焊接基本知识

1、第二篇机器人焊接技术篇第一章焊接根本知识1.1 焊接电弧1.1.1 电弧的产生焊接时,将焊丝端部与焊件接触后很快拉开,在焊丝端部与焊件之间立即就会产生明亮的电弧,这种电弧与一般电火花在本质上是相同的,是一种气体放电现象,而且是一种自持放电过程.借助这种特殊的气体放电过程,电能转换为热能、机械能和光能.焊接时主要是利用其热能和机械能来到达连接金属的目的.电弧中的带电粒子主要是依靠电弧中的气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程而产生的.1.1.1.1 电离在一定的条件下中性气体分子或原子别离成正离子和电子的现象称为电离.使中性粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能,通常以电子伏特

2、eV为单位.假设以伏特表示那么为电离电位.不同的气体或元素,由于原子的构造不同,其电离电位也不同,表1.1为常用元素的电离电位.表1.1常用元素的电离电位70ft电离电压V70ft电离电压VH13-5W8-0He24-5H215-4Li5-4C212C11-3N2155N14-5O212-2O13-5Cl213F17-4CO14-1Na51NO95ArOH15713,8KH2OCa4-3CO212-6Ni6,1NO213-7Cr76Al11596Mo7-7MgCs7-4Ti7-61Fe3-9Cu6-81687-8在焊接时使气体介质电离的方式主要有三种：热电离、碰撞电离和光电离.热电离：在高温时

3、气体的分子或原子的运动速度很快,它们中间的电子也以高速度运动.由于焊接电弧具有很高的温度弧柱的温度一般在5000K-30000K的范围,这时电子的高速运动所产生的离心力大于原子核对它的吸引力,电子就脱离原子,而使原子变成阳离子和电子.温度越高,热电离作用就越大.碰撞电离：带电质点受电场的作用而加速运动,使它具有很大的动能,当与中性的气体分子或原子碰撞时,将一局部能量传给气体分子或原子中的电子,促使其内能发生变化,从而使电子脱离原子核的吸引而成为自由电子,原子便成为阳离子.当电弧长度不变,两极间的电压越高,带电质点的运动速度就越大,产生碰撞电离的作用就越强.光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生

4、的电离现象称为光电离.光电离是电弧中产生带电粒子的一个次要途径.1.1.1.2 电子发射电弧中担负导电任务的带电粒子除了依靠上述电离过程产生外,还需要从电极外表发射出来.只有从阴极外表发射的电子在电场作用下才可能参与导电过程.使一个电子由金属表面飞出所需要的最低外加能量称为逸出功,单位是电子伏特eV,由于e是一常数,所以常用V来表示.几种金属的逸出功列于表1.2.由表2可见,所有金属当外表存在氧化物时其逸出功皆减小.表1.2几种金属的逸出功金属种类WFeAlCuKCaMg逸出功eV纯金属4.544.484.254.362.022.123.78有氧化物3.923.93.850.461.83.31

5、焊接时,根据阴极所吸收能量的性质不同,电子发射的方式可分为热电子发射、场致电子发射和碰撞电子发射.热电子发射：焊接时,阴极外表温度很高,阴极中的电子运动速度很快,当电子的动能大于电极内部正电荷的吸引时,电子就会冲出阴极外表,而产生热电子发射作用.温度越高,热电子发射作用越强烈.场致电子发射：在强电场的作用下,由于电场对阴极外表电子的吸引力,电子可以获得足够的动能,从阴极外表发射出来.这种发射电子的情况除了决定于电极外还决定于电场强度.碰撞电子发射：当运动速度较高,能量较大的阳离子撞击阴极外表时,将能量传给阴极而产生电子发射.电场强度越大,阳离子的运动速度也越大,那么产生的碰撞电子发射作用就越强

6、.1.1.2 电弧的构造和温度焊接电弧可以划分为三个区域：阴极区、阳极区和弧柱区图1.1.阴极区和阳极区在电弧长度方向的尺寸皆很小,约为10-4-10-6厘米.在阴极区的阴极外表有一个明亮局部称为阴极斑点.在阳极区的阳极外表也有一个明亮局部称为阳极斑点.图1.1焊接电弧的构造阴极区：为了维持电弧的稳定燃烧,阴极区的任务是向弧柱区提供所需的电子流Ie=0.999I,I为总电流,接受弧柱区送来的正离子流Ii=0.001I.从阴极发射出来的电子受到阳极的吸引,很快离开阴极向阳极移动.但阳离子的质量比电子大,运动速度较小,所以在阴极外表每一瞬间阳离子的浓度都比电子大得多,这样就使得阴极外表附近所有阳离

7、子的总数大大超过所有电子的总数,因而造成阴极外表附近空间电荷呈正电性.这样从阴极表面到阳离子密集的地方就形成较大的电位差,这局部电位差称为阴极压降UK.虽然阳离子飞向阴极时,对阴极的撞击和阳离子与电子结合成中性粒子都要放出热量,这些热量传给阴极,使阴极温度升高.但由于阴极发射电子要消耗一些能量,以及阴极金属材料的熔化、蒸发要吸收很多热量,所以阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点.阳极区：阳极区的导电机构要比阴极区简单得多,为了维持电弧的导电,阳极区的任务是接受由弧柱流过来的0.999I的电子流和向弧柱提供的0.001I的正离子流.由于阳极不发射正离子,弧柱所要求的正离子流不能从阳极得到补充,

8、阳极前面的电子数必将大于正离子数,形成负的空间电场,使阳极与弧柱之间连接着一个负电性区,这就是所谓的阳极区.阳极区两端的电压降称为阳极压降UA.由于每一个电子到达阳极时都向阳极释放相当于逸出功的能量,从而使阳极区的温度比阴极区的温度要高,如表1.3所示.表1.3阳极区和阴极区的温度及电压降电极材料材料沸点C阴极区阳极区温度K电压降V温度K电压降VFe28802400812260024Cu25952200121324501011W600036404250阴极斑点：当阴极材料Fe、Al、Cu等的熔点和沸点较低而导热性能很强时,即使阴极温度到达材料的沸点开始蒸发,此温度也缺乏以使阴极通过热发射产生充

9、分的电子来维持电弧的稳定燃烧,阴极将缩小其导电面积,甚至在阴极导电面积前面形成密度很大的正离子空间电荷,所形成很大的阴极压降值,足以产生较强的电场发射,以补充热发射的缺乏维持电弧的燃烧.此时阴极将形成面积更小,电流密度更大的斑点来导通电流,这种导电斑点称为阴极斑点.当用高熔点材料C,W作阴极时,只有在电流较小,阴极温度较低的情况下才可能产生这种阴极斑点.当用低熔点材料作阴极时,那么大多属于这种情况.采用这些材料作阴极时,阴极外表将产生许多别离的阴极斑点组成的阴极斑点区.这些别离的斑点在阴极斑点区内以很高的速度跳动,自动选择最有利于局部电场发射和局部热发射的点,电弧通过这些点消耗最低的能量.由于

10、阴极斑点处电流密度很高,受到大量正离子的撞击,斑点上将积聚大量热能,温度很高,甚至到达材料的沸点,从阴极斑点产生大量金属蒸汽,以一定速度射出.这种金属蒸气流的反作用力对斑点形成一定的压力,称为斑点压力.在直流正接的熔化极焊接时,焊丝为阴极,阴极斑点压力对熔滴的过度将起阻碍作用.由于阴极斑点的形成有上述条件的要求,所以阴极外表上的热发射性能强的物质有吸引电弧的作用,阴极斑点有自动跳向温度高,热发射强的物质上的性能,如果金属外表有低逸出功的氧化膜存在时,阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向,铝合金焊接时的去除氧化膜的作用就是阴极斑点的这种作用所决定的.阳极斑点：当采用低熔点的材料作阳极时Fe、Al、Cu

11、等,一旦阳极外表某处有熔化和蒸发产生,由于金属蒸气的电离能大大低于一般气体的电离能,在金属蒸气大量存在的地方更容易产生热电离而提供弧柱所需要的正离子流,因此电流更容易从这里进入阳极,阳极上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点.由于阴极斑点往往伴随着金属蒸气的蒸发,其反作用力对阳极将表现为压力,因此一旦形成阳极斑点也就产生阳极斑点压力.由于条件的不同,阳极斑点的电流密度比阴极斑点要小.所以通常阳极斑点压力要比阴极斑点压力小.熔化极焊接焊丝接阳极时,那么阻止熔滴过渡的作用力较小,而当焊丝接阴极时那么阻止熔滴过渡的作用力较大,这也是熔化极气体保护焊多采用反接的主要原因之一.由于大多数金属氧化物的熔点和

12、沸点皆高于纯金属,因此当金属外表覆盖氧化膜时,阳极斑点有自动寻找纯金属避开氧化膜的倾向与阳极斑点的情况相反,铝合金焊接时,当工件为阳极时没有去除氧化膜的作用与阳极斑点的这种特点有密切的关系.1.1.3 电弧的静特性电弧燃烧时,两个电极之间的总电压与电流之间存在一定的关系,表示电弧稳态电压与稳态电流之间关系的曲线称为电弧静特性,表示处于变化状态的电流与电压之间关系的曲线称为电弧动特性.图1.2焊接电弧的静特性曲线电弧静特性曲线呈U形,分如图1.2所示的三个不同的区域.当电流较小时A区,电弧静特性是属负特性,即随着电流的增加而电压减小.当电流稍大时B区,电弧电压几乎不变,在此区间的电弧特性为平特性

13、.鸨极僦弧焊时,一般在小电流区域为负特性而在大电流区域为平特性.当电流进一步增大时C区,电压随电流的增加而升高,电弧静特性属上升特性.细焊丝的熔化极气体保护焊时,一般电流密度皆较大,其电弧静特性皆为上升特性.影响电弧静特性的因素主要有：电弧长度、周围气体种类及气体介质的压力.当电流一定时,电弧长度增加,电弧电压将随着升高,电弧静特性的位置将提升.气体种类对电弧静特性的影响主要有两方面的原因：一是气体的电离能不同；二是气体的热物理性能不同.其中第二个原因往往是主要的.气体的导热系数,气体的解离及解离能等对电弧电压都有决定性的影响.导热系数大和气体解离时要吸收大量热量,都会增强对电弧的冷却作用,热

14、损失增加,要求较大的IE与之平衡,当I为定值时,E必然要增加,从而使电弧电压升高.其他参数不变时,气体压力的增加意味着气体粒子密度的增加,气体粒子通过散乱运动从电弧带走的总热量将增加,电弧电压将升高.1.2 熔滴过渡及焊缝成形1.2.1 焊丝的熔化在熔化极电弧焊中,焊丝的稳定熔化并过渡到焊接熔池是影响电弧焊生产率和焊缝质量的一个重要因素.焊丝的熔化主要靠阴极区正接或阳极区反接所产生的热,而弧柱的幅射热居次要地位.除了焊丝端头处产热外,从焊丝与导电嘴的接触点到电弧端头的一段焊丝上焊丝的干伸长Ls有焊接电流流过,也将产生电阻热,这也是焊丝熔化的一局部热源.阴极区与阳极区的产热情况是不同的,可分别用

15、下式表示：Pa=IUa+Uw+UtPk=IUk-Uw-Ut其中Ua阳极压降Uw逸出功Ut弧柱温度的等效电压Uk一阴极压降很明显,焊丝端部的产热都与焊接电流成正比,它的比例常数等于式中括弧内的数值,称为焊丝熔化的等效电压,用Uw表示,焊丝熔化的等效电压主要与极性、电极材料和保护介质等有关.焊丝干伸长局部产生的电阻热为：式中RsLs段电阻值»焊丝的电阻率L$一焊丝干伸长S一焊丝横断面积电阻热与材料种类有关.对于导电良好的铝和铜等金属,Pr与R或Pa相比是很小了,可忽略不计,而对钢和钛等电阻率较大的材料,特别是在细丝大电流时,干伸长越大,Pr对焊丝焊化速率的影响越大,因此对于加热和熔化焊总

16、热量P主要由两局部组成,即P=I(U+IRS).1.2.2 熔滴过渡形式及其作用力在熔化极电弧焊中,焊丝端头形成的熔滴,它受到各种力的作用.由于作用力的大小和方向不断变化,而引起焊丝端头上的熔滴形状和位置也不断变化,从而以不同的形式脱离焊丝飞向熔池.1.2.2.1 熔滴上的作用力在焊丝端部的金属熔滴受以下几个力的作用：外表张力、重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其它力.(1)外表张力：液态金属和其它液体一样,具有外表张力,焊丝熔化后,液态金属并不马上掉下来,而是在外表张力的作用下形成球状熔滴悬挂在焊条未端.随着焊丝的不断熔化,熔滴体积不断增大,直到作用在熔滴上的作用力超过熔滴与焊丝界面间

17、的张力时,熔滴才脱离焊丝进入熔池.外表张力越大,焊丝未端的熔滴越大.外表张力与焊丝直径、液态金属和保护气体的成分以及温度等有关.焊丝直径大,外表张力也大；液态金属温度越高,其外表张力越小；在焊丝内参加一定的活性物质,或在保护气体中参加氧化性气体(.2、CO2),可以显著降低液体金属的外表张力,形成细颗粒熔滴向熔池过渡.(2)重力：任何物体在重力作用下都有下垂的倾向,所以在平焊时,重力促进了熔滴的过渡,但在立焊和仰焊时重力将对熔滴的过渡起阻碍作用.当焊丝直径较大而焊接电流较小时,在平焊位置的情况下,使熔滴脱离的力主要是重力.(3)电磁力：在焊接时,焊丝上通过较大的电流,由于大电流可以看成是许多同

18、向平行的小电流.根据电磁学中平行电流磁场的作用原理可知,同向平行电流是彼此吸引的,即对通电导体有一径向收缩力(即磁缩力),这种电磁收缩力促使熔滴很快形成并脱离焊丝端部向熔池过渡.当采用大电流焊接时,重力与电磁收缩力相比数值很小,电磁收缩力将是影响熔滴脱落的主要作用力.在熔化极焊接的情况下,由于存在电极斑点,使电流流过熔滴时,导体的截面发生变化,将产生电磁的轴向分力,其方向总是从小截面指向大截面,如图1.3所示.如果斑点尺寸小于焊丝直径,那么轴向分力阻碍熔滴过渡,斑点尺寸大于焊丝直径那么促使熔滴过渡.图1.3电磁力及其作用方向(4)等离子流力：电弧焊时,电弧直径从焊条到工件是逐渐增大的,这时在电

19、弧中产生轴向推力,由于该力的作用,将建立起从焊丝向工件方向的气流即等离子流.当电流较大时,高速离子流对焊丝端头口的熔滴和已脱离焊丝处在电弧空间的熔滴,丁生很大的作用力,使之沿焊丝轴线运动,促进熔滴的过渡.(5)斑点力：主要由以下两方面组成,一是由于熔滴金属在斑点处产生大量金属蒸气,在垂直于斑点外表的方向上出现较大的蒸气反作用力,其大小随斑点处电流密度的增加而增大,该力将阻碍熔滴金属过渡.阴极斑点的电流密度大于阳极斑点的电流密度,所以焊丝为阴极时将受到更大的阻力.另一方面带电质点对斑点外表有撞击力,阳极接受电子的撞击阴极接受正离子的撞击.由于正离子的质量大于电子,同时一般情况下,阴极压降大于阳极

20、压降,因此这种斑点力在阴极上表现较大,在阳极上表现较小.1.2.2.2 熔滴过渡的主要形式对于熔化极气体保护焊焊丝端头口熔滴由于受上述各种作用力的综合作用,而表现出不同的过渡形式,大致可分为三种.即粗滴过渡、短路过渡、喷射过渡；而在颗粒状过渡中又可为滴状过渡和上挠过渡.1 .粗滴过渡如图1.4所示,熔滴呈粗大颗粒状向熔池自由过渡的形式.图1.4粗滴过渡2 .短路过渡如图1.5所示,焊丝端部的熔滴与熔池短路接触,由于强烈过热和磁收缩的作用使其爆断直接向熔池过渡的形式.图1.5短路过渡3 .喷射过渡如图1.6所示,熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式.图1.6喷射过渡熔滴过渡

21、现象十分复杂,焊接电流、电压极性、保护气体种类、焊丝成分等都影响熔滴的过渡形式,将在下面的具体焊接方法中分别介绍.4 .23焊接熔池电弧焊过程中,在电弧热作用下,被焊金属材料母材接缝处发生局部熔化,这部分熔化的液态金属不断地与从焊丝过渡来的熔滴金属相混合,形成焊接熔池.在不填金属的非熔化极电弧焊时,熔池完全由母材熔化的液态金属组成.在电弧移动的连续焊接时,熔池将随着电弧移动,同时熔池液态金属还在电弧力的作用下向电弧移动的前方排开.5 .2.4熔池金属的受力和流动状态焊接熔池在接受电弧热作用的同时,还受到各种机械力的作用,其中有各种形式的电弧力,还有熔池金属自身的重力和外表张力等,使熔池中的液态

22、金属处于不断的运动状态.熔池金属主要受以下几种作用力：1 .电弧力(1)电磁静压力由于焊接电弧呈圆锥状而形成的电磁静压力始终指向熔池,使电弧正下方的液态金属发生流动,并向四周排开.(2)电磁收缩力当电流从电极斑点流向熔池时,电流密度变小,这种电流密度的变化就造成了电磁收缩力和流体中压力差,使电极斑点区熔池金属压力大于其它局部,结果引起熔池中液体金属沿着电流方向向下运动.这不仅加剧了熔池中凹坑的形成,而且还会形成熔池金属旋涡状流动.(3)等离子流力由高温等离子体高速流动而形成的动态电磁压力也使熔池金属流动,并且在电弧中央的正下方加剧凹坑的形成和深度.(4)熔滴的冲击力在射流过渡中,熔滴的运动速度

23、较快,具有较大的动能,熔滴对熔池的冲击力是非常大的.以上各种电弧力的大小都随着电流浓密的增大而增大.电弧焊时的气体吹力和带电粒子的撞击力对于熔池金属也具有一定的作用.2 .液体金属的重力其大小正比于熔池的体积,亦即正比于焊接线能量.在平焊位置时,对焊缝成形有利,除平焊位置外,在其它各种空间位置的焊接,液体金属的重力往往是破坏熔池稳定性的主要因素,对焊缝成形不利.3 .液体金属的外表张力其大小与液体金属的成分和温度有关.纯金属或合金的外表张力较大,金属氧化物的表面张力较小；液体金属的温度越高,其外表张力越小.外表张力阻止熔池液态金属在电弧力作用下的流动,即影响熔池的外表形状,也影响熔池金属在坡口

24、中的堆敷情况.另一方面由于熔池各局部成分及温度不同而造成外表张力不同,从而可能导致熔池内形成涡流,将影响熔池的深度和宽度.图1.7为平焊位置的熔池形状和熔池液态金属流动情况的示意图.图1.7熔池形状和熔池液态金属流动情况的示意图6 .2.5焊缝的几何参数及术语7 .焊趾：焊缝外表与母材的交界处,见图1.8.图1.88 .焊脚：角焊缝的横截面中,从一个焊件上的焊趾到另一个焊件外表的最小距离,见图1.9。3 .焊缝凸度：凸形角焊缝横截面中,焊趾连线与焊缝外表之间的最大距离,见图1.9.4 .焊缝凹度：凹形角焊缝横截面中,焊趾连线与焊缝外表之间的最大距离,见图1.9.5 .焊脚尺寸：在角焊缝横截面中

25、画出的最大等腰直角三角形中直角边的长度,见图1.9.6 .熔深：在焊接接头的横截面上,母材熔化的深度.它不但标志电弧穿透水平的大小,而且影响到焊缝的承载水平,见图1.10.7 .焊缝宽度：单道焊缝横截面中,两焊趾之间的距离,见图1.8.8 .焊缝厚度：在焊缝横截面中,从焊缝正面到焊缝反面的距离,见图1.9.图1.9图1.109 .余高：超出外表焊趾连线上面的那局部焊缝金属的高度,见图1.11.余高可防止熔池金属凝固收缩时形成缺陷,也可增大焊缝截面承受静载荷水平.但余高过大将引起应力集中或疲劳寿命的下降,因此应限制余高的尺寸.通常对接接头的余高小于3mm或余高系数焊缝宽度/余高大于48.当工件的

26、疲劳寿命是主要问题时,焊后应将余高去除.理想的角焊缝外表最好是凹形的,可在焊后除去余高,磨成凹形.图1.1110 .焊根：焊缝反面与母材的交界处,见图1.12.图1.1211 .焊缝成形系数：焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值,见图1.13.其大小会影响熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中成分偏析程度等,从而影响到焊缝产生气孔和裂纹的敏感性.图1.131.3焊接应力和变形1.3.1 焊接剩余应力剩余变形的产生焊接剩余应力和剩余变形主要是由于焊接过程中局部加热和冷却,高温区域的金属热胀膨冷缩受到阻碍所形成的.例如,在钢板边缘堆焊时,焊件变形情况如图1.14所示.焊接开始时,A区受热膨胀,但因受

27、到B区冷金属的阻碍,不能自由伸长,这时板向上加热侧弯曲如图-B,A区受到压应力,B区产生拉应力.焊接继续进行,板的弯曲如图C所示.当A区的压应力大于材料的屈服极限时,A区就产生塑性变形.冷却时,塑性变形保存下来,即形成剩余变形,板向下弯曲如图D,这时A区受拉应力,B区受压应力.最后整条钢板发生如图的向下弯曲,A区受拉伸剩余应力,B区受压缩剩余应力.图1.14板边缘堆焊时变形过程1.3.2 焊接剩余应力和剩余变形之间的关系弹性模量、屈服极限、温焊接剩余应力、剩余变形的分布及大小与材料的线膨胀系数、度场和焊件的几何形状有关.任何构件焊接后,总是同时存在剩余应力和剩余变形.当焊件刚性较大,或受力拘束

28、时焊后的剩余应力较大；当焊件能够自由伸缩时,焊后的剩余应力较小.焊接剩余应力只能使焊件缩短,它的大小与焊接过程中高温区金属产生的压应力大小有关,压应力越大,形成压缩变形越大,剩余变形也越大.1.3.3 焊接剩余应力的组成在具体的焊接结构中,焊接剩余应力往往由温差应力、相变应力、冷缩应力和拘束应力等组成,各种应力产生的原因如下：1 .温差应力：由于焊接是一个局部的快速加热和冷却过程,因而焊件各点在同一时间内有不同的温度.温度不同的金属由于不能自由膨胀,就会产生应力.2 .相变应力：焊接过程中,加热到Ac1以上的金属,冷却时发生相变,伴随着体积改变.600c以上,即在塑性状态下发生相变的钢如低碳钢

29、管,相变不致引起应力的产生.随着钢内合金含量的增加,奥氏体相变温度下降,当在弹性状态温度下发生相变时,奥氏体转变为马氏体,伴随着体积改变就会产生应力.3 .冷缩应力：焊缝金属冷却时产生局部收缩,由于受到邻近金属的限制,即产生拉应力,其大小与钢的线膨胀系数、焊件厚度、焊接方法等因素有关.4 .拘束应力：焊件被外界条件固定后,由于焊接过程中的变形受到限制而产生的应力.1 .3.4焊接剩余应力对构件的影响2 .对静载强度的影响当材料处于塑性状态时,可进行塑性变形,内应力的存在不影响构件的承载水平.当材料处于脆性状态时,由于材料不能进行塑性变形,当局部应力到达材料的强度极限时,发生局部破坏,最后将导致

30、整个构件断裂.在焊接过程中,不可防止地产生焊接缺陷如焊接裂纹、未焊透等,当构件的使用温度在材料的脆性转变温度以下时,剩余应力将加速构件的脆性断裂.3 .剩余应力对疲劳强度的影响在焊接过程中,不可防止地产生应力集中,对接头强度产生不利的影响.焊接剩余拉应力降低接头的疲劳强度.压应力提升接头的疲劳强度.4 .剩余应力对机加工精度的影响机械切削加工将破坏原来工件中的内应力平衡,使工件产生变形,影响加工精度,因此对精度要求高的构件应先作消应力处理,然后加工.5 .剩余应力对刚度的影响当构件中剩余应力超过材料的屈服极限时,导致构件的刚度降低.6 .剩余应力对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是在拉应力和腐蚀

31、共同作用下产生裂纹的一种现象.焊接剩余应力将加速应力腐蚀速度.1.3.5降低或消除剩余应力的举措1.3.5.1 设计过程中降低剩余应力的举措1 .防止焊缝过分集中,如图1.15(a).2 .减小焊件局部刚性,如图1.15(b).3 .防止应力集中,如图1.15?.4 .采用刚性小的接头形式.如图1.15(d)o5 .反变形法提升焊缝自由度.如图1.15(e)o图1.15降低剩余应力的设计举措1 .3.5.2焊接过程中的工艺举措2 .采用合理的焊接顺序和方向尽量使焊缝能自由收缩,先焊收缩量较大的焊缝.在拼板焊接时,应先焊错开的横向焊缝,如图1.16所示.图1.16拼板的焊接顺序3 .采用线能量较

32、低的焊接方法可有效地降低剩余应力峰值及其分布范围.1 .3.5.3焊后消除剩余应力的举措2 .整体高温回火这个方法是整个焊接构件加热到一定温度,然后保温一段时间,再冷却.通过高温材料的蠕变变形来到达消除剩余应力的目的.对于同一种材料,回火温度越高,时间越长,也就消除的越彻底.但对异种材料组成的焊接接头,由于膨胀系数的不同,采用回火处理不能彻底消除剩余应力.3 .局部高温回火处理这个方法是把焊缝周围的一个局部区域进行加热.消除剩余应力的效果不如整体处理,只能降低应力峰值,而不能完全消除.4 .机械拉伸法(过载法)焊接剩余应力是由于局部压缩塑性变形引起的,通过机械拉伸使接头产生拉伸塑性变形,以抵消

33、焊接时产生的压缩塑性变形,从而消除剩余应力.对于压力容器可采用液压过载或热水过载的方法消除剩余应力.5 .温差拉伸法这个方法的根本原理与机械拉伸法相同,是利用局部的温差来拉伸焊缝区,以抵消焊接时产生的压缩塑性变形.6 .振动法通过在结构中施加循环载荷,使剩余应力逐渐松驰的方法,该方法的根本原理是在循环载荷作用下,在应力峰值较大的区域发生微区塑性变形,使峰值应力得到降低.7 .冲击波处理法利用冲击波对焊缝及近缝区进行处理,通过冲击波作用后,材料产生塑性变形,从而消除剩余应力.1 .3.6焊接剩余变形的种类图1.17平板对接时的焊缝收缩焊接后,焊缝要产生纵向收缩和横向收缩,如图1.17.这两个方向

34、的收缩造成了构件的各种变形,大致分为五种：2 .挠曲变形这种变形主要是由于焊缝位置在结构中位置不对称时发生,挠曲变形可由焊缝的纵向收缩引起(图1.18(a)和由横向收缩引起(图1.18(b).图1.18焊接接头的挠曲变形3 .角变形这种变形主要是由于温度沿板厚方向分布不均匀和熔化金属沿厚度方向收缩量不一致引起的,因此一般多数发生在中、厚板的对接焊及角焊时,如图1.19.图1.19焊接接头的角变形4 .波浪变形这种变形产生于薄板结构中,是由于纵向和横向的压应力使薄板失稳而造成的,如图1.20。图1.20焊接接头的波浪变形4 .错边变形在焊接过程中,两焊件的热膨胀系数不一致,可能引起长度方向上的错

35、边和厚度方向上的错边,如图1.21所示.图1.21焊接接头的错边变形5 .扭曲变形由于装配质量不好,焊接顺序和施焊方向不合理,如图1.22.图1.22焊接接头的扭曲变形1.3.7减小焊接剩余变形的方法焊接变形不但影响结构的尺寸的准确性和外形美观,而且有可能降低构件的承载水平,因此在焊接构件的生产中应尽量减小焊接变形.1.3.7.1 设计举措1 .合理地选择焊缝尺寸和形式.在保证结构承载水平的条件下,设计时尽量采用较小的焊缝尺寸.2 .合理地安排焊缝位置.尽可能使焊缝处于截面中性轴,或对称于中性轴.3 .尽可能减小不必要的焊缝.4 .3.7.2工艺举措5 .合理选择装配和焊接顺序在装配焊接比拟复

36、杂的结构时,可把它看成几个简单的部件,分别装焊,然后再将焊好的部件拼焊成一个整体,可以使那些不对称的或收缩力较大的焊缝能自由地收缩,而不影响整体结构,从而限制结构的焊接变形.当装配完成后,调整焊接顺序也是降低变形的有效措施,通常应遵循以下原那么：(1).尽量使焊缝能自由收缩；(2).对于大型构件的焊接,应从中间向四周进行,一般横向收缩大于纵向收缩,因此应先焊横向焊缝使之自由收缩.6 .合理选择施焊方法和标准一般情况下,焊接时线能量较低,焊后的变形就小,因此采用细丝小电流的多层焊代替粗丝大电流的单层焊.用焊接速度较高的自动焊代替手工电弧焊,都有利于减小焊接变形.另外采用逐步退焊法、跳焊法、分中对

37、称焊法等施焊方法,降低了加热的不均匀性,从而减小焊接变形.7 .采用反变形法根据经验,预先人为地制造一个变形,使这个变形与焊后的变形方向相反而数值相等,从而消除焊接变形.8 .刚性固定法将焊件固定在具有足够刚性的根底上,焊接时,焊件不能移动.这种方法并不能完全消除焊接变形.对弯曲、角变形及波浪变形效果较好.此外通过预热或强制冷却等方法也能降低剩余变形.1.3.8典型焊接接头的剩余应力分布在实际的焊接结构中,剩余应力分布是十分复杂的,只能根据典型焊接接头中的剩余应力作定性分析.对接接头中的焊缝纵向剩余应力分布如图1.23(a)所示.在焊缝及热影响区为剩余拉伸应力,并常到达材料的屈服极限,而在其它

38、区域为剩余压应力.焊缝纵向剩余应力及焊缝长度分布如图1.15(b)所示.对接接头中的焊缝横向剩余应力数值是很大的,有时也可能到达材料的屈服极限,它与焊件的板宽、定位焊位置、施焊方向及施焊顺序有关.焊缝横向剩余应力沿板厚方向分布如图1.23(c)所示.沿焊缝长度方向的分布如图1.23(d)所示.即焊缝中央剩余应力为最大值,而距焊缝中央不远就很快减小.(a)纵向剩余应力沿板宽方向的分布(b)纵向剩余应力沿焊缝长度方向的分布?横向剩余应力沿板宽方向的分布(d)横向剩余应力沿焊缝长度方向的分布图1.23对接接头的剩余应力分布角接接头中的纵向剩余应力分布如图1.24所示.图1.24角接接头中的纵向剩余应

39、力分布1.4弧焊电源1 .4.1弧焊电源根本知识2 .电源静特性在稳定状态下弧焊电源的输出电压与输出电流的关系曲线称为弧焊电源的静特性,也称为弧焊电源的外特性.弧焊电源的外特性分为平特性和下降特性两大类.平特性又称为恒压特性.下降特性又分为缓降特性、陡降特性以及垂降特性三种.其中垂降特性又称之为恒流特性.弧焊电源的各种常见外特性曲线如图1.25所示.图1.25弧焊电源的各种常见外特性曲线3 .负载持续率DY负载工作的持续时间与全周期时间的比值称为负载持续率Dy.全周期时间或称工作周期括负载持续时间与休息时间.GB8118-87规定工作周期为5、10、20min与连续.负载持续率是设计焊机时用以

40、说明某种效劳类型的重要参数,介于0与1之间,用百分数表示.按GB811887规定为35%、60%、100%三种.弧焊电源的额定电流就是该负载持续率条件下的最大输出电流.实际工作时间与工作周期之比称为实际负载持续率,不同实际负载持续率条件下允许使用的输出电流可按下式计算：I=Dy/DY1/2Ir式中Dyr一额定负载持续率Dy实际负载持续率Ir额定负载持续率时的额定电流I实际负载持续率时的允许使用电流4 .弧焊电源系统稳定工作条件电弧燃烧的稳定状态,即电弧燃烧两个最主要的能量参数I和U的稳定值是由电源外特性和电弧静特性曲线交点决定的,如图1.26所示.在交点处电弧静特性斜率只有大于电源外特性斜率,

41、才是系统的稳定工作点交点A,交点B由于不满足上述条件不是系统的稳定工作点.图1.26系统稳定工作条件图如果电弧静特性工作局部斜率小于0,弧焊电源外特性必须是下降特性.如果电弧静特性工作局部的斜率大于0,那么电源外特性可以是上升的,也可以是平特性.对于等速送丝焊接,当电弧静特性曲线为平的时候,采用缓降外特性电源比陡降外特性能在弧长发生同样波动时获得较大的电流变化,使自身调节作用比拟灵敏.当电弧工作在静特性上升段时,那么采用上升特性电源上升斜率不能超过电弧静特性比用平特性电源能获得更大的电流变化和电弧自身调节灵敏度.因此,一般长弧焊的等速送丝焊接均采用缓降特性,甚至平特性,上升特性的电源.5 .弧焊电源动特性所谓弧焊电源动特性,是指电弧负载状态发生忽然变化时,弧焊电源输出电流和电压的响应过程,可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系,即U=ft、I=ft来表示.它说明弧焊电源对负载瞬变的适应水平.只有出现熔滴短路过度的焊接方法才对弧焊电源有动特性要求.在短路过度的CO2焊接过程中,为了使熔滴过度平稳,减少飞溅,在不同的焊丝直径和焊接标准下,焊接回路应具有适宜的短路电流增长速度和短路峰值电流.6 .4.2弧焊机器人配套焊接电源1.4.2.1机器人配套弧焊电源的特点1 .限制性能好,