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1、焊接方法与设备,QQ:1012137909,绪论, 基本内容 掌握焊接基本概念、理解焊接本质、特点及分类 一、基本概念: 焊接是通过适当的物理化学方法,使两个分离的固体通过原子间的结合力结合起来的一种连接方法。 1) 固体结合 金属金属 金属非金属 非金属非金属,2) 依靠原子间的结合力 - 焊接本质 通过原子间的结合力将两个固体连接起来,对于金属 来说,必须产生金属键,也就是说,被连接表面要接 近到原子晶格间距。 3) 要通过一定的物理、化学过程 加热:电弧焊、钎焊 加压:冷压焊 加热+加压:电阻焊、扩散焊,放大,d要求达到:10nm,10m,因此: 采取必要的措施。,d,氧化物,三、焊接的
2、分类,焊接,熔化焊:,钎焊:,压力焊:,利用摩擦、扩散和加压等物理作用,克服两个连接表面的不平度,除去氧化膜及其它污染物,使两个连接表面上的原子相互接近到晶格距离,从而在固态条件下实现连接的方法。,利用一定的热源,使构件的被连接部位局部熔化成液体,然后再冷却结晶成一体的方法称为熔焊。,采用熔点比母材低的材料作钎料,将焊件和钎料加热至高于钎料熔点、但低于母材熔点的温度,利用毛细作用使液态钎料充满接头间隙,熔化钎料润湿母材表面,冷却后结晶形成冶金结合。,加热,压力焊,钎料,加压,熔化焊,钎焊,熔化焊:,电弧焊,气焊,铝热焊,电渣焊,电子束焊,激光焊,电阻点焊,电阻缝焊,根据热源来分类,电弧焊:,熔
3、化极电弧焊,CO2焊,埋弧焊,熔化极气体保护焊(GMAW),钨极氩弧焊 (GTAW),等离子弧焊,非熔化极电弧焊,螺柱焊,手工电弧焊,电弧焊,电源,电极,工件,二、 焊接的特点: 1)焊接可将各个零部件直接连接起来,无需其他附加件,接头强度一般也能达到与母材相同,因此,焊接产品的重量轻、成本低。 2)焊接接头是通过原子间的结合力实现的连接,均匀性及整体性好、刚度大,在外力作用下不像机械连接那样产生较大的变形。 3)焊接结构具有良好的气密性、水密性,这是其他连接方法无法比拟的。 4)可连接不同类型的金属材料、不同形状及尺寸的材料,可使金属结构中材料的分布更合理。 5)可将结构复杂的大型构件分解为
4、许多小型零部件分别加工,然后再将这些零部件焊接起来,这样就简化了金属结构的加工工艺、缩短了加工周期。,6)焊接是一种“柔性”加工工艺,既适用于大批量生产,又适用于小批量生产。,第一章 焊接电弧,一 基本要求 熟练掌握本章的基本概念,理解并掌握最小电压原理、电弧力。了解电弧各个区域的组成、导电机构、产热机构、交流电弧的特点以及阴极斑点的特点及其对焊接质量的影响。 二 基本概念 电弧、气体放电、电离、电子发射、阴极斑点、阳极斑点、刚直性、磁偏吹、电离能、逸出功、电离电压、逸出电压 三 难点 1)最小电压原理 2)电弧的导电机构 四 重点 1)电弧、电离、气体放电、刚直性、磁偏吹等一些基本概念。 2
5、)电弧力。 3)电弧的产热机理。 4)阴极斑点的特点。 5)最小电压原理。,1-1 电弧物理基础,一) 电弧的基本概念 1、电弧:电弧是一种气体放电 现象,通过放电将电能转变为热能与机械能。 2、气体放电:两极间的气体被击穿而导电的过程。 非自持放电:放电本身不能产生导电所需的带电粒 子(A+、e)。 自持放电:放电本身能产生导电所需的带电粒子 (A+、e);有暗放电、 辉光放电、 电弧放电等三 种。,+,-,电弧,Ua,Ia,电弧放电,辉光放电,暗放电,暗放电,自持放电,非自持放电,U,I,导体导电,二) 带电粒子的产生过程 产生方式: 电离: 气体中性原子或分子( A )分离为一价正离子
6、( A+ )和电子( e )的过程。 电子发射: 金属表面逸出电子的现象 (一)电离与激励 1、电离:在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。 A A+ + e - Wi 电离能:原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J 电子伏:一个电子被1V的电压所加速得到的能量。 电离电压:电离能/电子带电量。 一次电离:AA+e 二次电离:A+A+e n次电离:A(n-1)+An+e,2、 激励:气体原子得到的一定的能量,虽然小于Wi,但可 使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。 激励能:所需的最小外加能量叫激励能We。 激励能电压:激励能We/e。 3、能量传递方式 1) 碰撞:粒子间通过
7、相互碰撞而交换能量 弹性碰撞:仅发生动能再分配 非弹性碰撞:交换的能量势能,从而导致电离或激励。,2) 光幅射:在光的辐射下,中性粒子直接吸收光量子 的能量。,A,A+,A-,e,A,A,e,h eUi,4、电离的分类: 1) 热电离:气体粒子受热的作用而产生电离 实质:中性粒子通过与电子碰撞,接收电子能量而电离。 电离度:电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。0.1% 热解离:在热量的作用下,多原子分子分解为原子。 解离能:分子热解离所需要的能量 2) 电场作用下的电离:A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞 使其电离的过程。 主要是e的作用:电子获得的能量是A+ 的4倍。 3) 光电离:A直
8、接捕捉光量子并吸收其能量而电离。 波长越小越易促进光电离,电弧波长包括红外线、紫外线 可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe 等电离。,(二)电子发射 1、基本概念 1) 电子发射:电子从金属表面逸出的现象。 对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。 2) 逸出功(Ww):电子发射所需的最小能量。 3) 逸出电压:Ww/e 物理意义:Ww越小,引弧越容易,电弧稳弧性越好。 4)主要影响因素: 材料, K、Na之Ww较低。 表面状态:有氧化物时,逸出功降低 加入杂质,例如,钍、铈及镧等可降低Ww。,-,2、分类 1)热发射:在热量的作用下产生的发射 产生条件:阴极温度足够高
9、特点:对阴极有冷却作用,这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。 2)电场发射:金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。 特点:对阴极的冷却作用较小。 3)光发射:光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。 4)粒子碰撞发射:高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。,库仑力,(三)负离子的产生 中性离子与电子结合的过程,是一个放热过程,所放出的热被成为电子亲和能。 A + e A- + W 注意: 1)亲和能高的原子易形成A-,但高温下不利于放热反应。 2)交流电弧过零时,易形成。 3)易在电弧周边形成。 4)不利于电弧稳定。 (四)扩散与复合 扩散:电弧中心处A+
10、、e较多,e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后,在e吸引下,A+也向周边运动。从而在周边复合 A+eA+Wi A+A2A+Wi,A-,A,e,+,A-,+,A,A,e,三) 电弧各区域的导电机构 (一)区域组成 由阴极区、阳极区、弧柱三部分组成。 1、阴极区:长度极短、电压较大、E(电场强度)极高 2、阳极区:长度也极短、电压较大、E极高 3、弧柱区长度基本上等于电弧长度,E较小,UA,UC,UK,阳极区,阴极区,弧柱,-,+,10-510-6cm,10-210-4cm,(二)弧柱区的导电机构 所谓导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。 1、带电粒子的产生 1)电离:热电离 光电离 电场
11、作用的电离 2)阴极区注入的电子 3)阳极区注入的正离子 2、带电离子的运动 A+冲向阴极正离子流IA+ e冲向阳极电子流Ie I =IA+Ie 其中:IA+ = 0.1%I Ie = 99.9%I 3、特点: 1)电中性; 2)E小、Ua小,IA+,Ie,I,三)、阴极区的导电机构 1、阴极区在导电过程中的作用 1)产生弧柱区导电所需要电子流 Ie=0.999I 2)接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I 2、热发射型 1)产生条件:W、C阴极,且电流很大 2)带电粒子的产生方式:热发射 热阴极:弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产生的 阴极。 冷阴极:热发射能力不足的阴极。 热阴极材
12、料:熔点高的材料 冷阴极材料:熔点低的材料。 3)特点:无阴极区、无阴极压降Vk,3、电场发射型导电机构 1) 条件: (a)W、C阴极、且I较小 (b)AI、Fe、Cu作阴极 2) 带电离子产生方式 (1)场发射 (2)场电离 (3)热发射 (4)碰撞发射,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,Uk,阴极区,弧柱区,电场发射型导电机构,阴极,热发射,场发射,碰撞发射,场电离,0.999I,c) 特点: (1)阴极附近存在正电荷区阴极区 (2)fe0.001 I (3)阴极区断面收
13、缩 (4)阴极表面上产生阴极斑点 3)等离子型导电机构 A、条件: 1) W、C阴极,且I较小:或AI、Fe、Cu阴极;且 2) 气压较小,UkUi B、带电粒子产生方式:热电离 C、特点:同上,(四)阳极区的导电机构 1、阳极区在导电过程中的作用 1)接收弧柱区来的电子流 Ie=0.999I 2)产生弧柱区所需要的正离子流IA+=0.001I 2、热电离 1)产生条件:I较大 2)带电离子产生方式:热电离 3)特点: a)阳极压降小,甚至为0 b)不存在阳极斑点。 3、电场作用下的电离 1)产生条件:I较小 2)带电粒子的产生方式:热电离、场电离 3)特点:a)有阳极区,发生收缩 b)Ua较
14、大 c)有阳极斑点,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,UA,阳极区,弧柱区,阳极压降的形成,+,(五)阴极斑点与阳极斑点 1、阴极斑点:阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。 1) 产生条件: a、W、C阴极且I很小 b、AI、Fe、Cu作阴极 2) 某点充当阴极斑点的条件 a、电弧通过该点时耗能最小 b、该点能发射电子 3)特点 a)电流密度大、温度高 b)跳跃性及粘着性 c)存在斑点力:蒸发反力、A+的撞击力 d)自动寻找氧化膜,该点对于铝、镁及其合金的焊接
15、是 非常重要的,见后面的阴极雾化作用。,-,-,-,焊接方向,-,+,A,A,B,焊接方向,粘着性,跳跃性,2、阳极斑点 1)产生条件:I很小 2)点充当阳极斑点的条件 a)通过该点导通电流时,耗能最小 b)易蒸发,产生金属蒸气 3)特点: a、电流密度大、温度高 b、粘着性、跳跃性 c、避开氧化膜 d、斑点力,阳极斑点力小于阴极斑点力,四) 最小电压原理 电流一定、周围条件一定时,稳定燃烧的电弧各导电区的半径(温度)应使电弧电场强度最小,即电弧电压最小。 该原理有两个方面的含义: 1、电场强度是温度或电弧断面半径的函数 E = f(T) E=f(r) 2、电弧半径稳定值r*由E的最小值E*确定,E,r,R*,E*,电弧稳定燃烧时,Ua与Ia的关系称为电弧静 特性。 下降区(负阻特性区):电流密度不变 平特性区:E不变 上升特性区: 影响因素: 1、弧长 2、气体介质 导热性 热分解性能 3、气体介质的压力,五、电弧的静特性,Ua,Ia,小电流TIG,TIG SAW MMA,MIG MAG,Ia,Ua,Ia,L2,L1,L2 L1,纯Ar,Ar+20%H2,Ua,Ia,电离电压 Ar 15.7eV H 13.5eV H2 15.5eV,弧长影响,物理性能:热分