焊接基礎知識

一、基本知識

1.什麼叫焊接?
答：兩種或兩種以上材質(同種或異種),通過加熱或加壓或二者並用,來達到原子之間的結合而形成永久性連接的工藝過程叫焊接.
2.什麼叫電弧？
答：由焊接電源供給的，在兩極間產生強烈而持久的氣體放電現象—叫電弧。
〈1〉按電流種類可分為：交流電弧、直流電弧和脈衝電弧。
〈2〉按電弧的狀態可分為：自由電弧和壓縮電弧（如等離子弧）。
〈3〉按電極材料可分為：熔化極電弧和不熔化極電弧。

3.什麼叫母材？
答：被焊接的金屬---叫做母材。　
4.什麼叫熔滴？
答： 焊絲先端受熱后熔化，並向熔池過渡的液態金屬滴---叫做熔滴。
5.什麼叫熔池？
答：熔焊時焊件上所形成的具有一定幾何形狀的液態金屬部分---叫做熔池。
6.什麼叫焊縫？
答：焊接后焊件中所形成的結合部分。
7.什麼叫焊縫金屬？
答：由熔化的母材和填充金屬（焊絲、焊條等）凝固后形成的那部分金屬。
8.什麼叫保護氣體？
答：焊接中用於保護金屬熔滴以及熔池免受外界有害氣體（氫、氧、氮）侵入的氣體---保護氣體。
9.什麼叫焊接技術？
答：各種焊接方法、焊接材料、焊接工藝以及焊接設備等及其基礎理論的總稱—叫焊接技術。
10.什麼叫焊接工藝？它有哪些內容？
答：焊接過程中的一整套工藝程序及其技術規定。內容包括：焊接方法、焊前準備加工、裝配、焊接材料、焊接設備、焊接順序、焊接操作、焊接工藝參數以及焊后處理等。
11.什麼叫CO2焊接？
答：用純度> 99.98% 的CO2做保護氣體的熔化極氣體保護焊—稱為CO2焊。
12.什麼叫MAG焊接？
答：用混合氣體75--95% Ar + 25--5 % CO2 ，（標準配比：80%Ar + 20%CO2 ）做保護氣體的熔化極氣體保護焊—稱為MAG焊。
13.什麼叫MIG焊接？
答： 〈1〉用高純度氬氣Ar≥ 99.99%做保護氣體的熔化極氣體保護焊接鋁及鋁合金、銅及銅合金等有色金屬；
     〈2〉用98% Ar + 2%O2 或95%Ar + 5%CO2做保護氣體的熔化極氣體保護焊接實心不鏽鋼焊絲的工藝方法--稱為MIG焊。
     〈3〉用氦+氬惰性混合氣做保護的熔化極氣體保護焊。
14.什麼叫TIG（鎢極氬弧焊）焊接？
答：用純鎢或活化鎢（釷鎢、鈰鎢、鋯鎢、鑭鎢）作為不熔化電極的惰性氣體保護電弧焊，簡稱TIG焊。
15.什麼叫SMAW（焊條電弧焊）焊接？
答：用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法。
16.什麼叫碳弧氣刨？
答：使用碳棒作為電極，與工件間產生電弧，用壓縮空氣（壓力0.5—0.7Mpa）將熔化金屬吹除的一種表面加工的方法。常用來焊縫清根、刨坡口、返修缺陷等。
17.為什麼CO2焊比焊條電弧焊效率高？
答：〈1〉CO2焊比焊條電弧焊熔化速度和熔化係數高1-3倍；
    〈2〉坡口截面比焊條減小50%，熔敷金屬量減少1/2；
    〈3〉輔助時間是焊條電弧焊的50%。
三項合計：CO2焊的工效與焊條電弧焊相比提高倍數2.02--3.88倍
18.為什麼CO2焊接接頭比焊條電弧焊的焊接接頭質量好？
答：CO2焊縫熱影響區小，焊接變形小；CO2焊縫含氫量低（≤1.6ML/100g），氣孔及裂紋傾向小；CO2焊縫成形好，表面及內部缺陷少，探傷合格率高于焊條電弧焊。
19.為什麼CO2焊比焊條電弧焊的綜合成本低？
答：〈1〉坡口截面積減少36-54%, 節省填充金屬量；
    〈2〉降低耗電量65.4%；
    〈3〉設備台班費較焊條電弧焊降低67-80%，降低成本20-40%；
    〈4〉減少人工費、工時費，降低成本10-16%；
    〈5〉節省輔助工時、輔料消耗及矯正變形費用；
綜合五項,CO2焊能使焊接總成本降低  39.6-78.7%,平均降低59%。
20.什麼叫低頻脈衝？適用哪些焊接？
答：脈衝頻率在0.5—30Hz的脈衝電弧叫作低頻脈衝焊接。主要用於不鏽鋼、鋼和鈦等有色金屬的TIG焊。
21.什麼叫中頻脈衝？適用哪些焊接？
答：脈衝頻率在30-500Hz的脈衝電弧叫作中頻脈衝焊接。由於具有電弧壓縮效應，電弧集中，挺度好，主要用於薄件不鏽鋼、鋼和鈦等有色金屬的TIG焊和不鏽鋼和鋁及鋁合金的MIG焊。
22.為什麼CO2焊接有飛濺？
答：焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸（短路過渡），由於強烈過熱和磁收縮的作用使熔滴爆斷，產生飛濺。CO2焊機的輸出電抗器和波形控制可以將飛濺降低至最小程度。
23.為什麼MIG/MAG大電流焊接才能實現射流過渡，無飛濺？
答：MIG/MAG焊接時，各種金屬均具有短路過渡轉變為射流過渡的臨界電流值（如：φ1.2碳鋼、不鏽鋼焊絲，電流I≥260—280A），此時電弧呈射流過渡狀態，實現無飛濺焊接。
24.為什麼MIG/MAG小電流焊接要用帶脈衝的電源才能實現射流過渡，無飛濺？答：MIG/MAG焊接，焊接電流低於臨界電流值時，採用帶脈衝的電源，其脈衝電流大於臨界電流值，電弧也能呈射流過渡狀態，實現無飛濺焊接（如：使用松下AG2/GE2脈衝MIG/MAG焊機，φ1.2碳鋼、不鏽鋼、鋁及鋁合金焊絲在電流I≥80A時已實現脈衝射滴過渡，其脈衝電流Ip≥350A）。

二、電阻焊焊接原理

    焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法稱為電阻焊。電阻焊具有生產效率高、低成本、節省材料、易於自動化等特點，因此廣氾應用於航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等各工業部門，是重要的焊接工藝之一。
一、焊接熱的產出及影響因素
    點焊時產生的熱量由下式決定：Q=IIRt（J）————（1）
       式中：Q——產生的熱量（J）、I——焊接電流（A）、R——電極間電阻（歐姆）、t——焊接時間（s）
       1.電阻R及影響R的因素    
       電極間電阻包括工件本身電阻Rw，兩工件間接觸電阻Rc，電極與工件間接觸電阻Rew.即R=2Rw+Rc+2Rew    
       當工件和電極一定時，工件的電阻取決與它的電阻率.因此，電阻率是被焊材料的重要性能.電阻率高的金屬其導電性差（如不鏽鋼）電阻率低的金屬其導電性好（如鋁合金）。因此，點焊不鏽鋼時產熱易而散熱難，點焊鋁合金時產熱難而散熱易.點焊時，前者可用較小電流（几千安培），而後者就必須用很大電流（几萬安培）。電阻率不僅取決與金屬種類，還與金屬的熱處理狀態、加工方式及溫度有關。    
       接觸電阻存在的時間是短暫，一般存在於焊接初期，由兩方面原因形成：    
       1）工件和電極表面有高電阻係數的氧化物或臟物質層，會使電流遭到較大阻礙。過厚的氧化物和臟物質層甚至會使電流不能導通。    
       2）在表面十分潔淨的條件下，由於表面的微觀不平度，使工件只能在粗糙表面的局部形成接觸點。在接觸點處形成電流線的收攏。由於電流通路的縮小而增加了接觸處的電阻。    
       電極與工件間的電阻Rew與Rc和Rw相比，由於銅合金的電阻率和硬度一般比工件低，因此很小，對熔核形成的影響更小，我們較少考慮它的影響。
       2.焊接電流的影響   
       從公式（1）可見，電流對產熱的影響比電阻和時間兩者都大。因此，在焊接過程中，它是一個必須嚴格控制的參數。引起電流變化的主要原因是電網電壓波動和交流焊機次級迴路阻抗變化。阻抗變化是因為迴路的幾何形狀變化或因在次級迴路中引入不同量的磁性金屬。對於直流焊機，次級迴路阻抗變化，對電流無明顯影響。    
       3.焊接時間的影響    
       為了保証熔核尺寸和焊點強度，焊接時間與焊接電流在一定範圍內可以相互補充。為了獲得一定強度的焊點，可以採用大電流和短時間（強條件，又稱硬規範），也可採用小電流和長時間（弱條件，也稱軟規範）。選用硬規範還是軟規範，取決于金屬的性能、厚度和所用焊機的功率。對於不同性能和厚度的金屬所需的電流和時間，都有一個上下限，使用時以此為準。
       4.電極壓力的影響    
       電極壓力對兩電極間總電阻R有明顯的影響，隨著電極壓力的增大，R顯著減小，而焊接電流增大的幅度卻不大，不能影響因R減小引起的產熱減少。因此，焊點強度總隨著焊接壓力增大而減小。解決的辦法是在增大焊接壓力的同時，增大焊接電流。
       5.電極形狀及材料性能的影響    
       由於電極的接觸面積決定著電流密度，電極材料的電阻率和導熱性關係著熱量的產生和散失，因此，電極的形狀和材料對熔核的形成有顯著影響。隨著電極端頭的變形和磨損，接觸面積增大，焊點強度將降低。
       6.工件表面狀況的影響   
       工件表面的氧化物、污垢、油和其他雜質增大了接觸電阻。過厚的氧化物層甚至會使電流不能通過。局部的導通，由於電流密度過大，則會產生飛濺和表面燒損。氧化物層的存在還會影響各個焊點加熱的不均勻性，引起焊接質量波動。因此徹底清理工件表面是保証獲得優質接頭的必要條件。
二、熱平衡及散熱    
        點焊時，產生的熱量只有一小部分用於形成焊點，較大部分因向臨近物質傳導或輻射而損失掉了，其熱平衡方程式：    
              Q=Q1+Q2————（3）其中：Q1——形成熔核的熱量、Q2——損失的熱量
       有效熱量Q1取決與金屬的熱物理性能及熔化金屬量，而與所用的焊接條件無關。Q1=10%-30%Q，導熱性好的金屬（鋁、銅合金等）取下限；電阻率高、導熱性差的金屬（不鏽鋼、高溫合金等）取上限。損失熱量Q2主要包括通過電極傳導的熱量（30%-50%Q）和通過工件傳導的熱量（20%Q左右）。輻射到大氣中的熱量5%左右。
三、焊接循環    
        點焊和凸焊的焊接循環由四個基本階段：    
       1）預壓階段——電極下降到電流接通階段，確保電極壓緊工件，使工件間有適當壓力。   
       2）焊接時間——焊接電流通過工件，產熱形成熔核。    
       3）維持時間——切斷焊接電流，電極壓力繼續維持至熔核凝固到足夠強度。    
       4）休止時間——電極開始提起到電極再次開始下降，開始下一個焊接循環。    
       為了改善焊接接頭的性能，有時需要將下列各項中的一個或多個加于基本循環：
       1）加大預壓力以消除厚工件之間的間隙，使之緊密貼合。   
       2）用預熱脈衝提高金屬的塑性，使工件易於緊密貼合、防止飛濺；凸焊時這樣做可以使多個凸點在通電焊接前與平板均勻接觸，以保証各點加熱的一致。   
       3）加大鍛壓力以壓實熔核，防止產生裂紋或縮孔。  
       4）用回火或緩冷脈衝消除合金鋼的淬火組織，提高接頭的力學性能，或在不加大鍛壓力的條件下，防止裂紋和縮孔。
四、焊接電流的種類和適用範圍   
       1.交流電     可以通過調幅使電流緩升、緩降，以達到預熱和緩冷的目的，這對於鋁合金焊接十分有利。交流電還可以用於多脈衝點焊，即用於兩個或多個脈衝之間留有冷卻時間，以控制加熱速度。這種方法主要應用於厚鋼板的焊接。
       2.直流電     主要用於需要大電流的場合，由於直流焊機大都三相電源供電，避免單相供電時三相負載不平衡。
五、金屬電阻焊時的焊接性  
       下列各項是評定電阻焊焊接性的主要指標：
       1.材料的導電性和導熱性     電阻率小而熱導率大的金屬需用大功率焊機，其焊接性較差。
       2.材料的高溫強度     高溫（0.5-0.7Tm）屈服強度大的金屬，點焊時容易產生飛濺，縮孔，裂紋等缺陷，需要使用大的電極壓力。必要時還需要斷電后施加大的鍛壓力，焊接性較差。
       3.材料的塑性溫度範圍     塑性溫度範圍較窄的金屬（如鋁合金），對焊接工藝參數的波動非常敏感，要求使用能精確控制工藝參數的焊機，並要求電極的隨動性好。焊接性差。
       4.材料對熱循環的敏感性    在焊接熱循環的影響下，有淬火傾向的金屬，易產生淬硬組織，冷裂紋；與易熔雜質易於形成低熔點的合金易產生熱裂紋；經冷卻作強化的金屬易產生軟化區。防止這些缺陷應該採取相應的工藝措施。因此，熱循環敏感性大的金屬焊接性也較差。

三、電阻焊的種類    

 電阻焊的種類很多，常用的有點焊、縫焊和對焊三種。
           一、點焊
           點焊是將焊件裝配成搭接接頭，並壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點的電阻焊方法。點焊主要用於薄板焊接。
           點焊的工藝過程：
           1、預壓，保証工件接觸良好。
           2、通電，使焊接處形成熔核及塑性環。
           3、斷點鍛壓，使熔核在壓力繼續作用下冷卻結晶，形成組織緻密、無縮孔、裂紋的焊點。
           二、縫焊
           縫焊是將焊件裝配成搭接或對接接頭，並置於兩滾輪電極之間，滾輪加壓焊件並轉動，連續或斷續送電，形成一條連續焊縫的電阻焊方法。
           縫焊主要用於焊接焊縫較為規則、要求密封的結構，板厚一般在3mm以下。
           三、對焊
           對焊是使焊件沿整個接觸面焊合的電阻焊方法。
           1、電阻對焊
           電阻對焊是將焊件裝配成對接接頭，使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態，然後斷電並迅速施加頂鍛力完成焊接的方法，
           電阻對焊主要用於截面簡單、直徑或邊長小於20mm和強度要求不太高的焊件。
           2、閃光對焊
           閃光對焊是將焊件裝配成對接接頭，接通電源，使其端面逐漸移近達到局部接觸，利用電阻熱加熱這些接觸點，在大電流作用下，產生閃光，使端面金屬熔化，直至端部在一定深度範圍內達到預定溫度時，斷電並迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。
           閃光焊的接頭質量比電阻焊好，焊縫力學性能與母材相當，而且焊前不需要清理接頭的預焊表面。閃光對焊常用於重要焊件的焊接。可焊同種金屬，也可焊異種金屬；可焊0.01mm的金屬絲，也可焊20000mm的金屬棒和型材。