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第三章常用焊接方法 第一节焊条电弧焊 焊条电弧焊由焊接电源 焊接电缆 焊钳 焊条 焊件 电弧构成回路 焊接时采用焊条和工件接触引燃电弧 然后提起焊条并保持一定的距离 在焊接电源提供合适电弧电压和焊接电流下电弧稳定燃烧 产生高温 焊条和焊件局部被加热到熔化状态 焊条端部熔化的金属和被熔化的焊件金属熔合在一起 形成熔池 在焊接中 电弧随焊条不断向前移动 熔池也随着移动 熔池中的液态金属逐步冷却结晶后便形成了焊缝 两焊件被焊接在一起 当弧长变化相同时 陡降特性的弧焊电源的焊接电流变化小 有利于焊接电弧的稳定性 因此手工电弧焊要求弧焊电源具有陡降的外特性 三 常用焊条电弧焊电源简介 3 300型弧焊变压器 焊接电流的两种调节 粗调 改变一 二次侧绕组的接线方法 图 5 细调 改变一 二次侧绕组的距离 图 目前应用最广泛的 动铁式 交流焊机变压器结构简图如下 它是一个结构特殊的降压变压器 属于动铁芯漏磁式类型 焊机的空载电压为60 70V 工作电压为30V 电流调节范围为50 450A 铁芯由两侧的静铁芯5和中间的动铁芯4组成 变压器的次级绕组分成两部分 一部分紧绕在初级绕组1的外部 另一部分绕在铁芯的另一侧 前一部分起建立电压的作用 后一部分相当于电感线圈 焊接时 电感线圈的感抗电压降使电焊机获得较低的工作电压 这是电焊机具有陡降外特性的原因 焊接电流调节分为粗调 细调两档 电流的细调靠移动铁芯4改变变压器的漏磁来实现 向外移动铁芯 磁阻增大 漏磁减小 则电流增大 反之 则电流减少 电流的粗调靠改变次级绕组的匝数来实现 1 初级绕组 2 3 次级绕组 4 动铁芯 5 静铁芯 6 接线板 2 晶闸管弧焊电源 如图5 7所示 晶闸管弧焊电源主要由三相降压变压器 晶闸管整流器 输出电抗器 触发控制电路和电流 电压反馈电路等组成 三相工频网路电压经三相降压变压器降压后变为几十伏的低压交流电 然后经晶闸管整流器整流变为脉动直流电 再经输出电抗器滤波变为波形较平滑的直流电输出 触发控制电路产生与三相交流电同步的一个电压脉冲信号 然后提供给晶闸管的控制极 使晶闸管导通 并且它接收由电流 电压反馈电路提供的电流 电压变化的信号 经过处理后改变晶闸管导通角 以获得所需的电源外特性 由于晶闸管跃起整流作用 又能够调节电源的外特性和控制电源的通断 从而使结构大为简化 可以用较小的触发功率信号来控制整流器的输出电流 电压 易于控制 利用不同的反馈方式可获得各种外特性 而且易于进行无级调节 采用电子线路进行控制 反应速度快 与磁放大器式控制的硅弧焊电源相比 其动态反应速度提高了十几倍 晶闸管弧焊电源空载功率损耗较小 功率因数较大 效率高 焊接工艺参数稳定 3 逆变弧焊电源 将直流电变为交流电的过程称为逆变 采用逆变技术制造的弧焊电源称为逆变弧焊电源 其基本组成和工作原理如图5 8所示 四 焊接工艺参数的选择 五 焊条电弧堆焊 第二节气体保护电弧焊 以外加气体作为电弧介质并保护电弧及焊接区的电弧焊方法 称为气体保护焊 在气体保护焊焊接时 保护气体从焊枪喷嘴中连续不断地喷出 机械地将空气与焊接区隔绝 使电极端部 弧柱区和熔池金属处于保护气罩内 形成局部气体保护层 从而保证焊接过程的稳定性 并获得质量优良的焊缝 气体保护焊按电极是否熔化可分为两种 不熔化极气体保护焊和熔化极气体保护焊 如图5 13所示 不熔化极气体保护焊是采用一根不熔化的电极 因电极只起导电作用 通常用金属钨作为电极材料 钨的熔点很高 因此常称为钨极气体保护焊 熔化极气体保护焊采用一根或多根熔化电极 电极不仅起导电作用 而且作为填充金属形成焊缝 故常称为焊丝 在焊接过程中焊丝由送丝机构不断向熔池送进 图5 13 保证焊接过程的连续性 熔化极气体保护焊的分类如图5 14所示 钨极氩弧焊简称为TIG焊 它使用熔点很高的纯钨或钨合金 钍钨 铈钨 作为不熔化电极的氩气保护焊 故也称不熔化极氩弧焊 手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊接时一般均需另外加入填充焊丝 但有时在焊接薄件时不加填充焊丝 为防止钨极的熔化和烧损 焊接电流不宜过大 电极端部的形状影响电弧的稳定性 第三节其它焊接方法 埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧 并进行焊接的方法叫埋弧焊 它是在手工电弧焊基础上发展起来的一种高效率的自动焊接方法 焊接过程如图5 36所示 焊丝送入颗粒状的焊剂下 与焊件产生电弧 使焊丝和焊件熔化形成熔池 熔池金属结品成为焊缝 部分焊剂熔化形成熔渣 并在电弧区域形成一封闭空间 液态熔池凝固后成为渣壳 覆盖在焊缝金属上面 随着电弧沿焊接方向移动 焊丝不断地送进并熔化 焊剂也不断地撤在电弧周围 使电弧埋在焊剂层下燃烧 控制系统保证整个过程自动进行 小车式埋弧焊机 埋弧焊小车 悬臂式埋弧焊机 CZ系列焊接操作机 上海通用悬臂式埋弧焊机 CZ系列焊接操作机 悬臂式埋弧焊机 2 碳弧气刨 原理 碳弧气刨及切割是利用碳棒与工件之间产生的电弧 将金属局部加热到熔融状态 同时用压缩空气的气流把熔融金属吹掉 从而达到对金属进行刨削或切割的一种工艺方法 如图5 39所示 设备系统 一 碳弧气刨的工艺参数 碳棒直径通常根据钢板的厚度选用 但也要考虑刨槽宽度的需要 一般直径应比所需的槽宽小2 4mm 1 电源极性 碳弧气刨碳钢和合金钢时 采用直流反接 气刨时 电弧稳定 刨削速度均匀 电弧发出连续的刷刷声 刨槽两侧宽窄一致 表面光滑照亮 若极性接错 则电弧发生抖动 并发出断续的嘟嘟声 刨槽两侧呈现与电弧抖动声相对应的圆弧状 此时应将极性倒过来 2 气刨电流与碳棒直径 气刨电流和碳棒直径成正比 一般可参照下面经验选择电流 I 30 50 d 式中I 电流A d 碳棒直径 mm 对于一定直径的碳棒 如果电流较小 则电弧不稳 且易产生夹碳缺陷 若电流较大 可提高刨削速度 刨槽表面光滑 宽度增大 一般选用较大的电流 易于操作 但电流过大时 碳棒烧损较快 甚至碳棒熔化 造成严重渗碳 碳棒直径的选择与钢板厚度有关 具体见表3 10 3 刨削速度 刨削速度对刨槽尺寸 表面质量和刨削过程的稳定性有一定的影响 刨削速度应与电流大小和刨槽深度 或碳棒与工件间的倾角 相匹配 刨削速度太快 易造成碳棒与金属短路 电弧熄灭 形成夹碳缺陷 一般刨削速度以0 5 1 2m min左右为宜 4 压缩空气的压力 压缩空气的压力 会直接影响刨削速度和槽表面质量 压力高 可提高刨削速度和刨槽表面的光滑程度 压力低 则造成刨槽表面粘渣 一般压缩空气的压力为0 4 0 6MPa 压缩空气所含水分和油分可通过在压缩空气的管路上加过滤装置予以限制 5 碳棒的伸出长度 碳棒伸出长度指碳棒从碳棒枪钳口导电处至电弧始端的长度 手工碳弧气刨时 伸出长度大 压缩空气的喷嘴离电弧就远 电阻也增大 碳弧易发热 碳棒烧损也较大 并且造成风力不足 不能将熔渣顺利吹掉 而且碳棒也容易折断 一般外伸长为80 100mm为宜 随着碳棒烧损 碳棒的外伸长不断减少 当外伸长减少到20 30mm时 应将外伸长重新调至80 100mm 6 碳棒与工件间的夹角 碳棒与工件间的夹角 大小 主要会影响刨槽深度和刨削速度 夹角增大 则刨削深度增加 刨削速度减小 一般手工碳弧气刨采用夹角45 60 左右为宜 碳棒夹角与刨槽深度的关系见表3 11 表3 11碳棒夹角与刨槽深度的关系 7 电弧长度 碳弧气刨操作时 电弧长度过长会引起电弧不稳 甚至会造成熄弧 操作时电弧长度以1 2mm为宜 并尽量保持短弧 这样可以提高生产效率 同时也可提高碳棒的利用率 但电弧太短时 容易引起 夹碳 缺陷 刨削过程弧长变化尽量小以保证得到均匀的刨削尺寸 8 当环境温度低于5 时 凡常温需预热焊接的钢种 利用碳弧气刨清根和修理缺陷时 也必须预热后方可操作 9 气刨后应彻底清理槽口 尤其是造成增碳部分应彻底清除 如果刨口产生裂纹等缺陷 应查找原因消除缺陷 二 碳弧气刨常见缺陷及防止措施 1 夹碳刨削速度太快或碳棒送进过速 使碳棒头部触及铁水或未熔化的金属上 电弧就会因短路而熄灭 由于温度很高 当碳棒再往前 送或上提时 端部脱落并粘在未熔化金属上 产生 夹碳 缺陷 发生夹碳后 在夹碳处电弧不能再引燃 这样就阻碍了碳弧气蚀的继续进行 此外 夹碳外还形成一层硬脆且不容易清除的碳化铁 碳含量达6 7 这种缺陷必须注意防止和消除 否则焊后容易出现气孔和裂纹 清除的方法是在缺陷的前端引弧 将夹碳处连根一起刨除 或用角形磨光机磨掉 2 粘渣碳弧气刨操作时 吹出来的铁水叫 渣 表面是一层氧化铁 内部是含碳很高的金属 如果粘潭在刨槽的两侧 即产生粘渣 粘渣主要是由于压缩空气压力小引起的 但刨槽速度与电流配合不当 刨削速度太慢也易粘渣 在采用大电流时更为明显 其次在倾角过小时也易粘渣 粘渣可采用风铲清除 3 刨槽不正或深浅不均碳棒歪向刨槽的一侧就会引起刨槽不正 碳棒运动时上下波动就会引起刨槽的深度不均 碳棒的角度变化同样能使刨槽的深度发生变化 刨槽前 注意碳棒与工件的相对位置 提高操作的熟练程度 4 刨偏刨削时往往由于碳棒偏离预定目标造成刨偏 碳弧气刨速度大约比电弧焊高2 4倍 技术不熟练就容易刨偏 刨偏与否和所用气刨枪结构也有一定的关系 例如 采用带有长方槽的圆周送风式和侧面送风式枪 均不易将渣吹到正前方 不妨碍刨削视线 因而减少了刨偏缺陷 5 铜斑采用表面镀铜的碳棒时 有时因镀铜质量不好 会使铜皮成块剥落 剥落的铜皮成熔化状态 在刨槽的表面形成铜斑 在焊前用钢丝刷或砂轮机将铜斑清除 就可避免母材的局部渗铜 如不清除 铜渗入焊缝金属的量达到一定数值时 就会引起热裂纹 为避免这种缺陷要选用镀层质量好的碳棒 采用合适的电流 并注意焊前用钢丝刷或砂轮机清理干净 三 碳弧气刨的热影响区组织和硬度碳弧气刨过程中 热影响区的特性取决于被刨削金属的化学成分和显微组织 表3 11列出一些典型钢种的热影响区宽度 组织和硬度的变化 附着钢中碳和合金元素含量的增多 热影响区宽度及显微硬度值增大 但是奥氏体钢未发生组织变化和硬度升高现象 表3 11碳弧气刨对钢的热影响区宽度 组织和硬度的影响 1 碳弧气刨槽道表层的增碳碳弧气刨时 增碳主要发生在槽道表层碳含量0 23 的钢在厚0 54 0 72mm表面层中 碳的质量分数增至0 3 即仅增加0 07 而18 8型不锈钢槽道表面的增碳层厚度仅为0 02 0 05mm 最厚处也不超过0 11mm 表3 12列出18 8型不锈钢碳弧气刨区碳的质量分数的分析结果 离表面深0 2 0 3mm处的碳的质量分数同母材含量十分接近 但粘渣的含量高达1 2 而且在刨削深槽或多程刨削时 也可能产生厚度达0 2 0 3mm的增碳层 碳弧气刨加工的坡口或背面虽存在增碳的热影响区 但经过焊接后都被熔化 在焊缝中未发现增碳现象 其力学性能也与用机械加工的坡口相同 但是粘渣和炭灰等必须从槽道中清除 对于某些重要结构件 则需用砂轮去除厚0 5 0 8mm表面层后才能施焊 表3 1218 8型不锈钢碳弧气刨区碳的质量分析结果 2 碳弧气刨的焊接接头的力学性能用碳弧气刨削除焊缝的余高 对接头的强度没有影响 但是会使接头的延性降低 冷弯角低于105 若用砂轮磨去厚0 2 0 5mm表层后 延性可以恢复 碳刨后的零件 除不锈钢零件 通过回火处理即可消除增碳层和热影响区的组织变化 表3 13列出碳弧气刨对18 8型不锈钢焊接接头耐晶间腐蚀性能的影响 表3 13 3 等离子弧焊 1 等离子弧的产生原理电弧就是中性气体电离并维持放电的现象 若使气体完全电离 形成全部由带正电的正离子和带负电的电子所组成的电离气体 就称为等离子体 一般的焊接电弧是一种自由电弧 弧柱的截面随功率色增加而增大 电弧中的气体电离不充分 其温度被限制在5730 7730 若在提高电弧功率的同时 对自由电弧进行压缩 使其横截面减少 则电弧中的电流密度九大大提高 电离度也随之增大 几乎达到全部等离子状态的电弧叫等离子弧 由于等离子电弧具有较高的能量密度 温度及刚直性 能量密度可达10000到100000w 平方厘米 弧柱中心温度可达18000 24000K以上 焰流速度可达300m s以上 因此与一般电弧焊相比 等离子电弧具有下列优点 a 能量密度大 电弧方向性强 融透能力强 在不开坡口 不加填充焊丝的情况下可一次焊透8至10mm厚的不锈钢板 与钨极氩弧焊相比 在相同的焊缝熔深情况下 等离子焊接速度要快得多 b 焊缝质量对弧长的变化不敏感 这是由于等离子弧的形态接近圆柱形 发散角很小 约5度 且挺直性好 弧长变化对加热斑点的面积影响很小 因此容易获得均匀的焊缝形状 若按钨极氩弧焊的扩散角为90度 等离子焊扩散角为5度计算 电弧断面变化20 时 钨极氩弧焊的焊炬高度只允许变化 0 12mm 而等离子焊则可变化 1 2mm 这对保证焊缝成形和焊缝均匀性都十分有益 c 钨极缩在水冷铜喷嘴内部 不可能与工件接触 因此可有效避免焊缝金属产生夹钨现象 另外 电弧搅动性好 熔池温度高 有利于熔池内气体的释放 d 等离子电弧由于压缩效应及热电离度较高 电流较小时仍很稳定 配用新型的电子电源 焊接电流可以小到0 1A 这样小的电流也能达到电弧稳定燃烧 因此特别适合焊接微型紧密零件 e 焊缝的深宽比大 热影响区小 适合焊接某些可焊性差的材料和双金属等 f 可以产生稳定的小孔效应 通过小孔效应 正面施焊的时候可以获得良好的单面焊双面成型 g 焊接成本低 与一般氩弧焊相比 可省电1 3 1 2 省气1 2 2 3 且在焊接厚度较小的情况下 无需填丝 缺点是电源及电气控制线路较复杂 设备费用约为钨极氩弧焊的2 5倍 焊接参数的调节匹配较复杂 喷嘴的使用寿命短 1 钨极 2 上枪体 3 水嘴 4 绝缘螺丝 5