單元3焊接
目標描述
了解常見焊接方法、原理及操作方法。
技能目標
會進行焊條電弧焊操作。
知識目標
了解焊接的常見分類。掌握焊條電弧焊使用中的設備和焊接用具的操作方法，根據焊接材料合理選擇焊條并會進行簡單的操作。了解氣割、埋弧焊、氣體保護焊、電阻焊和釬焊的基本原理、特點和應用場合。
3.1概述
3.1.1焊接的定義
焊接就是通過加熱、加壓或者兩者并用，并且用(或不用)填充材料，使焊件達到原子結合的一種加工方法，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金屬，也可以連接各種不同質的金屬，在現代工業生產中具有十分重要的應用。
焊接技術作為一門連接技術，歷經百年的發展，現已成為眾多工業制造領域中不可缺少的工藝方法，小到輕工業，大到國防、軍工領域都可以看到焊接技術的實際應用。
焊接技術主要應用于三種領域：高精尖領域，如軍工、航空航天、核電和高速鐵路等；重型工業領域，如船舶、汽車、壓力容器、石化裝備、電力建設、管道及重型機械設備等；輕工民用領域，如建筑裝飾施工、五金工具及家電行業等。
3.1.2焊接的分類
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，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具有一定幾何形狀的液態金屬區)。熔池隨熱源向前移動，冷卻后形成的連接兩個被連接體的接縫稱為焊縫，從而將兩工件連接成為一體。
2.壓焊
壓焊是在加壓條件下，使兩工件在固態下實現原子間結合，又稱固態焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當電流通過兩焊件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當溫度升高到一定程度使工件處于塑性狀態時，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低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到釬料熔點，低于工件熔點的溫度，利用液態釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實現原子間的相互擴散，從而實現焊接的方法。
3.1.3焊接的特點
焊接具有以下特點。
（1）與鉚接相比，焊接可以節約金屬材料，接頭密封性好，容易實現機械化和自動化。
（2）與鑄造、鍛造相比，焊接生產程序簡單，經濟效益高。用型材等拼焊成焊接結構件來代替大型復雜的鑄件，生產周期短，勞動強度低。
（3）設備簡單，操作方便，產品成本低。
3.2焊條電弧焊
3.2.1施焊原理
焊條電弧焊是熔焊中*常見的類型，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—氣體；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熔化形成熔池，同時使焊條的藥皮熔化并分解，熔化后的藥皮與液態金屬發生物理化學反應，形成的熔渣從熔池中上浮。
（2）藥皮受熱分解后產生大量的保護氣體，和熔渣一起保護熔化金屬。
（3）電弧沿著焊接方向推進后，工件和焊條不斷熔化匯成新的熔池，原來的熔池不斷冷卻凝固，構成連續的焊縫。
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區域，即陽極區、弧柱區和陰極區，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，陰極區溫度為2400K左右，放出熱量為電弧總熱量的38％；陽極區溫度為2600K左右，熱量占42％；弧柱區中心溫度可達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(俗稱電焊機)，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。
電焊機有直流電源和交流電源兩種，分直流弧焊機、交流弧焊變壓器和弧焊整流器三大類。
圖3.4直流弧焊機
1.直流弧焊機
直流弧焊機的外形如圖3.4所示，它由一臺交流電動機和一臺直流發電機組成，電動機帶動發電機工作而形成直流焊接電源。
直流弧焊機提供直流電，制造較簡單，成本較高，但是其電弧穩定焊接質量好。直流弧焊機有正反兩種接法。
(1)正接法將焊件接焊機正極，焊條接焊機負極，這種接法稱為正接法，如圖3.5(a)所示。其發熱量大，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負極，焊條接焊機正極，這種接法稱為反接法，如圖3.5(b)所示。其發熱量小，主要用于焊接薄板。
2.交流弧焊機
交流弧焊機又稱弧焊變壓器，結構外形如圖3.6所示，它是一種特殊的變壓器。它把網絡電壓的交流電變成適宜于弧焊的低壓交流電。交流弧焊機具有結構簡單、易造易修、成本低、效率高等優點。但其電弧穩定性較差，焊接質量不高，一般用于手弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊等方法。
3.弧焊整流器
弧焊整流器結構外形如圖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點，其應用已日趨普及。
圖3.6交流弧焊機
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
焊接電纜以實現焊鉗、焊件對焊接電源的連接，并傳導焊接電流，如圖3.8所示。焊接電纜應具有良好的導電能力和良好的絕緣外皮。線芯為多股細銅線，并應按照國家標準選用。焊接電纜的兩端可通過接線夾頭連接焊件與焊機，以減小連接電阻；工作時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連接或接長焊接電纜的專用器具，如圖3.9所示，它應具有良好的導電性能和外套絕緣性能，使用中不能松動，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，用以夾持焊條并傳導電流進行焊接的工具叫作焊鉗，俗稱焊把，如圖3.10所示。焊鉗主要有300A和500A兩種規格。
圖3.10焊鉗
(1)焊鉗的選擇
選用焊鉗時注意以下幾點。
①根據焊接電源的額定電流選用相應的焊鉗。
②焊鉗應在任何角度上能迅速牢固地夾持不同直徑的焊條。
③焊鉗的夾持部位導電性能良好。
④焊條的手柄應有良好的絕緣和隔熱性能。
(2)使用注意事項
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及時更換，鉗口應保持清潔。
③焊鉗與電纜的連接必須牢固。
④過熱的焊鉗不能放入水中冷卻，防止觸電。
⑤應經常檢查焊鉗的各個部位，以防松動。
3.面罩
面罩是防止焊接時的飛濺、弧光及高溫輻射對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。面罩的正面開有長方形孔，內嵌白色玻璃和護目玻璃。
圖3.11焊接面罩
焊接時，護目玻璃有減弱電弧光和過濾紅外線、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場供焊工攜帶的可儲存少量焊條的一種保溫容器，它與電焊機的二次電壓相連，以保持一定的溫度，如圖3.12所示。
焊條烘干箱是對受潮焊條進行烘干的設備，使用前按規定穿好勞動保護用品，檢查烘干機的接地保護是否牢固可靠。取送焊條前必須切斷電源，以免產生觸電事故，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，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、防止觸電的專用護具。不要戴著手套直接拿灼熱的焊件和焊條頭。破損的手套應及時修補或更換。
(6)護腳布。保護焊工腳腕，避免被灼傷。
(7)工作服。是防止弧光及火花灼傷人體的防護用品，一般由較堅固且不宜著火的白色帆布制成，袖口要小，開口不要過多。焊接時，上衣不要掖在褲子里，蓋好口袋，紐扣應扣好。
(8)平光眼鏡。供清渣時佩戴，防止焊渣崩射眼睛。
(9)角向磨光機。主要用來打磨坡口和焊縫接頭，或修磨焊接缺陷，不得強力或沖擊性使用，嚴禁提拉電纜。其型號按砂輪片的直徑來編制，砂輪片直徑越大，電動機功率越大。型號包括100mm、125mm、150mm、180mm。
(10)電動磨頭。具有角向磨光機的功能，不過磨頭較小，易實現細小部位的磨削。其切屑易飛出傷人，使用時應加強自身及他人的防護；刀具更換時應夾緊，嚴禁使用已彎曲的刀具。
(11)氣動刮鏟機和針束打渣除銹器。主要用于除銹、打渣，其結構輕巧靈活，后坐力小，安全方便。突出優點是大大降低了清除焊渣過程中的飛濺及勞動強度。
(12)地線夾。為保證導線與焊件可靠地連接，可采用地線夾或多用對口鉗。地線夾的形狀如圖3.14所示。GQ.2型多用對口鉗(見圖3.15)用于快速鉗緊，適用于30~70mm板厚。
(13)管焊對口鉗。焊接管子對接焊縫時，若采用管焊對口鉗進行裝配，可保證同軸度，焊完定位焊縫后，拆下管焊對口鉗即可進行焊接。常用的管焊對口鉗如圖3.16所示，適用于15~108mm管子的對接焊。
圖3.14地線夾
圖3.15GQ.2型多用對口鉗
圖3.16管焊對口鉗
(14)焊縫測量器。焊縫測量器是測量焊縫角度及外形尺寸的量具，可用來測量坡口角度、間隙寬度、錯邊量大小、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為焊芯，它是具有一定長度和直徑的金屬絲。焊芯在焊接過程中主要有兩個作用：一是傳導焊接電流，維持電弧，把電能轉化為熱能；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、有機物和化工產品等按照一定比例配制而成。在焊接過程中，藥皮有以下作用。
①機械保護(造氣、造渣)：藥皮熔化時放出大量氣體并形成熔渣，氣體在電弧周圍形成氣層，隔絕空氣，熔渣覆蓋在熔池金屬上面，起保護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行冶金反應，去除熔池中的有害雜質，并向熔池金屬內摻入合金元素，從而改善和提高焊縫的力學性能。
③改善焊接工藝條件(穩弧、改善成形、脫渣、減少飛濺)：藥皮使焊接點容易引燃和燃燒穩定，焊縫成形好，并能減少焊接時金屬顆粒向周圍飛散及使脫渣容易。
2.焊條的種類
根據焊接材料的不同，焊條可分為結構鋼焊條、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型。
3.焊條的選用原則
焊條的選用是一個復雜的問題，要考慮技術要求(主要是力學性能)，焊件的工作條件和結構特點，以及經濟條件等因素。其中*重要的因素是技術要求。技術要求一般要考慮三個重要原則：等強度原則、同等性能原則和等條件原則。
（1）等強度原則：對于承受靜載或一般載荷的工件或結構，通常選用與母材相等的抗拉強度的焊條。對于低碳鋼和普通低合金鋼構件，一般都要求焊縫金屬與母材等強度，因此可根據被焊鋼材強度等級來選用相應的焊條。
（2）同等性能原則：在特殊環境下工作的結構如要求具有較高的耐磨、耐腐蝕、耐高溫或低溫等力學性能，應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，應選用不銹鋼焊條。
（3）等條件原則：根據焊件或焊接結構的工作條件和特點選擇焊條。如焊件需要承受動載荷或沖擊載荷，應選用熔敷金屬沖擊韌性較好的低氫型堿性焊條；焊接一般結構時應選酸性焊條。
4.焊條的保管
(1)焊條必須在干燥、通風良好的倉庫中存放，焊條儲存庫內不允許放置有害氣體和腐蝕性介質。室內應保持清潔，配置溫度計、濕度計和去濕機。庫房的溫度與濕度必須符合要求：溫度為5~20℃時，相對濕度應在60%以下；溫度為20~30℃時，相對濕度應在50%以下；溫度高于30℃時，相對濕度應在40%以下。
(2)庫內無地板時，焊條應放在架子上。架子的高度不小于300mm，與墻壁的距離不小于300mm。架子下應放干燥劑，嚴防焊條受潮。
(3)應按種類、牌號、批次、規格及入庫時間對焊條進行分類堆放。每垛應有明確的標注，避免混亂。
(4)焊條在出廠后的6個月內可正常使用。對于入庫的焊條，應做到先入庫的先使用。
(5)特種焊條的儲存與保管應高于一般焊條，應堆放在專用倉庫內或指定的區域，受潮或包裝破損的焊條未經處理不準入庫。
(6)對于受潮、藥皮變色及焊芯有銹跡的焊條，須將其烘干并進行質量評定，各項性能指標滿足要求時方可入庫，否則不準入庫。
(7)一般焊條出庫量不能超過兩天用量，已經出庫的焊條必須由焊工保管好。
(8)如發現焊條受潮，首先將焊條在自然條件下晾干或在專用的烘箱里以低溫(80℃左右)烘干，時間為3~10h，然后在250~300℃下烘干，時間為1~2h。在沒有烘箱的情況下，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)連接處所采用的結構形式。焊接接頭形式決定焊件質量的高低，選擇時應根據焊件結構形狀、強度要求、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，需在鋼板的焊接部分開坡口。坡口是根據設計或工藝需要，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，從而保證焊件質量。
常用的對接接頭坡口形式有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、節約充填金屬材料和便于焊接的坡口。
圖3.19對接接頭的坡口形式
3.2.6焊接操作
手工焊條電弧焊的基本操作技術包括引弧、運弧、停弧(熄弧)、接頭和收弧等。在焊接操作過程中，只有熟練地掌握好以上5種操作方法，焊縫的質量才能有保證。
1.引弧
引弧是手工焊條電弧焊操作中*基本的動作，如果引弧不當會產生氣孔、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*好采用敲擊法，如圖3.20所示。
直擊法引弧的優點是不會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
劃擦法的優點是電弧容易引燃，操作簡單，引弧效率高；缺點是容易損害焊件表面，有電弧劃傷痕跡，在焊接重要產品時應該少用。
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，應采用直擊法。酸性焊條引弧時，可以采用直擊法引弧或劃擦法引弧；堿
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