[精选]金属连接及切割工艺课件16799.pptx
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1、American Welding SocietyAWS第三章第三章 金属金属连连接及切割工接及切割工艺艺 介介绍绍 焊焊接工接工艺艺 钎焊钎焊工工艺艺 切割工切割工艺艺 术语术语和定和定义义 第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12介介绍作为焊接检验师,首先关心的是焊接,但掌握各种连接及切割工艺也是非常有帮助的。虽然焊接检验师不必是有资格的焊工,但以往的焊接经验是很有用的。事实上,很多焊接检验师是从焊工中选取的,而且他们往往能成为最好的检验师。一个好的焊接检验师,必须掌握各种连接及切割工艺方面的知识,以便有效的进行工作。首先,检验师必须认识到每种工艺的长处或短处,也应
2、该知道特定的工艺可能会产生哪些不连续。虽然许多缺陷的产生是与实施的工艺无关的,但有些缺陷的产生是与特定的工艺有关,这里将对每种工艺可能产生的缺陷进行探讨并将其定为“可能出现的问题”。焊接检验师也必须具备与各种工艺相关的焊接设备方面的知识,因为缺陷的产生经常是由设备原因引起的。检验师必须在一定程度上掌握各种设备的控制方法以及设备调整与焊接质量之间的关系。当焊接检验师具备某些工艺方面的基础知识后,他或她便可以准备进行目视焊接检验,这将有助于及时发现问题而不是事后采取花费很大的纠正措施。检验师具备在过程中发现问题的能力无论对生产还是产品质量的控制都是有益的。本章所讨论的内容分为三个部分:焊接、钎焊和
3、切割。焊接和钎焊用于金属间的连接,而切割则是为了将材料去除或将其分离。对每一种连接和切割方法,这里将描述其主要特性,包括:每种工艺的长处、短处、设备要求、焊条/填充金属、技术、应用范围以及可能出现的问题。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12因此,本因此,本课程程仅选取与美国取与美国焊接学会接学会认可可焊接接检验师考考试相关的工相关的工艺进行行讨论,详列列如下:如下:第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-121.焊焊接工接工艺艺根据美国焊接学会的定义,焊焊接接是“通过将材料加热到焊接温度、加压或不加压,或仅通过加压,使用或不使用填充材料而将金
4、属或非金属在局部接合的过程”,接合即“连接在一起”,因此焊接是指实现连接的操作活动。本节将对加热但不加压的常用焊接工艺的基本特性作一介绍。1.1 手工手工电电弧弧焊焊(SMAW)这里首先要讨论的是手工电弧焊,也就是我们通常所说的“手把焊”,它是通过带药皮的焊条和被焊金属间的电弧将被焊金属加热,从而达到焊接的目的。图3.2给出了手工电弧焊的各种影响因素及成型的情况。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12手工电弧焊中最主要的要素是焊条本身,它是由金属芯外覆一层粒状焊剂和某种粘接剂制作而成的。所有的碳钢和低合金钢焊条基本上都用低碳钢丝做芯,而合金元素则来自于药皮,这也是较
5、为经济的一种合金化方法。焊条药皮的不同导致了不同焊条种类,焊条药皮有以下五种作用:保护药皮分解后产生的气体为熔融金属提供保护。脱氧药皮为焊剂去除氧气和其他气体。合金化药皮为焊缝提供合金化元素。电离药皮改善电特性以增强电弧稳定性。保温凝固的焊渣在焊缝金属上的覆盖降低了焊缝金属的冷却速度(次要影响)。由于焊条在手工电弧焊中的影响很大,就有必要了解其分类和品种。美国焊接学会给出了手工电弧焊焊条的标识方法,见图3.3。例如:例如:E7018第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12焊条标识中用字母E和另外四到五个数字组成,字母E代表代表焊条条。前二个数字代表熔敷金属的最小抗拉最
6、小抗拉强度度,单位为千磅每平方英寸,“70”就表示熔覆金属的最小抗拉强度为70,000磅每平方英寸(PSI)。接下来的数字代表焊条的可可焊位置位置。数字“1”表示焊条可用于任何焊接位置,数字“2”表示熔融金属流动性非常好,只能用于平焊或角焊缝的横焊,数字“4”表示焊条可用于立向下焊,数字“3”不再使用。最后一个数字表示焊条药皮的组成和性能,药皮决定了可焊性和推荐的电流类别,AC(交流),DCEP(直流反接)或DCEN(直流正接)。图3.4列出了手工电弧焊的焊条标识方法。必须强调的是,焊条最后一个数字为“5”、“6”和和“8”的,表示其为“低低氢焊条条”。为了保持其低氢含量以免受潮,这些焊条必须
7、按原包装密封保存,或贮存在适宜的烘箱内,这些烘箱应采用电加热并将温度控制在150F至350F的范围内,烘箱必须保持低的潮湿度小于0.2%,因此需要有合适的通风能力。任何低氢焊条如果不用或刚拆封应立即放入烘箱,大多数规范均要求低氢焊条在拆封后放入温度不低于不低于250F(120C)的烘箱中。但是,这里也必须指明的是,除以上说明外,其它其它焊条条放入烘箱可能是有害的。有些焊条是要有一定的潮湿度的,如果潮湿度下降,焊条的可焊性将急剧下降。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12低合金钢焊接的焊条,是在标准的焊
8、条标识后,再加上用字母和数字组成的后缀,图3.5给出了一些重要的组合。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12手工电弧焊的设备相相对简单,一条导线连接待焊工件,另一条导线连接至焊工夹持焊条的焊把,焊条和母材通过焊条和工件靠近后产生的电弧加热后而熔化。手工电弧焊的电源就是通常所说的恒流电源,它具有“下降”的特性,这个术语可通过观察电源的电压电流曲线图来加以理解。当焊工增加弧长时,将会增加焊接回路的电阻,从而导致电流的轻微下降(10%),见图3.7(A),电流的下降促使电压急剧地上升(32%),电压的上升又反过来限制了电流的进一步下降。由于热量是电压、电流以及时间的函数,
9、可以看出长的电弧(32Vx135Ax60)/10IPM=25,920J/in.)将比短的电弧(22Vx150Ax60)/IPM=19,800J/in.)产生更多的热量。从工艺控制的角度看,这点很重要,因为焊工可通过改变电弧长度来增减焊缝熔池的流动性。但是,太大的电弧长度将使电弧的集中度降低,从而导致熔池热量的损失,使电弧稳定性降低,也会损失熔池的保护气体。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12除特殊合金材料外,手工电弧焊在大多数工业中大量使用。但它也是一种相对陈旧的焊接方法,有些新的焊接工艺在某些方面的应用上已经取代了它,即便这样,手工电弧焊仍然在焊接工业中广泛应用
10、。优缺点:缺点:有以下几个原因说明了它应用的广泛性。第一,设备简单而便宜,这就使得手工电弧焊很轻便。事实上,有很多种由汽油或柴油驱动的电焊机,用来完成在没有电的边远地区的焊接任务。还有,有些新的固态电源小而且轻巧,焊工很容易携带它们去工作。另外,由于各种各样的焊条易于获取,这种焊接工艺被认为是万能的。最后,随着设备和焊条的不断改进,这种焊接方法始终能保持很高的焊接质量。手工电弧焊的其中一个局限性是焊接速度,它受到焊工周期性停止焊接,来更换长度为9到18英寸焊条的限制。手工电弧焊在许多应用场合已被其它半自动、机械化和自动化的焊接工艺所取代,原因就是这些工艺与手工电弧焊相比,有着更高的生产效率。手
11、工电弧焊的另一个缺点也是影响生产率的,即焊后焊渣的清理。而且,当使用低氢焊条时,还需要有适当的贮存设施如烘箱以保持其较低的潮湿度。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12接下来讨论手工电弧焊可能产生的缺陷,这些缺陷不仅是我们可预料的,也可能来自于工艺使用不当。一种缺陷是焊缝中的气孔,是由于焊缝周围的潮湿和污染引起的,它可能来自于焊条药皮、材料表面或周围的大气,气孔也可能是由于焊工使用过长的电弧引起的,这点对低氢焊条尤其突出,因此,短弧将有助于减少气孔的出现。气孔也可能是由所说的“电弧偏吹”现象造成的,它存在于所有的电弧焊当中,这是一种常见问题且常常使手工焊焊工很苦恼。
12、(1)直流换成交流(和手上教材不同)(2)尽量使用短弧(3)减小焊接电流(4)向电弧偏吹的相反方向倾斜焊条(5)在接头两端用大的定位焊,在接头内用断续的定位焊(6)向着大的定位焊或完工焊缝的方向焊接(7)用分段退焊法(8)远离接地以减小电弧后吹,朝向接地以减小电弧前吹(9)将电缆连接至焊缝两端(10)将电缆缠绕在工件周围,其电流方向应能产生抵销电弧偏吹的磁场(11)在接头末端加熄弧板 除会产生气孔外,电弧偏吹还会导致飞溅、咬边、成型不好并降低焊接熔深。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-121.2 气体保气体保护电护电弧弧焊焊(GMAW)这里要讨论的工艺是气体保护电弧
13、焊,简写为GMAW。它是美国焊接学会所给出的一种工艺,也就是我们常说的熔化极惰性气体保护电弧焊MIG。通常它是用作一种半自半自动动工艺,但也可作为机械化和自机械化和自动动化化工艺来应用,因此它很适合于焊接机器人来操作。气体保护电弧焊是通过焊枪连续不断的送丝,由焊丝和工件之间产生的电弧的热量将母材和焊丝熔化,从而达到焊接的目的。图3.10描述了这一焊接工艺的基本过程。气体保护电弧焊很重要的一个特点是焊接过程的保护气体也是由焊枪输送的,这些气体有惰性的,也有非惰性的。惰性气体如氩、氦可用于某些焊接当中,它们可单独使用,也可混合使用,或与其它非惰性气体如氮气、氧气或二氧化碳混合使用。多数气体保护电弧
14、焊使用二氧化碳作为保护气体,因为与惰性气体相比,它价格较为便宜。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12气体保护电弧焊的电极是实芯焊丝,实芯焊丝缠绕成不同规格尺寸盘或卷,美国焊接学会给出了它们的标识方法,是以字母ER打头,后面有二到三个数字,然后是连字符S,最后是一个数字,见图3.11。字母ER代表焊丝既可用作电极,也可用作填充金属,或仅用作填充金属(对其它焊接工艺而言)。二到三个数字表示焊缝金属的最小抗拉强度,单位为千磅每平方英寸。因此,与手工电弧焊一样,“70”就表示填充金属的最小抗拉强度为70,000磅每平方英寸(PSI)。字母S表示表示为实芯芯焊丝,连字符后的
15、最后一个数字表示电极的化学成分,说明了其操作特性以及焊缝的性能。典型的气体保护电弧焊电极均增加脱氧剂如锰、硅和铝等,从而避免了气孔的发生。例如:例如:ER70S-6虽然焊丝没有药皮,但在不用时,也需妥善保管最重要的一点是要确保焊丝干净。如果把焊丝随便堆放,它将会受到灰尘、油、湿气、打磨飞灰以及其它存在于焊接车间介质的污染。因此,在不用时,焊丝必须贮存在原塑料包装或原运输包装内,如果一卷焊丝已经装在焊机上,当较长时间不用时,应加盖保护。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12气体保护电弧焊的电源与手工电弧焊的电源不同,它不是恒流电源,而是我们所说的恒压电源、或平特性电源
16、,也就是说,气体保护电弧焊的焊接是在设定的电压下,通过焊接过程中电流的变化来完成的。气体保护焊通常采用直流反接(DCEP),当用这种类型的电源和送丝机构配合时,就可以组成半自动、机械或全自动的焊接方法。正如所看见的那样,这种设备较手工电弧焊所使用的设备要复杂一些。一个完整的配置包括电源、送丝机构、保护气体以及通过柔性电缆连接在送丝机构上的焊枪,这根柔性电缆可以焊丝和保护气体。焊工可以通过在电源上调节电压,在送丝机构上调节送丝速度,以来设置焊接参数。当送丝速度增加,焊接电流也随之增加。焊丝的熔化率与焊接电流成适当的比例,这实际上是由送丝速度所控制的。值得一提的是这种电源是平特性电源。这种特性允许
17、实现半自动工艺功能,也就是说焊工不必象手工电弧焊焊工那样控制填充金属的送进。换句话说,这种系统被称为“自调节平特性”系统。这种特性是因为焊枪与工件的相对位置的微小变动会引起焊接电流的明显的增大或减小。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12从图3.13中可以看见,当焊枪靠近工件时会使电阻减小从而使焊接电流立刻增大,立刻将焊丝多熔化一些,使电弧长度和电流恢复到设定值。这减小了焊工操作对焊接特性的影响,使该方法对操作人员不敏感,因此操作容易掌握。如果改变设备的调节机置,将导致操作特性的极大变化。首先所关注的是熔化金属从电极端部穿过电弧区到达母材的过渡方式。对于气体保护焊,
18、有四种基本的过渡方式,它们是射流射流过渡(渡(spray)、熔滴)、熔滴过渡渡(globular)、脉冲、脉冲过渡渡(pulsed arc)和短路和短路过渡渡(short-circuiting)。图3.14给出了四种过渡方式中的三种。它们的特性完全不同以至几乎认为是四种独立的焊接方法。每种特定的过渡方式都有特定的优点和局限,因此有不同的适用范围。过渡方式由包括保护气体、电流和电压以及电源特性在内的若干因素决定。这四种不同的过渡方式的一个基本特性就是向工件传送不等的热量。射流过渡被认为热量最高,接下来是脉冲过渡、熔滴过渡,最后是短路过渡。因而,在平焊位置,射流过渡最适合厚板以及全焊透接头。第三章
19、金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12熔滴过渡能产生大量的热量以及熔敷金属,但操作稳定性略有下降,容易产生飞溅。脉冲气体保护焊要求焊接电源能够产生直流脉冲输出,并且焊工能够准确地对脉冲进行程控,使峰值电流和基值电流进行组合,从而增加对热输入和工艺稳定性的控制。焊工能够对峰值脉冲电流的值和宽度进行设置。这样在焊接过程中,焊接电流能够在峰值脉冲电流和基值脉冲电流之间变换,并且,二者均可以通过焊机进行控制。短路过渡向母材传送的热量最少,这使得它成为薄板焊接和由于装配导致的间隙过宽的接头焊接的首选。短路过渡方式具有冷却的特性,这是因为电极实际上与母材接触,在焊接循环中产生部分短路
20、。这样电弧是间歇地产生和消失。在电弧消失的这段期间,会发生冷却现象从而减小薄板材料烧穿的倾向。短路过渡用于厚板焊接时必须特别小心,因为热量不足容易产生未熔合。正如所提及的那样,保护气体对过渡方式有着重要的影响作用。在混合气体中,只有在至少至少80%氩气含量气含量的情况下,射流过渡才能产生。CO2气体广泛的用于碳钢的气体保护焊,这主要是因为其低廉的成本和优异的熔透特性。然而,它仍有缺点,这就是要产生大量的飞溅,而这些飞溅必须去除,因而降低了生产效率。优缺点:缺点:第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12由于没有焊后必须去除的焊渣,GMAW非常适合自动化和机器人焊接,或其
21、它高效生产情况。这是这种工艺的主要优点之一。由于焊后极少或没有清理要求,操作人员总的生产效率得到极大的提高。这个效率由于使用焊丝盘而得到进一步的提高,连续的焊丝不需要象使用单根焊条的手工电弧焊那样经常更换。所以节约下来的时间可以用于完成更多的焊接生产。GMAW的主要优势在于每小时的金属熔敷量,这极大地降低了劳动力成本。气体保护焊的另一个优势在于它是一种干净的工艺,这主要归功于没有使用焊剂。在通风不良的车间会发现,从手工电弧焊或药芯焊换成气体保护焊后情况会得到改善,这是因为烟的产生减少了。由于有各种各样的焊丝可选用,而且焊接设备变的更便于携带,气体保护焊的适用领域不断得到扩展。该工艺的另外一个优
22、点是可可见性性。因为没有焊渣,焊工能够很容易地观察电弧和熔池的情况,从而改善控制。使用保护气体代替焊剂,确实会得到一些好处,但同样被认为是有局限的,这是因为气体是焊接过程中保护和清洁熔池的主要方法。如果母材过脏,单靠保护气体不足以避免气孔的产生。GMAW还对气流和风特别敏感,它们会将保护气体吹开,留下未保护的金属。正是这个原因,气体保护焊不大适合工地焊接。应充分认识到,气体流量大于推荐值的上限,并不能保证对熔池适当的保护。实际上,大的气体流量反而导致气体紊乱,并增大气孔产生的可能性,这是因为增大气体流量实际上可能将空气带入焊接区。另一个缺点是设备要求比手工电弧焊的设备复杂。这增加了由于机械故障
23、而导致焊接质量问题的可能性。诸如焊枪内衬和导电嘴的磨损会改变送丝和电特性从而产生有缺陷的焊缝。主要的问题已经讨论过。他们是:由于污染或保护不良产生的气孔,厚板焊接采用短路过渡产生的未熔合,焊枪衬里和导电嘴磨损而产生的电弧不稳定。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-12如何解决问题?为了减少气孔产生的可能性,焊前应对部件进行清理,并用围栏或屏风保护焊接区域避免过强的风。如果气孔仍然存在,就应当检查所用的气体,以保证不存在过量的潮气。未熔合的确是GMAW的一个问题,特别是采用短路过渡时。这有一部份的原因是因为这种焊接工艺没有使用焊剂,是一种“明弧焊”,。由于没有了焊剂对电
24、弧热量的保护,所以容易使焊工认为母材中有高大量的热量。这是一种误觉,所以,焊工必须明白这种情况并确保电弧能熔化母材。最后,设备应得到良好的保养,以减轻诸如送丝不稳定所造成的问题。每次更换送丝轮时,应当用干净的压缩空气吹扫内衬,清除可能产生阻塞的微粒。如果送丝仍有问题,就应当更换内衬。导电嘴应定期更换。导电嘴磨损后,接触点发生了变化,使焊丝伸长量增加,然而焊工并不知道。焊丝伸长量是导电嘴到焊丝端部的距离,参见图3.15。第三章金属第三章金属连接及切割工接及切割工艺 2011-11-121.3 药药芯芯焊丝电焊丝电弧弧焊焊(FCAW)下一种介绍的工艺是药芯焊丝电弧焊。它与气体保护焊非常相似,差别在
25、药芯焊丝焊采用的是管状焊丝,其中装有粒状的焊剂,而不是气体保护焊所用的实芯焊丝。其差别可以从图3.16中看到,图中给出了采用自保护药芯焊丝焊焊接的工件和焊接过程中电弧区域的特写。图中显示管状的焊丝通过焊枪中的导电嘴送进,并在焊丝和工件之间产生电弧。随着向前焊接而熔敷焊缝金属,和手工电弧焊一样,在焊缝金属上覆盖着一层焊渣。根据使用的焊丝类型不同,可以对药芯焊附带或不附带额外的保护气体。有些焊丝被设计成靠内部焊剂提供所有需要的保护,它们被称为自保护性。其它的焊丝要求附加的保护气体提供附加的保护。同其它焊接工艺一样,FCAW有一个系统用于标识各种类型的焊丝,见图3.17。查阅所有类型的焊丝会发现,它
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