焊接与接合方法Word文档下载推荐.docx

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将工件接合于部位的材料加热到熔化状态，经冷却凝固完成接合者，如气体焊接、电弧焊接等。

2.压力焊接（Pressurewelding）：

主要是利用施加压力于工件接合部位之方式完成接合者，如端压焊法、冷焊法等。

3.镴焊（Solderingandbrazing）：

将熔点较工件材料低的填料熔化于工件接合部位，经凝固后将工件接合者，如软焊、硬焊等。

若以焊接时所使用的能源分类，则可分为：

1.化学反应能焊接（Chemicalreactionenergywelding）：

指利用燃烧或化学反应生热的方式产生融化工件材料所需之高温者，如气体焊接、铝热焊法。

2.电磁能焊接（Electromagneticenergywelding）：

利用电能直接转换成热能，或经由光能、动能再转换成热能者，如电弧焊接、电阻焊接、雷射焊法、电子束焊法等。

3.机械能焊接（Mechanicalenergywelding）：

利用机械能所产生之压力为主以促使工件接合者，如摩擦焊法、超音波焊法等。

4.结晶能焊接（Crystallingenergywelding）：

当原子扩散或毛细作用而使工件接合者，如扩散焊法、软焊、硬焊等。

焊接接头（Weldingjoint）是指两工件在接合部位的组合状态，可分为对接接头（Buttjoint），搭接接头（Lapjoint），边缘接头（Edgejoint），角缘接头（Cornerjoint）和T型接头（T-joint）五大类，如图5.2所示。

焊接接头的设计受到焊接方法和材料的限制，例如电阻焊接通常采用对接接头和搭接接头，且对接合处的洁净度要求很高。

铝材的最小可焊厚度为0.76㎜，而钢材则为0.38㎜等。

焊接位置（Weldingposition）是指工件之焊接部位在空间中所处的位置，主要分为平焊位置（Flatposition），横焊位置（Horizontalposition），立焊位置（Verticalposition）和仰焊位置（Overheadposition）等四种，如图5.3所示。

大多数的焊接方法可应用于不同的焊接位置，只有少数焊接方法受到限制，例如潜弧焊法只适用于平焊位置，电热熔渣焊法只适用于立焊位置。

焊接方法发展至今，在工业上不论是制造生产或维修方面都占有不可或缺的地位。

焊接目前已几乎可全面取代铆接及栓接的应用场合，更可部份取代锻造及铸造的零件制造。

主要的原因是焊接具有下列的优点：

1.节省零件接合使用的材料，使产品轻量化，因此降低材料、加工及能源使用成本。

2.施工方法简单，且工作效率高。

3.产品设计弹性大，不受工件形状及厚度之限制。

4.可依需求选择最适合的焊接方法加以使用，故应用的领域极为广泛。

圖5.1銲接種類

5.容易实现机械化和自动化。

6.可用来接合不同的工件材料。

7.工件发生缺陷时容易修补或改善。

8.接合率高，水密性及气密性良好，外表平滑。

焊接的缺点有：

1.许多焊接方法会产生强光、高热及烟尘，工作环境不佳，对人体健康有害。

2.工件因局部高温作用，造成收缩变形及残留应力问题，影响产品的功用。

3.工件接合处易产生焊道表面氧化、偏析、相变态、气孔、热裂纹、冷裂纹、夹渣等热影响区所造成的缺陷，这些缺陷往往成为产品发生破坏的根源。

4.经焊接完成的工件，常需要做非破坏性检验，甚且机械性质的测试，以确保焊接质量，因而增加制造成本。

5.1气体焊接

气体焊接（Gaswelding）是将可燃气体和助燃气体以适当的比例混合后，利用火焰燃烧将化学能转换为热能的型式产生高温，促使工件和焊条（即填料）熔化而接合的方法。

可燃气体有氢气，乙炔气和其它天然气体，助燃气体则有氧气和空气。

气体焊接的设备简单，成本低，应用范围很广，包含大多数金属材料的焊接。

因其热输入率较低，一般工件厚度在6㎜以下者较适合采用。

此外，燃烧气体产生的高温，也可用于切割工件称之为气体切割（Gascutting）。

气体焊接的操作方式可分为：

1.前手焊法（Forehandwelding）

依焊接进行方向，焊条在焊炬火口的前面，火炬指向即将施焊部位并先行加以预热，如图5.4（a）所示。

适用于厚度3.2㎜以下之工件，可获得较光滑细密的焊道。

2.后手焊法（Backhandwelding）

焊条在焊炬火口的后面，火焰指向熔池和已完成焊接之焊道，如图5.4（b）所示。

适用于厚度3.2㎜以上之工件，因其焊填率较大，所获得的焊道堆栈较高，根部熔合状况较佳，但焊道波纹粗糙。

5.1.1氧乙炔气焊法（Oxy-acetylenewelding,OAW）

大部份的气体焊接加工是采用氧乙炔气焊法。

乙炔气（C2H2）和氧气（O2）分别存放在不同的钢瓶中，经由软管输送道焊炬（Weldingtorch）内混合燃烧，再从火口喷出火焰进行焊接工作。

燃烧产生的温度可高达33000C以上，火焰型式依乙炔气和氧气的混合比例不同而变化，可分为三种类型：

1.还原焰（又称碳化焰，Carburizingflame）：

供应的氧气量比乙炔气量少时，火焰形成三个区域，火口处为温度较低的白色内焰，中间为最高温的乙炔羽（Acetylenefeather）其长度随乙炔气量的多少而定，外层则是明亮的外焰，如图5.5（a）所示。

因乙炔中的碳未被完全燃烧，会与高温的铁进行反应，相当于渗碳作用故又称为碳化焰。

大都用在软焊及高碳钢、非铁金属等之焊接。

2.中性焰（Neutralflame）

氧气量和乙炔气量的比例为1:

1时，两者可完全燃烧都没有残留，故无乙炔羽出现，如图5.5（b）所示。

对工件材料本身的成分并无增减，为使用最多的一种火焰。

常用在硬焊及软钢、铬钢、镍铬钢等之焊接。

3.氧化焰（Oxidizingflame）

若氧气调整至比乙炔气量多时，火焰型式与中性焰类似，但内焰变短，如图5.5（c）所示，火焰的温度变高，且颜色变为蓝色，同时伴有嘶嘶声。

多余的氧会与工件材料形成硬、脆、低强度的氧化物，更甚者会烧穿焊道形成切割作用。

一般用在黄铜的焊接或火焰切割工作。

圖5.5氧乙炔銲接的火焰類型

5.1.2氢氧气焊法（Oxy-hydrogenwelding,OHW）

除使用的燃料以氢气（H2）取代乙炔气外，其余大致与氧乙炔气焊法相同。

但是燃烧所得的火焰温度约为20000C左右，比氧乙炔气焊的火焰温度低甚多，故一般用来焊接较薄工件或低熔点金属，如铝合金等。

此外，燃烧火焰颜色不因氢气和氧气之比例不同而有明显变化，故较难调整，一般采用还原焰以避免金属产生氧化的现象。

所得的焊件质量与使用其它焊接法者相同。

5.1.3空气乙炔气焊法（Air-acetylenewelding,AAW）

当乙炔气燃烧所需助燃之氧气改由空气提供时，所得之火焰类似本生（Bunsen）灯，其温度比其它气体焊接法都低，通常使用的场合为铅之熔接或低温之软焊、硬焊等。

5.2电弧焊接

将电极和工件分别接于电源之负极和正极，当电极和工件快速碰撞接触后，立即提起分开，造成在两者间的空气被电离形成电弧（Arc），此步骤称为起弧。

电弧的温度高达55000C，可将工件接合部位的材料和填料同时熔化，并于冷却凝固后接合在一起。

电源可以是直流电或交流电。

此种焊接法是将电能转换为热能的型式用以提供材料熔化所需之能量。

起弧的方法有两种：

1.敲击法（Tappingmethod）：

将电极垂直向下碰触工件表面，在起弧成功后，将电极自高处稍微下降以保持正确的电弧长度。

2.摩擦法（Scratchingmethod）：

将电极以圆弧动作方式摩擦工件表面，起弧成功后之动作同敲击法。

电弧焊接的方法依电极是否可熔化而分为两大类：

1.电极式：

电极用可熔化的焊条，与工件接合部位一起被电弧之高温熔化，如图5.6（a）所示。

使用此种电极的焊接方式有遮蔽金属电弧焊法（SMAW），潜弧焊法（SAW），气体金属极电弧焊法（GMAW，又称MIG）等。

2.非熔极式：

电极为碳化钨或碳棒，做为与工件起弧之用，但电弧产生的高温并不会熔化电极，而是熔化外加之焊条和工件接合部份的材料，如图5.6（b）所示。

使用此种电极的焊接方法有碳极电弧焊法（CAW）、气体钨极电弧焊法（GTAW，又称TIG）。

当电极与电流负极相接，工件与正极相接时，称为正极性，反之则称为负极性。

采用正极性时，因电子流冲向工件，因此工件之热量分布较多，电弧穿透力较深，适合焊接较厚的工件。

负极性则刚好相反，适合焊接较薄的工件。

电弧产生的高温亦可用于熔化工件欲切割处之材使成为液体意体而分离，对于熔点较高或耐腐蚀之材料，因不易氧化而无法使用气体切割法时，可采用电弧切割法。

5.2.1碳极电弧焊法（Carbonarcwelding，CAW）

以碳棒为电极，利用熔化外加之焊条来接合工件。

碳棒本身并不熔化，较适合正极性接法，因为其所得电弧较为稳定。

目前很少采用碳极电弧焊法焊接工件，原因是电弧产生的热量并不够高，惟适用于热处理及焊接薄板工件或软焊、硬焊等。

5.2.2遮蔽金属电弧焊法（Shieldedmetalarcwelding，SMAW）

以包覆涂料之金属焊条为电极，当与工件起弧后，电弧产生的热量熔化焊条和工件材料形成熔池，在冷却凝固后即为焊道用以接合工件。

焊条上的涂料被电弧燃烧，会生成的气体和焊渣，遮蔽着电弧与熔池等，使之与空气隔绝，保护熔融金属不被氧化，因此焊道之质量比用赤裸金属焊条当电极时优良许多，如图5.7所示。

圖5.7遮蔽金屬電弧銲法（電銲）

遮蔽金属电弧焊法一般简称为电焊，是一种古老又简单的焊接方法，在所有焊接法中最为广泛使用，目前工业应用与维修之焊接约有一半采用此方法。

电焊主要的优点有：

1.设备简单，价格低廉且携带方便。

2.焊条涂料分解时，可提供气体保护层，故不需另外使用辅助之保护气体。

3.由于是手工操作，对工件接缝间之精度要求低。

适用于各种不同的焊接位置。

4.可适用的金属材料很广，包含碳钢、低合金钢、不锈钢、铸钢、铝、铜、镍及其合金。

缺点则是为避免因电流过大时会导致焊条过热，以致焊接熔接率偏低。

并且在焊条接近完全熔化后需更换另一支焊条重新起弧。

又每完成一道或一层焊接工作都必须进行焊渣去除，造成焊接效率低。

5.2.3气体钨极电弧焊法（Gastungstenarcwelding，GTAW）

利用非消耗性的钨棒做为电极，外加焊条于电弧间，利用焊炬喷出的惰性气体形成遮蔽作用保护熔融状态的焊道不被氧化，故又称为惰气钨极电弧焊法（Tungsteninertgasarcwelding，简称TIG），如图5.8所示。

因焊接时会产生高温，所以焊炬需通以循环水冷却。

起弧方式则改用焊接机所产生的高周波来达成。

惰性气体中以氩气最为实用，因而又称之为氩焊。

常在施焊完毕后，仍保持数秒到数十秒的惰气吹送，以便充分保护焊道。

惰性钨极电弧焊法和其它焊接方法比较时，具有下列之优点：

1.除了低熔点的铅、锡、锌等合金外，大部份合金均可用此法焊接。

2.没有熔渣及焊溅物，可节省焊接后处理的时间。

3.热输入控制容易，对薄工件的焊接特别有利。

4.焊接工件的质量良好。

5.焊接环境优良。

6.可以不用焊条，直接对工件接合部位加热熔融。

并可用于任何位置之施焊。

缺点则有：

1.焊接速率较慢。

2.因其堆积速率慢，对厚断面工件的焊接很费时且成本较高。

3.电极容易沾到熔池内的金属，因此电极常需要更换，很费时。

4.需使用惰性气体，提供焊道及电弧之保护，而惰性气体的费用占总成本中很高的比例。

5.2.4气体金属极电弧焊法（Gasmetalarcwelding，GMAW）

使用消耗性的金属电极，故不需外加焊条，又称为惰性金属极电弧焊接（Metalinertgasarcwelding，简称MIG），如图5.9所示。

金属线电极经由一组自动送料滚轮不断地送至熔接处，送料方式有推式，拉式及推拉式三种。

保护惰性气体可使用氩气、氮气、二氧化碳或混合气体等。

若为节省成本而使用二氧化碳（CO2）做为保护气体时称之为CO2焊接，常应用于碳钢及低合金钢的接合，原因是其穿透性良好，焊接速度快。

但是要特别注意CO2在高温时会分解成有毒的一氧化碳（CO）气体，若通风不良时可能造成操作人员中毒之意外发生。

圖5.9惰氣金屬極電弧銲法（MIG）

MIG焊接与TIG焊接的功能及优缺点类似。

较大之差别在TIG适用于薄工件焊接，而MIG则因为堆积效率较高，故可用在较厚的工件上。

此外，MIG尤其适合自动化，主要是作为消耗性电极的金属线可自动进料且其进给速率易于调整而达到自动焊接的目的，不仅能提高工作效率且可得到质量优良的产品。

5.2.5潜弧焊法（Submergedarcwelding，SAW）

潜弧焊法是指使用可熔性颗粒状焊剂覆盖在焊接周遭区域，将电极插入焊剂堆中，其尾端和工件起弧进行焊接。

焊接过程中，电弧、电极尾端和焊道都被焊剂及一部份熔化焊剂形成的焊渣所遮蔽，故看不到弧光，且无焊溅物及烟尘，所以称为潜弧焊。

电极可为赤裸焊线或包覆涂料焊线，直径自1.5㎜到10.0㎜都可见到，其形式可为单极或多极式。

焊剂可经由一输送管送到电极前端，未被熔化的焊剂则可经由另一条吸管回收再利用，如图5.10所示。

潜弧焊法可分为半自动与全自动两种。

半自动潜弧焊法与MIG相似，系使用焊炬，以手握持方式操作。

全自动潜弧焊法则为一般常见之依靠行走驱动马达做全自动的前进装置。

潜弧焊为一具有高经济效益的加工方法被广泛应用于造船、铁轨、大型直径有缝管、建筑业、压力容器等厚钢板之焊接。

潜弧焊法的优点有：

1.弧光不外泄，无焊溅物及烟尘等，工作环境佳且安全性高。

2.可使用大电流，故金属堆积速率快，比一般手工焊之工作效率高许多。

3.适合厚板焊接，且接头开槽可以较小，甚至不用开槽，节省焊接时间。

4.焊剂可加入合金，以改善焊接产品的质量。

5.焊道质量良好，外观平滑均匀。

1.设备费用高。

2.只适合于平焊位置，无法用于横焊、立焊或仰焊等位置。

3.焊接过程中，焊道的好坏无法实时看到，若有缺陷无法立刻进行补救。

4.焊剂容易受潮，一旦受潮使用时会造成焊道有气孔出现。

5.产生的热量大，使热影响区之材料结晶变粗大，影响其机械性质。

5.2.6电浆电弧焊法（Plasmaarcwelding,PAW）

将做为工作介质用之气体集中到有一小孔径之喷嘴焊炬内，使气体受电弧热后形成电浆，并以高能量集中的方式喷向工件接合处进行焊接加工。

使用的气体有氩气、氮气或混合气体等。

电浆电弧焊法适用于各种金属材料，常应用于汽车工业的次系统组装、计算机主机外壳、门窗框、管状件之生产等。

主要的优点有电弧稳定、电极寿命较长、较低的电流需求、较高的焊接速率、和良好的焊接质量。

缺点则有设备昂贵、只适用于平焊和立焊位置之焊接。

5.2.7嵌柱式电弧焊法（Studarcwelding,SW）

将柱状的工件装置于手枪形状的焊接枪内，扣动板机时，柱状工件与欲焊上去之工件表面间产生电弧，然后再藉由焊接枪内之弹簧将之压入熔融的焊池完成嵌焊作业。

焊接时枪内的陶瓷护环可遮蔽住电弧，并用来限制熔融金属停留在焊接区内。

嵌柱电弧焊法可用于帆布业，汽车工业，造船工业等。

优点为它是一种极为快速的焊接方法，柱状工件嵌焊可取代螺栓，而且不需要钻孔及铰孔等加工步骤，焊接完成后不需要清理。

缺点是接合处的形状大小需提供可产生足够之焊接强度，且接合处表面必须清除干净。

5.3电阻焊接

电阻焊接的基本原理是利用电流经过变压器的作用，导致电压降低而使电流变大，然后经电极送至工件接合部位，因电阻的关系在该处产生高热，促使接合部位相接触的材料成熔融状态，同时可施以适当压力于移动电极，迫使工件彼此结合在一起。

电阻焊接之电流所产生的热量可利用焦耳定理（Joulelaw）计算：

其中，H表热量（单位为焦耳，joule），I表电流（单位为安培，amp），R表电阻（单位为奥姆，ohm），t表通电时间（单位为秒，sec）。

由上式可知，电阻产生的热量与电流的平方，电阻本身及通电的时间成正比。

此即为何必须使用变压器将电压降低以升高电流的原因。

另外，焊接过程中需一直施加压力以保证形成连续电路，同时协助熔融状态的材料结合成一体。

电阻焊接和其它焊接方法比较时，具有的优点是：

1.不需要外加填料或焊剂，也不需要保护用的遮蔽气体。

2.不会产生弧光及烟尘的污染。

3.工件材料加热时间短，不会引起氧化或氮化的作用。

4.设备简单，操作容易，不需要技术熟练的作业员。

5.加工效率高，适用于大量生产。

缺点则是：

1.工件必须固定夹持于机器工作枱上面，故无法焊接大型的工件。

2.接合工件材料不同时，其物理性质也不同，因此焊接条件将随之改变。

3.耗电量大。

4.设备费用比电弧焊接者高。

5.焊接强度比电弧焊接者低。

5.3.1电阻点焊法（Resistancestopwelding,RSW）

电阻点焊法是电阻焊接中使用最普遍的一种焊接方法。

大量应用于薄板金属的焊接，有取代铆接、栓接或气体焊接及其它焊接加工法的趋势，尤其是汽车工业，例如一部汽车可能有多到一万个电阻点焊处。

电阻点焊的基本构造如图5.11所示。

其操作程序为：

1.将二片或二片以上的工件置于两个电极之间，并施加压力。

2.通以经变压器处理后成为低电压之高电流，产生电阻热促使与电极对应之工件接触点的材料熔化。

3.熔化完成后，切断电源，氮压力仍需保持到接合处之熔融金属冷却凝固为止，所得熔接处形状如图5.12所示。

圖5.11電阻點銲的基本構造

熔接處

圖5.12電阻點銲熔接處的形狀

电阻点焊法的电极可由低电阻的合金钢制成，其内部需有冷却装置。

电极头的形状有三种，如图5.13所示。

其中，锥状的最常见，大部份用来熔接铁金属；

圆头状的可承受较高电流和较大压力，用于非铁金属；

而平头状的是用于要求工件在点焊后不允许变形或为了增加美观考虑时。

（c）平頭狀

（b）圓頭狀

圖5.13電阻點銲電極頭的三種形狀

5.3.2电阻浮凸焊法（Resistanceprojectionwelding,RPW）

电阻浮凸焊法的原理和设备与电阻点焊法非常类似，如图5.14所示。

同样地被大量应用于汽车工业，其主要的不同点有二：

1.电阻浮凸焊法使用的电极都是平头状的，且直径较电阻点焊法所用的要大。

2.电阻浮凸焊法在焊接前，需先将工件冲压成有凸起的部位，再放到电阻焊机上执行焊接。

凸起部位的最大高度约为工件厚度的60%，可为各种几何形状，但最高凸点必须在同一基准上，如此才能使二个工件均匀接触。

施焊时大量的电阻热即集中于这些凸起接触的部位，故可藉由控制接触的区域，增加焊接速度，并使所需的电流与压力变小，焊件受热因而较小，对于焊接区域的收缩及变形之困扰也相对减少许多，并可使电极寿命增长，因为有这些优点使得电阻浮凸焊法被工业界广泛使用。

圖5.14電阻浮凸銲法

5.3.3电阻缝焊法（Resistanceseamwelding,RSEW）

将电阻点焊法的电击棒改用两个电极滚轮即成为电阻缝焊法。

滚轮形状的电极为铜合金制成，转动时带动工件往前移动，同时施加压力在焊缝上，如图5.15所示。

滚轮电极外围需加水冷却，以防止过热发生。

焊接时滚轮不停地滚动，另一方面用放电控制器控制其通电时间，使焊缝形成一连串焊接点，若形成的焊接点连续时，称为连续焊缝；

若存在间隔者，称为间断焊缝。

电阻缝焊法主要用于水箱、金属容器、有缝钢管等的接合焊接。

优点为成本低，材料较省且接合紧密等。

5.3.4闪光焊法（Flashwelding,FW）

闪光焊法是将二个工件分别用铜合金夹头夹住，其中一个夹头夹住，另一个则可移动。

通电后，当两工件接近到只有微小间隙时，会产生电弧因而得到高温可使工件材料端面熔融成塑性状态，随即切断电流，并施加压力，使两者接合成一体。

因施焊过程时有电弧闪光，故称为闪光焊法。

为防止铜合金夹头过热需用循环水冷却。

闪光焊法常用于管、杆、棒的对头焊接，且二个工件之截面形状常为相同，适用的截面大小变化范围很广。

除铸铁、铅、锡及锌合金以外之金属材料均可适用。

优点是所需电流比其它焊接法低且操作容易。

5.3.5端压焊法（Upsetwelding,UW）

端