焊接成型工艺.ppt

焊接成型技术,陈茂爱,绪论一、连接的分类1）机械连接：利用铆钉、螺钉、螺栓、销钉等进行的连接。依靠机械力实现的连接,非永久性连接。一般用于需要经常拆卸的场合，铆钉连接除外。3）粘接：通过粘接剂与工件之间的物理和化学作用将工件粘接起来。主要是分子作用力-范德华力.3）焊接：主要学习的内容另外，切割、堆焊、喷涂等也属于焊接行业的范畴。主要从事切割和焊接工作。焊接被称为工业裁缝。,二、焊接的本质及分类一)、焊接本质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)焊接的对象：固体结合金属金属金属非金属非金属非金属2)焊接本质：依靠原子间的结合力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（0.30.5nm）。,3)手段：要通过一定的物理、化学过程加热：熔化焊、钎焊加压：冷压焊加热+加压：电阻焊、扩散焊,放大,d要求达到：0.30.5nm,1-10m,因此采取必要的措施:加热加压加热+加压,d,油污和氧化物,二）焊接的分类：根据采用的手段,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。,加热,压力焊：,钎料,加压,熔化焊,钎焊,加热,利用摩擦、扩散和加压等物理作用,熔化焊：根据热源,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,电弧焊：,熔化极电弧焊,CO2气体保护焊,埋弧焊(SAW),熔化极氩弧焊(MIGMAG),钨极氩弧焊（GTAW、TIG）,等离子弧焊（PAW）,非熔化极电弧焊,螺柱焊,焊条电弧焊(MMA),1、电弧2、熔滴过渡3、焊缝成形4、各种电弧焊方法及设备5、压力焊6、钎焊7、电源8、熔焊原理、材料的焊接性9、焊接结构,二、焊接的特点：与机械连接相比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。,与锻件及铸件相比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。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。,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。,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。不是燃烧。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。,+,-,电弧,Ua,Ia,电弧放电电流大于2A,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,二、带电粒子的产生产生方式：电离：气体中性原子或分子（A）分离为正离子（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。AA+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eV：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。其他条件相同时,电离能小的物质可增加电弧稳定性,一次电离：AA+en次电离：A（n-1）+An+e,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。激励电压：激励能Ue=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,heUi,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。最大0.12%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K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe等电离。,（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：Uw=Ww/e对电弧稳定性有重要影响:阴极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。,-,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,（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，所放出的热被称为电子亲和能。A+eA-+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；易在电弧周边形成。3）不利于电弧稳定。含有CaF2的焊剂或药皮焊条不能用于交流电弧焊.（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+eA+WiA+A2A+Wi,A-,A,e,+,A-,+,A,A,e,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,-,+,10-510-6cm,10-210-4cm,（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,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,3、电场发射型导电机构1)条件：（a）W、C阴极、且I较小（b）Al、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,3)特点：（1）阴极附近存在正电荷区阴极区（3）阴极区断面收缩（4）阴极表面上产生阴极斑点,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,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,0.999Ia,（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，阳极压降Uab)发生收缩c)有阳极斑点,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,UA,阳极区,弧柱区,阳极压降的形成,+,（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、Al、Fe、Cu作阴极且I很小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，该特点对于铝、镁及其合金的焊接是非常重要的，见后面的阴极雾化作用。,+,+,-,焊接方向,+,-,A,A,B,焊接方向,粘着性,跳跃性,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,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,四、电弧的静特性,Ua,Ia,小电流TIG,TIGSAWMMAPAW,MIGMAGPAW,CO2气体保护焊,氩弧焊,手工焊,埋弧焊,Ua,Ia,L2,L1,L2L1,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,2-2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的过程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，自由程不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。2、产热量Pc=IaUc主要用于散热损失对流、幅射、传导。3影响因素不仅取决于电流。影响Uc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：-IaUw2）电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk3）电子进入弧柱时带走的能量：-IaUT（温度等效电压）2、产热公式Pk=Ia（Uk-Uw-UT）3、作用：用于加热阴极,（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）电子流被UA加速所得到的能量：+IaUA2）电子带来的逸出功：+IaUw3）电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IaUT2、产热公式PA=Ia（UA+Uw+UT）3、作用用于加热阳极,二）、焊接电弧的热效率及能量密度（一）电弧总产热Pa=PC+PA+PK=Ia（UC+UK+UA）=IaUa（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Q2热效率系数：=Q/Pa3影响的因素：1）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高2）焊接规范：Ua增大,减小.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,焊缝成形系数B/H越小，焊接变形及HAZ越小。气焊电弧焊激光电子束1-10102-104106-107106-108,三）、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,-,弧柱的温度分布,T,T,r,L,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，IaT2、气体介质：导热系数，热解离T3、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，IaT2、气体介质：导热系数，热解离T3、电极材料:易于蒸发时,温度下降4、拘束度：越大，电弧温度越高,_,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,作用于焊条及工件上,流态导体中电磁收缩力的影响,柱形导体中的电磁收缩力,流体中压力各个方向相同，因此作用于焊条及工件上的轴向力为：,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,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,斑点力,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。,爆破力,1-4交流电弧的特点,一、交流电弧:由交流电源供电的电弧方波交流电弧:稳定性与直流没有区别电流为50H正弧波的电弧被称为正弧波交流电弧。,一）方波交流电弧方波交流电弧的电压及电流过零时，电流及电压的变化在瞬间内完成，因此在较低的电压下（2040V）就可使电弧再引燃，基本上无熄弧时间，电弧稳定性很好。所以，方波交流TIG焊机无需任何稳弧措施。,二）正弦波交流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。2、交流电弧的燃烧过程1）纯阻性回路电弧阻性元件，因此ua、ia同相位，有熄弧时间te，当te较大时，难以引燃,t,电源电压,电弧电压,电弧电流,交流电源,电感性回路,2）感性回路利用电感的续流，蓄能作用，可将te降为0,1）提高空载电压。愈高，电弧就愈稳定。2）降低引燃电压3）在回路中串一合适的电感*4）提高电源频率有利于提高电弧的稳定性5）采用方波交流*,3、提高电弧稳定性的措施,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。Pa=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。,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自身磁场决定的，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,自身磁场对刚直性的影响刚直性,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。,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,磁偏吹,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,接线位置引起的磁偏吹,+,+,+,+,-,-,+,-,+,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,磁性物质引起的磁偏吹,-,-,-,-,+,+,1-6引弧及熄弧,1、引弧：（1）接触引弧1）爆裂引弧：适用于细丝，其基本过程是：首先使焊丝与工件短路，在较大的短路电流的作用下，焊丝与工件的接触部位发生爆断，引燃电弧。2）慢送丝引弧适用于粗丝，基本方法及原理与爆裂引弧类似，其不同点是通过缓慢送丝使焊丝与工件接触，以保证引弧的可靠性。3）回抽引弧回抽引弧主要用于埋弧焊，焊前首先使焊丝与工件接触，焊机启动后，焊丝回抽将电弧引燃。,（2）非接触引弧用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振荡一小段时间，频率为150-250kHz,电压峰值2000-3000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。,应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。,2、熄弧方式1）焊丝返烧熄弧返烧熄弧时，先停止送丝，电弧继续燃烧，弧长逐渐增大，经过一定时间后切断电源，电弧熄灭，停止焊接。2）电流衰减熄弧首先停止行走，使焊接电流及送丝速度衰减，填满弧坑后，再停止送丝并切断电源。,1-7焊接电弧的分类及其特点一、自由电弧自由电弧可分为不熔化极电弧和熔化极电弧两种。（一）不熔化极焊接电弧电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡，通常采用惰性气体保护。（二）熔化极焊接电弧在焊接电弧燃烧过程中，电极不断熔化并过渡到焊接工件上去。根据电弧是否可见又分为明弧和埋弧两类。,二、压缩电弧自由电弧经过强迫压缩，得到一种温度更高、能量更集中的电弧，称为等离子弧。等离子弧又分为以下三种形式：1、转移型等离子弧：电极接负极，工件接正极。2、非转移型等离子弧：电极接负极，喷嘴接正极。3、混合型等离子弧,三、脉冲电弧电流为脉冲电流的电弧称为脉冲电弧。可分为直流和交流。它与一般电弧区别在于，电弧电流从基本的维弧电流幅值周期的增大到脉冲电流幅值。可看成由维持电弧和脉冲电弧两种电弧组成。维持电弧用于维持电弧的连续燃烧；脉冲电弧用于加热工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。,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。,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：PAPkMIG焊：PKPAPk受多种因素影响，而PA取决于电极材料则不。,LH,电源,送丝轮,导电嘴,la,（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=I2Ls/S影响因素：1）钢焊丝的大，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,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.Sm=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）,显然：1）电流1）I增大，m增大2）对于Al焊丝，m几乎与I无关，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。,Ua,Ia,m=f,铝,Ua,Ia,钢,熔化极氩弧焊等速送丝时电弧稳定燃烧时，电流、电弧电压与熔化速度之间的关系,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=kPm=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，电阻率很小，影响不大。,2-2熔滴过渡和飞溅,一）、基本概念熔滴过渡：焊丝端部在电弧热量作用下熔化形成熔滴，熔滴在电弧力的作用下进入熔池的过程。飞溅：熔化的焊丝金属飞到熔池之外的现象称为飞溅。,一）、基本概念熔滴过渡：焊丝端部在电弧热量作用下熔化形成熔滴，熔滴在电弧力的作用下进入熔池的过程。飞溅：熔化的焊丝金属飞到熔池之外的现象称为飞溅。,二）、熔滴上的作用力（一）表面张力不同情况下的作用是不一样的，有两种情况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。2、熔滴将焊丝与工件短路时，熔滴与工件间的表面张力促进过渡F=2RD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。,F=2Rs,式中：为表面张力系数，Rs为焊丝半径。,F,F,F,表面张力,（二）重力熔滴的重力Fg=mg=,r熔滴半径，密度,作用：1）平焊时促进过渡；2）立焊，仰焊时阻碍过渡。,Fmg,重力,（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，不阻碍过渡,有时甚至促进过渡2）Sb较小时，阻碍过渡,（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,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、大滴过渡：出现在电流较小、电弧电压较大时。1）大滴过渡：MIG焊特点：（1）aD=g（2）轴向（3）dDds2）大滴排斥：CO2焊特点：（1）aD=g（2）非轴向，有飞溅（3）dDds,2、喷射过渡1）射滴:条件：1）铝焊丝MIG焊,2）IfIL,Ua较大特点：（1）aDg（2）dDds（3）轴向性好（4）一次一滴,2）射流：条件：（1）钢焊丝MIG焊（2）IfIL,Ua较大特点：（1）aDg（2）dD485、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。,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、IaFa热源下移Hq=IUqmHH=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基本不变或略有增大。3、Ia，焊丝熔化量增加，B不变，a（二）电弧电压Uaq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。,（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：,（五）电极形状、尺寸、伸出长度,MIG焊：,ds减小,qm,H、aB,MIG、CO2、SAW等：,TIG焊：,dww,qm,HB变化不大,Ls减小,qm,H、a,（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HBa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，HaB，易于导致满溢，未焊透等上坡焊：相反。I过大会导致咬边等缺陷,（九）工件材料1、比热容C：C，Vm，则H及B2、密度：则H3、板厚：当H0.6时，无影响（十）焊剂、药皮及气体焊剂：稳弧性差EkBH大压力大EH颗粒度小压力大EH气体：导热性高、解离严重弧柱收缩EH,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,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。,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,3-3焊缝成型,良好焊缝成型的标准：1、无缺陷2、表面圆滑基础：首先要保持住熔池，如何保证熔池稳定在很多条件下是一个难题。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：熔池在重力作用下易于流淌解决方法：强制成型、小电流（脉冲+摆动）,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,第四章埋弧焊,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,基本原理,4-1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，焊缝含N量低，b）焊接参数稳定；C）熔池存在时间长，气孔少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,二）、应用1、适用的材料低碳钢，HSLA，st-st，耐热钢，Cu、Ni等。2、部门造船、锅炉、压力容器、机车等,4-2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：熔渣、气体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：合适的熔点、粘度、密度、透气性3、焊剂的分类及常用焊剂1）按制造方法分类：a）熔炼焊剂：1500C左右熔炼。吸湿性好、成分均匀b）非熔炼：烧结、粘结,2）按成分分类MnO：无锰焊剂MnO30%SiO2：低硅焊剂SiO230%,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、3-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,（二）焊丝一般用焊接用钢丝，与焊条钢芯相同d=1.66mm对于低碳钢：H08MnH08MnA（EC）（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低锰或无锰焊剂+H10Mn2,HSLA,+与母材等强度的焊丝,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态金属及气体之间的反应。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）+2Fe=2（FeO）+Si-G（MnO）+Fe=（FeO）+Mn-GG0，即反应为吸热反应FeO大部分进入渣Si、Mn进入熔池，合金化，保证焊缝强度另外，Si镇静熔池、Mn抵消S的不利作用。,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。,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）+2Mn=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,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，SiMnb）Ua：Ua，熔渣量增大，SiMn2,2、碳的烧损埋弧焊焊接区内为弱氧化性，C被氧化C+O=COC+FeO=Fe+CO2C+（SiO2）=Si+2COCO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,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Mn具有防止热裂纹的作用。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,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,4-3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。,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。,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。,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,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。,I,O,U,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,一）等速送丝系统的静特性m=kiIkuUki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,等速送丝系统的静特性曲线，又叫等熔化曲线、C曲线。熔化速度（送丝速度）与电流及电压之间的关系下图所示。在不同的弧长范围，熔化速度与电流及电压的关系不同，其调节原理也由所不同。,m,A,影响因素：1、弧长：长弧时，垂直于电流轴短弧时，ku较大，不能忽略不计。熔化速度随着弧长的缩短而增大。2、送丝速度增大，曲线右移；3、焊丝直径减小、干伸长度增大，ki增大，曲线左移动。,二）弧长调节原理,弧长减小时电弧静特性曲线下移，电弧的工作点由稳态的O0变为瞬态工作点O1，焊接电流增大，焊丝熔化速度加快，从而使弧长逐渐增大，回到原来的数值。显然，这种调节的灵敏度取决于单位弧长变化所引起的焊丝熔化速度变化量，该变化量越大，灵敏度越大。,O0,O1,O0,O0,三）调节精度1、弧长波动引起的误差导电嘴离工件的距离H不变时：调节误差为0导电嘴离工件的距离H变化时：有调节误差，误差取决于H的变化量及电源外特性，采用缓降外特性电源时，电弧弧长静态误差较小。,I,U,C曲线,新C曲线,电弧静特性,电源外特性,ls,B,A,2、网压波动引起的误差,O0,O陡,O缓,O0,O陡,O缓,U,I,I,U,长弧时，网压波动主要引起电压误差，配缓降特性的电源引起的误差较小。短弧时，网压波动主要引起电流误差，配陡降特性的电源引起的误差较小。,四）调节灵敏度即调节速度速度、调节时间。弧长波动是通过熔化速度来调节的，因此调节速度取决于熔化速度的变化量。,1)长弧（AB段）时，熔化速度仅与电弧电流有关：m=kiIm=kiI。ki,越大，灵敏度越高。ki随焊丝直径的增大而减小，焊丝直径较粗时，电弧自身调节灵敏度很小，因此弧长自动调节仅适用于细丝，不适用于粗丝。单位弧长发生波动时引起的I。采用平特性或缓降特性的电源时，同样的弧长波动引起的I较大，调节灵敏度较大，因此，弧长较大时，等速送丝系统通常匹配平特性或缓降特性电源。,I,O,U,I缓降,I陡降,弧柱的电场强度：E越大，单位弧长波动引起的I越大，灵敏度越高。2）弧长较短（BC段）时，熔化速度与电弧电流及电弧电压均有关：m=kiIkuUku为熔化速度随电压变化的系数，弧长波动引起的熔化速度变化量：m=kiI-kuU，由于弧长较短时，ku非常大，因此，即使采用恒流特性的电源（I=0），弧长波动时仍能引起足够大的m，具有足够大的灵敏度。而且，采用恒流特性电源时