焊接:通常是指金属的焊接。是通过加热或加压,或两者同时并用,使两个分离的物体产生原子间结合力而连接成一体的成形方法。
分类:根据焊接过程中加热程度和工艺特点的不同,焊接方法可以分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。自动化焊接过程中常用熔焊和压焊2类焊接方法。
(一)熔焊：
将工件焊接处局部加热到熔化状态,形成熔池(通常还加入填充金属),冷却结晶后形成焊缝,被焊工件结合为不可分离的整体。常见的熔焊方法有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。
利用可燃气体在氧气中燃烧时所产生的热量,将母材焊接处熔化而实现连接的一种熔焊方法。气焊是用气体火焰为热源的一种焊接方法。应用最多的是以乙炔气作燃料的氧-乙炔火焰。由于设备简单操作方便,但气焊加热速度及生产率较低,热影响区较大,且容易引起较大的变形。气焊可用于很多黑色金属、有色金属及合金的焊接。
可燃气：乙炔、液化石油气等。以乙炔为例,其在氧气中燃烧时的火焰温度可达3200℃。氧乙炔火焰有三种:
①中性焰：氧气与乙炔体积混合比为1～1.2,乙炔充分燃烧,适合焊接碳钢和非铁合金。
②碳性焰：氧气和乙炔体积混合比小于1,乙炔过剩,适用于焊接高碳钢、铸铁和高速钢。
③氧化焰：氧气与乙炔体积混合比大于1.2,氧气过剩,适用于黄铜和青铜的钎焊。
气焊火焰温度低,加热速度慢,加热区域宽,焊接热影响区宽,焊接变形大,且焊接过程中,熔化金属受到的保护差,焊接质量不易保证,因而其应用已很少。但气焊又具有无需电源、设备简单、费用低、移动方便、通用性强等特点,因而在无电源场合和野外工作时有实用价值。目前,主要用于薄钢板(厚度0.5～3mm)、铜及铜合金的焊接和铸铁的补焊。
电压低、电流大、温度高、能量密度大、移动性好等,一般20～30V的电压即可维持电弧的稳定燃烧,而电弧中的电流可以从几十安培到几千安培以满足不同工件的焊接要求,电弧的温度可达5000K以上,可以熔化各种金属。
弧焊电源：焊接电弧所使用的电源称为弧焊电源,通常可分为四大类:交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变弧焊电源。
这是一种不熔化极气体保护电弧焊,是利用钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。焊接过程中钨极不熔化,只起电极的作用。同时由焊炬的喷嘴送进氩气或氦气作保护。还可根据需要另外添加金属。在国际上通称为TIG焊。钨极气体保护电弧焊由于能很好地控制热输入,所以它是连接薄板金属和打底焊的一种极好方法。这种方法几乎可以用于所有金属的连接,尤其适用于焊接铝、镁这些能形成难熔氧化物的金属以及象钛和锆这些活泼金属。这种焊接方法的焊缝质量高,但与其它电弧焊相比,其焊接速度较慢。
目前CO2气体保护焊广泛应用于机车制造、船舶制造、汽车制造、采煤机械制造等领域。适用于焊接低碳钢、低合金钢、低合金高强钢,但是不适合于焊接有色金属、不锈钢。尽管有资料显示CO2气体保护焊可以用于不锈钢的焊接,但不是焊接不锈钢的首选。
熔化极气体保护电弧焊属于用电弧作为热源的熔化焊方法,其电弧建立在连续送进的焊丝与熔池之间熔化的焊丝金属与母材金属混合而成的熔池在电弧热源移走后结晶形成焊缝并把分离的母材通过冶金方式连接起来。
埋弧焊是以颗粒状焊剂为保护介质,电弧掩藏在焊剂层下的一种熔化极电 焊接方法。埋弧焊的施焊过程由三个环节组成:
(1)在焊件待焊接缝处均匀堆敷足够的颗粒状焊剂;
(2) 导电嘴和焊件分别接通焊接电源两级以产生焊接电弧;
(3) 自动送进焊丝并移动电弧实施焊接。
助水冷喷嘴等措施,可以使电弧的弧柱区横截面积减小,电弧的温度、能量密度、等离子的流速都显著提高,这种用外部拘束使弧柱受到压缩的电弧称为等离子弧。
等离子弧是电弧的一种特殊形式,是一种具有高能量密度的电弧,仍然是气体导电现象。等离子弧焊接是利用等离子弧的热量加热&熔化工件和母材实现焊接的方法。
分类：穿孔型等离子弧焊和微束等离子弧焊。
穿孔型等离子弧:焊接电流在100～300A,接头无需开坡口,不要留间隙。焊接时,等离子弧可以将焊件完全熔透并形成一个小通孔,熔化金属被排挤在小孔的周围,电弧移动,小孔随之移动,并在后方形成焊缝,从而实现单面焊双面一次成形。这种方法可以焊接的板厚上限为:碳钢7mm,不锈钢10mm。
微束等离子弧:焊接电流为0.1～30A,焊接厚度为0.025～2.5mm。此外,还有适用于铜及铜合金焊接的熔入型等离子弧焊,可用于厚板深熔焊或薄板高速焊以及堆焊的熔化极等离子弧焊,可解决铝合金等离子弧焊的交流(变极性)等离子弧焊等工艺方法。等离子弧焊的主要工艺参数有焊接电流、焊接速度、保护气流量、离子气流量、焊枪喷嘴结构与孔径等。
等离子弧切割:利用等离子弧的高温高速弧流使切口的金属局部熔化以致蒸发,并借助高速气流或水流将熔化的材料吹离基体形成切口的切割方法。
特点：
(1)等离子弧能量密度大,弧柱温度高,穿透能力强,10～12mm厚度钢材可不开坡口,能一次焊透双面成形,焊接速度快,生产率高,应力变形小。
(2)焊缝截面成酒杯状,无指状熔深问题。
(3)电弧挺直性好,受弧长波动的影响,熔池的波动小。
(4)电弧稳定0.1A,仍具有较平的静特性,配用恒流源,可很好的进行薄板的焊接(0.1mm)。
(5)钨极内缩,防止焊缝夹钨
(6)采用小孔焊接技术,实现单面焊双面成形。
(7)设备比较复杂,气体耗量大,只宜于室内焊接。焊枪的可达性比TIG差。
(8)电弧直径小,需要焊枪轴线与焊缝中线更准确地对中。
电源：陡降电源、直流正接;焊接铝镁时用交流、陡降电源、需引弧、稳弧措施。焊接材料:保护气体、钨极
适用范围：广泛用于工业生产,特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接,如钛合金的导弹壳体,飞机上的一些薄壁容器等。
激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接。这种焊接方法通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊优点是不需要在真空中进行,缺点则是穿透力不如电子束焊强。
激光焊时能进行精确的能量控制,因而可以实现精密微型器件的焊接。它能应用于很多金属,特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。
激光的产生:物质受激励后,产生的波长、频率、方向完全相同的光束。
激光的特点:具有单色性好、方向性好、能量密度高的特点,激光经透射或反射镜聚焦后,可获得直径小于0.01mm、功率密度高达1013W/cm2的能束,可以作为焊接、切割、钻孔及表面处理的热源。产生激光的物质有固体、半导体、液体、气体等,其中用于焊接、切割等工业加工的主要是钇铝石榴石(YAG)固体激光和CO2气体激光。
激光焊的主要优点是:
(1)激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输,适用于微型零部件及其它焊接方法难以达到的部位的焊接,还能通过透明材料进行焊接。
(2)能量密度高,可实现高速焊接,热影响区和焊接变形都很小,特别适用于热敏感材料的焊接。
(3)激光不受电磁场的影响,不产生X射线,无需真空保护,可以用于大型结构的焊接。
(4)可直接焊接绝缘导体,而不必预先剥掉绝缘层;也能焊接物理性能差别较大的异种材料。
激光焊的主要缺点是:设备昂贵,能量转化率低(5%～20%),对焊件接口加工、组装、定位要求均很高,目前主要用于电子工业和仪表工业中的微型器件的焊接,以及硅钢片、镀锌钢板等的焊接。
(二)压焊：
在焊接过程中无论加热与否,均需要加压的焊接方法。常见的压焊有电阻焊、摩擦焊、冷压焊、扩散焊、爆炸焊等。
这是以电阻热为能源的一类焊接方法,包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻热为能源的电阻焊。
电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法。通常使用较大的电流。为了防止在接触面上发生电弧并且为了锻压焊缝金属,焊接过程中始终要施加压力。进行这一类电阻焊时,被焊工件的表面善对于获得稳定的焊接质量是头等重要的。因此,焊前必须将电极与工件以及工件与工件间的接触表面进行清理。
优点:
(1)熔核形成时,始终被塑性环包围,熔化金属与空气隔绝,冶金过程简单。
(2)加热时间短、热量集中、故热影响区小,变形与应力也小,通常在焊后不必安排校正和热处理工序。
(3)不需要焊丝、焊条等填充金属,以及氧、乙炔、氩等焊接材料,焊接成本低。
(4)操作简单,易于实现机械化和自动化,改善了劳动条件。
(5)生产率高,且无噪声及有害气体,在大批量生产中,可以和其他制造工序一起编到组装线上。但闪光对焊因有火花喷溅,需要隔离。
缺点:
(1)目前还缺乏可靠的无损检测方法,焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查,以及靠各种监控技术来保证。
(2)点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量,且因在两板间熔核周围形成夹角,致使接头的抗拉强度和疲劳强度较低。3)设备功率大,机械化自动化程度较高,使设备成本较高、维修较困难,并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的正常运行。
适用范围:在汽车、飞机、仪器、家电、建筑用的钢筋、等行业有广泛应用,适用材料广泛,只是易氧化金属的电阻焊焊接性稍差。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板组件。各类钢材、铝、镁等有色金属及其合金、不锈钢等均可焊接。
摩擦焊是以机械能为能源的固相焊接。它是利用两表面间机械摩擦所产生的热来实现金属的连接的。摩擦焊的热量集中在接合面处,因此热影响区窄。两表面间须施加压力,多数情况是在加热终止时增大压力,使热态金属受顶锻而结合,一般结合面并不熔化。
摩擦焊生产率较高,原理上几乎所有能进行热锻的金属都能摩擦焊接。摩擦焊还可以用于异种金属的焊接。要适用于横断面为圆形的最大直径为100mm的工件。利用焊件接触端面相互摩擦所产生的热,使端面达到热塑性状态,然后迅速施加顶锻力,实现焊接的一种固相压焊方法。
摩擦焊具有以下优点:
(1)焊接质量稳定,焊件尺寸精度高,接头废品率低于电阻对焊和闪光对焊。
(2)焊接生产率高,比闪光对焊高5～6倍。
(3)适于焊接异种金属,如碳素钢、低合金钢与不锈钢、高速钢之间的连接,铜-不锈钢、铜-铝、铝-钢、钢-锆等之间连接。
(4)加工费用低,省电,焊件无需特殊清理。
(5)易实现机械化和自动化,操作简单,焊接工作场地无火花,弧光及有害气体。
缺点:靠工件旋转实现,焊接非圆截面较困难。盘状工件及薄壁管件,由于不易夹持也很难焊接。受焊机主轴电机功率的限制,目前摩擦焊可焊接的最大截面为20000mm2。摩擦焊机一次性投资费用大,适于大批量生产。
应用:异种金属和异种钢产品,如电力工业中的铜-铝过渡接头,金属切削用的高速钢-结构钢刀具等;结构钢产品,如电站锅炉蛇形管、阀门、拖拉机轴瓦等。
扩散焊一般是以间接热能为能源的固相焊接方法。通常是在真空或保护气氛下进行。焊接时使两被焊工件的表面在高温和较大压力下接触并保温一定时间,以达到原子间距离,经过原子朴素相互扩散而结合。焊前不仅需要清洗工件表面的氧化物等杂质,而且表面粗糙度要低于一定值才能保证焊接质量。
扩散焊在真空或保护气氛的保护下,在一定温度(低于母材的熔点)和压力条件下,使相互接触的平整光洁的待焊表面发生微观塑性流变后紧密接触,原子相互扩散,经过一段较长时间后,原始界面消失,达到完全冶金结合的焊接方法。
扩散焊具有以下优点:
(1)可以在几乎不损坏被焊材料性能的情况下,实现各类同种材料和异种材料间的焊接,可以用来制造双层或多层复合材料。
(2)能焊接结构复杂以及厚薄相差大的工件。
(3)接头成分、组织均匀,减小了应力腐蚀倾向。
(4)焊接变形小,接头精度高,可作为部件最后的组装连接方法。
(5)可与其它加工工艺同时进行(如真空热处理等),可同时完成多个接头的焊接,从而提高生产率。
不足:扩散焊对焊件表面加工及清理的要求高,焊接时间长、生产率低,成本高,设备投资大。
应用:熔点差别大或冶金上不相容的异种金属之间的焊接、金属与陶瓷的焊接和钛、镍、铝合金结构件的焊接。不仅应用于原子能、航空航天及电子工业等尖端技术领域,而且已推广至一般机械制造工业部门。
