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1、1,焊接方法及工艺 第一章 焊接电弧基础,主讲:李淑华,2,目 录 第一章 焊接电弧基础 1.1手工电弧焊原理 1.2焊接电弧的机理 1.3电弧的特性及焊接电源 1.4电弧的挺直性与磁偏吹,3,1.7焊接工艺(手工电弧焊) 1.7.1 焊前预热及焊后热处理 1.7.2 手工焊接工艺 1.7.3 手弧焊的安全技术 1.7.4 低碳钢焊接及压力容器 1.8 电弧中的保护气体 1.8.1 保护气种类与纯度 1.8.2 保护气的分解及在金属中的溶解 1.8.3 混合气体的选择及作用 1.8.4 保护气气流与保护效果,4,第一章 焊接电弧基础 1.1手工电弧焊原理 手工电弧焊原理:在焊条与母材(被焊材料
2、)之间引燃电弧,利用电弧热进行熔化焊接。电弧及焊接区受到焊条药皮(药剂)分解产生的气体及熔渣的保护,使其与大气相隔离。焊条芯受到电弧的加热而熔化,形成熔滴过渡到熔池,与母材的熔化金属共同形成焊缝金属。,5,图1 焊条电弧焊原理,电焊条:J422 、J506 、J507,6,焊条药皮的组成及作用: 每种药皮的配方中,一般都有79种以上的原料。这些原料多数是矿物质,也有少量有机物。,稳弧剂 碳酸钠、大理石、长石等; 造渣剂 大理石、萤石、钛白粉等; 造气剂 纤维素、白云石等; 脱氧剂 锰铁、钛铁、铝粉等; 合金剂 锰铁、硅铁、钼铁等; 粘接剂 钾水玻璃,钠水玻璃; 稀释剂 长石、萤石、钛铁矿等。,
3、7,手工电弧焊特点:设备简单,方法简单灵活,适应性强,手工操作技术要求高。劳动条件差,生产效率低。,8,手工电弧焊实用范围:单件、小批量、短缝、不规则,各种空间位置,不易实现机械化。厚度大于1.5mm,1mm以下不能焊。,9,手工焊材料:碳钢、低合金钢、不锈钢、铜及铜合金、铸铁补焊、堆焊。 活泼金属(Ti、Nb、Zr);难熔金属(Mo、Ta);低熔点金属Pb、Sn、Zn及合金);高C、铸铁等都不能焊。,10,1.2焊接电弧的机理 电弧的实质:在一定的条件下,电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电现象。(气体放电现象),11,12,特殊的气体放电过程:电能能转换为热能;机械能;光能;磁能,13,
4、通常气体不导电,在一定条件下,原子获得足够的能量电离成正离子和电子便能导电。,14,电离:使中性的气体分子变成电子和离子过程。 电离势:使气体电离所花费的能量,叫做电离势或电离电位。单位:电子伏特或伏,15, 碱金属、碱土金属(K、Na、Ca等),外层一个或两个电子,易失去、易电离、电离电位低,药皮中加入引弧容易,电弧燃烧稳定。(引弧剂,稳弧剂)。J422,J502,J423等。,16, F(7个电子)电离电位较高,不易电离,加入药皮不易引弧。 J507(CaF2)。CaF2可去除H、S、P。,17,18,1.2.1.引弧 引弧方法:擦划,点接触。 焊条与工件接触又迅速拉开的瞬间产生的。但实际
5、是由:“短路空载燃弧”三个极短的阶段。,19,短路 短路阶段:金属蒸气;药皮蒸气;电子的热发射。,20,突出点接触,电弧密度极大(I短1.53 I焊 ),很大的电流(I短),很小的面积,很大电阻热。,21,电阻热: 电阻热使接触点温度骤然升高,电极表面金属熔化,蒸发 药皮中物质K、Na、Ca分解蒸发,Fe、K、Na、Ca蒸气具备电离气氛.,22,电子的热发射 阴极表面温度很高,电子获得足够的能量,活跃,冲破表面,逸出到空间去叫做热发射电子,电子逸出金属表面消耗的能量逸出功。,23,空载 焊条刚刚拉开,电弧尚未形成的一瞬间,电源处在空载状态:I=0,V=U0 。 空载电压较高:手工电弧焊U050
6、90伏。,24,很短的距离,弧长105106mm内。 电场强度很大。,25,足够大的电场强度,使电子从阴极发射出来,叫做电子自发射。空载阶主要是自发射。,26,自发射,热发射很强烈,但刚刚开始,还不能使两极间的气体充分电离,因此电弧尚未形成,还处于空载状态。I=0。,27,(3)燃弧 短路阶段和空载阶段为燃弧准备了必要条件。,28,a.两极间:空气,金属蒸气,药皮蒸气,易电离成为能导电的电弧介质。 b.热发射,自发射:从阴极表面发射大量高速运动电子。 c.电源供电:两极间有足够大的电场强度,成为发射电子、电离气体的动力来源。,29,由于具备了上述条件,使得由阴极发射出来的电子,在电场加速下,发
7、生激烈的碰撞:,30,电子在电场作用下,撞击原子使之电离,碰撞电离发生链锁反应。产生雪崩式击穿而形成电弧。,31,即当焊条提升到一定高度时,则两极间的空间顷刻发生突变,发出强烈的光和热,即电弧引燃。,32,弧柱空间:大量的碰撞,碰撞电离、热电离,中和放电,达到热平衡。 正离子跑向阴极撞击阴极表面,释放出动能,同时在阴极表面中和成原子,释放成位能。 电子跑向阳极,进入阳极,释放出动、位能,全部能量。 电弧作为换能器,电能转化为热能,光能,机械能。,33,常见导体材料逸出功,34,35,电极表面温度的高低受材料沸点的限制。 钨、碳电极表面温度可达3500K以上,高温下发射大量电子。热阴极(材料)。
8、 W沸点:5950K, 熔点:3653K Cu、Al、Fe电极表面沸点低,表面温度也低,热发射能力差,必须依靠电场发射电子予以补充。冷阴极。 Fe沸点:3008 K ,熔点:1808K(1535),36,1.3 焊接电弧的特性 1.3.1电弧的结构 直流电弧为例,电弧近似看成为一个圆柱形的气体导体。,37,38,39,阴极区:靠近阴极端部的地方,阴极压降较大,相当于电弧介质的电离势。E106V/cm,自发射。 阴极斑点:在整个阴极端面上电流集中在很小很光亮的斑点上,是电子集中发射的地方。T22003600K,几乎接近电极材料(碳钢)的沸点。 阴极区电流:正离子流向阴极,撞击阴极斑点并与电子中和
9、。电子流向弧柱,去进行撞碰电离。,40,阳极区:靠近阳极的地方。 阳极斑点:光亮的斑点,弧柱中来的电子经阳极区电场作用加速,集中射击到阳极斑点,撞入阳极,此处温度高,电流密度大。 阳极区电流:基本上全部由电子流组成。 阳极区压降:基本上不受电极材料和电弧介质的影响,约为2.5V。,41,弧柱区:充满着气体介质的分子,原子,以及电子,正离子和负离子。 高速运动的电子撞击原子使之电离,电子和正离子中和,释放出能量。碰撞时发生能量的转换,部分动能转化为热能。 每次碰撞产生的能量虽小,但电子数目极多,故反应激烈,产生很大的热量,弧柱5000-8000K,发强光。 电弧温度分布:纵向、横向。,42,43
10、,44,电弧极性的选择:主要依据焊条的性质和焊件所需能量: 一般低碳钢结构:J422,J423,交直两用。 焊接重要结构:J507,J557,直流反接。 厚板正接,薄板反接。有色金属,铸铁反接(药皮影响)。,45,极性鉴别:J507 直流电焊机稳定性交流 交流:f=50Hz,正负变化100次/秒,过零点I=0,电弧熄灭,所以电弧温度比直流低一些,稳弧性差。,46,1.3.3 焊接电弧的静特性 焊接电弧的静特性:弧长一定,稳定燃烧时,通过电弧的电流与电弧两端的压降之间的关系称之为电弧的静特性。,47,金属电阻,温度不高时,R常数,电阻静特性是直线。电弧电阻R在变化,电弧静特性为曲线,称U型特性。
11、,48,(1)ab段,下降特性,I1000A;熔化极气体保护焊、大电流 细丝埋弧焊。,49,1.3.4焊接电源(电焊机) 1.3.4.1焊接电源的特点 保证稳定燃烧,获得优质焊缝,焊接电源应具备的条件是:,陡降的外特性; 适当的空载电压; 可调的外特性; 较好的动特性。,50,陡降的外特性 焊接电源的外特性:焊接电源的输出电压与输出电流之间的对应关系。,51,为什么需要陡降的外特性?,稳定工作点 电流波动小 短路电流不过大,52,短路电流不过大 一般要求I短=(120-130)% I焊,最大不超过150%。,53,所以陡降外特性具备:稳定工作点;电流波动小;短路电流不过大。,54,适当的空载电
12、压,55,连续可调的外特性 Imax不大于(45)Imin,即可 满足使用要求。,56,焊接电源应有较好的动特性 焊接时熔滴过渡,经常发生短路,V=0,电弧熄灭,在焊条拉开的瞬间电压要迅速上升,达到25V/0.05秒,电弧可重新自行引燃。 短路时由于有电磁惯性,产生短路冲击电流,造成金属飞溅,烧穿工件,并损害电机。一般要求:I短路冲击3I短路.,57,动特性好的电焊机:容易引弧,电弧突然拉长一些电弧也不容易熄灭,飞溅小。电弧“安静、柔软”好象富有“弹性”。 动特性不好的电焊机:打火时,焊条容易粘在工件上,不易引弧,拉长熄灭。飞溅严重,感觉电弧“硬”,很 “暴躁”。,58,小结: 合适的焊接电源
13、应具备: 陡降的外特性: 稳定的工作点 电弧波动小 短路电流不过大,59,适当的空载电压 直流焊机:5070V,不大于90V。 交流焊机:6080V,不大于100V。,60,连续可调的外特性 Imax不大于(45)Imin。 较好的动特性 短路时 V=25V/0.05秒, I短路冲击3I短路。,61,影响焊接电弧稳定性的因素(除操作技术外): 弧焊电源的种类与特性 a.交流电源:周期性的顺时熄灭和引燃; b.供电网路电压波动; c.平特性电源,电源外特性必须是陡降。,62,焊条药皮的成分 药皮中含K、Na、Ca 等易电离元素较多,稳定。 CaF等反电离物质,不稳定。 药皮偏心,熔点过高,受潮,
14、变质,开裂等。,63,焊接环境 焊接区:油污,氧化物,水分等,大风等。,64,1.3.4.2手工弧焊电焊机的分类、牌号 交流电焊机(焊接变压器)BX1-500,BX2-500。 交流电焊机是一个特制的降压变压器,将初级电压380V或220V降到V0=60-80V,其内部加一个较大的感抗。,65,交流电焊机:结构简单,制造方便,成本低,噪音小。电弧燃烧稳定性较差,节省电能,维护方便,只适合酸性焊条焊接。 常见的型号:BX1-500: B焊接变压器,X下降特性,1系列品种序号,额定电流500A。 BX-500 BX1-500 BX3-500,66,直流电焊机(弧焊发电机) 旋转式直流电焊机由一个发
15、电机和一个拖动它的电动机组成,由交流网路供电使电动机旋转,带动发电机电枢旋转,发出直流电供焊接使用。,67,弧焊发电机,结构复杂,制造复杂,成本高,噪音大,寿命短(有旋转部分)。电弧燃烧稳定性较好,性能可靠,碱性、酸性焊条均可焊接。重要的受压设备,合金钢,不锈钢等。 常见的型号:AX1-500,AX3-500。,68,硅整流焊机(弧焊整流器) 硅整流式直流电焊机也称弧焊整流器,是一种将工频交流电整流变为直流电的手弧焊设备。 常见型号有ZX1-300、ZX4-500等。,69,晶闸管逆变弧焊整流器(逆变焊机) ZX7-250 ZX7-315 ZX7-400 ZX7-630,70,1.3.4.3
16、电焊机的主要技术参数及牌号 与电焊机操作性能有关的参数主要有空载电压、工作电压、额定电流、电流调节范围和暂载率等。 此处仅介绍暂载率和额定电流。,71,额定暂载率与额定电流 暂载率(负载持续率)是用来表示焊接电源工作状态的参数,它是在选定的工作时间周期内,许焊机连续负载的时间。,72,73,焊机工作时会发热,温升过高焊机烧毁,一般机温不得超过6080。 焊接电流大、连续运转温升高。,74,标准规定,500A以下的焊机,选定的工作时间为10min。 如手工电弧焊时,只有电弧燃烧时焊接电源才有负载,在更换焊条与清渣时焊接电源没有负载。,75,额定暂载率及额定电流:是电焊机设计时根据其最经常的工作条件选定的。,76,实际暂载率与允许工作电流 如AXl500可以用于手工电弧焊,也可用于埋弧焊。 AXl500的额定暂载率是65,这时允许的焊接电流为500A。,77,用于埋弧焊时,由于焊接过程