現(xiàn)代連接技術(shù)VIP

1、第四節(jié) 現(xiàn)代連接技術(shù)連接技術(shù)是指將兩件金屬、或者非金屬通過焊接方法連接為一起的技術(shù)，狹義的連接技術(shù)主要指金屬之間的焊接技術(shù)，廣義的連接技術(shù)還包括金屬與非金屬、非金屬與非金屬之間的連接技術(shù)。1焊接連接技術(shù)的基本原理和分類焊接連接技術(shù)中要把兩個分離的金屬、非金屬固體構(gòu)件連接在一起，從物理本質(zhì)上來講，就是要使這兩個構(gòu)件被連接面上的原子和分子彼此接近到原子或分子間的結(jié)合力的距離，即達(dá)到金屬晶格距離。由于任何一個連接面上都有表面粗造度的存在，而且連接面上存在著氧化膜和其它污染物，這些都阻礙著連接面上的原子或分子接近到形成原子或分子間結(jié)合力的距離。焊接技術(shù)的目標(biāo)就是尋找合適的物理化學(xué)途徑，將連接表面的原子

2、或者分子用他們之間的結(jié)合力結(jié)合起來。按照這些物理化學(xué)方法的不同，可以將焊接連接技術(shù)分為熔化焊接、壓力焊接、釬焊、粘接等方法。1-1 熔化焊接熔化焊接是指用外加熱源使被連接構(gòu)件界面附近區(qū)域局部加熱熔化成液體，然后冷卻結(jié)晶成一體的方法。熔化焊接的關(guān)鍵技術(shù)主要有：1）要有一個能量和溫度密度都足夠高的局部加熱熱源。目前所用的局部熱源有：以氧乙炔、丙烷等燃?xì)饣鹧鏋闊嵩吹臍怏w火焰；以氣體導(dǎo)電時產(chǎn)生的電弧為熱源的電弧熱源；以熔渣導(dǎo)電時產(chǎn)生的電阻熱為熱源的電渣熱源；以高速運(yùn)動的電子束流為熱源的電子熱源；以輻射激發(fā)光放大原理產(chǎn)生的單色強(qiáng)光子束為熱源的激光熱源等等，局部加熱熱源不同所具有的焊接技術(shù)都不同。對于熔化

3、焊接來講，局部熱源的能量密度越大，就可以使加熱區(qū)域越小，熔透能力則越大，焊件熔化所需加熱時間越短，焊接速度越快，此外所形成的熱影響區(qū)也越小，這些對于形成優(yōu)良的熔化焊接接頭質(zhì)量，提高熔化焊接的生產(chǎn)率都是很重要的。2）熔化焊接過程一般都需要采取有效的保護(hù)措施以隔離空氣與焊接高溫區(qū)，以防止局部熔化的高溫金屬因與空氣中的氧氣的接觸而造成既定成分的變化以及由此引起的焊接性能的惡化。保護(hù)方式一般有真空、氣相和渣相保護(hù)三種。3）在熔化焊接過程中一定要考慮連接構(gòu)件之間的物理化學(xué)反應(yīng)，以確定兩者在高溫液相區(qū)形成互溶液體及隨后的冷卻過程中能否形成性能恰當(dāng)?shù)墓倘荏w。4）在熔化焊接中，局部加熱熱源在熔化區(qū)域周圍會有一

4、個特定寬度的熱影響區(qū)，造成晶粒長大或者晶間脆性析出物等惡化焊接區(qū)性能的不良后果，要盡量使熱源影響區(qū)比較小。1-2 壓力焊接壓力焊接是指用外加壓力的作用克服兩個構(gòu)件表面的不平度，擠走表面氧化膜及其它污染物，使兩個構(gòu)件的原子相互接近到晶格距離，從而在固態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的連接。在室溫下只有少數(shù)塑性較好的金屬如鋁合金、銅合金才可以實(shí)現(xiàn)壓力焊接，但是如果在加壓的同時伴隨以加熱，則很多金屬都可以實(shí)現(xiàn)壓力焊接。壓力焊接的加熱溫度大都低于焊件的熔點(diǎn)，正常的接頭區(qū)域內(nèi)一般也不包含熔化結(jié)晶過程，有時即使伴隨著局部或者微小的熔化，但也是從接頭中擠出的，或者被隔絕在固相金屬之中，因此壓力焊接通常不需要采用保護(hù)措施，壓

5、力焊接的接頭冶金問題也比熔化焊簡單一些。1-3 釬焊釬焊是指用熔點(diǎn)低于被連接構(gòu)件材料熔點(diǎn)的熔化金屬（釬料）做連接的媒介物在連接界面上流散充填，然后冷卻結(jié)晶形成結(jié)合面的方法。在釬焊過程中，釬料需要加熱熔化，而且為了防止熔化的釬料不受空氣中氧等氣體的污染，需要使用保護(hù)氣。釬焊不僅可用于同種或者異種金屬的焊接，還可以廣泛用于金屬與玻璃、陶瓷等非金屬材料的連接。1-4粘接粘接是指用環(huán)氧樹脂、聚丙烯等高分子化合物做粘接劑涂在連接部位，然后在固化劑或者光、熱作用下固化而實(shí)現(xiàn)的連接。粘接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空、電子工業(yè)等行業(yè)。2手工電弧焊接在了解手工電弧焊接技術(shù)之前，先了解焊接電弧，焊接電弧是所有電弧焊接技

6、術(shù)的基礎(chǔ)。圖4-1 電弧構(gòu)造及其電壓分布2-1 焊接電弧的構(gòu)造及其電特性2-1-1 電弧的結(jié)構(gòu)電弧的結(jié)構(gòu)由如圖4-1所示的三個部分組成：1）陰極斑點(diǎn)和陰極區(qū)。陰極表面發(fā)射電子的高溫區(qū)域稱為陰極斑點(diǎn)，同時它也接受一部分來自弧柱區(qū)的正離子的轟擊。陰極區(qū)是指陰極外緊靠陰極斑點(diǎn)的導(dǎo)電區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)電子和其它離子不會發(fā)生碰撞，因此只發(fā)生來自陰極表面的電子流和從弧柱區(qū)向陰極運(yùn)動的離子流。電子流和離子流的相對大小可因電極材料、電流大小而不同。2）弧柱區(qū)?；≈鶇^(qū)的長度約等于電弧的實(shí)際長度。在弧柱區(qū)域內(nèi)發(fā)生了氣體離子的各種電離、復(fù)合和親和過程，總體上電荷平衡。但依靠電子向陽極區(qū)和正離子向陰極區(qū)的運(yùn)動使弧柱保

7、持著導(dǎo)電狀態(tài)，同時輻射弧光。由于正離子質(zhì)量大，定向運(yùn)動困難，一般認(rèn)為弧柱電流中電子流約占99%。3）陽極區(qū)和陽極斑點(diǎn)。緊靠陽極的氣體導(dǎo)電區(qū)域稱為陽極區(qū)。陽極上全部接受電子流的高溫區(qū)域稱為陽極斑點(diǎn)。這個區(qū)域不再發(fā)生碰撞，電流完全是電子流。2-1-2 電弧中的電壓分布沿著電弧長度方向的電壓分布是不均勻的，靠近電極部分的電壓降較大，而沿著弧柱長度方向的電壓降認(rèn)為是均勻分布的。總的電弧電壓是有以下三部分組成： （4-1）式中，Ua、UA、UL、UK分別是電弧電壓、陰極電壓降、弧柱電壓降和陽極電壓降。同時，陽極電壓降UA在電極材料、電氣介質(zhì)、電流大小等條件確定時基本上也是常數(shù)，而弧柱電壓降則于氣體介質(zhì)和

8、弧柱長度有關(guān)。式（4-1）可以寫成： （4-2）圖4-2 電弧靜特性曲線式中，a=UA+UK；b=UL/La，為弧柱單位長度電壓降（V/cm），又稱為弧柱電場強(qiáng)度，其大小取決于電極材料種類和氣體成分；La是弧長，焊接電弧的弧長一般為幾個厘米。2-1-3 電弧的伏安特性一定長度的電弧在穩(wěn)定燃燒時，電弧電壓和電弧電流之間的關(guān)系稱為電弧的靜態(tài)伏安特性，簡稱電弧的靜特性。如圖4-2是實(shí)測典型焊接電弧靜特性曲線，呈非線性狀態(tài)，這是由于：1）小電流時，陰極溫度低熱發(fā)射能力很低，陰極區(qū)正離子流比例提高相當(dāng)于陰極區(qū)堆積正電荷，即提高陰極壓降才能靠電場發(fā)射維持陰極電子發(fā)射，因此，電流越小，電弧電壓必須提高。2）

9、陰極斑點(diǎn)面積、弧柱截面面積及其溫度和電離度都會隨著電流而變化。小電流時它們都可隨著電流增加而增大，達(dá)到一定程度后都會飽和。不同電弧焊接方法因采用的電極材料以及所用的電流范圍不同，其電弧往往僅工作在靜特性的某一段。手工電弧焊的電弧特性就是工作在平直段的。顯然，氣體介質(zhì)的組成、電弧長度、和電極材料都會影響電弧的靜態(tài)伏安特性。2-1-4 電弧的溫度及其溫度分布圖4-3 電弧溫度分布不同電極材料的陰極、陽極的溫度可以高達(dá)2200到4200K。一般陽極溫度高于陰極溫度，且都低于電極材料沸點(diǎn)，但都足以使大多數(shù)處于電弧陰極或陽極的金屬達(dá)到熔化溫度，并可能產(chǎn)生少量金屬原子蒸氣?；≈臏囟仁茈姌O材料、氣體介質(zhì)、

10、電流大小等因素的影響。常壓下當(dāng)電流在1000A范圍內(nèi)變化時，弧柱溫度可在500030000K之間?；≈臏囟确植既鐖D4-3所示。2-2 手工電弧焊接的基本特征2-2-1 手工電弧焊接的過程及其應(yīng)用特點(diǎn)手工電弧焊接是焊工手握夾持著焊條的焊鉗進(jìn)行焊接的一種電弧焊接方法。在手工焊接過程中，焊條和工件之間產(chǎn)生的電弧將工件局部加熱到熔化狀態(tài)形成熔池，焊條作為一個電極，焊條的端部在電弧的作用下不斷被熔化，形成熔滴進(jìn)入熔池，隨著電弧向前移動，熔池尾部液態(tài)金屬逐步冷卻結(jié)晶，最終形成焊縫。手工焊接技術(shù)的設(shè)備簡單，機(jī)動靈活，適用面廣，但是手工操作勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低，焊接精度不高，而且不太適合于活潑金屬、難熔金屬

11、以及低熔點(diǎn)金屬的焊接。2-2-2 手工電弧焊接的操作要領(lǐng)和參數(shù)手工電弧焊接中的關(guān)鍵技術(shù)是引弧和運(yùn)條技術(shù)：1）引?。菏止る娀『覆捎枚搪非脫艋騽澆练ㄒ茧娀?，其物理本質(zhì)是依靠短路電流加熱短路接觸處的金屬表面，使金屬和焊條形成熔池。當(dāng)焊條向上（敲擊時）或者側(cè)面（劃擦法）拉起時，陰極表面因熱及電場產(chǎn)生電子發(fā)射，并引起兩極間氣體分子電離而引燃電弧。2）運(yùn)條：運(yùn)條包括沿焊條軸線的送進(jìn)、沿焊縫移動和橫向擺動三個動作。橫向擺動可增加焊縫的寬度，保證焊縫兩側(cè)的良好熔合并且延緩熔池金屬的結(jié)晶時間，有利于熔渣的浮起和氣體的逸出。除了手工操作的技術(shù)之外，影響手工焊接技術(shù)的因素還有正確選擇電焊條及其直徑、電源種類和極性

12、、焊接電流大小以及焊接層次等。試驗(yàn)測得，電弧電壓的經(jīng)驗(yàn)值大致為：Ua=20+0.04Ia(V) I<600AUa=44(V) I600A （4-3）2-3 手工電弧焊接機(jī)-弧焊電源2-3-1 對弧焊電源的基本要求1）電源外特性。在穩(wěn)定狀態(tài)下，弧焊電源輸出的端電壓和電流之間的關(guān)系稱為弧焊電源的靜態(tài)外特性。當(dāng)一個電源供電弧焊接時，在穩(wěn)定狀態(tài)下，電弧靜特性和電源外特性的交點(diǎn)就決定了電弧的工作電壓和電流。如圖4-4所示的A0點(diǎn)就是穩(wěn)定的工作點(diǎn)，而A1點(diǎn)不是，這是因?yàn)樵陔娀」ぷ鲿r會受到外界干擾，電流會產(chǎn)生微小的波動。在A1點(diǎn)，當(dāng)電流產(chǎn)生微小變化時，電弧將熄滅或跳到A0點(diǎn)，而在A0點(diǎn)，盡管電弧在電流

13、的波動下會離開A0點(diǎn)，但最后會回到A0點(diǎn)。所以A0點(diǎn)是一個穩(wěn)定的工作點(diǎn)，焊弧電源應(yīng)該工作在A0點(diǎn)。圖4-4 電弧電源系統(tǒng)工作狀態(tài)圖2）電源調(diào)節(jié)特性。為使一臺弧焊電源能適用于各種焊條直徑和結(jié)構(gòu)的焊接，電源的外特性應(yīng)該是可調(diào)的。良好的焊弧電源其調(diào)節(jié)范圍是0.251.20A額定電流。3）電源空載電壓和短路電流。電源得空載電壓越高越有利于引弧和穩(wěn)弧，但不利于安全和節(jié)能。目前實(shí)用數(shù)值為6070V。為便于引弧，應(yīng)具有較高的短路電流。4）電源動特性。電源的動特性是指電弧負(fù)載狀態(tài)突然發(fā)生變化時，例如焊條熔滴進(jìn)入熔池時經(jīng)常會出現(xiàn)短路，弧焊電源輸出的電壓的電流能否迅速做出響應(yīng)的性能。良好的動特性有利于獲得有規(guī)則的

14、熔滴過渡，既能穩(wěn)定電源，又使得飛濺小和焊縫成型良好。5）負(fù)載持續(xù)率。手工電弧焊是一種有停息的工作，焊接時，電源處于負(fù)荷狀態(tài)，溫度升高；更換焊條時，電源處于空載狀態(tài)，溫度降低，電源的這種負(fù)荷狀態(tài)以負(fù)載持續(xù)率表示為： （4-4）式中，t1、t2、T=t1+t2分別是工作時間、休止時間、工作周期。一般手工焊接電源的負(fù)載持續(xù)率是30%。不同負(fù)載持續(xù)率下有不同的允許電流。2-3-2 手工電弧焊接機(jī)的類型手工弧焊機(jī)的類型一般有交流弧焊電機(jī)，直流弧焊電機(jī)和交直流弧焊電機(jī)幾種。1）交流弧焊電機(jī)。交流弧焊電機(jī)實(shí)際上是一臺降壓變壓器，具有較大的可調(diào)節(jié)的電阻或者串聯(lián)一個電阻，能獲得陡降的外特性，并使交流電弧可連續(xù)穩(wěn)

15、定燃燒。2）直流弧焊電機(jī)。直流弧焊電機(jī)主要是硅整流型、可控硅整流型及逆變控制型三種。硅整流型直流電機(jī)依靠交流回路中漏電阻或者磁飽和電阻器獲得可調(diào)下降外特性，磁飽和電阻器是一種用直流繞組控制其鐵芯磁飽和程度的可調(diào)電阻器。可控硅整流是電子控制型弧焊電源，通過控制導(dǎo)通角和電流負(fù)反饋獲得可調(diào)下降外特性，它在電弧工作區(qū)呈恒流特性，使電流在弧長略有波動時十分穩(wěn)定，而一旦短路則有足夠大的短路電流，有利于電弧引燃和重燃。逆變控制電源是通過晶閘管或大功率晶體管、場效應(yīng)管及絕緣門柵雙極晶體管，先把工頻交流電整流成高壓直流電，變成高頻交流電，然后再進(jìn)行降壓和整流。其外特性可通過改變逆變頻率或脈沖寬度來調(diào)節(jié)，下降特性

16、也主要通過電流負(fù)反饋來獲得。其主要優(yōu)點(diǎn)是：損耗小，效率高，動態(tài)響應(yīng)快，體積小，重量輕；缺點(diǎn)是：過載能力差，故障率高。3）交直流兩用弧焊電源用單相交流弧焊變壓器和整流器組合而成，常用于多用途焊機(jī)。2-4 電焊條在手工電弧焊接中要用到電焊條。電焊條是用鋼或者其它金屬絲表面涂一層適當(dāng)厚度含有多種礦物質(zhì)成分組成的藥皮后制成的。電焊條有如下一些功能：2-4-1 焊條芯：焊條芯的主要作用一是作為電弧的一個電極導(dǎo)電；二是在電弧中熔化并形成熔滴過渡到熔池，冷卻后成為焊縫熔覆金屬。2-4-2 藥皮：藥皮的主要作用有：1）穩(wěn)弧作用。藥皮中所含的低電離電位元素使焊條易于引弧并且在焊接過程中保持電弧穩(wěn)定燃燒；2）保護(hù)

17、作用。一方面藥皮中含有的有機(jī)物在電弧的高溫中分解，產(chǎn)生大量的CO、CO2、H2等氣體，防止周圍空氣中的氧和氮進(jìn)入焊縫熔池，起到了氣相保護(hù)作用；另一方面，藥皮熔化后形成的熔渣覆蓋著金屬熔池，隔絕了大氣，其次減輕金屬液等卻速度，改善焊縫的成型和結(jié)晶；3）脫氧作用。藥皮中含有一些還原劑（如Si、Ti、Mn、Al），在焊接過程中可以降低焊縫金屬的含氧量，減少液態(tài)金屬的氧化，提高了焊縫的力學(xué)性能。4）滲合金作用。藥皮中含有各種合金及金屬粉末作為合金劑來彌補(bǔ)焊接過程中合金元素的損失，使得焊縫合金獲得必要的合金成分。5）藥皮還可以改善焊接工藝性能。2-5 手工電弧焊接的質(zhì)量控制手工電弧焊接過程中，由于焊縫金

18、屬是從熔融態(tài)金屬冷卻凝固結(jié)晶成固態(tài)金屬，在焊縫的形成過程中，由于冷卻收縮率的不同，會產(chǎn)生焊接殘余變形以及殘余應(yīng)力，以及另外的焊接缺陷。要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接件，就要控制這些焊接缺陷。2-5-1 焊接殘余變形和應(yīng)力及其控制焊接殘余變形有橫向收縮，縱向收縮、彎曲和扭曲幾種。同樣的，焊接殘余應(yīng)力有橫向應(yīng)力，縱向應(yīng)力以及厚度方向的應(yīng)力。一般通過回火、拉伸等方法來消除焊接殘余應(yīng)力。1）回火：將焊接件整體或局部加熱到較高的溫度，保溫一定時間，使焊接件在較高的溫度下發(fā)生蠕變現(xiàn)象，屈服點(diǎn)降低，使殘余應(yīng)力消除。2）拉伸：對焊接件進(jìn)行加載，使焊縫塑性變形區(qū)得到拉伸，來減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量和降低內(nèi)應(yīng)力。焊接

19、殘余變形的控制有如下的方法：1）合理的結(jié)構(gòu)以及接頭設(shè)計(jì)，盡可能減少焊縫數(shù)量，對稱布置焊縫；2）合理的焊接工藝設(shè)計(jì)，適當(dāng)?shù)挠脛傂灾Ъ芗皧A具，利用反變形，盡可能對稱的選擇焊接次序等；3）通過機(jī)械作用力或者火焰加熱等方法來進(jìn)行焊接變形的矯正，控制殘余變形。圖4-5 埋弧焊接過程和焊縫的形成（a）焊接過程 （b）縱向剖面 （c）橫向剖面1-焊劑 2-焊絲 3-電弧 4-熔池金屬 5-熔渣 6-焊縫 7-焊件8-渣殼 9-焊劑漏斗 10-送絲滾輪 11-導(dǎo)電嘴2-5-2 焊接缺陷焊接缺陷有焊縫形狀缺陷、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋等缺陷。3埋弧自動焊接3-1 埋弧自動焊的過程如圖4-5所示為埋弧自動

20、焊的過程圖。埋弧自動焊有四個主要要素：1）顆粒狀焊劑經(jīng)漏斗口均勻的堆撒在焊絲前方的待焊接縫區(qū)；2）弧焊電源輸出兩端分別接導(dǎo)電嘴和焊件以產(chǎn)生電??；3）焊絲由送絲機(jī)構(gòu)經(jīng)送絲滾輪和導(dǎo)電嘴送入焊接電弧區(qū)；4）送絲機(jī)構(gòu)、焊劑漏斗及控制鍵盤通常裝在一臺電動小車上實(shí)現(xiàn)焊接電弧相對于工件的移動。埋弧自動焊的電弧是在顆粒狀焊劑下產(chǎn)生的，一旦電弧形成并使焊件、焊絲、焊劑熔化以致部分蒸發(fā)，并產(chǎn)生冶金反應(yīng)，所生成的氣體會形成一個氣泡，電弧就在這個氣泡內(nèi)繼續(xù)燃燒，如圖4-5（b）、（c）所示。氣泡的頂部被一層熔化狀焊劑（熔渣）構(gòu)成的外膜所包圍，這層渣膜不僅有效的隔離空氣進(jìn)入電弧和熔池，而且使有礙于操作的弧光不再輻射干擾

21、。氣泡底后部為焊接熔池，隨著電弧前移，熔池也前進(jìn)，其尾部則冷卻結(jié)晶而形成焊縫。3-2 埋弧自動焊的優(yōu)缺點(diǎn)埋弧自動焊的生產(chǎn)率較高，焊縫質(zhì)量好，勞動強(qiáng)度低，具有很好的自動化潛力；但是埋弧自動焊只適用于水平焊縫的焊接，不能用來焊接氧化性極強(qiáng)的金屬，同時不適用于不規(guī)則焊縫的焊接。3-3 埋弧自動焊的冶金特點(diǎn)埋弧自動焊的冶金過程，包括液態(tài)金屬、液態(tài)熔渣和氣相之間的相互作用，液態(tài)熔渣和已凝固金屬之間的作用，其主要特點(diǎn)為：1）空氣難以入侵電弧區(qū)：埋弧自動焊接是靠電弧熱作用下形成的一個熔融狀熔渣薄膜保護(hù)電弧及熔池區(qū)，可阻止空氣侵入，保護(hù)效果好；2）冶金反應(yīng)充分：埋弧自動焊時，焊接電流及熔池尺寸較大，熔池金屬處

22、于液態(tài)時間比手工焊接要高幾倍，液態(tài)金屬與熔渣之間的反應(yīng)相當(dāng)充分，使焊縫金屬得到必要的滲合金，同時氣體、夾渣容易析出；3）焊縫金屬化學(xué)成分穩(wěn)定：埋弧自動焊接時，焊接參數(shù)、單位時間內(nèi)所熔化的金屬與焊劑之比、焊縫金屬的化學(xué)成分都比手工電弧焊要穩(wěn)定得多。4熔化極氣體保護(hù)焊4-1 熔化極氣體保護(hù)焊的過程特征及分類圖4-6 MIG氣體保護(hù)焊接示意圖1-工件 2-電弧 3-焊絲 4-焊絲盤5-送絲滾輪 6-導(dǎo)電嘴 7-保護(hù)罩8-保護(hù)氣體 9-熔池 10-焊縫金屬熔化極氣體保護(hù)焊常縮寫為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)金屬的保護(hù)氣體，電弧作為介質(zhì)，

23、以連續(xù)送進(jìn)的焊絲作為電弧的一個電極，母材作為另一個電極的一類電弧焊方法的總稱。按照所用保護(hù)氣體的不同，GMAW可分為熔化極惰性氣體保護(hù)焊MIG（Metal Inert Gas）、熔化極活性氣體保護(hù)焊MAG（Metal Active Gas）和CO2氣體保護(hù)焊等。如圖4-6所示為MIG氣體保護(hù)焊示意圖。與埋弧自動焊接相比，GMAW的最大優(yōu)點(diǎn)是：1）可以用于各種黑色金屬的焊接，其中包括Al、Ti等及其合金，可焊材料要廣泛的多；2）可在任何位置（俯焊、立焊、橫焊、仰焊及全部位置）實(shí)現(xiàn)半自動或者全自動焊接，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好。它的弱點(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。4-2 保護(hù)氣

24、體在熔化極氣體保護(hù)焊過程中，保護(hù)氣從焊槍的噴嘴里連續(xù)流出，排擠掉焊接區(qū)域的空氣，使電極（即焊絲）、電弧、熔池以及靠近焊縫的高溫區(qū)與空氣隔離，免受其有害影響，從而達(dá)到保護(hù)之目的。氣體保護(hù)作用的效果受氣體種類、流動狀態(tài)、流量以及其它參數(shù)如弧長、電流、焊接速度、外界氣流、工件接頭形式等多種因素影響，要綜合考慮著多種因素的影響，才能獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。目前用作GMAW保護(hù)氣體的主要有Ar、He、N2、CO2以及它們的混合氣體。它們一般有以下的選用原則：1）保護(hù)氣體應(yīng)該對焊接區(qū)中的電弧與金屬起到良好的保護(hù)作用；2）保護(hù)氣體作為電弧的氣體介質(zhì)，應(yīng)有利于引燃電弧和保持電弧穩(wěn)定燃燒；3）應(yīng)有助于提高對焊件的加熱效

25、率；4）應(yīng)促使焊接過程獲得良好的熔滴過渡，減小飛濺；5）對焊接過程中的有害冶金反應(yīng)能進(jìn)行控制，以減小氣孔和裂紋等焊接缺陷；6）保護(hù)氣體應(yīng)該容易制取，來源豐富，價格低廉，以降低焊接成本。5非熔化極氣體保護(hù)焊5-1 非熔化極氣體保護(hù)焊的過程特征非熔化極氣體保護(hù)焊是以氬氣或者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)生電弧進(jìn)行焊接的另一類氣體保護(hù)電弧焊接方法。通常采用氬氣作為保護(hù)氣體，所以又稱為鎢極氬弧焊，或縮寫為TIG（Tungsten Inert Gas Welding）或者GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）。圖4-7 GTAW的焊接過程和設(shè)備構(gòu)成GTAW焊接

26、過程如圖4-7所示。保護(hù)氣、進(jìn)出冷卻水及弧焊電源負(fù)極均與焊接控制箱相連，電源的正極接工件，焊接所需的水、電、氣由控制箱控制后通過同軸焊接電纜與焊炬相連，保護(hù)氣由焊炬噴嘴噴出，在焊接區(qū)域形成保護(hù)氣罩，焊炬內(nèi)夾持著鎢棒，電弧在鎢棒電極與工件之間引燃，根據(jù)不同的工件厚度和坡口形狀可以外加或者不加填充絲。焊炬相對于焊接縫的移動和填加焊絲均可手工操作或者機(jī)械自動完成。5-2 GTAW的主要特點(diǎn)5-2-1 GTAW的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：1）GTAW是由純氬氣保護(hù)，焊縫保護(hù)效果好，焊縫金屬純凈。特別適用于焊接易氧化的有色金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及其合金，以及難熔的活性金屬。2）GTAW的焊接過程穩(wěn)定。氬氣是

27、單原子惰性氣體，穩(wěn)定性極好，不與金屬氣化學(xué)反應(yīng)，電弧的熱量損失小，電弧一旦引燃，就能夠穩(wěn)定燃燒。另外，鎢棒本身不會產(chǎn)生熔滴過渡，弧長干擾因素相對減小，也使電弧和焊接過程十分穩(wěn)定。3）焊縫成型好。由于焊接過程穩(wěn)定，氬氣的保護(hù)效果好，氧氣不會侵入焊縫金屬，也體表件不會發(fā)生化學(xué)活性的反應(yīng)，因此表面張力較大，熔池金屬不易下淌和流失，特別適宜于薄板的焊接。4）焊接過程易于自動化。GTAW的電弧是明弧，焊接過程參數(shù)穩(wěn)定，易于觀察或監(jiān)測，容易實(shí)現(xiàn)自動化控制。5-2-2 GTAW的應(yīng)用不足圖4-8 等離子弧的形式(a)非轉(zhuǎn)移型 (b)轉(zhuǎn)移型 (c)混合型1-鎢極 2-水冷噴嘴 3-轉(zhuǎn)移弧 4-非轉(zhuǎn)移弧 5-工

28、件 6-冷卻水1）引弧比較困難。GTAW一般采用高頻引弧或者高壓脈沖引弧方式，通過強(qiáng)電場的電子發(fā)射擊穿氬氣介質(zhì)使其電離形成電弧，這種引弧方式會給自動化控制系統(tǒng)造成干擾。2）對工件清理要求較高。GTAW無冶金脫氧或去氫措施，焊前對工件的清理工作要求較高，否則極易引起氣孔、裂紋等焊接缺陷。3）生產(chǎn)率較低。焊接電流受鎢棒許用電流的限制不能用得很大，尤其是交流焊時的焊接許用電流更低，一次焊透的工件厚度比較小，焊接生產(chǎn)率比較低。6等離子弧焊接6-1 等離子弧的形成當(dāng)電弧受到外部拘束條件如水冷噴嘴等的拘束，使電弧的弧柱面受到限制，此時電弧的溫度、能量密度、等離子電離度和它的流速都顯著增大。這種用外部拘束條

29、件使弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。按照電源供電方式不同，等離子弧可以分為非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型兩種基本形式，如圖4-8所示，前者的電弧在電極和工件之間燃燒，水冷噴嘴不接電源，僅起冷卻作用；后者電弧直接在電極和噴嘴之間燃燒，水冷噴嘴既是電弧的電極，又起冷壁拘束作用，而工件不接電源。圖4-9 穿孔型等離子弧焊接焊接和噴鍍用的等離子弧可采用純氬氣或者（95%Ar+5H2）、（75%He+25%Ar）、（50%Ar+50%He）、氦氣等為等離子氣，同時還必須通入保護(hù)氣體。切割時等離子弧常用空氣、（N2+H2）、（Ar+H2）、水蒸氣作為等離子氣。6-2 等離子弧焊接的基本控制特征6-2-1 穿孔

30、型等離子弧焊接利用等離子弧能量密度和等離子流力量大的特點(diǎn)，可在適當(dāng)?shù)膮?shù)條件下實(shí)現(xiàn)熔化穿孔型焊接，這時等離子弧把工件完全熔透并在等離子流力的作用下形成一個穿透工件的小孔，熔化金屬被排擠在小孔周圍，隨著等離子弧在焊縫方向的移動，熔化金屬沿電弧周圍熔池壁向熔池后方移動，于是小孔也就跟著等離子弧向前移動。穩(wěn)定的小孔焊接過程是不采用襯墊實(shí)現(xiàn)單面焊雙面一次成型的好方法，如圖4-9所示。穿孔型等離子焊接只能在一定厚度的焊接板內(nèi)進(jìn)行。等離子弧焊接的可控參數(shù)有以下幾個：噴嘴結(jié)構(gòu)和孔徑，離子氣流量，焊接電流，焊接速度，噴嘴高度，保護(hù)氣流量等。6-2-2 熔入型等離子弧焊接當(dāng)?shù)入x子弧的離子氣流量減小，穿孔效應(yīng)消失

31、時，等離子弧仍可進(jìn)行對接、角接焊，這種焊接稱為熔入型等離子弧焊接。適用于薄板、多層焊縫的蓋面以及角焊縫，可添加或不添加焊絲。優(yōu)點(diǎn)是焊速較快。6-2-3 微束等離子弧焊接當(dāng)焊接電流在1530A以下時，熔入型等離子焊接通常稱為微束等離子弧焊接。由于噴嘴的拘束作用和非轉(zhuǎn)移弧的同時存在，使得小電流的等離子弧十分穩(wěn)定，主要用在金屬薄箔的焊接。為了保證焊接質(zhì)量，應(yīng)該采用精密的裝焊夾具保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形。6-2-4 脈沖等離子弧焊接小孔型、熔入型以及微束等離子弧焊接均可采用脈沖電流方法，來提高焊接過程的穩(wěn)定性，控制全位置焊接焊縫成型，減小熱影響區(qū)寬度和焊接變形。脈沖電流頻率一般為15HZ以下，脈沖電

32、源結(jié)構(gòu)主要為晶閘管、晶體管和逆變控制式。6-3 空氣等離子切割等離子弧切割是指利用等離子弧的高溫、高速電弧流使切割金屬在切口局部熔化并且蒸發(fā)，隨之吹離熔化基體金屬形成切口的切割方法。保護(hù)氣體主要是空氣。主要用于不銹鋼、有色金屬、鑄鐵等的切割，最近擴(kuò)展到碳鋼、低合金鋼的切割。等離子弧切割的可控參數(shù)主要有：離子氣成分與流量；電壓和電流；切割速度等。7電渣焊7-1 電渣焊接過程和應(yīng)用特征電渣焊是一種以電流通過熔融狀態(tài)渣池時所產(chǎn)生的電阻熱作熱源的熔化焊接方法。如圖4-10所示。由待焊工件待焊邊緣、側(cè)面成型銅滑塊等構(gòu)成容納渣池的空間，建立渣池以圖4-10 電渣焊接過程后從渣池頂部插入金屬（實(shí)芯或管狀焊絲

33、、板極、管極等），并在填充金屬與焊件之間提供足夠大的電流，填充金屬和焊件邊緣就會被熔渣電阻熱熔化并在渣池底部形成熔化金屬池，渣池和熔化金屬池隨填充金屬不斷熔化而上升，熔化金屬池底部冷卻結(jié)晶，形成焊縫。與電弧焊接方法相比，電渣焊的主要特點(diǎn)是：1）焊接過程只宜在垂直或接近垂直位置進(jìn)行；2）適合于大厚度工件的焊接，一次可焊厚度可高達(dá)300mm以上，且不需要開坡口，只要使工件邊緣之間保持適當(dāng)?shù)难b配間隙即可。按照填充金屬的特征，電渣焊有絲極、管狀焊絲、板極、管極、熔嘴等多種形式。7-2 電渣焊過程的控制參數(shù)圖4-11 電子槍的組成電渣焊過程的控制參數(shù)主要有電流和電壓、裝配間隙、電極數(shù)目及擺動參數(shù)、渣池深

34、度以及焊接速度和送絲速度等。8電子束焊接8-1 電子束焊接的基本過程電子束焊接是利用真空電子槍中產(chǎn)生的高能強(qiáng)流電子束轟擊焊件接縫，高速電子與焊件發(fā)生碰撞時，將其動能轉(zhuǎn)送給焊接使之加熱熔化的一種熔化焊接方法。電子槍的原理結(jié)構(gòu)如圖4-11所示，真空中的鎢陰極被加熱到2250左右時會連續(xù)發(fā)射電子，這些電子在聚束極控制和陽極加速電壓作用下從陽極孔中射出，通過設(shè)置在陽極后面的電磁透鏡后，電子束的聚焦直徑可在1mm以下，電子束具有很高的能量密度。8-2 電子束焊接的應(yīng)用特點(diǎn)8-2-1 電子束焊接的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)1）電子束斑直徑小，能形成深而窄的焊縫，焊縫的深度比很高，而且一次焊透能力可達(dá)100250mm以上，高

35、于其它任何焊接方法。因此電子束既可以用于厚板的深熔焊，也可以高速焊接0.05mm后的薄件。2）電子束功率密度極高，熱量集中，熱效率高，熱影響區(qū)小，又在真空中進(jìn)行焊接，特別適合于難熔金屬、活性或高純度金屬、熱敏感性強(qiáng)的金屬焊接。3）焊速高，焊接變形小，適用于航空發(fā)動機(jī)、核堆堆芯控制框架等精密構(gòu)件的焊接。8-2-2 電子束焊接的應(yīng)用弱點(diǎn)1）電子束焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資和運(yùn)營成本要高；2）焊接一般要在高真空中進(jìn)行，真空室尺寸限制了焊件的大??；3）由于電子束斑比較小，要求接頭間隙加工，裝配十分嚴(yán)格，從而使焊縫對準(zhǔn)十分困難；4）易激發(fā)X射線，應(yīng)該注意防護(hù)。以上弱點(diǎn)限制了電子束焊接的廣泛應(yīng)用，目前主要應(yīng)用

36、于鎢、鉬、鉭等難熔金屬和鋯、鈦等活性金屬的焊接，另外還主要用于航天工業(yè)中的精密焊接。9激光焊接激光是利用輻射激發(fā)光放大原理而產(chǎn)生的一種單頻率、定向性好、干涉性優(yōu)、能量密度高的光束。激光束經(jīng)透射或反射鏡聚焦后可獲得直徑小于0.01mm、功率密度高達(dá)1013W/m2的能量束，可用作焊接、切割、鉆孔及材料表面處理的熱源。激光焊接的基本特點(diǎn)為：1）激光可以通過光導(dǎo)纖維、棱鏡等光學(xué)方法彎曲傳輸、偏轉(zhuǎn)、聚焦，適合于微型零部件以及其它焊接方法可達(dá)性很差的部位的焊接；2）激光在大氣中損耗不大，可通過玻璃等透明體，適用于在玻璃制成的密封容器里焊接鈹合金等劇毒材料；3）激光不受電磁場的影響，不存在X射線防護(hù)，無需

37、真空保護(hù)，可采用電弧焊一樣的惰性氣體保護(hù)，可用于大型結(jié)構(gòu)的焊接；4）激光能量密度很高，可實(shí)現(xiàn)高速焊接，熱輸入低，熱影響區(qū)和焊接變形都比較小，焊后無需熱處理，適合于對熱輸入敏感材料、鍍層材料等的焊接。圖4-12 焊炬結(jié)構(gòu)示意圖(a)射吸式1-焊嘴 2-混合氣管 3-射吸管 4-噴嘴 5-氧氣閥 6-氧氣導(dǎo)管 7-乙炔導(dǎo)管 8-乙炔閥(b)等壓式1-焊嘴 2-混合氣管 3-乙炔導(dǎo)管4-乙炔閥 5-氧氣閥 6-氧氣導(dǎo)管從整體上看，激光焊接的引用范圍還比較有限，限制它擴(kuò)大應(yīng)用范圍的主要障礙是：1）激光器的價格很高；2）激光器的電光轉(zhuǎn)換以及整體效率比較低；3）對焊件接口加工、組裝、定位要求均很高。10氣

38、焊氣焊是利用乙炔等可燃?xì)怏w與高純度氧氣混合后發(fā)生快速反應(yīng)所釋放的熱量作為熱源，使母材熔化（添加焊絲或者不添加焊絲）進(jìn)行焊接的一種熔化焊接方法。10-1 焊炬焊炬是來控制氣體混合比、氣體流量以及火焰長短的焊接工具，按照乙炔和氧氣的混合方式的不同，焊炬可分為射吸式和等壓式兩類，如圖4-12所示。圖4-13 氧-乙炔火焰分類(a)中性焰(b)碳化焰(c)氧化焰射吸式是依靠噴射氧氣流的射吸作用，來調(diào)節(jié)氧氣和乙炔的流量，保證氣體能均勻的按照一定比例混合，并且以相當(dāng)高的流速噴出，使火焰穩(wěn)定燃燒。既能適用低壓乙炔又能使用中壓乙炔，是目前應(yīng)用最廣泛的一種焊炬。其主要缺點(diǎn)是由于混合氣體中乙炔的含量逐漸下降，使混

39、合氣體成分不穩(wěn)定而影響溫度，所以應(yīng)該隨時注意調(diào)整。等壓式是以相等或相近壓力的氧氣和乙炔氣由各自的信道進(jìn)入混合室，按一定的比例混合，再以一定的流速經(jīng)混合氣體信道從焊嘴噴出，產(chǎn)生穩(wěn)定的焊接火焰。其構(gòu)造簡單，混合氣體的流速高，不易發(fā)生回火現(xiàn)象。10-2 焊接火焰10-2-1 焊接火焰的種類火焰的種類如圖4-13所示。1）中性焰。氧氣與乙炔的混合比為11.2時火焰呈中性焰。此時乙炔充分燃燒，它由焰芯、內(nèi)焰和外焰組成?；鹧孀罡邷囟瓤蛇_(dá)3200，在內(nèi)焰區(qū)域主要以一氧化碳和氫氣為主，能對熔池起到保護(hù)作用，適用于碳鋼和有色金屬的焊接。2）碳化焰。氧氣與乙炔混合比小于1，有過剩乙炔，并有較多的游離碳和氫。它也是

40、由焰芯、內(nèi)焰和外焰組成。火焰最高溫度可達(dá)2700。采用此類火焰焊接，使被焊接件有增碳作用。適用于高碳鋼、鑄鐵以及高速鋼的焊接。3）氧化焰。氧氣與乙炔混合比大于1.2，火焰中有過剩的氧。它由短而尖的焰芯和較短的外焰組成，火焰氧化性很強(qiáng)。其最高溫度可達(dá)3300。適合于黃銅和青銅的釬焊。10-2-2 火焰的調(diào)節(jié)剛點(diǎn)燃的火焰為碳化焰；若逐漸增加氧氣，直到內(nèi)焰與外焰沒有明顯的界限即為中性焰；如果再增加氧氣或者減少乙炔，得到氧化焰。10-3 氣焊的應(yīng)用與電弧相比，氣焊火焰溫度較低，加熱和冷卻速度較慢，加熱區(qū)域?qū)挘附幼冃未?，已?jīng)很少應(yīng)用。主要應(yīng)用在無電源場合以及電弧焊難以焊接的薄壁件。11電阻焊圖4-14

41、 各種電阻焊方法的簡要特征(a)點(diǎn)焊 (b)凸焊 (c)縫焊 (d)電阻對焊 (e)閃光對焊 1-電極 2-工件 3-阻焊變壓器電阻焊是利用電流通過工件接觸面間的電阻產(chǎn)生熱量，同時對焊接處加壓進(jìn)行焊接的方法。電阻焊按照焊件接頭形式的不同，可分為點(diǎn)焊、凸焊、縫焊和對焊四大類，其中對焊根據(jù)過程不同可分為電阻對焊和閃光對焊兩類，圖4-14表示了它們的簡要過程。點(diǎn)焊（圖4-14（a）是將工件搭接在一起后放在電極間，在焊接電流和壓力下產(chǎn)生點(diǎn)狀焊接的焊接過程，點(diǎn)焊的特點(diǎn)是工作電流很大。凸焊（圖4-14（b）是利用結(jié)合面已經(jīng)形成的一個或者幾個突出部位，使焊縫電流和壓力局限于通過這些突出部位，并將其壓潰成焊點(diǎn)

42、或者焊道的焊接過程。縫焊（圖4-14（c）是將工件置于滾輪電極間或者滾輪電極與條狀電極之間，連續(xù)滾壓或連續(xù)的施加電流，形成線狀焊縫的焊接過程。電阻對焊（圖4-14（d）是將兩焊件裝配成對接接頭，并使其兩端面緊密接觸，在連續(xù)加壓和通電下使焊接區(qū)達(dá)到塑性狀態(tài)，然后在頂鍛力的作用下完成焊接的過程。閃光對焊（圖4-14（e）是將焊件裝配成對接接頭，先接通電源，使兩焊件端面逐漸移近達(dá)到局部接觸，接觸點(diǎn)加熱熔化產(chǎn)生金屬噴射，這一過程反復(fù)進(jìn)行形成連續(xù)閃光，直至端面達(dá)到一定溫度時迅速施加鍛力完成焊接的過程。電阻焊實(shí)際上是在焊接電流和壓力的共同作用下，利用工件本身電阻熱及適量的塑性變形，在其結(jié)合面產(chǎn)生共同晶粒，從而形成焊點(diǎn)、焊縫和對接接頭的壓力焊方法。其中點(diǎn)焊、縫焊接頭中包含有熔化金屬，但對焊接頭中一般不包含熔化金屬。12摩擦焊圖4-15 摩擦焊接過程 (a)連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接 (b)慣性摩擦焊接摩擦焊是利用工件接觸端面相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中互相摩擦所產(chǎn)生的熱使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速