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江南体育:金属焊接方法简介
发布时间:2024-02-27 19:31 来源:本站

将金属连接在一起的主要方法,包括“机械性接合”及“冶金性接合”。下面介绍金属接合方法的种类。

机械性接合,包括“螺栓接合”、“铆接”、“敛缝”、“热套”、“镶入”等,这些接合方法均借助了力学领域的能量。而相对的,冶金性接合则分为“熔接”、“压接”、“钎焊”等方法,不同的接合方法对应使用不同的能量。此外还有属于化学性接合,采用粘合剂的接合方法。不同的接合方法各有优缺点,要实现有效接合,就必须根据不同的材料及接合条件,选择恰当的接合方法。

机械性接合



  • 铆接
  • 敛缝
  • 螺栓接合
  • 热套
  • 镶入


化学性接合


  • 粘合



冶金性接合(焊接)

熔接

  • 电弧焊接
  • 电子束焊接
  • 气焊焊接


  • 激光焊接

压接

电阻焊接:

  • 电阻点焊接
  • 凸焊焊接
  • 接头焊接
  • 电阻对焊
  • 闪光焊接
  • 爆炸焊接
  • 常温压接
  • 摩擦压接
  • 摩擦搅拌焊接(FSW)
  • 超声波压接
  • 扩散接合


钎焊

  • 诱导加热熔接(软钎焊=金属电焊)
  • 焊炬钎焊(火焰钎焊)


  • 光束钎焊
  • 激光钎焊

根据接合方法不同,焊接大致可分为三类。下面介绍焊接的分类及机理。

熔接

在焊接中,较为常见的方法是“熔接”。熔接时,需要将母材和焊材或其中之一熔化,以实现焊接。典型的熔接就是“电弧焊接”。电弧焊接、激光焊接这些熔接方法常用于机械手的自动焊接。在汽车组装线等复杂的生产线上,会根据工序的特性和条件,分别采用机械手焊接和人工焊接。

电弧焊接


金属焊接方法简介
江南体育:金属焊接方法简介(图2)

电弧焊接示意图

A.电弧

B.焊接部


压接

分为“摩擦压接法”、“气体压接法”和“电阻点焊接”。“摩擦压接法”利用的是物质的塑性,即向物质施加一定的力并使其发生变形后,即使不再用力,也会保持变形的性质;“气体压接法”是通过将母材相互压紧,再用气体加热以实现接合;“电阻点焊接”则是将待接合的2块母材相互重叠并通电,将电阻发热作为热源以进行接合。此外,“摩擦压接法”、“电阻点焊接”等压接方法可实现自动化和无人化,因此自动压接机被广泛应用于FA(工厂自动化)车间江南体育。

电阻点焊接

江南体育:金属焊接方法简介(图3)

电阻点焊接示意图

A.加压力

B.电流的流向

C.电极

D.焊接材

钎焊

利用熔化温度(熔点)低于母材的焊材(钎焊材)进行接合的方法。为了在不熔化母材的前提下实现接合,且与母材拥有良好的接合状态,钎焊材中添加了焊剂。钎焊材不仅熔化温度应低于母材,还必须具备出色的亲和性,熔化后的钎焊材原子必须能与母材的原子相结合。

钎焊材有“铝钎焊”、“银钎焊”、“磷铜钎焊”、“黄铜钎焊”等,可根据不同的接合材料选择使用。此外,锌、铅、锡或锡铅合金等钎焊材熔点较低的“软钎料”统称为“焊膏”。钎焊可轻松地将金属接合起来,因此很早开始就用于日用品、美术工艺品、牙科用品上。此外,电子线路等的“软钎焊”利用了钎焊材的导电性,广泛应用于从家电产品到航空器、核工业、化工设备等各种领域。

江南体育:金属焊接方法简介(图4)

钎焊示意图

  1. 钎料、焊膏
  2. 接合部

焊接大致可分为“熔接”、“压接”、“钎焊”三种,对各自进行进一步细分的话还有很多种焊接方法。下面介绍类属于熔接的“电弧焊接”的分类及机理。

电弧焊接的种类

在“熔接”中,“电弧焊接”也是在各种工业领域被广泛应用的焊接法。根据特征、装置结构、使用的气体等有更具体的分类,其中“TIG焊接”、“MIG焊接”、“MAG焊接”等可以用保护气体将焊接部和大气隔离开来的气体保护电弧焊,由于非常适合自动化,被广泛应用。

包括气体保护电弧焊在内的“电弧焊接”大致可分为焊接棒(或焊丝)熔化的“电极消耗式(溶极式)”和不熔化的“非电极消耗式(非溶极式)”两种。

电弧焊接

金属焊接方法简介

非电极消耗式(非溶极式)

  • TIG焊接
  • 等离子焊接

电极消耗式(溶极式)

  • 被覆电弧焊接
  • MAG焊接
  • MIG焊接
  • 气电立焊(EGW)

电弧焊接的机理

在电弧焊接中,利用“电弧放电”这一电气现象。电弧放电是指气体放电现象的一种,是在空气中产生的电流。对空间上相互独立的两个电极施加电压,破坏空气的绝缘,在两个电极之间产生电流,同时发出强光和高热。此时产生的弧(Arc)状光称为“电弧”,将电弧热用作热源的焊接方法就是“电弧焊接”。在电弧焊接中,对电极(焊接棒或焊丝)施加正电压,对母材施加负电压。这样,就会从母材向电极产生电弧。电弧的输出电流约为5 A至1,000 A,输出电压为8至40 V左右。电弧的温度约为5,000°C至20,000°C。铁的熔化温度约为1,500°C。母材和电极变为高温,融入后接合。

江南体育:金属焊接方法简介(图6)

A.电弧

B.焊接部

手弧焊 (MMA) 基础知识

手弧焊概述

电流类型

电焊条类型

不同药皮类型的性能

正确的手弧焊焊接

电弧的引燃

电焊条的移动

磁偏吹

焊接参数

焊接电流大小和电焊条直径的关系

需要用到的装备

概述

手弧焊焊接(焊接方法编号 111)属于一种熔化焊接方法,进一步是归类到金属电弧焊接方法。ISO 857-1 标准(1998年出版)中对这类焊接方法做了描述,下面是从英语翻译过来的描述:

金属电弧焊接:一种电弧焊接过程,在这个过程中采用了一个消耗性的电极。没有保护气体的金属电弧焊接:一种金属电弧焊接过程,在这个过程中没有外部输入的保护气体。手工金属电弧焊接:由手工完成的金属电弧焊接,在这个过程中采用了一个包敷了一层药皮的电极。

在德国人们将最后提到的这种方法称为电弧手工焊接或简称为手弧焊(口语中也会被成为电极焊接)。在说英语的地区,对这种方法的缩写是 MMA 或 MMAW (Manual Metal Arc Welding)。这种方法的特点是,电弧在一个熔化的电极和熔池之间燃烧,没有外加的保护,所有的防止大气的保护作用均来自于电极本身。电极既是电弧的载体,又是填充材料。外层的药皮会生成熔渣和/或保护气体,它们保护过渡的熔滴和熔池不受大气中的氧气,氮气和氢气的侵入。

Anwendung E-Hand

电流类型

电弧手工焊接(MMA手弧焊)在原则上既可以用直流电流,也可以用交流电流来焊接。当然,并不是所有药皮类型的电焊条都可以用正弦波的交流电流来焊接,例如纯碱性的焊条就不行。大部分的焊条类型在用直流电流焊接时都是焊条接负极性,工件接正极性。碱性焊条在此却属于例外,这类焊条接正极性时焊接效果更好。有一些纤维素型的焊条品牌也是接正极性焊接。在关于电焊条类型的章节中有更详细的描述。电焊条是焊工手上的工具,焊工将燃烧着电弧的电焊条置于焊缝处并使焊缝边缘的金属熔化。不同的焊缝形式和母材厚度需要用不同强度的电流。对于一定的电焊条,其所能承受的电流强度有一定的限度,该限度和电焊条的直径和长度有关,所以在市场上有各种不同直径和长度规格的电焊条。DIN EN 759 标准中对这些尺寸作了规定。电焊条的芯棒直径越大,所要用到的焊接电流也越大。

电焊条类型

电焊条上包敷的药皮有不同的类别,其成分有很大的差别。药皮的构成决定了电焊条的熔化特性,焊接性能和焊缝的强度(更多的阐述见章节 "各种电焊条的不同应用" )。在 DIN EN 499 标准中给出了用于非合金钢焊接的电焊条的不同药皮的类型。其中分有基本型和混合型。分类中使用的缩写字母来自于英语的表达。其中 C=cellulose(纤维素), A=acid(酸性), R=rutile(氧化钛)和 B=basic(碱性)。在德国占主导应用的是氧化钛型。电焊条上的药皮有薄层药皮,中厚层药皮和厚层药皮。对氧化钛焊条来说,这三种不同的药皮厚度都常见,为了容易辨别,所以对厚药皮焊条用RR表示。合金钢和高合金钢焊条则没有这么多样化的药皮类型。例如,焊接不锈钢的电焊条只有氧化钛型和碱性两种,在DIN EN 1600 标准中有其分类。焊接热强钢的电焊条也是如此(DIN EN 1599),但是这类氧化钛型焊条中还有氧化钛/碱性混合型焊条,只不过没有专门标出来。这种焊条用在强制性位置焊接时有更好的焊接性能。用于焊接高强钢的电焊条(DIN EN 757)则只有碱性药皮。

Stabelektroden

不同药皮类型的性能

药皮的成分和厚度对焊接性能有很大的影响。受其影响的既有电弧的稳定性,也有焊接中材料的过渡方式,以及熔渣和熔池的黏性。特别是电弧中过渡熔滴的颗粒大小受到影响。


江南体育:金属焊接方法简介(图7)

药皮类型示意图

这张示意图显示了四种基本类型药皮的熔滴过渡状态:纤维素 (a),氧化钛 (b),酸性 (c),碱性 (d)。

钎维素药皮主要是由有机物组成,它们在电弧燃烧并且会形成保护气体来保护焊接位置。药皮中除了钎维素和其它的有机物外,只含有少量的用来稳定电弧的物质,所以几乎不会出现熔渣。钎维素型焊条特别适合用于向下立焊,因为不用担心熔渣往下流淌。


酸性药皮 (A)主要组成部分是铁和锰的矿物质,在电弧中会生成大量的氧气。这些氧气也会被焊接的液态金属吸收,并由此降低其表面张力。结果是出现一个颗粒非常细小,喷射形的熔滴过渡和熔池很浅的焊缝。所以这种类型的焊条不适合用于在强制性位置进行焊接。其电弧非常“热”,虽然可以快速焊接,但是容易造成焊缝咬边。因为这些缺点,所以纯酸性的电焊条现在在德国几乎不再被使用。


现在使用的是氧化钛酸性类型(RA),这是一种由酸性和氧化钛混合组成的电焊条,它具有和药皮相应的焊接特性。氧化钛型药皮(R/RR)的成分主要是矿物质的氧化钛(TiO2)和钛铁矿(TiO2 . FeO)或者是人工制造的氧化钛。这种类型电焊条的焊接特征是细小到中等颗粒的熔滴过渡,熔化过程平稳并且飞溅少,焊缝表面非常细致,表面熔渣很容易被清除和很好的重新引弧性能。最后的这个特征只有在电焊条药皮中TiO2含量很高的情况下才能体现出来。这种电焊条如果已经被焊过一段,再次使用时不用清除焊条上熔化过的弧坑也可以重新引弧。当TiO2的含量足够多时,弧坑上的熔渣层就像半导体一样具有导电性,将焊条的弧坑边沿接触工件后会有足够的电流流通,使电弧重新引燃,因而不需要焊条的铁芯直接和工件接触。对经常要中断的焊接过程,例如短焊缝,这种能自发地重新引弧性能是非常有用的。


除了纯氧化钛型外,这一类电焊条还有一些混合型。这里提一下氧化钛-纤维素型(RC),在这种型号的药皮中,有一部分氧化钛被纤维素代替。纤维素在焊接中会燃烧,因此焊接表面形成的熔渣很少。所以这种类型的焊条也可以用于立向下焊接(焊接位置 PG),如果用在其它常见的焊接位置,它也具有很好的焊接性能。


另外一种混合型药皮是氧化钛/碱性型(RB)。这类的药皮厚度比 RR型的厚度要薄一点。这种药皮的熔渣特性使得它特别适合用于向上立焊(PF)。还有一种是碱性药皮(B),该药皮的主要成分是碱性的氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO),还会添加一些氟化钙(CaF2)作为熔渣稀释剂。过多的氟化钙会使交流电流的焊接性变差。所以纯碱性焊条不能用正弦波形的交流电焊接,当然也有一些混合型的药皮,其中含有较少量的氟化钙,这种焊条可以用交流电焊接。碱性焊条熔滴过渡的颗粒大小是中等到大块颗粒,熔池很粘。这种焊条可以用在所有的焊接位置上焊接。由于熔池的黏度很大,所以形成的焊缝呈明显的凸出和粗羽毛状。其焊接接头有很好的韧性。

碱性药皮容易吸收湿气。所以要特别注意将焊条存放于干燥的地方。受了潮的焊条必须要烘干后才使用。用这种干燥的焊条可以焊出含氢量非常低的焊缝。焊条的熔敷率通常小于105%,也有一些焊条会在其药皮中添加铁粉,使其有更高的熔敷率,这类焊条的熔敷率大部分都高于160%。它们也被称为铁粉型或高效率焊条。这种焊条的熔敷速度很高,在很多应用中比普通焊条更有经济效益,但是其应用通常仅限于平焊位置(PA)和(PB)的焊接。

正确的手弧焊焊接

焊工需要有过良好的培训,而且不仅是在动手技巧方面,还必须要有相关的专业知识,以避免出错。德国焊接协会(DVS)的培训纲要是被全世界认可,而且后来还被国际焊接协会(IIW)接受。在焊接前,通常都需要对工件进行定位焊接。定位点应有足够的长度和厚度,以避免被焊工件在焊接中出现严重的收缩和确保定位焊点不会被撕裂。


江南体育:金属焊接方法简介(图8)

焊接示意图

1.被焊工件

2.焊缝

3.熔渣

4.电弧

5.包敷了药皮的电焊条

6.电焊钳

7.焊接电源


电弧的引燃

手弧焊焊接时,电弧是通过接触引弧点燃。将电焊条和工件接触,造成短路,形成一个电流回路,然后将电焊条略微提起 – 电弧就被引燃。不要在焊缝区外引弧,电弧引燃后,引弧点的位置要随即被电弧熔化。否则,有些敏感的材料会因为引弧点的突然受热而出现裂纹。对有焊接气孔倾向的碱性焊条来说,要在焊缝起始位置后面一点的地方引弧,引弧后立即将电弧移到焊缝起始位置开始焊接,随后在焊接经过引弧点时就可以将引弧时散落的,通常都是带有气孔的熔滴再重新熔化。

电焊条的移动

电焊条垂直于被焊工件表面,或斜偏一点点。电焊条在焊接方向有所倾斜。可见的电弧长度,也就是说电焊条熔坑的端头到工件表面的距离,应该和电焊条的焊芯直径大概相同。碱性焊条必须用更短的电弧来焊接(距离=0,5 x 焊芯直径)。为了保证这一点,焊接时碱性焊条的倾斜度要比氧化钛型焊条更直一些。在大部分的焊接位置都是一直往前焊,或者在向上焊而且焊缝间隙逐渐变大时也会做轻微的摆动焊。如果是焊接位置PF,就需要在整个焊缝区间做摆动焊接。通常都是采用拖着焊,只有在焊接位置PF是推着电焊条焊接。


江南体育:金属焊接方法简介(图9)

焊接运条示意图

1.焊缝

2.电焊条

3.液态熔池

4.液态熔渣

5.凝固熔渣

磁偏吹

偏吹现象是说电弧偏离了其中心轴,因此电弧变长,同时还会发出嘶嘶的噪音。这种偏移会造成不连续性,使熔深变浅,在会形成熔渣的焊接工艺中还会因为熔渣往前流动而造成焊缝中夹杂熔渣。出现这种偏移是因为周边的磁场的作用力。正如有电流流通的导线一样,焊条和电弧的周边也会出现环绕的磁场 – 电弧区域的磁场会受母材的影响而改变。靠近母材一边的磁力线会变密,而另一边的会变疏。电弧会向磁通线密度密密集的一方偏移。偏移造成电弧变长,电弧电压变大,并因此出现嘶嘶声的噪音。改变焊接极性对电弧也不会产生有利的影响。因为磁场在铁磁性材料中比在空气中能更好地传播,由此还会出现另外一个磁力。质量很大的铁块对电弧有吸引作用。例如,在焊接可磁化的材料时,焊到板材的端头时可以观察到电弧往内偏移。焊接中相应地使焊条倾斜可以减少电弧偏移的影响。偏吹对直流电流焊接的影响更大,所以在可能条件下,用交流电流来焊接,可以避免或至少是显著减少偏吹的影响。焊接打底焊缝时,由于受周边母材影响,偏吹的现象更为严重。通过密集的定位焊点,并且每个焊点的长度不要太短,可以改善磁通,这有助于改善偏吹的不利影响。

焊接参数

在手弧焊中,只设定焊接电流的大小。电弧电压则取决于电弧的长度,也就是决定于焊工手持电焊条的高度。 在设定电流大小时必须要考虑到所用电焊条的直径及其电流承受能力。适用的规则是,电焊条的焊接电流下限适用于打底焊接和PF 位置的焊接,而焊接电流的上限则适用于其它焊接位置的焊接以及填缝焊和盖面焊。焊接电流越大,焊条的熔化速度也越快,所以焊接速度就更快。随着焊接电流的增大,焊接的熔深也更深。下面给出的电流大小适用于非合金钢和低合金钢的焊接。如果是焊接高合金钢或镍基合金,由于这类材料焊芯的电阻较高,所以需要将焊接电流值设定得低一点。

焊接电流大小和电焊条直径的关系

为了计算所需焊接电流(A)的大小,请参考下面的经验公式:

20-40 x Ø

i电焊条直径为 2,0 mm,焊接电流应该在 40-80 A 之间

电焊条直径为2,5 mm,焊接电流应该在 50-100 A 之间


30-50 x Ø


电焊条直径为3,2 mm,焊接电流应该在 90-150 A之间

电焊条直径为4,0 mm,焊接电流应该在 120-200 A之间

电焊条直径为5,0 mm,焊接电流应该在 180-270 A之间


35-60 x Ø


电焊条直径为6,0 mm,焊接电流应该在 220-360 A之间


手弧焊焊接需要用到的装备:


焊接电源

电焊钳

电焊条

工件夹 / 地线钳

焊接用的工具

焊工服

TIG焊接

“TIG(Tungsten Inert Gas)焊接”代表“隋性气体焊接”。这是一种不会飞溅火花,支持不锈钢、铝、铁等各类金属焊接的电弧焊接。采用不会作为放电电极消耗的钨,使用氩气、氦气等惰性(Inert)气体作为保护气体。在惰性气体中产生电弧,依靠电弧热量熔解母材进行焊接。虽然也会使用焊材,但由于焊接部位被惰性气体包围,电弧也很稳定,几乎不会发生溅射。

江南体育:金属焊接方法简介(图10)

TIG焊接示意图

A.保护气体

B.钨电极

C.氩气

D.电弧

E.焊接金属

F.熔池

G.焊接棒

TIG焊接的半自动设备,由

  • 焊接电源
  • 焊接焊炬
  • 液化气瓶、气体流量调节器

等构成,使用水冷式焊炬或焊丝状焊材时,则需要分别增配不同的必要设备。此外,由于需要根据母材选择电流的极性(正极/负极),因此焊接电源必须配备可根据母材选择极性的装置。

江南体育:金属焊接方法简介(图11)

A.焊接保护气体气瓶

B.焊接电源

C.遥控盒

D.焊炬,焊把。

TIG焊接的类型很多,可根据交流/直流分类、脉冲的有无、焊接焊丝的有无等区分不同的种类。

根据母材的种类,选择交流/直流。脉冲的有无可供选择,使用脉冲的焊接被称为“脉冲TIG焊法”。脉冲TIG焊法中,会以一定的周期,将焊接电流改变为脉冲电流及基础电流。在使用脉冲电流期间熔解母材,在使用基础电流期间进行冷却。该方法可周期性地构成溶融点,形成串珠状的焊缝。

而在使用焊丝时,又可分为“冷焊丝法”和“热焊丝法”。冷焊丝法就是焊接方法的一种。而热焊丝法,则是提前对焊丝释放电流、加热焊丝,能够增加单位时间的熔敷量。热焊丝法可熔敷约为冷焊丝法3倍的焊材,实现短时间快速焊接。TIG焊接虽能实现高品质焊接,却需要花费较长时间来获得熔敷必需的焊材量,热焊丝法则能够弥补这一缺点。

MIG焊接

“MIG(Metal Inert Gas)焊接”属于电弧焊接,与TIG焊接同样会将惰性气体用作保护气体,但MIG焊接是一种熔解放电电极的电极消耗式焊法。通常用于不锈钢及铝合金的接合,可根据焊接素材区分使用保护气体。

电极使用铁丝状的焊丝。焊丝会被卷成线圈状,安装到焊丝供应装置中,由电动马达驱动传送滚轴,将焊丝自动传送到焊炬顶部。对焊丝通电的操作,将在接触片通过时进行。焊丝与母材之间产生的电弧,能够在熔解焊丝与母材的同时进行焊接。此时,设备将通过喷嘴,向焊接部分周围供应保护气体,将电弧、熔融材料与大气隔离开来。

江南体育:金属焊接方法简介(图12)

A. Ar或Ar+2%O₂气体

B.实芯焊丝电极

MIG焊接的半自动设备,由

  • 焊接电源
  • 焊丝供应装置
  • 焊接焊炬
  • 液化气瓶

构成。其结构与MAG焊接机基本相同,但与MAG焊接机相比,焊丝供应装置经过了改良。由于MIG焊接多用于铝的焊接,焊丝供应装置增设了能够稳定供应柔软铝质焊丝的设计(4轴方式)。

江南体育:金属焊接方法简介(图13)

MIG焊接示意图

A.焊接保护气体气瓶

B.气体流量调节器

C.焊接电源

D.焊丝供应装置

E.遥控盒

F.焊接焊炬

MIG焊接还可根据交流/直流类型,以及脉冲的有无进行分类。

MAG焊接

“MAG(Metal Active Gas)焊接”是一种使用活性气体(二氧化碳气体,或氩气与二氧化碳的混合气体)的电弧焊接,也被称为“二氧化碳气体电弧焊接”或“CO2焊接”。通常会用于铁类材料的半自动/自动焊接,但由于非铁金属会与二氧化碳气体产生化学反应,因此不适用于铝等非铁金属的焊接。

在半自动或自动进行的MAG焊接中,会采用铁丝状的焊丝作为电极,来替代被覆电弧焊接(人力手工作业进行的电弧焊接)中的焊条。焊丝会被卷成线圈状,安装到焊丝供应装置中,由电动马达驱动传送滚轴,将焊丝自动传送到焊炬顶部。对焊丝通电的操作,将在支撑焊丝的接触片通过时进行。焊丝与母材之间产生的电弧,能够在熔解焊丝与母材的同时进行焊接。此时,设备将通过喷嘴,向焊接部分周围供应保护气体,将电弧、熔融材料与大气隔离开来。保护气体可使用二氧化碳气体、氩气与二氧化碳的混合气体,或含有百分之十以下氧气的氩气混合气体。相较于被覆电弧焊接,作为熔敷金属的电极熔敷速度更快,具有“母材融入深,作业效率高”的优点。此外,还具有“焊接金属优质”、“可以在机器人等设备上配备焊接焊炬,进行自动焊接”等巨大优势。

江南体育:金属焊接方法简介(图14)

A. Ar+CO₂混合气体
或CO₂气体

B.实芯焊丝电极

MAG焊接的半自动设备,由

  • 焊接电源
  • 焊丝供应装置
  • 焊接焊炬
  • 液化气瓶

构成。焊丝必须由供应装置以一定的速度进行供应。因此,焊接电源通常都会采用稳压特性电源。此外,焊丝供应装置会采用定速供应方式。

江南体育:金属焊接方法简介(图15)

A.液化活性气瓶

B.气体流量调节器

C.焊接电源

D.焊丝供应装置

E.遥控盒

F.焊把,焊炬

MAG焊接可根据保护气体种类、焊接焊丝种类等进行分类。

江南体育:金属焊接方法简介(图16)

作为焊接焊丝,“实芯焊丝”是一种截面均质的焊丝,对于碳素钢用焊丝,为了提高耐锈蚀性及通电性,在表面施加了镀铜工艺。此外,还有未经镀铜的无镀层焊丝,这种焊丝具有“可获得稳定电弧”、“便于维护焊接焊炬内部”的优点。“焊剂焊丝”是焊丝内部含有焊剂的焊丝。具有“可获得稳定电弧”、“溅射少”、“焊接焊缝美观”等优点。同时还具有“焊渣类焊丝”熔敷速度快,“金属类焊丝”焊渣产生量少的特点。

埋弧焊

被覆电弧焊接是电极消耗式(溶极式)电弧焊法的一种,将与母材材质相同的金属棒(被覆电弧焊接棒)作为电极,将芯线与母材间形成的电弧作为热源的焊法。由芯线药皮生成的气体及玻璃状焊渣包覆溶解中的金属进行焊接,气体及焊渣构成的保护层以及在焊接棒顶部形成覆盖区等,具有不易受焊接现场风力等条件影响的优点。

原理上,只可由人工进行焊接的传统焊接方法,该焊法也被称为“手工焊接”。虽然随着二氧化碳气体MAG焊接半自动/自动设备的普及,使用这种焊法的情况越来越少,但由于其具有设备成本相对低廉、室内外都能作业的优势,依旧有用武之地。

江南体育:金属焊接方法简介(图17)

埋弧焊示意图

A.焊接金属

B.溶融焊渣

C.被覆材

D.芯线

E.气体环境

F.电弧

G.熔池

等离子焊接

等离子焊接是在电极与母材间产生等离子电弧,并以此进行焊接的焊法。属于非电极消耗式焊法,与TIG焊接一样,将钨棒作为电极,其特点是可利用包覆电极的喷嘴与等离子气体,起到聚拢电弧、防止扩散的作用。热集中性好,可实现焊缝窄、高速、低扭曲的焊接。电弧指向性高,适用于角焊焊接,同时不会发生溅射。电极消耗少,可进行长时间的高品质焊接。虽然这种焊接机本身的价格高于TIG焊接机,但运行成本较低。这也是最适用于自动焊接的焊法之一。

焊炬内流动的引弧气体(惰性气体)会被引弧热离子化(称为等离子)。离子化的引弧气体,会变成等离子喷射剂,从喷嘴孔喷出,成为电弧电流的导电体。通过这一转变,电弧会被浓缩成为高能量密度电弧,从内嵌凿孔喷出。高能量密度电弧的作用范围仅为TIG焊接电弧的4分之1左右,可以获得电流密度更高的电弧。

江南体育:金属焊接方法简介(图18)

等离子焊接示意图

气电立焊(EGW)

气电立焊(EGW)是为了以垂直方向的高功率、稳定融入实现厚板焊接而开发的,属于电极消耗式焊法。

EGW在多数情况下会将二氧化碳气体作为保护气体,但有时也会使用纯氩气、氩气二氧化碳混合气体、氩气氧气混合气体、氩气氦气混合气体。焊接焊丝经常会采用可形成焊渣、焊缝外观美观的焊剂焊丝,但有时也会使用实芯焊丝。焊接电源通常会使用直流稳压特性电源或直流稳流(下垂)特性电源。

用母材端与铜衬片或耐火性内衬材料等将熔池围起来,可以在防止熔融金属滴落的同时进行向上立焊,因此能够在单条焊道(单次操作)中进行厚板焊接。其优势包括,使用大电流,熔敷速度更快,可进行高功率焊接,同时由于角变形较小,相对于坡口精度具有相对较大的余量。其用途包括船舶侧外板、桥梁建设、储藏槽罐、压力容器等垂直方向对接缝的焊接。

江南体育:金属焊接方法简介(图19)

A.先走焊丝
(实芯焊丝)

B.CO₂

C.电弧

D.熔池

E.后走焊丝
(焊剂焊丝)

F.电弧用稳压特性电源

通电用稳流特性电源

激光焊接

用镜片收集指向性及聚焦性好的波长的光,将能量密度极高的激光作为热源的焊接方法。可实现相对于深度而言,宽度较窄的融入焊接。这些利用激光指向性及集中性的技术,同样也被用于“拼焊(TB)”中的焊接、薄板切割及加工。

根据发出作为能量的光源的方法,激光焊接可分为2大类。“气体激光”利用二氧化碳等气体发出激光(例:二氧化碳气体激光焊接)。而“固体激光”则利用钇、铝及石榴石等矿石发出激光,例如YAG激光焊接。

气体激光

江南体育:金属焊接方法简介(图20)

固体激光

江南体育:金属焊接方法简介(图21)

电子束焊接


电子束焊接是通过在真空中发射电子束,利用该过程中产生的热量进行焊接的方法。用灯丝加热真空中的阴极,可释放电子。用电压使释放的电子加速,再用电磁线圈进行收束,接触到母材时就会产生高能热量。电子束焊接正是利用这种热量进行焊接。

部分电子束焊接机的电子束光点直径约为0.2 mm,电子束的能量密度约为电弧能量密度的1,000倍。由于扩散到焊接部周围的热量很少,能够实现低歪斜的焊接。通过控制电子束的输出,能够调节融入,从而广泛适用于从厚板到薄板的各类母材。同时还能对高熔点金属(钨等)及焊接时可能发生氧化的活性金属(钛等)进行焊接。

其具体用途包括,船舶侧外板、桥梁建设、储藏槽罐、航空部件及电子部件等。


此外,在电子部件中,对于必须进行真空接合的水晶振子密封,可以采用真空钎焊密封的“电子束密封工艺”,通过电子束的热传导熔解金属盖(lid)及陶瓷封装之间的钎焊材。


江南体育:金属焊接方法简介(图22)

电子束焊接示意图

电子束焊接

压接的种类及机理

“压接”是一种通过摩擦或爆炸加热金属接合部,施加压力以实现接合的工艺。加压焊接的简称,也被称为“固态接合”。压接是对通过向接合部(焊接接头)施加机械性压力,实现焊接的焊法的统称。作为通过机械性压力实现的接合,数值可控,因此被广泛用于FA(工厂自动化)。压接主要包括气体压接、摩擦压接、电阻焊接、扩散接合、超声波压接、爆炸压接等。而在摩擦压接中,在对接合部施加强压的同时,通过工具的旋转摩擦来搅拌母材,以提高接头效率的“摩擦搅拌接合(FSW)”正在受到关注。

气体压接

常用于接合建筑物钢筋的焊接方法。压合母材的接合面,用乙炔气体、氧气加热。当母材受热开始熔化后,进一步压紧两片母材。经过加热压合,母材接合面上的不纯物质会被排出,实现接合。

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摩擦压接


高速摩擦用于接合的金属、树脂等母材,依靠此时产生的摩擦热软化母材,同时施加压力实现接合的接合法。相较于电弧焊接及气体焊接,“无需借助摩擦热以外的热源”、“无需焊接棒及焊剂”、“不产生溅射及气体”,是一种环境友好型的接合法。

此外,摩擦压接借助“摩擦推力(压力)”、“旋转数”、“时间”这三要素进行。这些条件均可通过数值来控制,可借助自动控制实现无人化,因此被广泛用于FA(工厂自动化)。江南体育


在摩擦压接中,非常受关注的就是“摩擦搅拌接合(FSW)”。在高速旋转圆柱形工具的同时,通过以高压力将探针(突起部)贯入接合部的方式软化母材,在借助工具旋转对焊接部周围实施塑性变形的同时进行混合搅拌,使部材的原子间实现接合。


摩擦搅拌接合(FSW)

摩擦搅拌接合(FSW)


江南体育:金属焊接方法简介(图24)

A.探针

B.旋转

C.接合范围

D.工具的加压

E.对接面

F.板的移动

G.凸出部

电阻点焊接

叠放焊接材,用连接有焊接用电源的通电用铜电极夹住焊接部分并通电,借助电阻产生的热量(焦耳热)进行溶融接合的焊法。在FA(工厂自动化)中,电阻点焊接的自动设备正在被广泛用于生产线上的接合工序。连续连接焊接点的“接头焊接”,以及在单侧材料的接合部塑造突起,对突起部集中施加电阻热的“凸焊焊接”等,都是运用电阻点焊接的焊法。

江南体育:金属焊接方法简介(图25)

A.加压力

B.电流的流向

C.电极

D.焊接材

凸焊焊接

用于在钢板上焊接螺栓、螺母的焊法。用电阻点焊接的电极抵住单侧母材上的突起,进行焊接的焊法。通过将热量集中在突起部,软化母材,开始压接。随着压接的进展,电阻点将会增大。此时,电流密度将降低,温度则会升高,电阻随之增大,可维持易于发热的状态,实现焊接。因此,与不借助突起的焊法相比,能够获得更加优质的焊接部分。

凸焊焊接可大致分为“浮凸型凸焊”和“固体型凸焊”2种。“浮凸型凸焊”通过加工母材、形成突起部,并将电流集中至突起部,实现焊接。塑造多个突起,就能够同时对多个焊接点进行焊接。具体用例包括汽油槽罐加固材料、减震器支架、滤油器的焊接等。而“固体型凸焊”则不同于浮凸型凸焊,不是在平板上塑造突起,而是利用板材边角、圆棒交点等原本就存在的突起。具体用例包括螺母、螺栓的焊接、刹车鼓的焊接等。

浮凸型凸焊

焊接前

江南体育:金属焊接方法简介(图26)

焊接后

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固体型凸焊

焊接前

江南体育:金属焊接方法简介(图28)

焊接后

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接头焊接


用圆盘电极夹住焊接材,在旋转圆盘电极的同时通电,通过电阻加热,对焊接材进行连续接合的焊法。也被称为“搭接缝焊”。

可进行线形焊接,实现气密性。同时具有焊接速度快、不使用气体进行焊接等成本方面的优点。此外,由于在焊接时不产生闪光等现象,不存在安全问题,无需使用护具。


具体用例包括燃料槽罐等要求气密性的部件、要求防水性的部位等。除了搭接缝焊外,接头焊接还包括“对接缝焊”(连续进行边向对接面加压,边接通焊接电流加热的工序,进行焊接)、“压平缝焊”(略微叠搭母材板端,用辊式电极通电并加压压扁,同时进行连续焊接)等。

接头焊接


江南体育:金属焊接方法简介(图30)


A. 辊式电极

B.焊接部

C.焊接电极


此外,对于小型水晶振子、陀螺仪传感器等对象,必须通过在真空中进行盖子的缝焊,提升产品性能,减少经年性能劣化。此时,就会用到在真空中依靠辊式电极进行气密密封的“真空缝焊装置”。

电阻对焊

对准合放接头端面,施加压力并通电,依靠电阻产生的热量(焦耳热)进行接合的焊法。相对于电阻点焊接用电极夹住2片母材的焊法,电阻对焊则是通过对准合放接头端面进行焊接。焊接部发生镦压(upset)。这种焊法适用于截面面积小的金属线材及棒材的焊接。

闪光焊接

轻触接头端面并通电,依靠电阻产生的热量(焦耳热)进行接合的焊法。不同于电阻对焊,在通电瞬间不对母材施加压力。通电后,在焦耳热升高温度并达到接合温度后施加压力,进行压接。与电阻对焊一样,适用于金属线材及棒材的焊接。

电阻对焊及闪光焊接的机理

江南体育:金属焊接方法简介(图31)

A.加压

B.电极

C.接合部

金属焊接方法简介

钎焊的种类及机理


利用熔化温度低于母材的焊材(钎焊材或软钎料:焊膏)进行接合的方法,在母材不熔化的情况下接合。为了与母材拥有良好的接合状态,钎焊材中添加了焊剂。


钎焊的用途有对气密性有要求的管道、连接器、阀门,需要具备一定耐压性和气密性的压力容器,对耐腐蚀性、耐热性有要求的汽车、摩托车等交通工具的部件等。此外,使用有导电性且熔化温度较低的“软钎料(焊膏)”的“软钎焊”被广泛用于电子线路、电气连接器、精密电子部件等领域。

钎焊的种类及机理


江南体育:金属焊接方法简介(图33)

A. 钎料、焊膏

B. 接合部

按熔化温度分类(硬钎焊、软钎焊)

“硬钎焊”和“软钎焊”按钎焊材的熔化温度分类。“硬钎焊”中使用熔融温度为450°C以上的钎料,而“软钎焊”中使用熔化温度低于450°C的“焊膏(软钎料)”。

软钎焊

使用低熔点钎焊材进行的钎焊。最常见的是以烙铁为代表的、利用电发热进行的“软钎焊”。但是,在FA(工厂自动化)电子部件等的生产中,通常采用“光束钎焊”等。用反射镜聚集大功率光源发出的光,将焦点对到焊接部,用光能进行焊接。使用熔点较低的焊膏(软钎料),可利用机器人进行精准定位的接合,非常适用于耐热性能较低的电子部件等产品的组装自动化和量产。

硬钎焊

使用高熔点钎焊材进行的钎焊。根据热源可分为使用普通气焊枪的“焊炬钎焊”和利用高频率诱导加热的“诱导加热熔接”。此外,还有不使用焊剂,在与大气隔离的炉中对母材和钎焊材进行加热和冷却的“气氛钎焊(炉中钎焊)”等。这些焊接方法用于不锈钢的非氧化钎焊,钛、陶瓷等的接合自动化。

此外,近年来名为“激光钎焊”的钎焊技术也开始进入人们的视野。“激光钎焊”是指一边在母材之间填放钢丝状钎焊材,一边用光能(激光)熔化钎焊材,以进行接合的工艺。母材基本上不会熔化,因此可将热变形控制在理想范围。这样不会影响到产品的外观,可实现轻量且高刚性的接合。以前,在汽车的车顶、侧面板、后行李箱盖等的接合工序中,一般采用电阻点焊接。例如,在车顶和车身的接合中,设置凹槽状车顶连接部分,进行电阻点焊接,接合后,为了隐藏连接部分的凹槽和焊接的痕迹,需要用饰条遮盖。但是,在“激光钎焊”中,能够维持母材的美观,因此可以省略连接部分、饰条等的加工以及部件和工序。此外,接头强度和接合速度会变为电阻点焊接的2倍左右,正在以汽车行业为主,不论是欧洲还是日本国内,应用越来越广泛。

汽车制造中的“激光钎焊”应用部位示例

江南体育:金属焊接方法简介(图34)

硬钎焊(熔点:450°C以上)

使用钎料,在尽量不熔化母材的情况下进行焊接的方法

  • 大气钎焊(焊炬钎焊、诱导加热熔接等)
  • 气氛钎焊(炉中钎焊、非氧化性气氛钎焊等)
  • 用光能的硬钎焊(激光钎焊)

软钎焊(熔点:低于450°C)

使用低熔点焊膏(软钎料),在尽量不熔化母材的情况下进行焊接的方法

  • 用烙铁进行作业
  • 用机器人或自动设备进行的软钎焊
  • 用光能的软钎焊(光束钎焊)

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