單元3焊接
目標(biāo)描述
了解常見(jiàn)焊接方法、原理及操作方法。
技能目標(biāo)
會(huì)進(jìn)行焊條電弧焊操作。
知識(shí)目標(biāo)
了解焊接的常見(jiàn)分類(lèi)。掌握焊條電弧焊使用中的設(shè)備和焊接用具的操作方法，根據(jù)焊接材料合理選擇焊條并會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。了解氣割、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、電阻焊和釬焊的基本原理、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。
3.1概述
3.1.1焊接的定義
焊接就是通過(guò)加熱、加壓或者兩者并用，并且用(或不用)填充材料，使焊件達(dá)到原子結(jié)合的一種加工方法，如圖3.1所示。
圖3.1焊接
焊接是一種永久性連接金屬材料的工藝方法，它不僅可以連接各種同質(zhì)金屬，也可以連接各種不同質(zhì)的金屬，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的應(yīng)用。
焊接技術(shù)作為一門(mén)連接技術(shù)，歷經(jīng)百年的發(fā)展，現(xiàn)已成為眾多工業(yè)制造領(lǐng)域中不可缺少的工藝方法，小到輕工業(yè)，大到國(guó)防、軍工領(lǐng)域都可以看到焊接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
焊接技術(shù)主要應(yīng)用于三種領(lǐng)域：高精尖領(lǐng)域，如軍工、航空航天、核電和高速鐵路等；重型工業(yè)領(lǐng)域，如船舶、汽車(chē)、壓力容器、石化裝備、電力建設(shè)、管道及重型機(jī)械設(shè)備等；輕工民用領(lǐng)域，如建筑裝飾施工、五金工具及家電行業(yè)等。
3.1.2焊接的分類(lèi)
金屬焊接方法有40種以上，按照各種焊接方法的基本特征，總體上分為三類(lèi)，即熔(化)焊、壓(力)焊和釬焊。
1.熔焊
熔焊是將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池(在焊件上由熔化的填充金屬與局部熔化的母材共同組成的一個(gè)具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬區(qū))。熔池隨熱源向前移動(dòng)，冷卻后形成的連接兩個(gè)被連接體的接縫稱(chēng)為焊縫，從而將兩工件連接成為一體。
2.壓焊
壓焊是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱(chēng)固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對(duì)焊，當(dāng)電流通過(guò)兩焊件的連接端時(shí)，該處因電阻很大而溫度上升，當(dāng)溫度升高到一定程度使工件處于塑性狀態(tài)時(shí)，在軸向壓力作用下連接成為一體。
3.釬焊
釬焊是使用比工件熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到釬料熔點(diǎn)，低于工件熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕工件，填充接口間隙并與工件實(shí)現(xiàn)原子間的相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)焊接的方法。
3.1.3焊接的特點(diǎn)
焊接具有以下特點(diǎn)。
（1）與鉚接相比，焊接可以節(jié)約金屬材料，接頭密封性好，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。
（2）與鑄造、鍛造相比，焊接生產(chǎn)程序簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益高。用型材等拼焊成焊接結(jié)構(gòu)件來(lái)代替大型復(fù)雜的鑄件，生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
（3）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，產(chǎn)品成本低。
3.2焊條電弧焊
3.2.1施焊原理
焊條電弧焊是熔焊中*常見(jiàn)的類(lèi)型，工作原理如圖3.2所示。
圖3.2焊條電弧焊示意圖
1—焊件；2—焊縫；3—渣殼；4—熔渣；5—?dú)怏w；6—藥皮；7—焊芯；8—熔滴；9—電弧；10—熔池
（1）電弧在焊條和焊件之間燃燒，電弧熱使工件和焊芯同時(shí)熔化形成熔池，同時(shí)使焊條的藥皮熔化并分解，熔化后的藥皮與液態(tài)金屬發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成的熔渣從熔池中上浮。
（2）藥皮受熱分解后產(chǎn)生大量的保護(hù)氣體，和熔渣一起保護(hù)熔化金屬。
（3）電弧沿著焊接方向推進(jìn)后，工件和焊條不斷熔化匯成新的熔池，原來(lái)的熔池不斷冷卻凝固，構(gòu)成連續(xù)的焊縫。
3.2.2焊接電弧
電弧是焊條和工件之間的氣體放電現(xiàn)象。電弧放電電壓低，電流大，溫度低，將電弧放電作焊接熱源，既安全，加熱效率又高。
1.電弧的組成
焊接電弧可分為三個(gè)區(qū)域，即陽(yáng)極區(qū)、弧柱區(qū)和陰極區(qū)，如圖3.3所示。
圖3.3電弧的組成
2.焊接電弧的溫度和熱量分析
用鋼焊條焊接時(shí)，陰極區(qū)溫度為2400K左右，放出熱量為電弧總熱量的38％；陽(yáng)極區(qū)溫度為2600K左右，熱量占42％；弧柱區(qū)中心溫度可達(dá)5000~8000K，熱量占20％左右。
3.2.3焊接電源
焊條電弧焊的焊接電源(俗稱(chēng)電焊機(jī))，用于提供焊接所需的能量，其空載電壓為60~100V，工作電壓為25~45V，輸出電流為50~1000A。
電焊機(jī)有直流電源和交流電源兩種，分直流弧焊機(jī)、交流弧焊變壓器和弧焊整流器三大類(lèi)。
圖3.4直流弧焊機(jī)
1.直流弧焊機(jī)
直流弧焊機(jī)的外形如圖3.4所示，它由一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)組成，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作而形成直流焊接電源。
直流弧焊機(jī)提供直流電，制造較簡(jiǎn)單，成本較高，但是其電弧穩(wěn)定焊接質(zhì)量好。直流弧焊機(jī)有正反兩種接法。
(1)正接法將焊件接焊機(jī)正極，焊條接焊機(jī)負(fù)極，這種接法稱(chēng)為正接法，如圖3.5(a)所示。其發(fā)熱量大，主要用于焊接厚板。
圖3.5正接法和反接法
(2)反接法將焊件接焊機(jī)負(fù)極，焊條接焊機(jī)正極，這種接法稱(chēng)為反接法，如圖3.5(b)所示。其發(fā)熱量小，主要用于焊接薄板。
2.交流弧焊機(jī)
交流弧焊機(jī)又稱(chēng)弧焊變壓器，結(jié)構(gòu)外形如圖3.6所示，它是一種特殊的變壓器。它把網(wǎng)絡(luò)電壓的交流電變成適宜于弧焊的低壓交流電。交流弧焊機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易造易修、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但其電弧穩(wěn)定性較差，焊接質(zhì)量不高，一般用于手弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊等方法。
3.弧焊整流器
弧焊整流器結(jié)構(gòu)外形如圖3.7所示，它用整流器將交流電整流成直流電作為焊接電源，具有噪聲小、空載損耗小、成本低、制造和維修容易等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用已日趨普及。
圖3.6交流弧焊機(jī)
圖3.7弧焊整流器
3.2.4焊接用具
焊條電弧焊必備的焊接用具有焊接電纜、焊鉗、面罩、焊條保溫筒、焊條烘干箱和輔助器具等。
1.焊接電纜
焊接電纜以實(shí)現(xiàn)焊鉗、焊件對(duì)焊接電源的連接，并傳導(dǎo)焊接電流，如圖3.8所示。焊接電纜應(yīng)具有良好的導(dǎo)電能力和良好的絕緣外皮。線芯為多股細(xì)銅線，并應(yīng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選用。焊接電纜的兩端可通過(guò)接線夾頭連接焊件與焊機(jī)，以減小連接電阻；工作時(shí)要防止焊件壓傷或折斷電纜；切忌電纜與剛焊完的熱焊件接觸，以防電纜被燒壞；一般要使用整根電纜線，中間不要有接頭；嚴(yán)禁焊接電纜與油脂等易燃物料接觸。
快速接頭是一種快速方便地將焊接電纜與焊機(jī)連接或接長(zhǎng)焊接電纜的專(zhuān)用器具，如圖3.9所示，它應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能和外套絕緣性能，使用中不能松動(dòng)，保證接觸良好、安全可靠，禁止砸碰。
圖3.8焊接電纜
圖3.9快速接頭
2.焊鉗
在焊條電弧焊中，用以?shī)A持焊條并傳導(dǎo)電流進(jìn)行焊接的工具叫作焊鉗，俗稱(chēng)焊把，如圖3.10所示。焊鉗主要有300A和500A兩種規(guī)格。
圖3.10焊鉗
(1)焊鉗的選擇
選用焊鉗時(shí)注意以下幾點(diǎn)。
①根據(jù)焊接電源的額定電流選用相應(yīng)的焊鉗。
②焊鉗應(yīng)在任何角度上能迅速牢固地夾持不同直徑的焊條。
③焊鉗的夾持部位導(dǎo)電性能良好。
④焊條的手柄應(yīng)有良好的絕緣和隔熱性能。
(2)使用注意事項(xiàng)
①通電后，焊鉗不得與焊件接觸，以免燒壞焊鉗。
②焊鉗上的彈簧失效后應(yīng)及時(shí)更換，鉗口應(yīng)保持清潔。
③焊鉗與電纜的連接必須牢固。
④過(guò)熱的焊鉗不能放入水中冷卻，防止觸電。
⑤應(yīng)經(jīng)常檢查焊鉗的各個(gè)部位，以防松動(dòng)。
3.面罩
面罩是防止焊接時(shí)的飛濺、弧光及高溫輻射對(duì)焊工面部及頸部造成灼傷的一種遮蔽工具，用紅色或褐色石棉紙板壓制而成，有手持式和頭盔式兩種，如圖3.11所示。面罩的正面開(kāi)有長(zhǎng)方形孔，內(nèi)嵌白色玻璃和護(hù)目玻璃。
圖3.11焊接面罩
焊接時(shí)，護(hù)目玻璃有減弱電弧光和過(guò)濾紅外線、紫外線的作用，顏色以墨綠色和橙色居多。
4.焊條保溫筒和焊條烘干箱
焊條保溫筒是在施工現(xiàn)場(chǎng)供焊工攜帶的可儲(chǔ)存少量焊條的一種保溫容器，它與電焊機(jī)的二次電壓相連，以保持一定的溫度，如圖3.12所示。
焊條烘干箱是對(duì)受潮焊條進(jìn)行烘干的設(shè)備，使用前按規(guī)定穿好勞動(dòng)保護(hù)用品，檢查烘干機(jī)的接地保護(hù)是否牢固可靠。取送焊條前必須切斷電源，以免產(chǎn)生觸電事故，如圖3.13所示。
圖3.12焊條保溫筒
圖3.13焊條烘干箱
5.常用焊接輔助工具
(1)敲渣錘。清除焊渣用的尖錘，可提高清渣效率。
(2)鏨子。用于清除焊渣，也可鏟除飛濺物和焊瘤。
(3)鋼絲刷。可用于清除焊件表面的鐵銹、油污等。清除坡口和多層焊道時(shí)，宜用兩三行窄形彎把鋼絲刷。
(4)銼刀。一般使用半圓銼，用于修理根部接頭。
(5)焊工手套。是使焊工手臂不被灼傷、防止觸電的專(zhuān)用護(hù)具。不要戴著手套直接拿灼熱的焊件和焊條頭。破損的手套應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)或更換。
(6)護(hù)腳布。保護(hù)焊工腳腕，避免被灼傷。
(7)工作服。是防止弧光及火花灼傷人體的防護(hù)用品，一般由較堅(jiān)固且不宜著火的白色帆布制成，袖口要小，開(kāi)口不要過(guò)多。焊接時(shí)，上衣不要掖在褲子里，蓋好口袋，紐扣應(yīng)扣好。
(8)平光眼鏡。供清渣時(shí)佩戴，防止焊渣崩射眼睛。
(9)角向磨光機(jī)。主要用來(lái)打磨坡口和焊縫接頭，或修磨焊接缺陷，不得強(qiáng)力或沖擊性使用，嚴(yán)禁提拉電纜。其型號(hào)按砂輪片的直徑來(lái)編制，砂輪片直徑越大，電動(dòng)機(jī)功率越大。型號(hào)包括100mm、125mm、150mm、180mm。
(10)電動(dòng)磨頭。具有角向磨光機(jī)的功能，不過(guò)磨頭較小，易實(shí)現(xiàn)細(xì)小部位的磨削。其切屑易飛出傷人，使用時(shí)應(yīng)加強(qiáng)自身及他人的防護(hù)；刀具更換時(shí)應(yīng)夾緊，嚴(yán)禁使用已彎曲的刀具。
(11)氣動(dòng)刮鏟機(jī)和針束打渣除銹器。主要用于除銹、打渣，其結(jié)構(gòu)輕巧靈活，后坐力小，安全方便。突出優(yōu)點(diǎn)是大大降低了清除焊渣過(guò)程中的飛濺及勞動(dòng)強(qiáng)度。
(12)地線夾。為保證導(dǎo)線與焊件可靠地連接，可采用地線夾或多用對(duì)口鉗。地線夾的形狀如圖3.14所示。GQ.2型多用對(duì)口鉗(見(jiàn)圖3.15)用于快速鉗緊，適用于30~70mm板厚。
(13)管焊對(duì)口鉗。焊接管子對(duì)接焊縫時(shí)，若采用管焊對(duì)口鉗進(jìn)行裝配，可保證同軸度，焊完定位焊縫后，拆下管焊對(duì)口鉗即可進(jìn)行焊接。常用的管焊對(duì)口鉗如圖3.16所示，適用于15~108mm管子的對(duì)接焊。
圖3.14地線夾
圖3.15GQ.2型多用對(duì)口鉗
圖3.16管焊對(duì)口鉗
(14)焊縫測(cè)量器。焊縫測(cè)量器是測(cè)量焊縫角度及外形尺寸的量具，可用來(lái)測(cè)量坡口角度、間隙寬度、錯(cuò)邊量大小、焊縫高度和焊縫寬度等。其使用方法如圖3.17所示。
圖3.17焊縫測(cè)量器用法示例
3.2.5焊條
1.焊條的組成
焊條由焊芯和藥皮組成。
(1)焊芯。焊條中被藥皮包覆的金屬芯稱(chēng)為焊芯，它是具有一定長(zhǎng)度和直徑的金屬絲。焊芯在焊接過(guò)程中主要有兩個(gè)作用：一是傳導(dǎo)焊接電流，維持電弧，把電能轉(zhuǎn)化為熱能；二是用于向焊縫中填充金屬，與熔化的母材一起組成焊縫。
(2)藥皮。藥皮是壓涂在焊芯表面上的涂料層，由各種不同的礦石粉、鐵合金粉、有機(jī)物和化工產(chǎn)品等按照一定比例配制而成。在焊接過(guò)程中，藥皮有以下作用。
①機(jī)械保護(hù)(造氣、造渣)：藥皮熔化時(shí)放出大量氣體并形成熔渣，氣體在電弧周?chē)纬蓺鈱樱艚^空氣，熔渣覆蓋在熔池金屬上面，起保護(hù)熔化金屬不受空氣影響的作用。
②冶金處理(脫氧、脫硫、脫磷、摻入合金)：熔渣和熔化金屬之間進(jìn)行冶金反應(yīng)，去除熔池中的有害雜質(zhì)，并向熔池金屬內(nèi)摻入合金元素，從而改善和提高焊縫的力學(xué)性能。
③改善焊接工藝條件(穩(wěn)弧、改善成形、脫渣、減少飛濺)：藥皮使焊接點(diǎn)容易引燃和燃燒穩(wěn)定，焊縫成形好，并能減少焊接時(shí)金屬顆粒向周?chē)w散及使脫渣容易。
2.焊條的種類(lèi)
根據(jù)焊接材料的不同，焊條可分為結(jié)構(gòu)鋼焊條、不銹鋼焊條、堆焊焊條、鑄鐵焊條、鐵及鐵合金焊條、鋁及鋁合金焊條、銅及銅合金焊條、特殊用途焊條等不同類(lèi)型。
3.焊條的選用原則
焊條的選用是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，要考慮技術(shù)要求(主要是力學(xué)性能)，焊件的工作條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及經(jīng)濟(jì)條件等因素。其中*重要的因素是技術(shù)要求。技術(shù)要求一般要考慮三個(gè)重要原則：等強(qiáng)度原則、同等性能原則和等條件原則。
（1）等強(qiáng)度原則：對(duì)于承受靜載或一般載荷的工件或結(jié)構(gòu)，通常選用與母材相等的抗拉強(qiáng)度的焊條。對(duì)于低碳鋼和普通低合金鋼構(gòu)件，一般都要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度，因此可根據(jù)被焊鋼材強(qiáng)度等級(jí)來(lái)選用相應(yīng)的焊條。
（2）同等性能原則：在特殊環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)如要求具有較高的耐磨、耐腐蝕、耐高溫或低溫等力學(xué)性能，應(yīng)選用能保證熔敷金屬的性能與母材性能相近的焊條。如焊接不銹鋼時(shí)，應(yīng)選用不銹鋼焊條。
（3）等條件原則：根據(jù)焊件或焊接結(jié)構(gòu)的工作條件和特點(diǎn)選擇焊條。如焊件需要承受動(dòng)載荷或沖擊載荷，應(yīng)選用熔敷金屬?zèng)_擊韌性較好的低氫型堿性焊條；焊接一般結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)選酸性焊條。
4.焊條的保管
(1)焊條必須在干燥、通風(fēng)良好的倉(cāng)庫(kù)中存放，焊條儲(chǔ)存庫(kù)內(nèi)不允許放置有害氣體和腐蝕性介質(zhì)。室內(nèi)應(yīng)保持清潔，配置溫度計(jì)、濕度計(jì)和去濕機(jī)。庫(kù)房的溫度與濕度必須符合要求：溫度為5~20℃時(shí)，相對(duì)濕度應(yīng)在60%以下；溫度為20~30℃時(shí)，相對(duì)濕度應(yīng)在50%以下；溫度高于30℃時(shí)，相對(duì)濕度應(yīng)在40%以下。
(2)庫(kù)內(nèi)無(wú)地板時(shí)，焊條應(yīng)放在架子上。架子的高度不小于300mm，與墻壁的距離不小于300mm。架子下應(yīng)放干燥劑，嚴(yán)防焊條受潮。
(3)應(yīng)按種類(lèi)、牌號(hào)、批次、規(guī)格及入庫(kù)時(shí)間對(duì)焊條進(jìn)行分類(lèi)堆放。每垛應(yīng)有明確的標(biāo)注，避免混亂。
(4)焊條在出廠后的6個(gè)月內(nèi)可正常使用。對(duì)于入庫(kù)的焊條，應(yīng)做到先入庫(kù)的先使用。
(5)特種焊條的儲(chǔ)存與保管應(yīng)高于一般焊條，應(yīng)堆放在專(zhuān)用倉(cāng)庫(kù)內(nèi)或指定的區(qū)域，受潮或包裝破損的焊條未經(jīng)處理不準(zhǔn)入庫(kù)。
(6)對(duì)于受潮、藥皮變色及焊芯有銹跡的焊條，須將其烘干并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求時(shí)方可入庫(kù)，否則不準(zhǔn)入庫(kù)。
(7)一般焊條出庫(kù)量不能超過(guò)兩天用量，已經(jīng)出庫(kù)的焊條必須由焊工保管好。
(8)如發(fā)現(xiàn)焊條受潮，首先將焊條在自然條件下晾干或在專(zhuān)用的烘箱里以低溫(80℃左右)烘干，時(shí)間為3~10h，然后在250~300℃下烘干，時(shí)間為1~2h。在沒(méi)有烘箱的情況下，可將焊條放置在鋼板上加熱烘干，但不得用明火直接烘烤。
5.焊接接頭和坡口
(1)焊接接頭焊接接頭是指零件(焊件)連接處所采用的結(jié)構(gòu)形式。焊接接頭形式?jīng)Q定焊件質(zhì)量的高低，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)焊件結(jié)構(gòu)形狀、強(qiáng)度要求、工件厚度、焊后變形大小要求等因素綜合決定。在焊條電弧焊中，常用的焊接接頭形式有對(duì)接接頭、角接接頭、T形接頭和搭接接頭，如圖3.18所示。
圖3.18焊接接頭形式
(2)坡口焊接較厚(厚度大于6mm)的鋼板時(shí)，需在鋼板的焊接部分開(kāi)坡口。坡口是根據(jù)設(shè)計(jì)或工藝需要，在焊件的待焊部位加工并裝配成一定幾何形狀的溝槽。坡口的作用是確保焊件焊透，從而保證焊件質(zhì)量。
常用的對(duì)接接頭坡口形式有I形、V形、X形和U形等，如圖3.19所示。應(yīng)在確保焊透、熔化比合理、焊接變形小的前提下，選用加工容易、節(jié)約充填金屬材料和便于焊接的坡口。
圖3.19對(duì)接接頭的坡口形式
3.2.6焊接操作
手工焊條電弧焊的基本操作技術(shù)包括引弧、運(yùn)弧、停弧(熄弧)、接頭和收弧等。在焊接操作過(guò)程中，只有熟練地掌握好以上5種操作方法，焊縫的質(zhì)量才能有保證。
1.引弧
引弧是手工焊條電弧焊操作中*基本的動(dòng)作，如果引弧不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷。引弧有兩種方法，即直擊法和劃擦法。
(1)直擊法
直擊法也稱(chēng)為擊弧法，是一種理想的引弧方法，將焊條垂直于焊件接觸形成短路后迅速提起2~4mm的距離后電弧即引燃。直擊法不易掌握，但焊接淬硬傾向較大的鋼材時(shí)*好采用敲擊法，如圖3.20所示。
直擊法引弧的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)使焊件表面造成電弧劃傷缺陷，不受焊件表面大小及焊件形狀的限制；缺點(diǎn)是引弧成功率低，焊條與焊件往往要碰擊幾次才能使電弧引燃并穩(wěn)定燃燒，操作不容易掌握。
(2)劃擦法
劃擦法引弧與劃火柴相似，比較容易掌握。將焊條在焊件表面上劃動(dòng)一下，即可引燃電弧。但容易在焊件表面造成電弧擦傷，所以必須在焊縫前方的坡口內(nèi)劃擦引弧，如圖3.21所示。
圖3.20直擊法引弧
圖3.21劃擦法引弧
劃擦法的優(yōu)點(diǎn)是電弧容易引燃，操作簡(jiǎn)單，引弧效率高；缺點(diǎn)是容易損害焊件表面，有電弧劃傷痕跡，在焊接重要產(chǎn)品時(shí)應(yīng)該少用。
以上兩種接觸式引弧方法中，劃擦法比較容易掌握，而在狹小工作面上或不允許焊件表面有劃痕時(shí)，應(yīng)采用直擊法。酸性焊條引弧時(shí)，可以采用直擊法引弧或劃擦法引弧；堿
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