焊接技术发展简史

发布时间:2017-05-11 12:00:00

焊接,也称作熔接、镕接,是一种以加热、高温或者高压的方式接合或其他材料如工艺及技术。 焊接透过下列三种途径达成接合的目的:

① 加热欲接合之工件使之局部熔化形成,熔池冷却凝固后便接合,必要时可加入熔填物辅助
② 单独加热熔点较低的,无需熔化工件本身,借焊料的毛细作用连接工件(如、)
③ 在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合或振动等使两工件间相互渗透接合(如、固态焊接)
依具体的焊接工艺,焊接可细分为:、、、感应焊接及等其他特殊焊接。
焊接的来源有很多种,包括:气体焰、等。除了在工厂中使用外,焊接还可以在多种环境下进行,如:野外、水下和。无论在何处,焊接都可能给操作者带来危险,所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。焊接给人体可能造成的伤害包括:、触电、视力损害、吸入有毒气体、照射过度等。

19世纪80年代,焊接只用于铁匠锻造上。工业化的发展和两次世界大战的爆发对现代焊接的快速发展产生了影响。基本焊接方法电阻焊、气焊和电弧焊都是在一战前发明的。但20世纪早期,气体焊接切割在制造和修理工作中占主导地位。过些年后,电焊得到了同样的认可。

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。

焊接技术是随着金属的应用而出现的,古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊,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、锻焊和钎焊的水平上,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。
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。


具体的金属焊接办法有40种以上,主要分为“熔焊、压焊和钎焊”三大类。

熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状况,不加压力完结焊接的办法。熔焊时,热源将待焊两工件接口处敏捷加热熔化,构成熔池。熔池随热源向前挪动,冷却后构成接连焊缝而将两工件衔接成为一体。

在熔焊过程中,若是大气与高温的熔池直接触摸,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构成气孔、夹渣、裂纹等缺点,恶化焊缝的质量和功能。

为了进步焊接质量,大家研讨出了各种维护办法。例如,气体维护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体阻隔大气,以维护焊接时的电弧和熔池率;又如钢材焊接时,在焊条药皮中参加对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧,就可以维护焊条中有利元素锰、硅等免于氧化而进入熔池,冷却后取得优质焊缝。

压焊是在加压条件下,使两工件在固态下完成原子间联系,又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊,当电流经过两工件的衔接端时,该处因电阻很大而温度上升,当加热至塑性状况时,在轴向压力效果下衔接成为一体。


电阻焊

首例电阻焊要追溯到1856年。James Joule(即Joule加热原理发明者)成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。

第1台电阻焊机用于对接焊。1886年,英国的Elihu Thomson造出了第1个焊接变压器并在来年为此项工艺申请了专利。该变压器在2V空载电压时能产生200A电流输出。此后,Thomson又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机,后来点焊成为电阻焊最常用的方法,如今已广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。

1964年,Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。


气 焊

19世纪末,一种氧乙炔火焰的气焊在法国出现了。大约在1900年,Edmund Fouche 和Charles Picard造出了第一支焊炬。实验证明焊炬发出的火焰炙热,大约在3100℃以上。后来焊炬成为了焊接切割钢时的重要工具。

早在英国的Edmund Davy发现当碳化物在水中分解时能产生一种可燃性气体之前就发现了乙炔气体。当乙炔燃烧时,其亮无比,这一点成为它的主要用途。然而,在传输使用乙炔时经常发生爆炸。人们发现丙酮能溶解大量乙炔,尤其是压力增加时。1896年,Le Chatelier发明了一种安全的方法储存乙炔。那就是在圆瓶内使用丙酮和多孔石来储存乙炔。

其他许多国家利用这项法国发明储存乙炔。但时有报道在传输过程中发生爆炸。瑞典人Gustaf Dahlen改变了渗透物的成分,成功做到了让乙炔100%安全。

电弧焊

1810年,Humphrey Davy在电路的两极造了一个稳定的电弧---电弧焊的基础。在1881年的巴黎“首届世界电器展”上,俄罗斯人Nikolai Benardos展示了一种电弧焊的方法。他在碳极和工件间打出一个弧。填充金属棒或填充金属丝可以送进这个电弧并熔化。那时他是法国Cabot实验室的学生,和他的朋友Stanislav Olszewski一道于1885年至1887年间在几个国家得到了专利权。该专利展示了早期电极夹,参见图2。到19世纪末和20世纪上半叶,碳弧焊越来越流行。

Benardos, Nicolai Slavianoff的同胞进一步完善了这一焊接法。1890年,他用金属棒代替碳棒作为电极并获得专利。电极熔化,从而充当热源和填充金属。

但是,焊缝不能隔绝空气,质量问题也接踵而来。瑞典人Oscar Kjellberg在使用该方法修理船上的蒸汽锅炉时注意到焊接金属上到处都是气孔和小缝,这样的话根本不可能让焊缝防水。为了改善这种方法,他发明了涂层焊条,于1907年6月29日获得专利(瑞典专利号27152)。质量改善后,电焊技术得到突破,现在也能应用于工业。这家电焊公司(ESAB,瑞典语首字母缩略)作为一家轮船修理公司于1904年9月12日成立。

此后,在20世纪30年代,又发明了不少新焊接法。直到那时,所有的金属电弧焊都是通过手工焊的方法完成的。人们不断尝试用连续丝让该工艺自动化。最成功的发明是埋弧焊,在这种焊接方法中,电弧埋在一层粒状熔剂里。

气体保护电弧焊早在1890年就由C. L. Coffin获得了专利。但在二战期间,航空业需要找到焊接镁和焊接铝的方法。1940年,在美国,用隋性气体保护电弧的实验开展得如火如荼。通过使用钨电极,不用熔化电极也可以打出电弧。这样的话,不管有没有填充金属都可以进行焊接。这种方法现在称为TIG焊接(钨极惰性气体保护电弧焊)。

过些年以后,用连续放入金属丝作为电极的MIG焊接工艺(熔化极惰性气体保护电弧焊)出现了。起初,保护气体为隋性气体氦或氩。

因为CO2更容易找到(活性气体保护电弧焊MAG),Lyubavskii 和 Novoshilov成功使用了它。他们使用“浸沾转移”法减少了由产生激烈的飞溅引起的一些问题。到那时为止,我们今天使用的大多数焊接工艺都已发明。接下来又出现了其他一些焊接法,诸如激光束焊和搅拌摩擦焊,两者都是由英国焊接学会发明的。(见下表)。

焊接工艺的发展:

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焊接工艺 简称 发明者 年代 所属学会 国家
电焊阻 Elihu Thomson 1886-1900 Thomson 电焊 美国
氧乙炔焊 OAW Edmund Fouche Charles Picard 1900 法国
钎焊 TW Goldschmidt 1900 Goldschmidt AG 德国
手工金属电弧焊 MMA,SMAW Oscar Kjellberg 1907 伊萨 瑞典
电渣焊 ESW N.Benardos R.K.Hopkins 190819401950 Paton 焊接学会 俄罗斯美国乌克兰
等离子焊接 PAW Schonner R.M.Gage 19091953 BASF 德国美国
钨极惰性气体保护电弧焊 TIG,GMAW C.L.CoffinH.m.Hobart 和.K.Devers 19201941 美国
药芯焊丝 FCAW Stoody 1926 美国
螺柱焊 1930 纽约海军厂 美国
熔化极惰性气体保护电弧焊 MIG H.M.Hobart和P.K.Devers 19301948 航空战争纪念学会 美国
埋弧焊 SAW Robinoff 1930 国家地下铁道公司 美国
活性气体保护电弧焊 MAG,GMAW Lyubavskii和Novoshilov 1953 苏联
激光切割 Peter Houldcroft 1966 BWRA(TWI) 英国
激光焊接 LBW Martin Adams 1970 英国

搅拌摩擦焊 FSW Wayne Thomas 1991 TWI 英国

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锡 焊

有证据表明焊锡最早出现在5000年前的美索不达美亚。金属加工的历史中,和钎焊可能在公元前4000年就已经出现。

焊是一种加工过程,在该过程中的两个更多个金属材料的接缝处,熔入和填充焊料,使金属材料和焊料结合在一起。不同于常规的焊接,过程不涉及熔化工件,而是控制一定的温度熔化金属焊料达不到熔化工件(母材)的温度。以前几乎所有的焊料中都含有铅,但随着环保意识和关注增强,电子设备制造过程越来越多使用无铅的材料和工艺。

在历史上曾应用于珠宝加工,炊具和工具制造以及其他如彩绘玻璃…等。当前应用最广的当属电子行业的PCBA焊锡了。






焊接电源

19世纪末以前没有出现电焊的理由之一就是缺乏合适的电源。18世纪末期,意大利人VoltaGalvani成功发现了电流。1831年, Michael Faraday创立了变压器和电机原理,这是对电源的重要发展。

首批焊接实验的开展是通过不同类型的方法来解决焊接电源的。

1801年,Humphrey Davy先生在首批电弧实验中使用电池作为电源。

Benardos在碳弧焊实验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机,用150个电池来发电。单是电池的总重量就达到2400kg

Thomson在发明电阻焊机时使用了变压器。

Oscar Kjellberg使用110V直流电压电源,他让电流通过一个装满盐水的桶,从而把电流减小到适当的水平。

1905年,德国AEG公司生产了焊接发电机。它由三相异步电动机驱动,其特性适合焊接,重1000kg, 电流 250A。

直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。焊接变压器很快变得受欢迎,因为它的价格较便宜,消耗能源相对较少。

20世纪50年代末,固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器,接着很快出现了硅整流器。此后,硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。这些整流器现在都普遍使用,尤其是用于大型焊接电源。

焊接逆变器的出现是在电源上最引人注目的发展。伊萨首个逆变器模型造于1970年。但是逆变器在1977年以前没有普遍用于工业。1984年,伊萨推出140A“Caddy”牌逆变器,重量只有8kg


先进焊接工艺

出现时,实验证明它是更集中、更炙热的能源,利用它可以提高焊接速度,减少线能量。20世纪60年代出现的激光电子束焊接也与之有相似的好处。质量提高,容差减小,超过了以前可能达到的标准。对新材料和不同金属组合都能进行焊接。电子束狭窄,要求必需使用机械化设备。

从1964年起,机器人就已经用于电阻焊。大约10年后出现电弧焊机器人。电动机器人可以设计得非常精确,达到熔化极惰性气体保护电弧焊焊接的要求。最初,机器人内输入的焊接数据和手工焊使用的焊接数据是相同的。

人们进行了许多尝试来提高熔化极惰性气体保护电弧焊工艺的生产力。加拿大人John Church使用了快速送丝速度和由4种成分组成的保护气体来做此尝试。工艺相似,仍然使用同样的焊接设备,但却有可能让焊接速度提高一倍。

在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法——双丝焊或双芯焊,实验证明更富有成效。最新高效焊接法是混合焊——这种方法结合了两种不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊混合焊是最有发展前景的。这种焊接速度极快,熔深大。

机械化焊接打开了投入到新应用中去的大门。窄间隙焊既节省时间,又节省耗材,减少了热影响区焊接的变形。起初使用的是熔化极惰性气体保护电弧焊工艺,后来也使用埋弧焊和钨极惰性气体保护电弧焊。1980年前后,伊萨把重型埋弧焊、窄间隙焊设备运往了前苏联Volgadonsk。

1992年,TWI获得搅拌摩擦焊专利权。这种焊接法对铝很适用。铝不用熔化就能接合并形成高质量接合点。该工艺不使用耗材,能源消耗少,它的另一个好处就是对环境影响小。此工艺非常简单有效,是20世纪最重要的焊接创新之一。





发展趋势

焊接的有些发展趋势是显而易见的:不断提高生产力;进一步自动化;继续寻找更有效率的焊接工艺。

通过新设计以及使用高强度钢和铝合金的增多,整体构件重量减轻。在焊接展上,我们能清楚看到电子元件、计算机技术以及数字通讯的发展影响着焊接设备的发展。诸如混合激光熔化极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊新工艺已经出现。但是传统的钨极惰性气体保护电弧焊、熔化极惰性气体保护电弧焊以及埋弧焊工艺毫无疑问将继续占主导地位。


(一)
1、的组成
就是涂有药皮的供使用的。它是由药皮和两部分组成。
(l)。中被药皮包覆的称为。焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接时,焊芯有两个作用:一是传导,产生把电能转换成热能;二是焊芯本身熔化为填充金属与母材金属熔合形成。
用于焊接的可分为钢丝、钢丝和三类。
(2)药皮。压涂在焊芯表面的称为药皮。在光焊条外面涂一层由各种矿物等组成的药皮,能使燃烧稳定,质量得到提高。
药皮中要加入一些,使氧化物还原,以保证质量。
由于的高温作用,中所含的某些被烧损(氧化或氮化),这样会使焊缝的降低。通过在焊条药皮中加人或纯,使之随着药皮的熔化而过渡到中去,以弥补烧损和提高的。
改善焊接使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、易脱渣和高。
总之,药皮的作用是保证焊缝金属获得具有合乎要求的化学成分和,并使焊条具有良好的焊接。
2、焊条的分类
(l)按焊条的用途分:
l)和焊条(简称焊条)。
2)。
3)。
4)焊条。
5)。
6)镍及焊条。
7)铜及焊条。
8)焊条。
(2)按焊条药皮熔化后的特性分:
l)。
一般用于焊接和不太重要的。
2)。
碱性的较完全,又能有效地消除焊缝金属中的硫,合素烧损少,所以焊缝金属的机械性能和抗裂性均较好,可用于和重要碳的焊接。
3、焊条的选用
通常应根据组成钢材的化学成分、机械性能。和工作环境(有无腐蚀介质、高温或是低温)等要求,以及的形状。受力情况和(是否有直流)等方面进行综合考虑,以决定选用哪种焊条。在选用焊条时应注意下列原则:
(l)焊件的机械性能、化学成分。、和可按其来选用相应强度的焊条。
在焊条的强度确定后再决定选用酸性还是时,主要决定于具体形状的复杂性,钢材厚度的大小,焊件载荷的情况(静载还是动载)和钢材的抗裂性以及得到的难易等。一般来说,对于塑性、和抗裂性能要求较高,低温条件下工作的焊缝都应选用;当受某种条件限制而无法清理低焊件处的铁锈。油污和等脏物时,应选用对铁锈、油污和敏感性小和抗性能较强的。
钢的焊接如低与、不同的焊接,一般选用与较低钢材相匹配的焊条。
(2)焊件的工作条件及使用性能。一般选用与钢材化学成分相似的焊条,或根据焊件的工作温度来选取。
(3)简化工艺、和降低成本。
4、焊接参数的选择方法
的焊接参数主要有焊条直径、、、焊接层数、电源种类及极性等。
(1)焊条直径的选择。焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接式、焊缝位置及焊接层次等因素。在不影响的前提下,为了,一般倾向于选择大直径的焊条。
(2)的选择。主要根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接式、焊缝及焊接层次等因素来决定,其中,最主要的因素是焊条直径和焊缝。
(3)的选择。是由电弧长来决定。电弧长,则电弧电压高;电弧短,则电弧电压低。
(4)焊接层数的选择。在中、时,往往采用。
(5)电源种类和极性的选择。,电弧稳定,飞溅小,好,一般用在重要的焊接结构或大结构的焊接上。其他情况下,应首先考虑用交流。
一般情况下,使用碱性焊条或的焊接,采用直流反接;而,通常选用正接。[objectObject]

二)碳弧刨割条
工作时只需交、直流弧焊机,不用空气压缩机。

(三)
焊接材料
1、

根据所焊
的不同,焊丝。焊丝、各种焊丝和。按的需要,除焊丝外,焊丝表面均,以利于防锈并改善能。
同一电流使用较小直径的焊丝时,可获得加大焊缝熔深、减小熔宽的效果。当工件装配不良时,宜选用较粗的焊丝。
2.

按用途分为钢用用焊剂,按制造方法分为和陶质焊剂。
(1)焊剂应满足下列基本要求:
l)具有良好的冶金性能。
2)具有良好的

(2)焊剂的分类。埋弧焊焊剂除按其用途分为钢用焊剂和有色金属用焊剂外,通常还按制造方法、化学成分、
和颗粒结构等分类。
l)按制造方法分为:
和陶质焊剂。
2)按化学成分分为:碱性焊剂、酸性焊剂和中性焊剂。
(3)焊剂和焊丝的选配。
的焊接可选用高锰高硅型焊剂,配合H08MnA焊丝,或选用低锰、无锰型焊剂配H08MnA和H10MnZ焊丝。的焊接可选用中锰中硅或低锰中硅型焊剂配合与钢材强度相匹配的焊丝。
的焊接可选用中硅或低硅型焊剂配合相应的焊丝。,一般选用较高的、陶质焊剂,以降低合素的烧损及掺加较多的合素。

(一)熔化焊
1、
GMAW
主要应用于、低熔点材料(有色金属及其合金)、等材料的焊接,以及磨损、件的补焊、变形的火焰矫正等。
2、

SMAW可以进行、立焊、横焊和仰焊等多位置焊接。另外由于电弧焊设备轻便,搬运灵活,可以在任何有电源的地方进行焊接作业。适用于各种、各种厚度和各种结构形状的焊接。
埋弧焊SAW一般只适用于
位置,不适于焊接厚度小于 1mm的
由于埋弧焊熔深大,
高,机械化操作的程度高,因而适于焊接结构的长焊缝。埋弧焊能焊的材料已从发展到等以及某些有色金属,如等。
3、气
EGW
用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊称为
,简称气
通常按照电极是否熔化和不同,分为(钨极)惰性,氧化、CO2和管状焊丝
从被焊件材质上看,CO2气体保护焊可以焊接碳钢和低
;从上看,可以进行全位置焊接,也可以进行、横角焊及其他的焊接。
可用于几乎所有金属和合金的焊接,但由于其成本较高,通常多用于焊接铝、镁、钛和铜等有色金属,以及等。
GTAW所焊接的板材厚度范围,从考虑以3mm以下为宜。对于某些黑色和有色金属的厚壁重要(如及管道),为了保证高的,也采用
熔化极气体保护除具备不
的主要优点(可进行各种位置的焊接;适用于有色金属、、耐热钢、碳钢、合金钢绝大多数金属的焊接)外,同时也具有焊接速度较快,较高等优点。
4、
PAW
广泛应用于焊接、喷涂和。能够焊接更细、更薄(如 1mm以下极薄金属的焊接)的工件 。
5、
ESW
可以焊接各种碳素、耐热钢和中合金钢,现已广泛应用于锅炉、、重型机械、和船舶等的制造中。另外,用可进行大面积和补焊。
6、
LAW
可以焊接各种如碳钢、、铝和钛等金属及其合金、钨、钼等金属以及陶瓷、玻璃和塑料等。特别适于焊接微型、精密、排列非常密集、对热敏感性强的工件,适于焊接厚度小于0。5mm的、直径小于0。6mm的
7、
EBW
设备复杂,价格贵,使用维护要求高;焊件装配要求高,尺寸受真空室大小限制;需防护可以用来焊接绝大多数金属及合金以及要求变形小、质量高的工件等。目前焊已广泛应用于、仪表和等。

(二)
CW
1、

方法主要有四种,即、凸焊和
适用于可以采用搭接、接头不要求气密、厚度小于3 mm的的薄板
广泛应用于油桶、罐头罐、、飞机和汽车油箱的薄板焊接。
凸焊主要用于焊接低碳钢和低合金钢的
。板件凸焊最适宜的厚度为0.5-4mm。
2、

原则上适于焊接大多数

(三)

1、

适于、铸铁以及铜及其合金等材料的是常用的火焰。
2、

分为直接加热及间接加热两种方式。间接加热适宜于热差别较大和厚度差别较大焊件的钎焊。
3、

感应钎悍的特点是加热快、效率高、可进行局部加热,且容易实现自动化。按照保护方式可以分为空气中
和真空中感应钎焊。


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