2017年造价工程师安装计量讲义：焊接

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　　二、焊接

　　(一)焊接的分类及特点

　　焊接是借助于能源使两个分离的物体产生原子(分子)间结合而连接成整体的过程，可以连接金属材料和非金属材料。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、压力焊和钎焊三大类。

　　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，可形成牢固的焊接接头。

　　压力焊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，可加热后施压，亦可直接冷压焊接，其压接接头较牢固。

　　钎焊是把比被焊金属熔点低的钎料金属加热熔化至液态，然后使其渗透到被焊金属接缝的间隙中而达到结合的方法。钎焊接头一般强度较低，耐热性差。

　　1.熔化焊

　　(1)气焊。气焊所用的可燃气体与气割相同，主要有乙炔、液化石油气(丙烷、丁烷、丙烯等)和氢气等，氧气为助燃气体。

　　气焊用的焊丝起填充金属的作用，焊接时与熔化的母材一起组成焊缝金属。因此，应根据工件的化学成分和机械性能选用相应成分或性能的焊丝，有时也可以用从被焊板材上切下的条料作焊丝。

　　气焊主要应用于薄钢板、低熔点材料(有色金属及其合金)、铸铁件和硬质合金刀具等材料的焊接，以及磨损、报废车件的补焊、构件变形的火焰矫正等。

　　气焊的优点是设备简单(氧气瓶、乙炔瓶、回火保险器、焊炬、减压器、氧气、乙炔、输送管等)、使用灵活;对铸铁及有色金属的焊接有较好的适应性;在电力供应不足的地方需要焊接时，气焊可以发挥更大的作用。缺点是生产效率较低，焊接后工件变形和热影响区较大，较难实现自动化。

　　(2)电弧焊。

　　1)手弧焊。手工电弧焊可以进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多位置焊接。由于电弧焊设备轻便，搬运灵活，可以在任何有电源的地方进行维修及装配中短缝的焊接作业，特别适用于难以达到部位的焊接。适用于各种金属材料、各种厚度和各种结构形状的焊接。

　　如工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及合金。

　　2)埋弧焊。埋弧焊也是利用电弧作为热源的焊接方法。埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊剂覆盖下燃烧，电弧光不外露。埋弧焊有自动埋弧焊和半自动埋弧焊两种方式。前者的焊丝送进和电弧移动都由专门的机头自动完成;后者的焊丝送进由机械完成，电弧移动则由人工进行 。埋弧焊的主要优点是：

　　①热效率较高，熔深大，工件的坡口可较小，减少了填充金属量;

　　②焊接速度高。

　　③焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池金属较慢地凝固，减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。

　　但由于采用颗粒状焊剂，这种焊接方法一般只适用于平焊位置，且不能直接观察电弧与坡口的相对位置，容易焊偏。不适于焊接厚度小于1mm的薄板。

　　由于埋弧焊熔深大，生产效率高，机械化操作的程度高，因而适于焊接中厚板结构的长焊缝。

　　(3)气体保护电弧焊(气电焊)用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊称为气体保护电弧焊，简称气电焊。

　　气电焊与其他焊接方法相比，具有以下特点：

　　•电弧和熔池的可见性好，焊接过程中可根据熔池情况调节焊接参数;

　　•焊接过程操作方便，没有熔渣或很少有熔渣，焊后基本上不需清渣;

　　•电弧在保护气流的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小;

　　•有利于焊接过程的机械化和自动化，特别是空间位置的机械化焊接;

　　•可以焊接化学活泼性强和易形成高熔点氧化膜的镁、铝、钛及其合金;

　　•可以焊接薄板;

　　•在室外作业时，需设挡风装置，否则气体保护效果不好，甚至很差;

　　①钨极(不熔化极)惰性气体保护焊。钨极惰性气体保护焊是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝(如果使用填充焊丝)的一种焊接方法。焊接时隋性气体形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响，从而可获得优质的焊缝。惰性气体主要采用氩气。

　　钨极氩弧焊接操作方式分为手工焊、半自动焊和自动焊三类。钨极惰性气体保护焊具有下列优点：不和金属反应，并自动清除工件表面氧化膜的作用，可焊接化学活泼性强的有色金属、不锈钢、耐热钢等和各种合金;适用于薄板及超薄板材料焊接;可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。不足之处是熔深浅，熔敷速度小，生产率较低;其微粒有可能进入熔池，造成污染(夹钨);惰性气体(氩气、氦气)较贵，生产成本较高。

　　钨极惰性气体保护焊所焊接的板材厚度范围，从生产率考虑以3mm以下为宜。对于某些黑色和有色金属的厚壁重要构件(如压力容器及管道)，为了保证高的焊接质量，也采用钨极惰性气体保护焊。

　　②熔化极气体保护焊。这种方法也是利用连续的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接。与钨极气体保护焊不同的是，作为焊极的焊丝在焊接过程中熔化为液态金属，填充在焊缝处。因此其除具备不熔化极气体保护焊的主要优点(可进行各种位置的焊接;适用于有色金属、不锈钢、耐热钢、碳钢、合金钢绝大多数金属的焊接)外，同时也具有焊接速度较快、熔敷效率较高等优点。

　　③C02气体保护焊。属熔化极气体保护焊，具有生产效率高、焊接变形小、适用范围广等特点。焊接时电弧为明弧焊，可见性好，采用半自动焊接法进行曲线焊缝和空间位置焊缝的焊接十分方便，操作简单，容易掌握。不足之处是焊接飞溅较大，防风能力差。

　　(4)等离子弧焊。等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊，其等离子弧是自由电弧压缩而成的，叫转移电弧。其离子气为氩气、氮气、氦气或其中二者之混合气。等离子弧的能量集中，温度高，焰流速度大。这些特性使得等离子弧广泛应用于焊接、喷涂和堆焊。

　　等离子弧焊与钨极惰性气体保护焊相比，有以下特点：

　　1)等离子弧能量集中、温度高，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得小孔效应，可以得到充分熔透，反面成形均匀的焊缝;

　　2)电弧挺度好，等离子弧的扩散角仅5 °左右，基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小。所以，等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显;

　　3)焊接速度比钨极惰性气体保护焊快;

　　4)能够焊接更细、更薄的工件(如1mm以下极薄金属的焊接);

　　5)设备比较复杂、费用较高，工艺参数调节匹配也比较复杂。

　　(5)电渣焊。电渣焊是利用电流通过液体熔渣时所产生的电阻热进行焊接的方法。

　　电渣焊的焊接效率可比埋弧焊提高2～5倍，焊接时坡口准备简单，焊接熔池体积较大，焊接区在高温停留时问较长，冷却速度缓慢，焊缝及近缝区不易形成淬硬组织、冷裂纹、气孔和夹渣等缺陷，但极易产生热裂纹，这在一定程度上阻碍了这种高效焊接法在大型重要焊接结构中的应用。电渣焊可以焊接各种碳素结构钢、低合金高强度钢、耐热钢和中合金钢，现已广泛应用于锅炉、压力容器、重型机械、冶金设备和船舶等的制造中。另外，用电渣焊可进行大面积堆焊和补焊。

　　(6)激光焊。

　　(7)电子束焊。

　　2.压力焊

　　(1)电阻焊。

　　电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊和对焊。

　　电阻焊广泛用于汽车驾驶室、金属车厢复板、家具等低碳钢产品的焊接和低合金钢、不锈钢、铝合金和铁合金等材料的焊接。

　　1)点焊是一种高速、经济的连接方法。点焊适用于可以采用搭接、接头不要求气密、厚度小于3mm的冲压、轧制的薄板构件。

　　2)缝焊广泛应用于油桶、罐头罐、暖气片、飞机和汽车油箱的薄板焊接。

　　3)凸焊主要用于焊接低碳钢和低合金钢的冲压件。凸焊的种类多，除板件凸焊外，还有螺帽、螺钉类零件的凸焊、线材交叉凸焊、管子凸焊和板材T形凸焊等。板件凸焊最适宜的厚度为0.5～4.0mm.

　　4)对焊时，两工件端面相接触，经过电阻加热和加压后沿整个接触面被焊接起来。

　　3.钎焊

　　钎焊的优点是容易保证焊件的尺寸精度，同时对于焊件母材的组织及性能的影响也比较小;适用于各种金属材料、异种金属和金属与非金属的连接;一次完成多个零件或多条钎缝的钎焊;可以钎焊极薄或极细的零件，以及粗细、厚薄相差很大的零件。钎焊的缺点是钎焊接头的耐热能力比较差，接头强度比较低，钎焊时表面清理及焊件装配质量的要求比较高。

　　(1)火焰钎焊。

　　(2)电阻钎焊。

　　(3)感应钎焊。

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　　(二)常用焊接材料及设备

　　1.焊接材料

　　(1)手工电弧焊焊接材料。

　　1)焊条的组成。焊条是涂有药皮的供电弧焊使用的熔化电极，由药皮和焊芯两部分组成。焊条的直径通常为3.2、4、5或6mm等几种规格，常用的是3.2、4和5mm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。焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接时，焊芯本身熔化为填充金属与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。药皮是由各种矿物类、铁合金有机物和化工产品(水玻璃类)原料组成。药皮在焊接过程中起着极为重要的作用。若采用无药皮的光杆焊条焊接，则在焊接过程中，空气中的氧和氮会大量侵入熔化金属，将金属铁和有益元素碳、硅、锰等氧化和氮化，并形成各种氧化物和氮化物残留在焊缝中，造成焊缝夹渣或裂纹。而熔入熔池中的气体可能使焊缝产生大量气孔，这些因素都能使焊缝的机械性能(强度、冲击值等)大大降低，同时使焊缝变脆。此外采用光杆焊条焊接，电弧很不稳定，飞溅严重，焊缝成形很差。

　　药皮除具有机械保护作用，还要加入一些还原剂，使电弧燃烧中产生的氧化物还原，以保证焊缝质量。

　　通过在焊条药皮中加入铁合金或纯合金元素，使之随着药皮的熔化而过渡到焊缝金属中去，以弥补合金元素烧损和提高焊缝金属的机械性能。

　　总之，药皮的作用改善了焊接工艺性能，使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、易脱渣和熔敷效率高。同时也保证焊缝金属获得具有合乎要求的化学成分和机械性能。

　　2)焊条分类。

　　①按焊条的用途分类。

　　②按药皮的主要成分分类。

　　③按药皮熔化后的熔渣碱度分类。

　　④按特殊性能分类。

　　3)焊条的选用原则。电弧焊时，通常应根据组成焊接结构钢材的化学成分、力学性能、焊接性和工作环境等要求，以及焊接结构的形状、受力情况和焊接设备类型等方面综合考虑，以决定选用哪种焊条。

　　①焊接材料的机械性能、化学成分。

　　a.对于低碳钢、中碳钢和低合金钢，可选用与母材强度等级相应的焊条，其抗拉强度等于或稍高于母材。当受力情况复杂时，应选用比母材强度低一级的焊条，以保证焊缝既有一定的强度，又能有满意的塑性。

　　b.对于合金结构钢，通常要求焊缝金属的合金成分与母材金属相同或相近。

　　c.在对焊接结构受力复杂、刚性大、接头应力高、焊缝易产生裂纹的情况下，可以考虑选用比母材强度低一级别的焊条。以保证焊缝既有一定的强度，又能有良好的塑性。

　　d.在母材中C、P、S等元素含量偏高时，焊缝易产生裂纹的情况下，应选用抗裂性能好的低氢型焊条。

　　e.在焊条的强度确定之后，对于塑性、冲击性和抗裂性能要求较高(结构形状复杂、钢材厚、焊件受动荷载)，低温条件下工作的焊缝应选用碱性焊条。

　　f.当焊件焊口处有较多的铁锈、油污和氧化皮、水分等脏物，且又无法清理时，应选用对铁锈、油污和氧化皮、水分敏感性小和抗气孔性能较强的酸性焊条。

　　g.低碳钢与低合金钢、不同强度等级的低合金钢等异种钢间的焊接，一般选用与较低强度等级钢材相匹配的焊条。

　　②焊件的工作条件与使用性能。

　　4)焊接参数的选择方法。电弧焊的焊接参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等。

　　①焊条直径的选择。焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头型式、焊缝位置及焊接层次等因素。在不影响焊接质量的前提下，为了提高劳动生产率，一般倾向于选择大直径的焊条。

　　②焊接电流的选择。焊接电流的大小，对焊接质量及生产率有较大影响。主要根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头型式、焊缝空间位置及焊接层次等因素来决定，其中，最主要的因素是焊条直径和焊缝空间位置。另外，焊缝的空间位置不同，焊接电流的大小也不同。含合金元素较多的合金钢焊条，一般电阻较大，热膨胀系数大，焊接过程中电流大，焊条易发红，造成药皮过早脱落，影响焊接质量，且合金元素烧损多，因此焊接电流相应减小。

　　③电弧电压的选择。电弧电压是由电弧长来决定。电弧长，则电弧电压高;电弧短，则电弧电压低。在焊接过程中，电弧过长，会使电弧燃烧不稳定，飞溅增加，熔深减小，且外部空气易侵入，造成气孔等缺陷。因此，要求电弧长度小于或等于焊条直径，即短弧焊。在使用酸性焊条焊接时，为了预热待焊部位或降低熔池温度，有时将电弧稍微拉长进行焊接，即所谓的长弧焊。

　　④焊接层数的选择。

　　⑤电源种类和极性的选择。

　　极性的选择，则是根据焊条的性质和焊接特点的不同，利用电弧中阳极温度比阴极温度高的特点，选用不同的极性来焊接各种不同的焊件。一般情况下，使用碱性焊条或薄板的焊接，采用直流反接;而酸性焊条，通常选用正接。

　　(2)埋弧焊焊接材料。

　　1)焊丝。埋弧焊所用焊丝有实心焊丝与药芯焊丝两种。普遍使用的是实心焊丝，有特殊要求时使用药芯焊丝。

　　2)焊剂。埋弧焊焊剂按用途分为钢用焊剂和有色金属用焊剂，按制造方法分为熔炼焊剂、烧结焊剂和陶质焊剂。

　　2.焊接设备

　　电弧焊的主要设备是弧焊机。弧焊机可分为交流弧焊机和直流弧焊机两类。交流弧焊机具有结构简单、价格低廉、保养和维护方便等优点。直流弧焊机具有焊接电流稳定、焊接质量高等优点。电弧焊的类型很多，包括手弧焊、埋弧焊、氩弧焊、等离子弧焊、水下电弧焊等。

　　(1)手弧焊设备。

　　(2)埋弧焊设备。

　　(3)C0 2气体保护焊设备。

　　(4)惰性气体保护焊设备。

　　(5)等离子弧焊设备。

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