材料成形工藝：第10章 金屬連接成形的主要工藝

1、1第四篇 金屬連接成形工藝材料連接的方法及其基本特征焊接技術(shù)： 將兩種或兩種以上的（同種或異種）材料通過原子之間的結(jié)合造成永久性連接的工藝過程。焊接與機械連接（如鉚接）和粘接的差異： 被連接的材料不僅在宏觀上建立了永久性的聯(lián)系，而且在微觀上建立了組織之間的內(nèi)在聯(lián)系。焊接技術(shù)的主體內(nèi)容： 應(yīng)涵蓋釬焊、熔化焊接和固相焊接三部分。2三類焊接技術(shù)特征的對比方法母材受熱填充材料熱源壓力接頭拆卸性結(jié)合特征熔化焊熔化有或無外加無不可拆卸冶金結(jié)合固相焊不熔化無內(nèi)部或外加有不可拆卸冶金結(jié)合釬焊不熔化有外加無部分可拆卸冶金結(jié)合34焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點（1）接頭構(gòu)造合理，接頭工作效能高。 接頭工作效能=接頭破壞強度/基本

2、材料斷裂強度100%.（2）節(jié)省金屬、重量輕567方案凈重T毛重T消耗鋼材T占用機床H成本對比%整鍛47.31102001400100鑄焊47.366132130070.6鑄焊47.353102100050.3（3）水密性好和氣密性好（4）厚度無限制（5）設(shè)計簡單（6）制造周期短8（1）整體性強（2）殘余應(yīng)力與變形（3）性能不均勻（4）制造工藝對結(jié)構(gòu)性能有重大影響（5）材料對成形各種缺陷的敏感性焊接結(jié)構(gòu)的特點9 第10章: 金屬連接成形的主要工藝 第11章: 焊接新技術(shù)及相關(guān)技術(shù) 第12章: 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計 第13章: 焊接成形件的缺陷及檢測 第四篇 金屬連接成形工藝10第10章 金屬

3、連接成形的主要工藝重點:1. 電弧焊2. 電阻焊 第四篇 金屬連接成形工藝11 電弧焊Arc welding第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 帶點粒子的產(chǎn)生：氣體電離和陰極發(fā)射陰極斑點12一、焊接電弧物理基礎(chǔ)1. 電弧的導電特性 焊接電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導電過程。一般情況下，氣體是良好的絕緣體其分子和原子都處于電中性狀態(tài)。要使兩電極之間的氣體導電，必須具備兩個條件：兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有電場。第10章 金屬連接成形的主要工藝 13第10章 金屬連接成形的主要工藝 14采用一定的物理方法，改變兩電極間氣體粒子的電中性狀態(tài)，產(chǎn)生帶電荷的粒

4、子，帶電粒子在電場的作用下運動，即形成電流使兩電極之間的氣體空間成為導體，產(chǎn)生氣體放電。氣體放電隨電流的強弱而有不同的形式，如暗放電、輝光放電、電弧放電等。第10章 金屬連接成形的主要工藝 15 Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics第10章 金屬連接成形的主要工藝 與其他氣體放電形式相比，電弧放電的主要特點是電流最大、電壓最低、溫度最高、發(fā)光最強。162 . 電弧中帶電粒子的產(chǎn)生電弧兩極間帶電粒子的來源： 中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、負離子形成等。其中氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個基本物理過程。同時還存在其它過程:解離、激發(fā)、擴散

5、、復合等。第10章 金屬連接成形的主要工藝 17(一) 氣體的電離(1)電離與激勵 定義：在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程。實質(zhì)：中性氣體粒子吸收足夠的外部能量，使分子或原子中的電子脫離原子核束縛而成為自由電子和正離子的過程。第一電離能，第二電離能，依此類推。第10章 金屬連接成形的主要工藝 18氣體的電離電壓的大小反映了帶電粒子產(chǎn)生的難易程度。電離電壓低-帶電粒子容易產(chǎn)生 有利于電弧導電電離電壓高-帶電粒子難以產(chǎn)生 電弧導電困難第10章 金屬連接成形的主要工藝 19第10章 金屬連接成形的主要工藝 氣體粒子電離電壓/V氣體離子電離電壓/HHeLiCNOFNaC

6、lArKCaNiCrMoCsFe13.524.5(54.2)5.4(75.3;122)11.3(24.4;48;65.4)14.5(29.5;47;73;97)13.5(25;55;77)17.4(35;63;87;114)5.1(47;50;72)13(22.5;40;47;68)15.7(28;41)4.3(32;47)6.1(12;51;67)7.6(18)7.7(20;30)7.43.9(33;35;51;58)7.8(16;30)WH2C2N2O2Cl2CONOOHH2OCO2NO2AlMgTiCu8.015.41215.512.21314.19.513.812.613.7115.9

7、67.616.817.68括號內(nèi)數(shù)值依次為二次,三次,電離電壓常見氣體粒子的電離電壓20當中性氣體粒子受外加能量作用而不足以使其電離時，但可能使其內(nèi)部的電子從原來的能級躍遷到較高的能級，這種現(xiàn)象稱為激勵。使中性粒子激勵所需要的最低外加能量叫做激勵能，單位為V，稱為激勵電壓。常見氣體粒子的激勵電壓第10章 金屬連接成形的主要工藝 元素激勵電壓/V元素激勵電壓/V元素激勵電壓/VHHeNeArNO10.219.316.611.62.42.0KFeCuH2N2O21.64.431.47.06.37.9COCO2H2OCsCa6.23.07.61.41.921受激勵的電子沒有脫離原子的束縛 粒子呈中性

8、受激勵的粒子處于不穩(wěn)定狀態(tài) 穩(wěn)定狀態(tài)時間短約為：10-2-10-8s 激勵狀態(tài)的粒子有兩種出路又轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，伴隨著這個過程能量以輻射光的形式釋放出來 電弧輻射光接受外部能量電離第10章 金屬連接成形的主要工藝 22電離的種類：熱電離場致電離光電離電離度：電弧內(nèi)單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值X=電離的粒子密度/電離前中性粒子密度第10章 金屬連接成形的主要工藝 23(2)電離種類 1）熱電離氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生電離的過程稱為熱電離。它實質(zhì)上是由于氣體粒子的熱運動形成頻繁而激烈的碰撞產(chǎn)生的一種電離過程。熱電離的電離度與溫度、氣體壓力及氣體的電離電壓有關(guān)。第10章 金屬連接

9、成形的主要工藝 24電離度與材料、溫度之間的關(guān)系第10章 金屬連接成形的主要工藝 25當電弧空間存在電離電壓（或激勵電壓）不同的多種氣體時，在外加能量的作用下，電離電壓（或激勵電壓）低的氣體粒子先被電離（或激勵），若這種氣體的量足以維持電弧的穩(wěn)定燃燒，則整個電弧燃燒所需要的能量主要取決于這個較低的電壓。因而電弧所要求的外加能量就比較低。意義：穩(wěn)弧劑的作用.第10章 金屬連接成形的主要工藝 26Fe電離電壓為7.8V,K電離電壓為4.3V第10章 金屬連接成形的主要工藝 27基本規(guī)律：溫度壓力電離電壓電離度帶電粒子數(shù)電弧穩(wěn)定性第10章 金屬連接成形的主要工藝 28 2)場致電離在兩電極間的電場作

10、用下，氣體中的帶電粒子將加速，電能將轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動能。當帶電粒子的動能增加到一定數(shù)值時，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使之產(chǎn)生電離，這種電離稱為場致電離?；≈臏囟纫话阍?000-30000K之間，而電場強度僅為10vcm左右，所以在弧柱區(qū)熱電離是產(chǎn)生帶電粒子的主要途徑，電場作用下的電離則是次要的。在電弧的陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)電場強度可達105107v/cm，遠高于弧柱區(qū)，因而會產(chǎn)生顯著的場致電離現(xiàn)象。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 293)光電離。中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。 焊接電弧的光輻射只可能對K、Na、Ca、Al等金屬蒸氣直接引起光電離，而對

11、焊接電弧氣氛中的其他氣體則不能直接引起光電離。因此，光電離只是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一種次要途徑。第10章 金屬連接成形的主要工藝 30(二) 陰極電子發(fā)射電離和陰極電子發(fā)射是電弧產(chǎn)生和維持不可缺少的必要條件。從陰極發(fā)射的電子，在電場的加速下碰撞電弧導電空間的中性氣體粒子而使之電離，這樣就使陰極電子發(fā)射充當了維持電弧導電的“原電子之源”。因此，陰極電子發(fā)射在電弧導電過程中起著特別重要的作用。第10章 金屬連接成形的主要工藝 31(1)電子發(fā)射與逸出功 陰極中的自由電子受到一定的外加能量作用時，從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。電子從陰極表面逸出需要能量，1個電子從金屬表面逸出所需要的最低外加能量

12、稱為逸出功(Aw)，單位是電子伏。因電子電量為常數(shù)e，故通常用逸出電壓(Uw)來表示，UwAwe，單位為V。逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。 幾種金屬材料的逸出功第10章 金屬連接成形的主要工藝 金屬種類WFeAlCuKCaMgAw/eW純金屬4.544.484.254.362.022.123.73表面有氧化物-3.923.93.850.461.83.31鎢極成分WW-CsW-BaW-ThW-Zr逸出功Aw/eW4.541.361.562.633.14鎢及其合金鎢極的逸出功32(2)電子發(fā)射的類型 根據(jù)外加能量形式的不同，電子發(fā)射可分為以下四種類型： 1)熱發(fā)射。陰極表面因受熱的作

13、用而使其內(nèi)部的自由電子熱運動速度加大，動能增加，一部分電子動能達到或超出逸出功時產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。熱發(fā)射的強弱受材料沸點的影響。當采用高沸點的鎢或碳作陰極時(其沸點分別為5950K和4200K)，電極可被加熱到很高的溫度(一般可達3500K以上)此時，通過熱發(fā)射可為電弧提供足夠的電子。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 33 2)場致發(fā)射。當陰極表面中間存在一定強度的正電場時，陰極內(nèi)部的電子將受到電場力的作用。當此力達到一定程度時電子便會逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象稱為場致發(fā)射。當采用鋼、鋼、鋁等低沸點材料作陰極(冷陰極)時(其沸點分別為3013K、2868K和2770K)，陰

14、極加熱溫度受材料沸點限制不可能很高，熱發(fā)射能力較弱，此時向電弧提供電子的主要方式是場致發(fā)射電子。實際上，電弧焊時純粹的場致發(fā)射是不存在的，只不過是在采用冷陰極時以場致發(fā)射為主，熱發(fā)射為輔而已。第10章 金屬連接成形的主要工藝 343)光發(fā)射。當陰極表向受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子能量達到逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要地位。第10章 金屬連接成形的主要工藝 354)粒子碰撞發(fā)射。電弧中高速運動的粒子（主要是正離子）碰撞陰極時把能量傳遞給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。第10章 金屬連接成形的主要工藝 36電弧導電過程中，在產(chǎn)生

15、帶電粒子的同時，伴隨著帶電粒子的消失過程。在電弧穩(wěn)定燃燒時，二者是處于動平衡狀態(tài)的。帶電粒子在電弧空間的消失主要有擴散、復合兩種形式和電子結(jié)合成負離子等過程。第10章 金屬連接成形的主要工藝 373. 焊接電弧的構(gòu)成及其特性第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 焊接電弧的構(gòu)成38第12章 : 金屬連接成形的主要工藝 陽極區(qū)和陰極區(qū)占整個電弧長度的尺寸皆很小，約為10-210-6cm，故可近似認為弧柱長度即為電弧長度。電弧的這種不均勻的電場強度分布，說明電弧各區(qū)域的電阻是不同的，即電弧電阻是非線性的。39(2) 焊接電弧的導電特性1) 弧柱區(qū)的導電特性弧柱溫度：500050000K弧柱呈電中性弧

16、柱是包含大量電子、正離子等帶電粒子和中性粒子聚合在一起的氣體狀態(tài)，被稱為電弧等離子體。弧柱電阻較小第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 40電弧等離子體雖然對外呈現(xiàn)電中性，但由于其內(nèi)部有大量電子和正離子等帶電粒子，所以具有良好的導電性能。帶電粒子在電場的作用下運動，就形成了弧柱中的電流?；≈械碾娏饔上蜿帢O運動的正離子流和向陽極運動的電子流組成。由于電子和正離子在同一電場中所受的電場力相同，而電子的質(zhì)量正離子的速度，因此弧柱中的電流主要由電子流構(gòu)成。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 41第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 42弧柱電場強度（E）：弧柱單位長度上的電壓降意義：E的大小表征電

17、弧弧柱的導電能力。 顯然，當弧柱中通過大電流時，電離度提高，E值將減少。電場強度E與電流I的乘積EI，相當于電源供給每單位弧長的電功率，它與弧柱的熱損失相平衡。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 43第10章 : 金屬連接成形的主要工藝影響弧柱電場強度的因素弧柱氣體介質(zhì)（H2、He；單元子、多原子）弧柱的熱損失（強迫氣流冷卻等）44由此可見：電場強度E的大小與電弧的氣體介質(zhì)有關(guān)；E的大小將隨弧柱的熱損失情況而自行調(diào)整?；≈诜€(wěn)定燃燒時，有一種使自身能量消耗最小的特性。當電流和電弧周圍條件(如氣體介質(zhì)種類、溫度、壓力等)一定時，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動選擇一個確定的導電截面使電弧的能量消耗最小。當

18、電弧長度也為定值時，電場強度的大小即代表了電弧產(chǎn)熱量的大小。因此，能量消耗最小時的電場強度最低，即在固定弧長上的電壓降最小，這就是最小電壓原理。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 452) 陰極區(qū)的導電特性陰極區(qū)是指靠近陰極的很小一個區(qū)域，在電弧中，它有兩方面的作用：陰極區(qū)接收正離子，發(fā)射電子由于電極材料種類及工作條件(電流大小、氣體介質(zhì)等因素)不同，陰極區(qū)的導電形式和特性也不同。熱發(fā)射型和電場發(fā)射型第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 461熱發(fā)射型熱陰極,大電流時 ,陰極區(qū)可加熱到很高的溫度。 陰極主要靠熱發(fā)射提供電子流來滿足弧柱導電的需要。 如果陰極通過熱發(fā)射可提供足夠數(shù)量的電子，則弧

19、柱區(qū)與陰極之間不再存在陰極壓降區(qū)，陰極區(qū)的電流密度與弧柱區(qū)也相近。熱陰極：與冷陰極相對。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 47電子帶走的熱量的補充途徑正離子的碰撞正離子的復合，放出電離能電阻熱大電流鎢極電弧焊時，這種熱發(fā)射型導電占主導地位。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 482電場發(fā)射型（冷陰極或者熱陰極小電流）電荷過剩 正電場 場致發(fā)射 電子加速 場致電離 形成電流正離子的作用正電場撞擊陰極，加強熱發(fā)射第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 49冷陰極中存在熱發(fā)射和場發(fā)射，其所占的份額受以下因素影響電極種類（沸點高或逸出功小，熱發(fā)射主導，陰極壓降?。╇娏鞔笮。娏鞔?，熱發(fā)射主導，陰極

20、壓降?。怏w介質(zhì)（不易于電離，熱發(fā)射主導，陰極壓降?。┑?0章 : 金屬連接成形的主要工藝 50陰極斑點 陰極表面通?？梢杂^察到發(fā)出爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陰極斑點，它是發(fā)射電子最集中的區(qū)域，即電流最集中流過的區(qū)域。陰極斑點的形態(tài)與陰極的類型有關(guān)。熱陰極：斑點固定 W C冷陰極：斑點不規(guī)則移動 Cu Fe Al由于金屬氧化物的逸出功比純金屬低，因而氧化物處容易發(fā)射電子。第10章 金屬連接成形的主要工藝 51氧化物發(fā)射電子的同時自身被破壞，因而陰極斑點有清除氧化物的作用。陰極表面某處氧化物被清除后另一處氧化物就成為集中發(fā)射電子的所在。于是，斑點游動力圖尋找在一定條件下最容易發(fā)射電子的氧化物。如果

21、電弧在惰性氣體中燃燒，陰極上某處氧化物被清除后不再生成新的氧化物，陰極斑點移向有氧化物的地方，接著又將該處氧化物清除。這樣就會在陰極表面的一定區(qū)域內(nèi)將氧化物消除干凈，顯露出金屬本色。這種現(xiàn)象稱為“陰極清理”作用或“陰極破碎”作用。在鋁合金焊接中作用最為明顯第12章 金屬連接成形的主要工藝 523) 陽極區(qū)的導電特性陽極區(qū)是指靠近陽極的很小一個區(qū)域，在電弧中主要是接受弧柱區(qū)送來的電子流，同時間弧柱區(qū)提供所需要的正離子流。陽極斑點第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 531陽極區(qū)導電形式陽極不能發(fā)射正離子，弧柱所需要的正離子流是由陽極區(qū)的電離提供的。由于條件不同，陽極區(qū)的導電形式有兩種： (a)陽

22、極區(qū)的場致電離 當電弧電流較小時，陽極前面的電子數(shù)必將大于正離子數(shù)形成負的空間電場，并使陽極與弧柱之間形成一個負電性區(qū)陽極區(qū)。只要弧柱的正離子得不到補充這個負電場就繼續(xù)增大。陽極區(qū)內(nèi)的帶電粒子被這個電場加速，使其在陽極區(qū)內(nèi)與中性粒子碰撞產(chǎn)生場致電離，直到這種電離生成的正離子能滿足弧柱需要時，陽極區(qū)的電場強度才不再繼續(xù)增大。電離生成的正離子流向弧柱，產(chǎn)生的電子流向陽極。這種導電方式中陽極區(qū)壓降較大。第10章: 金屬連接成形的主要工藝 54(b)陽極區(qū)的熱電離 當電弧電流較大時，陽極的過熱程度加劇，金屬產(chǎn)生蒸發(fā)，陽極區(qū)溫度也大大提高。陽極區(qū)內(nèi)的電離方式將由金屬蒸氣的熱電離取代高能量電子的碰撞產(chǎn)生的

23、場致電離，完成陽極區(qū)向弧柱提供正離子流的作用。這種情況下陽極區(qū)的壓降較低。大電流鎢極氬弧焊時屬于這種陽極區(qū)導電機構(gòu)。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 552陽極斑點在陽極表面可看到爍亮的區(qū)域，這個區(qū)域稱為陽極斑點；弧柱中送來的電子流，集中在此處進入陽極，再經(jīng)電源返回陰極。陽極斑點的電流密度比陰極斑點的小，它的形態(tài)與電極材料及電流大小有關(guān)。由于金屬蒸氣的電離電壓比周圍氣體介質(zhì)的低，因而電離易在金屬蒸汽處發(fā)生。成為陽極導電區(qū)。在大氣或氧化性氣氛中燃燒的電弧，由于金屬陽極有氧化物存在，而一般金屬的熔點與沸點皆低于金屬氧化物的熔點和沸點，所以純金屬處比金屬氧化物處更容易產(chǎn)生蒸發(fā)。陽極斑點使會自動尋

24、找純金屬而避開氧化物，因而在陽極表面跳躍移動.第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 56Fig.12-4 Volt-ampere Characteristics of welding arc在焊接電弧穩(wěn)定燃燒的情況下,電弧電壓和電流之間的關(guān)系.（3）焊接電弧的靜特性第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 影響因素:電弧長度;周圍氣體種類;周圍氣體介質(zhì)壓力57電弧靜特性的3個階段，并不是各種電弧中都能夠表現(xiàn)出來，還受到電弧形態(tài)和電極的條件的影響。GTA焊接的靜特性一般可以明顯的表現(xiàn)出3個區(qū)段特性第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 58GMA焊接由于通常采用較細的電極焊絲，可使用的電流一般在中等數(shù)

25、值以上，電弧多呈現(xiàn)圓錐形，等離子氣流作用強烈，靜特性一般呈現(xiàn)上升特性。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 59SAW電弧埋在焊劑層的下邊，受到焊劑層的覆蓋，電弧的熱損失小，且沒有等離子氣流的存在，一般使用較粗的焊絲大電流焊接，一般為下降特性。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 60Fig.12-5 Volt-ampere Characteristics of power sources（4）焊接電源的動特性 在穩(wěn)定狀態(tài)下弧焊電源的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系. 電弧穩(wěn)定燃燒的條件 平-降 or陡降 ;升 -平 第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 614.焊接電弧中的能量平衡電能(thro

26、ugh arc) 熱能和光能 弧柱區(qū) (1) 產(chǎn)熱: Kinetic energy of e heat energy (2) 特點: i) Heat energy=IELc ii) producing Heat = losing Heat a) radiation b) conduction c) convection第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 62 陰極區(qū) 產(chǎn)熱: eunder UkIUk 熱損: i)eemissionIUw ii)eto columnIUT 能量平衡: Pk=I(Uk-Uw-UT) 陽極區(qū) 能量分量: i)eunder UAI UA ii)efrom KIUw

27、iii)efrom column IUT能量平衡: PA=I(UA +Uw+UT)第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 63討論: UT=(3/2e)KT=1.2910-4T If T=6000K then UT1; For I UA0 Thus: Pk=I(Uk-Uw), PA=IUw 應(yīng)用: 1)熱陰極 Uk2Uw: Pk Uw: Pk PA第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 64 能量和溫度分布 能量密度:102104w/cm2 電流密度 cathode: 1061010A/ m2 anode: 106 109A/ 溫度分布: different from those of energ

28、y density and current densityEnergy and Temperature Distribution第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 65二、埋弧焊埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，由于電弧掩埋在焊劑下燃燒，弧光不外露，因此稱為埋弧焊，該方法都為自動焊接方法，因此，該方法又稱為焊劑層下自動電弧焊或埋弧自動焊。第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 66Fig.12-6 The submerged arc welding process 第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 67SAW film第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 681) 埋弧焊的特點、應(yīng)

29、用獨特的電弧型式;焊接質(zhì)量優(yōu)良;工作條件好;生產(chǎn)效率高;多絲更好的調(diào)節(jié)靈敏性;Arc form第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 69應(yīng)用領(lǐng)域: 適用于大型焊件的制造; 用于造船和大型建筑,鐵路機車和管道建設(shè); 用于碳鋼,合金鋼,不銹鋼,耐熱鋼,鎳基合金,銅合金的焊接; 用于堆焊; 1.5mm;第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 70 弱點: 僅平焊位置 不適用于鑄鐵，奧氏體錳鋼，高碳工具鋼，鋁，鎂及合金第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 71）埋弧焊的焊劑、焊絲及其選配（）焊劑具有良好的保護性能和冶金性能；氧，氮，氫；合金化具有良好的工藝性能穩(wěn)弧、造渣、成形、脫渣；重復使用分類熔煉、燒

30、結(jié)、粘結(jié)高錳、高硅、低氟第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 72(2) 焊絲實芯，1.6-6mm.碳鋼;合金結(jié)構(gòu)鋼;有色金屬;堆焊(3) 焊絲和焊劑與焊接鋼種的配合低碳鋼 高錳高硅低氟 H08MnA低合金高強鋼 中錳中硅低氟or低錳中硅低氟 低合金高強度鋼焊絲耐熱鋼,低溫鋼 中錳中硅不銹鋼 低錳高硅中氟第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 733）埋弧焊過程調(diào)節(jié)系統(tǒng)Automatic (Self-propelled):使用按紐,繼電器,電機和機械系統(tǒng). To achieve : i)起弧arc starting, ii)送絲wire feeding , iii)焊接小車的移動tractor

31、moving, iv)自動焊接welding and v)自動斷弧arc off(extinguishing) automatically第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 74Why automatic control in arc welding?外界干擾(i)外特性的變化（網(wǎng)壓波動）(ii)靜特性的變化【弧長波動（焊件不平、裝配不良、定位焊點、送絲速度不均勻）】弧長變化擾動影響最大使工作點波動造成焊接電流和電壓點波動第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 75熔化焊弧長自動控制系統(tǒng)分二類：1）實時調(diào)節(jié)焊接電源的輸出電流，改變焊絲熔化速度，控制弧長；利用電弧自身負反饋特性2）焊絲送進速度，

32、適應(yīng)焊絲熔化速度而保持弧長；弧壓反饋調(diào)節(jié)送絲速度第10章: 金屬連接成形的主要工藝 76(1)等速送絲埋弧焊自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Constant wire-feeding consumable arc welding) 原理: 電弧自身內(nèi)反饋 if: Lc Ua ,Ia Vm Lc(back) 等速送絲自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性: Vf=Vm (arc is stable) Vm=KiIakuUa Ia=Vf/Ki+（Ku/Ki ）Ua （ 12-1.2.3）第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 77等熔特性曲線(“C”) Fig.12-7a等熔特性: 1)Vf=Vm on the line 2)dw,lc

33、Ki,Ku: Ia=Vf/Ki(等電流曲線 圖中1) Ia is proportional to Vf 3) Vf“C” right I Le“C” left I dw“C”right I第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 78調(diào)節(jié)分析: In working point O0,Vf=VmO arc is stableO0 O1In point O1, Ia1Ia0;Ua1Vm0 For Vf=constantby self-adjusting effect, L1 L0, O1 O0(return)第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 79Ia 、Ua 的調(diào)節(jié)方法:“C”(Vf)Ia電源外

34、特性 Ua 第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 80 調(diào)節(jié)原理:Vf=f(Ua), laUaVfLaUa (back )調(diào)節(jié)特性: Vf=k(Ua-Uc)(2)電弧電壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)第10章: 金屬連接成形的主要工藝 81a straight line “A”系統(tǒng)靜特性:i) Vf=Vm on the lineii) Uc“A”,Uc“A” iii) dw,Le tg第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 82調(diào)節(jié)過程 Fig12-10bif l0 l1UaVf l feedback controlii) U,IVm1Vm0l self-adjusting第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 8

35、3調(diào)節(jié)器 i) 發(fā)電機- 電動機系統(tǒng) ii) 晶體管整流- 電動機系統(tǒng) 由電工原理: Vf=K(UaUc)調(diào)節(jié)器的輸入、輸出靜態(tài)特性方程第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 84Ia,Ua 調(diào)節(jié)方法:“A” Ua“電源外特性” IaThe system is not suitable for thinner wire第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 85第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 86第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 87三、熔化極氣體保護焊（GMAW） 1)MIG(Metal Inert Gas) 惰性氣體保護 2)MAG(Metal Active Gas) 活性氣體保護

36、重點: 1) 熔滴過渡 2) 混合氣體電弧焊 3) CO2氣體保護焊第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 883.1 原理: 1)氣體保護 2)熔化電極 3)自動送絲/電弧移動 4)特殊送絲和氣體送給系統(tǒng)Fig.12-17第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 893.1.2 種類和應(yīng)用: 1)種類 1)焊絲: 實芯和藥芯 2)保護氣體: CO2, 混合氣體MAG,和惰性氣體 MIG 2)應(yīng)用范圍 適應(yīng)各種金屬材料 適應(yīng)各種接頭形式 適應(yīng)任何位置第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 903.1.3 氣體選擇1)單一保護氣體 1) 惰性氣體: Argon, helium 2) 活性氣體: CO22

37、)混合保護氣體1) Ar+少量活性氣體: i)Ar+O2 (12%)or ii) Ar+ CO2 (15%)特點:第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 91 改善電弧穩(wěn)定性 (stable kathode spots) F防止咬邊和焊縫成型不良; 防止缺陷 用于黑色金屬焊接2) Ar+He 用于活性金屬, 如: Al, Ti,Mg及其合金3) Ar+CO2(15%)+O2(5%) 提高生產(chǎn)率且改善焊縫外型第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 92GMAW設(shè)備1)電源2)送絲系統(tǒng)3)焊槍4)程序控制系統(tǒng)5)程序周期 (Fig.4-7)第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 933.2 MIG 和

38、MAG 焊熔化極惰性氣體保護電弧焊性能: 電弧很穩(wěn)定; 金屬過渡方向性強; 基本無飛濺; (1)射流過渡 (streaming)MIG 焊 Condition: Ar or Argon-rich; IIC1; higher Ua with DCRP. 第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 94過程:Current VS drop transferFig.12-20Fig.12-21第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 I95(2)亞射流過渡(Meso-spray)MIG 焊形成條件: Al, Mg及其合金 等速送絲MIG 焊 有固有自調(diào)節(jié)特性，焊接過程穩(wěn)定，熔深一致。 電弧型式：蝶形第10章

39、: 金屬連接成形的主要工藝 963.3 CO2 氣體保護焊特點和應(yīng)用 :1) 基本特點i) 電弧型式: E ,lc ,弧根面積 (Fm/Fs)飛濺較大；（吸熱反應(yīng)，對電弧有熱壓縮作用 ）ii) 保護效果好； 氣體體積 iii)電流密度高(j) , m 熔深 ,生產(chǎn)率 ；iv) 焊縫質(zhì)量好 (低 H2 焊縫)，成本低，明?。籿) 全位置焊接.第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 97 2) 應(yīng)用 i) 材料: 低碳鋼 ,低合金高強鋼等黑色金屬, 不銹鋼有增碳現(xiàn)象； ii)方法: 自動與半自動 堆焊 點焊 窄間隙焊接 第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 98 iii) 冶金過程1)合金元素的氧化

40、 CO2 CO+O2 O2 2O CO2+Fe FeO+CO 2CO2+Si SiO2+2CO CO2+Mn MnO+CO Fe+O FeO Si+2O SiO2 Mn+O MnO C+O CO第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 992)脫氧和合金化2FeO+Si 2Fe+SiO2FeO+Mn Fe+MnOH2+CO2 CO+H2OH+CO2 CO+OHH+O OH第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 100過渡過程: dw( 1.6mm:0.8,1.0,1.2mm) Ia(80160A) Ua(short arc,18 24V)(1) 短路過渡(Short-circuiting trans

41、fer process)Fig.12-24第10章 :金屬連接成形的主要工藝 101i)頻率特征(f)Ld=Vf/f, If VfC, fLd Vd arc stableFig.12-25 Voltage Vs. f 第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 影響短路過渡頻率的因素：102Fig.12-27Fig.12-26第10章 : 金屬連接成形的主要工藝)動態(tài)特征103焊接參數(shù)選擇1) dw Ia UaL2) DCRPspatterpenetration and arc stable 3) di/dt=(U0-iR)/L(matches dw )4) 12.5+0.04IUIC1; high

42、er Ua with DCRP. 第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 127過程:Current VS drop transferFig.12-20Fig.12-21第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 I128(2)亞射流過渡(Meso-spray)MIG 焊形成條件: Al, Mg及其合金 等速送絲MIG 焊 有固有自調(diào)節(jié)特性，焊接過程穩(wěn)定，熔深一致。 電弧型式：蝶形第10章 : 金屬連接成形的主要工藝 1293.3 CO2 氣體保護焊特點和應(yīng)用 :1) 基本特點i) 電弧型式: E ,lc ,弧根面積 (Fm/Fs)飛濺較大；（吸熱反應(yīng)，對電弧有熱壓縮作用 ）ii) 保護效果好； 氣體體積 iii)電流密度高(j) , m 熔深 ,生產(chǎn)率 ；iv) 焊縫質(zhì)量好 (低 H2 焊縫)，成本低，明??；v) 全位置焊接.第10章