(整理)第2章焊接

精品文档精品文档第2章焊接焊接是现代机械制造业中一种必要的工艺方法，在汽车制造中得到广泛的应用。在汽车厂中，焊接生产线相对于涂装线和总装线来说，刚性强，多品种车型的通用性差，每更新换代一种车型，均需要更新车间大量专用设备和生产工艺。2.1焊接过程的物理本质焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。2.2焊接的分类金属的焊接,按其工艺过程的特点分为熔焊（电弧焊、螺柱焊、CO2气体保护焊）,压焊（电阻点、凸焊）和钎焊（火焰钎焊）三大类。1.熔焊熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池率；又如钢材焊接时，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。2.压焊压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊（如图2-1所示）等都没有熔化过程，因而没有像熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。3.钎焊钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。图2-1台式冷焊机焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接（正交接）和角接等。对接接头焊缝的横截面形状，决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的焊接。搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。一般来说，搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝，这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。2.3焊机的使用注意事项焊机必须接地后方可使用，不接保护地线不能使用该焊接设备，保护接地线的接地电阻＜5Q以确保操作人员的安全。焊机在通水后方能施焊。焊机各活动部分应经常保持润滑,焊件应在清理干净后施焊，以免损坏电极或影响焊接电极的使用寿命。当焊机在摄氏零度以下的温度工作时,焊接完毕后应该用压缩空气吹除剩留在冷却管路中的冷却水，以免水管和焊接变压器冻裂冻坏。焊机应在断电后进行检修和维护，操作工人应戴帆布手套及围身工作，以免烫伤。焊机不能受潮，以防漏电。长时间不用的焊机在使用前应先检查绝缘电阻是否合格，用500V兆欧表测试焊机电源进线与外壳之间的绝缘电阻不低于2.5兆欧方可通电使用。焊机使用场地内应无严重影响焊机绝缘性能的腐蚀性气体、化学性积物及腐蚀性、爆炸性、易燃性介质。焊机工作时应严格按照额定负载持续率工作，不允许超负荷使用。气源处理装置的分水过滤器必须经常排水，积水水位不能超过警戒线，否则含水的压缩空气会进入油雾器和电磁阀气缸，造成电磁阀气缸磨损加快，甚至无法正常工作。2.4焊接技术的发展焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。焊接已成为现代工业中一种不可缺少，而且日益重要的加工工艺方法。在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。焊接技术是随着铜铁等金属的冶炼生产、各种热源的应用而出现的。古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊、锻焊、铆焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折，接合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的经分析，所用的与现代软钎料成分相近。战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船锚。中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊、钎焊和铆焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具、生活器具和武器。19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；1885〜1887年，俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900年又出现了铝热焊。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从20年代起成为一种重要的焊接方法。也成为现代焊接工艺的发展开端。在此期间，美国的诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，从而成为焊接机械化、自动化的开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。1951年苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。1957年美国的盖奇发明等离子弧焊；40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到实用和进一步发展；60年代又出现激光焊等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。其他的焊接技术还有1887年，美国的汤普森发明电阻焊，并用于薄板的点焊和缝焊；缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进；二十世纪世纪20年代开始使用闪光对焊方法焊接棒材和链条。至此电阻焊进入实用阶段。1956年，美国的琼斯发明超声波焊；苏联的丘季科夫发明摩擦焊；1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末苏联又制成真空扩散焊设备。焊接工艺几乎运用了世界上一切可以利用的热源，其中包括火焰、电弧、电阻、超声波、摩擦、等离子、电子束、激光束、微波等等，历史上每一种热源的出现，都伴有新的焊接工艺的出现。但是，至今焊接热源的开发与研究并未终止。第3章电阻焊焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊。电阻焊具有生产效率高、低成本、节省材料、易于自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等各工业部门，是重要的焊接工艺之一。3.1电阻焊3.1.1电阻焊原理焊接热的产生及影响产热的因素点焊时产生的热量由下式决定：Q=I2Rt（3-1）式中Q产生的热量（J）;12――焊接电流（A）的平方；R电极间电阻（Q）t——焊接时间（s）。1.电阻R及影响R的因素电极间电阻包括工件本身电阻R,两工件间接触电阻R,电极与工件间接wc触电阻R。ew即R=2R+R+2Rwcew（3-2）当工件和电极一定时,工件的电阻取决与它的电阻率。因此,电阻率是被焊材料的重要性能。电阻率高的金属其导电性差（如不锈钢）电阻率低的金属其导电性好（如铝合金）。因此,点焊不锈钢时产热易而散热难,点焊铝合金时产热难而散热易。点焊时,前者可用较小电流（几千安培）,而后者就必须用很大电流（几万安培）。电阻率不仅取决与金属种类,还与金属的热处理状态、加工方式及温度有关。接触电阻存在的时间是短暂,一般存在于焊接初期,由两方面原因形成：1）工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物质层,会使电流遭到较大阻碍。过厚的氧化物和脏物质层甚至会使电流不能导通。2）在表面十分洁净的条件下,由于表面的微观不平度,使工件只能在粗糙表面的局部形成接触点。在接触点处形成电流线的收拢。由于电流通路的缩小而增加了接触处的电阻。电极与工件间的电阻R与R和R相比，由于铜合金的电阻率和硬度一般ewcw比工件低，因此很小，对熔核形成的影响更小，我们较少考虑它的影响。焊接电流的影响从公式（3-1）可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大。因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。阻抗变化是因为回路的几何形状变化或因在次级回路中引入不同量的磁性金属。对于直流焊机，次级回路阻抗变化，对电流无明显影响。焊接时间的影响为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称硬规范），也可采用小电流和长时间（弱条件，也称软规范）。选用硬规范还是软规范，取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下限，使用时以此为准。电极压力的影响电极压力对两电极间总电阻R有明显的影响，随着电极压力的增大，R显著减小，而焊接电流增大的幅度却不大，不能影响因R减小引起的产热减少。因此，焊点强度总随着焊接压力增大而减小。解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊接电流。电极形状及材料性能的影响由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。工件表面状况的影响工件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性，引起焊接质量波动。因此彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件。3.1.2热平衡及散热点焊时，产生的热量只有一小部分用于形成焊点，较大部分因向临近物质传导或辐射而损失掉了，其热平衡方程式：Q=Q1+Q2（3-3）式中Q1——形成熔核的热量；Q2——损失的热量。有效热量Q］取决与金属的热物理性能及熔化金属量，而与所用的焊接条件无关。Q1=10%〜30%Q,导热性好的金属（铝、铜合金等）取下限；电阻率高、导热性差的金属（不锈钢、高温合金等）取上限。损失热量Q2主要包括通过电极传导的热量（30%〜50%Q）和通过工件传导的热量（20%Q左右）。辐射到大气中的热量5%左右。焊接循环点焊和凸焊的焊接循环由四个基本阶段：（1）预压阶段——电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力。（2）焊接时间——焊接电流通过工件，产热形成熔核。（3）维持时间——切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。（4）休止时间——电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。焊接电流的种类和适用范围1）交流电可以通过调幅使电流缓升、缓降，以达到预热和缓冷的目的，这对于铝合金焊接十分有利。交流电还可以用于多脉冲点焊，即用于两个或多个脉冲之间留有冷却时间，以控制加热速度。这种方法主要应用于厚钢板的焊接。2）直流电主要用于需要大电流的场合，由于直流焊机大都三相电源供电，避免单相供电时三相负载不平衡。金属电阻焊时的焊接性下列各项是评定电阻焊焊接性的主要指标：材料的导电性和导热性电阻率小而热导率大的金属需用大功率焊机其焊接性较差。材料的高温强度高温(0.5〜0.7Tm)屈服强度大的金属，点焊时容易产生飞溅，缩孔，裂纹等缺陷，需要使用大的电极压力。必要时还需要断电后施加大的锻压力，焊接性较差。材料的塑性温度范围塑性温度范围较窄的金属(如铝合金)，对焊接工艺参数的波动非常敏感，要求使用能精确控制工艺参数的焊机，并要求电极的随动性好，焊接性差。材料对热循环的敏感性在焊接热循环的影响下，有淬火倾向的金属，易产生淬硬组织，冷裂纹；与易熔杂质易于形成低熔点的合金易产生热裂纹；经冷却作强化的金属易产生软化区。防止这些缺陷应该采取相应的工艺措施。因此，热循环敏感性大的金属焊接性也较差。电阻焊的优缺点1)电阻焊的优点(如图3-1所示)：(1)熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过11图3-1电阻焊金属(2)加热时间短，热量集中，故热影响区小，变形与应力也小，通常在焊后不必安排校正和热处理工序。(3)不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氢等焊接材料，焊接成本低。(4)操作简单，易于实现机械化和自动化，改善了劳动条件。生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其他制造工序一起编到组装线上。但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。2)电阻焊的缺点(如图3-2所示)：

（1）目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查，以及靠各种监控技术来保证。图3-2图3-2电阻焊机械（2）点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。（3）设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高、维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的平衡运行。3.1.3电阻焊在汽车生产中目前电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源，容量大、功率因数低。发展三相低频电阻焊机、三相次级整流接触焊机（已在普通型点焊机、缝焊r发展三相低频电阻焊机、三相次级整流接触焊机（已在普通型点焊机、缝焊r凸焊图3-3汽车生产机中应用）和IGBT逆变电阻焊机，可以解决电网不平衡和提高功率因数的问题。同时还可进一步节约电能，利于实现参数的微机控制，可更好地适用于焊接铝合金、不锈钢及其他难焊金属的焊接。西南交通大学针对一工厂铝合金车圈对焊研制成车圈焊接PLC（可编程控制器）智能控制器，对原机进行了改造，解决了铝合金车圈的焊接质量问题，提高了焊接生产率。后又同一工厂研制了PLC缝焊控制器，解决了对一般清理要求制件的缝焊问题。通过这两项控制器的研制，证明了PLC比单片微机控制器抗干扰能力强，可靠性高；比工控机控制器体积小、成本低，使用通用的单相工频交流电阻焊机完成了高难度的对焊及缝焊工作。3.2点焊点焊通常分为双面点焊和单面点焊两大类。双面点焊时，电极由工件的两侧向焊接处馈电。典型的双面点焊方式是最常用的方式，这时工件的两侧均有电极压痕。大焊接面积的导电板做下电极，这样可以消除或减轻下面工件的压痕。常用于装饰性面板的点焊。同时焊接两个或多个点焊的双面点焊，使用一个变压器而将各电极并联，这时，所有电流通路的阻抗必须基本相等，而且每一焊接部位的表面状态、材料厚度、电极压力都需相同，才能保证通过各个焊点的电流基本一致采用多个变压器的双面多点点焊，这样可以避免c的不足。3.2.1点焊简介点焊是焊件在接头处接触面的个别点上被焊接起来。点焊要求金属要有较好的塑性。焊接时，先把焊件表面清理干净，再把被焊的板料搭接装配好，压在两柱状铜电极之间，施加P力压紧。当通过足够大的电流时，在板的接触处产生大量的电阻热，将中心最热区域的金属很快加热至高塑性或熔化状态，形成一个透镜形的液态熔池。继续保持压力P，断开电流，金属冷却后，形成了一个焊点。如图3-4所示，是一台点焊机的示意图。图3-4点焊机点焊机是由机座，加压机构，焊接回路，电极，传动机构和开关及调节装置组成，其中主要部分是加压机构，焊接回路和控制装置。加压机构是电阻焊在焊接是负责加压的机构。焊接回路焊接回路是指除焊接之外参与焊接电流导通的全部零件所组成的导电通路。点焊中开关的作用是控制电流的通断，同步控制的作用

是调节焊接电流的大小，精确控制焊接程序，当网路电压有波动时，能自动进行补偿。控制装置控制装置是由开关和同步控制两部分组成，在点焊中开关的作用是控制电流的通断，同步控制的作用是调节焊接电流的大小，精确控制焊接程序，当网路电压有波动时，能自动进行补偿。点焊由于焊点间有一定的间距，所以只用于没有密封性要求的薄板搭接结构和金属网、交叉钢筋结构件等的焊接。如果把柱状电极换成圆盘状电极，电极紧压焊件并转动，焊件在圆盘状电极之间连续送进，再配合脉冲式通电。就能形成一个连续并重叠的焊点，形成焊缝，这就是缝焊。它主要用于有密封要求或接头强度要求较高的薄板搭接结构件的焊接，如油箱、水箱等。3.2.2点焊过程及方法1.点焊的过程预压阶段电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力，如图3-5(a)所示。(a)预压阶段(b)焊接阶段I(a)预压阶段(b)焊接阶段I|严c）维持阶段（dc）维持阶段图3-5点焊过程这个阶段包括电极压力的上升和恒定两部分。为保证在通电时电极压力恒定预压时间必须保证，尤其当需连续点焊时，须充分考虑焊机运动机构动作所需时间，不能无限缩短。预压的目的是建立稳定的电流通道.以保证焊接过程获得孟复性好的电流密度。对厚板或刚度大的冲压零件，有条件时可在此期间先加大预压力，而后再恢复到焊接时的电极力，使接触电阻恒定而又不太小，以提高热效率。2）焊接时间焊接电流通过工件，产热形成熔核，如图3-5（b）所示。这个阶段是焊件加热熔化形成熔核的阶段。焊接电流可基本不变（指有效值，亦可为渐升或阶跃上升。在此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变化后趋向稳定。起初输入热量大于散失热量。温度上升，形成高温塑性状态的连接区，并使中心与大气隔绝，保证随后熔化的金属不氧化，而后在中心部位首先出现熔化区。随粉加热的进行熔化区扩大，而其外围的塑性壳（在金相试片上呈环状故称塑性环）亦向外扩大。最后当输入热t与散失热，平衡时达到德定状态。当焊接参数适当时，可获得尺寸波动小于15%的熔化核心。在此期间可产生下列现象：（1）液态金属的搅拌作用液态金属通电时受电磁力作用产生漩涡状流动。当把熔核视作地球状且电极端处为二极。其运动方向为赤道部分由周围向球心流动，而后流经两极再沿外表向赤道呈封闭状流动。对于同种金属点焊，搅拌仅需将焊件表面的氧化膜搅碎即可，但异种金属点焊时，必须充分搅拌以获得均质的熔化核心。如通电时间太短，搅拌不充分，将产生漩涡状的非均质熔核。（2）飞溅按产生时期可分为前期和后期两种；按产生部位可分为内飞溅（处于两焊件间）和外飞溅（焊件与电极接触侧）两种。前期飞溅产生的原因大致是：焊件表面清理不佳或接触面上压强分布严重不匀，造成局部电流密度过高引起早期熔化，此时因无塑性环保护，必发生飞溅。防止前期飞溅的措施有：加强焊件的清理，注意预压前的对中。有条件时可采用渐升电流或增加预热电流来减慢加热速度，避