第四章-起重机械--焊接工艺及设备

第四章 焊接工艺及设备第一节 焊接接头形式及焊接符号由两个或两个以上零件用焊接组合或已经焊合的接头，称为焊接接头。焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区。一、焊接接头及坡口形式焊接接头形式主要有对接接头、T 型接头、角接接头、搭接接头 4 种。其次还有十字接头、卷边接头、端接接头、锁接接头、套管接头等。应用较多的主要是对接接头（如板板对接、管管对接） ，其次是 T 形接头，压力容器的裙式支座与筒体的连接，多属于搭接。两焊件表面构成夹角在 135180之间的接头，称为对接接头。连接对接接头的焊缝形式可以是对接焊缝，也可以是角焊缝或对接与角接组合焊缝，但以对接焊缝居多。对接焊缝的坡口形式主要有 I 型、V 型、U 型、X 型坡口等。常见对接接头形式如图 4-1 所示。为保证厚度较大的焊件能够焊透，常将焊件接头边缘加工成一定形状的坡口。坡口除保证焊透外，还能起到调节母材金属和填充金属比例的作用，由此可以调整焊缝的性能。坡口型式的选择主要根据板厚和采用的焊接方法确定，同时兼顾焊接工作量大小、焊接材料消耗、坡口加工成本和焊接施工条件等，以提高生产率和降低成本。根据 GB985-88 规定，焊条电弧焊常采用的坡口形式有不开坡口（I 形坡口） 、Y 形坡口、双 Y 形坡口、U 形坡口等。手工电弧焊板厚 6mm 以上对接时，一般要开设坡口，对于重要结构，板厚超过 3mm 就要开设坡口。厚度相同的工件常有几种坡口型式可供选择，Y 型和 U 型坡口只需一面焊，可焊性较好，但焊后角变形大，焊条消耗量也大些。双 Y 型和双面 U 型坡口两面施焊，受热均匀，变形较小，焊条消耗量较小，在板厚相同的情况下，双 Y 形坡口比 Y 形坡口节省焊接材料1/2 左右，但必须两面都可焊到，所以有时受到结构形状限制。U 型和双面 U 型坡口根部较宽，容易焊透，且焊条消耗量也较小，但坡口制备成本较高，一般只在重要的受动载的厚板结构中采用。表 4-1 例举了气焊、手工电弧焊和气体保护焊焊缝坡口几种形式和尺寸的规定。表 4-1 气焊、手工电弧焊和气体保护焊焊缝坡口形式和尺寸举例焊件厚度/mm名 称 焊缝符号 坡口形式与坡口尺寸/mm 焊缝形式 焊缝标注方法13 b=01.536不开坡口（I 形坡口）b=02.5326 Y 形坡口 =4060;b =03;P=142060U 形坡口 18;b=03;P=14; R =68;从对接接头力学角度分析，它的受力状况较好，应力集中较小，能承受较大的静载荷或动载荷，接头效率高，是焊接结构应用最多的接头形式。为保证焊接质量，减少焊接变形和焊接材料的消耗，需要把焊件的对接边缘加工成各种形式的坡口。一般钢板厚度在 6mm 以下，可开 I 型坡口（即不开坡口，但重要结构厚度 3mm 时，就应开坡口） 。厚度 626mm时，采用 V 型或 Y 型坡口。厚度 1260mm，可开 V 型或双面 Y 型坡口，它可比单面 V 型或 Y 型坡口减少填充金属将近一半，焊后变形也较小。U 型或双面 U 型坡口的填充金属量更少，焊后变形更小，但加工困难。T 型接头是将一个焊件的端面与另一焊件的表面构成直角或近似直角的接头，为 T 型接头。连接 T 型接头的焊缝形式有角焊缝、对接焊缝和组合焊缝。坡口形式为单边 V 型、I 型、K 型、U 型及带钝边 J 型坡口等。T 型接头如图 4-2。T 型接头由于焊缝向母材过渡较急剧，接头在外力作用下内部应力分布极不均匀，特别是角焊缝，其根部和过渡处都有很大的应力集中。因此这种接头承受载荷尤其是动载荷的能力较低。对于重要的 T 型接头，必须开坡口并焊透，或采用深熔焊接，方可大大降低应力集中。两焊件端部构成大于 30、小于 135夹角的接头，为角接接头。其焊缝形式有对接焊缝、角焊缝，坡口形式有 I 型、Y 型、单边 Y 型及 K 型坡口（双面单边 V 型坡口） 。搭接接头是指两焊件部分重叠在一起所构成的接头。其焊缝形式有角焊缝、钎焊焊缝。坡口形式有 I 型坡口、钎焊坡口。这种接头的强度较低，尤其是疲劳强度，只用于不重要的结构。不开坡口的搭接接头一般用于厚度 12mm 以下的钢板，其重叠部分长度由设计决定（通常 L2b1+2b2） 。当重叠钢板面积较大时，为保证强度可分别选用圆孔内塞焊或长孔内角焊的形式。为了满足焊接工艺的需要，保证接头的质量，焊件需要用机械、火焰或电弧等方法开坡口。选择坡口应注意焊接材料的消耗量、可焊到程度、坡口加工条件、焊接变形等。同厚度的工件，采用双面 V 型坡口或 Y 型坡口比 V 型或 Y 型坡口可节省较多的焊接材料、电能和工时。选择适当的坡口形式，配合合理的工艺，还可有效地减小焊接变形。坡口的加工方法可根据工件尺寸、形状及加工条件选择，一般有几种方法。一是 I 型坡口可在剪板机上剪切加工，然后用刨边机进行细加工。二是用刨床或刨边机加工坡口，有时也可铣削加工。三是车削，用车床或车管机加工坡口，适用于加工管子坡口。四是热切割，用气体火焰或等离子弧手工切割或自动切割机加工坡口。可切割出 V 型或 Y 型、双面 Y 型坡口，如球罐的球壳板坡口加工。碳弧气刨，主要用于清理焊根时的开坡口，效率高，但劳动条件差。铲削或磨削，用手工或风动工具铲削或使用砂轮机磨削加工坡口，效率很低，多用于缺陷返修时的开坡口。二、焊缝与焊缝符号焊缝是指焊件经焊接后所构成的结合部分。组成焊缝的金属即焊缝金属。焊缝的形状和质量将直接影响焊件或结构的性能。按焊缝结合形式可分为对接焊缝和角焊缝两大类。主要尺寸以焊缝高度、焊缝宽度和熔池深度来表示。角焊缝是沿两直角或近直角零件的交线所焊接焊缝，主要尺寸以焊脚高度和焊缝厚度表示。按焊缝在空间的位置，可分为平焊缝、立焊缝、横焊缝和仰焊缝 4 种。图 4-2 焊缝标注方法 a)焊缝 b)焊缝正面标注方法 c)焊缝剖面标注方法第二节 焊接电源电弧：一种强烈而持久的气体放电现象，正负电极间具有一定的电压，而且两电极间的气体介质应处在电离状态。引燃焊接电弧时，通常是将两电极（一极为工件，另一极为填充金属丝或焊条）接通电源，短暂接触并迅速分离，两极相互接触时发生短路，形成电弧。这种方式称为接触引弧。电弧形成后，只要电源保持两极之间一定的电位差，即可维持电弧的燃烧。电弧特点：电压低、电流大、温度高、能量密度大、移动性好等，一般2030V 的电压即可维持电弧的稳定燃烧，而电弧中的电流可以从几十安培到几千安培以满足不同工件的焊接要求，电弧的温度可达 5000K 以上，可以熔化各种金属。 电弧组成：阴极区、阳极区、弧柱区三部分，如图 3-1 所示。图 3-1 电弧的构造 1-电极 2-直流电源 3-弧柱区 4-工件 5-阳极区 6-阴极区阴极区发射电子，因而要消耗一定的能量，所产生的热量占电弧热的 36%左右；在阳极区，由于高速电子撞击阳极表面并进入阳极区而释放能量，阳极区产生的热量较多，占电弧热的 43%左右。用钢焊条焊接钢材时阴极区平均温度为 2400K，阳极区平均温度为 2600K。弧柱区的长度几乎等于电弧长度，热量仅占电弧热的 21%，而弧柱区的温度可达6000K8000K。 弧焊电源：焊接电弧所使用的电源称为弧焊电源，通常可分为四大类：交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变弧焊电源。 直流正接：采用直流焊机当工件接阳极，焊条接阴极时，称为直流正接，此时工件受热较大，适合焊接厚大工件； 直流反接：当工件接阴极，焊条接阳极时，称为直流反接，此时工件受热较小，适合焊接薄小工件。采用交流焊机焊接时，因两极极性不断交替变化，故不存在正接或反接问题。 电源是焊机的主要组成部分，是对焊接电弧提供能量的一种装置。一、焊接电源及电特性焊接电弧的引燃一般有两种方式：即接触引弧和非接触引弧。接触引弧是在弧焊电源接通后，电极与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃起来，这是最常用的引弧方式。非接触引弧是指电极与工件之间存在一定的间隙，施加高电压击穿间隙，使电弧引燃。非接触引弧需要引弧器才能实现。电弧的电特性包括静特性和动特性。电弧沿着其长度方向分为三个区域，见图 4-4。电弧与电源正极所接的一端成为阳极区，与负极相接的那端称为阴极区。阳极区与阴极区之间的部分为弧柱区，或称正柱区、电弧等离子区。由于阳极区与阴极区宽度很小，因此电弧长度可以认为近似等于弧柱长度。弧柱部分的温度高达 500050000K。三个区的电压降分别称为阴极压降 Ui、阳极压降 Uy 和弧柱压降 Uz。它们的总和组成了总的电弧电压 Uf。由于阳极压降基本不变，而阴极压降在一定条件下，基本也是固定的，弧柱压降则在一定气体介质下与弧柱长度成正比。由此可见，电弧电压主要跟弧长相关。图 4-4 电弧结构和电位分布焊接电弧的静特性。一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压 Uf 与电弧电流 If 之间的关系，称为焊接电弧的静态伏安特性，简称静特性，可同下列函数表示：Uf=f（I f）焊接电弧是非线性负载，即电弧两端的电压与通过电弧的电流之间不是成正比例关系。当电弧电流从小到大在很大范围内变化时，焊接电弧的静特性近似呈 U 形曲线，故也称 U 形特性，如图 4-5。+U0 LUfUiUZUyUf图 4-5 焊接电弧的静特性曲线U 形静特性曲线可看成由三段（、）组成。在 段，电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段。在段，呈等压特性，即电弧电压不随电流而变化，是平特性段。在段，电弧电压随电流增加而上升，是上升特性段。在阳极区，阳极压降 Uy 基本上与电流无关，U y=f（I f）为一水平线，见图 4-6 的曲线。在阴极区，当电弧电流 If 较小时，阴极斑点的面积 Si 小于电极端部的面积。这时，S i 随 If 增加而增加，阴极斑点上的电流密度 ji 基本上不变。这意味着阴极的电场强度不变，因而 Ui 也不变。此时，U i=f（I f）为一水平线。到了阴极斑点面积和电极端部面积相等时，I f 继续增加，则 Si 不能再扩张，于是 ji 也就随着增大了。这势必造成增大，以加剧阴极的电子发射。因此，U i 随 If 的增大而上升。图 4-6 电弧各区域的压降与电流的关系图在弧柱区，可以把弧柱看成是一个近似均匀的导体，其电压降可用下式表示：UZ=IfRZ=If =jZ式中，R z 为弧柱电阻；l z 为弧柱长度；S z 为弧柱截面面积； rz 为弧柱的电导率；j z为弧柱的电流密度。可见，当弧柱长度一定时，电压降与电导率及电流密度有关，将 Uz 与 If 的关系分为 ab、bc、cd 三段来分析。在 ab 段：电弧电流较小，S z 随 If 的增加而扩大，而且 Sz 扩大较快，使 jz 降低。同时 If 增加使弧柱温度和电离度增高，因而 rz 增大。由上面的公式可以看出，j z 减小和rz 增大，都会使 Uz 下降，所以 ab 段是下降形状。在 bc 段：电弧电流大小，S z 随 If 成比例地增大，j z 基本不变；此时 rz 不再随温度增加，U z 基本不变， bc 段为水平形状。在 cd 段：电弧电流很大，随着 If 的增加，r z 仍基本不变，但 Sz 不能在扩大了，j z随着 If 的增加而增加，所以 Uz 随 If 的增加而上升。 Cd 段为上升形状。综上所述，把 Uy、U i 和 Uz 曲线叠加起来，即得到 U 形静特性曲线 U=f（I f） 。静特性的下降段由于电弧燃烧不稳定而很少采用。手工电弧焊、埋弧焊多工作在静特性的水平段。不熔化极气保焊、微束等离子焊、等离子弧焊也多半工作在水平段，当焊接电流较大时才工作在上升段。熔化极气保焊和水If0dcbaIfUfOUZUf UyULlzSz rz rzlz下焊接基本上工作在上升段。上面的静特性是在稳定状态下得到的。但是在某些焊接过程中，焊接电流和电压都是在高速变动的时候，电弧是不稳定的。所谓焊接电弧的动特性，是指在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压和电流瞬间值之间的关系 uf=f（i f） 。图 4-7 电弧动特性曲线图 4-7 中，电流由 a 点以很快的速度连续增加到 d 点，则随着电流增加，电弧空间的温度升高。但后者的变化总是滞后于前者，这种现象称为热惯性。当电流增加到 ib时，由于热惯性关系，电弧空间温度还没达到 ib 时稳定状态的温度。由于电弧空间温度低，弧柱导电性差，阴极斑点与弧柱截面积增加较慢，维持电弧燃烧的电压不能降至 b 点，而将提高到 b点，依次类推。对应于每一瞬间电弧电流的电弧电压，就不在abcd 实线上，而在 abcd 虚线上。这就是说，在电流增加的过程中，动特性曲线上的电弧电压，比静特性曲线上的电弧电压高。反之，当电弧电流由 id 迅速减小到 ia 时，同样由于热惯性的影响，电弧空间温度来不及下降。此时，对应每一瞬间电弧电力的电压将低于静特性之电压，而得到 abc d 曲线。图中的 abcd 和 abcd 曲线为电弧的动特性曲线。电流按不同规律变化时得到不同形状的动特性曲线，电流变化速度越小，静、动特性曲线就