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超全的焊接知识(二)

2022-09-21

一、电弧焊

 

电弧:一种强烈而持久的气体放电现象,正负电极间具有一定的电压,而且两电极间的气体介质应处在电离状态。引燃焊接电弧时,通常是将两电极(一极为工件,另一极为填充金属丝或焊条)接通电源,短暂接触并迅速分离,两极相互接触时发生短路,形成电弧。这种方式称为接触引弧。电弧形成后,只要电源保持两极之间一定的电位差,即可维持电弧的燃烧。

 

电弧特点: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。

 

电弧组成:阴极区、阳极区、弧柱区三部分。

 

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。

 

直流正接:采用直流焊机当工件接阳极,焊条接阴极时,称为直流正接,此时工件受热较大,适合焊接厚大工件。

 

直流反接:当工件接阴极,焊条接阳极时,称为直流反接,此时工件受热较小,适合焊接薄小工件。采用交流焊机焊接时,因两极极性不断交替变化,故不存在正接或反接问题。

 

焊接冶金过程

 

在电弧焊过程中,液态金属、熔渣和气体三者相互作用,是金属再冶炼的过程。但由于焊接条件的特殊性,焊接化学冶金过程又有着与一般冶炼过程不同的特点。

 

首先,焊接冶金温度高,相界大,反应速度快,当电弧中有空气侵入时,液态金属会发生强烈的氧化、氮化反应,还有大量金属蒸发,而空气中的水分以及工件和焊接材料中的油、锈、水在电弧高温下分解出的氢原子可溶入液态金属中,导致接头塑性和韧度降低(氢脆),以至产生裂纹。

 

其次,焊接熔池小,冷却快,使各种冶金反应难以达到平衡状态,焊缝中化学成分不均匀,且熔池中气体、氧化物等来不及浮出,容易形成气孔、夹渣等缺陷,甚至产生裂纹。

电弧焊过程中通常会采取以下措施:

 

(1)在焊接过程中,对熔化金属进行机械保护,使之与空气隔开。保护方式有三种:气体保护、熔渣保护和气-渣联合保护。

 

(2)对焊接熔池进行冶金处理,主要通过在焊接材料(焊条药皮、焊丝、焊剂)中加入一定量的脱氧剂(主要是锰铁和硅铁)和一定量的合金元素,在焊接过程中排除熔池中的FeO,同时补偿合金元素的烧损。

 

常用电弧焊方法:

 

1. 手弧焊

 

手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属,电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧,另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面,防止熔化金属与周围气体的相互作用。

 

熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素,改善焊缝金属能。手弧焊设备简单、轻便,操作灵活。可以应用于维修及装配中的短缝的焊接,特别是可以用于难以达到的部位的焊接。手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及其合金。

 

2. 埋弧焊

 

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。

 

埋弧焊的主要特点如下:

 

① 电弧性能独特

 

焊缝质量高熔渣隔绝空气保护效果好,电弧区主要成分为CO2,焊缝金属中含氮量、含氧量大大降低,焊接参数自动调节,电弧行走机械化,熔池存在时间长,冶金反应充分 ,抗风能力强,所以焊缝成分稳定,力学性能好;

劳动条件好 熔渣隔离弧光有利于焊接操作;机械化行走,劳动强度较低。

 

② 弧柱电场强度较高比之熔化极气体保护焊有如下特点

 

设备调节性能好,由于电场强度较高,自动调节系统的灵敏度较高,使焊接过程的稳定性提高;

焊接电流下限较高。

 

③ 生产效率高由于焊丝导电长度缩短,电流和电流密度显著提高,使电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速率大大提高;又由于焊剂和熔渣的隔热作用,总的热效率大大增加,使焊接速度大大提高。

 

适用范围:

 

由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械操作的程度高,因而适于焊接中厚板结构的长焊缝。在造船、锅炉与压力容器、桥梁、超重机械、核电站结构、海洋结构、武器等制造部门有着广泛的应用,是当今焊接生产中最普遍使用的焊接方法之一。

 

埋弧焊除了用于金属结构中构件的连接外,还可在基体金属表面堆焊耐磨或耐腐蚀的合金层。

 

随着焊接冶金技术与焊接材料生产技术的发展,埋弧焊能焊的材料已从碳素结构钢发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等以及某些有色金属,如镍基合金、钛合金、铜合金等。

 

由于自己的特点,其应用也有一定的局限性,主要为:

 

① 焊接位置的限制,由于焊剂保持的原因,如不采用特殊措施,埋弧焊主要用于水平俯位置焊缝焊接,而不能用于横、立、仰焊;

② 焊接材料的局限,不能焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金,主要用于焊接黑色金属;

③ 只适合于长焊缝焊接切,且不能焊接空间位置有限的焊缝;

④ 不能直接观察电弧

⑤ 不适用于薄板、小电流焊。

 

3. 钨极气体保护电弧焊

 

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。 

 

4. 熔化极气体保护电弧焊

 

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。

 

CO2焊接的特点:

 

① 在焊接电弧高温作用下CO2会分解成CO、O2和O,对电弧具有叫强烈的压缩作用,从而导致该焊接方法的电弧形态具有弧柱直径较小,弧跟面积小且往往难于覆盖焊丝端部全部熔滴的特点,因此熔滴受到的过渡阻力(斑点力)较大而使熔滴粗化,过渡路径轴向性变差,飞溅率大;

② 对焊接区保护良好,CO2的密度是常用保护气体中最大的,加上CO2气体受热分解后,体积增大,因此保护较好;

③ 能量相对集中,熔透能力较大;

④ 生产成本低,节约电能

⑤ 工艺和技术上还具有焊接区可见度好,便于观察、操作;焊接热影响区和焊接变形较小;熔池体积较小结晶速度较快,全位置焊接性能良好;对锈污敏感度低的优点。

 

冶金特性:

 

① 合金元素的氧化CO2焊时,在电弧高温作用下,CO2会分解成CO、O2和O,在焊接条件下,CO不溶于金属,也不参与反应,而CO2和O都有强烈的氧化性,使Fe及其它合金元素氧化。

② 脱氧及焊缝金属的合金化?通常在焊丝中加入一定量的脱氧剂进行脱氧,此外,剩余的脱氧剂作为合金元素留在焊缝中,以弥补氧化烧损损失并保证焊缝的化学成分要求。

 

熔滴过渡:

 

① 短路过渡(短弧、细丝、小电流)适用于薄板全位置焊接;

② 细颗粒过渡,粗丝、长弧、大电流焊接;

③ 潜弧射滴过渡(很少用)。

 

适用范围:

 

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。

 

5. 等离子弧焊

 

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。

 

等离子弧焊分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。

 

冶金反应:单一,只有蒸发。

 

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。

 

6. 管状焊丝电弧焊

 

管状焊丝电弧焊也是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧为热源来进行焊接的,可以认为是熔化极气体保护焊的一种类型。所使用的焊丝是管状焊丝,管内装有各种组分的焊剂。焊接时,外加保护气体,主要是CO2。焊剂受热分解或熔化,起着造渣保护溶池、渗合金及稳弧等作用。

 

管状焊丝电弧焊除具有上述熔化极气体保护电弧焊的优点外,由于管内焊剂的作用,使之在冶金上更具优点。管状焊丝电弧焊可以应用于大多数黑色金属各种接头的焊接。管状焊丝电弧焊在一些工业先进国家已得到广泛应用。“管状焊丝”即现在所说的“药芯焊丝”。

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