焊接工程学(第二篇 焊接方法及自动化).ppt

第二篇焊接方法及自动化 绪论第一章埋弧焊第二章熔化极氩弧焊第三章CO2气体保护电弧焊 绪论 焊接方法的发展及其在现代工业中的作用焊接的本质通过适当的物理化学过程使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离并形成结合力 焊接的基本方法及分类如下图所示 电焊机产品类别 1 弧焊发电机2 弧焊整流器3 弧焊变压器4 埋弧焊机5 气体保护焊机6 电渣焊机7 点焊机8 凸焊机9 缝焊机10 对焊机11 等离子弧设备12 超声波焊机13 电子束焊机14 激光焊机15 其他焊机16 控制设备 第一章埋弧焊 第一节埋弧焊的特点和应用第二节埋弧自动焊机第三节埋弧焊工艺和常见缺陷及其防止措施第四节高效埋弧焊及埋弧堆焊 第一节埋弧焊的特点和应用 埋弧焊过程埋弧焊过程如图4 1所示 焊剂2由漏斗3流出后 均匀地堆敷在装配好的焊件1上 焊丝4由送丝机构经送丝滚轮5和导电嘴6送入焊接电弧区 焊接电源的两端分别接在导电嘴和焊件上 送丝机构 焊机漏斗及控制盘经常装在一台小车上 通过操作控制盘上的按钮开关来实现焊接过程的自动化 优点 生产效率高 焊缝质量高 劳动条件好 缺点 主要适用于水平面焊缝焊接 不能用来焊接铝 钛等氧化性强的金属及其合金 只适用于长焊缝的焊接 不适合焊接厚度小于1mm的薄板 埋弧焊的特点 主要用于焊接各种钢板结构 可焊接的钢种包括碳素结构钢 低合金结构钢 不锈钢 耐热钢及其符合钢材等 埋弧焊在造船 锅炉 化工容器 桥梁 起重机械及冶金机械制造业中应用最为广泛 用埋弧焊堆焊耐磨耐蚀合金或用于焊接镍基合金 铜合金也是较为理想的 埋弧焊的应用 第二节埋弧自动焊机 埋弧焊机的分类按用途分为 通用焊机 专用焊机按送丝方式分为 等速送丝式 电弧电压调节式按行走机构形式分为 小车式 门架式 悬臂式 图4 26所示为小车式行走机构 按焊丝 电极或电弧 数量分为 单丝 双丝和多丝焊机 埋弧焊的结构特点 机械结构1送丝机头包括送丝传动系统 送丝滚轮和矫直滚轮等 右图为焊丝给送机构的传动系统 2行走小车包括行走传动机构 行走轮及离合器 右图为小车行走机构的传动系统 3机头调节结构右图为mz 1000型焊车可调部件的示意图 4导电嘴作用 将电流导至焊丝 结构形式 滚轮式导电嘴 夹瓦式导电嘴 偏心式导电嘴 图4 30为三种导电嘴结构的示意图 此外 埋弧焊机结构还有包括 电源可根据产品焊接要求及焊剂型号交流或直流电源 控制系统通用小车式埋弧自动焊机的控制系统包括 电源外特性控制 送丝和小车拖动控制及程序自动控制 大型专用焊机还包括横臂升降收缩 立柱旋转 焊剂回收等控制系统 MZ 1000型自动埋弧焊机 用途焊接开坡口或不开坡口的对接焊缝 角接焊缝等 技术规格电源电压380V 控制线路电压36V 交流 18V 直流 焊接电流400 1200A 送丝速度0 5 2m min 焊丝直径3 6mm 焊接速度15 70m h 表4 12为埋弧自动焊机的常见故障及排除方法 埋弧自动焊机常见故障及排除方法 第三节埋弧焊工艺和常见缺陷及其防止措施 埋弧焊工艺焊前的准备包括 后焊件的坡口加工 焊件部位的清理及焊件的装配 埋弧焊工艺及焊接规范参数的选择1平板对接焊缝 采用双面焊接 措施有 采用焊剂垫 临时工艺垫板和不用衬托的悬空焊接 2角接焊缝 常出现在丁字接头和搭接接头中 可采用船型焊和斜角焊 埋弧焊常见缺陷及其防止措施 埋弧焊常见缺陷有 焊缝成形不良 咬边 未焊透 气孔 裂缝 夹渣等 缺陷的产生原因及防除方法见表4 17 埋弧焊常见缺陷的产生原因及其防除方法 第四节高效埋弧焊及埋弧堆焊 单面焊双面成形原理 使用较大的焊接电流将焊件一次熔透 采用强制成形的衬垫 使较大的熔池在衬垫上冷却凝固 才能达到一次成形 埋弧焊可分为 1龙门压力架 焊剂铜垫法 1 装配及焊接过程 2 焊缝缺陷及消除方法 焊缝背面焊瘤 凹陷以及咬肉措施 减小装配间隙 贴紧铜垫 正确选用规范并保证其稳定 气孔措施 烘干焊剂并保持清洁 清理焊件接缝边缘 消除水分来源 裂缝 2水冷滑块式 铜垫法一次焊成双面成形焊缝 是生产率提高 必须具备专用的焊接设备 铜衬垫磨损较大 填充金属的消耗也大 3热固化焊剂衬垫法可通过在坡口内堆敷一定高度的金属粒来提高生产率 窄间隙埋弧焊 适用于锅炉和原子反应堆等较厚钢板的焊接 特点 坡口截面积小 需要的热量少 热影响小 材料性能和变形小 破口简单为I型 1能提高生产率 降低成本 但实际应用有较大困难 焊缝窄 焊接在底层进行时 焊渣不易脱落 2可以通过研究改进焊剂 使形成的焊渣易脱落除去 多丝多弧埋弧焊 可以保证合理的焊缝成形和良好的焊接质量 又可提高焊接速度的有效方法 实例分析 双丝埋弧焊分为 纵列式 横列式和直列式 图4 45为双丝埋弧自动焊的原理图 双丝焊用得较多的是纵向排列的方式 根据焊丝间的距离不同可分为 单熔池和双熔池 右图为 纵向排列双丝焊的示意图 右图为多丝焊焊接速度的一个对比资料 观察可知 焊丝数目越多 焊接速度的提高越为显著 三丝埋弧焊 一般称第一根焊丝为L 第二根焊丝为M 第三根焊丝为T L的作用 焊缝宽度随电压升高而变宽 熔池状态变化如图4 48所示 M的作用 M的电弧熔化焊缝宽度和深度方向的金属 对焊缝的成形起较主要的作用 T的作用 主要在L和M的基础上控制焊缝成形 埋弧堆焊 原理 熔化和熔敷焊接材料 使其成为焊件上的堆焊层 但是对焊层熔深要小 进行埋弧堆焊时用圆截面的实芯焊丝或药芯焊丝的方法熔敷率低 速度慢 但当采用带极埋弧堆焊或多根药芯焊丝进行无保护气体堆焊时 就有它独特的优点 如图4 50所示 实例应用 采用埋弧带极堆焊 浅熔深 法应用 关于成型带极 第二章熔化极氩弧焊 第一节熔化极氩弧焊的特点和应用第二节熔化极脉冲氩弧焊第三节窄间隙焊接第四节混合气体选择及应用第五节气体保护半自动焊机的送丝系统 第一节熔化极氩弧焊的特点和应用 熔化极氩弧焊用焊丝作电极及填充金属 其焊接原理如图6 1所示 熔化极氩弧焊的特点 几乎可焊所有金属 焊接厚板铝 铜等金属时生产率比TIG焊高 焊件变形比TIG焊小 可直流反接 焊接铝及其铝合金时有良好的阴极雾化作用 焊接铝及其铝合金时有显著的亚射流电弧的固有自调节作用 熔化极氩弧焊的应用 熔化极氩弧焊50年代初应用于铝及铝合金的焊接 以后扩大到铜和不锈钢 现在也广泛用于低合金钢等黑色金属焊接中 MIG焊接应注意 喷射过渡焊接时 电弧电压应稍低一些 在中等电流范围内 可进行亚射流电弧焊接 粗丝大电流MIG平焊厚板时通常采用双层保护焊枪 可加强对熔池的保护 第二节熔化极脉冲氩弧焊 工艺特点 具有较宽的电流调节范围 有利于实现全位置焊接 可有效的控制输入热量 改善接头性能 此外还具有加强熔池搅拌的作用 可以改善熔池冶金性能以及有助于消除气孔 适合进行厚板窄间隙焊接 合理进行脉冲参数选择 包括 基值电流 脉冲电流 脉冲频率 脉冲宽比的选择 第三节窄间隙焊接 窄间隙焊接是焊接厚板的一种高效率的焊接方法 坡口形式主要是I形 在横焊及管接头焊接时也可以是小角度的V形 间隙一般在6 14mm 可以应用于平焊 垂直焊 横向焊以及全位置焊接 可以焊接黑色金属 也可以焊接有色金属 按照热输入量大小分为 低热输入窄间隙焊接和高热输入窄间隙焊接 低热输入窄间隙焊接 低热输入窄间隙焊接的优点 1减小了残余应力和工件的变形 2可防止热影响区产生再热裂纹 3焊缝金属晶粒细小 韧性好 4母材金属能够均匀地稀释到焊缝金属中去 5细丝窄间隙焊接 板厚大于50mm 其生产率等经济指标可超过埋弧焊 高热输入窄间隙焊接 采用直流正极性焊接法及脉冲电流焊接法 直流正极性焊接法如图6 12所示 其特点如下 焊道浅而宽 成形系数大 产生结晶裂缝的倾向性较小 焊丝熔化速度快 生产率较高 只适合于焊接板厚12 40mm的低合金钢 并且只用于平焊 最佳规范参数的范围很窄 脉冲电流焊接法示意图如图6 13所示 特点 改善了焊缝形状 即使在反极性下 也可得到无裂缝的优质焊缝 在国外 已应用于电站锅炉大直径厚壁管环缝的焊接 电弧摆动技术 电弧摆动技术是窄间隙焊接发展过程中的重要内容 主要方式有 导电管在坡口内作横向摆动 如图6 14所示 借助弯成15 的扁平导电管在坡口内左右旋转实现电弧的摆动 如图6 15所示 焊丝呈波浪形送进 采用绞合焊丝 第四节混合气体选择及应用 Ar He焊接铝及铝合金可改善焊缝熔深 减少气孔和提高生产率 焊接铜及铜合金可改善焊缝金属的润湿性 提高焊接质量 对于钛 锆等金属的焊接 也可改善熔深及焊缝金属的润湿性 Ar H2可用来焊接镍及其合金 可以抑制和消除镍焊缝中的CO气孔 可提高电弧温度 增加母材热量输入 Ar N2主要用于焊接铜及铜合金 焊接奥氏体不锈钢时 对提高电弧的刚度以及改善焊缝成形有一定效果 Ar O2进行高强度钢的窄间隙垂直焊时 可减少焊缝金属产生树枝状晶间裂纹的倾向 焊缝形状为蘑菇形 Ar CO2广泛应用于焊接碳钢及低合金钢 焊接电弧稳定 飞溅小 容易获得轴向喷射过渡 克服了阴极漂移现象及焊缝成形不良等情况 Ar O2 CO2试验证明30 Ar 15 CO2 5 O2混合气体对于焊接低碳钢 低合金钢是最佳的 无论焊缝成形 接头质量以及金属熔滴过渡和电弧稳定性方面都非常满意 O2 CO2熔敷速度高 熔深大 焊缝金属含氢量较低 能采用强规范 大电流 进行焊接 第五节气体保护半自动焊机的送丝系统 熔化极气体保护焊机按机械化程度分为 自动焊机和半自动焊机 半自动焊机的送丝方式 见图6 19推丝式焊枪结构简单 操作方便 稳定性差 拉丝式实现均匀送进 推拉丝式等速送进焊丝 影响送丝稳定性的因素 焊丝在送丝软管中的阻力相关因素 软管内径 材料 弯曲度和焊丝弯曲度 焊丝在导电嘴中的阻力导电嘴应有合适的孔径和长度 保证导电可靠 又要保证送丝通畅 送丝滚轮结构和对焊丝的驱动方式 1平面式送丝机构 见图6 21 特点 结构简单 使用与维修方便 工作前需要仔细调节压紧轮的压力 送丝滚轮结构和对焊丝的驱动方式 在平面式送丝机构中 可以用一对送丝滚轮 也可采用两对或者三对送丝滚轮 每对滚轮又可单主动或双主动 滚轮结构如图6 22 上下滚轮应根据焊丝材质及直径进行不同的组合 以V形槽滚轮为例 其组合情况如图6 23 2行星式送丝机构优点 适合于输送药芯焊丝及小直径铝丝和钢焊丝 可以将几个行星送丝机构单元串联起来 组成线式送丝系统 不需要减速齿轮箱 因而体积小 重量轻 3双曲面滚轮行星式送丝机构优点 可传递很大的轴向推力而不损伤焊丝表面 体积小 重量轻 第三章CO2气体保护电弧焊 第一节CO2电弧焊的特点和应用第二节CO2电弧焊的冶金特性第三节CO2气体及焊丝第四节CO2电弧焊规范参数选择第五节减少金属飞溅的措施第六节CO2电弧焊设备第七节特种CO2电弧焊 第一节CO2电弧焊的特点和应用 特点 生产率高 焊接成本低 能耗低 使用范围广 抗锈能力较强 焊后不需要清渣 应用 主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属 还有对焊缝性能要求不高的不锈钢焊件 按操作方式分类 自动焊和半自动焊 第二节CO2电弧焊的冶金特性 合金元素的氧化CO2电弧从两个方面使Fe及其合金元素氧化1是与CO2直接作用 低于金属熔点的温度下进行 不占主要地位 2与高温分解出的原子氧作用 出现合金元素的氧化烧损 主要问题 合金元素烧损 CO气孔 飞溅 脱氧措施及焊缝金属的合金化脱氧剂 Al Ti Si Mn等合金元素试验表明 Si和Mn以适当比例联合脱氧效果最佳 气孔问题气孔类型 一氧化碳气孔 氢气孔 氮气孔 第三节CO2气体及焊丝 CO2气体纯度对焊缝质量的影响CO2气体的纯度对焊缝金属的致密性有较大的影响 焊接用CO2的纯度要 99 8 CO2气体的提纯 焊丝采用含有Si Mn等脱氧元素的焊丝有利于减少气孔和飞溅 保证焊缝具有较高的机械性能 包括 实芯焊丝 药芯焊丝 活化处理焊丝 活化处理 在焊丝表面涂一薄层碱金属 碱土金属或稀土金属的化合物来提高焊丝发射电子的能力和降低弧柱的有效电离势 起到细化金属熔滴 减少飞溅 改善焊缝成形 常用活化剂为Cs的盐类 第四节CO2电弧焊规范参数选择 在CO2电弧焊中 为获得稳定的焊接过程 通常采用短路过渡和细颗粒自由飞落过渡两种熔滴过渡形式 短路过渡焊接在我国应用最为广泛 短路过渡焊接 特点 电压低 电流小 适合于焊接薄板及进行全位置焊接 生产率高 变形小 操作容易 规范小 光辐射 热辐射以及烟尘都较小 主要采用细焊丝 细颗粒过渡焊接 定义 在CO2电弧中 对于一定直径焊丝 在电流增大到一定数值并配以适当的电弧电压后 焊丝金属熔滴可以较小的尺寸自由飞落形式进入熔池 特点 电弧穿透能力强 母材熔深大 适合于焊接中等厚度及大厚度工件 对规范参数的影响比较敏感 对设备稳定性要求高 一般都采用较粗的焊丝 焊接规范参数的选择焊接电流增大 电弧电压必须相应提高 采用直流反极性 此外 还有一种介于两者之间的过渡形式 称为混合过渡 或称半短路过渡 第五节减少金属飞溅的措施 正确选择工艺参数 焊接电流与电压 焊枪角度 焊丝伸出长度 颗粒过渡焊接时在CO2中加入Ar气 短路过渡焊接时限制金属液桥爆断能量 在回路中串联电抗器 电阻或增大变压器的阻抗 电流切换法 电流波形控制法 采用低飞溅率焊丝 实芯焊丝尽量减少含碳量 采用活化过的焊丝 进行正极性焊接 采用药芯焊丝 焊接规范参数选择 较低的电弧电压和与之匹配的焊接电流 串联焊接回路电感 以调节短路电流增长速度 电弧燃烧时间以及控制母材的熔深 选择合适的焊接速度控制单位能 焊丝伸出长度应为焊丝直径10 12倍 采用直流反极性气体流量5 15L min 小 20L min 中 25 50L min 大 第六节CO2电弧焊设备 对电源外特性的要求恒压和下降外特性都可以满足电源 对电源动特性的要求颗粒过渡焊接时对电源的动特性没有什么要求 短路过渡焊接时要求 1足够大的短路电流增长速度2当焊丝成分及直径不同时 短路电流增长速度可进行调节 供气系统 供气系统如图7 11预热器 一般采用电热式 用电阻丝加热 尽量装在靠近钢瓶的出气口附近 干燥器 用来防止气孔和减少焊缝金属中的含氢量 装在气路中 CO2焊机控制电路举例 NBC 250型CO2半自动焊机主要技术性能控制电