焊接:通常是指金屬的焊接。是通過加熱或加壓,或兩者同時并用,使兩個分離的物體產(chǎn)生原子間結合力而連接成一體的成形方法。
分類:根據(jù)焊接過程中加熱程度和工藝特點的不同,焊接方法可以分為三大類：熔焊、壓焊和釬焊。自動化焊接過程中常用熔焊和壓焊2類焊接方法。
(一)熔焊：
將工件焊接處局部加熱到熔化狀態(tài),形成熔池(通常還加入填充金屬),冷卻結晶后形成焊縫,被焊工件結合為不可分離的整體。常見的熔焊方法有氣焊、電弧焊、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等。
利用可燃氣體在氧氣中燃燒時所產(chǎn)生的熱量,將母材焊接處熔化而實現(xiàn)連接的一種熔焊方法。氣焊是用氣體火焰為熱源的一種焊接方法。應用最多的是以乙炔氣作燃料的氧-乙炔火焰。由于設備簡單操作方便,但氣焊加熱速度及生產(chǎn)率較低,熱影響區(qū)較大,且容易引起較大的變形。氣焊可用于很多黑色金屬、有色金屬及合金的焊接。
可燃氣：乙炔、液化石油氣等。以乙炔為例,其在氧氣中燃燒時的火焰溫度可達3200℃。氧乙炔火焰有三種:
①中性焰：氧氣與乙炔體積混合比為1～1.2,乙炔充分燃燒,適合焊接碳鋼和非鐵合金。
②碳性焰：氧氣和乙炔體積混合比小于1,乙炔過剩,適用于焊接高碳鋼、鑄鐵和高速鋼。
③氧化焰：氧氣與乙炔體積混合比大于1.2,氧氣過剩,適用于黃銅和青銅的釬焊。
氣焊火焰溫度低,加熱速度慢,加熱區(qū)域?qū)?焊接熱影響區(qū)寬,焊接變形大,且焊接過程中,熔化金屬受到的保護差,焊接質(zhì)量不易保證,因而其應用已很少。但氣焊又具有無需電源、設備簡單、費用低、移動方便、通用性強等特點,因而在無電源場合和野外工作時有實用價值。目前,主要用于薄鋼板(厚度0.5～3mm)、銅及銅合金的焊接和鑄鐵的補焊。
電壓低、電流大、溫度高、能量密度大、移動性好等,一般20～30V的電壓即可維持電弧的穩(wěn)定燃燒,而電弧中的電流可以從幾十安培到幾千安培以滿足不同工件的焊接要求,電弧的溫度可達5000K以上,可以熔化各種金屬。
弧焊電源：焊接電弧所使用的電源稱為弧焊電源,通常可分為四大類:交流弧焊電源、直流弧焊電源、脈沖弧焊電源和逆變弧焊電源。
這是一種不熔化極氣體保護電弧焊,是利用鎢極和工件之間的電弧使金屬熔化而形成焊縫的。焊接過程中鎢極不熔化,只起電極的作用。同時由焊炬的噴嘴送進氬氣或氦氣作保護。還可根據(jù)需要另外添加金屬。在國際上通稱為TIG焊。鎢極氣體保護電弧焊由于能很好地控制熱輸入,所以它是連接薄板金屬和打底焊的一種極好方法。這種方法幾乎可以用于所有金屬的連接,尤其適用于焊接鋁、鎂這些能形成難熔氧化物的金屬以及象鈦和鋯這些活潑金屬。這種焊接方法的焊縫質(zhì)量高,但與其它電弧焊相比,其焊接速度較慢。
目前CO2氣體保護焊廣泛應用于機車制造、船舶制造、汽車制造、采煤機械制造等領域。適用于焊接低碳鋼、低合金鋼、低合金高強鋼,但是不適合于焊接有色金屬、不銹鋼。盡管有資料顯示CO2氣體保護焊可以用于不銹鋼的焊接,但不是焊接不銹鋼的首選。
熔化極氣體保護電弧焊屬于用電弧作為熱源的熔化焊方法,其電弧建立在連續(xù)送進的焊絲與熔池之間熔化的焊絲金屬與母材金屬混合而成的熔池在電弧熱源移走后結晶形成焊縫并把分離的母材通過冶金方式連接起來。
埋弧焊是以顆粒狀焊劑為保護介質(zhì),電弧掩藏在焊劑層下的一種熔化極電 焊接方法。埋弧焊的施焊過程由三個環(huán)節(jié)組成:
(1)在焊件待焊接縫處均勻堆敷足夠的顆粒狀焊劑;
(2) 導電嘴和焊件分別接通焊接電源兩級以產(chǎn)生焊接電弧;
(3) 自動送進焊絲并移動電弧實施焊接。
助水冷噴嘴等措施,可以使電弧的弧柱區(qū)橫截面積減小,電弧的溫度、能量密度、等離子的流速都顯著提高,這種用外部拘束使弧柱受到壓縮的電弧稱為等離子弧。
等離子弧是電弧的一種特殊形式,是一種具有高能量密度的電弧,仍然是氣體導電現(xiàn)象。等離子弧焊接是利用等離子弧的熱量加熱&熔化工件和母材實現(xiàn)焊接的方法。
分類：穿孔型等離子弧焊和微束等離子弧焊。
穿孔型等離子弧:焊接電流在100～300A,接頭無需開坡口,不要留間隙。焊接時,等離子弧可以將焊件完全熔透并形成一個小通孔,熔化金屬被排擠在小孔的周圍,電弧移動,小孔隨之移動,并在后方形成焊縫,從而實現(xiàn)單面焊雙面一次成形。這種方法可以焊接的板厚上限為:碳鋼7mm,不銹鋼10mm。
微束等離子弧:焊接電流為0.1～30A,焊接厚度為0.025～2.5mm。此外,還有適用于銅及銅合金焊接的熔入型等離子弧焊,可用于厚板深熔焊或薄板高速焊以及堆焊的熔化極等離子弧焊,可解決鋁合金等離子弧焊的交流(變極性)等離子弧焊等工藝方法。等離子弧焊的主要工藝參數(shù)有焊接電流、焊接速度、保護氣流量、離子氣流量、焊槍噴嘴結構與孔徑等。
等離子弧切割:利用等離子弧的高溫高速弧流使切口的金屬局部熔化以致蒸發(fā),并借助高速氣流或水流將熔化的材料吹離基體形成切口的切割方法。
特點：
(1)等離子弧能量密度大,弧柱溫度高,穿透能力強,10～12mm厚度鋼材可不開坡口,能一次焊透雙面成形,焊接速度快,生產(chǎn)率高,應力變形小。
(2)焊縫截面成酒杯狀,無指狀熔深問題。
(3)電弧挺直性好,受弧長波動的影響,熔池的波動小。
(4)電弧穩(wěn)定0.1A,仍具有較平的靜特性,配用恒流源,可很好的進行薄板的焊接(0.1mm)。
(5)鎢極內(nèi)縮,防止焊縫夾鎢
(6)采用小孔焊接技術,實現(xiàn)單面焊雙面成形。
(7)設備比較復雜,氣體耗量大,只宜于室內(nèi)焊接。焊槍的可達性比TIG差。
(8)電弧直徑小,需要焊槍軸線與焊縫中線更準確地對中。
電源：陡降電源、直流正接;焊接鋁鎂時用交流、陡降電源、需引弧、穩(wěn)弧措施。焊接材料:保護氣體、鎢極
適用范圍：廣泛用于工業(yè)生產(chǎn),特別是航空航天等軍工和尖端工業(yè)技術所用的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鉬等金屬的焊接,如鈦合金的導彈殼體,飛機上的一些薄壁容器等。
激光焊是利用大功率相干單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進行的焊接。這種焊接方法通常有連續(xù)功率激光焊和脈沖功率激光焊。激光焊優(yōu)點是不需要在真空中進行,缺點則是穿透力不如電子束焊強。
激光焊時能進行精確的能量控制,因而可以實現(xiàn)精密微型器件的焊接。它能應用于很多金屬,特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。
激光的產(chǎn)生:物質(zhì)受激勵后,產(chǎn)生的波長、頻率、方向完全相同的光束。
激光的特點:具有單色性好、方向性好、能量密度高的特點,激光經(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1013W/cm2的能束,可以作為焊接、切割、鉆孔及表面處理的熱源。產(chǎn)生激光的物質(zhì)有固體、半導體、液體、氣體等,其中用于焊接、切割等工業(yè)加工的主要是釔鋁石榴石(YAG)固體激光和CO2氣體激光。
激光焊的主要優(yōu)點是:
(1)激光可通過光導纖維、棱鏡等光學方法彎曲傳輸,適用于微型零部件及其它焊接方法難以達到的部位的焊接,還能通過透明材料進行焊接。
(2)能量密度高,可實現(xiàn)高速焊接,熱影響區(qū)和焊接變形都很小,特別適用于熱敏感材料的焊接。
(3)激光不受電磁場的影響,不產(chǎn)生X射線,無需真空保護,可以用于大型結構的焊接。
(4)可直接焊接絕緣導體,而不必預先剝掉絕緣層;也能焊接物理性能差別較大的異種材料。
激光焊的主要缺點是:設備昂貴,能量轉(zhuǎn)化率低(5%～20%),對焊件接口加工、組裝、定位要求均很高,目前主要用于電子工業(yè)和儀表工業(yè)中的微型器件的焊接,以及硅鋼片、鍍鋅鋼板等的焊接。
(二)壓焊：
在焊接過程中無論加熱與否,均需要加壓的焊接方法。常見的壓焊有電阻焊、摩擦焊、冷壓焊、擴散焊、爆炸焊等。
這是以電阻熱為能源的一類焊接方法,包括以熔渣電阻熱為能源的電渣焊和以固體電阻熱為能源的電阻焊。
電阻焊一般是使工件處在一定電極壓力作用下并利用電流通過工件時所產(chǎn)生的電阻熱將兩工件之間的接觸表面熔化而實現(xiàn)連接的焊接方法。通常使用較大的電流。為了防止在接觸面上發(fā)生電弧并且為了鍛壓焊縫金屬,焊接過程中始終要施加壓力。進行這一類電阻焊時,被焊工件的表面善對于獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量是頭等重要的。因此,焊前必須將電極與工件以及工件與工件間的接觸表面進行清理。
優(yōu)點:
(1)熔核形成時,始終被塑性環(huán)包圍,熔化金屬與空氣隔絕,冶金過程簡單。
(2)加熱時間短、熱量集中、故熱影響區(qū)小,變形與應力也小,通常在焊后不必安排校正和熱處理工序。
(3)不需要焊絲、焊條等填充金屬,以及氧、乙炔、氬等焊接材料,焊接成本低。
(4)操作簡單,易于實現(xiàn)機械化和自動化,改善了勞動條件。
(5)生產(chǎn)率高,且無噪聲及有害氣體,在大批量生產(chǎn)中,可以和其他制造工序一起編到組裝線上。但閃光對焊因有火花噴濺,需要隔離。
缺點:
(1)目前還缺乏可靠的無損檢測方法,焊接質(zhì)量只能靠工藝試樣和工件的破壞性試驗來檢查,以及靠各種監(jiān)控技術來保證。
(2)點、縫焊的搭接接頭不僅增加了構件的重量,且因在兩板間熔核周圍形成夾角,致使接頭的抗拉強度和疲勞強度較低。3)設備功率大,機械化自動化程度較高,使設備成本較高、維修較困難,并且常用的大功率單相交流焊機不利于電網(wǎng)的正常運行。
適用范圍:在汽車、飛機、儀器、家電、建筑用的鋼筋、等行業(yè)有廣泛應用,適用材料廣泛,只是易氧化金屬的電阻焊焊接性稍差。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板組件。各類鋼材、鋁、鎂等有色金屬及其合金、不銹鋼等均可焊接。
摩擦焊是以機械能為能源的固相焊接。它是利用兩表面間機械摩擦所產(chǎn)生的熱來實現(xiàn)金屬的連接的。摩擦焊的熱量集中在接合面處,因此熱影響區(qū)窄。兩表面間須施加壓力,多數(shù)情況是在加熱終止時增大壓力,使熱態(tài)金屬受頂鍛而結合,一般結合面并不熔化。
摩擦焊生產(chǎn)率較高,原理上幾乎所有能進行熱鍛的金屬都能摩擦焊接。摩擦焊還可以用于異種金屬的焊接。要適用于橫斷面為圓形的最大直徑為100mm的工件。利用焊件接觸端面相互摩擦所產(chǎn)生的熱,使端面達到熱塑性狀態(tài),然后迅速施加頂鍛力,實現(xiàn)焊接的一種固相壓焊方法。
摩擦焊具有以下優(yōu)點:
(1)焊接質(zhì)量穩(wěn)定,焊件尺寸精度高,接頭廢品率低于電阻對焊和閃光對焊。
(2)焊接生產(chǎn)率高,比閃光對焊高5～6倍。
(3)適于焊接異種金屬,如碳素鋼、低合金鋼與不銹鋼、高速鋼之間的連接,銅-不銹鋼、銅-鋁、鋁-鋼、鋼-鋯等之間連接。
(4)加工費用低,省電,焊件無需特殊清理。
(5)易實現(xiàn)機械化和自動化,操作簡單,焊接工作場地無火花,弧光及有害氣體。
缺點:靠工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn),焊接非圓截面較困難。盤狀工件及薄壁管件,由于不易夾持也很難焊接。受焊機主軸電機功率的限制,目前摩擦焊可焊接的最大截面為20000mm2。摩擦焊機一次性投資費用大,適于大批量生產(chǎn)。
應用:異種金屬和異種鋼產(chǎn)品,如電力工業(yè)中的銅-鋁過渡接頭,金屬切削用的高速鋼-結構鋼刀具等;結構鋼產(chǎn)品,如電站鍋爐蛇形管、閥門、拖拉機軸瓦等。
擴散焊一般是以間接熱能為能源的固相焊接方法。通常是在真空或保護氣氛下進行。焊接時使兩被焊工件的表面在高溫和較大壓力下接觸并保溫一定時間,以達到原子間距離,經(jīng)過原子樸素相互擴散而結合。焊前不僅需要清洗工件表面的氧化物等雜質(zhì),而且表面粗糙度要低于一定值才能保證焊接質(zhì)量。
擴散焊在真空或保護氣氛的保護下,在一定溫度(低于母材的熔點)和壓力條件下,使相互接觸的平整光潔的待焊表面發(fā)生微觀塑性流變后緊密接觸,原子相互擴散,經(jīng)過一段較長時間后,原始界面消失,達到完全冶金結合的焊接方法。
擴散焊具有以下優(yōu)點:
(1)可以在幾乎不損壞被焊材料性能的情況下,實現(xiàn)各類同種材料和異種材料間的焊接,可以用來制造雙層或多層復合材料。
(2)能焊接結構復雜以及厚薄相差大的工件。
(3)接頭成分、組織均勻,減小了應力腐蝕傾向。
(4)焊接變形小,接頭精度高,可作為部件最后的組裝連接方法。
(5)可與其它加工工藝同時進行(如真空熱處理等),可同時完成多個接頭的焊接,從而提高生產(chǎn)率。
不足:擴散焊對焊件表面加工及清理的要求高,焊接時間長、生產(chǎn)率低,成本高,設備投資大。
應用:熔點差別大或冶金上不相容的異種金屬之間的焊接、金屬與陶瓷的焊接和鈦、鎳、鋁合金結構件的焊接。不僅應用于原子能、航空航天及電子工業(yè)等尖端技術領域,而且已推廣至一般機械制造工業(yè)部門。
