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1、第四章 电弧焊的基本理论本章要点:主要介绍与电弧焊有关 的基础理论，包括焊接电弧、焊丝熔化与过渡及焊接接头的组织及力学性能，最后讨论焊接应力与变形产生的原因和防止措施。第一节 概述n一、焊接的特征 n1.焊接已成为最流行的连接技术国家大剧院钢结构国家大剧院钢结构金茂大厦金茂大厦罐压力容器罐压力容器 n2.焊接显现了极高的技术含量和附加值三维激光焊接广州丰田自动化的机器人生产线广州丰田自动化的机器人生产线 n3 .焊接已成为关键的制造技术上海卢浦大桥上海卢浦大桥“ “中华和平号中华和平号” ”17.517.5万吨散货轮万吨散货轮千吨级热壁加氢反应器千吨级热壁加氢反应器世界最大的三峡水轮机转轮世界
2、最大的三峡水轮机转轮n4.焊接已成为现代工业不可分离的组成部分三峡永久船闸三峡永久船闸西气东输工程管道的焊接西气东输工程管道的焊接神舟飞船返回仓全神舟飞船返回仓全 焊接的铝合金结构焊接的铝合金结构n 二、焊接的分类n 焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用 填充材料，借助于金属原子的扩散和结合，使分离的材料牢 固的连接在一起的加工方法。焊接的主要特点是：（1）节省材料，减轻质量；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连 接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接方法的应用：（1）制造金属结构件；（2）制
3、造机器零件和工具；（3）修复。n n 焊接的方法种类很多，按焊接过程特点可分为三大类 ：n (一）熔焊焊 n 把焊接局部连接处加热至熔化状态形成熔池，待其冷 却结晶后形成焊缝，将两部分材料焊接成一个整体。因两 部分材料均被熔化，故称熔焊。熔焊是金属焊接中最主要 的一种方法。 n (二）压焊压焊 n 在焊接过程中需要对焊件施加压力（加热或不加热） 的一类焊接方法，叫压焊。n (三）钎焊钎焊 n 利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料）熔化后， 填入接头间隙并与固态的母材通过扩散实现连接的一类焊 接方法。 n 表41 船厂常用的焊接方法及应用 第二节 焊接电弧n 电弧是所有电弧焊方法的能源，能有效而
4、简便地把弧 焊电源的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。n 一、焊接电弧的产生n n 焊接电弧是由焊焊接电电源提供的、具有一定电压电压 的两 极间间或电电极与焊焊件间间，气体介质产生强烈而持久的放电 现象。图图4 41 1 焊接回路示意图焊接回路示意图 n 二、焊接电弧的构造电弧的三个区阴极区、阳极区和弧柱区（如图4-2所示）。焊接电弧的温度 C和热量分布温度 C 热量分布 阳极区： 2600 43弧柱区： 60008000 21阴极区 ： 2400 36 图图4 42 2 焊接电弧的构造焊接电弧的构造 n 三、焊接时的极性n 使用直流电源焊接时有正接、反接法两种： 正接法：焊件接电焊机的
5、正极（阳极），焊条接负极（阴 极）,因此，焊件温度较高，能获得较大熔深，适用于焊接厚 板。 反接法：焊件接负极，焊条接正极，适合于焊接薄板， 以防烧穿。n 交流焊机、无正反接特点，温度均为2500K。n 图图4-3 4-3 直流电焊机的不同的接法直流电焊机的不同的接法 a) a) 正极正极 b) b) 反接反接交直流电焊机的比較母 材 熔 透 深 度 比 較交流电焊机直流正极性直流反极性n 四、焊接电弧的静特性n 在电极材料，气体介质和电弧长度一定时，电弧两端 的电压与焊接电流之间的关系称为电弧静特性，或称伏安 特性。电弧静特性曲线呈U形。如图44曲线2所示。n 在一般情况下，电弧电压Uh与弧
6、长l成正比变化，如图45示，即电弧越长电压越高。 图44 普通电阻静特性与电弧静特性曲线 1普通电阻静特性； 2电弧静特性。图图4 45 5 不同电弧长度的电弧静特性曲不同电弧长度的电弧静特性曲n第三节 电弧焊的熔滴过渡n 电弧焊时，焊条（或焊丝）末端在电弧高温作用下加 热熔化形成的向熔池过渡的液态金属滴叫熔滴。熔滴通过 电弧空间向熔池转移的过程叫熔滴过渡。熔滴熔滴 过渡过渡 形式形式颗粒颗粒 过渡过渡喷射喷射 过渡过渡短路短路 过渡过渡 颗粒过渡特点颗粒过渡特点：焊接电流较小而电焊接电流较小而电 弧电压较高时形成；因焊缝成形不好弧电压较高时形成；因焊缝成形不好 ，通常不宜采用。，通常不宜采用
7、。 喷射过渡特点喷射过渡特点：在氩或富氩保护气在氩或富氩保护气 体中，当电流增大到某临界值时，熔体中，当电流增大到某临界值时，熔 滴呈细小颗粒，并以喷射状态快速通滴呈细小颗粒，并以喷射状态快速通 过电弧空间向熔池过渡过电弧空间向熔池过渡 ；喷射过渡时；喷射过渡时 其飞溅小，过程稳定，熔深大，焊缝其飞溅小，过程稳定，熔深大，焊缝 成形美观。成形美观。 短路过渡特点短路过渡特点：小电流焊接而低电小电流焊接而低电 弧电压（即短弧焊时）时形成；短路弧电压（即短弧焊时）时形成；短路 过渡时电弧稳定，飞溅小，焊缝成形过渡时电弧稳定，飞溅小，焊缝成形 良好。广泛用于薄板焊接和全位置焊良好。广泛用于薄板焊接和
8、全位置焊 接。接。n第四节 焊接接头的组织及力学性能（一）焊接接头的组成焊接工件上温度的变化n 各点处： 常温较高温度常温固态 液态 固态在焊接过程中，母材因受热的影响(但未熔化)而发生金 相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。熔焊焊缝和母 材的交界线叫熔合线，熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影 响区的过渡区，叫熔合区，也叫半熔化区。因此，焊接接头 由焊缝、熔合区和热影响区组成。n 二、焊缝的组织和性能n (一)焊缝的组织和性能n 焊缝组织是由熔池金属结晶得到的柱状的铸造组织。焊接熔池的结晶 首先从熔合区中处于半熔化状态的晶粒表面开始，晶粒沿着与散热最快的 方向的相反方向长大，因受到相邻的正在
9、长大的晶粒的阻碍，向两侧生长 受到限制，因此，焊缝中的晶体是方向指向熔池中心的柱状晶体n 焊缝中的铸态组织，晶粒粗大，组织不致密，但是，由于焊接熔池小， 冷却快，焊条药皮、焊剂或焊丝在焊接过程中的冶金处理作用，使得焊缝 的金属的化学成分优于母材，硫、磷含量较低，所以容易保证焊缝金属的 性能不低于母材，特别是强度容易达到。n（二）焊缝形状与焊接质量的关系n 焊缝形状是焊件熔化区横截面的形状，它可用焊缝熔深s、焊缝熔 宽c和余高h三个参数来描述，如图47所示。合理的焊缝形状要求s、c 和h之间有适当的比例。生产中常用焊接成形系数（ cs）和余高 系数（ch）来表征焊缝成形的特点。n 熔焊较适宜的成
10、形系数为12。为了保证焊缝的强度，对一般焊 缝允许有适当的余高，通常对接接头允许h=03mm，对于重要角接构件，也应焊出余高后再打磨成凹形。图图4 47 7 焊缝的横截面焊缝的横截面焊缝宽度焊缝余高焊缝的熔深n 焊接参数决定焊缝输入的能量，是影响焊缝成形的主要 工艺参数。焊接参数对焊缝熔深s、焊缝熔宽c和余高h的影响 如图4-8所示。焊接电流主要影响焊缝熔深s；电弧电压主要 影响焊缝熔宽c；焊接速度的快慢主要影响母材的热入，提高 焊速焊缝熔深s、焊缝熔宽c、余高h均减少。图48 焊接参数对焊缝熔深s、焊缝熔宽c和余高h的影响 a)焊接电流的影响； b)焊接电压的影响； c)焊接速度的影响。 n
11、三、熔合区的特征n熔合区，又称半熔化区，是焊缝与母材的交界区 n加热温度：14951538（固、液相线之间）n组织：（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新n 结晶的）铸态组织。n特点：该区很窄，组织不均匀，强度下降，塑性很差，是n 产生裂纹及局部脆断的发源地。n 四、低碳钢接头的热影响区热影响区：受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的区域。 低碳钢的热影响区分为过热区、正火区和部 分相变区。 图图4 410 10 低碳钢焊接接头的组织示意图低碳钢焊接接头的组织示意图（1 1）过热区过热区：紧靠熔合区：紧靠熔合区加热温度加热温度：1100110014951495
12、（11001100固相线）固相线）组织组织：粗大的过热组织。：粗大的过热组织。特点：特点：宽度为宽度为1 13mm3mm，塑性和韧性下降。焊，塑性和韧性下降。焊接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。接刚度大的结构时，该区易产生裂纹。 （2 2）正火区正火区：紧靠着过热区：紧靠着过热区加热温度加热温度：85085011001100（A AC3C3至至11001100）组织组织：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似：均匀细小的铁素体和珠光体组织（近似 于正火组织）于正火组织）特点特点：宽度约：宽度约1.21.24.0mm4.0mm，力学性能优于母材。，力学性能优于母材。 （3 3）部分相变区部分相变区加
13、热温度加热温度：A AC1C1A AC3C3之间之间组织组织：F+PF+P（F F粗、细不均）粗、细不均）相变的相变的F F，变细小；，变细小； 未相变的未相变的F F，变粗大，变粗大特点特点：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学：部分组织发生相变，晶粒不均匀，力学性能稍差性能稍差综上所述，综上所述，熔合区熔合区(1)(1)和和过热区过热区(2)(2)是焊接接头中的是焊接接头中的薄弱部分薄弱部分，对焊接质量有严重，对焊接质量有严重 影响，应尽可能的减小之。影响，应尽可能的减小之。焊接接头焊接接头焊缝焊缝熔合区熔合区过热区过热区正火区正火区部分相变区部分相变区第五节 焊接应力与变形本节主要讨论产生
14、焊接应力与变形的原因、预防 和减小焊接应力与变形的措施、以及消除焊接应力与 变形的方法。一、焊接应力与变形产生的原因（一）焊接应力与变形的概念 1应力与变形的基本概念 物体的变形：物体在受到外力或温度等因素的作用下， 其形状和尺寸会发生变化，这种变化称为物体的变形；物体 的变形一般分为弹性变形和塑性变形两种。内力：在物体受到外力作用发生变形的同时，在其内部 会出现一种抵抗变形的力。应力：物体由于受到外力的作用，在单位截面积上出现 的内力就叫做应力。内应力的显著特点是：在物体内部，内应力是自成平衡 的，形成一个平衡力系。n 2焊接应力与变形的概念n 焊接应力：是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于
15、焊 件中的内应力。按应力作用时间的不同，焊接应力可分为焊 接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬时应力，是焊接过程中 某一瞬时的焊接应力，它随时间而变化。焊件冷却后，残留 于焊件内的应力，称为焊接残余应力。n 焊接变形：即由于焊接而引起的变形。焊接变形包括焊 接过程中的变形和焊接残余变形。焊后焊件不能消失的变形 ，称为焊接残余变形。n 我们所说的焊接应力及焊接变形，一般是指焊接残余应 力和焊接残余变形。（二）研究焊接应力与变形时的几个假定焊接过程中，影响焊接应力与变形的因素 很多,为抓住主要矛盾,简化讨论,常作如下几个 假定。1平截面假定2金属性质不变假定3屈服强度与温度关系的假定n （三）焊接应力与变形产生的原因n 1焊件的不均匀受热n 焊接过程中，焊缝被加热处于液态，相邻的金属加热到很高 的温度，然后再快速冷却下来，各点处温度不同，冷却速度也不 相同，在热胀冷缩
