量。氩弧焊使用的氩气要求纯度达99.9%。空气中含0.036％，是通过空气蒸馏获得。氩气导热系数很小，比重大于空气（25%），而且是单原于气体，高温时不分解吸热，所以电弧热量损失少。燃烧很稳定。分钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。五、氩弧焊1、钨极氩弧焊的特点是用高熔点的钨极与焊件间产生电弧作热源。电弧和熔池金属都处于氩气保护之中，使其不受周围空气的有害作用，焊接时填充焊丝在钨极前方填加，焊薄件（厚度小于3mm）时一般不需要开坡口和不需填充焊丝。（一）钨极氩弧焊（TIG）钨极氩弧焊电弧燃烧过程中，电极不熔化，故易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定，容易得到高质量的焊缝。2、钨极氩弧焊的应用TIG焊可焊材料范围广，几乎所有金属材料都可以进行TIG焊，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔活性金属（如锆、钽、钼、铌等）和异种金属的焊接。目前广泛用于飞机制适、原子能、化工、纺织等工业。钨极氩弧焊容易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成形，主要用于焊薄或厚件的打底焊。但由于钨电极的裁流能力有限，熔深浅，所以只适于小于6mm的工件。3、钨极氩弧焊电源极性的选择采用直流电流正接法：用于焊接低合金钢、不锈钢、耐热钢、钛合金等。采用直流反接焊接铝、镁合金薄板。采用交流电源：用于焊接铝、镁及其合金。具有“阴极破碎”作用，能有效清除表面氧化膜。用焊丝作电极，焊丝熔化后作焊缝填充金属，可用较大的电流，熔深较大，生产率高，适用于焊接厚度为3~25mm的工件。（二）熔化极氩弧焊（MIG）1、射流过渡熔化极氩弧焊实现射流过渡的条件是：富氩气体、直流反接、较高电弧电压。当电流达到某一临界值时，液态金属以及细小的熔滴、高速、沿电极轴向射向熔池，熔滴呈束流状，所以称射流过渡。其形成过程是：电流增加、弧根扩展，电流达到临界值时产生跳弧现象，电弧力开始促进熔滴过渡，熔滴体积急剧减小，过渡频率剧增。正面背面射流过渡规范焊接过程十分平稳，几乎没飞溅，保护效果好。但熔滴对熔池金属有非常强烈冲刷作用，中心部位熔深明显增大，容易形成指状熔深；所以在大电流焊铝及其合金时，有时焊缝出现起皱及黑粉现象。2、亚射流过渡熔化极氩弧焊亚射流过渡是一种中间的过渡区域，可见弧长短，电弧呈蝶形。如图，铝焊丝、焊丝直径1.6mm、电流250A、直流反接。飞溅小，熔滴对熔池冲击力较弱，焊缝呈碗状熔深，特别适于铝、镁及其合金的焊接。采用等速送丝，配合流特性电源，电弧具有固有弧长调节作用。但弧长范围小，需采用特殊系统。一、电阻焊原理及特点是压力焊中应用最广泛的方法，应用范围可大至宇宙飞行器，小至精细半导体元件和厚、薄集成电路；可焊接各种钢结构、钛合金、铜合金、铝合金、镁合金、难熔合金和烧结铝等材料。是利用电流流经工件接触面积邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，同时对焊接处加压完成焊接的一种方法。可分点焊、缝焊、凸焊、电阻对焊、闪光对焊等。其共同特点是电阻加热，在压力下焊合。§2电阻焊二、点焊（一）特点及过程1、大电流、短时间、加压状态下完成焊接，热量集中，焊接变形小，生产率高，成本低。2、不用填充材料，适用性强。3、操作简单，易于机械化化自动化。4、工件依靠尺寸不大的熔核连接，其焊缝质量受熔核尺寸、组织及分布的影响。点焊过程：用两柱状电极压紧工件→通电→接触面发生点状熔化（熔核）→断电，在压力下完成一个焊点的结晶过程。多用于薄板的非密封性连接。由于电极由铜制成，铜的导热性能好。所以电极和工件一般不会焊在一起。焊接第二点时，一部分电流会流经旁边已焊好的焊点，这称为点焊分流现象。分流会使实际的焊接电流减小，影响焊接质量。两个焊点之间保持一定的距离可以减弱分流现象。点焊主要用于焊接搭接接头。点焊所焊材料的厚度一般为0.05~6mm。可焊接碳钢、不锈钢、铝合金等。在汽车制造业中被大量使用，同时也广泛应用于航空航天、电子等工业。（二）点焊的接头形式（三）点焊的参数选择点焊时的参数选择，有硬规范与软规范之分。如果采用大电流、短时间进行焊接，则称为采用硬规范焊接。如果小电流、长时间进行焊接，则称为采用软规范焊接。采用硬规范焊接的焊点压坑深度小，热影响区及焊接变形小，但是容易产生飞溅。低碳钢的点焊，既可以采用软规范，也可以采用硬规范。焊接冷轧钢板时，为防止近缝区的软化，应采用硬规范。对于淬硬倾向大的材料，焊接时有形成马氏体与裂纹的倾向，宜采用软规范。（四）点焊方式三、缝焊（滚焊）缝焊焊缝平整，有较高的强度和气密性，常用于焊接密封薄壁容器。但缝焊时由于相邻焊点间隔很小，易形成分流现象，缝焊时为避免分流影响，被焊材料不能太厚，一般应小于3mm。缝焊的特点是在被焊工件的接触面之间形成多个连续的焊点。缝焊过程与点焊类似，可以看成连续的点焊。四、凸焊由于突起点点接触提高了凸焊时焊点的压力，并使焊接电流比较集中。所以凸焊可以焊接厚度相差较大的工件。多点凸焊可以提高生产率，并且焊点的距离可以设计得比较小。凸焊的特点是在焊接处首先加工出一个或数个突起点，在焊接时这些突起点和另一被焊工件紧密接触。通电后，突起点被加热，加压后被压塌随后形成焊点。对焊的特点使被焊工件的两个接触面连接。对焊分为电阻对焊和闪光对焊。（一）电阻对焊将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用强电流通过接头时产生电阻热，将金属加热至塑性状态，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。接头性能较差，多用于对接头强度和质量要求不很高，直径小于20mm的棒料、管材、门窗等构件的焊接。焊前对焊接端面的清理要求较高。电阻对焊要求焊件截面形状应尽量相同，圆棒直径、方料边长、管子壁厚之差不应超过15%。五、对焊电阻对焊的焊接过程电阻对焊1－固定电极2－可移动电极3－焊件在电极夹具中装工件并夹紧→加压，使两个工件紧密接触→通电流→接触电阻热加热接触面到塑性状态→切断电流→增加压力→形成接头。闪光对焊的焊接过程如下：在电极夹具中装工件并夹紧→使工件不紧密地接触，真正接触的是一些点→通电流→接触点受电阻热熔化及气化→使液体金属发生爆裂，产生火花与闪光→继续移动工件→连续产生闪光→端面全部熔化→迅速加压工件→切断电流→工件在压力下产生塑性变形→形成接头。（二）闪光对焊①焊接质量好，生产率高；②可焊同种金属或异种金属(钢-钢、铜-钢、铝-钢、铝-铜等)；③可焊小到直径为0.01mm的金属丝和断面为上万平方毫米的金属棒、管或异型材料。多用于焊接重要管道、钢轨、锚链、刀具、钢筋、车圈、管道等。要求工件截面形状及尺寸应尽量相同，圆棒直径、方料边长、管子壁厚之差不应超过15%。闪光对焊接头的强度和塑性均较好，焊前对焊接端面的清理要求不高。闪光焊的特点及应用钎焊是采用熔点比母材低的金属作钎料，将焊件加热到高于钎料熔点、低于母材熔点温度，使钎料填充接头间隙，与母材产生相互扩散，冷却后实现连接焊件的方法。（一）钎焊的分类1、硬钎焊使用硬钎料进行的钎焊。常用的硬钎料有：铜、银、镍、铝等钎料；其熔点＞450℃§3钎焊2、软钎焊软钎料多采用锡－铅合金，熔点＜450℃，接头强度低（σ（二）钎焊接头型式（三）钎焊熔剂（简称钎剂）①清除氧化膜及杂质。②改善钎料充填接头间隙的性能（润湿性）。③防止被焊金属氧化。

硬钎焊钎剂由硼砂、硼酸、氟化物、氯化物所组成。

软钎焊钎剂由松香、氯化锌与氯化铵溶液等。（四）钎焊的应用钎焊广泛用于硬质合金刀头的焊接以及电子工业、电机、航空航天等工业，并且可用于陶瓷结构的焊接。（五）钎焊的热源软钎焊多用铬铁加热。硬钎焊可用的热源很多，常用的有氧乙炔火焰加热、电阻加热、感应加热、盐浴加热等。（六）钎焊的特点①温度低，焊接应力与变形小，尺寸精确。②可焊多种金属和非金属（如各种钢、铸铁、硬质合金、石墨、陶瓷、玻璃等均可焊接）。③可焊各种精密、微型复杂结构和封闭结构，多条焊缝可一次焊成。④接头强度较低，工作温度受钎料熔点限制。对焊前清理，装配等准备工作的要求高。§3其它常用焊接方法一、气焊与气割（一）气焊气焊是利用气体火焰作为热源的焊接方法。常用氧－乙炔火焰作为热源。氧气和乙炔在焊炬中混合，点燃后加热焊丝和工件。气焊焊丝一般选用和母材相近的金属丝。焊接不锈钢、铸铁、铜合金、铝合金时，常使用焊剂去除焊接过程中产生的氧化物。气焊在无电源的野外施工中有广泛应用。另，氧乙炔焰可进行表面或局部热处理，也可以用于局部预热或校正焊接变形。（二）气割气割又称氧气切割，是广泛应用的下料方法。气割的原理是利用预热火焰将被切割的金属预热到燃点，再喷射氧气流。被预热到燃点的金属在氧气流中燃烧形成金属氧化物。同时，这一燃烧过程又放出大量的热量，这些热量将金属氧化物熔化为熔渣。熔渣被氧气流吹掉，形成切口。割枪移动，燃烧热与预热火焰又进一步加热并切割。因此，气割实质上是金属在氧气中燃烧的过程。其中金属燃烧放出的热量在气割中具有重要的作用。可分手工、仿形、数控等。（1）该金属在氧气中燃烧时放出大量的热量，这些放出的热量足以使下层金属具有足够的预热温度，气割因此得以连续进行。（2）金属的燃点低于金属的熔点这样金属可以在固态状态时燃烧并被切割。如金属如先熔化，则切口将不平整。（3）渣的熔点低于金属的熔点，否则固态的熔渣将阻碍氧气与下一层的金属接触。实际上，碳含量超过1%的钢一般难以气割。不锈钢、铸铁、铜与铝等材料都不能气割，可以用后述的等离子弧等切割方法进行热切割。气割的条件是用等离子弧作为热源进行焊接的方法。1、等离子弧是借助水冷喷嘴对电弧的拘束压缩作用而获得的一种比普通电弧能量密度及温度更高，导电性更好的压缩电弧。等离子弧弧柱内的气体被充分电离呈等离子态，弧柱的温度最高可达30000~50000℃2、大电流等离子弧焊（电流100~300A），熔深大，焊道窄，热影响区小，应力与变形小，厚度为2.5~13mm工件不开坡口可一次焊透。用“小孔效应”可实现单面焊、双面成形。二、等离子弧焊接与切割3、微束等离子弧焊（电流为0.1~100A），可焊厚度为0.01~3.0mm的薄板和箔材。等离子弧焊多用氩气作为保护气，焊接质量很好。因等离子弧焊设备投资大，氩气成本高，主要用于焊接各种难熔、易氧化金属及合金，对加热较敏感的合金，如钨、钼、铍、铜、铝、钽、镍、钛及其合金、不锈钢、超高强钢等，亦可用于重要结构钢的焊接。在机械、仪器仪表、航空航天、原子能设备及火箭、导弹工业中被广为采用。4、等离子弧还用来切割一般氧气切割不能切的材料，如不锈钢、铜、铝、耐热合金、铸铁及某些非金属材料等。切口窄而光洁，比氧气切割提高效率2~3倍。普通钨极氩弧弧柱最高温度10000～24000K，能密小于104W/cm2。而等离子弧温度高达24000～50000K，能密可达105～106／cm2。原因是：（1）机械压缩作用水冷喷嘴限定了弧柱截面积，不能自由扩大。（2）热压缩作用冷气流和喷嘴水冷作用，使靠近喷嘴内壁的气体受到强烈的冷却作用，温度和电离度迅速下降，迫使电流集中到弧柱中心高温、高电离度区。（3）磁压缩作用进一步压缩弧柱导电截面，使弧柱温度及能密进一步提高。等离子弧温度、能量密度高的原因（1）非转移型电极接负，喷嘴接正，母材不参与导电。电弧在电极和喷嘴之间产生，温度和能量密度较低，又称等离子焰或间接电弧。主要用于喷涂以及焊接、切割较薄的金属或对非导电材料进行加热。（2）转移型电极负，母材正，等离子弧在母材与电极之间产生，又称直接电弧。难以直接形成，须先引燃非转移弧，然后使电弧另一极从喷嘴转移到工件上。温度和能量密度较高，常用于切割、焊接及堆焊。（3）联合型（混合型）转移和非转移型同时存在，需两个电源独立供电。主要用于小电流、微束等离子弧焊接（<30A）及粉末堆焊。等离子弧的分类非转移型转移型联合型等离子弧发生器堆焊与喷涂是常用的改善材料表面性能的工艺方法，目前已大量使用。也可用于修复。堆焊通常采用熔焊方法在工件表面焊接一层具有一定性能的材料。堆焊可使工件表面具有耐磨、高硬度、耐腐蚀等性能。属于冶金结合。喷涂是一种将金属粉末、丝材或其它材料粉末熔化，用压缩空气将其喷射到被表面的工艺。喷涂有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等。喷涂可以使材料表面具有防腐、耐磨与美观等性能。喷涂时工件表面的温度较低，对工件材料的影响较小。属于机械结合。三、堆焊与喷涂等离子弧喷涂电渣焊主要用于焊接厚度40mm以上的厚板，是焊接厚板的传统方法。四、电渣焊电渣焊是利用电流通过熔渣时形成的电阻热进行焊接的。将接头垂直放置（立焊缝），预留20~40mm间隙，两侧装有水冷铜块（强迫成形），底部加引弧板，顶部加装引出板，组成一个封闭空间。焊接时，先将颗粒状焊剂放入间隙中，然后焊丝送进并与引弧板短路引弧，将不断加入的焊剂熔化成熔渣（引弧造渣阶段）；迅速送进焊丝，电弧熄灭，转入电渣