焊接方法與設(shè)備

1、焊接方法與設(shè)備第一章第一章焊接電弧焊接電弧第一節(jié)第一節(jié) 焊接電弧焊接電弧第二節(jié)第二節(jié) 焊絲的熔化與熔滴過(guò)渡焊絲的熔化與熔滴過(guò)渡第三節(jié)第三節(jié) 母材熔化與焊縫成形母材熔化與焊縫成形1-11-1電弧物理基礎(chǔ)電弧物理基礎(chǔ)一）一） 電弧的基本概念電弧的基本概念1、電弧電弧：電弧是一種氣體放電氣體放電 現(xiàn)象，通過(guò)放電將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芘c機(jī)械能。2、氣體導(dǎo)電產(chǎn)生的條件氣體導(dǎo)電產(chǎn)生的條件：兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有電場(chǎng)。3、氣體導(dǎo)電與金屬導(dǎo)電的區(qū)別：氣體導(dǎo)電與金屬導(dǎo)電的區(qū)別：氣體放電的形式有暗放電、 輝光放電、 電弧放電等三種。UaIa電弧放電輝光放電暗放電暗放電UI導(dǎo)體導(dǎo)電A+e+-電弧4、電弧的組成

2、電弧的組成陰極區(qū)陰極區(qū)U Uk k 陽(yáng)極區(qū)陽(yáng)極區(qū)U Ua a 弧柱區(qū)弧柱區(qū)U Uc c 二）二） 帶電粒子的產(chǎn)生過(guò)程帶電粒子的產(chǎn)生過(guò)程產(chǎn)生方式：電離：氣體中性原子或分子（ A ）分離為一價(jià)正離子 （ A+ ）和電子（ e ）的過(guò)程。 金屬電極發(fā)射電子：金屬表面逸出電子的現(xiàn)象（一）電離與激勵(lì)1、電離：在一定條件下中性原子分離成A+及e的現(xiàn)象。 A A+ + e - Wi電離能：原子或分子電離所需要的能量 單位為ev 或J電子伏：一個(gè)電子被1V的電壓所加速得到的能量。電離電壓：電離能/電子帶電量。一次電離：AA+e二次電離：A+A+en次電離：A（n-1）+An+eA+Ae2、 激勵(lì)：氣體原子得到

3、的一定的能量，雖然小于Wi，但可使電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。這種現(xiàn)象叫激勵(lì)。 激勵(lì)能：所需的最小外加能量叫激勵(lì)能We。 激勵(lì)能電壓：激勵(lì)能We/e?？偨Y(jié)：電弧氣氛中往往是電離與激勵(lì)同時(shí)存在的，確定的氣體粒子其電離電壓和激勵(lì)電壓都是固定數(shù)值。 3、電離的分類(lèi)： 1） 熱電離：氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離實(shí)質(zhì)：中性粒子通過(guò)與電子碰撞，接收電子能量而電離。2） 場(chǎng)致電離：A+、e在電場(chǎng)作用下被加速、與A碰撞使其電離的過(guò)程。主要是e的作用：電子獲得的能量是A+ 的4倍。 3） 光電離：A直接捕捉光量子并吸收其能量而電離。波長(zhǎng)越小越易促進(jìn)光電離，電弧波長(zhǎng)包括紅外線、紫外線、可見(jiàn)光、可使AI、K、Na原子

4、光電離。但不能使Ar、He、Fe等電離。（二）陰極電子發(fā)射（二）陰極電子發(fā)射 1、基本概念1） 電子發(fā)射：電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。對(duì)電弧導(dǎo)電起作用的主要是陰極的發(fā)射。2） 逸出功（Ww）：電子發(fā)射所需的最小能量。物理意義：Ww越小，引弧越容易，電弧穩(wěn)弧性越好。3）陰極斑點(diǎn)4）主要影響因素：材料， K、Na之Ww較低。表面狀態(tài)：有氧化物時(shí)，逸出功降低加入雜質(zhì)，例如，釷、鈰及鑭等可降低Ww。 -2、分類(lèi) 1）熱發(fā)射：在熱量的作用下產(chǎn)生的發(fā)射產(chǎn)生條件：陰極溫度足夠高特點(diǎn)：對(duì)陰極有冷卻作用，這一點(diǎn)對(duì)TIG焊具有重要意義?？商岣遅極的載流能力。 2）電場(chǎng)發(fā)射：金屬表面的電子在電場(chǎng)力的作用下逸出的現(xiàn)象。

5、特點(diǎn)：對(duì)陰極的冷卻作用較小。 3）光發(fā)射：光幅射作用下產(chǎn)生的發(fā)射。實(shí)際電弧中產(chǎn)生光發(fā)射的可能性很小。 4）粒子碰撞發(fā)射：高速運(yùn)動(dòng)的A+碰撞到陰極上導(dǎo)致的發(fā)射。庫(kù)侖力（三）帶電粒子的消失（三）帶電粒子的消失 擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散：電弧中心處A+、e較多，e易向周邊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)周邊電子濃度達(dá)到一定值后，在e吸引下，A+也向周邊運(yùn)動(dòng)。從而在周邊復(fù)合A+eA+WiA+A2A+Wi三）三） 電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)電弧各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)所謂導(dǎo)電機(jī)構(gòu)就是指帶電粒子產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和消失的過(guò)程。（一）區(qū)域組成（一）區(qū)域組成由陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)、弧柱三部分組成。1、陰極區(qū)：長(zhǎng)度極短、電壓較大、E（電場(chǎng)強(qiáng)度）極高2、陽(yáng)極區(qū)：長(zhǎng)度也極短、

6、電壓較大、E極高3、弧柱區(qū)長(zhǎng)度基本上等于電弧長(zhǎng)度，E較小UA UCUK陽(yáng)極區(qū)陰極區(qū)弧柱-+10-5 10-6cm10-2 10-4cm（二）弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（二）弧柱區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、帶電粒子的產(chǎn)生1）電離：熱電離熱電離 光電離 電場(chǎng)作用的電離2）陰極區(qū)注入的電子3）陽(yáng)極區(qū)注入的正離子2、帶電離子的運(yùn)動(dòng)A+沖向陰極正離子流IA+e沖向陽(yáng)極電子流IeI =IA+Ie其中：IA+ = 0.1%I Ie = 99.9%I3、特點(diǎn)：1）電中性；2）E小、Ua小IA+IeI最小電壓原理最小電壓原理電場(chǎng)強(qiáng)度E 電功率 電流一定、周?chē)鷹l件一定時(shí)，穩(wěn)定燃燒的電弧各導(dǎo)電區(qū)的半徑（溫度）應(yīng)使電弧電場(chǎng)強(qiáng)度最小，即電弧

7、電壓最小。該原理的含義：電弧半徑穩(wěn)定值r*由E的最小值E*確定 ErR*E*（三）陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（三）陰極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、陰極區(qū)在導(dǎo)電過(guò)程中的作用1)產(chǎn)生弧柱區(qū)導(dǎo)電所需要電子流 Ie=0.999I2)接收弧柱區(qū)來(lái)的正離子流IA+=0.001I2、熱發(fā)射型1）產(chǎn)生條件：W、C陰極，且電流很大2）帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱發(fā)射熱陰極：弧柱導(dǎo)電所需要的電子可完全由熱發(fā)生來(lái)產(chǎn)生的陰極。冷陰極：熱發(fā)射能力不足的陰極。熱陰極材料：熔點(diǎn)高的材料冷陰極材料：熔點(diǎn)低的材料。3）熱量補(bǔ)充：1. 正離子沖擊 2. 電阻熱 3、電場(chǎng)發(fā)射型導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1) 條件：（a）W、C陰極、且I較?。╞）AI、Fe、Cu作陰極2) 帶

8、電離子產(chǎn)生方式（1）場(chǎng)發(fā)射（2）場(chǎng)電離 （3）熱發(fā)射 （4）碰撞發(fā)射（四）陽(yáng)極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（四）陽(yáng)極區(qū)的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)1、陽(yáng)極區(qū)在導(dǎo)電過(guò)程中的作用1)接收弧柱區(qū)來(lái)的電子流 Ie=0.999I2)產(chǎn)生弧柱區(qū)所需要的正離子流IA+=0.001I2、熱電離1）產(chǎn)生條件：I較大2）帶電離子產(chǎn)生方式：熱電離3、電場(chǎng)作用下的電離1）產(chǎn)生條件：I較小2）帶電粒子的產(chǎn)生方式：熱電離、場(chǎng)電離-+-+-UA陽(yáng)極區(qū)弧柱區(qū)陽(yáng)極壓降的形成+2、陽(yáng)極斑點(diǎn)1）陽(yáng)極斑點(diǎn)的定義2）點(diǎn)充當(dāng)陽(yáng)極斑點(diǎn)的條件a）通過(guò)該點(diǎn)導(dǎo)通電流時(shí)，耗能最小b）易蒸發(fā)，產(chǎn)生金屬蒸氣1-21-2焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布焊接電弧的產(chǎn)熱及溫度分布 一）、焊接電弧的

9、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)一）、焊接電弧的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)（一）弧柱的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)電能熱能（幾乎由電子承擔(dān)）1、 本質(zhì)：A+、e在電場(chǎng)作用下被加速、使其動(dòng)能增大的過(guò)程。其宏觀表現(xiàn)即為溫度上升產(chǎn)熱2、產(chǎn)熱量 主要用于散熱損失 對(duì)流、幅射、傳導(dǎo) 。 （二）陰極區(qū)的產(chǎn)熱1本質(zhì)：產(chǎn)生電子、接受正離子的過(guò)程中有能量變化，這些能量的平衡結(jié)果就是產(chǎn)熱，由三部分組成：1）電子逸出陰極時(shí)消耗能量： -IUw2）電子進(jìn)入弧柱前被電場(chǎng)（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk3）電子進(jìn)入弧柱時(shí)帶走的能量：-IUT（溫度等效電壓）2、產(chǎn)熱公式Pk=I（Uk-Uw-UT）3、作用：用于加熱陰極和散熱損失 （三）陽(yáng)極區(qū)的產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)1、 本質(zhì)：接受電子、產(chǎn)生

10、A+過(guò)程中伴隨的能量轉(zhuǎn)換，由三部分組成：1）e被UA加速所得到的能量：+e UA2）電子帶來(lái)的逸出功：+IUw3）電子帶來(lái)的相當(dāng)于弧柱溫度那部分能量+IUw 2、產(chǎn)熱公式PA=I（UA+Uw+UT）3、作用用于加熱陽(yáng)極和散熱損失二）、電弧的溫度分布二）、電弧的溫度分布（一）弧柱溫度分布1、軸向陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)溫度較低，弧柱區(qū)溫度較高。溫度電流密度能量密度 2、徑向中心軸附近溫度高，周邊低三）、焊接電弧的熱效率及能量密度三）、焊接電弧的熱效率及能量密度（一）電弧總產(chǎn)熱Pa=PC+PA+PK = I（UC+UK+UA）=IaUa（二）有效功率、熱效率系數(shù)1有效功率：用于加熱工件和焊絲的功率QE2熱效

11、率系數(shù)：=QE/Pa3 影響的因素：1）焊接方法：TIG焊低、MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）、SAW（埋弧焊）高2）焊接規(guī)范：3）外部條件 （三）能量密度1單位有效加熱面積上的熱功率，單位為w/cm22功率密度越高 ，焊接變形及HAZ越小。氣焊電弧焊激光電子束1-10102-104106-107 106-108 一）、電弧力1、電磁收縮力通過(guò)電?。ㄈ鄣危┑碾娏骶€之間的相互吸引力，對(duì)電弧或熔滴起著壓縮作用，該力被稱為電磁收縮力。流態(tài)導(dǎo)體中電磁收縮力的影響柱形導(dǎo)體中的電磁收縮力ALF推焊絲錐形電弧母材錐形電弧錐形電弧 1.電弧軸向推力在焊件上表現(xiàn)為電磁靜壓力2.電磁收縮力的作用2、等離子流力 F推

12、引起的高溫氣體流（等離子流）所形成的力叫等離子流力作用： 1）促進(jìn)熔滴過(guò)渡2）導(dǎo)致指狀熔深分布：軸線處大，周邊小等離子流力等離子流力的分布FPFF斑Fmg斑點(diǎn)力3、斑點(diǎn)力1.斑點(diǎn)力定義：壓力2.由以下三部分組成,陰極斑點(diǎn)力大于陽(yáng)極斑點(diǎn)力的主要原因1）帶電粒子撞擊力陰：A+撞擊 大陽(yáng)：e撞擊：小2）蒸發(fā)反力陰：T高，電流密度大，力大陽(yáng)：T低力小3.斑點(diǎn)力的應(yīng)用 二）、影響因素1、電弧電流及電壓電流增大，電弧力增大；電壓增大，電弧力減小。 2、W極或焊絲直徑 直徑越小，力越大 3、極性 ：TIG焊時(shí)，DCSP大；而MIG焊正好相反。4、氣體介質(zhì)導(dǎo)熱好，易解離的氣體，電弧力，特別是斑點(diǎn)力較大。三）、

13、焊接電弧的穩(wěn)定性1.焊接電弧穩(wěn)定性的定義2.影響焊接電弧穩(wěn)定性的因素焊接電源焊條藥皮或或焊劑焊接電流磁偏吹磁偏吹1、偏吹：電弧因周?chē)帕€不對(duì)稱而偏向一側(cè)的現(xiàn)象.偏向：磁力線疏的一側(cè)2、引起磁偏吹的原因1）導(dǎo)線接法不合適2）鐵磁性物質(zhì)3）交流電弧的磁偏吹較小原因：（1）渦流，渦流磁場(chǎng)低消原磁場(chǎng)（2）電弧偏吹運(yùn)動(dòng)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而交流電弧的不均恒磁場(chǎng)以50Hz的頻率變化。 +-+-電流+F左F右磁偏吹+-+-電流+F左F右接線位置引起的磁偏吹+-+-+-+-電流+F左F右磁性物質(zhì)引起的磁偏吹-+1-21-2焊絲的加熱及熔化焊絲的加熱及熔化一）、加熱熱源：一）、加熱熱源：（一）電弧熱極區(qū)產(chǎn)熱焊絲接陰極

14、時(shí)：Pk=I（Uk-Uw-UT）I（Uk-Uw）UT很小，大概只有1V左右。 焊絲接陽(yáng)極時(shí)：PA=I（UA+Uw+UT）IUw UA很小，可忽略。第二節(jié)第二節(jié) 焊絲的加熱及熔滴過(guò)渡焊絲的加熱及熔滴過(guò)渡LHLs電源送絲輪導(dǎo)電嘴la（二）干伸長(zhǎng)度上的電阻熱干伸長(zhǎng)度：焊絲伸出導(dǎo)電嘴之外的長(zhǎng)度LsPR=I2 RS =Ls/S影響因素：1）鋼焊絲的PR大，因此干身長(zhǎng)度的電阻熱之影響較大；鋁、銅PR小2）Ls越大，dS越小，則PR越大（三）總熱源P = Pa + PR= I（Um+IRs）式中：焊絲接陰極時(shí)，Um=（Uk-Uw）焊絲接陽(yáng)極時(shí)，Um=Uw二）、影響熔化速度、熔化系數(shù)的因素（一）基本概念熔化速

15、度m：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)焊絲的熔化量。 單位：g/s cm/s熔化系數(shù)m：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，由單位電流所熔化的焊絲量（長(zhǎng) 度，重量）單位：g/A.S Cm/A.Sm= m /I1.電流流過(guò)導(dǎo)體的熱量除了與（電流流過(guò)導(dǎo)體的熱量除了與（ ）外還）外還與電流強(qiáng)度平方成正比與電流強(qiáng)度平方成正比A導(dǎo)體電阻及通電時(shí)間成正比導(dǎo)體電阻及通電時(shí)間成正比 B電容強(qiáng)電容強(qiáng)度成反比度成反比C電感強(qiáng)度成正比電感強(qiáng)度成正比 D電感強(qiáng)度成反比電感強(qiáng)度成反比2.（ ）是描述磁場(chǎng)在空間分布的物理量）是描述磁場(chǎng)在空間分布的物理量A磁阻磁阻 B磁通磁通 C磁場(chǎng)磁場(chǎng) D磁勢(shì)磁勢(shì)3.空氣電離后由（空氣電離后由（ ）組成）組成A 電子和正離子電子和正

16、離子 B原子原子 C分子分子 D中性粒中性粒子子4.在焊接電弧中陰極發(fā)射的電子向（在焊接電弧中陰極發(fā)射的電子向（ ）區(qū)移動(dòng)區(qū)移動(dòng)A陰極陰極 B陽(yáng)極陽(yáng)極 C焊件焊件 D焊條端頭焊條端頭5.焊接時(shí)，陰極表面溫度很高，陰極中的焊接時(shí)，陰極表面溫度很高，陰極中的電子運(yùn)動(dòng)速度很快，當(dāng)電子的動(dòng)能大于陰電子運(yùn)動(dòng)速度很快，當(dāng)電子的動(dòng)能大于陰極內(nèi)部正電荷的吸引力時(shí)，電子即沖出陰極內(nèi)部正電荷的吸引力時(shí)，電子即沖出陰極表面，產(chǎn)生（極表面，產(chǎn)生（ ）A熱電離熱電離 B熱發(fā)射熱發(fā)射 C光電離光電離 D電場(chǎng)發(fā)射電場(chǎng)發(fā)射6.手弧焊時(shí)與電流在焊條上產(chǎn)生的電阻熱手弧焊時(shí)與電流在焊條上產(chǎn)生的電阻熱無(wú)關(guān)的是（無(wú)關(guān)的是（ ）A焊條長(zhǎng)

17、度焊條長(zhǎng)度 B焊條金屬的電阻率焊條金屬的電阻率 C電流強(qiáng)電流強(qiáng)度度 D藥皮類(lèi)型藥皮類(lèi)型1A 2B 3A 4B 5 B 6.D（四）爆破力熔滴爆破時(shí)，爆破力指向四面八方，即促進(jìn)過(guò)渡，又導(dǎo)致飛濺 爆破力一一、焊縫形成過(guò)程焊縫形成過(guò)程加熱加熱熔化熔化化學(xué)冶金化學(xué)冶金凝固凝固固態(tài)相變固態(tài)相變形形成焊縫成焊縫1.熔池的基本概念熔池的基本概念 由母材上熔化的金屬（焊絲、工件）組成的、具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬叫熔池。引弧后。經(jīng)過(guò)一過(guò)渡期后，熔池穩(wěn)定，形狀不再發(fā)生變化。熔池的形狀為一半橢球形。2.影響熔池的形狀及體積的因素影響熔池的形狀及體積的因素對(duì)于一定的焊件：電弧的熱作用熔池體積 電弧對(duì)熔池作用力熔池形

18、狀 1.3 母材熔化與焊縫成形母材熔化與焊縫成形電弧靜壓力及動(dòng)壓力：電弧靜壓力及動(dòng)壓力：Fp、Fc均指向熔池，使之洼凹陷，熱源下移，有利于增大H。MIG焊時(shí)的Fp易于導(dǎo)致指狀熔深。細(xì)熔滴的沖擊力：細(xì)熔滴的沖擊力：使熔凹陷，增大S，易于導(dǎo)致指狀熔深熔池金屬的重力：熔池金屬的重力：其大小正比于熔池體積。FP及FC電弧力細(xì)熔滴的沖擊力表面張力表面張力在F的作用下，液金從小的地方向大原地方流。驅(qū)動(dòng)力：體系表面自由能的減少。影響換熱及潤(rùn)濕角，從而影響焊縫的形狀及表面輪廓。1）如： 0drd則表面液態(tài)金屬由中心向四周流，熔池淺而寬。 2）如： 0drd表面液金從四周向中心流，使熔池深而窄。熔池表面熔池表面

19、及內(nèi)部0drd0drd3. 熔池形狀對(duì)焊縫結(jié)晶過(guò)程的影響熔池形狀對(duì)焊縫結(jié)晶過(guò)程的影響結(jié)晶方向：垂直于熔池的池壁。結(jié)晶方向：垂直于熔池的池壁。n 成形系數(shù)過(guò)小易產(chǎn)生裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。n熔池尾部越細(xì)，焊縫產(chǎn)生雜質(zhì)偏析和裂紋的傾向越大。二二、焊縫形狀參數(shù)及其與焊縫質(zhì)量的關(guān)系焊縫形狀參數(shù)及其與焊縫質(zhì)量的關(guān)系基本參數(shù)有：h、c、S1、熔深S：Sweld=Spool，2、熔寬c：cweld=cpool3、余高h(yuǎn) ：一般規(guī)定： h =03mm或c/h48AHAmAmAHcShAmSchAHAmScAHAm5、熔合比：母材金屬在焊縫中的含量HMMAAA調(diào)整熔合比可調(diào)整焊縫化學(xué)成分，改善性能。 一般通過(guò)開(kāi)坡口來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4、 =c/h被稱為余高系數(shù)； =c/S被稱為焊縫成形系數(shù)意義：1）影響氣孔敏感性2）影響結(jié)晶方向3）影響中心偏析大時(shí)較有利，一般應(yīng)大于1.25三三、焊接工藝參數(shù)對(duì)、焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響焊縫成形的影響（一）焊接電流IaIa增大，S增大，h增大，c基本不變1、IaFa熱源下移 S S=km I S 2、Ia增大，電弧分布半徑 不 增大但潛入工件深度大，限制r有效增大，c基本不變。3、Ia，焊絲熔化量增加，c不變， h（二）電弧電壓Ua q增加不多， 增大，因此，c增大，S、h 減小。通常，Ia選定后，Ua也基本上定下來(lái)了。總是根據(jù)板厚選Ia，再由Ia選定Ua。r （三