熔焊方法及设备

第一章气体放电:两电极之间存在电位差时,电荷从一极穿过气体介质到达另一极的导电现象.自持放电区:导电机构:暗放电,辉光放电,电弧放电电弧的物理本质:一种在具有一定电压的两电极之间的气体介质中所产生的电流量最大,电压最低,温度最高,发电最强的自持放电现象.气体放电的两个条件:1.必须具有带电离子;2.两电极之间必须有一定强度的电场解离:在能量足够大时,由多原子构成的气体分子分解为原子状态电离:在外加能量作用下,使中性气体分子或原子分离成为正离子和电子的现象激励:当中性气体分子或原子收到外加能量的作用不足以使电子完全脱离气体分子或原子时,而使电子从较低能级转移到较高能级的现象电离的种类:热电离:气体粒子受热的作用而产生的电离在电弧通过碰撞传递能量使气体电离的过程中,电子与气体粒子的碰撞作用最有效热电离的电离度:与温度正相关,与气体压力负相关,与气体电离电压负相关实效电离度:电子密度与电离前中性粒子密度的比值光电离场致电离电子的发射:热发射,场致发射,光发射,粒子碰撞发射带电离子的消失方式:扩散,带电离子离开他们原来的地方,逃逸到电弧四周,不再参加放电过程复合,正负带电粒子结合成中性的原子或分子阴极区的导电机构:热发射型,场至发射型,等离子型弧柱区温度最高(1.电极受到电极材料的熔点和沸点的限制,弧柱区中的气体和金属蒸汽不受这一限制;2.气体介质的导热性不如金属电极,热量损失较少);电离和复合过程非常激烈;弧柱区弧柱电压的大小与电弧的气体种类,电流大小相关阳极区的导电机构:场致电离,热电离;大电流熔化极焊接和钨极氩弧焊时,阳极区压降接近于零焊接电弧静特性:电极材料,气体介质和弧长一定的情况下,电弧稳定燃烧时,焊接电流与电弧电压变化的关系焊接电弧动特性:对于一定弧长的电弧,当电弧电流发生连续快速变化时,电弧电压与电流瞬时值之间的关系阴极区得到的热能:Pk=I(Uk-Uw-Ut)阴极压降-逸出电压-弧柱区温度的等效电压阳极区得到的热能:Pa=I(Ua+Uw+Ut)阳极压降+逸出电压+弧柱区温度的等效电压弧柱区得到的热能:Pc=IUc弧柱压降焊接电弧力:电磁收缩力:两个导体电流方向相同而产生的吸引力(大小与导体中的电流成正比,与两导线间的距离成反比);F推=KI2lg(Rb/Ra),电弧静压力=K(电弧形态)焊接电流2*lg(锥形弧柱下底面半径/锥形弧柱上底面半径)电弧静压力F推的分布是:由中心轴向周边降低等离子流力:电弧推力引起的等离子气流高速运动所造成的力与等离子气流的速度,焊接电流,电极状态,电弧形态,电弧长度等相关斑点压力:当电极表面上形成斑点时,由于斑点的导电和导热特点,在斑点上产生斑点压力,它包括:1.正离子和电子对电极的碰撞力,电磁收缩力(向上的电磁力阻碍熔滴过渡;阴极斑点尺寸小于阳极斑点尺寸,阴极斑点受力大于阳极斑点),电极材料蒸发产生的反作用力焊接电弧力的影响因素:焊接电流和电弧电压:电流增大,电弧力显著增加;电压增加.电弧力降低焊丝直径:焊丝直径越小,电弧力越大电极的极性气体介质:导热性强的气体,电弧空间气体压力增大,气体流量增加,使电弧力增加钨极端部的几何形状电流的脉动:电弧力低于直流正接时的压力,高于直流反接时的压力焊接电弧的稳定性:焊接时电弧保证稳定燃烧的程度影响因素:焊接电源:空载电压越高,焊接电源的外特性与焊接电弧的静特性相匹配,电弧稳定性越高焊接电流和电弧电压:焊接电流大,电弧电压小,电弧稳定性好电流的种类和极性:直流电弧最稳定,脉冲电流次之,交流电弧稳定性最差;对于熔化极电弧焊,直流反接电弧稳定性好,对于钨极氩弧焊,直流正接电弧稳定性好焊条药皮和焊剂磁偏吹:(焊接时由于某种原因使电弧周围磁场分布的均匀性受到破坏,导致焊接电弧偏离焊丝的轴线而向某一方向偏吹的现象),交流电焊接时磁偏吹弱第二章焊丝的熔化热源:电弧热,电阻热;焊丝接负极比接正极熔化快熔化系数:每安培焊接电流在单位时间内所熔化的焊丝质量焊丝熔化速度:单位时间内焊丝的熔化长度影响因素:焊接电流:电流增大,焊丝熔化速度加快电弧电压:当电弧电压较高时,电弧电压对熔化速度的影响很小;当电弧电压较小时,电弧电压增大,熔化速度增加焊丝直径:焊丝越细,熔化速度越大焊丝伸出长度:伸出长度越长,熔化速度越快焊丝材料:焊丝材料不同电阻率不同,产生的电阻热就不同气体介质和焊丝极性熔滴上的作用力:重力:平焊时,重力促进熔滴过渡表面张力(焊丝端头保持熔滴的主要作用力):径向分力使熔滴在焊丝末端产生缩颈,轴向分力使熔滴保持在焊丝末端,阻碍熔滴过渡;仅在仰焊,立焊,横焊时,表面张力有利于熔滴过渡(熔滴与熔池接触时表面张力有将熔滴拉入熔池的作用;使熔池或熔滴不宜流淌)电弧力:电流较小时,重力和表面张力起主要作用了电流较大时,电弧力对熔滴过渡起主要作用爆破力电弧气体吹力短路过渡:主要用于细丝CO2气体保护焊,低电压小电流的焊条电弧焊短路频率越高,过渡越稳定,飞溅越小,生产率越高短路时间取决于电流增长速度di/dt,通过串联在焊接回路中的电感来调节保证短路过渡稳定进行:1.对不同直径的焊丝和焊接参数,要有合适的短路电流上升速度;2.要有合适的短路电流峰值电流;3.短路结束之后,空载电压恢复速度快短路过渡的飞溅:飞溅大小是衡量电弧稳定性的最直观标志;减少飞溅的重要途径是改善电流动特性,适当限制短路峰值电流滴状过渡的飞溅:主要产生于熔滴与焊丝之间的缩颈出喷射过渡的优点:焊接过程稳定,飞溅少,焊缝成形好电弧稳定,保护气流的保护效果好电弧功率大,热流集中,适合焊接厚件第三章:焊缝形成的过程:加热,熔化,化学冶金,凝固,固态相变熔池前部长度:与热输入功率正相关,与焊接速度成反比熔池尾部长度:与热输入功率成正比,与焊接速度无关比热流:单位时间内通过单位面积传入焊件的热量;正态规律分布;热输入功率一定时,电弧集中系数越大,比热流越大热输入功率,电弧力等条件一定时,电弧集中系数越大,熔深增加,熔宽减小熔池受到的力,有何作用,哪些促进,哪些不利熔池金属的重力:水平位置焊接时,重力有利于熔池的稳定性表面张力:影响熔池的轮廓形状,影响熔池表面的形状焊接电弧力:促使金属流动,电弧静压力促使熔池形成下凹的形态,电弧动压力促使形成指状熔深熔滴冲击力:熔滴冲向熔池,对熔池形成冲击力,易形成指状熔深焊接参数对焊缝成形的影响:焊接电流:焊接电流增加,熔深和余高增加,熔宽略有增加;焊接电流增大后,弧柱直径增大,但是电弧潜入工件深度增大,电弧斑点移动受限,所以熔宽增加少电弧电压:电弧电压增加,熔深略有减小,熔宽增加,余高减小焊接速度:速度增加,熔宽熔深都减小焊接电流的种类:直流和交流直流电弧焊根据电流有无脉冲分为:恒定直流,脉冲直流根据极性分为:直流正接和直流反接交流电弧焊根据电流波形不同:正弦波交流,方波交流上坡焊和下坡焊:上坡焊时,重力有助于熔池金属排向熔池尾部,因而熔深大,熔宽窄,余高大下坡焊时,重力阻止熔池金属排向熔池尾部,熔深减小,熔宽增大,余高减小第四章电弧焊程序自动控制:以合理的次序使自动电弧焊设备的各个部件进入特定工作状态,从而使电弧焊设备的各环节协调工作控制对象:提供焊接能量的焊接电源焊车行走或焊件移动的拖动电动机送丝电动机控制保护气或离子气的电磁气阀引弧用的高频发生器或高压脉冲发生器焊件定位或夹紧用的控制阀,焊剂回收装置等基本要求:按要求提前送气或滞后停气可靠地一次引燃电弧顺利的熄弧收焊对特征参数进行程序自动控制:电弧电压,焊接电流,送丝速度,保护气流,粒子气流,高频引弧电压转化方式:行程转换,时间转换,条件转换转换方法:继电器程序控制:按钮,开关,继电器,接触器和电磁气阀等器件无触点程序控制:利用晶体管门电路,晶闸管等功率开关数字程序控制:单片微型计算机电弧程序控制包括:延时,引弧,熄弧晶体管式包括:单结晶体管时,晶闸管式,晶体管式,IC器件式使受干扰的电弧恢复到原来的长度:当弧长发生变化时,通过自动调节焊丝的熔化速度,使其等于焊丝的送进速度当弧长发生变化时,通过调节焊丝的送进速度,使其等于焊丝的熔化速度电弧焊自动调节系统:电弧自身调节系统(开环),电弧电压反馈调节系统(闭环),焊接电流反馈变速送丝调节系统电弧自身调节系统:电弧自身调节作用是电弧本身所具有的特性静特性:在一定的焊接条件下,在给定的送进速度下,由电弧自身调节系统控制的焊接电弧弧长稳定时的电流与电压之间的关系;静特性曲线通过实验测量获得静特性的影响因素:送丝速度,焊丝伸出长度,焊丝直径和电阻率,电弧长度调节过程:调节精度的影响因素(调节后都存在静态误差):焊丝伸出长度,焊丝的直径和电阻率,焊接电源外特性,网压波动调节灵敏度:调节系统对电弧工作点微小变化的恢复速度电弧电压反馈调节系统:当电弧长度波动而引起焊接参数偏离原来的稳定值时,利用电弧电压作为反馈量,通过电弧电压反馈调节器,强迫改变送丝速度,使电弧长度恢复到原来的长度调节精度的影响因素:焊丝直径和电阻率,焊丝伸出长度,焊接电源外特性,网压波动调节灵敏度的影响因素:电弧电压调节器的灵敏度,弧柱电场强度调节方法:焊接电源外特性不变时,改变送丝给定电压可以调节电话电压;当给定电压增加时,系统静特性曲线上移,使电弧电压提高,焊接电流减小第五章埋弧焊:电弧在焊剂下燃烧以惊醒焊接的熔焊方法按照机械化程度分为:自动焊(焊丝送进和电弧相对移动都是自动的),半自动焊(焊丝送进是自动的,电弧移动是手动的)埋弧焊优点:生产效率高焊接质量好劳动条件好节约金属和电能埋弧焊的应用:碳素结构钢,低合金结构钢,不锈钢,耐热钢,复合钢冶金特点:机械保护作用好冶金反应充分:与焊接热输入有关焊缝的化学成分稳定:受焊接材料和焊接参数的影响焊缝的组织易粗化:焊接电流大,焊接热输入大Mn,Si:Mn:提高焊缝金属的强度和韧度,提高焊缝的抗热裂性能;含量过高时增加焊缝冷脆性Si:有利于获得致密的焊缝;含量过高时降低焊缝的室温冲击韧度Mn,Si的还原反应在熔滴过渡阶段最激烈,其次焊丝的端部,再次是熔池的前部,有利于反应向右进行影响Mn,Si过渡的因素:1.焊剂的成分;2.原始含量:Mn的原始含量高,使Si的过渡量增加,Si的原始含量高,使Mn的过渡量增加碳的氧化烧损:焊剂中一般不含C,C来自焊丝和母材;C易被氧化烧损;Si含量增加,可抑制C的氧化去氢反应:焊前清除铁锈,水分和有机物通过冶金反应结合成不溶于也太熔池金属的化合物:1.形成HF;2.形成OH焊剂的作用:隔离空气,保护焊接金属;通过冶金反应清除有害的杂质和过渡有益的合金元素焊丝的作用:焊接时熔化进入熔池,起到填充和合金化的作用;未熔化的焊丝起导电作用焊剂与焊丝的匹配:1.被焊材料的类别和对焊接接头性能的要求;2.埋弧焊的工艺特点(选用合金成分略高于母材的焊丝配用中性焊剂)埋弧焊设备的组成机械系统:焊接时使焊丝不断向电弧区送给,使焊接电弧沿焊缝移动,并在电弧前方不断铺撒焊剂焊接电源:向焊接电弧提供电能,提供埋弧焊工艺所需要的电气特性,参与焊接参数的调节控制系统:实现引弧,送丝,移动电弧,熄弧在内的程序自动控制,使电弧稳定燃烧机械系统:送丝机构:包括送丝电动机,传动系统,送丝滚轮,矫直滚轮;拖动方式有直流电动机拖动和交流电动机拖动焊车行走机构:包括电动机,传动机构,行走轮,离合器,车架;一般采用橡胶绝缘轮,避免焊接电流流经车轮而短路机头调节机构导电嘴控制系统:包括焊接电源控制,送丝拖动控制,焊车行走拖动控制,引弧和熄弧的程序控制埋弧焊工艺:焊前准备:薄件不开坡口,厚度居中开单面V形坡口,厚件开双面X形坡口;清理焊丝表面的油污,铁锈等,对焊剂必须严格烘干并烘干后立即使用;定位焊的位置应在第一道焊缝的背面对接接头单面焊:较大焊接电流,背面施加强制成型衬垫;焊剂铜衬垫法:一般不开坡口,但需要留有一定装配间隙对接接头双面焊:(焊完一面后,翻转焊件焊另一面),1.悬空双面焊法;2.焊剂衬双面焊法T形接头和搭接接头:采用平角焊和船形焊埋弧焊其他方法:多丝埋弧焊:保证良好焊缝成形和焊接质量额同时,提高熔敷率和焊接速度;多用于厚板焊接;双丝埋弧焊和三丝埋弧焊窄间隙埋弧焊:用于厚板对接接头;焊前焊件不开坡口或只开小角度坡口,留有窄而深的间隙埋弧堆焊:为增大或回复焊件尺寸,或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属;熔敷率高,堆焊层质量稳定,外表美观,便于机械化和自动化;单丝埋弧堆焊,多丝埋弧堆焊,带极埋弧堆焊第六章钨极惰性气体保护焊:纯钨或活化钨;采用惰性气体(Ar,He);吹箭外特性TIG焊优点:能实现高品质焊接,获得优良焊缝焊接过程中钨电极不熔化,易于保持恒定的电弧长度焊接电流小,适于薄板焊接薄板焊接时无需填充焊丝钨极氩弧焊的电弧是各种电弧焊方法中稳定性最好的电弧焊接各种金属材料可靠性高缺点:焊接效率低于其他方法氩气没有脱氧或去氢作用焊接时钨极有极少量的熔化蒸发生产效率低,惰性气体价格较高,生产成本高直流反接:电弧对母材表面的氧化膜具有阴极清理作用;反接时钨极为阳极,不具有发射电子作用,接受大量电子及其携带的大量能量,因而钨极易产生过热甚至熔化,所以反接时的许用电流仅为正接时的十分之一,所以直流反接应用较少直流正接:最为稳定;适用于焊接除铝,镁及其合金意外的金属材料交流电源:适用于铝,镁及其合金的焊接;工件为阴极的半周里去除工件表面氧化膜,在钨极为阴极的半周里钨极可以得到冷却并发射足够电子利于电弧稳定;问题:产生有害的直流分量,需予以消除;必须采取稳弧措施焊枪气冷式水冷式:适用于大电流;通过流过焊枪内导电部分和焊接电缆的循环水实现冷却;结构复杂,比气冷式重而贵钨极要求:引弧及稳弧性能好;耐高温不易损耗;电流容量大材料:1.纯钨电极:用于交流TIG焊;2.钍钨极:电弧容易引燃,电极许用电流增加,用于TIG焊直流正接焊接;3.铈钨极:相同参数下温度更集中;直流焊接时,容易引弧,电弧稳定性好;小电流下易起弧,不适用大电流;4.其他电极:锆钨极,钇钨极等,烧结焊丝:化学成分与母材相同,因为惰性气体保护下焊接时不会发生金属元素的烧损,填充金属熔化后成分基本不变工艺接头:板材对接坡口:薄板不需加工坡口和填充焊丝;厚板需开坡口并加填充金属焊前清理:氩气不与金属反应也不溶于金属中,但氩气不具还原性或氧化性,不能脱氧和去氢,TIG焊对焊件上的污染极为敏感;清除氧化膜:1.机械清理:清除焊件接缝两侧一定范围内的氧化膜;2.化学清理:主要用于Al,Mg,Ti及其合金,对小焊件及焊丝等体积不大的对象并在大量生产时采用;清理后立即焊接焊接参数:焊接电流:开始和结束时采取缓升和缓降电弧电压焊接速度保护气体流量钨极伸出长度焊丝直径填丝速度:焊丝直径大时送丝速度慢,焊接电流,焊接速度,接头间隙大时,送丝速度快钨极直径和形状钨极伸出长度:受接头形状和气体流量影响纯铝:交流,平焊不锈钢和碳钢对接:直流正接,平焊不锈钢和碳钢角焊缝:直流正接,横焊钛合金:直流正接热丝TIG焊:大大提高热输入钨极脉冲氩弧焊:矩形波,正弦波,三角波特点:采用脉冲电流,可以减小焊接电流平均值;可调焊接参数多;脉冲电流对点状熔池有搅拌作用;每个焊点的加热和冷却迅速焊接参数:脉冲电流和脉冲持续时间;基值电流和基值电流持续时间;脉冲幅比和脉冲宽比;脉冲频率第七章熔化极氩弧焊:使用焊丝作为熔化电极,采用氩气或富氩混合器作为保护气体的电弧焊方法保护气体为Ar或Ar+He时,熔化极惰性气体保护电弧焊,MIG保护气为Ar为主,加入少量活性气体如O2,CO2时,熔化极活性气体保护电弧焊,MAG缺点:焊接成本比CO2气体保护焊焊接成本高;对工件焊丝的焊前清理要求高极性选择?为什么?不这样的影响?一般采用直流反接,很少采用直流正接或交流电流:为了得到稳定的焊接过程和熔滴过渡过程;焊接Al,Mg及其合金时,需要利用直流反接时的阴极清理作用射滴过渡:用于铝合金MIG和钢焊丝脉冲焊射流过渡:弧长较长,过渡频率很高,电弧稳定,对保护气流扰动小,飞溅少压射流过渡自动调节系统:电弧自身调节系统:用于射流过渡,射滴过渡,短路过渡;依靠电弧电流的变化和使焊丝熔化速度变化来回复弧长电弧固有的自调节系统焊丝较细时:等速送丝,平外特性或略微下降外特性,利用电弧自身调节作用调节弧长焊丝直径较大时:采用电弧电压反馈自动调节作用调节弧长,配合变速送丝,下降外特性焊枪:半自动焊枪:焊接电流较小时采用气冷,电流较大时采用水冷自动焊焊枪:用于大电流情况;焊枪枪体,喷嘴,导电嘴均需要水冷供气系统:包括气源,气体减压阀,气体流量计,电磁气阀,送气软管控制系统:两部控制方式:焊接过程由启动开关的两个动作进行控制四步控制方式:焊接过程由焊枪启动开关的四个动作进行控制区别在于:两部控制方式没有填弧坑的过程焊机:N表示MIG/MAG焊机;B表示半自动焊机;数字表示焊机额定电流NB-400:采用IGBT逆变技术,单片机控制,具有焊接参数掉电自锁存及存贮调用功能,实现稳定的一脉一滴无飞溅过渡方式保护气体Ar+He:焊接铜及铜合金时,可以改善焊缝金属湿润性,提高焊接质量;焊接Ti,Zr时可改善熔深和焊缝金属湿润性Ar+H2:加入H2可提高电弧温度,增加母材热输入Ar+N2:电弧温度比纯Ar高,主要用于铜及铜合金焊接;价格便宜,有飞溅,焊缝成形不如Ar+HeAr+O2:用于不锈钢等高合金钢和级别较高的高强钢;加入微量O2可以克服阴极漂移现象,有利于金属熔滴的细化,降低射流过渡的临界电流值;对接头的抗腐蚀性能无显著影响;加入超过2%时焊缝表面氧化明显,接头质量下降为何可以克服电弧的阴极漂移现象:加入少量O2使熔池表面连续被氧化,使阴极斑点处同时进行清理氧化物和形成氧化物两个过程,则阴极斑点不再转移,漂移现象被克服Ar+CO2:CO2比例不能过高,否则焊缝金属有渗碳的可能,降低接头抗蚀性能焊丝:受施工方式和送丝机构的影响;焊丝的化学成分应与母材化学成分匹配,应具有良好的焊接工艺性能和焊缝力学性能低碳钢和低合金钢焊丝:焊丝加Mn,Ni,Mo,Cr等合金元素,以满足焊缝力学性能;为改善低温韧度,Si含量不宜过高不锈钢焊丝:焊接不锈钢时,焊丝成分应与母材成分基本一致铝及铝合金焊丝:考虑母材种类,接头抗热裂性能,力学性能及耐蚀性;一般采用与母材成分相同或相近的焊丝镍及镍合金焊丝:ER表示实芯焊丝,NI表示镍及镍合金焊丝铜及铜合金焊丝:HS表示焊丝钛及钛合金焊丝:焊接时须将熔池及其周围被加热到400度以上的区域进行严密保护;焊接时一般采用与母材同质材料,也可采用比母材合金化程度偏低的焊丝焊接参数:焊接电流:根据焊接电流匹配合适的电弧电压,从而形成合适的熔滴过渡形式和稳定的焊接过程电弧电压焊接速度焊丝伸出长度焊丝倾角焊丝直径保护气体的种类和流量熔化极氩弧焊的其他方法:脉冲熔化极氩弧焊:喷射过渡;焊接电流必须大于喷射过渡临界电流值;控制合适的脉冲电流和脉冲时间可以实现一脉一滴基值电流和基值时间的作用:维持电弧连续燃烧,预热焊丝和母材,使焊丝端部有一定的熔化量,为脉冲电弧器件熔滴过渡作准备工艺特点:扩大了焊接电流的调节范围,有效控制熔滴过渡及熔池尺寸,适于全位置焊接,可有效控制热输入改善接头性能TIME焊:单焊丝单电弧焊接,四元混合气体作为保护气,焊接过程中保持大的焊丝伸出长度和大的送丝速度优点:高焊接效率,低成本,量高的焊接质量第八章CO2焊的优点:高效节能用粗丝焊接时可以使用较大的电流,实现射滴过渡用细丝焊接时可以使用较小的电流,实现短路过渡低氢型焊接,焊缝含H量低,抗锈能力强焊接使用的气体和焊丝价格便宜明弧焊接方法缺点:焊接过程中飞溅较多,焊缝成形粗糙不能焊接易氧化的金属材料焊接过程弧光较强设备比较复杂熔滴过渡: