焊接

焊接是一种用于熔合两块金属的机械过程。我们也可以借助焊接来连接热塑性塑料。该过程通过加热（高温加热）两个工件的边缘使其熔化来进行。当熔化的工件冷却时，它们就会连接在一起。

我们也可以施加压力来形成一个牢固的接头。一些焊接过程还需要保护层来保护金属免受外部环境因素的影响，例如腐蚀和氧化。

冷却是一种自然现象。焊接过程不需要任何外部冷却剂。两个工件连接后，会在周围温度下自动冷却。

焊接与钎焊和软焊不同，因为它不需要任何贱金属或填充材料来熔合两个工件。我们将在后面讨论这三个过程之间的差异。

焊接应用包括制造运输罐车、连接薄金属板、管道、管子、制造冰箱、洗衣机等。

在这里，我们将讨论以下主题

焊接的能源类型

焊接史

焊接方法

安全问题

焊接的一般应用

软焊 vs 钎焊 vs 焊接

焊接的能源类型

焊接的能源提供热量以熔合两个工件。焊接中使用了各种类型的能源。它们列举如下

• 燃气火焰
• 电弧
• 电子束
• 超声波
• 激光
• 摩擦

让我们详细讨论上述能源及其应用。

燃气火焰焊接

燃气火焰在热源处释放气体。燃气火焰有三种类型：氧化火焰、中性火焰和碳化火焰。

氧化火焰具有更高的氧气浓度。碳化火焰具有更高的燃料浓度，而中性火焰同时具有燃料和氧气。

让我们详细讨论这三种燃气火焰类型。

氧化火焰

它也称为氧乙炔火焰。因为它是一种氧气和乙炔的混合物。氧化火焰有两个区域，内部火焰和外部火焰。火焰的内部区域非常明亮。内部核心的尖端温度约为3300摄氏度。火焰的外部区域通常呈蓝色，如下图所示

氧化火焰用于焊接各种金属，例如锌、锰钢等。

中性火焰

顾名思义，中性火焰含有等量的乙炔和氧气。产生的火焰不会与任何金属发生化学反应。它也 emits 很少的烟雾。火焰有内外两个区域，颜色分别为白色和蓝色，如下图所示

中性火焰用于焊接铸铁、不锈钢等金属。

碳化火焰

碳化火焰也是乙炔和氧气的组合。但是，这里乙炔（燃料气）的浓度过高。产生的火焰烟雾很大，因为火焰可以与金属发生化学反应。

火焰有三个区域，内部、中部和外部区域。这三个区域的颜色分别为白色、红色和蓝色，如下图所示

碳化火焰用于焊接镍、碳钢等金属。

优点

• 可移植
• 更好的温度控制
• 成本低

缺点

• 不适用于焊接厚金属或金属板。
• 加热速度慢
• 与电弧焊相比，温度控制较差

电弧焊

电弧焊是工业中使用最广泛的焊接源。大多数焊接方法都依赖电弧作为热源。电弧产生长时间的放电（气体作为介质的电传输），用作熔合工件的热源。电弧熔化两个工件的末端，当施加压力以保持接触时，它们会熔合。

电弧需要交流电源供电。它也可以在直流（Direct current）电源下运行。

它是用于汽车制造和钢铁的关键焊接工艺。

优点

• 高焊接速度
• 低变形
• 低成本
• 高耐腐蚀性

缺点

• 它产生更多废料，因此效率较低
• 它需要熟练和训练有素的焊工。

电子束焊接

电子束由电子枪产生。电子束由通过电场加速到高速的电子组成。一旦电子束撞击工件，它就会产生动热，进一步导致金属熔化。

电子束通常用于焊接不同的金属工件。电子束产生的动能转化为热能，作为热源熔化工件的接触点以进行连接。它有各种应用，例如密封电气元件、连接不同金属等。

优点

• 良好的质量控制
• 由于在真空室中进行，因此是清洁过程。
• 适用于连接不同金属。

缺点

• 它需要高真空环境。
• 它需要熟练工人。
• 设备成本高。

超声波焊接

两个工件在焊接前被牢固地夹持以形成牢固接触。超声波焊接到两个工件之间的接触点上，从而形成牢固的连接。超声波焊接是一种发射高频超声波声振动的过程，这些振动充当热源。它也用于不同的金属工件。

温度保持在材料的熔点以下，以防止焊接过程中出现任何高温暴露。

优点

• 它能产生紧密的密封和牢固的接头。
• 生产成本低。
• 快速过程。
• 它能产生高质量的产品表面光洁度。

缺点

• 高工装成本。
• 不能用于焊接大型接头。
• 仅适用于特殊设计的接头。

激光焊接

激光是基于电磁辐射的受激发射产生的。激光的优点包括高度单色、高功率和广泛的材料。在这里，激光束作为两个工件之间的接触源。

由于其高速，它是一个快速过程。它还可以对较厚的材料进行深层焊接。激光的高功率使其能够聚焦到甚至很小的点上。它可以通过形成一个腔体轻松穿透工件。高度单色的激光束可以防止熔融壁塌陷。

因此形成的锁孔具有高深宽比。

优点

• 焊接过程稳定，强度高。
• 它需要低热量应用。
• 它提供高水平的准确性。

缺点

• 高初始成本。
• 其厚度受限。
• 能量转换效率低。

摩擦焊

顾名思义，摩擦焊通过工件之间的机械摩擦产生热量。摩擦是通过相互之间的相对运动产生的。摩擦焊的类型包括旋转摩擦焊、线性摩擦焊等。它用于各种应用，例如管道、圆形棒材等的焊接。

优点

• 操作简便。
• 耗时少。
• 它产生的表面杂质很少。
• 它产生高质量的焊缝。

缺点

• 高工装和设备成本。
• 它不能焊接不可锻造材料。

焊接史

• 短脉冲电弧于1801年由康沃尔化学家兼发明家汉弗莱·戴维爵士提出。
• 1802年，俄罗斯物理学家瓦西里·彼得罗夫进一步创造了连续电弧。
• 汉弗莱·戴维爵士并不知道彼得罗夫关于连续电弧的实验。1808年，他重新发现了连续电弧。
• 大约在1881年和1882年，两位俄罗斯和波兰发明家尼古拉·贝纳多斯和奥尔谢夫斯基利用碳电极开发了第一个碳弧焊。
• 许多发明家继续进行电弧实验。
• 1900年，斯特罗门格尔发布了涂层金属电极，从而开发出更稳定的电弧。
• 1905年，俄罗斯科学家弗拉基米尔·米特凯维奇提出了三相弧焊。
• 大约在1893年，两种焊接工艺，即铝热焊和氧燃料焊变得更加流行。铝热焊使用熔融金属连接两个工件（导体）。氧燃料焊现在也称为气体（氧-乙炔）焊接。
• 乙炔早在1836年就被化学教授埃德蒙·戴维发现。但是，它在1900年火炬发展后才开始流行。
• 当时氧燃料焊因其低成本和便携性而更受欢迎。但是，20世纪左右电弧焊取代了它。
• 电弧焊因焊剂或金属覆盖层的进步而流行起来。焊剂用于防止焊缝受到大气污染。它还稳定电弧并允许添加合金成分。
• 第一次世界大战期间焊接的使用量增加。这是因为军事力量所需的设备制造。
• 英国依靠电弧焊来建造飞机和船舶。
• 自动焊接于1920年代左右引入，其中电极丝连续送入。保护气体（惰性或半惰性气体）变得流行起来，以防止焊缝受到大气中存在的氮气和氧气的污染。
• 在20世纪中叶开发了许多焊接方法，例如螺柱焊（类似于闪光焊）和气体钨极弧焊（TIG）。
• 电渣焊和电气焊分别于1958年和1961年引入。
• 大约在1960年，引入了激光束焊接。
• 1991年，摩擦焊在研究和技术组织——焊接研究所开发。

焊接方法

手弧焊

手弧焊也称为焊条焊。它使用电弧作为热源。它需要一个覆盖有焊剂的电极进行焊接。电极需要外部电源（交流或直流）提供能量。

进行焊接时，电极上的焊剂会散发蒸汽，以保护焊接区域。这意味着焊剂蒸汽充当保护气体，以防止焊缝受到大气污染。

手弧焊是最流行的焊接方法之一。

优点

• 设备简单
• 与其他焊接方法相比，便于携带。
• 不需要单独的保护气体。
• 对风不敏感。

缺点

• 会释放烟雾。
• 沉积速率低。
• 焊接过程缓慢。

气体保护金属电弧焊

气体保护金属电弧焊（GMAW）也称为MIG（熔化极惰性气体保护焊）。该设备由电弧（焊接热源）和待连接工件组成。电弧由MIG焊丝电极产生，熔化两个工件之间的接触点以进行连接。

电极枪和电弧释放保护气体，在焊接接触点上方形成保护罩。它保护接触点免受大气污染。

它可以在交流和直流电源下运行。初始阶段惰性气体的成本限制了气体保护金属电弧焊的使用。但在使用半惰性气体二氧化碳后，该焊接技术变得非常流行。它是焊接行业中用途最广泛的工艺之一。

优点

• 它排放的烟雾较少。
• 由于完全自动化，生产效率高。
• 它为焊接区域提供保护罩。
• 用途广泛。

缺点

• 沉积速率较低。

气体钨极弧焊

气体钨极弧焊也称为钨极惰性气体保护焊（TIG）焊。顾名思义，TIG焊接工艺在电极中使用钨材料来产生焊缝。在此过程中，惰性保护气体（例如氦气）可防止电极和焊接区域受到大气污染。

TIG也可用于焊接有色金属或不锈钢材料，例如铝铜。

优点

• 它能产生高质量和坚固的焊缝。
• 保护气体保护。
• 如果需要，我们也可以添加填充金属。
• 它可以应用于各种类型的金属。

缺点

• 复杂的焊接过程。
• 与其他焊接技术相比，速度较慢。
• 由于惰性气体的存在，成本高。
• 它需要适当的安全措施。

埋弧焊

埋弧焊（SAW）也是一种需要电极进行焊接的弧焊类型。需要大量的焊剂来保护金属免受污染。熔融焊缝需要浸没在由二氧化硅、石灰等各种化合物组成的焊剂毯中。熔融状态的焊剂在工件和电极之间提供电流路径。

优点

• 它能产生高质量且表面均匀的焊缝。
• 它产生的烟雾很少。
• 它发出的弧光极小。高弧光发射会伤害我们的眼睛。
• 深焊接熔深。

缺点

• 效率较低

药芯焊丝电弧焊

药芯焊丝电弧焊也是一种使用电弧作为热源的焊接类型。焊接过程可以是全自动或半自动的。它需要连续的消耗性焊剂、电极和恒定电源。保护气体（惰性或半惰性气体）也可以用于保护焊接区域免受大气污染。但是，焊剂足以为焊接区域提供必要的保护。

药芯电弧焊是为了克服手弧焊的缺点而开发的。

优点

• 高焊接速度。
• 它不需要保护气体。
• 它可以很好地处理较厚的接头。

缺点

• 电极成本高。
• 与手弧焊相比，便携性较差。
• 由于焊接过程中会产生烟雾，因此需要通风良好的环境。

电渣焊

电渣焊工艺用于较厚的材料。材料范围在25毫米到300毫米之间。在电渣焊的情况下，电弧会熄灭。添加焊剂以防止焊接区域受到污染。焊剂被添加到焊丝中，直到熔渣到达电极尖端，这会进一步熄灭电弧。

电渣工艺通常使用直流电作为电源。电流范围约为600A。这是因为焊接较厚的材料需要高电流。

优点

• 适用于较厚的材料。
• 低变形。
• 高沉积速率。

缺点

• 焊接不能在任何方向进行。只能在垂直位置进行。
• 高温工艺。
• 它需要冷却来平衡高温。

电气焊

电气焊使用电弧作为热源。它需要一个连接到外部电源的电极来焊接工件。电气焊和电渣焊的主要区别在于电弧不会熄灭。这意味着电气焊中的电弧在整个过程中都停留在电极和工件之间。

电气焊用于储罐建造、造船等。

优点

• 高效率和准确性

安全问题

焊接不是一个简单的过程。在进行任何焊接过程时，必须采取预防措施。使用适当的安全措施、新技术和保护有助于降低因焊接造成的伤害风险。

大多数焊接过程都使用开放能源。因此，被热或火烧伤的几率会增加。让我们讨论一些安全措施，如下所示：

• 使用适当的安全夹克、焊帽和皮手套，以保护自己免受外部热量和火焰的伤害。
• 不要使用任何涤纶或任何合成布料作为安全服。它可能会对身体造成伤害。
• 使用带有深色紫外线过滤面罩的手套或焊帽。
• 在通风良好的区域进行焊接。这是因为焊接重金属时释放的烟雾和气体可能对焊工造成危险。这些焊接烟雾还可能影响人类的神经系统。
• 呼吸器也可以用来保护焊工免受有害烟雾和气体的侵害。
• 将易燃材料（容易着火的材料）远离工作场所。
• 使用耳部保护和靴子。耳部保护有助于避免焊接过程中发出的巨大噪音。

因此，使用适当的个人防护设备（PPE）对于保护免受焊接的有害影响至关重要。忽视这些安全工作实践可能会导致严重伤害甚至死亡。

个人防护设备的类型如下所示

焊接的一般应用

焊接在家庭建设到工业中都扮演着重要角色。大多数应用都依赖电弧焊进行制造和维修。

焊接的常见应用如下

• 汽车工业

汽车工业中使用了各种焊接方法，例如金属电弧焊、激光束焊和钨极电弧焊。它用于修复面板和其他金属部件上的裂缝。

焊接具有高生产率、快速工艺、相关成本，并能产生坚固的焊缝。因此，它在汽车工业中变得非常流行。

• 航空工业

GTAW（气体钨极弧焊）是航空工业中常用的焊接方法。GTAW也可以对较厚的金属部件进行焊接。焊接用于发动机部件、空气处理管道和其他部件的维修。

但是，飞机的合金钢部件不进行焊接，因为它们是经过特殊制造以提高其机械性能的。

• 家庭

许多家庭中的楼梯都由金属围栏组成。它们通常由不锈钢等金属制成。焊接需要连接围栏的各个部分。焊接在家庭中的其他用途包括建造大门、小型电器等。

• 桥梁

接头之间的焊接在金属板和桥梁的其他部分之间产生粘附力。桥梁的部件由重金属组成。因此，药芯电弧焊是这里常用的焊接工艺。

• 异种金属连接

具有不同核心性能的金属被称为异种金属。连接两种异种材料需要高热量，例如气体钨极弧焊和手弧焊。

软焊 vs 钎焊 vs 焊接

让我们讨论一下用于熔合两块金属的软焊、钎焊和焊接工艺之间的区别。