第三章 焊接生产

第三章焊接方法及生产过程简介焊接技术与工程专业§3-1焊接方法的原理及分类焊接是通过金属原子间的相互作用实现两块金属之间的永久连接的，从理论上来说如果把两块金属磨得形状完全吻合（比如最简单的情形：两块金属接合面都磨成平面）并达到平整光滑，然后把两块金属欲连接的表面贴合到一起，让两边的原子都接近到原子尺度，则不需要加压或加热，两块金属就可以结合成一块，实际当中为什么看不到这种现象呢？2/4/20232焊接技术与工程专业有两个障碍：一是接触面积实际很小，不加热加压做到完全接合是不可能的；二是金属表面都有一层氧化膜，阻碍了金属原子间的接触。解决这两个问题的方法就形成了三大类焊接方法：熔化焊、压力焊和钎焊。熔化焊:连接处局部熔化，金属熔化后混合到一起，消除了缝隙，氧化物浮出。要求热源功率密度大，加热集中、迅速；常用热源有电弧、电阻、火焰等。钢板厚度大时需要在两块板之间留一个缝隙，以便热源能够进入，加热到钢板内部，这时需要填充金属以填满缝隙，薄板则不需要。2/4/20233焊接技术与工程专业压力焊：对两块金属加压，使接合面压在一起，产生足够大的变形，一部分金属和表面的氧化物从缝隙中挤出，使两块金属的接合面全是纯净金属，并无缝的接触到一起，原子间吸引力开始起作用，使两块金属连接起来。一般都要配合加热，以便使金属变形容易，所用的热源多为电阻热和摩擦热。钎焊：在去除缝隙两边的氧化膜后，将熔化的低熔点金属材料填充入缝隙中，凝固后把两块金属连接起来。这种方法不需要太高温度，所需压力也很小，或干脆不需要压力，因此可以2/4/20234焊接技术与工程专业保持零件原有的微观组织和精确形状，但是连接强度不高，使用时接头处工作温度不能太高。其它优点：可以一次钎焊多个钎缝或（一炉）钎焊多个零件，可以钎焊其它焊接方法无法连接的（无法接近）地方，如汽车散热器、飞机机翼中的蜂窝结构等。2/4/20235焊接技术与工程专业焊接方法分类焊接方法熔化焊压力焊钎焊气焊电弧焊电渣焊等离子弧焊激光焊电子束焊

手工电弧焊气体保护焊埋弧焊氩弧焊CO2焊闪光对焊电阻焊电渣焊摩擦焊扩散焊高频焊超声波焊爆炸焊点焊对焊凸焊缝焊TIG焊MIG焊软钎焊硬钎焊2/4/20236焊接技术与工程专业一、焊条手工电弧焊是手工操纵电焊条的电弧焊方法。手工电弧焊设备简单、操作方便、适用范围广泛，能够焊接多种空间位置和复杂曲线焊缝。§3-2主要焊接方法简介2/4/20237焊接技术与工程专业再看一下动画原理：焊工手持焊钳，焊钳的夹子夹持焊条一端，焊钳尾部连接一条电缆，电缆接焊接电源的一极，被焊的工件则用电缆连接到电源另一2/4/20238焊接技术与工程专业极。焊接时焊条端部和工件表面之间产生一个电弧，此电弧作为热源熔化焊条及工件表面一薄层。焊条既是电极又是填充金属。手弧焊的缺点是效率低，劳动条件差，质量不稳定。所用设备主要是焊接电源，电源和控制部分都装在一个箱体里，电源有交、直流两种，电源主要特点是低压大电流、陡降特性。2/4/20239焊接技术与工程专业为什么要用陡降外特性？UIOU0Id2/4/202310焊接技术与工程专业交流电网电源的特性：随负载增大，电压下降很小UOU0IR2/4/202311焊接技术与工程专业原因是负载不一样，普通用电器如灯泡，R为定值，也就是说通过它的电流和电压始终成正比R=U/I，这是它的特性，可叫做负载特性，在U和I的坐标图上是个斜线。可是电弧这个负载，其上电压和电流的关系是平的或略微上升的，用普通电网电源供电，负载特性和电源特性两者将没有交点，不能工作。电弧的平特性和焊接电源的陡降特性恰好有个稳定的交点，当工作点漂移时系统能够自动恢复到原工作点。2/4/202312焊接技术与工程专业电缆：焊接电缆要传递较大电流，又要有一定柔性，能够适应弯曲和盘绕，所以采用多股铜绞线为芯线，外覆橡胶皮。焊钳：是一个铜夹子，外覆有绝缘和隔热的套子，电缆从中穿过。2/4/202313焊接技术与工程专业焊条：有金属芯和一层涂覆层构成，分别称为焊芯和药皮，如图。焊芯主要提供填充金属和作为电极；药皮里的各种成分则有维持电弧稳定燃烧、促进焊缝良好成形、合金化、脱氧、去硫磷等作用。2/4/202314焊接技术与工程专业二、埋弧自动焊采用自动送进的焊丝作电极和填充金属，在焊丝前方不断撒下焊剂，使电弧被焊剂层埋在下面，除焊接电源外其它装置都装在自动行走装置（比如小车）上，下面通过动画来了解一下。2/4/202315焊接技术与工程专业2/4/202316焊接技术与工程专业三、氩弧焊

氩弧焊是以氩气作为保护性气体，将空气隔离在焊区之外，防止焊区的氧化和氮化的焊接方法。氩气（Ar

）是惰性气体，高温下既不同金属发生化学反应，也不溶于液态金属。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的。氩气导热系数很小，比重是空气的1.25倍，而且是单原子气体，高温时不分解吸热，所以电弧热量损失少。电弧燃烧很稳定。根据电极为钨电极还是焊丝，氩弧焊分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊2/4/202317焊接技术与工程专业钨极氩弧焊是用高熔点的钨极与焊件间产生的电弧作热源，也叫非熔化极惰性气体焊。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，焊接时焊丝在钨极前方填加，薄件（厚度小于3mm）时一般不需要开坡口和填充焊丝。最适用于易氧化的有色金属的焊接。在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。2/4/202318焊接技术与工程专业熔化极氩弧焊用焊丝作电极，焊丝熔化后作为填充金属，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。2/4/202319焊接技术与工程专业四、二氧化碳气体保护焊

类似于熔化极氩弧焊，只不过保护气体为CO2气体，其便宜、易得是主要优点，此外电弧电压高、电弧功率大、生产率高也是其主要优点。缺点是CO2气体有氧化性，因此不适合焊接合金钢及含有活泼金属的材料，如有色金属，主要用于低碳钢、强度不高的低合金结构钢。多为半自动焊。2/4/202320焊接技术与工程专业半自动焊机2/4/202321焊接技术与工程专业五、等离子弧焊接、切割和喷涂如果让氩气中燃烧的电弧从一个小孔中喷出，喷嘴采用强制水冷，此电弧受到机械的、电磁的和热的压缩效应，功率密度和温度就会大大提高，电弧中心可达1.8万摄氏度以上，这种电弧就是等离子弧，比普通电弧挺度更高，指向性更强，能熔化很多难熔的高熔点金属、陶瓷等物质，因此被广泛用来焊接、切割和喷涂。特别是可以焊接不导电的材料。2/4/202322焊接技术与工程专业

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。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焊件的焊接。等离子弧可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。2/4/202323焊接技术与工程专业等离子弧焊炬原理2/4/202324焊接技术与工程专业六、摩擦焊原理：细长杆对接时，在专用焊机上把两杆夹持住，头对头以一定压力相互压紧，在一定正压力下相对旋转，摩擦生热，到两个端面热到红热状态，停止旋转并以更大的一个力进行顶锻，部分金属和氧化物被挤出，两个端面焊接到了一起。特点：比电阻焊设备简单，用电量少，且焊接质量更好，适合杆状物对接，石油转杆、钻头、汽车后桥壳、汽车传动轴等。新型技术有线性摩擦焊、铝合金搅拌摩擦焊等。2/4/202325焊接技术与工程专业摩擦焊机2/4/202326焊接技术与工程专业摩擦焊机2/4/202327焊接技术与工程专业摩擦焊产品2/4/202328焊接技术与工程专业摩擦焊产品2/4/202329焊接技术与工程专业搅拌摩擦焊2/4/202330焊接技术与工程专业七、电阻焊通过两个电极把低压大电流传导到工件接合处，电阻热使此处被加热到塑性状态，此时通过电极进行加压使欲接合处产生塑性变形实现焊接。形式有电焊、对焊、凸焊和缝焊几种，也有人把闪光对焊归于电阻焊。电阻焊特点是焊接速度快，易于实现机械化，但设备投资大，用电多、连接强度不高。主要用于薄板、杆件等要求强度不高的场合。2/4/202331焊接技术与工程专业电阻点焊

特点：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。焊接过程：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。参见下面的图。2/4/202332焊接技术与工程专业电阻点焊动态演示2/4/202333焊接技术与工程专业电阻点焊的几种形式2/4/202334焊接技术与工程专业缝焊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。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。2/4/202335焊接技术与工程专业凸焊

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。由于突起点接触提高了凸焊时焊点的压力，并使焊接电流比较集中。所以凸焊可焊接厚度相差较大的工件。多点凸焊可以提高焊接生产率，并且焊点的距离可以设计得比较小。2/4/202336焊接技术与工程专业电阻对焊对焊的特点使被焊工件的两个接触面连接。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%。2/4/202337焊接技术与工程专业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。2/4/202338焊接技术与工程专业八、闪光对焊闪光对焊的焊接过程如下：在电极夹具中装工件并夹紧→使工件轻轻接触→通电流→接触点受电阻热熔化及气化→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。2/4/202339焊接技术与工程专业闪光对焊示意图

1－固定电极2－可移动电极

3－焊件

闪光对焊2/4/202340焊接技术与工程专业闪光对焊的优点1、适用范围比电阻对焊广。同种或异种金属可焊，展开截面或紧凑截面的零件也可焊，可焊的截面积也比电阻对焊大得多2、接合面上的熔化金属层或氧化物在顶锻阶段被挤出，起到清除接合面杂质的作用。因此，接头可靠性高，强度比电阻对焊大。3、闪光对焊对工件待焊面的准备和清理要求不严格。4接头热影响区比对焊窄很多。2/4/202341焊接技术与工程专业闪光对焊的缺点1、焊接时喷射出的熔融金属颗粒有造成火灾的危险，还可能使操作人员受飞溅烧伤，并损坏机器的滑轨、轴和轴承等。2、焊后在接头处形成毛剌（飞边），需去除。为此，可能需用专门设备而增加制造成本。特别是管子闪光对焊后内壁上的毛剌，妨碍了流体流动，降低接头疲劳强度，而且是产生腐蚀或污损集中的部位。去除小直径内壁的焊接毛剌相当困难，甚至不可能。2/4/202342焊接技术与工程专业闪光对焊的适用范围凡是可以锻造的金属，原则上都可以进行闪光对焊，所以许多钢铁材料及非钢铁金属都能焊接。同种金属，如碳素钢、低合金钢、不锈钢、铝合金、镍合金、铜合金和钛合金等均可进行闪光焊。但是，焊接钛合金时最好处在惰性气体保护下进行，以免接头塑性下降；焊接高淬硬性的碳钢和合金钢时，焊后热影响区性能与母材差别较大，通常焊后须进行热处理；铅、锌、锡、铋和锑及其合金不能用闪光焊，一些有毒金属，如铍及铍合金，没有严格预防措施，也不能用闪光对焊。2/4/202343焊接技术与工程专业九、钎焊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、低于母材熔点的温度，使钎料填充接头间隙，与母材产生相互扩散，冷却后实现连接的方法。钎焊分软钎焊和硬钎焊两种。硬钎焊：使用硬钎料进行的钎焊。常用硬钎料有：铜、银、镍、铝等基钎料；其熔点＞450℃，接头强度可达500MPa。主要用于受力较大，工作温度较高的工件焊接，如刀具、冰箱压缩机管道等。2/4/202344焊接技术与工程专业软钎焊：软钎焊多采用锡－铅合金，熔点＜450℃，接头强度低（σb＜70MPa）。主要用于受力不大，工作温度较低的焊件。如各种电器导线的连接，仪表、仪器元件的焊接等。接头形式2/4/202345焊接技术与工程专业十、气焊与气割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。氧－乙炔焰可用于对金属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。2/4/202346焊接技术与工程专业气割又称氧气切割，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（切割氧）。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。金属燃烧放出的热量在气割中具有重要的作用。有手工气割、半自动气割和数控切割。2/4/202347焊接技术与工程专业十一、电渣焊电渣焊是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接。在开始焊接时，使焊丝与起焊槽短路起弧，不断加入少量固体焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，待熔渣达到一定深度时，增加焊丝的送进速度，降低电压，使焊丝插入渣池，电弧熄灭，从而转入电渣焊焊接过程。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。2/4/202348焊接技术与工程专业电渣焊示意图2/4/202349焊接技术与工程专业十二、激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。焊接时，光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止能量被金

属反射掉。光波入射后，

材料中带电粒子振动，

使光辐射能转变成电子

动能，再由动能转变成

热能。实现加热与焊接

的过程。激光焊机器人激光焊2/4/202350焊接技术与工程专业激光焊接的主要特点

1、热量输入很小、焊缝深宽比大，热影响区小导致

工件收缩和变形很小，无需焊后矫形。

2、焊缝强度高、焊接速度快、焊缝窄且通常表面状

态好，免去焊后清理等工作。

3、焊接一致性、稳定性好，一般不加填充金属和焊

剂，并能实现部分异种材料焊接。

4、光束易于控制，焊接定位精确易于实现自动化。

5、与其他焊接工艺方法比较激光焊接的前期投资较

大。

6、被焊工件装配精度要求高，相对而言对光束操控的

精确性也有较高的要求。

2/4/202351焊接技术与工程专业十三、真空电子束焊是利用空间定向高速运动的电子束，撞击工件表面，将部分动能转化为热能，使工件熔化，冷却结晶后形成焊缝的高能量密度的焊接方法。焊接时金属迅速熔化和蒸

发，蒸汽反作用力使熔化

金属被排开，电子束能继

续撞击深处的固态金属，

很快在工件上钻出一个小

孔。随电子束运动，液态

金属向熔池后方移动并逐

渐冷却凝固形成焊缝。真空电子束焊2/4/202352焊接技术与工程专业十四、扩散焊将焊件紧密贴合，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扩散形成连接的焊接方法。是压力焊的一种。影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度、压力、扩散时间和表面粗糙度。焊接温度越高，原子扩散越快、焊接温度一般为材料熔点的0.5～0.8倍。根据材料类型和对接头质量

要求，扩散焊可在真空、保

护气体或溶剂下进行，其中

真空扩散焊应用最广。扩散

焊接压力较小，工件不产生

宏观塑性变形，适合焊后不

再加工的精密零件。2/4/202353焊接技术与工程专业十五、爆炸焊

利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法。20世纪50年代末期,在用爆炸成形方法加工零件时,发现零件与模具之间产生局部焊合现象，由此产生了爆炸焊接的方法。爆炸焊接时,通常把炸药直接敷在覆板表面,或在炸药与覆板之间垫以塑料、橡皮作为缓冲层。覆板与基板之间一般留有平行间隙或带角度的间隙，在基板下垫以厚砧座。炸药引爆后的冲击波压力高达几百万兆帕，使覆板撞向基板，两板接触面产生塑性流动和高速射流，结合面的氧化膜在高速射流作用下喷射出来，同时使工件连接在一起。

2/4/202354焊接技术与工程专业爆炸焊特点和适用范围爆炸焊所需装置简单，操作方便，成本低廉，适用于野外作业。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，如铝、铜、钛、镍、钽、不锈钢与碳钢的焊接，铝与铜的焊接等。爆炸焊已广泛用于导电母线过渡接头、换热器管与管板的焊接和制造大面积复合板。2/4/202355焊接技术与工程专业§3-3焊接生产过程简介2/4/202356焊接技术与工程专业一、生产准备和原材料处理

1、熟悉产品施工图样

2、进行工艺分析，编制工艺技术文件，并制定质量保证和安全管理文件

3、材料（板材、型材、铸件、锻件、焊材、焊剂及其他辅助材料等）准备

4、生产设备、设施和工夹量具等的调配、安置和检修