金属焊接与切割作业课件

1 热烈欢迎各位同仁参加取证学习 北京铁路局石家庄职工培训基地主讲 邢建章职务 工程师E maiI xingjz55 2 金属焊接与切割作业 全国特种作业人员安全技术培训考核统编教材 3 前言金属焊接切割 电工等一些作业容易发生伤亡事故 对操作者本人 他人及周围设施 设备的安全造成重大危害 统计资料显示大量的事故都发生在这些作业中 而且多数都是由于从事这些作业的操作人员缺乏安全知识 安全操作技能差或违章作业造成的 为了保障人民生命财产的安全 保护工人的安全与健康 促进安全生产 依法加强直接从事这些作业的操作人员 即特种作业人员的安全技术培训 考核非常必要 4 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作出适当的处理 从而保护操作者自己和周围人员及厂房设备不遭到损坏 5 焊接安全技术研究的主要内容是防火 防爆 防触电 防尘 防毒 防辐射 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 严格执行安全操作规程和实施防护措施 保证安全生产 避免发生事故 6 特种作业基本概念定义 是指容易发生伤亡事故 对操作者本人 他人及周围设施安全有重大危害的作业 7 第一章焊接与切割基础知识 第一节焊接与切割概述一 焊接与切割的基本原理及分类 一 焊接定义 通过加压或加热 或两者并用 并且用或不用填充材料 使焊件达到原子结合的一种加工法 二 焊接方法分类 熔化焊 压力焊 钎焊三大类 常见的气焊 电弧焊 电渣焊 气体保护焊 等离子弧焊等均属溶化焊的范畴 8 三 切割的方法和分类 切割定义 利用热能或机械能将工件分割的一种加工方法 切割的分类 火焰切割 电弧切割 冷切割三大类 常见的锻焊 接触焊 摩擦焊和气压焊冷压焊 爆炸焊等均属压力焊的范畴 常见的烙铁钎焊 火焰钎焊 感应钎焊等均属于钎焊的范畴 9 火焰切割包括 气割 液化石油气切割 氢氧源切割 氧熔剂切割等 电弧切割包括 等离子弧切割 碳弧气割等 冷切割包括 激光切割 水射流切割等 10 二 焊接与切割的发展及应用我国是最早应用焊接技术的国家之一 远在战国时期就已采用焊接技术 800多年前宋代科学家沈括所著的 梦溪笔谈 一书就提到焊接方法 明代科学家宋应星所著的 天工开物 一书中 对锻焊和钎焊也作了详细叙述 气焊大约在1892年前后出现 那时使用的是氢气 氧气混合气体 由于氢气很不安全 容易发生爆炸事故 在工业上未被采用 11 1895年 发明了用电炉制造碳化钙 电石 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 温度高大3200 1903年 氧 乙炔焰被运用到金属焊接上 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水平 12 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战国时代河南辉县出土铜器钎焊400年前宋代 天工开物 锻焊1885年俄国碳弧焊1886年美国电阻焊1892年俄国金属电极电弧焊1892年法国氢氧焊1895年德国热剂焊1901年法国氧乙炔焊1909年瑞士金属喷涂1927年美国原子氢焊 13 1928年美国高频感应焊1930年美国惰性气体保护焊1935年美国埋弧焊1948年英国冷压焊1951年美国高频电阻焊1951年前苏联电渣焊1953年美国二氧化碳气体保护焊1956年美国超声波焊1956年美国电子束焊1957年前苏联摩擦焊1963年美国爆炸焊1965年美国激光焊 14 二 焊接与切割的应用1 焊接应用范围 造船 电站 汽车 石油 桥梁 矿山 机械制造 航天 航空等 2 切割的应用 制造 下料 修理 安装等 世界每年钢产量的45 要用于生产焊接结构 制造一辆小汽车需要焊接5000 12000个焊点 一艘30万吨油轮要焊1000km长的焊缝 一架飞机的焊点多大20 30万个 15 三 学习焊接与切割安全技术的必要性1 党和国家对人民生命安全的关心 2 安全生产的需要 3 特种作业操作人员安全与身心健康的需要 16 学习焊接安全技术的目的在于使有关的管理人员 操作人员掌握焊接切割操作的基本原理 操作安全及安全防护的方法 严格执行国家标准 焊接与切割安全 GB9448 1999 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作出适当处理 从而保护操作者自己和周围人员及厂房设备不遭受到损害 17 焊接安全技术研究的主要内容防火 防爆 防触电的三防工作 对有害烟尘 有毒气体 磁场 辐射 弧光 烫伤 噪声 放射物等的防护 以及环境和外界伤害的防护 18 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性能的影响 我们必须先从晶体结构讲起 一 晶体的特点 晶体与非晶体概念 原子按一定几何形状作有规律的重复排列的固体物质 称晶体 非晶体则反之 特点 晶体 有熔点 具有各向异性 如 食盐 冰 金刚石 金属等 非晶体 无熔点 各向同性 如 玻璃 松香 沥青等 晶体与非晶体的区别不在外形 而在内部的原子排列 原子排列不同 性能也不相同 19 二 典型的金属晶体结构 晶格晶格 表示晶体中原子排列形成的空间格子 晶格 20 常见金属的晶格类型 特点 b较好 如 912 Fe Cr Mo V等 体心立方晶格 含有2个原子体积组成 特点 较好 如 912 Fe Cu Al等金属 含有4个原子体积组成 面心立方晶格 1 体心立方晶格 2 面心立方晶格 21 冷却曲线 温度 时间 O 1538 1394 912 结晶过程 Fe体心立方晶格 Fe面心立方晶格 Fe体心立方晶格 转变式 Fe Fe Fe 912 1394 体心面心体心 或者 Fe Fe 912 临界转变温度 面心体心 体心 2个原子体积面心 4个原子体积 纯铁固态下 在不同温度范围内将呈现出不同的晶格形态 这种现象称为同素异晶转变 金属的同素异构转变 22 二 合金的组织 结构及铁碳合金的基本知识 一 合金的组织 合金 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 叫合金 1 固溶体 概念 溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体 如 糖水水 溶剂 糖 溶质 部分碳溶于铁的晶格间隙 铁的晶格类型不变 有一定的畸变 铁素体 F 碳 C 溶入 Fe中所形成的固溶体 奥氏体 A 碳 C 溶入 Fe中所形成的固溶体 固溶体 一种物质的原子均匀的溶解在另一种物质的晶格内 形成单项晶体结构 23 1 置换固溶体 溶质原子替换晶格上的原子 2 间隙固溶体 溶质原子溶入晶格原子间隙 间隙固溶体 置换固溶体 分类 按溶质原子在溶剂中分布情况不同 分置换固溶体和间隙固溶体两类 24 固溶体的特征 晶格类型不变 化学成分有限 性能发生变化 1 晶格仍保持原晶格 溶剂 2 化学成分在一定范围内可改变 3 性能随化学成分改变而逐渐变化 固容体的性能 造成晶格畸变 强度 硬度上升 这种现象称固溶强化 若溶质原子质量分数 含量 适当 其力学性能高 2 金属化合物 概念 合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属特性的新相 如Fe与C Fe3C 化合物 两种元素的原子按一定的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 25 机械混合物 固溶体和化合物均为单项的合金 若合金是有两种不同的晶体结构彼此机械混合组成 称为机械混合物 2 钢中常见的显微组织 1 铁素体F 2 渗碳体F C 3 珠光体 P 4 奥氏体 A 5 马氏体 M 6 魏氏组织 26 二 钢中常见的纤维组织 1 铁素体碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体 常用符号F表示 铁素体特点 体心立方晶格 碳在 Fe中的溶解度也较小 塑性 韧性较好 强度 硬度较低 2 奥氏体碳溶于 Fe中成的间隙固溶体称为奥氏体 用符号A表示 奥氏体特点 面心立方晶格 溶碳能力较强 硬度较低 塑性较高 适用于压力加工成型 27 3 渗碳体铁与碳形成的金属化合物Fe3C称为渗碳体 用Fe3C表示 渗碳体特点 c 6 69 熔点为1227 晶体结构 复杂的间隙化合物 硬度很高 但塑性和韧性几乎等于零 三次渗碳体 珠光体 莱氏体 28 铁碳合金相图分析 ACD线 液相线 AECF线 固相线 AC线 奥氏体结晶开始线 AE线 奥氏体结晶终了线 GS线 铁素体析出开始线 GP线 铁素体析出终了线 PQ线 Fe3C 析出线 ES线 Fe3C 析出线 PSK线 共析线 CD线 一次渗碳体结晶开始线 ECF线 共晶线 29 图中的几条线 ACD线为液相线 纯铁在1535 凝固 AHJEF线为固相线 GS线表示含碳量低于0 8 的钢奥氏体开始析出铁素体温度 也称为A3线 ECF水平线 1147 为共晶反应线 PSK水平线 723 为共析反应线 也称为A1线 ES线为Acm线 E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 C点为共晶点 温度为1147 含碳量为4 3 30 铁碳合金的分类 1 工业纯铁 c 0 0218 2 钢 0 0218 c 2 11 钢又分为 亚共析钢 0 0218 c 0 77 共析钢 c 0 77 过共析钢 0 77 c 2 11 3 白口铸铁 2 11 c 6 69 白口铸铁又分为 亚共晶白口铸铁 2 11 c 4 3 共晶白口铸铁 c 4 3 过共晶白口铸铁 4 3 c 6 69 31 钢的结晶过程 一 合金 共析碳钢 共析钢 c 0 77 32 共析碳钢的显微组织 33 二 合金 亚共析碳钢 亚共析钢 0 0218 c 0 77 亚共析钢 共析钢 过共析钢 A F A L E A Fe3C L A 34 亚共析钢的显微组织 过共析钢的显微组织 三 合金 过共析碳钢 过共析钢 0 77 c 2 11 35 铁碳合金相图的应用1 在选材方面的应用2 在制定工艺规范方面的应用切削加工性 金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易程度 低碳钢中F较多 塑性好 切削加工时产生切削热大 易粘刀 不易断屑 表面粗糙度差 故切削加工性差 高碳钢中Fe3C多 刀具磨损严重 故切削加工性也差 中碳钢中F和Fe3C的比例适当 切削加工性较好 一般认为钢的硬度在170HBW 250HBW左右时 切削加工性较好 在高碳钢Fe3C呈球状时 可改善切削加工性 36 可锻性 金属可锻性是指金属压力加工时 能改变形状而不产生裂纹的性能 当钢加热到高温得到单相A组织时 可锻性好 低碳钢中铁素体多可锻性好 随着碳的质量分数增加金属可锻性下降 白口铸铁无论在高温或低温 因组织是以硬而脆的Fe3C为基体 所以不能锻造 铸造性能 合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距离 距离越大 合金的铸造性能越差 低碳钢的液相线与固相线距离很小 则有较好的铸造性能 但其液相线温度较高 使钢液过热度较小 流动性较差 随着碳的质量分数增加 钢的结晶温度间隔增大 铸造性能变差 共晶成分附近的铸铁 不仅液相线与固相线的距离最小 而且液相线温度也最低 其流动性好 铸造性能好 37 可焊性随着钢中的碳的质量分数增加 钢的塑性下降 可焊性下降 所以 为了保证获得优质焊接接头 应优先选用低碳钢 碳的质量分数 0 25 的钢 一般不用碳的质量分数 0 5 的钢 因为可焊性差 如果要用 应采取必要的焊接工艺措施 38 三 钢的热处理1 定义 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 这个过程称为热处理 2 常用的热处理工艺方法有 淬火 回火 正火 退火 1 淬火 A1或A3以上30 70 2 回火 A1以下 3 正火 A3或Acm以上50 70 4 退火 A3或A1左右 39 二 钢的热处理将金属加热到一定温度 并保持一定时间 然后以一定的速度冷却到室温 这个过程称为热处理 常见的热处理工艺有 淬火 可以提高刚的硬度及耐磨性回火 消除内应力 降低钢的强度和硬度 提高钢的塑性和韧性 钢在淬火后再进行回火 这一复合热处理工艺称为调质 正火 经正火后的材料 各项力学性能均较好 常作为最终热处理 退火 可降低硬度 使材料便于切削加工 能消除内应力 消除应力退火属于低温退火 也称焊后热处理 40 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 1 理化性能包括 密度 导电性 导热性 热膨胀性 抗氧化性 耐腐蚀性等 2 力学性能包括 强度 塑性 硬度和韧性3 工艺性能包括 切削性能 铸造性能 焊接性能 41 一 拉伸试验拉伸试样 其中 LI 断后试样长度Lo 试样原始长度 强度与塑性 二 金属材料的力学性能 42 2 力 伸长曲线 右图是低碳钢的力 伸长曲线 图中纵坐标表示力拉伸力Fb 单位为N 横坐标表示绝对伸长量 l 单位为mm 低碳钢拉伸试验图 Fb l 43 说明 单位面积上的内力称应力 L 长度单位 mm A 截面积单位 mm2 F 外力单位 N s 屈服点的值单位 MPa 兆帕 屈服点 概念 力不增加仍能继续伸长时的应力 用符号 s表示 抗拉强度 概念 试样拉断前所承受的最大拉应力 用符号 b表示 44 1 强度 强度是指金属材料在载荷作用下 抵抗塑性变形和短裂的能力 试样受到外力作用时 在其内部产生大小与外力相等而方向相反的相互作用力 称为内力 单位截面积上的内力称为应力 拉伸时的应力用符号表示 1 屈服点与屈服强度 强度判据 屈服点 屈服强度 抗拉强度 式中 试样屈服时的载荷 N 试样原始横截面积 mm2 0 2 名义屈服强度 名义屈服点 塑性材料 1 疲劳强度 1 0 5 b 45 2 抗拉强度抗拉强度是指试样断裂前能够承受的最大拉应力 用表示 注 s b是设计与选材的重要依据 式中 试样断裂前的最大载荷 N 试样原始横截面积 mm2 46 2 塑性 概念 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据 断后伸长率 断后断面收缩率 断后伸长率 概念 试样断后标准的伸长量与标准的百分比 用符号 表示 读作 代儿特 其中 LI 断后试样长度Lo 试样原始长度 47 断后断面收缩率 概念 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 用符号 表示 读作 扑洒哎 说明 伸长率和收缩率在实际应用中 一般用 表示塑性大小 越大 材料的塑性越好 通常认为 5 脆性材料 一般说来 伸长率达5 或断面收缩率达10 的材料 即可满足绝大多数零件的要求 A0 A1 A0 100 48 3 冲击韧性 韧性 韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力 韧性的判据通过冲击实验来测定 一 冲击试验 摆锤式一次冲击实验AK G H1 H2 J ak AK S J m2 在冲击载荷下工作的零件 很少是受大能量一次冲击而破坏的 往往是受小能量多次重复冲击而破坏的 49 4 硬度 硬度 是指材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力 硬度是衡量材料软硬程度的判据 一 布氏硬度试验 用符号 HB表示 N mm2 说明 1 压头为淬火钢球用HBS表示 数值 450用于测量有色金属 退火或正火钢件 灰铸铁材料 2 压头为硬质合金用HBW表示 数值450 650 生产中一般不用HBW来测量材料的硬度 F D 工件 压头 钢球或硬质合金 d 50 3 表示法 数字在前 字母在后 如200HBS150HBS 175HBS 标注时不要写成HBS 200 或HBS 150 175 或500HBS 不要出现单位 数值差不要超过30 4 不宜测量薄件 成品件 因压痕大 二 洛氏硬度试验 原理是用120 的金刚石圆锥或尺寸很小的淬火钢球作为压头 在一定的压力作用下 压入材料表面 在指示盘上显示出硬度值大小 常用的是用符号HRC表示 没有单位 51 二 钢材和有色金属的分类 编号及性能 一 钢材的分类 52 二 钢材和有色金属的分类 编号及性能 一 钢的分类 钢和铁是黑色金属的两大类 都是以铁和碳为主要原素的合金 含碳量在2 11 以下的铁碳合金称为钢 含碳量2 11 6 67 的铁碳合金称为铸铁 钢中除铁 碳以外还含有少量其他元素 如硅 锰 硫 磷等 硅锰是炼钢时作为脱氧剂加入的 称为常存元素 硫磷是由炼钢原料带入的 称为杂质元素 53 1 按化学成分分类 1 碳素钢 按含碳量多少可分为 低碳钢 含碳量小于0 25 中碳钢 含碳量为0 25 0 60 高碳钢 含碳量大于0 60 2 合金钢 除含有碳素钢所含的元素外 尚还有其他一些元素 如铬 镍 钛 钼 钨 钒 硼等 54 2 按用途分类 1 结构钢 2 工具钢 3 特殊用途钢如不锈钢 耐酸钢 耐热钢 磁钢等 3 按品质分类 1 普通钢含硫不超过0 045 0 050 含磷不超过0 045 2 优质钢含硫不超过0 030 0 035 含磷不超过0 035 55 3 高级优质钢含硫不超过0 020 0 030 含磷不超过0 025 0 030 2 钢材的性能及焊接特点 1 低碳钢强度硬度不高塑性好应用广泛 焊接常用的低碳钢有Q235 20号钢 20 20R 焊接特点 不易产生冷裂纹 焊前不需要预热 镇静钢对热裂纹不敏感 沸腾钢产生热裂纹的可能性大些 焊接工艺简单 对焊接电源无特殊要求 交直流焊机可进行全方位焊接 2 中碳钢强度较高焊接性较差 常用的有35 45 55号钢 56 焊接特点 易产生冷裂纹和热裂纹 由于含碳量高对气孔的敏感性增加 3 高碳钢由于含碳量高 焊接性能很差 焊接特点 更容易产生裂纹 焊缝脆弱 焊接接头强度降低 3 有色金属及合金的分类及焊接特点 1 铝及铝合金纯铝分为高纯铝 工业高纯铝和工业纯铝三类 常用的工业纯铝纯度为99 7 98 8 牌号为L1 L2 L3 L4 L5 L6 57 铝合金 纯铝中加入合金元素就得到铝合金 根据加工工艺 分为形变铝合金和铸造铝合金 形变铝合金塑性好 适宜压力加工 形变铝合金分为防锈铝 LF 硬铝 LY 超硬铝 LC 锻铝 LD 铸造铝合金按加入合金元素不同 分为铝硅系 Al Si 铝铜系 Al Cu 铝镁系 Al Mg 铝锌系 Al Zn 四种 焊接结构中应用最广泛的是防锈铝 Al Mg或Al Mn合金 铝及铝合金的焊接特点 a 表面易氧化 生成致密的氧化膜 影响焊接b 容易产生气孔c 容易产生热裂纹 58 铝及铝合金焊接主要采用氩弧焊 气焊 电阻焊等 氩弧焊应用最为广泛 2 铜及合金的分类和焊接特点纯铜常被称作紫铜 具有良好的导电性 导热性 耐蚀性 黄铜以锌为主要元素的铜合金称为黄铜 如H80 H70 H68等青铜以前把铜和锡的合金称作青铜 现在把除黄铜以外的铜合金称作青铜 常用的有锡青铜 铝青铜 铍青铜等 59 铜和铜合金的焊接特点 难熔合及易变性 容易产生热裂纹 容易产生气孔 铜及铜合金焊接主要采用气焊 惰性气体保护焊 埋弧焊 钎焊等 60 二 钢材的编号我国的钢材编号方法是采用化学元素符号和汉语拼音字母并用的原则 1 碳素钢的编号 1 碳素结构钢由屈服强度的字母 屈服强度值 质量等级符号 脱氧方法符号等四部分按顺序组成 如 Q235 A F Q235 B等 2 优质碳素结构钢钢号用两位数字表示 表示平均含碳量的万分之几 2 合金结构钢的编号钢号由三部分组成 数字 化学元素符号 数字 前面两位数字表示平均碳含量的万分之几 后面分别是主要化学元素及含量百分之几 3 不锈钢与耐热钢的编号前面的数字表示平均含碳量的千分之几 后面的分别是化学元素及含量百分之几 61 第四节焊接工艺基础知识一 焊接位置种类根据GB T3375 焊接术语 的规定 焊接位置可用焊缝倾角和焊缝转角来表示 有平焊 立焊 横焊 和仰焊等 二 焊缝形式及形状尺寸1 焊缝形式分为 对接焊缝 角焊缝 塞焊缝 槽焊缝 和端焊缝 2 形状尺寸包括 焊缝宽度 余高 熔深 焊缝厚度 焊脚 焊缝形成系数 熔合比 62 第四节焊接工艺基础一 焊接接头的种类及形式 焊接接头形式和坡口 接头形式 零件 焊件 连接处所采用的结构方式 1 接头形式 对接接头 角接接头 T形接头 搭接接头 63 二 焊接坡口形式根据坡口的形状 分为I 不开坡口 形 V形 Y形 U形 X形 双U形 双Y形 单边形等 坡口 根据设计或工艺需要 在焊件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽 64 三 坡口的几何尺寸1 坡口面 坡口面角度和坡口角度 2 根部间隙 3 钝边及根部半径 I形 V形 带钝边 X形 带钝边 U形 带钝边 双U形 带钝边 65 四 焊接位置种类 GB T3375 94 焊接术语 焊接操作 1 电弧的引燃与控制2 运条 1 电弧的引燃与控制 将焊条的末端与焊件表面接触形成短路 然后迅速将焊条提离焊件表面至一定距离 2 4mm 电弧即能引燃 直击法 划擦法 66 2 运条 1 焊条送进2 焊条沿焊接方向移动3 焊条横向摆动 67 焊条横向摆动的形式 锯齿形 月牙形 三角形 8 字形 环形 68 多层焊 单道多层焊 多道多层焊 69 三 焊接工艺参数及其对焊缝形状的影响焊接时 为了保证焊接质量而选定的各项参数 例如焊接电压 电弧电流 焊接速度 线能量等 的总称叫焊接工艺参数 所谓线能量是指熔焊时 由焊接热源输入给单位长度焊缝上的能量焦耳 厘米或焦耳 毫米 也称热输入 1 焊接电流增大焊接电流 则焊缝厚度和余高都增加 而焊缝宽度则几乎不变2 电弧电压当其他条件不变时 电弧电压增加 焊缝宽度显著增加而焊缝宽度和余高略有减少 70 3 焊接速度焊接速度对焊缝厚度和宽度有明显影响 当焊接速度增加时 焊缝厚度和宽度大为下降 从焊接生产率考虑 焊接速度愈快愈好 但当焊缝厚度要求一定时 为提高焊接速度 就得进一步提高焊接电流和电弧电压 所以这三个参数应该综合在一起进行选用 71 焊接工艺参数的选择 1 焊条直径2 焊接电流3 焊接速度及其他 1 焊条直径 主要取决于焊件的厚度其次应考虑接头形式 焊接位置 热输入量及焊工技术熟练程度等因素 72 2 焊接电流 焊接电流 焊接时 流经焊接回路的电流 I 焊接电流 AK 系数d 焊条直径 mm I Kd 系数K与焊条直径相关 可查表获得 主要取决于焊条直径 73 3 焊接速度及其他 焊接速度v 单位时间内完成的焊缝长度电弧电压U25 30V为宜焊接层数层数选择要兼顾质量和效率 74 4 焊接缺陷 1 未焊透2 夹渣3 气孔4 咬边5 焊瘤6 焊接裂纹 75 在焊接过程中 由于焊接规范选择 焊前准备和操作不当 会产生各种焊接缺陷 焊接缺陷及产生的原因 76 焊缝尺寸不符合要求产生的原因是 焊接坡口不合适 操作时运条不当 焊接电流不稳定 焊接速度不均匀 焊接电弧高低变化太大 1 焊缝尺寸不符合要求主要是指焊缝过高或过低 过宽或过窄及不平滑过渡的现象 77 咬边产生的原因是 1 工艺参数选择不当 如电流过大 电弧过长 2 操作技术不正确 如焊条角度不对 运条不适当 3 夹渣主要是指焊后残留在焊缝中的熔渣 夹渣产生的原因是 1 焊接材料质量不好 2 接电流太小 焊接速度太快 2 咬边是指沿焊缝的母材部位产生的沟槽或凹陷 78 弧坑产生的原因是 操作时熄弧太快 未反复向熄弧处补充填充金属 5 焊穿主要是指熔化金属自坡口背面流出 形成穿孔的缺陷 焊穿产生的原因是 1 焊件装配不当 如坡口尺寸不合要求 间隙过大 2 焊接电流太大 3 焊接速度太慢 4 操作技术不佳 4 弧坑主要是指焊缝熄弧处地低洼部分 79 气孔产生的原因是 1 焊件和焊接材料有油污 铁锈及其它氧化物 2 焊接区域保护不好 3 焊接电流过小 弧长过长 焊接速度过快 6 气孔主要是指熔池中的气泡凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴 80 5 其他影响因素1 电极直径2 焊丝外伸长3 电极 焊丝 倾角4 焊件倾角5 坡口形状6 焊剂7 保护气体成分8 母材化学成分 81 第二章气焊与气割第一节气焊与气割的基本原理 使用范围与安全特点一 气焊与气割的基本原理和适用范围 一 气焊气焊是利用可燃气体与助燃气体混合物燃烧的火焰去熔化工件接缝处的金属和焊丝而达到金属间牢固连接的方法 具有设备简单 操作方便 实用性强等特点 82 气焊所用的可燃气体主要有乙炔 C2H2 液化石油气 C3H8 C4H10 和氢气 氧气为助燃气体 气焊应用的设备及工具包括氧气瓶 乙炔瓶 回火防止器 焊炬 减压器及氧气乙炔输送管道 主要应用于薄钢板 低熔点材料 有色金属及其合金 铸铁件 硬质合金刀具等材料的焊接 以及磨损 报废零件的补焊 构件变形的火焰矫正 83 设备及工具1 气焊割炬装置组成 氧气瓶 储存和运输氧气的高压容器 84 85 辅助器具有 通针 橡皮管 点火器 钢丝刷 手锤 锉刀等 防护用具有 气焊眼镜 工作服 手套 工作鞋 护脚布等 86 二 气割利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰热能将工件切割处预热到一定温度后 喷出高速切割氧流 使金属剧烈氧化并放出热量 利用切割氧流把熔化状态的金属氧化物吹掉 而实现切割的方法 金属气割的过程实质是铁在纯氧中的燃烧过程 而不是熔化过程 气割过程是预热 燃烧 吹渣过程 并不是所有金属都能满足这个过程要求 只有符合下列条件的金属才能进行气割 87 金属在氧气中的燃点应低于其熔点 气割时金属氧化物的熔点应低于金属的熔点 金属在切割氧流中的燃烧应是放热反应 金属的导热性不应太高 金属中阻碍气割过程和提高钢的可淬性的杂质要少 三 气焊与气割的优缺点1 气焊的优点 设备简单 使用灵活 对铸铁和有色金属有较好的适应性 电力不足的地方能发挥更大的作用 缺点是生产效率低 焊后容易变形 较难实现现代化 88 气割的优点 设备简单 使用灵活缺点是对切口两侧金属的成分和组织产生一定的影响 以及被割工件的变形等二 气焊与气割的安全特点气焊与气割的主要危险是火灾和爆炸 因此防火防爆是气焊气割的主要任务 89 第二节气焊气割火焰及工艺参数的选择一 气焊气割火焰焊接火焰直接影响到焊接质量和焊接效率 焊接火焰的分类包括氧 乙炔焰 氢氧焰及液化石油气燃烧的火焰 氧 乙炔焰具有很高的温度 约3200 加热集中 因此是气焊气割中主要采用的火焰 氢氧焰是最早使用的气体火焰 由于燃烧温度低 约2770 且容易发生爆炸事故未被广泛采用 目前主要用于铅的焊接和水下切割 90 液化石油气燃烧的温度比比氧 乙炔火焰低 约2000 2850 主要用于金属的切割 用于切割时 金属预热时间稍长 但可以减少切口边缘的过烧现象 切割质量较好 切割多层叠板时 切割速度比使用乙炔快20 30 除广泛用于钢材切割外 还用于焊接有色金属 国外还采用乙炔液化石油气混合 作为焊接气源 氧 乙炔焰根据氧和乙炔的混合比不同 可分为中性焰 碳化焰和氧化焰1 中性焰 氧和乙炔的混合比 O2 C2H2 为1 1 1 2 中性焰第一阶段燃烧既无过剩的氧又无游离的碳 氧与丙烷的比值 O2 C3H8 为3 5时 也可得到中性焰 91 中性焰的三个显著区域 分别为焰芯 内焰和外焰 焰芯呈尖锥形 色白而明亮 轮廓清楚 但温度较低 800 1200 这是由于乙炔分解吸收了部分热量的缘故 内焰呈蓝白色 有深蓝色线条 温度最高 可达3100 3150 称为焊接区 外焰由里到外由淡紫色变为橙黄色 生成物二氧化碳和水 外焰温度为1200 2500 由于二氧化碳和水在高温时容易分解 所以外焰具有氧化性 中性焰应用最为广泛 一般用于焊接碳钢 紫铜和低合金钢等 中性焰温度最高处在距离焰芯末端2 4mm的范围内 92 2 碳化焰氧与乙炔的体积比值 O2 C2H2 小于1 1时的混合气燃烧形成的气体火焰 因为乙炔有过剩 所以燃烧不完全 碳化焰的焰芯较长 呈蓝白色 外焰特别长 呈橘红色 碳化焰的温度为2700 3000 由于存在过剩的乙炔 可以分解为氢气和碳 在焊接碳钢时 火焰中游离的碳会渗到熔池中去增高焊缝的含碳量 使焊缝金属的强度提高而使其塑性降低 氢渗入熔池 促使焊缝产生气孔和裂纹 因而碳化焰不能用于焊接低碳钢及低合金钢 但轻微的碳化焰应用较广 可用于焊接高碳钢 中合金钢 高合金钢 铸铁 铝和铝合金等材料 93 3 氧化焰氧与乙炔的体积比值 O2 C2H2 大于1 2时的混合气体燃烧形成火焰 氧化焰中含有过剩的氧 在尖形焰芯形成一个有氧化性的富氧区 氧化反应剧烈是焰芯 内焰 外焰都缩短 内焰很短 几乎看不到 温度可达3100 3400 由于整个火焰具有氧化性 合金一般碳钢时 就会造成熔化金属和合金元素的烧损 是焊缝金属氧化物和气孔增多 并增强熔池的沸腾现象 较大的降低焊接质量 所以一般材料的焊接决不能采用氧化焰 焊接黄铜和锡青铜可利用轻微的氧化焰 气割时 通常使用氧化焰 94 二 气焊与气割主要工艺参数1 气焊主要工艺参数包括焊丝的牌号和直径 溶剂 火焰种类 火焰能率 焊炬型号和焊嘴的号码 焊嘴倾角和焊接速度等 火焰能率 是指单位时间内可燃气体 乙炔 的消耗量 其物理意义是单位时间内可燃气体所提供的能量 火焰能率选择 焊件厚度大的火焰能率应大些 平焊时可选用稍大的火焰能率 以提高生产率 立焊 横焊 仰焊时火焰能率要适当减小 以免熔滴下坠造成焊瘤 2 气割主要工艺参数包括割矩型号和切割氧压力 气割速度 预热火焰能率 割嘴与工件间的倾斜角 割嘴离工件表面的距离等 95 焊嘴倾角 指焊嘴中线与工件所成的角度 选择 主要根据焊件厚度 其次要考虑焊件导热性 焊接方向 气焊操作是右手握焊炬 左手拿焊丝 可以向右焊 右焊法 也可向左焊 左焊法 96 焊接方向选择 右焊法是焊炬在前 焊丝在后 这种方法是焊接火焰指向已焊好的焊缝 加热集中 熔深较大 火焰对焊缝有保护作用 容易避免气孔和夹渣 但较难掌握 此种方法适用于较厚工件的焊接 而一般厚度较大的工件均采用电弧焊 因此右焊法很少使用 左焊法是焊丝在前 焊炬在后 这种方法是焊接火焰指向未焊金属 有预热作用 焊接速度较快 可减少熔深和防止烧穿 操作方便 适宜焊接薄板 用左焊法 还可以看清熔池 分清熔池中铁水与氧化铁的界线 因此左焊法在气焊中被普遍采用 97 焊丝 焊剂焊丝 起填充金属的作用 并且与熔化的母材一起形成焊缝 焊丝选择 气焊所用的焊丝表面不涂药皮的金属丝 其成分与工件基本相同 原则上要求焊缝与工件等强度 所以选用与母材同样成分或强度高一些的焊丝焊接 气焊低碳钢一般用H08A焊丝 98 焊剂 气焊所用的焊丝是没有药皮的金属丝 焊接合金钢 铸铁和有色金属时 熔池中容易产生高熔点的稳定氧化物 如Cr2O3 SiO2和Al2O3等 使焊缝中夹渣 故在焊接时 使用适当的焊剂 可与这类氧化物结成低熔点的熔渣 以利浮出熔池 因为金属氧化物多呈碱性 所以一般都用酸性焊剂 如硼砂 硼酸等 焊铸铁时 往往有较多的SiO2出现 因此通常又会采用碱性焊剂 如碳酸钠和碳酸钾等 使用时 通常用焊丝蘸在端部送入熔池 焊接低碳钢时 只要接头表面干净 不必使用焊剂 焊剂作用 是除去气焊时熔池中形成的高熔点氧化物等杂质 并以熔渣覆盖在焊缝表面 使熔池与空气隔离 防止熔池金属氧化 99 焊速选择焊接速度主要与操作者熟练程度有关 应在保证焊接质量情况下尽量快些 这样可以提高生产效率 减小工件受热程度 调节火焰 点火 起头 点固 熄灭火焰 焊接过程 收尾 2 气焊操作过程 焊前准备 彻底清除焊件接头处的锈蚀 油污 油漆和水分等 100 其中焊嘴横向移动方法 薄件 较厚件 厚件 焊接过程 焊嘴焊丝运动 1 焊嘴焊丝沿焊缝纵向移动2 焊嘴沿焊缝横向移动3 焊丝沿垂直焊缝方向跳动式送进 101 气割工艺与操作过程1 气割工艺气割的工艺参数主要有割炬 割嘴大小和氧气压力等 工艺参数的选择也是根据要切割的金属工件厚度而定 102 调节预热火焰 点火 打开切割氧气 预热 熄灭火焰 切割过程 收尾 2 气割操作过程 103 第三节气焊气割常用气体的性质及使用安全要求常用的可燃气体有乙炔 氢气 液化石油气等 助燃气体是氧气 一 乙炔1 理化性质 乙炔又名电石气 在常温和大气压力下 它是一种无色气体 工业乙炔中因为混有硫化氢及磷化氢等杂质 故具有特殊的臭味 乙炔是理想的可燃气体 与空气混合燃烧时所产生的火焰温度为2350 而与氧混合所产生的温度为3100 3300 因此足以熔化金属进行焊接 104 乙炔完全燃烧反应式如下 2C2H2 5O2 4CO2 2H2O Q 放热 从上式看出 1体积的乙炔完全燃烧需要2 5体积的氧 2 乙炔的爆炸性及溶解性乙炔是一种危险的易燃易爆气体 自燃点低 305 点火能量小 0 019毫焦 在一定条件 很容易因分子的聚合 分解发生爆炸 纯乙炔的分解爆炸 当压力为150KPa 温度580 时 就形成乙炔分解爆炸 压力越高 聚合作用能促进乙炔分解爆炸所需要的温度越低 105 纯乙炔的分解爆炸性 首先决定于它的压力和温度 同始与接触介质 乙炔中的杂质 容器形状有关 乙炔的分解爆炸与容器的形状和大小有关 容器的直径越小 则越不容易爆炸 在毛细管中 由于管壁冷却作用及阻力 爆炸的可能性会大为降低 目前使用的乙炔胶管孔径都不太大 管壁也比较薄 对防止乙炔在管道内爆炸是有利的 乙炔与铜 银 水银等金属或其盐类长期接触会生成乙炔铜和乙炔银等爆炸性混合物 当受到摩擦冲击时就会发生爆炸 因此凡供乙炔使用的器材都不能用银和含铜量70 以上的铜合金制造 106 乙炔与空气 氧气混合的爆炸性 乙炔在空气中的爆炸极限为2 2 81 氧气中2 8 93 石油气3 5 16 3 乙炔混入与其不发生化学反应的气体 如氮气 甲烷 一氧化碳 石油气等 或把乙炔溶解在液体中能够降低乙炔的爆炸性 这是因为乙炔分子之间被其他气体或液体的微粒所隔离 因而使进行爆炸的连锁反应条件变坏的缘故 乙炔能够溶解在许多液体中 特别是有机液体中 如丙酮等 在15 0 1MPa时 1升丙酮能溶解23升乙炔 在压力增大到1 42MPa时1升丙酮能溶解乙炔约400升 人们就是利用乙炔能溶于丙酮的特性 将乙炔装入乙炔瓶内的 107 乙炔的毒性 乙炔中度较少见 主要表现为中枢神经系统损伤 其症状轻度的表现为 精神兴奋 多言 嗜睡 走路不稳等 中度的表现为 意识障碍 呼吸困难 发呆 瞳孔反应消失 昏迷等 也有表现为狂躁 无故苦笑等精神症状 108 二 液化石油气石油气是石油炼制工业的副产品 主要成分是丙烷 大约占50 80 其余是丙烯 丁烷 丁烯等 在常温和大气压力下 组成石油气的这些碳氢化合物以气态存在 但是只要加上不大的压力 一般为0 8 1 5MPa 即为液体 液化后便于装于瓶中贮存和运输 在标准状况下 石油气的密度为1 8 2 5kg m3 比空气重 但其液体的比重则比水 汽油轻 石油气燃烧的温度比乙炔火焰温度低 丙烷在氧气中的燃烧温度为2000 2850 用于气割时 金属预热时间稍长 但可减少切口边缘的过烧现象 109 切割质量较好 在切割多层迭板时 切割速度比乙炔快20 30 现已广泛用于钢材的切割和有色金属的焊接 安全特点 1 易挥发 闪点低 挥发点为 42 闪点 20 2 石油气燃烧的化学反应式 以丙烷为代表 C3H8 5O2 3CO2 4H2O 2350kj mol由此可见 一份石油气需要五份氧气与之化合 但实际需要比理论上多10 才能完全燃烧 110 3 能和空气形成爆炸性混合气体 但爆炸范围比较窄 4 气态石油气比空气中重 比重约为空气的1 5倍 易于向低处流动而滞留积聚 液化石油气比汽油轻 能漂浮在水沟的液面上 5 对普通橡胶导管和衬垫有腐蚀 能引起漏气 必须采用耐油性强的橡胶导管和衬垫 6 石油气气瓶内的压力与温度成正比 压力为0 1MPa 在20 为0 7MPa 40 时为2MPa 所以石油气瓶与热源 暖气等应保持1 5 以上的安全距离 7 有一定的毒性 会引起人的麻醉 8 使用时要先点火后开气 111 三 氢气氢气是一种无色无味的气体 比重0 07 比空气轻14 38 是最轻的气体 氢氧焰的温度可达2770 具有很强的还原性 在高温下 它可以从金属氧化物中夺取氧而使金属还原 他广泛地被应用于水下火焰切割 以及某些有色金属的焊接和氢原子焊等 氢与空气混合可形成爆鸣气 其爆炸极限为4 80 与氧混合的爆炸极限为4 65 93 9 与氯气的混合物 1 1 时 见光就爆炸 112 四 氧气无色无味无毒的气体 比空气略重 微溶于水 常压下 氧气在 183 时变为淡蓝色液体 在 218 时变为雪花状淡蓝色固体 不能燃烧 但能助燃 是强氧化剂 与可燃气体混合燃烧可以得到高温火焰 广泛应用于气焊气割行安全特点 与油脂接触发生自燃 与可燃气体混合使爆炸极限范围变宽 所以氧气减压表禁油 113 五 特利II气特利II气主要以丙烯为原料 可辅以一定比例的添加剂 经过物理混合而成 用来代替溶解乙炔 与乙炔相比有一下特点 1 单瓶充装量是乙炔的2 5 3倍 增加了气瓶的使用周期 2 爆炸极限只有2 4 10 5 而溶解乙炔则是2 2 81 所以较乙炔安全 无分解爆炸危险 3 使用过程中不发生逆火 114 4 切割精度比溶解乙炔高 焊缝较光滑 而且在切割过程中没有熔渣回跳引起的灭火及回火引起的工作中断 5 不污染环境 对人体无害 缺点是预热时间稍长 115 第四节电石和乙炔发生器的安全要求一 电石的安全要求电石是碳化钙的俗称 是碳与钙的化合物 分子式为CaC2 是将焦炭和氧化钙放在电炉中熔炼的产物 CaC2 H2O C2H2 Ca OH 2电石属于一级危险品 在装桶 搬运 开桶和使用过程中如果处理不当 极易发生爆炸事故 后果不堪设想 为了保障操作工人的人身安全 防止工伤事故发生和减少经济损失 116 二 乙炔发生器的安全使用乙炔发生器是利用电石和水作用以制取乙炔的设备分类 按制取压力不同 可分为低压式 0 007MPa以下 和中压式 0 007 0 15MPa 两种 按其发气量不同 可分为0 5 1 3 5至10m3 h五种 一般前两种制成移动式 后三种制成固定式 按工作原理可分为排水式 滴水式 排水与滴水联合式等几种 构造 气体发生器 一个或多个 气体收集器 贮气罐 安全设备 一个或多个 安全液封 防止火焰 空气和氧气进入发生器 117 乙炔发生器的安全装置 阻火装置作用是发生回火时防止火焰进入贮气罐和管道内 例如水封式或干式回火防止器 防爆泄压装置作用是当发生器的压力升高而超过一定压力时 或发生爆炸而产生压力时 能及时自动泄出气体 降低压力 从而防止发生器罐体的破裂 例如安全阀 泄压膜等 指示装置作用是显示乙炔的压力 水与乙炔的温度及水量等 例如压力表 温度计和水位指示器等 118 回火防止器是发生器不可缺少的安全装置 主要作用是在焊接过程中 当焊炬或割炬发生回火时 能有效的堵截回火火焰窜入发生器内 从而防止乙炔发生器发生爆炸事故 泄压膜要有足够的强度 以承受工作压力 一般在0 15MPa以下 良好的耐热耐腐蚀性 同时又有脆性 当受到爆炸冲击时易于破裂 厚度要尽可能的薄 但气密性要好 制作泄压膜的材料有铝箔片 薄铝板 橡胶片 胶片和有机玻璃等 比较起来 泄压膜孔径小于100mm时 用0 1 0 15mm厚的铝箔片作泄压膜较理想 119 第五节气瓶的安全使用要求一 气瓶结构用于气割与气焊的氧气瓶和氢气瓶属于压缩气瓶 乙炔瓶属于溶解气瓶 石油气属于液化气瓶 1 氧气瓶由瓶体 胶圈 瓶箍 瓶阀和瓶帽组成 瓶体装有两个防震胶圈 瓶体表面为天蓝色 并用黑漆表明 氧气 字样 气瓶在出厂前 需要进行水压试验 试验压力是工作压力的1 5倍 即 15MPa 1 5 22 5MPa氧气瓶一般使用三年应进行复验 复验内容有水压试验和检查瓶壁腐蚀情况 120 目前 我国生产的氧气瓶规格 最常见的容积为40L 当瓶内压力为15MPa表压时 氧气瓶的贮存量为6000L 即6m3 2 乙炔瓶与氧气瓶相似 比氧气瓶略短 1 12m 直径略粗 250mm 瓶体表面涂白漆 并印有 乙炔气瓶 不可近火 等红色字样 因乙炔不能用高压压瓶内贮存 所以乙炔瓶的内部构造较氧气瓶复杂的多 乙炔瓶内有微孔填料不满其中 而微孔填料中浸满丙酮 利用乙炔易溶于丙酮的特点 使乙炔稳定 安全的贮存于乙炔瓶中 121 3 氢气瓶承载压力为15MPa 与氧气瓶构造相同 不同的是瓶体涂深绿色漆 并用红漆标明 氢气 字样 瓶阀出气口螺纹为反向 4 液化石油气瓶是贮存液化石油气的专用容器 按用量和使用方式分别有10kg 15kg 36kg等多中规格 材质选用16Mn钢或优质碳素钢 最大工作压力为1 6MPa 水压试验3 0MPa 属焊接气瓶 气瓶外表涂银灰色 并有 液化石油气 红色字样 122 二 气瓶发生爆炸事故的原因1 气瓶材质和制造缺陷2 保管和使用不善 受日光曝晒 明火 热辐射等作用 使瓶温过高压力剧增 直至超过瓶体材料强度极限 发生爆炸 3 搬运装卸时 坠落 倾倒 滚动 发生剧烈碰撞冲击等 4 放气速度太快 气体迅速流经阀门时产生静电火花 5 氧气瓶上沾有油脂 在输送氧气时急剧氧化 123 6 可燃气瓶 乙炔 氢气 液化石油气 发生漏气 7 乙炔瓶内多孔物质下沉 产生净空间 使乙炔瓶处于高压状态 8 乙炔瓶处于卧放状态 或大量使用乙炔时出现丙酮随同流出 9 石油气瓶充灌过满 受热时瓶内压力过高 预防措施1 选用合格气瓶 2 保管 使用 搬运 装卸中严格执行操作规程 3 定期检验 检查 保养 124 三 气瓶使用的安全要求1 不得擅自更改气瓶的钢印和颜色标记 2 放置地点不得靠近热源 距明火10米以外3 立放时应采取防止倾倒措施 4 夏季应防止曝晒5 严禁敲击碰撞6 严禁在气瓶上电焊引弧7 不得用温度超过40 的热源对气瓶进行加热 8 瓶内气体不得用尽 必须留有剩余压力 永久气体的压力应不小于0 05MPa 液化石油气留有不少于0 5 1 0 规定充装量的剩余气体 并关紧阀门 防止漏气 125 9 氧气瓶阀不得沾有油脂 焊工不得用沾有油脂的工具 手套或油污工作服去接触氧气瓶阀 减压器等 10 乙炔瓶使用和存放时 应保持直立 不能横躺卧放 以防丙酮流出 引起燃烧爆炸 一旦要使用已卧放的乙炔气瓶 必须先直立20分钟后 再连接减压器使用 11 石油气瓶点火时 应先点燃引火物 后打开瓶阀 不要颠倒次序 12 气瓶投入使用后 不得对气瓶进行挖补 焊接修理 126 3 气瓶的颜色与标志 127 4 气瓶的安全要求有五方面的要求 1 气瓶运输 含装卸 时的安全要求 2 气瓶储存时的要求 3 气瓶灌充时的安全要求 4 气瓶使用时的安全要求 详细内容见教材100页 5 气瓶的定期检查 检查标准 GB13004 1999 钢质无缝气瓶定期检验与评定 GB13075 1999 钢质焊接气瓶定期检验与评定 GB13076 1991 溶解乙炔气瓶定期检验与评定 GB8334 1999 液化石油气钢瓶定期检验与评定 128 第六节附件安全要求一 减压器将高压气体