电焊工基础知识第一章课文参考Word文件下载.docx

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　　（三）切割的方法和分类

　　按照金属切割过程中加热方法的不同大致可以把切割方法分为火焰切割、电弧切割和冷切割三类。

　　1．火焰切割

　　按加热气源的不同，分为以下几种。

（1）气割

　　气割（即氧—乙炔切割）是利用氧—乙炔预热火焰使金属在纯氧气流中能够剧烈燃烧，生成熔渣和放出大量热量的原理而进行的。

（2）液化石油气切割

　　液化石油气切割的原理与气割相同。

不同的是液化石油气的燃烧特性与乙炔气不同，所使用的割炬也有所不同：

它扩大了低压氧喷嘴孔径及燃料混合气喷口截面，还扩大了对吸管圆柱部分孔径。

　　（3）氢氧源切割

　　利用水电解氢氧发生器，用直流电将水电解成氢气和氧气，其气体比例恰好完全燃烧，温度可达2800～3000℃，可以用于火焰加热。

　　（4）氧熔剂切割

　　氧熔剂切割是在切割氧流中加入纯铁粉或其它熔剂，利用它们的燃烧热和废渣作用实现气割的方法为氧熔剂切割。

　　2．电弧切割

　　电弧切割按生成电弧的不同可分为：

（1）等离子弧切割

　　等离子弧切割是利用高温高速的强劲的等离子射流，将被切割金属部熔化并随即吹除、形成狭窄的切口而完成切割的方法。

（2）碳弧气割

　　碳弧气割是使用碳棒与工件之间产生的电弧将金属熔化，并用压缩空气将其吹掉，实现切割的方法。

　　3．冷切割

　　切割后工件相对变形小的切割方法有：

（1）激光切割

　　激光切割是利用激光束把材料穿透，并使激光束移动而实现切割的方法。

（2）水射流切割

　　水射流切割是利用高压换能泵产生出200～400MPa的高压水的水束动能，来实现材料的切割。

　　二、焊接与切割的发展概况及应用

（一）焊接与切割技术的发展概况

　　我国是最早应用焊接技术的国家之一。

根据考古发现，远在战国时期的一些金属制品，就已采用了焊接技术。

从河南辉县玻璃阁战国墓中出土的文物证实，其殉葬铜器的本体、耳、足就是利用钎焊来联接的；

在800多年前宋代科学家沈括所著的《梦溪笔谈》一书，就提到了焊接方法。

其后，在明代科学家宋应星所著的《天工开物》一书中，对锻焊和钎焊技术也作了详细的叙述。

上述事实说明，我国是一个具有悠久的焊接历史的国家。

　　气焊大约是在1892年前后出现，那时使用的是氢气－氧气混合气体。

氢氧混合气体的燃烧温度最高能达到2000℃左右，因此，只能焊接较薄的工件，而且使用氢气很不安全，容易发生爆炸事故。

所以，在工业上未被广泛采用。

　　到了1895年，发明了用电炉制造碳化钙（俗称电石）的方法之后，又发现了乙炔气（电石与水接触后产生的气体）和氧气混合燃烧，可以得到更高的温度（3200℃），在1903年，氧气一乙炔气火焰被运用到金属焊接上去，奠定了气焊技术的基础。

　　近代主要的焊接技术－电弧焊，是在电能成功地应用于工业生产之后发展起来的。

20世纪初，作为焊接设备的正式产品——手工电弧焊机问世。

20年代后期电阻焊和40年代后期埋弧焊、惰性气体保护焊相继获得应用，50年代CO2气电焊、电渣焊、摩擦焊、电子束焊、超声波焊和60年代等离子弧焊、激光焊、光束焊相继出现，使焊接技术达到了新的水平。

近年来，太阳能焊机、冷压焊机等新型焊接设备开始研制，特别是在焊接生产自动化及电子计算机在焊接切割生产中的应用方面有很大发展，将会使焊接切割技术的发展达到一个新阶段。

（二）焊接与切割的应用

　　焊接是一种应用范围很广的金属加工方法，与其它热加工方法相比，它具有生产周期短、成本低，结构设计灵活，用材合理及能够以小拼大等一系列优点，从而在工业生产中得到了广泛的应用。

如造船、电站、汽车、石油、桥梁、矿山机械等行业中，焊接已成为不可缺少的加工手段。

在世界主要的工业国家里每年钢产量的45％左右要用于生产焊接结构。

在制造一辆小轿车时，需要焊接5000～12000个焊点，一艘30万吨油轮要焊1000km长的焊缝，一架飞机的焊点多达20～30万个。

此外，随着工业的发展，被焊接的材料种类也愈来愈多，除了普通的材料外，还有如超高强钢、活性金属、难熔金属以及各种非金属的焊接。

同时，由于各类产品日益向着高参数（高温、高压、高寿命）、大型化方向发展，焊接结构越来越复杂，焊接工作量越来越大，这对于焊接生产的质量，效率等提出了更高的要求。

同时也推动了焊接技术的飞速发展，使它在工业生产中的应用更为广阔。

　　三、学习焊接切割安全技术的必要性

　　随着生产的发展，焊接技术的应用愈来愈广泛，与此同时，伴随出现的各种不安全、不卫生的因素严重地威胁着焊工及其它生产人员的安全与健康。

为切实保护工人的安全与健康，国家经贸委于1999年发布的第13号主任令《特种作业人员安全技术培训考核管理办法》和国家标准GB5306—85《特种作业人员安全技术考核管理规则》中都明确规定：

金属焊接（气割）作业是特种作业，直接从事特种作业者，称特种作业人员。

特种作业人员，必须进行与工种相适应的、专门的安全技术理论学习和实际操作训练，并经考核合格取得国家经贸委统一制作的安全技术操作证后方准独立作业。

　　特种作业是指容易发生人员伤亡事故，对操作者本人、他人及周围设施的安全有重大危害的作业。

直接从事这些作业的人员，即特种作业人员的安全技术素质及行为对于安全状况是至关重要的，许多重大、特大事故就是因为这些作业人员的违章造成的。

鉴于特种作业人员在安全生产工作中的重要性，《劳动法》、《矿山安全法》、《煤炭法》等法律法规都对特种作业人员的培训、考核、管理提出了要求。

原劳动部曾发布了《特种作业人员安全技术培训考核管理规定》（劳安字[1991]31号）、《矿山特种作业人员安全操作资格考核规定》（劳部发[1996]35号）等规章。

特种作业人员的培训、考核发证工作，已经成为安全生产监督管理的一项基本内容。

　　职工在焊接切割工作过程中需要与各种易燃易爆气体、压力容器和电机电器接触。

焊接过程中会产生有毒气体、有害粉尘、弧光辐射、高频电磁场、噪声和射线等。

上述危害因素在一定条件下可能引起爆炸、火灾、烫伤、急性中毒（锰中毒）、血液疾病、电光性眼炎和皮肤病等职业病症。

此外还可能危及设备、厂房和周围人员安全，给国家和企业带来不应有的损失。

　　学习焊接安全技术的目的在于使有关的管理人员、操作工人掌握焊接操作的基本原理，操作安全及防护的方法，严格执行国家标准《焊接与切割安全》（GB9448—88）及各项有关安全操作规程，保证安全生产以及遇到紧急情况时能及时做出适当的处理，从而保护操作者自己和周围人员及厂房设备不遭到损害。

随着焊接新技术的不断出现，劳动保护的措施也要不断地发展才能适应安全工作的需要。

焊接安全技术研究的主要内容是防火、防爆、防触电以及在尘毒、磁场、辐射等条件下如何保障工人的身心健康实现安全操作。

焊接工人只有详细地了解焊接生产过程的特点和焊接工艺、工具及操作方法，才能深刻地理解和掌握焊接安全技术的措施，严格地执行安全规程和实施防护措施，从而保证安全生产，避免发生事故。

第二节金属学及热处理基本知识

　　一、金属晶体结构的一般知识

　　众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：

　　第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。

固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。

常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。

　　第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。

而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。

常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。

　　我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。

（一）晶体的特点

　　对于晶体，大家并不生疏。

食盐、水结成的冰，都是晶体。

一般的固态金属及合金也都是晶体。

并非所有固态物质都是晶体。

如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。

　　晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。

在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。

而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。

　　由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。

（二）典型的金属晶体结构

　　金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。

金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。

体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。

图1—4典型的金属晶体结构

（a）体心立方晶格　　（b）面心立方晶格

　　铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。

这种晶格的转变，称为同素异晶转变。

纯铁在常温下是体心立方晶格（称为α-Fe）；

当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格（称为γ-Fe）；

再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格（称为δ-Fe），然后一直保持到纯铁的熔化温度。

纯铁的这种特性非常重要，是钢材所以能通过各种热处理方法来改变其内部组织，从而改善性能的内在因素之一，也是焊接热影响区中各个区域与母材相比，具有不同组织和性能的原因之一。

　　二、合金的组织、结构及铁碳合金的基本知识

（一）合金的组织

　　两种或两种以上的元素（其中至少一种是金属元素），组合成的金属，叫做合金。

根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：

（1）固溶体固溶体是一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内，形成单相晶体结构。

根据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。

某一元素晶格上的原子部分地被另一元素的原子所取代，称为置换固溶体；

如果另一元素的原子挤入某元素晶格原子之间的空隙中，称为间隙固溶体，见图1—5所示。

图1—5固溶体示意图

（a）置换固溶体；

（b）间隙固溶体

　　两种元素的原子大小差别愈大，形成固溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。

扭曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力，所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。

（2）化合物两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。

通常化合物具有较高的硬度，低的塑性，脆性也较大。

　　（3）机械混合物固溶体和化合物均为单相的合金，若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成，称为机械混合物。

它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性；

塑性和压力加工性能则较差。

（二）钢中常见的显微组织

（1）铁素体（F）：

铁素体是少量的碳和其它合金元素固溶于α-铁中的固溶体。

α-铁为体心立方晶格，碳原子以填隙状态存在，合金元素以置换状态存在。

铁素体溶解碳的能力很差，在723℃时为0．02％，室温时仅0．006％。

铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以含铁素体多的钢（如低碳钢）就表现出软而韧的性能。

（2）渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳的化合物，分子式是Fe3C，其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。

　　（3）珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0．8％左右，只有温度低于723℃时才存在。

珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间。

　　（4）奥氏体（A）奥氏体是碳和其它合金元素在γ-铁中的固溶体。

在一般钢材中，只有高温时存在。

当含有一定量扩大γ区的合金元素时，则可能在室温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢则在室温时的组织为奥氏体。

奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。

奥氏体的另一特点是没有磁性。

　　（5）马氏体（M）马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体，一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。

马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大，因此，由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。

高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。

低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。

　　（6）魏氏组织魏氏组织是一种过热组织，是由彼此交叉约60°

的铁素体针嵌入基体的显微组织。

碳钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却时，很容易形成魏氏组织。

粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。

（二）铁—碳合金平衡状态图

　　钢和铸铁都是铁碳合金。

含碳量低于2．11％的铁碳合金称为钢，含碳量2．11％～6．67％的铁碳合金称为铸铁。

为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用Fe-C合金平衡状态图来表示这种关系，见图1—6。

图上纵座标表示温度，横座标表示铁碳合金中碳的百分含量。

例如，在横座标左端，含碳量为零，即为纯铁；

在右端，含碳量为6．67％，全部为渗碳体（Fe3C）。

图1—6Fe-C平衡状态图

　　图中ACD线为液相线，在ACD线以上的合金呈液态。

这条线说明纯铁在1535℃凝固，随碳含量的增加，合金凝固点降低。

C点合金的凝固点最低，为1147℃。

当含碳量大于4．3％以后，随含碳量的增加，凝固点增高。

　　AHJEF线为固相线。

在AHJEF线以下的合金呈固态。

在液相线和固相线之间的区域为两相（液相和固相）共存。

　　GS线表示含碳量低于0．8％的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度。

　　ECF水平线，1147℃，为共晶反应线。

液体合金缓慢冷却至该温度时，发生共晶反应，生成莱氏体组织。

　　PSK水平线，723℃，为共析反应线，表示铁碳合金在缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。

　　为了使用方便，PSK线又称为A1线，GS线称为A3线，ES线为Acm线。

　　正点是碳在奥氏体中最大溶解度点，也是区分钢与铸铁的分界点，其温度为1147℃，含碳量为2．11％。

　　S点为共析点，温度为723℃，含碳量为0．8％。

S点成分的钢是共析钢，其室温组织全部为珠光体。

S点左边的钢为亚共析钢，室温组织为铁素体+珠光体；

S点右边的钢为过共析钢，其室温组织为渗碳体+珠光体。

　　C点为共晶点，温度为1147℃，含碳量为4．3％。

C点成分的合金为共晶铸铁，组织为莱氏体。

含碳量在2．11％～4．3％之间的合金为亚共晶铸铁，组织为莱氏体+珠光体+渗碳体；

含碳量在4．3％～6．67％之间的合金为过共晶铸铁，组织为莱氏体+渗碳体。

　　莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的机械混合物，其性能硬而脆。

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　　现以含碳0．2％的低碳钢为例，说明从液态冷却到室温过程中的组织变化。

当液态钢冷却至AC线时，开始凝固，从钢液中生成奥氏体晶核，并不断长大；

当温度下降到AE线时，钢液全部凝固为奥氏体；

当温度下降到GS（A3）线时，从奥氏体中开始析出铁素体晶核，并随温度的下降，晶核不断长大；

当温度下降到PSK（A1）线时，剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体；

从A1下降至室温，其组织为铁素体+珠光体，不再变化，见图1—7。

图1—7低碳钢由高温冷却下来的组织变化示意图

　　Fe—C合金平衡状态图对于热加工具有重要的指导意义，尤其对焊接，可根据状态图来分析焊缝及热影响区的组织变化，选择焊后热处理工艺等。

　　三、钢的热处理

　　将金属加热到一定温度，并保持一定时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温，这个过程称为热处理。

　　常用的热处理工艺方法有以下几种：

（一）淬火

　　将钢（高碳钢和中碳钢等）加热到A1（对过共析钢）或A3（对亚共析钢）以上30～70℃，在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织，称为淬火。

　　淬火后可以提高钢的硬度及耐磨性。

　　在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。

（二）回火

　　淬火后进行回火，可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。

回火温度在A1以下。

按回火温度的不同可分为低温回火（150～250℃）、中温回火（350～450℃）、高温回火（500～650℃）。

低温回火后得到回火马氏体组织，硬度稍有降低，韧性有所提高。

中温回火后得到回火屈氏体组织，提高了钢的弹性极限和屈服强度，同时也有较好的韧性。

高温回火后得到回火索氏体组织，可消除内应力，降低钢的强度和硬度，提高钢的塑性和韧性。

　　钢在淬火后再进行高温回火，这一复合热处理工艺称为调质。

调质能得到韧性和强度最好的配合，获得良好的综合力学性能。

　　（三）正火

　　将钢加热到A3或Acm以上50～70℃，保温后，在空气中冷却，称为正火。

许多碳素钢和低合金结构钢经正火后，各项力学性能均较好，可以细化晶粒，常用来作为最终热处理。

对于焊接结构，经正火后，能改善焊接接头性能，可消除粗晶组织及组织不均匀等。

　　（四）退火

　　将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温度，保温一段时间后，随炉缓慢而均匀地冷却，称为退火。

　　退火可降低硬度，使材料便于切削加工，能消除内应力等。

　　焊接结构焊接以后会产生焊接残余应力，容易导致产生延迟裂纹，因此重要的焊接结构焊后应该进行消除应力退火处理。

消除应力退火属于低温退火，加热温度在A1以下，一般采用600～650℃，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却。

亦称焊后热处理。

第三节常用金属材料的一般知识

　　一、金属材料的性能

　　金属材料的性能通常包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。

（一）金属材料的物理化学性能

　　1．密度

　　物质单位体积所具有的质量称为密度，用符号P表示。

利用密度的概念可以帮助我们解决一系列实际问题，如计算毛坯的重量，鉴别金属材料等。

常用金属材料的密度如下：

铸钢为7．8g／cm3，灰铸铁为7．2g／cm3，钢为8．9g／cm3，黄铜为8．63g／cm3，铝为2．7g／cm3。

　　2．导电性

　　金属传导电流的能力叫做导电性。

各种金属的导电性各不相同，通常银的导电性最好，其次是铜和铝。

　　3．导热性

　　金属传导热量的性能称为导热性。

一般说导电性好的材料，其导热性也好。

若某些零件在使用中需要大量吸热或散热时，则要用导热性好的材料。

如凝汽器中的冷却水管常用导热性好的铜合金制造，以提高冷却效果。

　　4．热膨胀性

　　金属受热时体积发生胀大的现象称为金属的热膨胀。

例如，被焊的工件由于受热不均匀而产生不均匀的热膨胀，就会导致焊件的变形和焊接应力。

衡量热膨胀性的指标称为热膨胀系数。

　　5．抗氧化性

　　金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性。

热力设备中的高温部件，如锅炉的过热器、水冷壁管、汽轮机的汽缸、叶片等，易产生氧化腐蚀。

一般用作过热器管等材料的抗氧化腐蚀速度指标控制在≤0．1mm／a。

　　6．耐腐蚀性

　　金属材料抵抗各种介质（大气、酸、碱、盐等）侵蚀的能力称为耐腐蚀性。

化工、热力设备中许多部件是在腐蚀条件下长期工作的，所以选材时必须考虑钢材的耐腐蚀性。

（二）金属材料的力学性能

　　金属材料受外部负荷时，从开始受力直至材料破坏的全部过程中所呈现的力学特征，称为力学性能。

它是衡量金属材料使用性能的重要指标。

力学性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性等。

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　　1．强度

　　金属材料的强度性能表示金属材料对变形和断裂的抗力，它用单位截面上所受的力（称为应力）来表示。

常用的强度指标有屈服强度及抗拉强度等。

（1）屈服强度钢材在拉伸过程中，当拉应力达到某一数值而不再增加时，其变形却继续增加，这个拉应力值称为屈服强度，以σs表示。

σs值越高，材料的强度越高。

（2）抗拉强度金属材料在破坏前所承受的最大拉应力，以σb表示。

σb值越大金属材料抵抗断裂的能力越大，强度越高。

　　强度的单位是MPa（兆帕）。

　　2．塑性

　　塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形的能力。

表示金属材料塑性性能有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。

（1）伸长率金属材料受拉力作用破断时，伸长量与原长度的百分比叫做伸长率，以δ表示。

式中L0——试样的原标定长度，mm；

　　L1——试样拉断后标距部分的长度，mm。

（2）断面收缩率金属材料受拉力作用破断时，拉断处横截面缩小的面积与原始截面积的百分比叫做断面收缩率，以甲表示。

式中F——试样拉断后，拉断处横截面面积，mm2；

　　F0——试样标距部分原始的横截面面积，mm2。

　　（3）冷弯角冷弯角也叫弯曲角，一般是用长条形试件，根据不同的材质、板厚，按规定的弯曲半径进行弯曲，在受拉面出现裂纹时试件与原始平面的夹角，叫做冷弯角，以α表示。

冷弯角越大，说明金属材料的塑性越好。

　　3．冲击韧性

　　冲击韧性是衡量金属材料抵抗动载荷或冲击力的能力，冲击试验可以测定材料在突加载