焊接技术发展简史

it2026-02-14  4

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金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。 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,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焊料,无需熔化工件本身,借焊料的毛细作用连接工件(如软钎焊、硬焊) ③ 在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两工件间相互渗透接合(如锻焊、固态焊接) 依具体的焊接工艺,焊接可细分为:气焊、电阻焊、电弧焊、感应焊接及激光焊接…等其他特殊焊接。 焊接的能量来源有很多种,包括:气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波…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、水下和太空。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:烧伤、触电、视力损害、吸入有毒气体、紫外线照射过度…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。 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。。 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。

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