【原】焊接基礎(chǔ)知識(shí)（一）
焊接是一種不可拆的連接方法，它是工件通過(guò)加熱或加壓，或兩者并用作用下實(shí)現(xiàn)材料連接的方法。有人將焊接技術(shù)的發(fā)展分為古代和現(xiàn)代焊接技術(shù)兩個(gè)不同階段。古代焊接技術(shù)的代表有：國(guó)際上公元前4000年前，美索布達(dá)尼亞人用鉛或錫連接銅，公元前350年前，羅馬人用鉛連接銅制水管，中國(guó)春秋時(shí)期用錫或錫—鉛合金作為釬料，唐代使用鍛焊技術(shù)。真正意義的現(xiàn)代焊接標(biāo)志在19世紀(jì)，1802年俄羅斯人發(fā)現(xiàn)電弧現(xiàn)象，1867年美國(guó)人發(fā)明電阻焊，1885年俄羅斯人發(fā)明碳弧焊。關(guān)于焊接的發(fā)展史，各國(guó)學(xué)者總結(jié)的不完全一樣，下面列舉歐洲人匯總的金屬焊接和切割的發(fā)展史：金屬的焊接，按其工藝過(guò)程的特點(diǎn)分熔焊、壓焊和釬焊三大類（見下圖）。熔化焊：將待焊處的母材金屬加熱至熔化，但不加壓以形成焊縫的焊接方法。熔焊時(shí)利用電能、化學(xué)能等作為熱源使焊件接頭局部熔化成溶融狀態(tài)，然后冷卻結(jié)晶，連接成一體。壓焊：焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊件施加壓力以完成焊接的方法。釬焊：采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱至高于釬料熔點(diǎn)低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)連接的方法。堆焊：為增大或恢復(fù)焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進(jìn)行的焊接。在AWS中單為增大或恢復(fù)尺寸的堆焊稱buildup，為滿足耐熱、耐蝕的堆焊稱cladding，為滿足耐磨要求的堆焊稱hardfacing，為調(diào)整表面成分起隔離作用的稱buttering。單道焊：只熔敷一條焊道完成整條焊縫或者一個(gè)焊層中只熔敷一條焊道的焊接。雙道焊：熔敷兩條焊道完成整條焊縫或者一個(gè)焊層中熔敷兩條焊道進(jìn)行的焊接。單面焊：僅在焊件的一面施焊，完成整條焊縫而進(jìn)行的焊接。雙面焊：在焊件的兩面施焊，完成整條焊縫而進(jìn)行的焊接。焊接操作：通過(guò)焊接完成工件的連接的過(guò)程。焊接條件：焊接時(shí)周圍的條件，包括環(huán)境因素（例如天氣）；應(yīng)力和環(huán)境因素（例如噪音、熱度、拘束狀態(tài)）；工件因素（例如母材材質(zhì)、坡口形狀、工作位置）等。焊接工藝參數(shù)：焊接時(shí)為保證焊接質(zhì)量而需要的數(shù)據(jù)。熔化速度：填充材料熔化的速度。指填充材料在單位時(shí)間內(nèi)熔化的長(zhǎng)度。焊接速度：單位時(shí)間內(nèi)完成焊縫的長(zhǎng)度。焊接時(shí)間：完成焊接接頭所需要的時(shí)間（不包括準(zhǔn)備和完成操作），包括焊接生產(chǎn)時(shí)間和輔助時(shí)間。熔敷效率：熔敷在坡口或者工件上的焊縫金屬量與熔化的填充金屬量的比率，或者與藥芯電弧焊中焊絲的比率，常用百分比表示。焊接填充材料：焊接時(shí)被熔化用盡，并有利于焊縫形成的材料。例如填充金屬、氣體、焊劑等。氣焊時(shí)，焊接熔池是由火焰加熱所形成，火焰是由可燃?xì)怏w與氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，火焰的熱量使材料熔化。通常用手將焊棒送入熔化區(qū)，把焊接坡口填滿?；鹧鏆怏w覆蓋著熔池，并保護(hù)熔池免受空氣的影響。應(yīng)用范圍：主要用于非合金、低合金鋼板和管材的焊接，也可用于鑄件的焊接，板厚約從0.8mm至6mm。焊條電弧焊是用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊接方法。焊條電弧焊時(shí)，在焊條末端和工件之間燃燒的電弧所產(chǎn)生的高溫（高于4000℃）使焊條藥皮與焊芯及工件熔化，熔化的焊芯端部迅速地形成細(xì)小的金屬熔滴，通過(guò)弧柱過(guò)渡到局部熔化的工件表面，融合一起形成熔池。隨著電弧以適當(dāng)?shù)幕￠L(zhǎng)和速度在工件上不斷向前移動(dòng)，熔池液態(tài)金屬逐步冷卻結(jié)晶，最終形成焊縫。藥皮熔化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體和熔渣，不僅使熔池和電弧周圍的空氣隔絕，而且和熔化了的焊芯、母材發(fā)生一系列冶金反應(yīng)，保證所形成焊縫的性能。焊條電弧焊采用的焊接電流既可以是交流也可以是直流，所以焊條電弧焊電源既有交流電源（弧焊變壓器）也有直流電源（弧焊發(fā)電機(jī)、弧焊整流器、逆變弧焊電源）。弧焊變壓器：用以將電網(wǎng)的交流電變成適宜于弧焊的交流電。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、使用可靠、維修容易、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在目前國(guó)內(nèi)焊接生產(chǎn)應(yīng)用中仍占很大的比例。直流弧焊發(fā)電機(jī)：雖然穩(wěn)弧性好，經(jīng)久耐用，電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響小，但硅鋼片和銅導(dǎo)線的需要量大，空載損耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，已被列入淘汰產(chǎn)品。晶閘管弧焊整流電源：引弧容易，性能柔和，電弧穩(wěn)定，飛濺少，是理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。一般低氫鈉型焊條必須選用直流弧焊電源，以保證電弧穩(wěn)定燃燒；酸性焊條雖然交、直流均可使用，但一般選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格較低的交流弧焊電源。鎢極氣體保護(hù)焊接方法分為鎢極惰性氣體保護(hù)焊（WIG即TIG）、鎢極等離子焊（WP）、鎢極氫原子焊（WHG）三種。鎢極惰性氣體保護(hù)焊（非熔化極氣體保護(hù)焊）是以氬氣（或氦氣等惰性氣體）作為保護(hù)介質(zhì)，以鎢棒為電極與工件之間產(chǎn)生電弧的一類氣保護(hù)電弧焊方法。在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可不加填充焊絲），形成焊縫的焊接方法。焊接時(shí)保護(hù)氣體從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成保護(hù)層隔絕空氣，保護(hù)電極和焊接熔池以及臨近熱影響區(qū)，以形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。在我國(guó)通常只采用氬氣為保護(hù)氣，故又叫做鎢極氬弧焊Tungsten Inert Gas (TIG)焊或Gas Tungsten Arc Welding (GTAW)。TIG焊接方法的優(yōu)點(diǎn)：焊接過(guò)程穩(wěn)定，電弧一旦引燃，就能夠穩(wěn)定燃燒；鎢棒本身不會(huì)產(chǎn)生熔滴過(guò)渡，弧長(zhǎng)變化干擾因素相對(duì)較少，也有助于電弧的穩(wěn)定燃燒。優(yōu)良的焊接質(zhì)量，由于Ar氣是惰性氣體，既不溶于液態(tài)金屬，又不與金屬反應(yīng)；氬的相對(duì)原子質(zhì)量較大，有利于形成良好的氣流隔離層，有效阻礙氧、氮侵入。適于薄板焊接、全位置焊接以及不加襯墊的單面焊雙面成形工藝。焊接過(guò)程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，焊接過(guò)程參數(shù)穩(wěn)定，易于檢測(cè)及控制，是理想的自動(dòng)化乃至機(jī)器人化的焊接方法。焊縫區(qū)無(wú)熔渣，焊工可看到熔池和焊縫成形過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)焊接，得到優(yōu)良焊縫。TIG焊接方法的缺點(diǎn)：需要特殊的引弧裝置，由于氬氣的電離電壓較高，鎢極的逸出功又較高，且一般不允許鎢極和工件接觸，通常需采用專門的引弧裝置。對(duì)工件清理要求較高，TIG焊無(wú)冶金脫氧或去氫措施，焊前對(duì)工件的除油、去銹、去垢等要求較高，否則極易引起氣孔、裂紋等焊接缺陷。生產(chǎn)效率較低，與焊條電弧焊相比，鎢極許用電流的限制，電弧功率密度較低，焊縫熔深較小，尤其是交流焊時(shí)的焊接許用電流更低，焊接生產(chǎn)明顯比GMAW低，同時(shí)由于生產(chǎn)效率第和惰性氣體較貴，生產(chǎn)成本較高。TIG焊是適焊的材料，幾乎可焊接所有的金屬和合金，但因其成本較高，生產(chǎn)中主要用于焊接不銹鋼、耐熱鋼、鋁、鎂、鈦、銅等有色金屬及其合金。也是適焊的焊接接頭和位置，常規(guī)的對(duì)接、搭接、T形接和角接等接頭，在任何位置（即全位置）均能焊接，薄板（2 mm）的卷邊接頭，搭接的點(diǎn)焊接頭均可焊接。同時(shí)，也是適焊的板厚與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，TIG焊接容易控制焊縫成形、容易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊，一般只用于焊接厚度在6mm以下的工件。熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG）、CO2氣體保護(hù)焊均屬于熔化極氣體保護(hù)焊接方法。熔化極氣體保護(hù)焊?？s寫為GMAW (Gas Metal Arc Welding)，是以專門送給的氣體作為保護(hù)熔池、焊接區(qū)金屬及電弧為介質(zhì)、以連續(xù)送進(jìn)的焊絲為電弧的一個(gè)極，母材為另一個(gè)極的一類電弧焊方法的總稱。
通過(guò)軟管束，將保護(hù)氣體、焊接電流和作為焊接填充材料的焊絲送入焊柜。送絲機(jī)構(gòu)通過(guò)焊炬導(dǎo)電咀的滑動(dòng)接觸面將焊接電流傳輸?shù)胶妇嬷姓谝苿?dòng)的焊絲上。在焊絲與工件之間可見的燃燒電弧供給焊絲熔化和工件所需要的能力，電弧溫度高達(dá)10000℃，焊絲熔化成熔滴狀。焊接有色金屬時(shí)，用惰性氣體保護(hù)熔池，使之免受空氣的侵入；焊接碳鋼、低合金鋼和高合金鋼時(shí)，一般采用通過(guò)導(dǎo)電咀直接傳輸?shù)诫x電弧很近的部位，如此可使焊絲具有較高的電流承載力（如直接1mm的焊絲可承載40~200A的焊接電流），從而提高熔敷率。GMAW的優(yōu)點(diǎn)是可用于各種黑色金屬和有色金屬的焊接，其中包括Al、Ti等及其合金，可焊材料要廣泛得多；可在任何位置實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或自動(dòng)焊接，且生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好。其弱點(diǎn)是明弧操作，弧光干擾嚴(yán)重，保護(hù)作用也易受外界干擾，應(yīng)注意防護(hù)。適于工件厚度0.6~100mm范圍內(nèi)的全位置焊接及堆焊。埋弧自動(dòng)焊是在1940年發(fā)明的一種新的焊接方法。焊絲盤、送絲機(jī)構(gòu)、焊劑及導(dǎo)電咀等通常都裝在一臺(tái)電動(dòng)小車上，焊接電流（電流強(qiáng)度200~2000A）通過(guò)導(dǎo)電咀里的滑動(dòng)接觸面?zhèn)鬏數(shù)揭苿?dòng)的焊絲上，焊絲端部與工件見的電弧埋在焊劑層下不可見的燃燒。電弧的能量熔化工件，且熔深較深，焊絲倍熔化且以熔滴形式過(guò)渡，部分熔化成液態(tài)的焊劑形成保護(hù)渣層覆蓋在焊縫金屬上。埋弧焊的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）生產(chǎn)率高，跟焊條手弧焊相比，焊接電流大，電流密度將比同樣直徑焊條高5倍左右，焊絲的熔化速度、電弧的熔深能力都大大提高；焊劑和熔渣的保護(hù)，電弧的熱、光輻射及飛濺都明顯減小，埋弧焊的熱利用效率又大大高于手弧焊，因此其焊接速度可明顯提高。手工電弧焊單道焊焊速一般在6~8m/h，埋弧焊則可在30~60m/h以上。（2）焊縫質(zhì)量高，因熔渣隔絕空氣的保護(hù)效果好，焊縫金屬中的含氧量、含氮量均明顯降低，焊縫成形、成分都比較穩(wěn)定，焊縫的力學(xué)性能也就高。（3）勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊工只要操作控制按鈕并進(jìn)行必要監(jiān)視和調(diào)正，有沒(méi)有弧光輻射，是所有電弧焊中勞動(dòng)條件最好的。埋弧焊的主要局限性：最適用于水平面俯位焊縫焊接；只適用鋼、鎳基合金、銅合金等金屬焊接；只適用1mm以上較厚板材的焊接；只適用于長(zhǎng)焊縫、規(guī)則焊縫的焊接。短焊縫、不規(guī)則焊縫難以顯示其生產(chǎn)率或質(zhì)量高的優(yōu)越性。埋弧焊的應(yīng)用范圍：5mm以上的長(zhǎng)直縫/對(duì)接、角接和搭接；碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鎳基合金、銅合金等；具有長(zhǎng)而規(guī)則焊縫的大型結(jié)構(gòu)，如船舶、壓力容器、橋梁、起重機(jī)械等；適于平、橫位置。
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