焊接技術(金屬物理學術語)

焊接技術(金屬物理學術語)

焊接技術就是高溫或高壓條件下,使用焊接材料(焊條或焊絲)將兩塊或兩塊以上的母材(待焊接的工件)連線成一個整體的操作方法。

焊接技術是隨著金屬的套用而出現的,古代的焊接方法主要是鑄焊釺焊鍛焊。中國商朝製造的鐵刃銅鉞,就是鐵與銅的鑄焊件,其表面銅與鐵的熔合線蜿蜒曲折,接合良好。春秋戰國時期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤龍,是分段釺焊連線而成的。經分析,所用的與現代軟釺料成分相近。

基本介绍

  • 中文名:焊接技術
  • 外文名:Welding Technology
  • 條件:高溫或高壓
  • 使用材料:焊條或焊絲
  • 套用領域:化工行業等
發展歷史,焊接方法,焊接工藝,金屬焊接雕塑,金屬焊接壁飾,焊接安全,焊接事故的誘因,焊接規範,手工焊接技術,

發展歷史

焊接是通過加熱、加壓,或兩者並用,使同性或異性兩工件產生原子間結合的加工工藝和聯接方式。焊接套用廣泛,既可用於金屬,也可用於非金屬。
焊接技術
焊接技術是隨著金屬的套用而出現的,古代的焊接方法主要是鑄焊釺焊鍛焊。中國商朝製造的鐵刃銅鉞,就是鐵與銅的鑄焊件,其表面銅與鐵的熔合線蜿蜒曲折,接合良好。春秋戰國時期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤龍,是分段釺焊連線而成的。經分析,所用的與現代軟釺料成分相近。
戰國時期製造的刀劍,刀刃為鋼,刀背為熟鐵,一般是經過加熱鍛焊而成的。據明朝宋應星所著《天工開物》一書記載:中國古代將銅和鐵一起入爐加熱,經鍛打製造刀、斧;用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上,分段煅焊大型船錨。中世紀,在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊製造兵器。
古代焊接技術長期停留在鑄焊、鍛焊和釺焊的水平上,使用的熱源都是爐火,溫度低、能量不集中,無法用於大截面、長焊縫工件的焊接,只能用以製作裝飾品、簡單的工具和武器。
19世紀初,英國的戴維斯發現電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫熱源;1885~1887年,俄國的別納爾多斯發明碳極電弧焊鉗;1900年又出現了鋁熱焊。
20世紀初,碳極電弧焊和氣焊得到套用,同時還出現了薄藥皮焊條電弧焊。電弧比較穩定,焊接熔池受到熔渣保護,焊接質量得到提高,使手工電弧焊進入實用階段,電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。
在此期間,美國的諾布爾利用電弧電壓控制焊條送給速度,製成自動電弧焊機,從而成為焊接機械化、自動化的開端。1930年美國的羅賓諾夫發明使用焊絲和焊劑的埋弧焊,焊接機械化得到進一步發展。40年代,為適應鋁、鎂合金和合金鋼焊接的需要,鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。
1951年蘇聯的巴頓電焊研究所創造電渣焊,成為大厚度工件的高效焊接法。1953年,蘇聯的柳巴夫斯基等人發明二氧化碳氣體保護焊,促進了氣體保護電弧焊的套用和發展,如出現了混合氣體保護焊、藥芯焊絲氣渣聯合保護焊和自保護電弧焊等。
1957年美國的蓋奇發明等離子弧焊;40年代德國和法國發明的電子束焊,也在50年代得到實用和進一步發展;60年代又出現雷射焊等離子、電子束和雷射焊接方法的出現,標誌著高能量密度熔焊的新發展,大大改善了材料的焊接性,使許多難以用其他方法焊接的材料和結構得以焊接。
其他的焊接技術還有1887年,美國的湯普森發明電阻焊,並用於薄板的點焊和縫焊;縫焊是壓焊中最早的半機械化焊接方法,隨著縫焊過程的進行,工件被兩滾輪推送前進;二十世紀20年代開始使用閃光對焊方法焊接棒材和鏈條。至此電阻焊進入實用階段。1956年,美國的瓊斯發明超音波焊;蘇聯的丘季科夫發明摩擦焊;1959年,美國斯坦福研究所研究成功爆炸焊;50年代末蘇聯又製成真空擴散焊設備。

焊接方法

焊接技術主要套用在金屬母材上,常用的有電弧焊氬弧焊CO2保護焊,氧氣-乙炔焊,雷射焊接,電渣壓力焊等多種,塑膠等非金屬材料亦可進行焊接。 金屬焊接方法有40種以上,主要分為熔焊、壓焊和釺焊三大類。熔焊是在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態,不加壓力完成焊接的方法。熔焊時,熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化,形成熔池。熔池隨熱源向前移動,冷卻後形成連續焊縫而將兩工件連線成為一體。
電焊機電焊機
在熔焊過程中,如果大氣與高溫的熔池直接接觸,大氣中的氧就會氧化金屬和各種合金元素。大氣中的氮、水蒸汽等進入熔池,還會在隨後冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷,惡化焊縫的質量和性能。
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,當電流通過兩工件的連線端時,該處因電阻很大而溫度上升,當加熱至塑性狀態時,在軸向壓力作用下連線成為一體。
各種壓焊方法的共同特點是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數壓焊方法如擴散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程,因而沒有像熔焊那樣的有益合金元素燒損,和有害元素侵入焊縫的問題,從而簡化了焊接過程,也改善了焊接安全衛生條件。同時由於加熱溫度比熔焊低、加熱時間短,因而熱影響區小。許多難以用熔化焊焊接的材料,往往可以用壓焊焊成與母材同等強度的優質接頭。
釺焊是使用比工件熔點低的金屬材料作釺料,將工件和釺料加熱到高於釺料熔點、低於工件熔點的溫度,利用液態釺料潤濕工件,填充接口間隙並與工件實現原子間的相互擴散,從而實現焊接的方法。
焊接時形成的連線兩個被連線體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側在焊接時會受到焊接熱作用,而發生組織和性能變化,這一區域被稱為熱影響區。焊接時因工件材料焊接材料、焊接電流等不同,焊後在焊縫和熱影響區可能產生過熱、脆化、淬硬或軟化現象,也使焊件性能下降,惡化焊接性。這就需要調整焊接條件,焊前對焊件接口處預熱、焊時保溫和焊後熱處理可以改善焊件的焊接質量。

焊接工藝

焊接是一個局部的迅速加熱和冷卻過程,焊接區由於受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮,冷卻後在焊件中便產生焊接應力和變形。重要產品焊後都需要消除焊接應力,矯正焊接變形。
現代焊接技術已能焊出無內外缺陷的、機械性能等於甚至高於被連線體的焊縫。被焊接體在空間的相互位置稱為焊接接頭,接頭處的強度除受焊縫質量影響外,還與其幾何形狀、尺寸、受力情況和工作條件等有關。接頭的基本形式有對接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。
對接接頭焊縫的橫截面形狀,決定於被焊接體在焊接前的厚度和兩接邊的坡口形式。焊接較厚的鋼板時,為了焊透而在接邊處開出各種形狀的坡口,以便較容易地送入焊條或焊絲。坡口形式有單面施焊的坡口和兩面施焊的坡口。選擇坡口形式時,除保證焊透外還應考慮施焊方便,填充金屬量少,焊接變形小和坡口加工費用低等因素。
厚度不同的兩塊鋼板對接時,為避免截面急劇變化引起嚴重的應力集中,常把較厚的板邊逐漸削薄,達到兩接邊處等厚。對接接頭的靜強度和疲勞強度比其他接頭高。在交變、衝擊載荷下或在低溫高壓容器中工作的聯接,常優先採用對接接頭的焊接。
搭接接頭的焊前準備工作簡單,裝配方便,焊接變形和殘餘應力較小,因而在工地安裝接頭和不重要的結構上時常採用。一般來說,搭接接頭不適於在交變載荷、腐蝕介質、高溫或低溫等條件下工作。
採用丁字接頭和角接頭通常是由於結構上的需要。丁字接頭上未焊透的角焊縫工作特點與搭接接頭的角焊縫相似。當焊縫與外力方向垂直時便成為正面角焊縫,這時焊縫表面形狀會引起不同程度的應力集中;焊透的角焊縫受力情況與對接接頭相似。
角接頭承載能力低,一般不單獨使用,只有在焊透時,或在內外均有角焊縫時才有所改善,多用於封閉形結構的拐角處。焊接產品比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕,對於交通運輸工具來說可以減輕自重,節約能量。焊接的密封性好,適於製造各類容器。發展聯合加工工藝,使焊接與鍛造、鑄造相結合,可以製成大型、經濟合理的鑄焊結構和鍛焊結構,經濟效益很高。採用焊接工藝能有效利用材料,焊接結構可以在不同部位採用不同性能的材料,充分發揮各種材料的特長,達到經濟、優質。焊接已成為現代工業中一種不可缺少,而且日益重要的加工工藝方法。
單面焊雙面成形焊縫單面焊雙面成形焊縫
在近代的金屬加工中,焊接比鑄造、鍛壓工藝發展較晚,但發展速度很快。焊接結構的重量約占鋼材產量的45%,鋁和鋁合金焊接結構的比重也不斷增加。
未來的焊接工藝,一方面要研製新的焊接方法、焊接設備和焊接材料,以進一步提高焊接質量和安全可靠性,如改進現有電弧、等離子弧、電子束、雷射等焊接能源;運用電子技術和控制技術,改善電弧的工藝性能,研製可靠輕巧的電弧跟蹤方法。
另一方面要提高焊接機械化和自動化水平,如焊機實現程式控制、數字控制;研製從準備工序、焊接到質量監控全部過程自動化的專用焊機;在自動焊接生產線上,推廣、擴大數控的焊接機械手和焊接機器人,可以提高焊接生產水平,改善焊接衛生安全條件。
作為一種工業技術,焊接的出現迎合了金屬藝術發展對新工藝手段的需要。而在另一方面,金屬在焊接熱量作用下所產生的獨特美妙的變化也滿足了金屬藝術對新的藝術表現語言的需求。在今天的金屬藝術創作中,焊接可以而且正在被作為一種獨特的藝術表現語言而著力加以表現。藝術創造與工藝方法永遠是密不可分的。
金屬焊接藝術可以作為一種相對獨立的藝術形式以分支的方式從傳統的金屬藝術中分離出來,這是因為:
首先,焊接具有藝術性。
焊接可以產生豐富的藝術創作的表現語言。焊接通常是在高溫下進行的,而金屬在高溫下會產生許多美妙豐富的變化:金屬母材會發生顏色變化和熱變形(即焊接熱影響區);焊絲熔化後會形成一些漂亮的肌理;而焊接缺陷在焊接藝術中更是經常被套用。焊接缺陷是指焊接過程中,在焊接接頭產生的不符合設計或工藝要求的缺陷。其表現形式主要有焊接裂紋、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合、夾渣、焊瘤、塌陷、凹坑、燒穿、夾雜等。這是個十分有趣的現象:焊接的藝術性通常體現在一些工業焊接的失敗操作之中,或者說蘊藏於一些工業焊接極力避免的焊接缺陷之中。
其次,焊接藝術語言是獨特的。
上述種種焊接缺陷的表現形式以及焊接熱影響區,是通過一定規範下的焊接操作形成的,也只有通過焊接的方式才會產生這些藝術語言。焊接藝術作品的表面效果是其它金屬加工工藝無法或者很難實現的,因而說焊接藝術具有獨特的藝術性。
選用不同的金屬材料,使用不同的焊接工藝,焊接的藝術性可以在不同的金屬藝術形式中發揮得淋漓盡致:

金屬焊接雕塑

在焊接雕塑作品中,焊縫和割痕不是作為一種技術加工的痕跡被動地存在,而是以一種精彩的、不可或缺的表現語言著力地加以體現的。一件焊接雕塑,粗的焊縫裸露在雕塑表面,各種不規則的切割痕跡也變成了藝術家優美的藝術語言……在很多情況下,由於焊接雕塑所追求的粗糙質樸的風格,金屬的鏽蝕、瑕疵也大多根據作品的需要特意保留。因此,在焊接雕塑中常常可以感覺到一種非雕琢的、原始的美。
雕塑下部的鋼板拼接處的焊縫很粗大,從焊接工藝的牢固性來看,這顯然不僅僅是出於對雕塑結實程度的考慮,在這件雕塑中,下部幾條扭曲的焊縫已經作為雕塑整體審美的一個重要因素而成為其不可缺少的一部分。從雕塑整體來看,不論是上半部分的文字造型,還是下半部分的肌理處理,到處有扭曲的焊接痕跡的出現,整個作品達到了整體視覺語言的統一。

金屬焊接壁飾

如果把一幅壁飾作品看成一幅畫的話,畫面中的點、線、面、黑、白、灰甚至顏色的處理都可以通過焊接的方法來實現。各種型號、各種材質的金屬絲,套用不同的焊接工藝會在畫面上以不同的形式出現。不同金屬的顏色不同,不鏽鋼的亮銀色、鋁材的亞銀色、碳鋼的烏亮色,鈦鋼、青銅、紫銅、黃銅……而且就鋼材來說,不同的鋼材在高溫受熱時會出現不同的顏色變化,即焊接熱影響區不同。另外,切割也是焊接藝術壁飾創作的方法之一,既可以與焊接結合使用,也可以單獨使用,這完全取決於創作者的創作意圖和對工藝與效果的掌握程度。以上所述的這些方法綜合起來,變化的豐富可想而知。
手工等離子切割的方法,利用切割時電流的熱量,使切割邊緣產生熱影響區,這樣就給亮白色的不鏽鋼“染”上了一圈略帶漸變的色彩。同時,通過對焊接規範的調節,割槍噴出的強烈氣流會在切割鋼板熔化的瞬間在切割邊緣“吹”起一圈隨機形成的肌理,在切割完成金屬冷卻後,固化為一道美麗的割痕,與中間平坦光亮的不鏽鋼板材形成了質感的對比。這種隨機效果的形成過程帶有一定的偶然性,但又是在一定的焊接規範下必然產生的現象。
從尺寸的角度考慮,尺寸較大的焊接藝術壁飾可採用半自動CO2氣體保護焊,較小的可採用手工鎢極氬弧焊

焊接安全

焊接事故的誘因

1、焊接切割作業時,尤其是氣體切割時,由於使用壓縮空氣或氧氣流的噴射,使火星、熔珠和鐵渣四處飛濺(較大的熔珠和鐵渣能飛濺到距操作點5m以外的地方),當作業環境中存在易燃、易爆物品或氣體時,就可能會發生火災和爆炸事故。
2、在高空焊接切割作業時,對火星所及的範圍內的易燃易爆物品未清理乾淨,作業人員在工作過程中亂扔焊條頭,作業結束後未認真檢查是否留有火種。
3、氣焊、氣割的工作過程中未按規定的要求放置乙炔發生器,工作前未按要求檢查焊(割)炬、橡膠管路和乙炔發生器的安全裝置。
4、氣瓶存在制定方面的不足,氣瓶的保管充灌、運輸、使用等方面存在不足,違反安全操作規程等。
5、乙炔、氧氣等管道的制定、安裝有缺陷,使用中未及時發現和整改其不足。
6、在焊補燃料容器和管道時,未按要求採取相應措施。在實施置換焊補時,置換不徹底,在實施帶壓不置換焊補時壓力不夠致使外部明火導入等。

焊接規範

1、焊接切割作業時,將作業環境10m範圍內所有易燃易爆物品清理乾淨,應注意作業環境的地溝、下水道內有無可燃液體和可燃氣體,以及是否有可能泄漏到地溝和下水道內可燃易爆物質,以免由於焊渣、金屬火星引起災害事故。
2、高空焊接切割時,禁止亂扔焊條頭,對焊接切割作業下方應進行隔離,作業完畢應做到認真細緻的檢查,確認無火災隱患後方可離開現場。
3、應使用符合國家有關標準、規程要求的氣瓶,在氣瓶的貯存、運輸、使用等環節應嚴格遵守安全操作規程。
4、對輸送可燃氣體和助燃氣體的管道應按規定安裝、使用和管理,對操作人員和檢查人員應進行專門的安全技術培訓。
5、焊補燃料容器和管道時,應結合實際情況確定焊補方法。實施置換法時,置換應徹底,工作中應嚴格控制可燃物質的含影實施帶壓不置換法時,應按要求保持一定的電壓。工作中應嚴格控制其含氧量。要加強檢測,注意監護,要有安全組織措施。

手工焊接技術

手工焊接是傳統的焊接方法,雖然批量電子產品生產已較少採用手工焊接了,但對電子產品的維修、調試中不可避免地還會用到手工焊接。焊接質量的好壞也直接影響到維修效果。手工焊接是一項實踐性很強的技能,在了解一般方法後,要多練;多實踐,才能有較好的焊接質量。

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