什么是焊接工艺
- 流程定义
焊接是指通过使用高温将部件熔化在一起并让它们冷却从而导致熔合来连接材料（通常是金属或热塑性塑料）的制造过程。 本质上，材料的原子被迫在接头处混合，形成牢固的键。 焊接热量可以通过电力或气体火焰提供。 当应用于金属时，焊接不同于钎焊和钎焊等低温金属连接技术，后者不会熔化母材金属。
焊接工艺已成为工业制造中的一项重要技术，特别是对于结构钢和钣金制造。 它可以利用具有定制属性的小组件创建大型结构。 焊接还具有优于机械紧固的优点，可以提供更高的强度、更清洁的表面以及更好的接头密封。 因此，焊接在许多重工业中无处不在，包括建筑、造船、航空航天、汽车以及石油和天然气生产。
- 工艺原理
所有焊接工艺都遵循相同的基本原理，即通过向接头施加集中热量来将材料熔化和熔合在一起。 热量使材料在界面上达到熔点，从而使熔融金属混合。 随着热量消散，金属再次凝固，形成冶金结合。 这种结合实际上是一种均质的材料桥，具有与贱金属相同的特性。
具体的焊接过程根据热量的产生和施加方式而有所不同。 大多数技术涉及电极和被焊接金属之间的电弧。 其他则使用燃气火焰、电阻、高能束或摩擦。 热量集中在零件之间接合处附近的一小块区域。 当金属熔化时，通常将额外的金属丝或填充材料添加到熔池中以形成接头。 焊接过程用惰性气体或焊剂保护以防止氧化。
焊接工艺遵循接头准备、预热、加热/熔化、凝固和焊后处理的一般工作流程。 根据金属类型、接头设计、所需强度、定位、自动化需求和其他因素选择适当的工艺。 正确的工艺设置和合格的焊接程序对于实现高质量焊接至关重要。
- 设备和工具
焊接需要设备产生和施加热量以及固定、移动和遮盖接合区域。 常见设备包括：
- 电源提供加热能量。 这包括电弧焊机、电阻和感应加热器、激光发生器、电子束枪和摩擦焊机。
- 电极引导电弧电流流动。 电极可以是消耗性的填充金属，也可以是非消耗性的，仅用于引导电弧。
- 火炬和喷枪利用电弧、气体火焰、激光/电子束或摩擦力传递热量。
- 填充金属是为熔池提供材料的消耗性线材或棒材。 常见的填充合金与贱金属相匹配。
- 屏蔽系统使用气体或焊剂来保护焊池免受大气气体的影响。
- 焊接台、夹具和机器人等定位工具可固定并移动接头。 通常采用自动化。
- 面罩、通风装置、防护服和护目镜等安全装备可以保护操作员。
使用焊接量规、金相仪和无损检测工具等测试设备来验证焊接质量。
- 应用领域
焊接在制造业的许多领域都有应用，只要需要永久金属连接。 一些主要用途包括：
- 建筑：焊接通常用于制造建筑物、桥梁、船舶、石油管道、储罐、铁路、车辆和机械设备的钢结构。 这些应用需要防水、高强度的接头。
- 汽车：汽车工业依靠焊接来组装车架、发动机、变速箱和其他部件。 机器人焊接有助于提高效率和精度。 电阻点焊常用于连接钣金汽车车身。
- 航空航天：飞机机身和发动机采用轻质合金之间的特殊焊接，可以承受极端环境。 焊接还可以通过堆焊和熔覆方法修复喷气发动机零件。
- 造船：船舶使用大量焊接来建造钢制船体、甲板、舱壁和其他部件。 低热方法可以焊接大面板而不变形。
- 能源：石化、核能和可再生能源的储罐、锅炉、管道、塔和其他设备采用焊接结构。 高质量的焊接可防止危险的泄漏和故障。
- 电器：焊接板材和管材可实现冰箱、洗衣机、锅炉和金属家具的大规模生产。 钎焊和钎焊也用于该领域。
- 优点和局限性
焊接具有显着的优点，但也有需要考虑的局限性。
优点：
- 牢固、永久的接头，部件之间完全渗透。
- 气密密封特性可防止泄漏。
- 可以连接不同的金属和厚度。
- 与紧固件相比，基材强度利用率高。
- 表面更光滑，没有孔或紧固件头。
- 比机械紧固更简单、更便宜，适合大规模生产。
- 可以高度自动化以提高效率和一致性。
限制：
- 许多过程需要大量的操作员培训和技能。
- 需要专用设备，且能耗较高。
- 并非所有材料都适合焊接。 塑料通常需要粘合剂粘合。
- 焊接结构中可能会产生温度变形和残余应力。
- 不同种合金之间可能形成脆性金属间相。
- 焊缝是需要适当设计的局部薄弱区域。
- 拆除或更换焊接部分比机械紧固件更困难。
- 焊后清洁、检查和处理会增加时间和成本。
- 工艺参数
焊接过程中必须考虑关键工艺参数，以实现高质量、高效的结果。 这包括操作员控制的因素以及材料和环境的影响。 常用参数有：
- 电流/电压：对于电弧焊，电流决定热量输入，而电压维持电弧。 更高的热量需要更高的安培数。
- 行进速度：更快的行进减少热量输入和渗透。 低速可以改善融合，但会增加失真。
- 极性：直流电极负极 (DCEN) 提供更深的穿透力。 正极电极 (DCEP) 可实现更快的行程。
- 电弧长度：较长的电弧需要较高的电压。 长度过长会导致电弧漂移和不稳定。
- 送丝速度：对于熔化极气体保护焊，将送丝速度与行进速度相匹配来控制熔化。 太快或太慢都会造成缺陷。
- 保护气体：纯惰性气体（如氩气和氦气）可提供最佳的电弧稳定性和焊接保护。
- 凹槽角度：较深的凹槽可增加进入和穿透力，但会减少厚度。 浅凹槽增强强度。
- 预热：较高的预热会降低冷却速度，有助于减少某些金属的裂纹。
- 质量控制
焊接期间和焊接后必须进行严格的质量控制，以实现令人满意的接头完整性、材料性能和外观。 这涉及：
- 目视检查：可以根据质量规范目视识别裂纹、孔隙和不均匀焊道形状等焊接缺陷。
- 无损检测：探伤使用X射线、超声波、着色渗透剂和其他无损检测方法来发现焊缝内部缺陷。
- 破坏性测试：对焊缝样品进行破坏性测试，以验证结合强度和延展性。 测试包括弯曲、拉伸和冲击测试。
- 金相学：显微照片显示制备样品的晶粒结构、相和焊缝熔深。
- 尺寸分析：测量焊接组件以检查是否超出设计规格的翘曲和公差。
- 程序鉴定：焊接程序通过试件进行严格鉴定，以证明令人满意的机械性能。
质量始于正确的接头准备、设置、参数和操作员技术。 AWS D1.1 等规范和标准管理焊接程序和焊工资格的质量要求。
- 发展与趋势
自 1800 年代以来，焊接技术取得了巨大进步，通过工艺、设备、填充金属和自动化的进步扩大了其能力和应用。
关键里程碑包括：
- 1800 年代：引入火焰焊和电弧焊进行金属连接。 电阻焊应用于电线连接。
- 1900-1930 年代：开发了 SMAW、GTAW 和 GMAW 等主要电弧焊工艺。 填充合金得到改进。
- 1950世纪XNUMX年代：采用自动和半自动焊接。 推出了药芯焊丝焊丝。
- 1960 世纪 80 年代至 2 年代：COXNUMX 和 MIG/MAG 焊接针对制造进行了改进。 机器人焊接和计算机控制集成在一起。
- 1990 世纪 XNUMX 年代至今：搅拌摩擦、激光、混合激光和微等离子焊接得到发展。 焊接钛合金等特殊材料。
当前的趋势集中在自动化、远程操作、监控、基于模型的控制、新填充金属和屏蔽方法。 研究旨在提高焊接质量和一致性，并降低成本。
- 客户案例
在许多应用中，焊接与机械紧固相比具有明显的优势：
- 海上石油平台的建设使用大量焊接来组装大型钢框架结构和管道。 焊接接头比螺栓和铆钉更能承受恶劣的海洋环境。
- 美国宇航局的航天飞机外部燃料箱由轻质铝合金板和支撑结构的巨大焊接组件组成。 铆接面板会增加质量。 焊接可以实现更坚固、无缝的接头。
- Tesla 等汽车制造商在车身上使用了 5,000 多个电阻点焊。 粘合剂粘合和自冲铆钉补充了一些焊缝。 尝试用螺栓或铆钉连接数百个钣金零件对于大规模生产来说是不切实际的。
- 管道施工依靠自动焊接工艺快速可靠地铺设数英里的钢管。 焊缝可确保接头防漏、耐压，如果机械紧固，接头就会失效。
- 结语
总之，焊接包括一组多功能的金属和塑料连接工艺，这些工艺已成为现代工业不可或缺的一部分。 它能够以完全强度、气密密封和相对较低的成本永久熔合材料，从而将焊接推向了制造的最前沿。 随着设备、合金、自动化和质量控制的不断进步，焊接将继续在众多领域的制造中发挥关键作用。 然而，每种应用都需要适当的工艺选择、规划和程序开发，以最大限度地提高焊接完整性和使用性能。 如果应用得当，焊接将仍然是实现永久、高质量、值得信赖的接头的主要技术。