单元3焊接
目标描述
了解常见焊接方法、原理及操作方法。
技能目标
会进行焊条电弧焊操作。
知识目标
了解焊接的常见分类。掌握焊条电弧焊使用中的设备和焊接用具的操作方法，根据焊接材料合理选择焊条并会进行简单的操作。了解气割、埋弧焊、气体保护焊、电阻焊和钎焊的基本原理、特点和应用场合。
3.1概述
3.1.1焊接的定义
焊接就是通过加热、加压或者两者并用，并且用(或不用)填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法，如图3.1所示。
图3.1焊接
焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法，它不仅可以连接各种同质金属，也可以连接各种不同质的金属，在现代工业生产中具有十分重要的应用。
焊接技术作为一门连接技术，历经百年的发展，现已成为众多工业制造领域中不可缺少的工艺方法，小到轻工业，大到国防、军工领域都可以看到焊接技术的实际应用。
焊接技术主要应用于三种领域：高精尖领域，如军工、航空航天、核电和高速铁路等；重型工业领域，如船舶、汽车、压力容器、石化装备、电力建设、管道及重型机械设备等；轻工民用领域，如建筑装饰施工、五金工具及家电行业等。
3.1.2焊接的分类
金属焊接方法有40种以上，按照各种焊接方法的基本特征，总体上分为三类，即熔(化)焊、压(力)焊和钎焊。
1.熔焊
熔焊是将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池(在焊件上由熔化的填充金属与局部熔化的母材共同组成的一个具有一定几何形状的液态金属区)。熔池随热源向前移动，冷却后形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝，从而将两工件连接成为一体。
2.压焊
压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两焊件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当温度升高到一定程度使工件处于塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。
3.钎焊
钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到钎料熔点，低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。
3.1.3焊接的特点
焊接具有以下特点。
（1）与铆接相比，焊接可以节约金属材料，接头密封性好，容易实现机械化和自动化。
（2）与铸造、锻造相比，焊接生产程序简单，经济效益高。用型材等拼焊成焊接结构件来代替大型复杂的铸件，生产周期短，劳动强度低。
（3）设备简单，操作方便，产品成本低。
3.2焊条电弧焊
3.2.1施焊原理
焊条电弧焊是熔焊中*常见的类型，工作原理如图3.2所示。
图3.2焊条电弧焊示意图
1—焊件；2—焊缝；3—渣壳；4—熔渣；5—气体；6—药皮；7—焊芯；8—熔滴；9—电弧；10—熔池
（1）电弧在焊条和焊件之间燃烧，电弧热使工件和焊芯同时熔化形成熔池，同时使焊条的药皮熔化并分解，熔化后的药皮与液态金属发生物理化学反应，形成的熔渣从熔池中上浮。
（2）药皮受热分解后产生大量的保护气体，和熔渣一起保护熔化金属。
（3）电弧沿着焊接方向推进后，工件和焊条不断熔化汇成新的熔池，原来的熔池不断冷却凝固，构成连续的焊缝。
3.2.2焊接电弧
电弧是焊条和工件之间的气体放电现象。电弧放电电压低，电流大，温度低，将电弧放电作焊接热源，既安全，加热效率又高。
1.电弧的组成
焊接电弧可分为三个区域，即阳极区、弧柱区和阴极区，如图3.3所示。
图3.3电弧的组成
2.焊接电弧的温度和热量分析
用钢焊条焊接时，阴极区温度为2400K左右，放出热量为电弧总热量的38％；阳极区温度为2600K左右，热量占42％；弧柱区中心温度可达5000~8000K，热量占20％左右。
3.2.3焊接电源
焊条电弧焊的焊接电源(俗称电焊机)，用于提供焊接所需的能量，其空载电压为60~100V，工作电压为25~45V，输出电流为50~1000A。
电焊机有直流电源和交流电源两种，分直流弧焊机、交流弧焊变压器和弧焊整流器三大类。
图3.4直流弧焊机
1.直流弧焊机
直流弧焊机的外形如图3.4所示，它由一台交流电动机和一台直流发电机组成，电动机带动发电机工作而形成直流焊接电源。
直流弧焊机提供直流电，制造较简单，成本较高，但是其电弧稳定焊接质量好。直流弧焊机有正反两种接法。
(1)正接法将焊件接焊机正极，焊条接焊机负极，这种接法称为正接法，如图3.5(a)所示。其发热量大，主要用于焊接厚板。
图3.5正接法和反接法
(2)反接法将焊件接焊机负极，焊条接焊机正极，这种接法称为反接法，如图3.5(b)所示。其发热量小，主要用于焊接薄板。
2.交流弧焊机
交流弧焊机又称弧焊变压器，结构外形如图3.6所示，它是一种特殊的变压器。它把网络电压的交流电变成适宜于弧焊的低压交流电。交流弧焊机具有结构简单、易造易修、成本低、效率高等优点。但其电弧稳定性较差，焊接质量不高，一般用于手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等方法。
3.弧焊整流器
弧焊整流器结构外形如图3.7所示，它用整流器将交流电整流成直流电作为焊接电源，具有噪声小、空载损耗小、成本低、制造和维修容易等优点，其应用已日趋普及。
图3.6交流弧焊机
图3.7弧焊整流器
3.2.4焊接用具
焊条电弧焊必备的焊接用具有焊接电缆、焊钳、面罩、焊条保温筒、焊条烘干箱和辅助器具等。
1.焊接电缆
焊接电缆以实现焊钳、焊件对焊接电源的连接，并传导焊接电流，如图3.8所示。焊接电缆应具有良好的导电能力和良好的绝缘外皮。线芯为多股细铜线，并应按照国家标准选用。焊接电缆的两端可通过接线夹头连接焊件与焊机，以减小连接电阻；工作时要防止焊件压伤或折断电缆；切忌电缆与刚焊完的热焊件接触，以防电缆被烧坏；一般要使用整根电缆线，中间不要有接头；严禁焊接电缆与油脂等易燃物料接触。
快速接头是一种快速方便地将焊接电缆与焊机连接或接长焊接电缆的专用器具，如图3.9所示，它应具有良好的导电性能和外套绝缘性能，使用中不能松动，保证接触良好、安全可靠，禁止砸碰。
图3.8焊接电缆
图3.9快速接头
2.焊钳
在焊条电弧焊中，用以夹持焊条并传导电流进行焊接的工具叫作焊钳，俗称焊把，如图3.10所示。焊钳主要有300A和500A两种规格。
图3.10焊钳
(1)焊钳的选择
选用焊钳时注意以下几点。
①根据焊接电源的额定电流选用相应的焊钳。
②焊钳应在任何角度上能迅速牢固地夹持不同直径的焊条。
③焊钳的夹持部位导电性能良好。
④焊条的手柄应有良好的绝缘和隔热性能。
(2)使用注意事项
①通电后，焊钳不得与焊件接触，以免烧坏焊钳。
②焊钳上的弹簧失效后应及时更换，钳口应保持清洁。
③焊钳与电缆的连接必须牢固。
④过热的焊钳不能放入水中冷却，防止触电。
⑤应经常检查焊钳的各个部位，以防松动。
3.面罩
面罩是防止焊接时的飞溅、弧光及高温辐射对焊工面部及颈部造成灼伤的一种遮蔽工具，用红色或褐色石棉纸板压制而成，有手持式和头盔式两种，如图3.11所示。面罩的正面开有长方形孔，内嵌白色玻璃和护目玻璃。
图3.11焊接面罩
焊接时，护目玻璃有减弱电弧光和过滤红外线、紫外线的作用，颜色以墨绿色和橙色居多。
4.焊条保温筒和焊条烘干箱
焊条保温筒是在施工现场供焊工携带的可储存少量焊条的一种保温容器，它与电焊机的二次电压相连，以保持一定的温度，如图3.12所示。
焊条烘干箱是对受潮焊条进行烘干的设备，使用前按规定穿好劳动保护用品，检查烘干机的接地保护是否牢固可靠。取送焊条前必须切断电源，以免产生触电事故，如图3.13所示。
图3.12焊条保温筒
图3.13焊条烘干箱
5.常用焊接辅助工具
(1)敲渣锤。清除焊渣用的尖锤，可提高清渣效率。
(2)錾子。用于清除焊渣，也可铲除飞溅物和焊瘤。
(3)钢丝刷。可用于清除焊件表面的铁锈、油污等。清除坡口和多层焊道时，宜用两三行窄形弯把钢丝刷。
(4)锉刀。一般使用半圆锉，用于修理根部接头。
(5)焊工手套。是使焊工手臂不被灼伤、防止触电的专用护具。不要戴着手套直接拿灼热的焊件和焊条头。破损的手套应及时修补或更换。
(6)护脚布。保护焊工脚腕，避免被灼伤。
(7)工作服。是防止弧光及火花灼伤人体的防护用品，一般由较坚固且不宜着火的白色帆布制成，袖口要小，开口不要过多。焊接时，上衣不要掖在裤子里，盖好口袋，纽扣应扣好。
(8)平光眼镜。供清渣时佩戴，防止焊渣崩射眼睛。
(9)角向磨光机。主要用来打磨坡口和焊缝接头，或修磨焊接缺陷，不得强力或冲击性使用，严禁提拉电缆。其型号按砂轮片的直径来编制，砂轮片直径越大，电动机功率越大。型号包括100mm、125mm、150mm、180mm。
(10)电动磨头。具有角向磨光机的功能，不过磨头较小，易实现细小部位的磨削。其切屑易飞出伤人，使用时应加强自身及他人的防护；刀具更换时应夹紧，严禁使用已弯曲的刀具。
(11)气动刮铲机和针束打渣除锈器。主要用于除锈、打渣，其结构轻巧灵活，后坐力小，安全方便。突出优点是大大降低了清除焊渣过程中的飞溅及劳动强度。
(12)地线夹。为保证导线与焊件可靠地连接，可采用地线夹或多用对口钳。地线夹的形状如图3.14所示。GQ.2型多用对口钳(见图3.15)用于快速钳紧，适用于30~70mm板厚。
(13)管焊对口钳。焊接管子对接焊缝时，若采用管焊对口钳进行装配，可保证同轴度，焊完定位焊缝后，拆下管焊对口钳即可进行焊接。常用的管焊对口钳如图3.16所示，适用于15~108mm管子的对接焊。
图3.14地线夹
图3.15GQ.2型多用对口钳
图3.16管焊对口钳
(14)焊缝测量器。焊缝测量器是测量焊缝角度及外形尺寸的量具，可用来测量坡口角度、间隙宽度、错边量大小、焊缝高度和焊缝宽度等。其使用方法如图3.17所示。
图3.17焊缝测量器用法示例
3.2.5焊条
1.焊条的组成
焊条由焊芯和药皮组成。
(1)焊芯。焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯，它是具有一定长度和直径的金属丝。焊芯在焊接过程中主要有两个作用：一是传导焊接电流，维持电弧，把电能转化为热能；二是用于向焊缝中填充金属，与熔化的母材一起组成焊缝。
(2)药皮。药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层，由各种不同的矿石粉、铁合金粉、有机物和化工产品等按照一定比例配制而成。在焊接过程中，药皮有以下作用。
①机械保护(造气、造渣)：药皮熔化时放出大量气体并形成熔渣，气体在电弧周围形成气层，隔绝空气，熔渣覆盖在熔池金属上面，起保护熔化金属不受空气影响的作用。
②冶金处理(脱氧、脱硫、脱磷、掺入合金)：熔渣和熔化金属之间进行冶金反应，去除熔池中的有害杂质，并向熔池金属内掺入合金元素，从而改善和提高焊缝的力学性能。
③改善焊接工艺条件(稳弧、改善成形、脱渣、减少飞溅)：药皮使焊接点容易引燃和燃烧稳定，焊缝成形好，并能减少焊接时金属颗粒向周围飞散及使脱渣容易。
2.焊条的种类
根据焊接材料的不同，焊条可分为结构钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铁及铁合金焊条、铝及铝合金焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条等不同类型。
3.焊条的选用原则
焊条的选用是一个复杂的问题，要考虑技术要求(主要是力学性能)，焊件的工作条件和结构特点，以及经济条件等因素。其中*重要的因素是技术要求。技术要求一般要考虑三个重要原则：等强度原则、同等性能原则和等条件原则。
（1）等强度原则：对于承受静载或一般载荷的工件或结构，通常选用与母材相等的抗拉强度的焊条。对于低碳钢和普通低合金钢构件，一般都要求焊缝金属与母材等强度，因此可根据被焊钢材强度等级来选用相应的焊条。
（2）同等性能原则：在特殊环境下工作的结构如要求具有较高的耐磨、耐腐蚀、耐高温或低温等力学性能，应选用能保证熔敷金属的性能与母材性能相近的焊条。如焊接不锈钢时，应选用不锈钢焊条。
（3）等条件原则：根据焊件或焊接结构的工作条件和特点选择焊条。如焊件需要承受动载荷或冲击载荷，应选用熔敷金属冲击韧性较好的低氢型碱性焊条；焊接一般结构时应选酸性焊条。
4.焊条的保管
(1)焊条必须在干燥、通风良好的仓库中存放，焊条储存库内不允许放置有害气体和腐蚀性介质。室内应保持清洁，配置温度计、湿度计和去湿机。库房的温度与湿度必须符合要求：温度为5~20℃时，相对湿度应在60%以下；温度为20~30℃时，相对湿度应在50%以下；温度高于30℃时，相对湿度应在40%以下。
(2)库内无地板时，焊条应放在架子上。架子的高度不小于300mm，与墙壁的距离不小于300mm。架子下应放干燥剂，严防焊条受潮。
(3)应按种类、牌号、批次、规格及入库时间对焊条进行分类堆放。每垛应有明确的标注，避免混乱。
(4)焊条在出厂后的6个月内可正常使用。对于入库的焊条，应做到先入库的先使用。
(5)特种焊条的储存与保管应高于一般焊条，应堆放在专用仓库内或指定的区域，受潮或包装破损的焊条未经处理不准入库。
(6)对于受潮、药皮变色及焊芯有锈迹的焊条，须将其烘干并进行质量评定，各项性能指标满足要求时方可入库，否则不准入库。
(7)一般焊条出库量不能超过两天用量，已经出库的焊条必须由焊工保管好。
(8)如发现焊条受潮，首先将焊条在自然条件下晾干或在专用的烘箱里以低温(80℃左右)烘干，时间为3~10h，然后在250~300℃下烘干，时间为1~2h。在没有烘箱的情况下，可将焊条放置在钢板上加热烘干，但不得用明火直接烘烤。
5.焊接接头和坡口
(1)焊接接头焊接接头是指零件(焊件)连接处所采用的结构形式。焊接接头形式决定焊件质量的高低，选择时应根据焊件结构形状、强度要求、工件厚度、焊后变形大小要求等因素综合决定。在焊条电弧焊中，常用的焊接接头形式有对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头，如图3.18所示。
图3.18焊接接头形式
(2)坡口焊接较厚(厚度大于6mm)的钢板时，需在钢板的焊接部分开坡口。坡口是根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽。坡口的作用是确保焊件焊透，从而保证焊件质量。
常用的对接接头坡口形式有I形、V形、X形和U形等，如图3.19所示。应在确保焊透、熔化比合理、焊接变形小的前提下，选用加工容易、节约充填金属材料和便于焊接的坡口。
图3.19对接接头的坡口形式
3.2.6焊接操作
手工焊条电弧焊的基本操作技术包括引弧、运弧、停弧(熄弧)、接头和收弧等。在焊接操作过程中，只有熟练地掌握好以上5种操作方法，焊缝的质量才能有保证。
1.引弧
引弧是手工焊条电弧焊操作中*基本的动作，如果引弧不当会产生气孔、夹渣等焊接缺陷。引弧有两种方法，即直击法和划擦法。
(1)直击法
直击法也称为击弧法，是一种理想的引弧方法，将焊条垂直于焊件接触形成短路后迅速提起2~4mm的距离后电弧即引燃。直击法不易掌握，但焊接淬硬倾向较大的钢材时*好采用敲击法，如图3.20所示。
直击法引弧的优点是不会使焊件表面造成电弧划伤缺陷，不受焊件表面大小及焊件形状的限制；缺点是引弧成功率低，焊条与焊件往往要碰击几次才能使电弧引燃并稳定燃烧，操作不容易掌握。
(2)划擦法
划擦法引弧与划火柴相似，比较容易掌握。将焊条在焊件表面上划动一下，即可引燃电弧。但容易在焊件表面造成电弧擦伤，所以必须在焊缝前方的坡口内划擦引弧，如图3.21所示。
图3.20直击法引弧
图3.21划擦法引弧
划擦法的优点是电弧容易引燃，操作简单，引弧效率高；缺点是容易损害焊件表面，有电弧划伤痕迹，在焊接重要产品时应该少用。
以上两种接触式引弧方法中，划擦法比较容易掌握，而在狭小工作面上或不允许焊件表面有划痕时，应采用直击法。酸性焊条引弧时，可以采用直击法引弧或划擦法引弧；碱
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