各种焊接工艺培训讲义.docx
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各种焊接工艺培训讲义
中煤平朔集团井工一矿
“刘伟”创新工作室内部讲义
焊接工艺培训
授课人：
刘伟
日期：
2015.3.6
1概述
1.1焊接工艺的基本概念
焊接工艺是根据产品的生产性质、图样和技术要求，结合现有条件，运用现代焊接技术知识和先进生产经验，确定出的产品加工方法和程序，是焊接过程中的一整套技术规定。
包括焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接顺序、焊接操作的最佳选择以及焊后处理等。
制订焊接工艺是焊接生产的关键环节，其合理与否直接影响产品制造质量、劳动生产率和制造成本，而且是管理生产、设计焊接工装和焊接车间的主要依据。
焊接结构生产的一船工艺过程如图所示。
焊接是整个过程中的核心丁序，焊前准备和焊后处理的各个工序都是围绕着获得符合焊接质量要求的产品而做的工作。
质量检验贯穿于整个生产过程，以控制和保证焊接生产的质量。
每个工序的具体内容，由产品的结构特点、复杂程度、技术要求和生产量的大小等因素决定。
1.2焊接工艺的发展概况
焊接方法是焊接工艺的核心内容，其发展过程代表了焊接工艺的进展情况。
焊接方法的发明年代及发明国家见表2．1.1。
按照焊接过程的特点，焊接分为熔焊、压焊和钎焊三大类，每一类根据工艺特点又分为若干不同方法，见图2．1．2。
目前许多新的焊接工艺正逐步用于焊接生产，极大地提高了焊接生产率和焊接质量。
在重型机械、冶金矿山机械、工程机械、电站锅炉压力容器、石油化工、机车车辆、汽车等行业中普遍采用了数控切割技术、埋弧自动焊、电渣焊、CO2气体保护焊、TIG焊、MIG焊、电阻焊和钎焊等焊接方法并具有成套的焊接工艺装备。
尤其是汽车生产线中采用了co2气体保护焊、TIG焊、MIG焊等焊接机器人、电阻焊机器人和自动生产线，大大提高了焊接质量和生产效率，焊接机械化、自动化水平己达到总焊接工作量的35％一45％。
与工业发达国家相比，我国的焊接机械化和自动化水平还较低，按熔化焊来计算，目前日本为67％，德国为80％．美国为56％，原苏联为40％，而我国还不到20％，其主要原因是我国焊接生产主要还靠手工电弧焊，自动化水平高的气体保护焊和埋弧自动焊应用少。
从焊接生产工艺装备水平来看，我国近年来，生产了成套的焊接工艺装备和焊接生产线，也有的厂家从国外引进了自动化水平较高的焊接辅助装置、焊接质量和生产效率有了很大提高。
计算机控制系统在焊接生产工艺中的应用、在国外已经比较普遍，除用于焊接工艺参数的控制之外，还可用于整条生产线、焊机的群控。
它还可以根据材料厚度自动选择并预置焊接工艺参数．对焊接过程实现自适应控制、最佳控制以及智能控制等。
研究开发具有智能的焊接机器人，特别是具有自动路径规划，自动校正轨迹，自动控制熔深的机器人将是近期和21世纪的重点方向。
电子束、激光、等离子等高能束流用于焊接，可以完成难熔合金和难焊材料的焊接，焊接熔深大、热影响区小、焊缝性能好、焊接变形小、精度高，并具有较高的生产率。
必将在核、航空、航天、汽车等工业中得到广泛的应用，推进焊接工艺的进步。
采用复合热源焊接是焊接工艺的又一发展动向。
利用复合热源焊接不仅可以降低焊接成本，而且可以扩大焊接的材料。
目前激光加电弧的复合热源已在国外开始采用，采用等离子和位于工件背面的TIG电弧复合热源也有效地增大了熔深，为大厚度工件的焊接开辟了新途径。
焊接结构生产的一般结构过程
2CO2气体保护焊
2.1二氧化碳气体保护焊的特点及分类
二氧化碳气体保护焊是利用二氧化碳作保护气体，以燃烧于工件与焊丝间的电弧作热源种焊接方法，简称Co2焊。
由于二氧化碳具有一定的氧化性，因此，二氧化碳焊一般采一定脱氧元素的专用二氧化碳焊丝。
2.2二氧化碳气体保护焊的特点及应用
（1）优点
1）焊接成本低Co2气体及Co2焊焊丝价格便宜，焊接能耗
低，因此，二氧化碳气体保护焊的使用成本很低，只有埋弧焊及手工电弧焊的30％一50％。
2）焊缝质量好二氧化碳气体保护焊抗锈能力强，焊缝含氢量
低，抗裂性能好。
3）生产效率高二氧化碳气体保护焊的电弧集中，熔透能力
强，熔敷速度快，因此生产效率高；半自动二氧化碳焊的效率比手工电弧焊高1—2倍，自动二氧化碳焊比手工电弧焊高2—5倍。
4）适用范围广适用于各种位置的焊接、而且既可用于薄板的
焊接又可用于厚板的焊接。
5）便于实现自动化二氧化碳焊是明弧焊，便于监视及控制，
而且焊后无需清渣，有利于实现焊接过程机械化及自动化。
（2）缺点
1）焊缝成形较粗糙，飞溅较大。
2）劳动条件较差．二氧化碳焊弧光强度及紫外线强度分别为手
工电弧焊的2——3倍和20一40倍，而且操作环境中cO2的含量较大，对工人的健康不利。
（3）二氧化碳焊的应用
目前，二氧化碳焊已广泛用于机车车辆业，汽车、摩托车、船舶、煤矿机械及锅炉制造，主要用于焊接低碳钢及低合金钢。
此外补焊以及电铆焊等方面。
二氧化碳焊还用于耐磨零件的堆焊、铸钢件的焊接。
2.3二氮化碳焊设备的组成及分类
（1）二氧化碳焊设备的组成
二氧化碳焊设备由弧焊电源、控制箱、送丝机构、焊炬及供气系统组成。
自动Co2焊设备还配有行走小车或悬管梁等，而送丝机构及焊炬均安装在小车上或悬臂梁的机头上。
大电流CO2：
焊设备还配有水冷系统。
半自动二氧化碳焊机通常由电源、控制盒、送丝机构、焊炬等组成，其典型配置图如图3．6．I所示。
电源与送丝机构分离的二氧化碳焊机称为分体式焊机；电源与送丝机构安装在一个机箱中的焊机称为一体化焊机。
半自动二氧化碳设备—般用细焊丝进行焊接。
由于细丝焊接时电弧具有很强的自调节作用，因此，通常选用平特性或缓降特性的电源，配等速送丝机构。
这种匹配可保证在受到外界干扰时，弧长迅速恢复到原来的长度，保证焊接规范参数的稳定。
通过改变送丝速度可调节电流，改变电源外特性可改变电压，因此，规范参数的调节方便。
1）电源
粗丝二氧化碳焊设备要求使用陡降外特性的电源．采用弧压反馈调节来保持弧长的稳定。
细丝二氧化碳焊设备要求使用具有缓降外特性或平特性的弧焊电源，采用自调节作用来保持弧长的稳定。
二氧化碳焊设备仅采用直流电源，焊接时一般采用反极性接法。
2）控制箱
控制箱中装有焊接时序控制电路。
其主要用途是控制焊丝的自动送进、提前运气、滞后停气、引弧、电流通断、电流衰减、冷却水流的通断等。
对于自动焊机，还要控制小车或其他行走机构的行走。
3）送丝机构及焊炬
二氧化碳焊设备的送丝机构和焊炬与熔化极氩弧焊相同
4）气路和水路
①气路系统
除了一般气体保护焊气路系统中必须有的气瓶、减压阀
氧化碳焊机的气路系统有时还需安装预热器及干燥器。
安装预热器是为了防止二氧化碳中的水分在钢瓶出气口处或减压阀中结冰而堵塞气路。
焊接过程中钢瓶内的液态二氧化碳不断气化，气化过程中要吸收大量的热，而且钢瓶中的二氧化碳是高压的，经过减压阀减压后，也会使气体温度下降；气体流量越大，温度下降越明显。
因此，气体流量较大时（大于10L／min），在减压阀之前必须安装加热器，以防止气体中的水分结冰。
通常采用电热式加热器，其结构比较简单，只需将套有绝缘瓷管的加热电阻丝套在通二氧化碳气体的紫铜管上即可。
气路中安装干燥器是为了减少焊缝中的含氢量。
一般市售的二氧化碳气体中含有一定量的水分，因此需在气路中安装干燥器，以去除水分，减少焊缝中的合氢量。
干燥器有两种：
高压干燥器和低压干燥器。
高压干燥器安装在减压阀前，低压干燥器安装在减压阀之后。
一般情况下，只需安装高压干燥器。
如果对焊缝质量的要求不高，也可不加干燥器。
②水路系统
水路系统通以冷却水，用于冷却焊炬及电缆。
通常水路中设有水压开关，当水压太低或断水时，水压开关将断开控制系统电源，使焊机停止工作，保护焊炬不被损坏。
2.4焊接材料选择
二氧化碳气体保护焊的保护气体是二氧化碳，因此焊接材料的选择主要指焊丝的选择。
焊丝可分为实芯焊丝和药芯焊丝。
表2．3．37给出了适合于二氧化碳气体保护焊的实芯和药芯焊丝的性能及用途。
2.5焊前清理
二氧化碳气体保护焊采用二氧化碳作为保护气体，电弧气氛的氧化性比较强，因此对于工件表面的锈、油污等污物不太敏感，对于一些不重要的焊件，可不进行焊前清理。
焊前清理可参照手工电弧焊酸性焊条焊接时的清理要求。
6、焊接工艺参数
CO2焊的焊接工艺参数主要有焊丝直径、焊丝干伸长、焊接电流、电弧电压、焊接速度等。
焊丝直径影响熔深、焊丝熔化速度及熔滴过渡形式。
直径大于2mm的焊丝只能用于细颗粒过渡的焊接。
焊接电流相同的情况下，焊丝直径超小，熔深越大，熔化速度越高。
一般地，细丝用于焊接薄板，随着被焊板材厚度的增加，焊丝直径也应该相应增加。
表2．3．38为各种焊丝直径的适用范围，供选择焊丝直径时参考。
焊丝干伸长度也是一个重要的参数。
干伸长度越长，其电阻热越大，预热作用越强，送丝速度不变时，将降低焊接电流，容易引起未焊透和未熔合等缺陷。
干伸长度越小，若送丝速度不变时，将提高焊接电流，容易在全位置焊时引起铁水的流失，另一方面也影响观察电
弧，影响焊工操作。
焊接电流影响熔敷速度及熔深．电流增加，熔敷速度和熔深都要增加。
反之，熔敷速度和熔深都要减小。
选择电流时必须根据焊丝直径，不同的焊丝直径都有一个合适的电流区间，在这一区间，焊接过程才能稳定进行。
不同焊丝直径适合的焊接电流区间。
电弧电压的大小影响焊接过程的稳定性、焊丝金属熔滴过渡形式、焊缝金属的氧化和飞溅等。
电弧电压增加，熔宽明显增加，熔深略有减少，但增加焊缝金属的氧化和飞溅、降低焊缝的力学性能。
电压和电流必须适当配合，才能获得良好的工艺性能。
由于co：
气体保护焊的电弧静持性是上升特性，所以电弧电压随焊接电流的减小而降低。
CO2气体流量的大小，应根据焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度、喷嘴直径来选择。
3电阻焊的方法及应用——点焊部分
3.1点焊
点焊是依靠被焊工件接触面之间形成的焊点、将工件连接起来的电阻焊方法。
按一次形成的焊点数，可分为单点焊和多点焊；按对焊件的供电方向，可分为单面点焊和双面点焊等。
典型的点焊方法如图3．8．2所示。
最常见的点焊方法是双面点焊（电极从工件两侧供电），尤其是双面单点焊。
单面点焊主要用于电极难以从两侧接近工件或工件一侧要求压痕较浅的场合。
点焊接头的尺寸可参考表3．8．1大致确定，常用金属材料的焊接点距见表3．8．2。
点焊是一种高速、经济的连接方法，适用于制造可装配成搭接接头、接头无密封性要求的薄板构件，如汽车驾驶室、轿车车身、长机机翼、仪表壳体，也可用于焊接建筑用钢筋、电器元件引线、家用电器等。
3.2点焊机
（1）焊机的分类
点焊机的分类见图3．8．7。
通用焊机可焊接各种不同厚度和形状的工件，专用焊机则用于焊接形状、尺寸、厚度、材质接近的一定类型的工件。
中大功率焊机重量大，一般都固定安装。
焊接外形复杂或尺寸较大的薄壁工件时，工件通常不动而使焊机（焊钳）相对工件移动。
绝大多数通用点焊机采用双面馈电，可用于焊接各种尺寸和形状、各类金属材料的工件，通常一次焊接循环获得一个焊点。
单面点焊可提高生产率，减小焊接变形，并可从单面接近某些可达性差的焊件。
（2）固定式焊机
通用固定式焊机主要有摇臂式和直压式两种。
前者仅用于点焊，后者适用于点焊和凸焊。
直压式固定点（凸）焊机的组成见图3．8．8。
其中，加压机构、冷却系统和机身等组成机械部分；焊接回路、阻焊变压器、主电力电路、功率调节机构利控制设备等组成电气部分。
图3．8．9是点（凸）焊机焊接回路示意图。
直压式焊机的下电极通常固定不动，而上电极沿垂直方向作直线运动。
电极压力通过气缸或油缸带动电极施加于工件。
通用直压式焊机大多数采用气动加压系统，既能用于点焊也能用于凸焊（图3．8．12）。
点焊机的管伸长度一般较大，而凸焊机的臂伸长度都很小（因刚度要求高）。
此外，凸焊机要求加压机构的随动性要好，因而均采用滚动导轨、小质量活塞和蝶形弹簧缓冲等措施，以提高电极运动部分的跟随性。
直压式焊机有工频交流、次级整流、直流冲击波、电容贮能等多种类型。
这类焊机的功率一般都比较大，所以焊接变压器常采用次级绕组水冷、初级绕组可分段串——并联的壳型变压器。
级数换接器以插刀式居多，主电力开关通常采用大容量的整流元件（晶闸管或引燃管）。
国产凸焊机大多数为专用焊机，通用凸焊机品种很少。
在凸焊质量要求不高时，可用直压式点焊机代替凸焊机进行凸焊。
（3）移动式焊机
移动式焊机分为两类，即悬挂式焊机和手提式焊机。
前者用于焊接形状复杂、笨重庞大、移动因难的大型工件，后者用于维修工作。
两者均适于点焊。
手提式焊机通常采用空气自然冷却的阻焊变压器，其额定功率很小（2．5kvA），负载持续率非常低（一分钟只能焊一次），但瞬时焊接电流仍可达7000一10000A。
悬挂式焊机有整体式和分体式两种（见图3．8．13）。
前者是阻焊变压器与焊钳连成一体，后者是阻焊变压器与焊钳分离。
一般来说，大功率焊机多为分体式，而小功率焊机则趋于一体化。
分体式悬挂焊机需用较长的水冷电缆传递焊接电流，焊接回路阻抗大、功率损耗多，其焊接变压器的次级空载电压比固定式焊机高2—4倍。
整体式悬挂焊机因焊钳与变压器连成一体，其性能与固定式焊机类似。
悬挂式点焊钳按用途和形状可分为X型和C型两种。
X型焊钳用于点焊水平及接近于水平位置的焊点，电极的运动轨迹为圆弧形；C型焊钳用于点焊垂直及接近于垂直位置的焊点，电极作直线运动。
用于移动式焊机的加压机构有气—液压式和气压式两种施压，前者通过焊钳上的小汽缸对电极施压，可获得很高的电极压力，并且压力稳定、体积较小，但结构复杂；后者的优点是结构简单，制造成本较低。
移动式焊机的最新发展是将焊钳安装在机械手上，通过计算机控制，使机械手按指令进行操作。
此外，环氧树脂浇注变压器和逆变电源在移动焊机上的应用日益增多，从而使焊机的重量和体积大大减小。
3.3点焊机器人
焊接机器人是工业机器人技术的一个主要应用分支，目前已应用于电阻点焊、电弧焊、切割及热喷涂等。
电阻点焊机器人是一种较为简单的点位控制机器人，它只需控制点焊位置及点焊程序，而中间的轨迹无关紧要。
目前，点焊机器人仅在大批量生产的汽车工业中用于焊接lmm十lmm以下的薄板结构。
图3．8．30是汽车生产中应用的点焊机器人结构实例。
通用点焊机器人一般由三个相互关联的部分组成：
机械手、控制系统和示教系统。
机械于（又称操作机）是机器人的执行机构，由它直接带动点焊钳完成各种运动和操作；控制系统是机器人的神经中枢，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制机械手的各种运动；示
教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存贮器中。
（1）机械手
点焊机械手最普遍的结构形式是全关节式（见图3．8．32）。
典型的全关节式机械手一般由机身、大臂、小臂和手腕四部分组成，机械手的每个关节分别由一台伺服电机驱动，机械手的位置和姿态全部由旋转运动实现。
全关节式机械手的特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，但高精度控制难度较大。
（2）控制系统
现代工业机器人大都采用二级计算机控制。
第一级计算机的任务是系统监控、作业管理和实时修正等；第二级计算机的任务是进行伺服电机闭环控制，它接受第一级计算机送来的伺服信号，经运算处理后通过高速脉冲发生器控制各个运动机构。
目前工业机器人采用的控
制方式是将机械手上的每一个关节都当作一个单独的伺服机构加以控制。
图3l8．33为主从双微机式机器人控制系统的硬件构造。
（3）示教系统
工业机器人示教方式主要有两种：
人工引导示教和示教盒示教。
焊接机器人目前都采用示教盒示教，即由人通过示教盒操纵机器人进行示教。
示教盒本身是一套专用计算机，它不断扫描盒上的功能和数字键、操纵杆，并把信息和命令送给控制器。
今后的发展方向是离线
编程示教，它无需现场示教，可根据图纸，在计算机上进行编程，然后输给机器人控制器。
目前广泛应用的工业机器人大都具有示教—再现功能，其内容包括示教、存贮和再现三项。
示教—再现功能对环境变化没有应变能力。
目前正处于研究开发阶段的机器人是智能控制机器人，它具有完备的视觉、听觉、触觉等传感功能，能够直接识别语言、图像及键盘指令，并考虑各种传感系统给出的有关对象和环境的信息以及信息库的规则、数据、经验等资料，做出规划并指挥机器人操作。
表3．8．24列出了点焊机器人本体的几项主要技术指标及其与弧焊机器人相应指标的对比。
焊接机器人的技术指标还有很多，如工作空间、最大连度、用户内存量、语言转换功能自诊断功能、自保护功能等。
3.4点焊机器人焊接系统
焊接系统主要由焊钳（含阻焊变压器）、焊接控制器以及水、电、气等辅助部分组成。
（1）点焊机器人焊钳
机器人用点焊钳与普通点焊钳类似，分一体式和分离式、c型和x型等。
点焊机器人通常应采用重量轻、具有浮动加压装置的专用焊钳。
分离式焊钳也可用普通悬挂式焊钳及阻焊变压器，但二次电线需特殊制造。
分离式焊钳运动速度高，价格便宜，可减小机器人负载，但需用大容量焊接变压器。
一体式焊钳节省能量，但要求机器人本体承载能力大（见表3．8．24）。
（2）焊接控制器
控制器由cPu、EPROM及部分外围接口芯片组成最小系统。
它可以根据预定的焊接监控程序，完成点焊时的焊接参数输入、点焊程序控制、焊接电流控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本体计算机及手控示教盒的通讯联系。
4电极
电极的功能是向焊接区传递电流和压力、导散工件表面和焊接区的部分热量、调整和控制焊接热平衡以及定位、夹持工件等。
4.1电极材料
电极材科是决定电极寿命和焊接质量的重要因素之一。
通常要求电极材料应具有足够的高温硬度和强度、合适的导电性和导热性、高的抗氧化能力和良好的加工性能，以及与焊件材料形成合金的倾向小等。
国内常用电极材料及其性能见表3．8．16。
其中镐铌铜、铬镐铌铜和钴铬硅铜的性能较优，已获得广泛使用。
4.2点焊电极
点焊电极由端部、主体、尾部和冷却水孔四部分组成。
图3．8．15是常用的电极型式（直电极）。
其中，锥形和球面形电极应用最多。
球面电极用于轻合金及耐热合金的点焊以及圆弧运动点焊机上，锥形电极用于黑色金属点焊以及垂直运动点焊机上，偏心电极用于点焊搭边尺寸较小的工件，平面电极用于焊接表面压痕要求浅的工件，夹头电极和嵌钢或黄铜环的复合电极用于点焊不等厚工件，嵌钨或钧
的复合电极可点焊导热性良好（cu、A5等）或熔点高（Ta、Mo等）的金属材料，而帽状电极可节约铜合金（电极磨损后只需更换电极的一小部分）。
当工件的开敞性较差、可达性不好时，可采用专用电极（弯电极）和电极握杆，如图3．8．16所示。
电极的结构应保证电极有良好的冷却条件。
带有斜切端头的冷却水管应尽量接近水孔底部。
对于不能插入水管的弯电极，可在电极外面钎焊上冷却水管或进行外部水冷。
电极与电极夹头之间多采用锥体联接，锥度为1：
20。
拆卸电极时，应使用专用工具或管钳将电极旋转取出，不宜采用左右敲击的办法，以免损坏锥形座，造成接触不良或漏水。
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