焊接工艺学第三单元.docx

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焊接工艺学第三单元

第三章

金属连接及切割工艺

3.1焊接工艺

焊接是“通过将材料加热到焊接温度、加压或不加压，或仅通过加压，使用或不使用填充材料而将金属或非金属在局部接合的过程”，接合即“连接在一起”。

手工电弧焊（SMAW）

定义：

就是我们通常所说的“手把焊”，它是通过带药皮的焊条和被焊金属间的电弧将被焊金属加热，从而达到焊接的目的。

焊条药皮的不同导致了不同焊条种类，焊条药皮有以下五种作用：

（1）保护——药皮分解后产生的气体为熔融金属提供保护。

（2）脱氧——药皮为焊剂去除氧气和其他气体。

（3）合金化——药皮为焊缝提供合金化元素。

（4）电离——药皮改善电特性以增强电弧稳定性。

（5）保温——凝固的焊渣在焊缝金属上的覆盖降低了焊缝金属的冷却速度（次要影响）。

EXXXX：

E代表焊条。

前二个数字代表熔敷金属的最小抗拉强度，单位为千磅每平方英寸。

接下来的数字代表焊条的可焊位置。

数字“1”表示焊条可用于任何焊接位置，数字“2”表示熔融金属流动性非常好，只能用于平焊或角焊缝的横焊，数字“4”表示焊条可用于立向下焊，数字“3”不再使用。

最后一个数字表示焊条药皮的组成和性能，药皮决定了可焊性和推荐的电流类别，AC（交流），DCEP（直流反接）或DCEN（直流正接）。

焊条最后一个数字为“5”、“6”和“8”的，表示其为“低氢焊条”。

大多数规范均要求低氢焊条在拆封后放入温度不低于250F（120C）的烘箱中。

手工电弧焊优缺点：

优点：

第一，设备简单而便宜，这就使得手工电弧焊很轻便。

第二，携带方便。

第三，焊接工艺被认为是万能的。

缺点：

1.局限性是焊接速度

2.是影响生产率

产生缺陷：

未熔合、未焊透、裂纹、咬边、焊瘤、焊缝尺寸不对和不当的焊缝断面。

气体保护电弧焊（GMAW）

定义：

气体保护电弧焊是通过焊枪连续不断的送丝，由焊丝和工件之间产生的电弧的热量将母材和焊丝熔化，从而达到焊接的目的。

分类：

射流过渡、熔滴过渡、脉冲过渡和短路过渡。

ERXXS-X：

ER代表焊丝既可用作电极，也可用作填充金属，或仅用作填充金属（对其它焊接工艺而言）。

二到三个数字表示焊缝金属的最小抗拉强度，单位为千磅每平方英寸。

因此，与手工电弧焊一样，“70”就表示填充金属的最小抗拉强度为70,000磅每平方英寸（PSI）。

字母S表示为实芯焊丝，连字符后的最后一个数字表示电极的化学成分，说明了其操作特性以及焊缝的性能。

典型的气体保护电弧焊电极均增加脱氧剂如锰、硅和铝等，从而避免了气孔的发生。

射流过渡被认为热量最高，接下来是脉冲过渡、熔滴过渡，最后是短路过渡。

优点：

第一，每小时的金属熔敷量，这极大地降低了劳动力成本。

第二，干净的工艺，这主要归功于没有使用焊剂。

第三，可见性。

因为没有焊渣，焊工能够很容易地观察电弧和熔池的情况，从而改善控制。

缺点：

第一，母材过脏，会产生气孔。

第一，GMAW还对气流和风特别敏感，它们会将保护气体吹开，留下未保护的金属。

第二，设备要求比手工电弧焊的设备复杂。

药芯焊丝电弧焊（FCAW）

EXXT-X：

第一位的数字表示焊缝熔敷金属的抗拉强度，单位是10000磅/英寸2，如“7”表示焊缝熔敷金属的抗拉强度至少为70,000psi.第二个数字是“0”或“1”。

“0”表示这种焊丝只适用于平焊或角焊缝的横焊，而“1”说明该焊丝可用于所有位置。

接下来的一位是字母“T”，它表示管状焊丝。

然后是一横线和一个数字，数字表示按焊缝熔敷金属化学成分进行的特定分类，电流类型，极性，是否需要保护气体，以及其它用于分类的特定信息。

后缀G和GS分别表示多道焊和单道焊。

优点：

第一，它能提供很高的生产效率，即单位时间内所熔敷的焊缝金属量

第二，。

该工艺还被分类为大熔深弧焊，这有助于减少熔合性缺陷的可能性

第三，由于该方法主要用于半自动工艺，其操作技能要求远低于手工方法的要求

第四，FCAW适合工地焊接，在现场，风使得保护气体流失

缺点：

第一，焊接过程中会产生大量的烟

第二，在层间清理不当或操作技术不当时，会有焊渣残留在焊缝金属中的可能性。

第三，焊接速度要足够快，以保持电弧在熔池的前缘

钨极氩弧焊（GTAW）

“E”开头表示电极。

接下来的字母“W”是钨的化学符号。

然后是字符的数字，它们表示合金类型。

优点：

第一，能焊几乎所有的材料。

第二，它特有的清洁和操作可控特性，使它成为苛刻条件下应用的首选

第三，焊缝具有很高的质量和优异的外观质量

缺点：

第一，GTAW是所有可选用的焊接方法中最慢的

第二，在它产生干净的焊缝熔敷时，它却对污染的容许程度很低

夹钨产生的原因

第三,夹钨

1.钨极端部和熔化金属接触；

2.填充材料与热电极端部接触；

3.电极端部被飞溅污染；

4.电流过大超过了电极规格和型号的限制；

5.电极伸出夹头过大，超过了正常的距离，导致电极过热；

6.电极夹头夹紧不当；

7.保护气体流量不当或过大的风导致电极端部氧化；

8.电极有缺陷，如开裂、裂纹；

9.使用了错误的保护气体；和

10.电极端部打磨不当。

埋弧焊（SAW）

定义：

SAW用实芯焊丝连续送进，焊丝产生的电弧完全被颗粒状的焊剂层所覆盖；因而被命名成“埋弧”焊。

FXXX-EXXX：

根据所给定的焊接条件，在所示焊剂焊丝的匹配下，焊缝金属的最小拉伸强度，以10,000psi递增。

表示试验时的热处理状态：

A为焊态，P为焊后热处理态。

焊后热处理的时间及温度按规定。

表示焊缝金属的冲击强度能够达到或超过20ft-lb（27J）的最低温度。

E指的是实芯焊丝；EC指的是复合焊丝

L（低），M（中）或H（高）锰含量，或C（复合焊丝）

优点：

第一，高熔敷效率。

第二，比其它一些焊接方法产生更少的烟

缺点：

第一，只能在焊剂可以被支撑在焊接接头的位置进行焊接

第二，是它可能需要很多工具工装和变位设备

第三，如果电弧方向不当，则会产生未熔合

等离子焊（PAW）

优点：

第一，它能提供非常集中的热源。

缺点：

第一，PAW被局限在焊接1英寸及以下厚度的材料

第二，PAW的操作人员技能要求更高。

电渣焊（ESW）

ESW的一个有趣特性是ESW不属于弧焊工艺。

ESW用于很厚的材料焊接。

优点；第一，ESW的主要优势在于它的高熔敷效率。

第二，另一个好处是对接头不需要作特别处理。

缺点：

ESW的主要局限是花大量的时间来进行设置和准备工作。

如果焊剂潮湿或一个水冷滑块缺水，会产生大量的气孔。

因为电渣焊的工艺过程与铸造工艺在很多方面类似，所以焊缝金属的收缩会引起中心裂纹。

另外，由于产生大量的热量，会引起焊缝金属的晶粒粗大。

粗大的晶粒会导致焊缝的机械性能下降。

氧乙炔焊（OWA）

这种工艺可以认为是一种化学焊接方法。

用于OAW的填充材料标识系统很简单。

如两个例子RG-45和RG-60。

“R”代表焊丝，“G”代表气体，45和60代表熔敷金属的最低抗拉强度，单位千磅每平方英寸（psi）。

这样，45代表焊缝金属的抗拉强度至少为45,000psi。

优点：

第一，十分廉价并可以做成便携式。

缺点：

第一，火焰不能提供如电弧那样的集中的热源。

第二，OAW需要很高的操作技能以获得良好的结果。

螺柱焊（SW）

SW被认为是一种弧焊工艺，因为焊接热量是由螺柱和基材之间的电弧产生的。

优点：

第一，焊接过程是由连接在枪上的控制器控制，因而，当控制部分设置完成后，对操作人员的技能要求很低。

第二，SW是极其经济和有效的方法将各种附件焊接到表面上。

缺点：

电气或机械的故障会导致不良的焊接质量。

另外，螺柱的形状要受焊枪夹具配置的限制。

SW可能出现两种缺陷。

它们是360方位上飞边不全和结合面上未熔合。

它们都是由于设备设置不当或是接触不充分造成。

母材上有水或大量的锈或铁屑，同样会影响焊接质量。

激光束焊（LBW）

激光束焊的主要优点包括：

●总热输入量低，因此热影响区晶粒不易长大且工件变形小。

●采用小孔焊接技术焊接时可以得到大熔深-宽度比（ontheorderof10:

1）。

●单道激光焊可用于厚达1-1/4英寸（32mm）的材料焊接。

●激光束可以聚焦很小的区域，可以焊接薄、小和空间很小的部件。

●可以焊接各种各样的材料，包括物理特性不一样的异种材料。

●激光束能容易地使用光学器件进行聚焦，排列及改变方向。

因此，激光器可以放置在离开工件的地方，并且，激光束可以改变方向以绕过工装和障碍物达到工件。

●激光束不会象电弧和电子束焊那样受磁场的影响。

●不需要象电子束焊那样的真空和X射线保护。

激光束可以使用光学变换装置传送到一个以上的工位。

激光束焊有以下一些局限：

●接头必须精确地定位在激光束下。

●要求使用I形坡口对接接头。

●工件通常必须用力夹紧。

●高反射性和高热传导性的材料，如铝和铜及合金，会影响它们的可焊性。

●快速的冷却速度会在热影响区中产生裂纹、材料变脆，并在焊缝中留下气孔。

●高能量的激光常会在焊接接头上方产生羽毛状气化物，这会影响激光到达接头的能力。

因此需要一个等离子装置，通过惰性气体来吹开这些羽毛状气化。

●设备昂贵，一般在100,000美元。

电子束焊（EBW）

EBW是一种熔化连接工艺，它通过带有高能量的电子束撞击要焊接的接头来连接材料。

下面是电子束焊的优点：

●总热输入量低，因此热影响区晶粒不易长大且工件变形小。

●采用小孔焊接技术焊接时可以得到大熔深-宽度比（大于10:

1）。

●单道电子束焊可用于厚达4英寸（102mm）的材料焊接。

●高度纯净的焊接环境（真空）使金属被氧和氮污染的情况减到最小。

●因为有高度集中的热源所得到的快速熔化速率，使高速焊接成为可能。

●可以采用高真空或中真空方式焊接方法焊接需要内部保持真空的密闭容器。

●电子束能使用磁偏转来产生各种形状或利用磁振荡来改善焊接质量或提高熔深。

●聚焦的电子束有相当的景深，可以适用于一定范围内距离不等焊接。

●可以得到全焊透、两侧近似平行的单道焊缝及近似对称的收缩。

●可以焊接异种金属和具有高热导性的材料，如铜。

电子束焊有以下一些局限：

●接头必须精确地定位在电子束下。

●要求使用I形坡口对接接头。

●工件通常必须用力夹紧。

●快速的冷却速度会在热影响区中产生裂纹、材料变脆，并在焊缝中留下气孔。

●设备昂贵，一般在1,000,000美元。

●真空和中真空焊接，真空室要足够大以便容纳整个组件。

将真空室抽真空所需要的时间会影响产品的成本。

●因为电子束可以由磁场进行偏转，因此在电子束的通径上的工装夹具要使用非磁性材料或正确消磁的金属材料。

●所有的EBW都必须有射线防护措施以确保没有任何人员暴露在电子束焊所产生的X-射线之下。

●对于非真空EBW，要求有恰当的通风条件，以保证将EBW焊接时产生的臭氧和其它有害气体排开。

电阻焊（RW）

它一般用于薄板的焊接，厚度可达1/8英寸（3mm）。

不需要填充材料或焊剂。

主要有三种主要的电阻焊工艺：

电阻点焊（RSW）、电阻缝焊（RSEW）和凸焊。

钎焊

优点：

第一，可以用于连接不同的金属。

第二，并不昂贵的设备。

缺点：

被焊部件在焊前要非常干净。

切割工艺

氧-可然气体切割（OFC）

这温度是大约1700F（925C）。

因此可以认为OFC是一种化学切割工艺。

为了使氧燃料切割有效地完成，材料必须符合下列条件：

（1）它必须有能在氧气中燃烧的能力（可燃性），

（2）它的燃点要比熔点低，

（3）它的热导性应该相对的低，

（4）所产生的金属氧化物必须在低于该金属熔点的某个温度下熔化，

（5）所形成的渣必须低粘度。

因此，为了用这种工艺切割铸铁或不锈钢，要求必要的特殊技术以及附加设备。

这些技术包括火炬摆动，废板的利用，送丝，铁粉切割以及熔剂切割。

优点：

OFC的优点包括它的相对便宜及便携式的设备，使得它可以在车间和现场使用。

缺点：

第一，切割完成后需要进一步的清理或打磨才可以焊接。

第二，因为它要求高温，会产生高硬度的热影响区。

第三，所产生的火焰和热渣会造成在切割操作附近人员的安全危害。

空气碳弧切割（CAC－A）

优点：

它是去除金属的相对有效的方法。

它有能力切割任何金属。

缺点：

第一，这种工艺的主要缺点是有关安全。

因为它固有的噪杂和肮脏的加工过程。

第二，另一缺点就是所切好的金属在进一步焊接前需要清理。

等离子弧切割（PAC）

优点：

优点包括能切割OFC切割不了的金属，高质量切割以及增加了碳钢的切割速度。

缺点：

第一，总的切口太大并且切割边缘可能不平整。

第二，是与氧燃料切割相比，其设备成本较高。

关键术语和定义

AC－交流电流；在美国，极性变化是每秒60次。

合金－具有金属特性的物质，并由二个或更多的元素组成，其中至少有一个是金属元素。

字母数字－运用于命名中的数字和字母的组合。

安培－测量电流强度的标准单位。

电弧偏吹－由于电磁力的作用，焊接电弧偏移其正常的路径。

电弧长度－从电极的尖端到熔池表面的距离。

钎焊（硬钎焊）－使用填充金属连接材料而母材不熔化，熔点大于840F（450C）。

见软钎焊。

毛细作用－在钎焊中，使与固体所接触的液体在要钎焊的接头紧密接触表面之间分布的力。

碳钢－铁和小量碳的混合物。

渗碳－在焊接中，用于描述多余的碳渗入热金属表面的术语。

在空气碳弧切割，CAC－A中可能出现。

结合－二个或多个材料连接在一起

规范－由一城市，市政当局，州或国家所采用的文件，具有法律效应。

DC－直流；恒定的电极

DCEN－直流电流，电极接负极。

称为直流正接。

DCEP－直流电流，电极接正极。

称为直流反接。

不连续－在材料结构中的任何中断；并不一定是缺陷。

后拖量－在OFC和PAC中，在切割进入点与退出点之间沿着切割边缘测量的偏移量。

电极－在电弧，熔化的导电焊渣或母材上终止的电路上的一元件。

接合面－一个部件与另一部件连接时接触或非常接近的的配合表面。

铁基的－描述金属主要由铁为基础而组成，如钢的术语。

填充金属－加入焊接，钎接的金属或合金。

焊剂－用于阻止氧化物或其它不期望物在熔化的金属和固体金属表面的材料，并能熔化或帮助去除这些物质。

夹渣－陷入的杂质材料，如焊渣，焊剂，钨或氧化物。

未熔合－在焊接金属熔合面或连接的焊道之间没有熔合出现的一焊接不连续。

接头未焊透－在坡口焊缝中跟部的焊缝金属没有贯穿整个接头厚度。

惰性气体－不能与其它材料化学地相结合的气体。

氩和氦是在焊接中最常用到的。

切口宽度－在切割工艺中产生的切口的宽度。

小孔效应焊接－在工件上穿透工件的孔。

当进行焊接时，熔化了的金属在小孔后流动形成焊缝。

ksi－每平方英寸一千磅的命名。

70,000psi就等于70ksi。

低合金钢－是一种铁和碳的合金，加入其它元素以提高强度。

非铁基的－除铁基合金外的合金。

铜，镍和铝合金都是非铁基的。

阻尼孔－在焊接中，用于控制或压缩材料流动的小孔。

等离子－在焊接中，离子化的气体流

气孔－由于在固化中由残留气体而形成的空穴状的不连续。

位置－在焊接中，焊池，接头，连接件以及焊接加热源之间的相互关系。

例如，平面的，水平的，垂直的以及上面的。

前缀－一字母或数字加在一项目的开始以改变它的意义。

方向－在焊接中，该术语用于垂直焊接的方向，上坡焊和下坡焊。

psi－每平方英寸磅

活泼气体－能够与其它材料化学地相结合的气体。

沸腾钢－含碳量极低的，带有框的或表面有浅深的钢的钢。

通常在炼钢时出现。

保护－防止污染。

渣－在某些焊接和钎焊工艺中，焊剂和非金属杂质熔化产生的非金属物。

软钎焊－用金属熔点低于840F（450C）的填充金属，而不熔化母材的连接材料方法。

固溶体－对金属言，就是一种固体熔于另一固体中。

飞溅－在熔化焊中，没有形成焊缝的那部分飞出的金属颗粒。

后缀－一字母或数字跟在一项目后面通常改变它的意义。

拉伸强度－通常是以每平方英寸多少磅来计；用横截面积除以最大载荷来计算。

国际标准单位是兆帕。

咬边－熔入靠近焊趾或焊根部的母材并被留下而未填满的沟槽，。

电压－电动力，或电势的差，以伏特表示。

废板－碳钢板放在奥氏体不锈钢板上以允许用OFC方法切割。

CAC－A或PAC对于切割不锈钢更有效。

焊缝－加热材料至焊接温度，有或没有压力，或者单独用压力，有或没有填充材料，形成的金属或非金属间局部的结合。