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1、金属材料焊接工艺,焊接方法及其在现代工业中的应用,焊接成形技术的特点,1,2,第一章 绪 论,一、焊接成形技术的特点,1. 焊接可以将不同类型、不同形状尺寸的材料连接起来，可使金属结构中材料的分布更合理。此外，焊接结构中各零部件间通常可直接用焊接方法连接，不需要附加的连接件，焊接接头的强度一般也能达到与母材相同。因此，焊接结构产品的质量轻，生产成本低。 2. 焊接接头是通过原子间的结合力实现连接的，刚度大，整体性好，在外力作用下不像机械连接（如铆接、销子连接等）那样产生较大的变形；而且，焊接结构具有良好的气密性、水密性，这是其它连接方法无法比拟的。 3. 焊接加工一般不需要大型、贵重的设备。因
2、此，是一种投资少、见效快的方法。同时，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。而产品结构变化时，设备可基本不变。 4. 焊接连接工艺特别适用于几何尺寸大而材料较分散的制品。例如船壳、桁架等；焊接还可以将大型、复杂的结构件分解为许多小型零部件分别加工，然后通过焊接连成整体结构，从而扩大了工作面，简化了金属结构的加工工艺，缩短了加工周期。,二、焊接方法及其在现代工业中的应用,熔焊：利用一定的热源，使构件的被连接位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成一体的方法 压焊：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，除去氧化膜及其他污染物，使两个连接表面上的原子相互接
3、近到品格距离，从而在固态条件下实现连接的方法 钎焊：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问骧，熔化钎料润湿母材表面。冷却后结晶形成冶金结合的方法,钨极氩弧焊,电弧焊电源,2,4,第二章 电弧焊,焊条电弧焊,焊接电弧,1,3,熔化极氩弧焊,5,CO2气体保护电弧焊,7,埋弧焊,6,电弧的形成和组成区域,电弧是一种气体导电现象（图2-1）。在电弧现象中，气体的电离主要有热电离、电场电离和光电离三种方式，而且在电弧温度下是以一次电离为主。电极的电子发射主要有热发射、电场发射、光发射和碰撞发射四种方式。 电弧是由如图2-2所示
4、的阴极区、弧柱区和阳极区三个部分构成的。 把整个电弧分成三个区域：靠近阴极附近电压变化较大的区域为阴极压降区，其电压降用UK表示；靠近阳极附近电压变化较大的区域为阳极压降区，其电压降用UA表示；中间的区域为弧柱区，其电压降用UC表示。总的电弧电压Ua是这三部分电压降之和，即： Ua=UA+UC+UK,焊接电弧,电弧气氛对电弧的影响,电弧稳定燃烧时把电能转化成为热能，其产热量的多少可以用它消耗电能的多少来表示。电弧的热量散失主要是电弧与周围气体介质的热交换所散失的热量。热量散失的多少与两个因素有关：一个是电弧周围气体介质的热交换所散失的热量，一个是电弧与气体介质的接触面积。当电弧的气氛一定时，散
5、热多少主要取决于电弧的导热截面。电弧作为一种柔性导体，其导电截面的大小可用最小电压原理来说明。最小电压原理的基本内容是：对一个与轴线对称的电弧，在电流一定，周围条件一定的时候，处于稳定燃烧状态的电弧，其弧柱直径或温度应使弧柱的电场强度具有最小值。这一原理说明，电弧稳定燃烧时，是依据保持能量消耗最小这一特性来确定电弧的导电截面的。,焊接电弧,焊接电弧的静特性,电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，两极间稳态的电压与电流之间的变化关系，也称为电弧的伏安特性。 电弧静特性曲线的形状如图2-3所示，电弧的负阻特性区，即图2-3中的A区。平特性区，即图2-3中的B区。上
6、升特性区，即图2-3中的C区。,焊接电弧,焊接电弧的静特性,电弧长度的影响 一般弧长增加，电弧电压增加，电弧的静特性曲线要平行上移。如图，2-4所示。 电弧周围气体介质的影响 电弧周围的气体介质对电弧静特性的影响，主要是由气体的热物理性能所决定的。,焊接电弧,焊接电弧力,电弧在燃烧过程中不仅要产生大量的热能，而且还会产生一些机械力，这些机械力称为电弧力。,焊接电弧,电弧力的种类 （1）电磁收缩力 （2）等离子流力 （3）斑点压力 带电粒子的撞击力 电磁收缩力 电极材料蒸发的反作用力 （4） 爆破力 （5） 细熔滴的冲击力,电弧力的影响因素 （1）气体介质 （2）电流和电压 （3）焊条（焊丝）的
7、直径,电源的分类,电弧焊电源,弧焊电源可以分为四大类型： （1）交流弧焊电源 （2）直流弧焊电源 （3）脉冲弧焊电源 （4）逆变式弧焊电源,各种弧焊电源的特点和应用,（1）弧焊变压器 （2）矩形波交流弧焊电源 （3）直流弧焊发电机（4）弧焊整流器 （5）弧焊逆变器 （6）脉冲弧焊电源,对弧焊电源的基本要求,电弧焊电源,电源的外特性 在电源内部参数一定的条件下，改变负载时，弧焊电源输出电压Uy和输出电流稳定值If之间的关系曲线称为电源的外特性。 一般直流电源的外特性方程式为： 当电阻r0 0时，随着输出电流If增加，输出电压Uy下降，即其外特性是一条下倾直线。而且，电阻越大，电源外特性下倾程度越
8、大。 当电阻r00时，则电源输出电压UyE，这时输出电压不随电流变化，电源的外特性平行于横轴，称为平特性或者恒压特性。,对弧焊电源的基本要求,电弧焊电源,弧焊电源外特性形状的种类 下降特性 这种外特性的特点是：当输出电流在运行范围内增加时，其输出电压随着急剧下降。根据斜率的不同又可分为垂直下降特性（恒流特性）、缓降特性和恒流带外拖特性。 平特性 平特性可以分为两类：一种是在运行范围内，随着输出电流的增大，电弧电压接近于恒定不变（恒压特性）或者稍有下降；另一种是在运行范围内，随着输出电流的增大电压稍有增高（有时称上升特性）。 双阶梯形特性 这种特性的电源用于脉冲电弧焊。维弧阶段工作于L形特性上，
9、而脉冲阶段工作于倒L形特性上。由这两种外特性切换而成双阶梯形特性，或称框形特性。,概述,焊条电弧焊是手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法，焊条电弧焊时，在焊条末端和工件之间燃烧的电弧所产生的高温使焊条药皮与焊芯及工件熔化，熔化的焊芯端部迅速的形成细小的金属熔滴，通过弧柱过渡到局部熔化的工件表面，融合一起形成熔池。药皮熔化过程中产生的气体和熔渣，不仅使熔池和电弧周围的空气隔绝，而且和熔化了的焊芯、母材发生一系列冶金反应，保证所形成的焊缝的性能，随着电弧以一定的速度和弧长在工件上不断的前移，熔池液态金属不断的冷却结晶，形成焊缝。,焊条电弧焊,焊条电弧焊电弧的特性,由于焊条电弧焊使用的焊接电流较小，特别
10、是电流密度较小，所以焊条电弧焊电弧的静特性处于水平段。在焊条电弧焊电弧水平段区间，弧长基本保持不变时，若在一定范围内改变电流值，电弧电压几乎不发生变化，因而焊接电流在一定范围内变化时，电弧均稳定燃烧。 焊条电弧焊电弧在焊条末端和工件间燃烧，焊条和工件都是电极，电弧阴、阳两极的最高温度接近于材料的沸点，焊接钢材时，阴极约为2400，阳极约为2600，电弧的温度为60007000。随着焊接电流的增大，弧柱的温度也增高。由于交流电弧两个电极的极性在不断地变化，故两个电极的平均温度是相等的，而直流电弧正极的温度比负极提高200左右。,焊条电弧焊,焊条电弧焊电弧的特性,焊接过程中，因气流干扰、磁场作用或
11、焊条偏心等影响，使电弧中心偏离电极轴线的现象，称为电弧偏吹。 产生电弧偏吹的原因 焊条偏心产生的偏吹。 电弧周围气流产生的偏吹。 焊接电弧的磁偏吹。 直流电弧焊时，因受到焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹，称为焊接电弧磁偏吹。 产生磁偏吹的原因有： a）接地线位置不适当引起磁偏吹。 b）不对称铁磁物质引起的磁偏吹。 c）电弧运动至钢板的端部时引起磁偏吹。,焊条电弧焊,焊条电弧焊电弧的特性,焊条电弧焊,焊条电弧焊电弧的特性,防止电弧偏吹的措施 焊接过程中遇到焊条偏心引起的偏吹，应立即停弧。如果偏心度较小，可转动焊条将偏心位置移到焊接前进方向，调整焊条角度后再施焊；如果偏心度较大，就必须
12、更换新的焊条。 焊接过程中若遇到气流引起的偏吹，要停止焊接，查明原因，采用遮挡等方法来解决。 当发生磁偏吹时，可以将焊条向磁偏吹相反的方向倾斜，以改变电弧左右空间的大小，使磁力线密度趋于均匀，减小偏吹程度；改变接地线位置或在焊件两侧加接地线，可减少因导线接地位置引起的磁偏吹。因交流的电流和磁场的方向都是不断变化的，所以采用交流弧焊电源可防止磁偏吹。另外采用短弧焊，也可减小磁偏吹。,焊条电弧焊,焊条电弧焊基础,焊条电弧焊,基本焊接电路 由交流或直流弧焊电源、焊钳、电缆、焊条、电弧、工件及地线等组成。 用直流电源焊接时，工件和焊条与电源输出端正、负极的接法，称极性。工件接直流电源正极，焊条接负极时
13、，称正接或正极性；工件接负极，焊条接正极时，称反接或反极性。 电源的选择 焊条电弧焊要求电源具有陡降的外特性、良好的动特性和合适的电流调节范围。选择焊条电弧焊电源应主要考虑以下因素：所要求的焊接电流的种类；所要求的电流范围；弧焊电源的功率；工作条件和节能要求等。 电流种类有交流、直流或交直两用，主要是根据所使用的焊条类型和所要焊接的焊缝形式进行选择。低氢钠型焊条必须选用直流弧焊电源，以保证电弧稳定燃烧。酸性焊条虽然交、直流均可使用，但一般选用结构简单且价格较低的交流弧焊电源。,焊条电弧焊基础,焊条电弧焊,焊条的选择 涂有药皮的供弧焊用的熔化电极称为电焊条，简称焊条。焊条由焊芯和药皮（涂层）组成
14、。 焊条中被药皮包覆的金属芯称焊芯。焊条电弧焊时，焊芯与焊件之间产生电弧并熔化为焊缝的填充金属。焊芯既是电极，又是填充金属。涂敷在焊芯表面的有效成分称为药皮，也称涂层。其作用是：机械保护。冶金处理。改善焊接工艺性能。渗合金。 焊条的分类 按药皮主要成分：可将焊条分为不定型、氧化钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢钾型、低氢钠型、石墨型和盐基型等10大类。 按熔渣性质：可将焊条分为酸性焊条和碱性焊条大类。熔渣以酸性氧化物为主的焊条称为酸性焊条。熔渣以碱性氧化物和氟化钙为主的焊条称为碱性焊条。 按焊条用途。按焊条性能。,焊条电弧焊基础,焊条电弧焊,焊条的选用原则 焊接材料的力学性能和化
15、学成分 焊件的使用性能和工作条件 焊件的结构特点和受力状态 施工条件及设备 改善操作工艺性能 合理的经济效益 接头形式 焊条电弧焊常用的基本的接头形式有对接、搭接、角接和T形接。选择接头形式时，主要根据产品的结构，并综合考虑受力条件、加工成本等因素。,焊条电弧焊基础,焊条电弧焊,坡口形式 根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状，经装配后构成的沟槽称为坡口。开坡口使电弧能深入坡口底层，保证底层焊透，便于清渣，获得较好的焊缝成形，还能调节焊缝金属中母材和填充金属的比例。 常用的坡口形式有：I形、V形、X形、Y形、双Y形、U形坡口带钝边等。 焊接位置 熔焊时，焊件接缝所处的空间位置称
16、为焊接位置。按焊缝空间位置的不同可分为：平焊、立焊、横焊和仰焊等位置。,焊接工艺参数,焊条电弧焊,焊条直径 焊条直径是根据焊件厚度、焊接位置、接头形式、焊接层数等进行选择的。 表2-5 焊条直径与焊件厚度的关系,焊接电流 因此，选择焊接电流时，应根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层数来综合考虑。 （1）考虑焊条直径 （2）考虑焊接位置 （3）考虑焊接层次表 2-6 各种直径焊条使用电流参考值,焊接工艺参数,焊条电弧焊,电弧电压 当焊接电流调好以后，焊机的外特性曲线就决定了。实际上电弧电压主要是由电弧长度来决定的。电弧长，电弧电压高，反之则低。 焊接速度 焊条电弧焊的焊接速度是指焊接过程中焊条沿焊接方向移动的速度，即单位时间内完成的焊缝长度。
