《焊接工艺学》教案Word文档下载推荐.docx

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3．焊接分类

按照焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三类。

熔焊是在焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。

目前熔焊应用最广，常见的气焊、电弧焊、电渣焊、气体保护电弧焊等属于熔焊。

压焊是在焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。

如电阻焊、摩擦焊、气压焊、冷压焊、爆炸焊等属于压焊。

钎焊是采用比母材熔点低的钎料作填充材料，焊接时将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。

常见的钎焊方法有烙铁钎焊、火焰钎焊等。

4．焊接的特点

焊接与铆接、铸造相比，可以节省大量金属材料，减轻结构的重量，成本较低；

简化加工与装配工序，工序较简单，生产周期较短，劳动生产率高；

焊接接头不仅强度高，而且其他性能（如耐热性能、耐腐蚀性能、密封性能）都能与焊件材料相匹配，焊接质量高；

劳动强度低，劳动条件好等优点。

焊接的主要缺点是产生焊接应力与变形，焊接中存在一定数量的缺陷，产生有毒有害的物质等。

目前世界各国年平均生产的焊接结构用钢已占钢产量的45%左右，所以焊接是目前应用极为广泛的一种永久性连接方法。

5．焊接技术发展史

近代焊接技术，是从1885年出现碳弧焊开始，直到二十世纪四十年代才形成较完整的焊接工艺体系。

特别是四十年代初期出现了优质电焊条后，焊接技术得到了一次飞跃。

现在世界上已有50余种焊接工艺方法应用于生产中。

焊接方法的发展简史见表1—1所示。

表1—1　　　　　　　　　焊接方法的发展简史

焊接方法

发明年代

发明国家

碳弧焊

1885

原苏联

冷压焊

1948

英国

电阻焊

1886

美国

高频电阻焊

1951

金属极电弧焊

1892

电渣焊

热剂焊

1895

德国

CO2气体保护电弧焊

1953

氧乙炔焊

1901

法国

超声波焊

1956

金属喷镀

1909

瑞士

电子束焊

原子氢焊

1927

摩擦焊

1957

高频感应焊

1928

等离子弧焊

惰性气体保护电弧焊

1930

爆炸焊

1963

埋弧焊

1935

激光焊

1965

6．焊接技术的新发展

随着工业和科学技术的发展，焊接技术也在不断进步，焊接已从单一的加工工艺发展成为综合性的先进工艺技术。

焊接技术的新发展主要体现在以下几个方面：

（1）提高焊接生产率，进行高效化焊接

焊条电弧焊中的铁粉焊条、重力焊条和躺焊条工艺；

埋弧焊中的多丝焊、热丝焊、窄间隙焊接；

气体保护电弧焊中的气电立焊、热丝MAG焊、TIME焊等……，是常用的高效化焊接方法。

（2）提高焊接过程自动化、智能化水平

国外焊接过程机械化、自动化已达很高程度，而我国手工焊接所占比例却很大。

按焊丝与焊接材料的比来计算机械化、自动化比例，1999年日本为80％，西欧为74％，美国为71％，2000年我国为23％。

焊接机器人的应用是提高焊接过程自动化水平的有效途径，应用焊接专家系统、神经网络系统等都能提高焊接过程智能化水平。

（3）研究开发新的焊接热源

焊接工艺几乎运用了世界上一切可以利用的热源，如火焰、电弧、电阻、激光、电子束等。

但新的更好的更有效的焊接热源研发一直在进行，例如采用两种热源的叠加，以获得更强的能量密度，如等离子束加激光、电弧中加激光等。

1．焊接安全生产的重要性

焊工在焊接时要与电、可燃及易爆的气体、易燃液体、压力容器等接触，焊接时会产生一些因素如有害气体、金属蒸气、烟尘、电弧辐射、高频磁场、噪声和射线等，有时还要在高处、水下、容器设备内部等特殊环境作业。

所以，焊接生产中存在一些危险因素，如触电、灼伤、火灾、爆炸、中毒、窒息等，因此必须重视焊接安全生产。

国家有关标准明确规定，金属焊接（气割）作业是特种作业，焊工是特种作业人员。

特种作业人员，须进行培训并经考试合格后，方可上岗作业。

2．预防触电

触电是焊接操作的主要危险因素，我国目前生产的焊条电弧焊机的空载电压限制在90V以下，工作电压为25～40V；

自动电弧焊机的空载电压为70～90V；

电渣焊机的空载电压一般是40～65V；

氩弧焊、CO2气体保护电弧焊机的空载电压是65V左右；

等离子弧切割机的空载电压高达300～450V；

所有焊机工作的网路电压为380V∕220V，50Hz的交流电，都超过安全电压（一般干燥情况为36V、高空作业或特别潮湿场所，为12V），因此触电危险是比较大的，必须采取措施预防触电。

（1）电流对人体的危害

电流对人体的危害有电击、电伤和电磁场生理伤害三种类型

电击是指电流通过人体内部，破坏心脏、肺部或神经系统的功能，通常称为触电。

触电事故基本上是电击，绝大部分触电事故是由电击造成的。

电伤是指加热工件的火星飞溅到皮肤上引起的烧伤。

电磁场生理伤害是指在高频电磁场作用下，使人产生头晕、乏力、记忆力衰退、失眠多梦等神经系统的症状。

（2）焊接操作造成触电原因

触电可分为直接触电和间接触电，直接触电是直接触及焊接设备正常运行时的带电体或靠近高压电网和电气设备而发生触电。

间接触电是触及意外带电体（正常时不带电，因绝缘损坏或电气设备发生故障而带电的导体）而发生触电。

1）直接触电　　

①在更换焊条、电极和焊接过程中，焊工的手或身体某部接触到焊条、焊钳或焊枪的带电部分，而脚或身体其他部位与地或工件间无绝缘保护。

但焊工在金属容器、管道、锅炉或金属结构内部施工，或当人体大量出汗，或在阴雨天、潮湿地方焊接时，特别容易发生这种触电事故。

②在接线、调节焊接电流和移动焊接设备时，手或身体某部接触到接线柱等带电体而触电

③在高处焊接作业时触及低压线路或靠近高压网路引起的触电事故。

2）间接触电

①焊接设备的绝缘烧损、振动或机械损坏伤，使绝缘损坏部位碰到机壳，而人碰到机壳引起触电。

②焊机的火线和零线接错，使外壳带电而触电。

③焊接操作时人体碰上了绝缘损坏的电缆、胶木电闸带电部分而触电。

3．预防火灾和爆炸

焊接时，电弧及气体火焰的温度很高并有大量的金属火花飞溅物，而且在焊接过程中还会与可燃及易爆的气体、易燃液体、可燃的粉尘或压力容器等接触，都有可能引起火灾甚至爆炸。

因此焊工在工作时，必须防止火灾及爆炸事故的发生。

（1）可燃气体的爆炸

工业上大量使用的可燃气体，如乙炔、天然气等，与氧气或空气均匀混合达到一定限度，遇到火源便会发生爆炸。

这个限度称为爆炸极限，常用可燃气在混合物中所占的体积分数来表示。

例如，乙炔与空气混合爆炸极限为2.2～81％,乙炔与氧气混合爆炸极限为2.8～93％，丙烷或丁烷与空气混合爆炸极限分别为2.1～9.5％和1.55～8.4％。

（2）可燃液体的爆炸

在焊接场地或附近放有可燃液体时，可燃液体或可燃液体蒸汽达到一定浓度，遇到焊接火花就会发生爆炸，如汽油蒸汽与空气混合的爆炸极限为0.7～6％。

（3）可燃粉尘的爆炸

可燃粉尘如镁、铝粉尘、纤维素粉尘等，悬浮于空气中，达到一定浓度范围，遇到焊接火花也会发生爆炸。

（4）密闭容器的爆炸

对密闭容器或受压容器焊接时，如不采取适当措施（如卸压）也会产生爆炸。

4．焊接过程中的有害因素

焊接过程中产生的有害因素是有害气体、焊接烟尘、电弧辐射、高频磁场、噪声和射线等。

各种焊接方法焊接过程中产生的有害因素见表1—2所示。

表1—2　　　　　　　　　　　焊接过程中的有害因素

有害因素

弧光辐射

高频电磁场

焊接烟尘

有害气体

金属飞溅

射线

噪声

酸性焊条电弧焊

轻微

中等

碱性焊条电弧焊

强烈

高效铁粉焊条电弧焊

最强烈

碳弧气刨

实心细丝CO2焊

实心粗丝CO2焊

钨极氩弧焊（铝、铁、铜、镍）

钨极氩弧焊（不锈钢）

熔化极氩弧焊（不锈钢）

（1）焊接烟尘

焊接金属烟尘的成份很复杂，焊接黑色金属材料时，烟尘的主要成份是铁、硅、锰。

焊接其他金属材料时，烟尘中尚有铝、氧化锌、钼等。

其中主要有毒物是锰，使用碱性低氢型焊条时，烟尘中含有极毒的可溶性氟。

焊工长期呼吸这些烟尘，会引起头痛、恶心，甚至引起焊工尘肺及锰中毒等。

（2）有害气体

在各种熔焊过程中，焊接区都会产生或多或少的有害气体。

特别是电弧焊中在焊接电弧的高温和强烈的紫外线作用下，产生有害气体的程度尤甚。

所产生的有害气体主要有臭氧、氮氧化物、一氧化碳和氟化氢等。

这些有害气体被吸入体内，会引起中毒，影响焊工健康。

排出烟尘和有害气体的有效措施是加强通风和加强个人防护，如带防尘口罩、防毒面罩等。

（3）弧光辐射

弧光辐射包括可见光、红外线和紫外线。

过强的可见光耀眼眩目；

红外线会引起眼部强烈的灼伤和灼痛，发生闪光幻觉；

紫外线对眼睛和皮肤有较大的刺激性，引起电光性眼炎。

在各种明弧焊、保护不好的埋弧焊等都会形成弧光辐射。

弧光辐射的强度与焊接方法、工艺参数及保护方法等有关，CO2焊弧光辐射的强度是焊条电弧焊的2～3倍，氩弧焊是焊条电弧焊的5～10倍，而等离子弧焊割比氩弧焊更强烈。

为了防护弧光辐射，必须根据焊接电流来选择面罩中的电焊防护玻璃，玻璃镜片遮光号的选用如表1—3所示。

表1—3　　　　　　　　　玻璃镜片遮光号的选用

焊接、切割方法

镜片遮光号

焊接电流（A）

≤30

30～75

75～200

200～400

电弧焊

5～6

7～8

8～10

11～12

10～11

12～14

焊接辅助工

3～4

（4）高频电磁场

当交流电的频率达到每秒振荡10～30000万次时，它的周围形成高频率的电场和磁场

称为高频电磁场。

等离子弧焊割、钨极氩弧焊采用高频振荡器引弧时，会形成高频电磁场。

焊工长期接触高频电磁场，会引起神经功能紊乱和神经衰弱。

防止高频电磁场的常用方法是将焊枪电缆和地线用金属编织线屏蔽。

（6）射线

射线主要是指等离子弧焊割、钨极氩弧焊的钍产生放射线和电子束焊对的X射线。

焊接过程中放射线影响不严重，钍钨极一般被铈钨极取代，电子束焊的X射线防护主要以屏蔽以减少泄漏。

（7）噪声

在焊接过程中，噪声危害突出的焊接方法是等离子弧割、等离子喷涂以及碳弧气刨，其噪声声强达120～130dB以上，强烈的噪声可以引起听觉障碍、耳聋等症状。

防噪声的常用方法是带耳塞和耳罩。

5．焊接劳动保护

焊接劳动保护是指为保障焊工在焊接生产过程中的安全和健康所采取的措施。

焊接劳动保护应贯穿于整个焊接过程中。

加强焊接劳动保护的措施主要应从两方面来控制：

一是从采用和研究安全卫生性能好的焊接技术及提高焊接机械化、自动化程度方面着手；

二是加强焊工的个人防护。

推荐选用的安全卫生性能好的焊接技术措施如表1—4所示。

表1—4　　　　　　　　安全卫生性能好的焊接技术措施

目的

措施

全面改善安全卫生条件

1）提高焊接机械化、自动化水平

2）对重复性生产的产品，设计程控焊接生产线

3）采用各种焊接机械手和机器人

取代手工焊，以消除焊工触电的危险和电焊烟尘危害

1）优先选用安全卫生性能好的埋弧焊等自动焊方法

2）对适宜的焊接结构采用高效焊接方法

3）选用电渣焊

避免焊工进入狭窄空间焊接，以减少焊工触电和电焊烟尘对焊工的危害

1）对薄板和中厚板的封闭和半封闭结构，应优先采取利用各类衬垫的埋弧焊单面焊双面成型工艺

2）创造条件，采用平焊工艺

3）管道接头，采用单面焊双面成型工艺

避免焊条电弧焊触电

每台焊机应安装防电击装置

降低氩弧焊的臭氧发生量

在氩气中加入0.3％的一氧化碳，可使臭氧发生量降低90％

降低等离子切割的烟尘和有害气体

1）采用水槽式等离子切割工作台

2）采用水弧等离子切割工艺

降低电焊烟尘

1）采用发尘量较低的焊条

2）采用发尘量较低的焊丝

第二章气焊与气割

1.掌握氧、乙炔的性质和氧乙炔焰的分类、特点及应用，了解液化石油气的性质以及焊丝、焊剂的牌号及适用范围。

2.理解单级反作用式减压器、射吸式焊割炬的结构、型号和工作原理。

3.掌握气割原理及条件，理解气割与气焊工艺参数的选择以及对气割气焊质量的影响。

4.掌握产生回火的根本原因及操作中造成回火的具体因素。

5.了解常用机械气割机的型号和先进气割技术。

1.气割原理、条件及气割与气焊工艺参数的选择。

2.单级反作用式减压器、射吸式焊割炬的结构、型号和工作原理。

3.氧乙炔焰的分类和特点。

2－1气体火焰

16

2－2气焊

8

2-3　气　　割

2-1气体火焰

气焊与气割是利用可燃气体与助燃气体混合燃烧产生的气体火焰作为热源，进行金属材料的焊接或切割的一种加工工艺方法。

可燃气体有乙炔、液化石油气等，助燃气体是氧气。

1．氧气

在常温和标准大气压下，氧气是一种无色、无味、无毒的气体，氧气的分子式为O2，氧气的密度是1.429kg/m3，比空气略重（空气为1.293kg/m3）。

氧气本身不能燃烧，但能帮助其它可燃物质燃烧。

氧气的化学性质极为活泼，它几乎能与自然界一切元素（除惰性气体外）相化合，这种化合作用被为氧化反应，剧烈的氧化反应称为燃烧。

氧气的化合能力是随着压力的加大和温度的升高而增加。

因此当工业中常用的高压氧气，如果与油脂等易燃物质相接触时，就会发生剧烈的氧化反应而使易燃物自行燃烧，甚至发生爆炸。

因此在使用氧气时，切不可使氧气瓶瓶阀、氧气减压器、焊炬、割炬、氧气皮管等沾染上油脂。

气焊与气割用的工业用氧气按纯度一般分为两级，一级纯度氧气含量不低于99.2%，二级纯度氧气含量不低于98.5%。

一般情况下，由氧气厂和氧气站供应的氧气可以满足气焊与气割的要求。

对于质量要求较高的气焊应采用一级纯度的氧。

气割时，氧气纯度不应低于98.5%。

2．乙炔

　　在常温和标准大气压下，乙炔是一种无色而带有特殊臭味的碳氢化合物，其分子式为C2H2。

乙炔的密度是1.179kg/m3，比空气轻。

乙炔是可燃性气体，它与空气混合时所产生的火焰温度为2350°

C，而与氧气混合燃烧时所产生的火焰温度为3000°

C～3300°

C，因此足以迅速熔化金属进行焊接和切割。

乙炔是一种具有爆炸性的危险气体，当压力在0.15MPa时，如果气体温度达到580～600°

C，乙炔就会自行爆炸。

压力越高，乙炔自行爆炸所需的温度就越低；

温度越高，则乙炔自行爆炸的压力就越低。

乙炔与空气或氧气混合而成的气体也具有爆炸性，乙炔的含量（按体积计算）在2.2～81%范围内与空气形成的混合气体，以及乙炔的含量（按体积计算）在2.8～93%范围内与氧气形成的混合气体，只要遇到火星就会立刻爆炸。

乙炔与铜或银长期接触后会生成一种爆炸性的化合物，即乙炔铜（Cu2C2）和乙炔银（Ag2C2），当它们受到剧烈震动或者加热到110°

C～120°

C就会引起爆炸。

所以凡是与乙炔接触的器具设备禁止用银或纯铜制造，只准用含铜量不超过70%的铜合金制造。

乙炔和氯、次氯酸盐等化合会发生燃烧和爆炸，所以乙炔燃烧时，绝对禁止用四氯化碳来灭火。

乙炔爆炸时会产生高热，特别是产生高压气浪，其破坏力很强，困此使用乙炔时必须要注意安全。

乙炔能大量溶解于丙酮溶液中，利用这个特性，可将乙炔装入盛有丙酮和多孔性物质的乙炔瓶内储存、运输和使用。

3．液化石油气

液化石油气是油田开发或炼油厂裂化石油的副产品，其主要成分是丙烷（C3H8），大约占50～80%，其余是丁烷（C4H10）、丙烯（C3H6）等碳氢化合物。

在常温和标准大气压下，液化石油气是一种略带臭味的无色气体，液化石油气的密度为1.8～2.5kg/m3，比空气重。

如果加上0.8～1.5MPa的压力，就变成液态，便于装入瓶中储存和运输，液化石油气由此而得名。

液化石油气与乙炔一样，也能与空气或氧气构成具有爆炸性的混合气体，但具有爆炸危险的混合比值范围比乙炔小得多。

它在空气中爆炸范围为3.5～16.3%（体积），同时由于燃点比乙炔高（500°

C左右，乙炔为305°

C），因此，使用时比乙炔安全得多。

目前，国内外已把液化石油气作为一种新的可燃气体来逐渐代替乙炔，广泛地应用于钢材的气割和低熔点的有色金属焊接中，如黄铜焊接、铝及铝合金焊接和铅的焊接等。

4．其他可燃气体

随着工业的发展，人们在探索各种各样的乙炔代用气体，目前作为乙炔代用气体中液化石油气（主要是丙烷）用量最大。

此外还有丙烯、天然气、焦炉煤气、氢气以及丙炔、丙烷与丙烯的混合气体，乙炔与丙烯的混合气体，乙炔与丙烷的混合气体，乙炔与乙烯的混合气体等。

还有以丙烷、丙烯、液化石油气为原料，再辅以一定比例的添加剂的气体。

另外汽油经雾化后也可作为可燃气体。

根据使用效果、成本、气源情况等综合分析，液化石油气（主要是丙烷）是比较理想的代用气体。

5．氧乙炔焰

根据氧与乙炔混合比不同，可得到性质不同的中性焰、碳化焰和氧化焰。

（1）中性焰

中性焰是氧与乙炔混合比为1.1：

1.2时燃烧所形成的火焰。

中性焰燃烧后的气体中既无过剩氧，也无过剩的乙炔。

在焰心的外表面分布着乙炔分解所生成的碳微粒层，因受高温而使焰心形成光亮而明显的轮廓；

在内焰处，乙炔和氧气燃烧生成的一氧化碳及氢气形成还原气氛，在与熔化金属相互作用时，能使氧化物还原。

中性焰的最高温度在距焰心2～4mm处，约为3050～3150°

C。

用中性焰焊接时主要利用内焰这部分火焰加热焊件。

（2）碳化焰

碳化焰是氧与乙炔的混合比小于1.1时燃烧所形成的的火焰。

火焰中含有游离碳，具有较强的还原作用，也有一定的渗碳作用。

碳化焰整个火焰比中性焰长，碳化焰中有过剩的乙炔，并分解成游离状态的碳和氢，碳渗到熔池中使焊缝的含碳量增加，塑性下降；

氢进入熔池使焊缝产生气孔和裂纹。

碳化焰的最高温度为2700～3000°

（3）氧化焰

氧化焰是氧与乙快的混合比大于1.2时燃烧所形成的火焰。

氧化焰中有过剩的氧，具有氧化性，火焰的氧化反应剧烈，火焰较短，内焰和外焰层次不清。

氧化焰最高温度为3100～3300℃。

6．氧液化石油气火焰

氧液化石油气火焰的构造，同氧乙快火焰基本一样，也分为氧化焰、碳化焰和中性焰三种。

其焰心也有部分分解反应，不同的是焰心分解产物较少，内焰不像乙炔那样明亮，而有点发蓝，外焰则显得比氧乙炔焰清晰而且较长。

氧液化石油气的温度比乙炔焰略低，温度可达2800～2850℃。

目前氧液化石油气火焰主要用于气割，并部分的取代了氧乙炔焰。

2-2气焊

1．气焊及特点

气焊是利用气体火焰作热源的一种熔焊方法。

它借助可燃气体与助燃气体混合燃烧产生的气体火焰，将接头部位的母材和焊丝熔化，使被熔化的金属形成熔池，冷却凝固后形成牢固接头，从而使两焊件连接成一个整体。

常用氧气和乙炔混合燃烧的火焰进行焊接，故又称为氧乙炔焊。

气焊的优点：

（1）设备简单，操作方便，成本低，适应性强，在无电力供应的地方可方便焊接。

（2）可以焊接薄板、小直径薄壁管。

（3）焊接铸铁、有色金属、低熔点金属及硬质合金时质量较好。

气焊的缺点

（1）火焰温度低，加热分散，热影响区宽，焊件变形大和过热严重，接头质量不如焊条电孤焊容易保证。

（2）生产率低，不易焊较厚的金属。

（3）难以实现自动化。

2．气焊焊接材料

（1）焊丝

气焊用的焊丝在气焊中起填充金属作用，与熔化的母材一起形成焊缝。

因此焊缝金属的质量在很大程度上取决于焊丝的化学成分和质量。

对气焊丝的一般要求是：

1）焊丝的熔点等于或略低于被焊金属的熔点。

2）焊丝所焊焊缝应具有良好的力学性能，焊缝内部质量好，无裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

3）焊丝的化学成分应基本上与焊件相符，无有害杂质，以保证焊缝有足够的力学性能。

4）焊丝熔化时应平稳，不应有强烈的飞溅或蒸发。

5）焊丝表面应洁净、无油脂、油漆和锈蚀等污物。

常用的气焊丝有碳素结构钢焊丝、合金结构钢焊丝、不锈钢焊丝、铜及铜合金焊丝、铝及铝合金焊丝和铸铁气焊丝等。

（2）气焊熔剂

气焊熔剂是气焊时的助熔剂。

气焊熔剂熔化反应后，能与熔池内的金属氧化物或非金属夹杂物相互作用生成熔渣，覆盖在熔池表面，使熔池与空气隔离，因而能有效防止熔池金属的继续氧化，改善焊缝的质量。

对气焊熔剂的要求是：

1）气焊熔剂应具有很强的反应能力，能迅速溶解某些氧化物或与某些高熔点化合物作用后生成新的低熔点和易挥发的化合物。

2）气焊熔剂熔化后粘度要小，流动性要好，产生的熔渣熔点要低，密度要小，熔化后容易浮于熔池表面。

3）气焊熔剂能减少熔化金属的表面张力，使熔化的填充金属与焊件更容易熔合。

4）气焊熔剂不应对焊件有腐蚀等副作用，生成的熔渣要容易清除。

气焊熔剂可以在焊前直接撒在焊