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文档简介
1、n焊接电弧焊接电弧一、概述一、概述n在机械制造工业中,使两个或两个以上零件联接在一起的方法有螺钉联接、铆钉联接和焊接等。前两种联接都是机械联接,是可拆卸的,而焊接则是利用两物体原子间产生的结合作用来实现联接的,联接后不能再拆卸,为永久性联接。n焊接(焊接(Welding):): 焊接是通过加热或加压,或两者并用,并且使用或不焊接是通过加热或加压,或两者并用,并且使用或不使用填充材料使工件达到结合的一种方法。其本质就是通使用填充材料使工件达到结合的一种方法。其本质就是通过适当的物理过适当的物理化学过程,使两个分离表面的金属原子接化学过程,使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离(近到晶格距离(0.
2、30.5nm)形成金属键,从而使两金属)形成金属键,从而使两金属连为一体。连为一体。焊接方法(焊接方法(Welding process):): 焊接方法是指定某特定的焊接方法,如埋弧焊、气体焊接方法是指定某特定的焊接方法,如埋弧焊、气体保护焊,其含义包括该方法所涉及的冶金、电、物理、化保护焊,其含义包括该方法所涉及的冶金、电、物理、化学及力学原则等内容。根据上述内容的差异性区分出不同学及力学原则等内容。根据上述内容的差异性区分出不同的焊接方法。的焊接方法。n据统计,世界主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的45左右,焊接结构的优点:1、适应性强 2、连接性能好 3、节省材料、质量轻4、生产
3、周期短、生产效率高 二二 、焊接电弧、焊接电弧n熔化焊是最重要的焊接工艺方法。熔化焊所用的热源对熔化焊的工艺操作和焊接质量具有特别重要的影响。其中以电弧为加热热源的电弧焊是熔化焊中最基本、应用最为广泛的金属材料焊接方法。n焊接电弧是由焊接电源维持的、在具有一定电压的电极间或电极与工件之间的气体介质中产生的强烈而持久地放电现象。也可以说,电弧是在两电极间存在电位差时,电荷通过两电极之间气体空间的一种导电现象。n焊接电弧的产生 常态下的气体由中性粒子(分子或原子)组成,不含带电粒子。要使两电极间气体连续放电,就必须使两电极的气体介质中,能连续不断地产生足够多的带电粒子(电子、正离子、负离子),即发
4、生气体电离,并且这些带电粒子在两极间电场(电压)作用下能连续不断地向两极作定向运动。n焊接电弧的构成n(1)阴极区)阴极区 阴极区是指阴极处紧靠阴极表面的导电区,其沿电弧长度方向的尺寸很小,约为10-210-6cm。阴极区的作用是向弧柱区提供所需要的电子流,同时接收由弧柱区送来的正离子流。n(2)阳极区)阳极区 阳极区是指紧靠阳极长度约为10-210-6cm的气体导电区域。阳极区的作用是接受弧柱区流过来的电子流,并向弧柱区提供正离子流。n(3)弧柱区)弧柱区 弧柱区是指阴极区和阳极区之间的区域,由于阴极区和阳极区很窄,故可把电弧的实际长度视为弧柱长度。由于弧柱区的温度可高达500050000K
5、,弧柱区将产生以气体的热电离为主的导电现象。由热电离产生的带电粒子在外加电场的作用下,正离子向阴极方向运动,电子向阳极方向运动而形成电流。n焊接电弧的静特性n焊接电弧的动特性n电弧燃烧的稳定性(1)焊接电源的影响(2)焊接电流的影响(3)焊条药皮的影响(4)电弧长度的影响 (5)其它影响因素 n焊接电弧的偏吹焊接电弧偏吹的原因(1)焊条偏心度过大(2)电弧周围气流的干扰(3)磁偏吹n减少或防止焊接电弧偏吹的方法n(1)在条件许可的情况下尽量使用交流电源焊接。n(2)在露天操作时,如果有大风则必须用挡板遮挡,对电弧进行保护。在管子焊接时,必须将管口堵住,以防止气流对电弧的影响。n(3)在焊接间隙
6、较大的对接焊缝时,可在接缝下面加垫板,以防止热对流引起的电弧偏吹。n(4)在焊缝两端各加一小块附加钢板(引弧板及引出板),使电弧两侧的磁力线分布均匀并减少热对流的影响,以克服电弧偏吹。n(5)采用短弧焊接,因为短弧时受气流的影响较小,而且在产生磁偏吹时,如果采用短弧焊接,也能减小磁偏吹程度,因此采用短弧焊接是减少电弧偏吹的较好方法。n(6)在操作时适当调整焊条角度,使焊条偏吹的方向转向熔池,这种方法在实际工作中应用的比较广泛。n(7)适当改变焊件上的接地线位置,尽可能使电弧周围的磁力线分布均匀。三、焊接接头三、焊接接头n焊接接头的组成焊接接头是由焊缝金属、熔合线、热影响区及其邻近的母材组成。
7、OA-焊缝 AB-熔合区 BC-热影响区n(1)焊缝 焊缝是焊件经焊接后形成的结合部分。通常由熔化的母材和焊材组成,有时全部由熔化的母材组成。焊缝金属的性能决定于两者熔合后的成分和组织。n(2)熔合区(线) 熔合区是焊接接头中焊缝向热影响区过渡的区域,是焊缝边界上固液两相交错共存而又凝固的部分。n(3)热影响区 热影响区是焊接过程中,母材受焊接热的影响(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化的区域。它的宽度与焊接方法及热输入量大小有关。n焊接接头的基本特点(1)几何不连续性 当接头位于结构几何形状和尺寸发生变化的部位时,该接头就是一个几何不连续体,工作时传递着复杂的应力。(2)性能不均匀 焊缝
8、金属与母材在化学成分上常存在差异,再经受不同的焊接热循环和热应变循环,必然造成焊接接头各区域的金属组织存在着不同程度的差异,导致了焊接接头在力学性能、物理、化学性能及其他性能的不均匀性。(3)有残余应力和变形 焊接过程热源集中作用于焊接的部位,不均匀的温度场下产生了较高的焊接残余应力和变形,使接头的区域过早地达到屈服点和强度极限,同时也会影响结构的刚度,尺寸稳定性及结构的其他使用性能。n焊接热循环 焊接热循环概念焊接热循环概念 在焊接过程中热源是沿焊件移动的,在焊接热源作用下,焊某点的温度随时间变化的过程,叫该点的焊接热循环 焊接热循环曲线 焊接热循环的特征n焊缝焊缝结晶过程:a)开始结晶 b
9、)晶粒长大 c)柱状结晶 d)结晶结束n熔合区 熔合区紧邻焊缝金属,温度处于固相线与液相线之间,该区很窄,金属处于部分熔化状态,晶粒十分粗大,化学成分与组织极不均匀,冷却后的组织为过热组织。 当焊缝和母材化学成分相差较大或进行异种钢焊接时,在熔合区附近还会发生碳和合金元素的相互扩散,成分和组织的差异更大,会产生新的不利的组织带。尽管熔合区很窄,在金相观察时很难划分出来,但由于产生过热组织,晶粒粗大,或产生不利的组织带,使该区塑性和韧性下降,成为焊接接头中的薄弱环节。在许多情况下,熔合区往往是使焊接接头产生裂纹或局部脆性破坏的发源地。低碳钢的热影响区n焊接热影响区 焊接热循环对焊接热影响区的组织
10、和性能有着较大影响,热影响区的组织和性能基本上反映了焊接接头的性能和质量。焊接过程中,热影响区沿宽度各点被加热,但所达到的温度不同,因而焊后组织、性能也不相同。热影响区某点被加热达到的最高温度,在最高温度下停留的时间及随后的冷却速度,都将决定该点的组织情况。n影响焊接接头性能的因素及质量控制(1)焊接材料选择(2)焊接工艺方法 (3)熔合比(4)焊接热输入及工艺参数n焊接接头的形式焊接接头可分为对接接头、T形接头、十字接头、搭接接头、角接接头、端接接头、套管接头、斜对接接头、卷边接头和锁底对接接头等共10种,其中以对接、T形、搭接、角接等4种接头用的较多。n根据坡口形状的不同,坡口可分成I形(
11、不开坡口)、V形、双V形、U形、双U形、单边V形、K形、J形等形式。n坡口的几何尺寸 a.坡口面。焊件上所开坡口的表面叫坡口面。b.坡口面角度和坡口角度。待加工坡口的端面与坡口面之间的夹角叫坡口面角度。两坡口面之间的夹角叫坡口角度,开单面坡口时,坡口角度等于坡口面角度;开双面对称坡口角度时,坡口角度等于两倍的坡口面角度。c.根部间隙。焊前在接头根部之间预留的空隙叫根部间隙。根部间隙的作用在于焊接打底焊道时,能保证根部可以焊透。d.钝边。焊件开坡口时,沿焊件接头坡口根部的端面直边部分叫钝边。钝边的作用是防止根部焊穿。e.根部半径。在J形、U形坡口底部的圆角半径叫根部半径。根部半径的作用是增大坡口
12、根部的空间,使焊条能够深入根部,以促使根部焊透。坡口的几何尺寸n焊缝按不同分类方法可分为下列几种形式:(1)按焊缝结合形式,分为对接焊缝、角焊缝、塞焊缝、槽焊缝和端接焊缝五种。(2)按施焊时焊缝在空间所处位置分为平焊缝、立焊缝、横焊缝及仰焊缝四种形式。(3)按焊缝断续情况分为连续焊缝和断续焊缝两种形式。n焊缝的形状尺寸(1)焊缝宽度(2)余高(3)熔深(4)焊缝厚度、焊脚n焊接位置 焊缝位置,即熔焊时,焊件接缝所处的空间位置,可用焊缝倾角和焊缝转角来表示。焊缝倾角,即焊缝轴线与水平面之间的夹角;焊缝转角,即焊缝中心线(焊根和盖面层中心连线)和水平参照面Y轴的夹角;在平焊位置、横焊位置、立焊位置
13、、仰焊位置进行的焊接分别称为平焊、横焊、立焊、仰焊。T形、十字形和角接接头处于平焊位置进行的焊接称为船形焊。在工程上常用的水平固定管的焊接,由于在管子360的焊接中,有仰焊、立焊、平焊,所以称全位置焊接。当焊件接缝置于倾斜位置(除平、横、立、仰焊位置以外)时进行的焊接称为倾斜焊。(1)平焊位置 焊缝倾角0-15,焊缝转角150-210的焊接位置,见图 A。(2)横焊位置 焊缝倾角0-15;焊缝转角80-150或210-280的对接位置,见图B。(3)仰焊位置 焊缝倾角0-80;焊缝转角0-80或280-360的焊接位置,如图C。(4)立焊位置 焊缝倾角80-90,焊缝转角80-280或0-36
14、0的焊接位置,如图D。四、焊接应力与变形四、焊接应力与变形n焊接变形和残余应力产生原因 在焊接过程中,对焊件进行局部的不均匀加热,会产生焊接应力和变形。n焊接变形的基本形式(1)基本变形 基本变形通常表现为收缩变形,包括沿焊接方向的纵向收缩变形和沿垂直于焊接方向的横向收缩变形。收缩变形的产生原因是由于焊接时的热膨胀受到约束而在焊接区产生压缩塑性变形,这一压缩塑性变形在随后的冷却过程中部分保留下来,从而产生了收缩变形。(2)派生变形 弯曲变形 角变形 扭曲变形 波浪变形减少焊接应力与变形的工艺措施(1)结构设计 在设计焊接结构时,焊缝的位置应尽可能对称于结构中心轴;在保证结构有足够承载能力的条件
15、下,应尽可能选用型材、冲压件、锻件或铸钢件,以减少焊缝的数量和尺寸;同时,焊缝要避免密集和交叉,以减少过热、应力集中和焊接变形。(2)焊接工艺反变形法。根据理论计算和经验,预先估计构件焊接变形的大小和方向,然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的人为变形,使焊后变形相互抵消。加于余量法。工件下料时,给工件尺寸加大一定的收缩余量,以补偿焊后的收缩。刚性固定法。焊接时将焊件加以固定,焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定,可有效防止角变形和波浪变形,但该方法会增大焊接应力,只适用于塑性较好的低碳钢结构,不能用于铸铁和淬硬倾向大的钢材,以免焊后断裂。合理选用焊接方法和焊接规范。尽量选用能量较为集中
16、的焊接方法,以减少局部加热程度,进而减少焊接应力和变形。 选用合理的焊接顺序。锤击焊缝法。在焊缝的冷却过程中,用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝,使金属产生塑性延伸变形,抵消一部分焊接收缩变形,从而减小焊接应力和变形。加热“减应区”法。焊接前,在工件的适当部位(称为减应区)进行加热使之伸长,焊后冷却时,加热区与焊缝一起收缩,可大大减小焊接应力和变形。焊前预热和焊后缓冷。焊后热处理。锤击焊缝的路线n焊后矫形处理n(1)机械矫形 焊后通过压力机、矫直机、辗压或锤击等方法矫正焊接变形。机械矫形是利用机械外力所产生的变形,抵消焊接变形并降低内应力。这种方法适用于矫正刚性较小、塑性较好和厚度不大的焊件。n(2
17、)火焰加热矫形 利用氧乙炔火焰加热时产生的局部压缩塑性变形,来抵消被焊工件在该部分已产生的伸长变形。加热方式有点状加热、三角加热和条状加热,加热温度一般为600800。火焰矫形可使工件的形状恢复,但矫形后的工件应力并未消失。这种方法不适宜易淬硬材料和脆性材料。压力机机械矫正弯曲变形火焰矫正弯曲变形五、常用焊接方法五、常用焊接方法n承压设备主要采用的焊接方法有:焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊、埋弧焊、气焊、电渣焊、等离子弧焊、螺柱焊、气电立焊和摩擦焊以及堆焊。n焊条电弧焊(SMAW) 利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热到熔化状态,焊条端部熔化后形成的熔滴和熔化的母材融
18、合一起形成熔池,随着电弧向前移动,液态熔池金属逐步冷却结晶,最终形成焊缝的一种焊接方法。1焊缝 2熔池 3保护性气体 4电弧 5熔滴 6焊条 7焊钳8电焊机 9焊接电缆 10工件n钨极气体保护焊(GTAW) 钨极气体保护焊是指采用高熔点的钍钨棒或铈钨棒作电极,焊接时,钨极不熔化,仅起引弧和维持电弧的作用,并在惰性气体保护下进行焊接的一种电弧焊方法。通常采用氩气作为保护气体,因此又称作钨极氩弧焊。焊接时,在钨极与工件间产生电弧,以电弧热作为焊接热源,填充金属从钨极的前方添加送入,在电弧热的作用下,工件和填充金属熔化并形成熔池,冷却后形成焊缝。1喷嘴 2钨极 3电弧 4焊缝 5工件6熔池 7填充焊丝 8惰性气体n熔化极气体保护焊(GMAW) 熔化极气体保护焊是利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法,简称气体保护焊。熔化极气体保护焊具有熔敷效率高、适用金属材料广泛、可进行全位置焊接、冶金反应简单和易于实现自动化等优点,是现代焊接生产中应用非常广泛的焊接方法。保护气体有:惰性气体、氧化性混合气体(惰性气体中加入氧气、CO2气等)、全CO2气。1母材 2电弧 3导电嘴 4焊丝5送丝轮 6喷嘴 7保护气体 8熔池 9焊缝金属n埋弧焊(SAW) 埋弧自
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