船舶焊接技术概述.ppt

第一章船舶焊接技术概述 一 焊接过程的物理性质及分类通过加热或加压 或两者并用 并辅以填充材料或不用填充材料而使焊件达到原子结合的一种加工方法焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法 焊接过程的实质是用加热或加压等手段 借助于金属原子的结合与扩散作用 使分离的金属材料牢固地连接起来 焊接工艺的特色 焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用 在制造大型结构或复杂的机器部件时 更显优越 因为它可以用化大为小 化复杂为简单的方法准备坯料 然后用逐次装配焊接的方法拼小成大 这是其他工艺方法难以做到的 焊接技术 要使金属固体间的接触表面达到原子之间的力能够产生相互作用距离 需要外部给予很大的能量焊接技术就是利用加热 加压或加热和加压方法 来克服阻碍原子结合的因素以达到构件永久 牢固的连接按照焊接过程中特点来分类 可以归纳为熔焊 压焊和钎焊三大类 熔化焊 这类方法的共同特点 利用局部加热将焊件的接合处及填充金属材料熔化 并相互熔合 冷却凝固后而形成牢固的接头 电弧焊 气焊 电渣焊 电子束焊 激光焊等熔化焊的基本原理 将填充材料 如焊丝 和工件的连接区基体材料共同加热至熔化状态 在连接处形成熔池 熔池中的液态金属冷却凝固后形成牢固的焊接接头 使分离工件连接成为一个整体 在加热的条件下 金属的原子动能增强 促使原子间相互扩散 压焊 这类焊接方法的共同特点 在加热或不加热的情况下 对焊缝区施加一定压力使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离 形成金属键使两金属联为一体 施加压力 使两块金属的原子彼此接触 产生扩散船厂常用的有电阻对焊和缝焊都属于压焊 钎焊 它与熔焊相似 却有本质的区别 采用比母材熔点低的钎料 在低于母材熔点 高于钎料熔点的温度下 借助于钎料润湿母材的作用以填满母材的间隙并与母材相互扩散 最后冷却凝固形成牢固接头的方法 常见的钎焊方法有烙铁钎焊 火焰钎焊等 用于船用通风管道焊接 第二章电弧焊的基本原理 第一节焊接电弧电弧是焊接热源中应用最广泛的一种利用电弧放电时产生的热量 熔化被焊金属和填充金属 从而获得牢固接头的焊接过程一 焊接电弧的产生电弧的实质是在一定条件下 电荷通过两极之间气体空间的一种放电现象 气体电离 在一定情况下 气体分子或原子中的电荷在从外界获得足够的能量 能脱离原子核的束缚而成为自由电子 失去电子的原子成为正离子 这个过程叫做 电离 经电离的气体才有导电作用 在焊接电弧中 根据获得能量的特点 电离可分为3种形式 撞击电离 光电离和热电离使气体电离所需的能量叫做电离电位 电离功 不同的气体或元素 由于原子结构不同 其电离电位也不同 气体原子的激出 电离和电子发射 电子发射 在阴极表面的原子或分子 接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射 电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素 按照能量来源不同 可分为热发射 光电发射 重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等 阴极电子发射 热发射 物质的固体或液体表面受热后 某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面外的空间中去的现象 它随着温度升高而增强 光电发射 物质的固体或液体表面接受光线的能量而释放出自由电子的现象 重粒子撞击发射 能量大的重粒子撞到阴极上 引起电子的逸出 强电场作用下的自发射 物质的固体或液体表面 虽然温度不高 但当存在强电场并在表面附近形成较大的电位差时 使阴极有较多的电子发射出来 简称自发射 维持电弧的必要条件 焊接电弧是气体放电的一种形式 焊接电弧的形成和维持是在电场 热 光和质点动能的作用下 气体原子不断地被激发 电离以及电子发射的结果 实际上 气体介质的电离和阴极电子发射是产生维持电弧的必要条件显而易见 引燃电弧的能量来源主要靠电场及由其产生的热 光和动能 而这个电场就是由弧焊电源提供的空载电压所产生的 电弧的引燃过程 接好焊接回路 用焊条接触工件 形成短路电流通过凹凸不平的接触面而产生电阻热 将电极和工件间气体介质加热 接触面很快熔化 甚至产生金属蒸汽将焊条提到一定高度 高温的阴极表面产生强烈的热发射 同时在焊接电源电压作用下 产生很强的电场强度 产生了非常强的自发射 电离的气体在定向运动时不断和其它气体碰撞产生强烈弧光和高温 加速了电离过程从而产生电弧这一过程包括 短路 空载 燃弧 三个阶段 电弧放电的特点 在放电的过程中 正离子和电子分别冲向两极表面 将动能转变为热能和光能 放出大量的热和眩目的光电弧焊就是利用这种热能进行焊接的 钢焊条焊接钢材时的焊接电弧 电弧放电有三个特点维持放电的电压较低 一般在20 30伏左右 电流密度大电弧有很高的温度 达6000 电弧的不同部位放出的热量不一样 二 焊接电弧的构造和静特性 焊接电弧可分为三个区域阴极区 阳极区和弧柱区紧靠负电极的区域为阴极区 间距约为10 4 10 5mm紧靠正电极的区域为阳极区 间距约为10 1 10 3mm弧柱长度基本等于电弧长度 1 焊接电弧的构造及温度 阴极电压降 阴极表面上有一个明亮的斑点是电子发射的地点 阴极斑点从阴极斑点射出的电子受阳极吸引很快离开阴极向阳极移动正离子质量比电子质量大 运动速度慢 所以在阴极表面附近每一瞬间正离子总和超过电子的总和造成阴极表面附近空间呈正电性 这样从阴极表面到正离子密集的地方形成较大的电位差 称为阴极电压降 阴极区是电弧中最重要的区域 正离子对阴极的撞击以及与阴极发射出的电子结合成中性粒子都要放出能量并传给阴极 使阴极温度升高阴极发射电子要消耗能量以及金属材料的熔化 蒸发要吸收能量 所以阴极温度一般与阴极材料的沸点相当阴极区场强很大 T 2700 5000K 放出的热量约占整个电弧热量的36 38 阳极区是聚集电子的区域 成因与阴极区相似 阳极斑点是由于电子撞击而形成电子质量小 速度极快 在阳极表面聚集的浓度相对较小 而其厚度与阴极区相近 因此阳极电压降通常要低于阴极电压降阳极不发射电子 另外电子速度很大 撞击阳极时传递的能量也大阳极所获得的能量略多于阴极阳极温度略高于阴极温度 一般为4200K左右 所放出的热量约占整个电弧热量的42 43 弧柱区 自由电子 负离子奔向阳极 正离子奔向阴极的通道气体电离和带电粒子发生复合的地方弧柱中主要是自由电子和正离子的混合物 具有良好的导电能力在弧柱径向上 带电粒子分布不均匀 中心密度大 在弧柱长度方向上带电粒子分布均匀弧柱中心温度可达6000 8000K 大大高于阴极区和阳极区 但沿径向温度下降很快 电弧电压 弧柱热量约占整个电弧热量的20 21 电流强度越大 弧柱中电离程度就越大 温度也就越高弧柱温度不受电极材料沸点的限制焊接电流通过两极的电离空间所产生的电压降称为电弧电压 由三个区的降压组成Uh Uy Uya Uz电弧电压大小取决于电极材料 电弧长度和焊接电流的大小 电压降分布图 电弧的构造和电压降分布图 第三章焊条电弧焊 概述3 1焊接接头和焊缝形式3 2焊条电弧焊焊接工艺3 3电焊条3 4焊条电弧焊设备 本章重点 焊条电弧焊的结构与特点 常见的焊接坡口形式 焊接工艺 及电焊条和焊接设备的选用原则 第三章焊条电弧焊 焊条电弧焊 最基本的一种焊接方法 设备简单 操作方便 灵活 适应各种条件下的焊接 特别适合于形状复杂的焊接结构的焊接 虽然焊条电弧焊的劳动条件大 焊接生产率低 但仍然在国内外焊接生产中占据着重要位置 尽管各种自动 半自动化的方法很多 但焊条电弧焊仍是主要焊接方法之一 特别是在造船业 焊条电弧焊基本构造 原理 利用电弧产生热量熔化焊条和母材形成焊缝 焊机 导线 熔池 焊条 焊钳 保护气体 焊件 电弧 焊条电弧焊三要素 热源能量要集中 温度要高 以保证金属快速熔化 减小热影响区 其它满足要求的热源有电弧 等离子弧 电渣热 电子束和激光 熔池的保护渣保护 气保护和渣 气联合保护 以防止氧化 并进行脱氧 脱硫和脱磷 给熔池过渡合金元素 填充金属保证焊缝填满及给焊缝带入有益的合金元素 并达到力学性能和其它性能的要求 主要有焊芯和焊丝 焊接电弧电弧是指两电极之间强烈而持久的气体放电现象 电弧放电电压最低 电流最大 温度最高 发光最强 将电弧放电用作焊接热源 既安全 加热效率也高 电弧的三个区阴极区 阳极区和弧柱区焊接电弧的温度 C和热量分布温度 C热量分布阳极区 260043 弧柱区 6000 800021 阴极区 240036 由于电弧产生的热量在阳极和阴极上有一定的差异 在使用直流电焊机焊接时 有两种接线方法 直流正接 焊件接正极 焊条接负极 厚板 酸性焊条 直流反接 焊件接负极 焊条接正极 薄板 碱性低氢焊条 低合金钢和铝合金 电弧焊的焊接过程 焊条电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热 将工件熔化而进行焊接的 电弧在焊条与被焊工件之间燃烧 电弧热使工件 基本金属 和焊条同时熔化成为熔池 焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中 电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧 药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用 所形成的熔渣和气体可防止空气中氧 氮的侵入 起保护熔化金属的作用 电弧焊的冶金过程特点 电弧和熔池金属温度高于一般的冶炼温度 使金属元素强烈蒸发 并使电弧区的气体分解成原子状态 增大了气体的活泼性 导致金属烧损或形成有害杂质 金属熔池体积小 熔池四周是冷金属 熔池处于液态的时间很短 一般在 秒左右 导致各种化学反应难以达到平衡状态 化学成分不够均匀 气体和杂质来不及浮出易产生气孔和夹杂等缺陷 熔池不断更新 有害气体容易进入熔池 形成氧化物 气孔杂质等缺陷 第一节焊接接头和焊缝形式 一 焊接接头形式焊接接头形式的选择 主要根据焊件厚度 结构形式 强度要求 载荷情况以及施焊条件来决定焊接接头的形式分为四种对接接头T型接头角接接头搭接接头 焊缝的型式与构造 对接 搭接 T型连接 角接 1 对接接头 两块钢板边缘相对位置配置 表面成一直线或厚度中心线在同一直线上接合的接头根据焊件厚度和坡口的不同 对接接头可分为四种形式不开坡口 Y型坡口 U型坡口 X型坡口板厚小于3mm的对接接头可采用卷边的形式 对接处不留间隙 常见的对接接头 Y型坡口对接接头 板厚在6mm以下 且能保证完全焊透 则被焊钢板一般不开坡口 对接处留有1 2mm的间隙重要结构保证焊透时 焊件厚度大于3mm或反面焊前要清根时要开坡口钢板在6 40mm时 为了保证焊透 可采用V型坡口的形式 但焊后变形较大V型坡口的开口角度随焊接方法的不同而不同 一般为50o 60o对接处可留0 2mm的间隙和1mm的钝边在不能进行双面焊时 可采用单面焊双面成型的工艺 但应经过验船部门的同意 X型坡口对接接头 厚度在12 60mm时 可用X型坡口 也就是双面V型坡口这种形式比V型好 在同样厚度下 可减少约50 的填充金属 产生的变形和应力也小主要用于大厚度以及要求变形小的焊件这种接头也要求背面刨槽清根进行双面焊 U型坡口对接接头 U型和双U型坡口增大了底部宽度 缩小了坡口角度 从而减少了填充金属量 且变形小但加工困难 常用于更厚焊件和重要的结构焊接这种接头也要求背面刨槽清根进行双面焊在对两块厚度差大于4mm的钢板进行对接焊时 根据规定应将厚板的边缘加工成斜边斜边的长度不小于两者厚度差的4倍 以使其均匀过渡 2020 3 17 37 可编辑 2 T型接头 两块钢板成T型结合的接头 即一个焊件的端面与另一个焊件的表面成直角或近似直角的接头船体结构约70 的焊缝是这种形式分不开坡口 单边V型 K型等形式一般焊缝厚度在2 30mm时 可不开坡口承受高载荷和疲劳的重要部件 则需开坡口 以保证焊透和提高接头抗载荷的性能 T型接头 3 角接接头 两块钢板在边缘成直角或某一角度 而且在边缘上施焊的接头有开坡口与不开坡口之分这种接头的许多特征与T型接头相似 4 搭接接头 两块钢板在连接处重叠并在顶端边缘施焊的接头这种形式的强度差 在钢板重叠较大时 为保证结构件可靠性 可采用圆孔或长孔内塞焊方法 5 接头过渡形式 当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时 应做坡度不大于1 2 5 静载 或1 4 动载 的斜角 以平缓过度 减小应力集中 二 焊缝的形式 空间位置 平焊缝 立焊缝 横焊缝和仰焊缝在水平面或倾斜角60o以下的平面上表面的焊缝为平焊缝与水平面成60o 120o范围内的平面上的焊缝为立焊缝或横焊缝与水平面成120o 180o的平面上的焊缝为仰焊缝 焊缝位置 焊缝的结合形式 结合形式 对接焊缝 角焊缝和塞焊焊缝对接焊缝主要尺寸是焊缝余高和宽度角焊缝主要尺寸是焊脚高度K和焊喉尺寸h 焊缝的断续情况 连续焊缝和间断焊缝船体结构和海洋平台结构的对接焊缝一般为连续焊缝承受高应力的工作焊缝也必须采用连续焊的形式 间断焊缝 间断焊缝用于角焊中强度要求不高以及不需要密闭的结构焊接降低成本 提高效率以及减少焊接变形间断填角焊缝又可分为交错式角焊缝 链式角焊缝和挖孔焊三种型式主要尺寸有焊段长 l 间距 e 节距 d 和挖孔尺寸对交错式角焊缝和链式角焊缝 在焊缝两端要进行连续包角焊 三 坡口形式 坡口的作用是保证电弧能深入焊缝根部 使焊缝焊透或达到一定深度 以及便于清渣 获得较好的焊缝成形坡口的形状有以下要素表示 单边斜角 坡口角 钝边P和间隙a坡口形式取决于焊接工艺方法 焊接接头形式 焊件厚度及对接接头质量的要求 国家标准GB T985 1988和GB T986 1988做了详细的规定 坡口角或单边角是为便于焊条伸入钝边的作用是防止板材烧穿 尺寸要保证第一层焊缝能焊透间隙的主要作用是为保证根部焊透 但不易过大重要焊缝为保证焊透需进行清根处理 四 焊缝符号 焊缝符号的组成包括 焊缝基本符号 焊缝辅助符号及有关尺寸 焊接方法和指引线等焊缝基本符号用来表明焊缝的剖面形状辅助符号用以表示焊缝的辅助要求指引线由箭头 引出线和横线组成 横线上下可标注各种符号和尺寸 基本符号在横线上面时表示对箭头所指的焊缝正面的要求 在横线下面时表示对焊缝背面的要求引出线和箭头将整个代号指到有关焊缝处焊接方法一般不标注GB324 88 基本符号 辅助符号 补充符号 补充符号应用举例 第二节焊条电弧焊焊接工艺 一 各种位置的焊接在焊接的过程中 焊缝可能处于空间的各种位置 各种位置焊缝的焊接特点不同1 平焊焊缝处在水平位置 容易焊接熔滴易于过渡且熔化金属不会从熔池中流出熔渣均匀地浮在金属上面 焊缝形状易于控制操作容易 劳动强度低 可使用较大焊接电流和焊条直径 所以生产率高电弧对准焊缝中心 采用70o 80o的前倾角 2 横焊 在重力作用下熔池中的铁水向下流淌 使焊缝上部咬肉 下部出现焊瘤或未焊透的焊接缺陷应选用小直径焊条 采用比平焊小的焊接电流和短弧焊的方式焊条通常下倾15o 前倾70o左右横焊时下面的板一般不开坡口或开小角度坡口 以利于焊缝成形 3 立焊 熔池中熔化金属有下流的倾向 使焊缝成形困难 所以比平焊缝难焊通常选用小直径焊条 采用短弧焊并适当加快冷却速度同直径焊条 焊接电流比平焊小10 15 采用合适的操作方法 由下向上进行焊接 4 仰焊 焊条在焊件下方进行焊接 熔滴过渡困难通常选用细焊条 较小的焊接电流 比平焊小 比立焊大 和最短的焊接电弧5 角焊和船形角焊平角焊采用焊条与水平板成45o 前倾70o 80o的操作方式船形角焊的位置可避免咬边和焊角不均的问题 操作方便 可选用比平角焊大的焊接电流 所以生产效率高且焊缝质量好 二 焊条电弧焊焊接工艺参数的选择 焊接工艺参数也称作焊接规范 是指影响焊接质量及生产率的各种因素的综合手弧焊的工艺参数主要有 焊条直径 焊接电流 电弧电压 电源极性和焊接速度这些参数的选择和相互配合关系到焊接质量以及生产效率确定焊接规范一般按下列步骤进行根据焊接结构对性能的要求选择焊机和焊条根据板厚 焊接位置确定其它参数 1 焊条直径的选择 焊条直径是指焊芯的直径 与焊接电流有直接的关系为提高生产率应尽可能选用较大直径的焊条但不能过大 否则焊条不能进入坡口造成未焊透和成形不良等缺陷一般焊件厚度越大 焊条直径越粗 但不能越过焊件厚度 焊条直径的选择 搭接接头 T型接头选用直径较大的焊条平焊的焊条直径比横焊 仰焊的直径大多层焊时 第一层用小焊条 3 2 4mm 保证操作方便和较深的熔透深度 以后各层可适当选用较大直径焊条2 焊接电流的选择焊接电流的选择主要取决于焊条直径 焊接位置和板厚 是焊接规范中的重要参数 焊接电流的选择 根据药皮类型 焊条直径 焊件厚度 焊接形式 焊接位置以及焊接层次等决定 其中主要是焊条直径和焊接位置的影响一般焊条直径越大 焊接电流越大 位置不同焊接电流的选择 平焊 运条和控制熔化金属较容易 电流I可大些其它位置为易于控制熔池中的熔化金属应使熔池面积尽可能小通常立焊的I比平焊小10 15 仰焊比平焊小5 10 碱性焊条比酸性焊条I小些 一般是酸性焊条使用的焊接电流的90 焊接电流大小的判断 根据飞溅大小I大 吹力大产生大颗粒飞溅 焊接时爆裂声大 I小 吹力小 飞溅小 引弧困难 熔池内的熔渣和铁水难分清根据焊缝形成I大 表面焊波粗糙 熔深大 余高低 I小 焊峰窄而高 熔深浅 两侧熔合不良根据焊条熔化情况I大 熔化快 焊条后半根易发红 I小 熔化慢 燃烧不稳 易粘在焊件上 3 电弧电压的选择 大小由弧长l决定 l U 焊接过程中 l弧不易过长 否则会出现电弧不稳 飞溅增加和熔深浅一般应用短弧焊接 特别是碱性焊条 l弧长会出现气孔4 焊接电源极性的选择可根据焊条的酸碱性和焊件所需热量的多少选择不同的接法低氢型碱性焊条需直流反接 以使焊接过程稳定 飞溅小 焊缝熔深大 焊接电源极性的选择 酸性焊条一般是交直流两用 在用直流焊机时厚板可采用直流正接 薄板可采用直流反接 实际上一般都采用反接 这样可以减少焊缝出现气孔和飞溅 而且噪声小 电弧燃烧稳定 5 焊接速度的选择焊条沿焊接方向的