4-熔化焊与热切割作业基础知识(一)

熔化焊接与热切割特种作业操作人员培训：陈文生上节课程内容1

法律法规基础知识解读

练习2法律体系组成、《安全生产法》简介、从业人员权利和义务、焊工操作规程等熔化焊与热切割作业基础知识（一）第一节焊接与热切割概述一、焊接的基本原理及分类焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两个同种或异种工件产生原子间结合的加工工艺和连接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。按照焊接过程中金属所处的状态及工艺的特点，可以将焊接方法分为熔化焊、压焊和钎焊三大类。第一节焊接与热切割概述熔化焊是利用局部加热的方法将连接处的金属加热至熔化状态而完成的焊接方法。在加热的条件下，增强了金属原子的动能，促进原子间的相互扩散，当被焊接金属加热至熔化状态形成液态熔池时，原子可以充分扩散和紧密接触，因此冷却凝固后，即可形成牢固的焊接接头。常见的气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护焊、等离子弧焊等均属于熔化焊的范畴。第一节焊接与热切割概述压焊，顾名思义是利用焊接时施加一定压力而完成焊接的方法。这类焊接有两种形式，一是将被焊金属接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定压力，以使金属原子间相互结合形成牢固的焊接接头，如锻焊、接触焊、摩擦焊和气压焊等就是这种类型的压焊方法。二是不进行加热，仅在被焊金属接触面上施加足够大的压力，借助于压力所引起的塑性变形，以使原子间相互接近而获得牢固的压挤接头，这种压焊的方法有冷压焊、爆炸焊等。第一节焊接与热切割概述钎焊是把比被焊金属熔点低的钎料金属加热熔化至液态，然后使其填充到被焊金属接缝的间隙中而达到结合的方法。焊接时被焊金属处于固体状态，工件只适当地进行加热，没有受到压力的作用，仅依靠液态金属与固态金属之间的原子扩散而形成牢固的焊接接头。钎焊是一种古老的金属永久连接工艺，但由于钎焊的金属结合机理与熔焊和压焊是不同的，并且具有一些特殊的性能，所以在现代焊接技术中仍占有一定的地位。常见的钎焊方法有烙铁钎焊、火焰钎焊和感应钎焊等。焊接方法分类第一节焊接与热切割概述二、热切割的基本原理及分类切割分为火焰切割、电弧切割和冷切割三类。热切割是指采用热能、电能或化学能将金属加热到其熔化温度以上，并使金属保持在熔化或半熔化状态，再利用流体动力将金属去除、吹开或燃烧，达到切割或去除金属的工艺方法。切割方法分类切割方法火焰切割电弧切割冷切割氧－乙炔气割液化石油气切割氢氧源切割氧熔剂切割等离子弧切割碳弧气割激光切割水射流切割激光切割气割碳弧气割等离子弧切割水射流切割第一节焊接与热切割概述1．火焰切割按加热气源的不同，火焰切割可分为气割、液化石油气切割、氢氧源切割、氧熔剂切割。气割(即氧－乙炔切割)是利用氧乙炔切割预热火焰使金属在纯氧气流中能够剧烈燃烧，生成熔渣和放出大量热量的原理而进行的。液化石油气切割的原理与气割相同，不同的是液化石油气的燃烧特性与乙炔气不同，所以割炬也有所不同：它扩大了低压氧喷嘴孔径及燃料混合气喷口截面，还扩大了吸管同柱部分孔径。第一节焊接与热切割概述氢氧源切割是利用水电解氢氧发生器，用直流电将水电解成氢气和氧气，其气体比例为恰好完全燃烧，温度可达2800—3000℃。可以用于火焰加热。氧熔剂切割是在切割氧流中加入纯铁粉或其他熔剂，利用它们的燃烧热和废渣作用实现气割的方法。第一节焊接与热切割概述2．电弧切割电弧切割按生成电弧的不同可分为等离子弧切割和碳弧气割。等离子弧切割是利用高温高速的强劲等离子射流，将被切割金属熔化并随即吹除，形成狭窄的切口而完成切割的方法。碳弧气割是使用碳棒与工件之间产生的电弧将金属熔化，并用压缩空气将其吹掉。实现切割的方法。第一节焊接与热切割概述2．电弧切割电弧切割按生成电弧的不同可分为等离子弧切割和碳弧气割。等离子弧切割是利用高温高速的强劲等离子射流，将被切割金属熔化并随即吹除，形成狭窄的切口而完成切割的方法。碳弧气割是使用碳棒与工件之间产生的电弧将金属熔化，并用压缩空气将其吹掉。实现切割的方法。3．冷切割冷切割的主要切割方法有激光切割和水射流切割。第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构物质是由基本粒子组成的，也是由化学元素组成的，已发现的化学元素大部分是金属，其次是非金属，还有个别的类金属。金属元素共有83种，一般呈现固态。固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电导率减小。这是金属独具的一个特点。常见的金属元素有铁、铜、锡、铅、锌、铝、铬、镍、锰、钛、镁、钨等。第二节金属学及热处理基本知识

非金属元素有22种。非金属元素不具备金属元素的特征，而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电导率增大，导电性提高。常见的非金属元素有氮、氧、氢、碳、硫、磷等。个别元素具备金属的部分性质，比如硅、锗等，这类金属有独特的性质，具有特殊功能和应用。第二节金属学及热处理基本知识1、晶体的特点食盐、水结成的冰都是晶体。固态金属及合金也是晶体。食盐晶体晶体的外观

水结成冰晶体第二节金属学及热处理基本知识1、晶体的特点松香、玻璃之类不是晶体，属于非晶体。松香玻璃第二节金属学及热处理基本知识晶体与非晶的区别不在外形、而在内部的元子排列。在晶体中，原子按一定规律排列很整齐。而在非晶体中，原子则是散乱分布，至多有些局部的短程规则排列。由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。第二节金属学及热处理基本知识2、典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶体。常见金属晶格有体心立方晶格和面心立方晶格。第二节金属学及热处理基本知识体心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子。体心立方晶格第二节金属学及热处理基本知识面心立方晶格：晶胞是一个正六方体，立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子。面心立方晶格第二节金属学及热处理基本知识铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一重晶格。这种晶格的转变，称为同素异晶转变。纯铁在常温下是体心立方晶格（称为α–Fe）；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格（称为

–Fe）；再升温度到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格（称为

–Fe），然后一直保持到纯铁的熔化温度。第二节金属学及热处理基本知识纯铁的这种特性非常重要,是钢材所以能通过各种热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在因素之一，也是焊接热影响区中各个区域与母材相比，具有不同组织和性能的原因之一第二节金属学及热处理基本知识二、合金的组织和结构1、合金的组织两种或两种以上的元素（其中至少一种是金属元素），组合成的金属，叫做合金。根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：固溶体、化合物、机械混合物。第二节金属学及热处理基本知识（1）固溶体固溶体是一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成单相晶体晶结构。根据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。第二节金属学及热处理基本知识（2）化合物两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通常化合物具有较高的硬度，低的塑性，脆性也较大。XCE金4相显微镜JVC彩色摄像机计算机图像采集设备第二节金属学及热处理基本知识（3）机械混合物固溶体和化合物均为单相合金，若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混和组成，称为机械混合物。它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨；塑性和压力加工性能则较差。工业上使用的大多数合金属于机械混合物，如钢、生铁、铝合金、黄铜、青铜等。第二节金属学及热处理基本知识三、铁碳合金的基本知识钢中常见的显微组织有以下几种：(1)铁素体(F)铁素体是少量的碳和其他合金元素固溶于α－Fe中的固溶体。α－Fe为体心立方晶格，碳原子以间隙状态存在，合金元素以置换状态存在。铁素体溶解碳的能力很差，在723℃时质量分数为0．02％，室温时质量分数仅为O．006％。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以含铁素体多的钢(如低碳钢)就表现出软而韧的特点。第二节金属学及热处理基本知识(2)渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁与碳的化合物，分子式是Fe3C，其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。第二节金属学及热处理基本知识(3)珠光体(P)珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0.77％左右，温度低于723℃时才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，结构钢很多是珠光体。第二节金属学及热处理基本知识(4)奥氏体(A)奥氏体是碳和其他合金元素在γ-Fe中的固溶体。在一般钢材中，只有高温时存在。当含有一定量扩大γ区的合金元素时，则可能在室温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢在室温时的组织为奥氏体。奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。奥氏体的另一种特点是没有磁性，生活中常用的不锈钢大部分是奥氏体。第二节金属学及热处理基本知识(5)马氏体(M)马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大，因此，由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，承受冲击载荷的能力差。低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。第二节金属学及热处理基本知识(6)魏氏组织魏氏组织是一种过热组织，是由彼此交叉约60º的铁素体针嵌入基体的显微组织。碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定温度冷却时，很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。第二节金属学及热处理基本知识四、有色金属的基本知识有色金属是相对黑色金属而言的，在80多种金属大家庭中除了铁、锰、铬以外的金属都是有色金属。常用的有色金属有铜、铝、铅、锌、镍、锡、镁、钛、镉、锑、钴、钨、钼、钒等。第二节金属学及热处理基本知识1．铜及其合金铜的新鲜断口呈玫瑰色，由于覆盖一层氧化物薄膜而变为红褐色，其密度8.9g/cm2，熔点1083℃，沸点2580℃，导热率0.98cal／(cm•s•℃)换热系数，电阻率0.017241Ω•mm2／m，其表面氧化物有Cu0氧化铜和CU2O氧化亚铜。注意：所有金属中只有铜是红色，接近金色。第二节金属学及热处理基本知识铜与锌的合金是黄铜，铜与镍的合金是白铜，铜与其他金属的合金是青铜。(1)黄铜黄铜主要是由铜和锌组成的合金，其特点是耐磨性能高，强度高，硬度大，耐化学腐蚀，切削工艺性好。黄铜常发生季裂(应力腐蚀开裂)，在氨气、氨水或硫酸中明显。黄铜季裂的原因有三，一是点蚀(电化学腐蚀)，二是脱锌，三是残余应力。第二节金属学及热处理基本知识黄铜分类如下：加入Zn锌，只由铜锌组成，称普通黄铜，用来制造铜板、铜管等。加入Pb铅，除了铜锌，还有铅，切削加工性能特别好，称快切黄铜，铸造性好，流动性好。加入Sn锡．除了铜锌，还有锡，耐腐蚀，用于海洋气候。加入AI铝．提高强度、硬度，提高大气中抗腐蚀性，用于制造耐腐蚀零件。第二节金属学及热处理基本知识加入Si硅．提高力学性能、耐腐蚀性和耐磨性，用于制造海船零件及化工机械零件。加入Mn锰．如58—4(L105)，常作钎料，高温润湿性好。加入Ni镍．耐热、耐腐蚀性好。加入Fe铁．耐热、耐腐蚀性好。第二节金属学及热处理基本知识(2)白铜白铜是指铜镍合金，呈银白色。纯铜加镍可以显著提高强度、耐腐蚀性和硬度，并降低电阻率温度系数。与其他铜合金相比，白铜的机械性能和物理性能都较好，尤其是耐热和耐腐蚀性能。白铜分类如下：加入Ni镍，简单的镍白铜。加入Zn锌，除了镍之外，还含有锌叫锌白铜，加工性好，耐腐蚀。

第二节金属学及热处理基本知识加入Mn锰，镍太贵，以锰代镍叫锰白铜，有较宽的温度使用范围。加人Fe铁，除了镍之外，还含有铁叫铁白铜，铁白铜的成本低、强度高、抗腐蚀性好，特别是抗流动海水腐蚀性能好。加入Al铝，除了镍之外，还含有铝叫铝白铜，铝白铜耐腐蚀，用于造船和电力、化工等工业部门中各种高强腐蚀件的制造。第二节金属学及热处理基本知识(3)青铜青铜是除铜锌、铜镍合金外的所有铜合金的统称，具有熔点低、硬度大、可塑性强的优点，适用于铸造各种器具。其分类如下：锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、钛青铜、锆青铜、镉青铜、锰青铜和铬青铜等。第二节金属学及热处理基本知识2．铝及其合金(1)铝的主要特性①铝是银白色的轻金属，密度约为2．72g/cm3，约为纯铜的1／3。②铝的热容量和熔化潜热高，纯铝的熔点约为661℃，沸点约为2450℃，其氧化物A1203熔点约为2050℃。③铝为面心立方结构。④工业纯铝塑性极高(Z=80％)，很容易承受各种成型工艺，但其强度过低，故纯铝只有通过冷变形强化或合金化来提高其强度后，才能作结构材料。第二节金属学及热处理基本知识

⑤铝线膨胀系数为23．5×10-6／℃(100℃以下)，其弹性模量为70GPa。

⑥铝导电率是铜的60％左右，电阻率是铜的50％，导热率是铜的70％。常见金属的导电率从高到低次序为：Ag银、Cu铜、Au金、Al铝。

总之，铝的密度小、塑性好、易加工、抗腐蚀性好，且资源丰富，在地壳中含量约占7．73％(质量分数)。(2)铝合金的分类

铝合金可分为铸造铝合金、变形铝合金、不能热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。铝合金中常加的元素有Si硅、Cu铜、Mg镁、Zn锌等。第二节金属学及热处理基本知识铸造铝合金的特点：强度低，成本低，材料化学成分波动大，机械性能差，但流动性好；变形铝合金特点：强度高，对成分要求严，机械性能好；不能热处理强化铝合金有A1铝-Si硅系、A1铝-Mn锰系；可热处理强化铝合金有A1铝-Cu铜系、Al铝—Mg镁系和A1铝-Zn锌系。第二节金属学及热处理基本知识五、热处理将金属加热到一定温度，并保持一段时间，然后按适宜的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。常用的热处理工艺方法主要有淬火、回火、正火和退火等。

第二节金属学及热处理基本知识1．淬火将钢加热到A1(对过共析钢)或A3线(对亚共析钢)以上30～70℃，在此温度下保持一段时间，使钢的组织转变成奥氏体，然后放入水中(或油中、盐溶液中)快速冷却，使奥氏体来不及分解，合金元素来不及扩散而形成马氏体组织，称为淬火。第二节金属学及热处理基本知识淬火后可以提高钢的硬度、抗拉强度及耐磨性。在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接作业过程中要注意预防的。第二节金属学及热处理基本知识2．回火将钢加热到A1线以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温，使马氏体组织转变为其他组织的热处理工艺称为回火。淬火后进行回火，可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。第二节金属学及热处理基本知识按回火温度的不同可分为

高温回火(500～650℃)

中温回火(300～500℃)低温回火(150～300℃)高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性；第二节金属学及热处理基本知识中温回火后得到回火屈氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性；低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。淬火加高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。调质能得到韧性和强度最好的配合，获得良好的综合力学性能。第二节金属学及热处理基本知识

3．正火将钢加热到A3或Acm线以上50～70℃，保温一段时间后，在空气中冷却的热处理工艺，称为正火。许多碳素钢和低合金结构钢经正火后，各项力学性能均较好，可以细化晶粒，常用来作为最终热处理。对于焊接结构，经正火后，能改善焊接接头性能，可消除粗晶组织及促使组织均匀等。第二节金属学及热处理基本知识4．退火将钢加热到A3以上或A1线左右一定范围的温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却的热处理工艺，称为退火。退火可降低硬度，使材料便