焊接方法与设备-课件PPT课件.ppt

焊接方法与设备 QQ 1012137909 1 绪论 基本内容掌握焊接基本概念 理解焊接本质 特点及分类一 基本概念 焊接是通过适当的物理化学方法 使两个分离的固体通过原子间的结合力结合起来的一种连接方法 1 固体结合金属 金属金属 非金属非金属 非金属 2 2 依靠原子间的结合力 焊接本质通过原子间的结合力将两个固体连接起来 对于金属来说 必须产生金属键 也就是说 被连接表面要接近到原子晶格间距 3 要通过一定的物理 化学过程加热 电弧焊 钎焊加压 冷压焊加热 加压 电阻焊 扩散焊 3 放大 d要求达到 10nm 10 m 因此 采取必要的措施 d 氧化物 4 三 焊接的分类 焊接 熔化焊 钎焊 压力焊 利用摩擦 扩散和加压等物理作用 克服两个连接表面的不平度 除去氧化膜及其它污染物 使两个连接表面上的原子相互接近到晶格距离 从而在固态条件下实现连接的方法 利用一定的热源 使构件的被连接部位局部熔化成液体 然后再冷却结晶成一体的方法称为熔焊 采用熔点比母材低的材料作钎料 将焊件和钎料加热至高于钎料熔点 但低于母材熔点的温度 利用毛细作用使液态钎料充满接头间隙 熔化钎料润湿母材表面 冷却后结晶形成冶金结合 5 加热 压力焊 钎料 加压 熔化焊 钎焊 6 熔化焊 电弧焊 气焊 铝热焊 电渣焊 电子束焊 激光焊 电阻点焊 电阻缝焊 根据热源来分类 7 电弧焊 熔化极电弧焊 CO2焊 埋弧焊 熔化极气体保护焊 GMAW 钨极氩弧焊 GTAW 等离子弧焊 非熔化极电弧焊 螺柱焊 手工电弧焊 8 电弧焊 电源 电极 工件 9 二 焊接的特点 1 焊接可将各个零部件直接连接起来 无需其他附加件 接头强度一般也能达到与母材相同 因此 焊接产品的重量轻 成本低 2 焊接接头是通过原子间的结合力实现的连接 均匀性及整体性好 刚度大 在外力作用下不像机械连接那样产生较大的变形 3 焊接结构具有良好的气密性 水密性 这是其他连接方法无法比拟的 4 可连接不同类型的金属材料 不同形状及尺寸的材料 可使金属结构中材料的分布更合理 5 可将结构复杂的大型构件分解为许多小型零部件分别加工 然后再将这些零部件焊接起来 这样就简化了金属结构的加工工艺 缩短了加工周期 10 6 焊接是一种 柔性 加工工艺 既适用于大批量生产 又适用于小批量生产 11 第一章焊接电弧 一基本要求熟练掌握本章的基本概念 理解并掌握最小电压原理 电弧力 了解电弧各个区域的组成 导电机构 产热机构 交流电弧的特点以及阴极斑点的特点及其对焊接质量的影响 二基本概念电弧 气体放电 电离 电子发射 阴极斑点 阳极斑点 刚直性 磁偏吹 电离能 逸出功 电离电压 逸出电压三难点1 最小电压原理2 电弧的导电机构四重点1 电弧 电离 气体放电 刚直性 磁偏吹等一些基本概念 2 电弧力 3 电弧的产热机理 4 阴极斑点的特点 5 最小电压原理 12 1 1电弧物理基础 一 电弧的基本概念1 电弧 电弧是一种气体放电现象 通过放电将电能转变为热能与机械能 2 气体放电 两极间的气体被击穿而导电的过程 非自持放电 放电本身不能产生导电所需的带电粒子 A e 自持放电 放电本身能产生导电所需的带电粒子 A e 有暗放电 辉光放电 电弧放电等三种 13 电弧 Ua Ia 电弧放电 辉光放电 暗放电 暗放电 自持放电 非自持放电 U I 导体导电 14 二 带电粒子的产生过程产生方式 电离 气体中性原子或分子 A 分离为一价正离子 A 和电子 e 的过程 电子发射 金属表面逸出电子的现象 一 电离与激励1 电离 在一定条件下中性原子分离成A 及e的现象 A A e Wi 电离能 原子或分子电离所需要的能量单位为ev或J 电子伏 一个电子被1V的电压所加速得到的能量 电离电压 电离能 电子带电量 一次电离 A A e二次电离 A A en次电离 A n 1 An e 15 2 激励 气体原子得到的一定的能量 虽然小于Wi 但可使电子从低能级跃迁到高能级 这种现象叫激励 激励能 所需的最小外加能量叫激励能We 激励能电压 激励能We e 3 能量传递方式1 碰撞 粒子间通过相互碰撞而交换能量弹性碰撞 仅发生动能再分配非弹性碰撞 交换的能量 势能 从而导致电离或激励 2 光幅射 在光的辐射下 中性粒子直接吸收光量子的能量 A A A e A A e h eUi 16 4 电离的分类 1 热电离 气体粒子受热的作用而产生电离实质 中性粒子通过与电子碰撞 接收电子能量而电离 电离度 电离了的粒子数量与电离前离子数量之比 0 1 热解离 在热量的作用下 多原子分子分解为原子 解离能 分子热解离所需要的能量2 电场作用下的电离 A e在电场作用下被加速 与A碰撞使其电离的过程 主要是e的作用 电子获得的能量是A 的4倍 3 光电离 A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离 波长越小越易促进光电离 电弧波长包括红外线 紫外线可见光 可使AI K Na原子光电离 但不能使Ar He Fe等电离 17 二 电子发射1 基本概念1 电子发射 电子从金属表面逸出的现象 对电弧导电起作用的主要是阴极的发射 2 逸出功 Ww 电子发射所需的最小能量 3 逸出电压 Ww e物理意义 Ww越小 引弧越容易 电弧稳弧性越好 4 主要影响因素 材料 K Na之Ww较低 表面状态 有氧化物时 逸出功降低 加入杂质 例如 钍 铈及镧等可降低Ww 18 2 分类1 热发射 在热量的作用下产生的发射产生条件 阴极温度足够高特点 对阴极有冷却作用 这一点对TIG焊具有重要意义 可提高W极的载流能力 2 电场发射 金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象 特点 对阴极的冷却作用较小 3 光发射 光幅射作用下产生的发射 实际电弧中产生光发射的可能性很小 4 粒子碰撞发射 高速运动的A 碰撞到阴极上导致的发射 库仑力 19 三 负离子的产生中性离子与电子结合的过程 是一个放热过程 所放出的热被成为电子亲和能 A e A W注意 1 亲和能高的原子易形成A 但高温下不利于放热反应 2 交流电弧过零时 易形成 3 易在电弧周边形成 4 不利于电弧稳定 四 扩散与复合扩散 电弧中心处A e较多 e易向周边运动 当周边电子浓度达到一定值后 在e吸引下 A 也向周边运动 从而在周边复合A e A WiA A 2A Wi A A e A A A e 20 三 电弧各区域的导电机构 一 区域组成由阴极区 阳极区 弧柱三部分组成 1 阴极区 长度极短 电压较大 E 电场强度 极高2 阳极区 长度也极短 电压较大 E极高3 弧柱区长度基本上等于电弧长度 E较小 UA UC UK 阳极区 阴极区 弧柱 10 5 10 6cm 10 2 10 4cm 21 二 弧柱区的导电机构所谓导电机构就是指带电粒子产生 运动方式 1 带电粒子的产生1 电离 热电离光电离电场作用的电离2 阴极区注入的电子3 阳极区注入的正离子2 带电离子的运动A 冲向阴极 正离子流IA e冲向阳极 电子流IeI IA Ie其中 IA 0 1 IIe 99 9 I3 特点 1 电中性 2 E小 Ua小 IA Ie I 22 三 阴极区的导电机构1 阴极区在导电过程中的作用1 产生弧柱区导电所需要电子流Ie 0 999I2 接收弧柱区来的正离子流IA 0 001I2 热发射型1 产生条件 W C阴极 且电流很大2 带电粒子的产生方式 热发射热阴极 弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产生的阴极 冷阴极 热发射能力不足的阴极 热阴极材料 熔点高的材料冷阴极材料 熔点低的材料 3 特点 无阴极区 无阴极压降Vk 23 3 电场发射型导电机构1 条件 a W C阴极 且I较小 b AI Fe Cu作阴极2 带电离子产生方式 1 场发射 2 场电离 3 热发射 4 碰撞发射 24 Uk 阴极区 弧柱区 电场发射型导电机构 阴极 热发射 场发射 碰撞发射 场电离 0 999I 25 c 特点 1 阴极附近存在 正电荷区 阴极区 2 fe0 001I 3 阴极区断面收缩 4 阴极表面上产生阴极斑点3 等离子型导电机构A 条件 1 W C阴极 且I较小 或AI Fe Cu阴极 且2 气压较小 Uk UiB 带电粒子产生方式 热电离C 特点 同上 26 四 阳极区的导电机构1 阳极区在导电过程中的作用1 接收弧柱区来的电子流Ie 0 999I2 产生弧柱区所需要的正离子流IA 0 001I2 热电离1 产生条件 I较大2 带电离子产生方式 热电离3 特点 a 阳极压降小 甚至为0b 不存在阳极斑点 3 电场作用下的电离1 产生条件 I较小2 带电粒子的产生方式 热电离 场电离3 特点 a 有阳极区 发生收缩b Ua较大c 有阳极斑点 27 UA 阳极区 弧柱区 阳极压降的形成 28 五 阴极斑点与阳极斑点1 阴极斑点 阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点 1 产生条件 a W C阴极且I很小b AI Fe Cu作阴极2 某点充当阴极斑点的条件a 电弧通过该点时耗能最小b 该点能发射电子3 特点a 电流密度大 温度高b 跳跃性及粘着性c 存在斑点力 蒸发反力 A 的撞击力d 自动寻找氧化膜 该点对于铝 镁及其合金的焊接是非常重要的 见后面的阴极雾化作用 29 焊接方向 A A B 焊接方向 粘着性 跳跃性 30 2 阳极斑点1 产生条件 I很小2 点充当阳极斑点的条件a 通过该点导通电流时 耗能最小b 易蒸发 产生金属蒸气3 特点 a 电流密度大 温度高b 粘着性 跳跃性c 避开氧化膜d 斑点力 阳极斑点力小于阴极斑点力 31 四 最小电压原理电流一定 周围条件一定时 稳定燃烧的电弧各导电区的半径 温度 应使电弧电场强度最小 即电弧电压最小 该原理有两个方面的含义 1 电场强度是温度或电弧断面半径的函数E f T E f r 2 电弧半径稳定值r 由E的最小值E 确定 E r R E 32 电弧稳定燃烧时 Ua与Ia的关系称为电弧静特性 下降区 负阻特性区 电流密度不变平特性区 E不变上升特性区 影响因素 1 弧长2 气体介质导热性热分解性能3 气体介质的压力 五 电弧的静特性 Ua Ia 小电流TIG TIGSAWMMA MIGMAG 33 Ia 34 Ua Ia L2 L1 L2 L1 纯Ar Ar 20 H2 Ua Ia 电离电压Ar15 7eVH13 5eVH215 5eV 弧长影响 物理性能 热分解 导热系数 35 1 2焊接电弧的产热及温度分布 一 焊接电弧的产热机构 一 弧柱的产热机构电能 热能1 本质 A e在电场作用下被加速 使其动能增大的过程 其宏观表现即为温度上升 产热由于运动速度 自由程度不同 A e得到的能量不同 TA Te TA有可能不同 电子动能 定向运动动能 Ie散乱运动动能 热运动 表现为热能 2 产热量Pc Ia Ua主要用于散热损失 对流 幅射 传导 36 3影响因素不仅取决于电流 凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热 二 阴极区的产热1本质 产生电子 接受正离子的过程中有能量变化 这些能量的平衡结果就是产热 由三部分组成 1 电子逸出阴极时消耗能量 I Uw2 电子进入弧柱前被电场 Ek 加速得到一部分能量 Ia Uk3 电子进入弧柱时带走的能量 I UT 温度等效电压 2 产热公式Pk I Uk Uw UT 3 作用 用于加热阴极 37 三 阳极区的产热机构1 本质 接受电子 产生A 过程中伴随的能量转换 由三部分组成 1 e被UA加速所得到的能量 eUA2 电子带来的逸出功 I Uw3 电子带来的相当于弧柱温度那部分能量 I Uw2 产热公式PA I UA Uw UT 3 作用用于加热阳极 38 二 焊接电弧的热效率及能量密度 一 电弧总产热Pa PC PA PK I UC UK UA Ia Ua 二 有效功率 热效率系数1有效功率 用于加热工件和焊丝的功率QE2热效率系数 QE Pa3影响的因素 1 焊接方法 TIG焊低 MIG SAW高2 焊接规范 3 外部条件 三 能量密度1单位有效加热面积上的热功率 单位为w cm22功率密度越高H B越大 焊接变形及HAZ越小 气焊电弧焊激光电子束1 10102 104106 107106 108 39 三 电弧的温度分布 一 电弧的轴向温度分布影响温度分布的因素 1 功率密度2 电极材料3 高熔点氧化物 二 弧柱温度分布1 轴向1 二电极尺寸相等时 轴向温度分布均匀2 二电极尺寸不等 轴向温度分布不均匀 靠近尺寸较小的一端 温度较高 温度 电流密度 功率密度 40 2 径向中心轴附近温度高 周边低 三 影响弧柱温度的因素1 电流 Ia T 2 气体介质 导热系数 热解离 T 3 电极材料4 拘束度 2 径向中心轴附近温度高 周边低 三 影响弧柱温度的因素1 电流 Ia T 2 气体介质 导热系数 热解离 T 3 电极材料4 拘束度 越大 电弧温度越高 41 弧柱的温度分布 T T r L 42 1 3电弧力及其影响因素 一 电弧力1 电磁收缩力通过电弧 熔滴 的电流线之间的相互吸引力 对电弧或熔滴起着压缩作用 该力被称为电磁收缩力 1 圆柱形电弧 电弧压力 电弧推力 式中 I 电流 R 电弧半径 K 系数 43 流态导体中电磁收缩力的影响 柱形导体中的电磁收缩力 44 流体中压力各个方向相同 因此作用于焊条及工作上的轴向力为 2 锥形电弧 压力 锥形电弧中沿轴向存在压力差 导至一轴向推力 式中 I 电流 Rb 锥形弧柱下底面半径 Ra 锥形弧柱上底面半径 45 46 2 等离子流力F推引起的高温气体流 等离子流 所形成的力叫等离子流力 作用 1 促进熔滴过渡2 导致指状熔深 分布 轴线处大 周边小3 斑点力由以下三部分组成 阴极斑点力大于阳极斑点力1 带电粒子撞击力阴 A 撞击大阳 e撞击 小2 蒸发反力阴 T高 力大阳 T低力小3 电磁收缩力阴 大阳 小 47 48 49 4 爆破力仅产生于短路过渡中 短路小桥汽化爆断所产生的力5 细熔滴的冲击力仅产生于MIG焊射流过渡 熔滴以很大的加速度冲击熔池 形成冲击力二 影响因素1 气体介质导热好 易解离的气体 电弧力 特别是斑点力较大 2 电弧电流及电压电流增大 电弧力增大 电压增大 电弧力减小 3 W极或焊丝直径直径越小 力越大4 极性 TIG焊时 DCSP大 而MIG焊正好相反 50 爆破力 51 52 1 3交流电弧的特点 一 交流电弧电流为50H正弧波的电弧被称为交流电弧 方波交流电弧 1 特点 1 周期性地过0点2 再引燃再引燃电压Ur 再引燃所需的电压 小于引燃烧电压 2 交流电弧的燃烧过程1 纯阻性回路电弧 阻性元件 因此 a ia同相位 有熄弧时间te 当te较大时 难以引燃2 感性回路利用电感的续流 蓄能作用 可将te降为0 53 交流电源 te U0 Ua Ia 纯阻性回路 54 t 电源电压 电弧电压 电弧电流 交流电源 电感性回路 55 3 交流电弧稳定燃烧的条件在回路中串一合适的电感二 交流电弧的加热及力的特点1 加热Pa不断变化 对工件的加热效果用有效热功率表示 Wa UaIa 波形修正系数Ua Ia 电压及电流有效值2 电弧力的特点介于DCSP与DCRP之间 不易导致指状熔深 3 保护在相同的条件下 保护效果较差 56 1 5刚直性及磁偏吹 一 刚直性所谓刚直性是指电弧作为一柔软的导体抵抗外界干扰 力求保持电流沿轴向流动的能力 电弧的刚直性是由电弧的电磁场决定的 即电磁收缩力决定的 各运动的带电质点均受到指向焊条中心的力 该力使质点保持沿轴线流动 影响刚直性的因素 1 电流越大 刚直性越大 2 拘束度越大 刚直性大3 热解离导热性大刚直性大 57 自身磁场对刚直性的影响刚直性 58 二 磁偏吹1 偏吹 电弧因周围磁力线不对称而偏向一侧的现象 偏向 磁力线疏的一侧2 引起磁偏吹的原因1 导线接法不合适2 铁磁性物质3 交流电弧的磁偏吹较较小原因 1 涡流 涡流磁场低消原磁场 2 电弧偏吹运动为机械运动 而交流电弧的不均恒磁场以50Hz的频率变化 59 电流 F左 F右 磁偏吹 60 电流 F左 F右 接线位置引起的磁偏吹 61 电流 F左 F右 磁性物质引起的磁偏吹 62 第二章焊丝的加热及熔滴过渡 要求1 熟练掌握焊丝熔化速度 熔化系数 熔敷速度 熔敷效率 熔敷系数 熔滴过渡及飞溅等基本概念 2 掌握熔滴上受到的各种力及其对过渡的影响 3 了解熔滴过渡的基本分类 各类熔滴过渡的基本特征 4 掌握各种焊接方法的熔滴过度特点 5 了解固有自调节作用 63 64 2 1焊丝的加热及熔化 一 加热热源 一 电弧热 极区产热 焊丝接阴极时 Pk I Uk Uw UT I Uk Uw UT很小 大概只有1V左右 焊丝接阳极时 PA I UA Uw UT IUwUA很小 可忽略 讨论 TIG焊 PA PkMIG焊 Pk PAPk受多种因素影响 而PA则不 65 LH 电源 送丝轮 导电嘴 la 66 二 干伸长度上的电阻热 干伸长度 焊丝伸出导电嘴之外的长度LsPR I2RS Ls S 影响因素 1 钢焊丝的PR大 因此干身长度的电阻热之影响较大 铝 铜PR小2 Ls越大 dS越小 则PR越大 三 总热源P Pa PR I Um IRs 式中 焊丝接阴极时 Um Uk Uw 焊丝接阳极时 Um Uw 67 二 影响熔化速度 熔化系数的因素 一 基本概念熔化速度 m 单位时间内焊丝的熔化量 单位 g scm s熔化系数 m 单位时间内 由单位电流所熔化的焊丝量 长度 重量 单位 g A SCm A S m m I 二 影响因素1 电流电流越大 熔化速度越大 m KI Um IRs m m I K Um IRs 68 显然 1 电流1 I增大 m增大2 对于Al焊丝 m几乎与I增大 对于钢焊丝 m随着I的增大而增大 2 电压Ua La 大时 m与Ua无关Ua La 较小时 Ua下降时 m增大 如I不变则 m 使电弧具有保持弧长稳定的能力 固有自调节作用 弧长较短时 m随La下降而增大 使得电弧具有抵抗外界干扰的保持稳定不变的能力 这种能力被成为固有自调节作用 69 Ua Ia a 铝 Ua Ia 钢 70 3 焊丝的极性焊丝接负时 m较大焊丝接正时 m较小4 气体介质焊丝接阳极时 m KRm KIUw与气体介质无关焊丝接阴极时 m KI Uk Uw Uk与气体介质有关 因此气体介质影响熔化速度 例如在Ar中加CO2可使 m增大5 电阻热钢焊丝 ds越长 电阻热的影响越大 铝焊丝 电阻热很小 影响不大 71 2 2熔滴过渡和飞溅 一 基本概念熔滴过渡 焊丝端部的熔化金属以滴状进入熔池的过程 飞溅 熔化的焊丝金属飞到熔池之外的现象 二 熔滴上的作用力 一 表面张力1 焊丝与熔滴间的表面张力F 阻碍过渡 将熔滴保持在焊丝上 F 2 Rs 式中 为表面张力系数 Rs为焊丝半径 72 2 短路过渡时 熔滴与工件间的表面张力 促进过渡F 2 RP 影响 的因素 1 材料类型 例如 铁的表面张力系数大于铝2 温度 温度上升 表面张力系数降低3 表面活性物质 如钢液中有S或O时 表面张力系数降低 二 重力熔滴的重力Fg mg r 熔滴半径 密度 73 Fmg F F F 表面张力 重力 74 作用 1 平焊时促进过渡 2 立焊 仰焊时阻碍过渡 三 电磁收缩力电流线通过熔滴时的电磁收缩力1 当Sb 斑点面积 Ss时 电磁线在熔滴中发散 F推向下 促进过渡 四 斑点力其作用亦与斑点面积有关 1 Sb较大时 促进过渡2 Sb较小时 阻碍过渡 75 76 五 爆破力熔滴爆破时 爆破力指向四面八方 即促进过渡 又导致飞溅 六 等离子流力从焊丝指向工件 总是促进过渡 FP 爆破力 77 二 熔滴过渡的主要形式及特点 一 自由过渡熔滴脱离焊丝 由电弧空间进入熔池 1 滴状过渡1 大滴过渡特点 1 aD g 2 轴向 3 dD ds2 大滴排斥特点 1 aD g 2 非轴向 有飞溅 3 dD ds2 细颗粒过渡 出现在CO2焊中特点 1 aD g 2 非轴向 3 DD ds 78 3 喷射过渡1 射滴特点 1 aD g 2 dD ds 3 轴向性好 4 一次一滴2 射流特点 1 aD g 2 dD ds 3 轴向 4 连续束流 79 大滴 射滴 射流 80 3 爆炸过渡因气泡的爆破而过渡 通常伴随着飞溅 二 渣壁过渡1 沿熔渣壁过渡埋弧焊DCSP 熔滴尺寸大 过渡频率低DCRP 尺寸小 f大 I f 2 沿套筒过渡产生于SMAW条件 1 厚药皮2 酸性药皮 81 三 接触过渡1 短路过渡条件 CO2细丝焊 且Ua小 Ia小特点 电弧稳定 稍有飞溅2 搭桥过渡条件 填丝TIG焊中 82 短路过渡过程及电流 电压波形 83 三 飞溅及熔敷系数 一 飞溅1 飞溅的原因 a 爆破力b 斑点力不对称c 气体从熔滴或熔池中析出2 影响飞溅的因素a 焊接方法 CO2焊大 MIG小b 规范 例如CO2焊c 过渡形式 84 I 飞溅率 A B C 85 二 熔敷效率 熔敷系数1 基本概念熔敷效率 过渡到焊缝中的焊丝金属重量与熔化的焊丝重量之比 熔敷系数 单位时间内由单位电流熔敷到焊缝中焊丝金属重量 m损失系数 2 影响的因素 1 焊接方法SAW MIG MAG CO2 MMA依次减小 2 焊接参数特别是 CO2焊接 电流增大时 熔敷效率增大 86 第三章母材熔化和焊缝成形 一 基本要求1 熟练掌握标征熔池及焊缝形状尺寸的几个参数 2 熟练掌握热输入 线能量 熔深 熔宽 成形系数 余高 熔合比等基本概念 3 了解作用于熔池上的力4 熟练掌握焊接参数对焊缝形状尺寸的影响5 了解各种焊缝缺陷形成的原因及预防措施 二 重点1 热输入 线能量 熔深 熔宽 成形系数 余高 熔合比等基本概念 2 标征熔池及焊缝形状尺寸的参数3 焊接参数对焊缝形状尺寸的影响 87 3 1电弧热与熔池形状尺寸的关系 一 电弧的热输入 一 热输入 输入至工件的热功率或单位时间内输入至工件的热量 q 0 24 UaIa 电弧加热工件的热效率 二 电弧加热工件的热效率 88 电弧热损失 1 幅射 对流散热2 加热W极 焊条头的热量3 加热焊剂 焊条头4 飞溅热损失 影响 的因素 1 焊接方法 TIG CO2 MIGSAW的 不同 2 焊接规范 三 熔池的形状及表征参数1熔池的基本概念由母材上熔化的金属 焊丝 工件 组成的 具有一定几何形状的液态属属叫熔池 引弧后 经过一过渡期后 熔池稳定 形状不再发生变化 熔池的形状为一半椭球形 89 H l1 l2 x y z 熔池的形状尺寸 90 2熔池的表征参数 可用下列几个参数表征 a 熔宽Bb 熔深c 前部长度L1d 尾部长度L2在做出一些假设的基础上 可推导出上述几个尺寸与焊速 s 热输入q之间的关系 91 式中 Tm 材料的熔点 导热系数a热扩散率c比热 密度 B 2H 92 B 2H 四 工件上的比热流 1 基本概念比热流 通过单位面积输入至工件的热功率 加热斑点 热源传递给工件的热量是通过一定的面积进行的 该面积叫加热斑点 加热斑点内的每一点处的比热流是不相同的 q r 在加热斑点内呈正态分布 即 式中 q r 离中心距离为r的某点的比热流qm 中心处的比热流k 电弧集中系数 由 可推导出 93 2 电弧参数对比热流的影响1 Ua Ua增大 r k qm 2 Ia Ia增大 r稍有增大 k下降 q增大 qm增大3 钨极尖角及直径dw增大或 w增大 qm减小3 比热流对熔池尺寸的影响K 则H B K 则H B 焊速大时 B 焊速小时 定义 式中 为加热斑点的半径 qm 0 005qm 94 3 2作用于熔池上的力及力对熔池的影响 一 使熔池凹陷的作用力1 电弧静压力及动压力Fp Fc均指向熔池 使之洼凹陷 热源下移 有利于增大H MIG焊时的Fp易于导致指状熔深 2 细熔滴的冲击力使熔凹陷 增大H 易于导致指状熔深3 熔池金属的重力其大小正比于熔池体积 其作用与空间位置有关1 立 仰 横焊时 重力使熔池不稳 易于使熔池下坠 2 平焊时 稳定 95 FP及FC 电弧力 细熔滴的冲击力 96 二 影响熔池对流的力1 TIG焊时的等离子流力等离子流挺度较小 碰到熔池后 沿着熔池向外走 因此 表面 从中心向四周流中心 从下至上熔池浅而宽 2 浮力中心 从下至上熔池浅而宽 1 电磁力熔池上形成斑点时 电流进入熔池后发散 形成向下的推力 导致涡流换热 增大熔深 97 4 表面张力在F 的作用下 液金从 小的地方向 大原地方流 驱动力 体系表面自由能的减少 影响换热及润湿角 从而影响焊缝的形状及表面轮廓 1 如 则表面液态金属由中心向四周流 熔池浅而宽 2 如 表面液金从四周向中心流 使熔池深而窄 98 熔池表面 熔池表面及内部 99 表面 从中心向四周流中心 从下至上熔池浅而宽 2 含O S Bi正好与前面相反 1 不含O S等表面活性物质 讨论 100 3 3焊缝形状参数及工艺因素对它的影响 一 焊缝形状参数及其与焊缝质量的关系基本参数有 H B a1 熔深H Hweld Hpool 直接影响承载能力2 熔宽B Bweld Bpool3 B H被称为焊缝成形系数 意义 1 影响气孔敏感性2 影响结晶方向3 影响中心偏析 大时较有利 一般应大于1 25 101 FH Fm Fm FH 102 H B a FH Fm H B FH Fm 103 4 余高a 1 防止因疑固收缩而造成的缺陷2 增大承受静载的能力3 造成应力集中4 疲劳寿命下降一般规定 a 0 3mm或B a 4 85 熔合比 母材金属在焊缝中的含量 调整熔合比可调整焊缝化学成分 改善性能 一般通过开坡口来实现 104 二 影响焊缝形状尺寸的因素 一 焊接电流IaIa增大 H增大 a增大 B基本不变1 Ia Fa 热源下移 H q IU H H kmI2 Ia增大 电弧分布半径增大但潜入工件深度大 限制r有效增大 B基本不变 减小 3 Ia 焊丝熔化量增加 B不变 a 二 电弧电压Ua q增加不多 增大 qm减小 因此 B 增大 H a减小 通常 Ia选定后 Ua也基本上定下来了 总是根据板厚选Ia 再由Ia选定Ua 105 三 焊接速度将q w定义为线能量 即单位长度的焊缝上输入的热量 w增大时 q w减小 H B a等均减小为了促进生产率 应提高 w 但为了保证焊透 应同时提高Ia 即采用大电流高速焊 这种方法易引起咬边 通常采用双弧焊或多弧焊来提高焊接速度 四 电流的种类及极性TIG 106 五 电极形状 尺寸 伸出长度 MIG焊 ds减小 qm H a B MIG CO2 SAW等 TIG焊 dw w qm H B变化不大 Ls减小 qm H a 107 六 坡口 间隙用于增大H 调整熔合比 改善结晶条件 坡口 间隙越大 a 七 电极倾角前倾 电弧下液态金属厚 电弧潜入深度小 所以H B a 后倾 相反 八 工件倾角下坡焊 重力阻止液金后排 电弧潜入深度减小 H a B 易于导致满溢 未焊透等上坡焊 相反 A过大 咬边等缺陷 108 九 工件材料1 比热容C C Vm 则H及B 2 密度 则H 3 板厚 当H0 6 时 无影响 十 焊剂 药皮及气体焊剂 稳弧性差 E B H 大 压力大 E H 颗粒度小 压力大 E H 气体 导热性高 解离严重 弧柱收缩 E H 109 3 3焊缝缺陷 主要有 气孔 裂纹 夹渣 未焊透 未熔合 烧穿 咬边 焊瘤一 未焊透熔焊时 接头根部未完全焊透的现象 最易发生在短路过渡CO2焊中 原因 1 Ia太小2 w太大3 坡口尺寸不合适二 未熔合熔焊时 焊道与焊道间或焊道与母材间未完全熔化结合的部分叫未熔合 原因 1 高速大电流焊2 上坡焊 110 三 烧穿熔焊时熔化金属自焊缝背面流出 形成穿孔的现象叫烧穿 原因 1 Ia过大2 焊接速度过小3 坡口尺寸过大四 咬边沿焊趾的母材部位烧熔成凹陷或沟槽的现象叫咬边 原因 1 大电流高速焊2 角焊缝 焊脚过大或Ua过大五 焊瘤熔焊时熔化金属流淌到焊缝以外未熔合的母材上形成金属瘤的现象叫焊瘤 111 原因 1 坡口尺寸小2 Ua过小3 干伸长度太大六 凹坑焊缝表面低于母材表面的部分叫凹坑 原因 1 Ia太大2 坡口尺寸太大七 塌陷焊缝表面塌陷 背面凸起的现象 原因 1 Ia太大2 焊接速度太小 112 3 3焊缝成型 良好焊缝成型的标准 1 无缺陷2 表面过度圆滑基础 首先要保持住熔池一 平面内直缝的焊接1 平焊 最容易成型薄板用单面单道焊厚板 单面多道焊 双面多道焊最困难的是第一道焊缝 自由成型 强制成型2 其他位置的焊接问题 熔池易于流淌解决方法 强制成型 小电流 脉冲 摆动 113 二 曲面焊缝的焊接环焊缝 螺旋焊缝 e 1 焊头固定 防止熔池金属的流淌 逆着焊接方向偏移一定位置 2 全位置焊接1 分段2 减小线能量 采用脉冲TIG焊 114 115 第四章焊条电弧焊 一 基本要求1 了解焊条电弧焊的原理及特点2 掌握常用弧焊电源的类型及对弧焊设备的要求3 了解焊条电弧焊的辅助工具4 掌握焊条电弧焊工艺的特点及工艺参数的选择5 掌握焊条电弧焊的基本操作技术二 重点1 常用弧焊电源的类型及对弧焊设备的要求2 焊条电弧焊工艺的特点及工艺参数的选择3 焊条电弧焊的基本操作技术 116 4 1焊条电弧焊的原理及特点 目的与要求 了解焊条电弧焊的原理和特点及其适用范围 一 焊条电弧焊的基本原理焊条电弧焊通常用英文简称SMAW ShieldedMetalArcWelding 表示 焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法 焊条电弧焊的过程如图所示 气 渣联合保护的熔化焊 117 二 焊条电弧焊的特点1 焊条电弧焊具有以下优点 1 操作灵活 适应性强 设备简单 不受焊缝空间位置 接头形式及操作场合的限制 2 对焊接接头的装配要求低 3 可焊材料广 常用于低碳钢 低合金结构钢的焊接 2 焊条电弧焊具有以下缺点 1 生产率低 劳动强度大 2 焊缝质量依赖性强 118 4 2焊条电弧焊设备及工具 目的与要求 掌握焊条电弧焊设备的种类 性能特点 了解常用工具的选与使用 弧焊工艺要求焊接电源有如下特点 保证引弧容易保证电弧稳定保证焊接规范稳定具有足够宽的焊接规范调节范围 119 一 对焊条电弧焊设备的要求 难点 1 对外特性形状的要求陡降的外特性电源 对负载提供电能的装置弧焊电源是对焊接电弧提供电能的装置电源外特性 电源内部参数一定的情况下 改变负载时 电源输出的电压的稳定值Uy与输出的电流的稳定值Iy之间的关系曲线 Uy f Iy 称为电源的外特性直流时 Uy和Iy为平均值 交流电源则为有效值 陡降特性稳定 但短路电流小 不利于引弧 提出外拖特性焊接电源 120 2 对空载电压的要求交流55 70V直流45 85V 规则 在保证引弧容易和电弧稳定的条件下 采用尽可能低的空载电压 交流弧焊电源 U0 55 70V直流弧焊电源 U0 45 85V一般规定空载电压不得超过100V 特殊情况下 要超过100V 必须具有自动防触电装置 电源空载电压的要求保证引弧容易 引弧时 需要焊条或焊丝与工件接触 因两者之间往往存在锈污等杂质 需要高的空载电压击穿接触面 实现导通 电离在初始阶段需要高的电场 保证电弧稳定燃烧 U0 1 8 2 25 Uf保证电弧的功率稳定性 2 5 U0 Uf 1 57经济性 材料多 质量大 效率低保证人身安全 121 3 对电流调节特性的要求 电流比较小 空载电压比较低 调节不理想 主要是小电流时 空载电压低 不易引弧和保证电弧稳定燃烧 空载电压不变 依靠调节陡降程度来调节电流 效果比较好 空载电压随着电流的增大而减小 122 4 对动特性要求 动态响应特性 动特性 电弧负载发生变化时 焊接电源输出电压和电流的响应过程 可以用弧焊电源与时间的关系表征 他表明焊接电源对负载的瞬态改变的适应能力 动特性好 引弧 重新引燃电弧容易 稳定 飞溅少 123 二 常用焊条电弧焊机简介 重点 1 弧焊变压器 交流弧焊机 BX系列 动铁 芯 式动圈 绕组 式抽头式 124 2 直流弧焊发电机 AX系列 已淘汰 直流弧焊发电机直流弧焊发电机是由一台电动机和一台弧焊发电机组成的机组 特点 耗电量大 用材料多 噪音 国家规定停止生产该类焊机 125 3 弧焊整流器 1 硅弧焊整流器 ZXG系列 降压 获得下降外特性特性 整流 改善控制动特性 126 2 晶闸管式焊整流器 ZX5系列 主要特点 动特性好 电磁惯性小 控制性好 小功率控制大功率 节能 空载电压低 无机械损耗 省材料噪音小设备复杂 127 4 弧焊逆变器 ZX7系列 特点 省料 质量轻 体积小 传统弧焊电源用工频传送电能 而逆变电机使用几千到几万Hz的频率传送电能 制作变压器的用料与频率成反比 因而逆变电机的重量为普通电机的1 5到1 10 体积为原来的1 3左右 高效节能 变压器处于开关状态 变压器采用铁损小的材料 从而效率高 可达80 90 主电路有电容 从而功率因数高 128 四者的性能特点比较 补充 弧焊电源的选择与正确使用 改善工艺性能工作频率高 需要的滤波电感小 电磁惯性小 动特性好可以进一步逆变 129 三 焊条电弧焊所用工具1 电焊钳 300A 500A 300A和500A两种要求绝缘隔热2 面罩 护目镜 130 3 焊条保温筒低氢型焊条使用 4 焊缝尺 5 渣锤6 钢丝刷7 气铲 角磨机 131 一 焊接接头形式 坡口和焊缝1 接头形式对接接头 两焊件端面相对平行的街头 T型接头 一焊件表面与另一焊件面构成直角或近似直角的接头 角接街头 两钢板端面构成大于30度小于135度夹角的接头 搭接街头 两钢板部分重叠构成的接头 4 3焊条电弧焊工艺 目的与要求 了解并掌握焊条电弧焊工艺的内容 工艺参数与措施的制定 132 2 坡口 焊透调熔合比 133 3 焊缝的空间位置其表示法参见GB T324 1988 134 二 焊接工艺参数及选择 重点 难点 焊接工艺参数的内容 U V 1 焊条直径 2 0 3 2 4 0mm 选择依据 板厚 位置 层数 接头形式 原则 能大则大 效率高 135 136 137 138 三 焊条电弧焊的基本操作技术引弧 1 划擦法 先将焊条对准焊件 再将焊条像划火柴似的在焊件表面轻轻划擦 引燃电弧 然后迅速将焊条提起2 4mm 并使之稳定燃烧 2 直击法 将焊条末端对准焊件 然后手腕下弯 使焊条轻微碰一下焊件 再迅速将焊条提起2 4mm 引燃电弧后手腕放平 使电弧保持稳定燃烧 这种引弧方法不会使焊件表面划伤 又不受焊件表面大小 形状的限制 所以是在生产中主要采用的引弧方法 但操作不易掌握 需提高熟练程度 139 2 运条运条是焊接过程中最重要的环节 它直接影响焊缝的外表成形和内在质量 电弧引燃后 一般情况下焊条有三个基本运动 朝熔池方向逐渐送进沿焊接方向逐渐移动横向摆动常用的运条方法 1 直线形运条法 2 直线往复运条法 3 锯齿形运条法 4 月牙形运条法 5 三角形运条法 6 圆圈形运条法 140 3 焊缝收尾焊缝收尾时 为了不出现尾坑 焊条应停止向前移动 而采用划圈收尾法或反复断弧法等自下而上地慢慢拉断电弧 以保证焊缝尾部成形良好 1 划圈收尾法 焊条移至焊道的终点时 利用手腕的动作做圆圈运动 直到填满弧坑再拉断电弧 该方法适用于厚板焊接 用于薄板焊接会有烧穿危险 2 反复断弧法 焊条移至焊道终点时 在弧坑处反复熄弧 引弧数次 直到填满弧坑为止 该方法适用于薄板及大电流焊接 但不适用于碱性焊条 否则会产生气孔 3 转移收尾法 焊条移到焊缝终点时 在弧坑处稍作停留 将电弧慢慢拉长 引导焊缝边缘的母材坡口内 适用于碱性焊条 在焊条的更换 临时停弧时常用 141 第五章埋弧焊 一 基本要求1 了解埋弧焊特点及应用2 熟练掌握埋弧焊的治金特点3 掌握自动焊的焊接焊接参数自动调节原理及方法4 了解埋弧焊焊机的分类及基本原理5 熟练掌握埋弧焊工艺三 重点1 埋弧焊的治金特点3 自动焊的焊接焊接参数自动调节原理及方法4 埋弧焊焊机的分类及基本原理5 掌握埋弧焊工艺 142 基本原理 143 5 1埋弧焊的特点及应用 一 埋弧焊的特点焊剂下燃烧 依靠熔渣保护 效果好 1 优点1 生产率高 因为 a 电流密度大 b 大2 焊缝质量好 因为 a 熔渣的保护效果好 b 焊接参数稳定 3 劳动条件好劳动强度低 无弧光辐射 2 缺点a 仅用于平焊b 不能焊Al Ti等活泼金属c 只能焊长焊缝d 只适于厚板E大 电流小时电弧不稳 144 二 应用1 适用的材料低碳钢 HSLA st st 耐热钢 Cu等 2 部门造船 锅炉 压力容器 机车等 145 5 2埋弧焊的冶金特点 一 焊剂 焊丝及其配合 一 焊剂1 作用 1 保护2 稳弧3 冶金 脱氧及合金化2 要求 1 良好的冶金性能2 良好的工艺性能a 稳定燃烧b 易脱渣c 成形好3 焊剂的分类及常用焊剂1 按制造方法分类 a 熔炼焊剂b 非熔炼 烧结 陶质 146 2 按成分分类MnO 无锰焊剂MnO30 SiO2 低硅焊剂SiO230 147 CaF2 低氟焊剂CaF230 焊剂牌号焊剂XYZX 表示MnO含量 1 无锰 2 低锰 3 中锰 4 高锰Y 表示CaF2 SiO2含量 1 2 3表示低F 1 低Si 2 中Si 4 高Si 4 5 6表示中F 4 低Si 5 中Si 6 高Si 7 8表示高F 7 低Si 8 中Si 焊剂431 高锰高硅低氟焊剂 148 二 焊丝一般用焊接用钢丝 与焊条钢芯相同d 1 6 6mm对于低碳钢 H08MnH08MnA 三 焊剂和焊丝的选用合适匹配 才能保证焊缝化学成分 保证性能 低碳钢 高锰高硅焊剂 H08Mn或H08MnA低锰或五锰焊剂 H08MnA或H10Mn2 HSLA 与母材等强度的焊丝 149 耐热钢不锈钢 中硅焊剂或低硅焊剂 与母材成分相当的焊丝 二 埋弧焊的冶金反应冶金反应指熔渣与液金及气体之间的反应 以低碳钢为例讨论冶金反应 选用H08MnA及焊剂431 1 Si Mn还原反应 SiO2 2 Fe 2 FeO Si G MnO Fe FeO Mn G G 0 即反应为吸热反应 FeO大部分进入渣 Si Mn进入熔池 合金化Si镇静熔池 Mn抵消S的不利作用 150 1 反应方向 熔池前部 焊丝端部熔滴 过渡中的熔滴这三个区域均向右进行 反应程度依次加强 熔池尾部温度低 反应向左进行 总反应结果为还原 因为 a 尾部存在时间短 b 温度低 速度快 c 熔池中FeO很少 151 2 影响因素 焊剂成分焊剂中SiO2量增大 Si 过渡的Si量 增大 Mn降低焊剂中MnO量增大 Mn 过渡的Mn量 增大 SiO2 2 Mn Si 2 MnO 焊丝中的Si Mn含量焊丝中Si含量增大 Si减小 Mn增大焊丝中Mn含量增大 Mn减少 Si增大 152 焊剂碱度碱度增大 自由态MnO含量增大 Mn 碱度增大 自由态SiO2含量减小 Si 焊接规范a Ia Ia 熔渣量减少 Si Mn b Ua Ua 熔渣量增大 Si Mn 2 153 2 碳的烧损埋弧焊焊接区内为弱氧化性 C被氧化 C O CO C FeO Fe CO 2 C SiO2 Si 2CO CO逸出时对熔池有搅拌作用 有利于H折出 影响因素 焊丝母材中的含碳量 Si 抑制烧损 镇静熔池 154 3 杂质S P的限制严格限制焊剂中S P含量 S 热裂纹 由共晶Fe FeSP 降低低温韧性4 去除熔池中的Ha 工艺措施 去除油污 水分 铁锈 b 冶金措施 结合成HF利用CaF2CaF2 CaF F2CaF2 2SiO2 2CaSiO3 SiF4SiF4 SiF 3FF H HF 155 结合成羟基OH利用MnO MgO SiO2等MnO H Mn OHMgO H Mg OHSiO2 H Si OHCO2 H CO OH 156 埋弧焊冶金反应的一般特点 1 熔池存在时间长 冶金反映充分 气孔 夹渣少 2 空气不易侵入焊接区域 焊缝中的含氮量低 只有0 002 左右 3 焊缝化学成分稳定 157 5 3埋弧焊设备及的自动调节系统 一 设备 一 组成电源 送丝机构 行走机构 焊剂输送及回收装置 程序控制系统 1 电源直流 交流电源 如果焊剂中含有较高的CaF2 则应采用直流电源 空载电压为70 80V 额定电流 500 2000A外特性 送丝机构为等速送丝机构时 选择平特性电源送丝机构为均匀 弧压反馈 送丝机构时 选择陡降特性电源 2 送丝机构 由送丝电动机 传动机构 送丝轮 校直轮等组成 有两类 等速送丝机构和均匀 弧压反馈 送丝机构 158 细丝 等速送丝机构粗丝 均匀 弧压反馈 送丝机构 3 行走机构由驱动电动机 传动机构 其他机械装置组成 电动机需要恒速控制 以保证焊接速度不变 4 程序控制系统控制各个部分按照预定顺序进入工作状态 二 分类1 按照用途通用 平板对接 角接等 一般有焊接小车专用 特定的焊接结构 2 按照送丝方式 等速送丝式和均匀 弧压反馈 送丝式 3 按照电极形状 丝极 带极和板极4 按行走机构 小车式 龙门式 悬臂梁式等5 按焊丝数量 单丝 双丝及多丝埋弧焊机 159 二焊接参数自动调节自动焊 引弧 焊接 熄弧均自动实现的焊接方法自动焊的基本特征 1 自动送丝 自动抽丝 送丝电机拖动滚轮自动抽丝 2 电弧自动行走 小行电机拖动 3 焊接参数自动调节Ia Ua W一焊接速度的自动调节利用电机拖动焊接小车 胎夹具或工件来进行焊接 焊接速度直接由拖动电机决定 因此焊接速度的自动调节问题就是电机转速自动调节问题 自动弧焊机一般采用直流拖动系统 引起电机转速波动的主要因素是电网电压波动及拖动负载的波动 为了克服这两个干扰因素 维持转速恒定 通常采用转子调压式控制方法 160 采用 电枢电压负反馈 电势负反馈 电枢电流正反馈 测速发电机负反馈等进行控制 二焊接电流及电弧电压的自动调节 一 影响Ia Ua的因素Ia Ua由静态工作点决定 即由电弧静特性与电源外特性决定 凡影响这两个特性曲线的因素 均影响Ia Ua1 电弧静特性影响因素1 弧长波动 a 送丝速度波动b 焊距 工件间距变化2 弧柱气氛变化 E变化 161 2 电源外特性的影响因素1 网压波动2 元件的性能变化以上因素中弧长变化影响最大 原因 1 la本身很短 10mm左右 2 易发生波动 3 E较大 因此Ia Ua恒值控制转化为弧长的恒值控制问题 弧长的自动调节方式有两种 等速送丝调节系统的自身调节及均匀送丝系统的电弧 162 I O U 163 弧长的自动调节方式有两种 等速送丝调节系统的自身调节 均匀送丝系统的电弧电压反馈调节 三 电弧自身调节 等速送丝系统 焊丝以恒定的速度送进 弧长波动时 熔化速度发生变化 依靠熔化速度的变化调节弧长 使其恢复到原来的长度 电弧稳定燃烧时满足的条件 m 熔化速度 f 送丝速度 弧长保持不变 导电嘴离开工件的距离不变 164 一 等速送丝系统的静特性 m kiI kuUki熔化速度随电流的变化系数 影响因素 电流 焊丝电阻率 伸出长度 焊丝直径ku熔化速度随电压的变化系数 影响因素 弧长 电场强度 电弧稳定时 m f则有 等速送丝系统的静特性方程 165 等速送丝系统的静特性