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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:10nm10m因此:采取必要的措施。d氧化物三、焊接的分类焊接熔化焊: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)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。A+e+-电弧UaIa电弧放电辉光放电暗放电暗放电自持放电非自持放电UI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(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:A→A++e二次电离:A+→A+++en次电离:A(n-1)+→An++eA++Ae2、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。AA+A-eAAeheUi4、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+、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++e→A+WiA++A—→2A+WiA-Ae+A-+AAe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UAUCUK阳极区阴极区弧柱-+10-510-6cm10-210-4cm(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IeI=IA++Ie其中:IA+=0.1%IIe=99.9%I3、特点:1)电中性;2)E小、Ua小IA+IeI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=0.999I2)接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I2、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Vk3、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0.999Ic)特点:(1)阴极附近存在—正电荷区—阴极区(2)fe0.999IfA+0.001I(3)阴极区断面收缩(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,UkUiB、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=0.999I2)产生弧柱区所需要的正离子流IA+=0.001I2、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0b)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、镁及其合金的焊接是非常重要的,见后面的阴极雾化作用。---焊接方向-+AAB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ErR*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UaIa小电流TIGTIGSAWMMAMIGMAGIaUa电弧放电辉光放电暗放电暗放电自持放电非自持放电UaIaL2L1L2L1纯ArAr+20%H2UaIa电离电压Ar15.7eVH13.5eVH215.5eV弧长影响物理性能:热分解、导热系数§1-2焊接电弧的产热及温度分布一)、焊接电弧的产热机构(一)弧柱的产热机构电能→热能1、本质:A+、e在电场作用下被加速、使其动能增大的过程。其宏观表现即为温度上升→产热由于运动速度,自由程度不同,A+、e得到的能量不同,TA+、Te、TA有可能不同。电子动能:定向运动动能—Ie散乱运动动能—热运动,表现为热能。2、产热量Pc=IaUa主要用于散热损失—对流、幅射、传导。3影响因素不仅取决于电流。凡是影响Ua的因素均影响弧柱的产热。(二)阴极区的产热1本质:产生电子、接受正离子的过程中有能量变化,这些能量的平衡结果就是产热,由三部分组成:1)电子逸出阴极时消耗能量:-IUw2)电子进入弧柱前被电场(Ek)加速得到一部分能量:+IaUk3)电子进入弧柱时带走的能量:-IUT(温度等效电压)2、产热公式Pk=I(Uk-Uw-UT)3、作用:用于加热阴极(三)阳极区的产热机构1、本质:接受电子、产生A+过程中伴随的能量转换,由三部分组成:1)e被UA加速所得到的能量:+eUA2)电子带来的逸出功:+IUw3)电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IUw2、产热公式PA=I(UA+Uw+UT)3、作用用于加热阳极二)、焊接电弧的热效率及能量密度(一)电弧总产热Pa=PC+PA+PK=I(UC+UK+UA)=IaUa(二)有效功率、热效率系数1有效功率:用于加热工件和焊丝的功率QE2热效率系数:=QE/Pa3影响的因素:1)焊接方法:TIG焊低、MIG、SAW高2)焊接规范:3)外部条件(三)能量密度1单位有效加热面积上的热功率,单位为w/cm22功
本文标题:焊接方法与设备-课件
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