《焊接工程基础》教案

1第一章和第二章合并电弧焊基础知识焊接:通过适当的物理化学过程（加热或者加压，或者两者同时进行，用或不用填充材料）使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。二电弧的概念：电弧是在一定条件下电荷通过电极间气体空间的一种导电过程，或者说是一种气体放电现象。三电弧中带电粒子的产生：电弧是由两个电极和它们之间的气体空间组成。电弧中的带电粒子主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程所产生的，同时也伴随着解离、激励、扩散、复合、负离子的产生等过程。四电离与激励（一）电离：在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。电离的种类：1.热电离：高温下气体粒子受热的作用相互碰撞而产生的电离称为热电离。2.电场电离：带电粒子从电场中获得能量，通过碰撞而产生的电离过程称为电场作用下的电离。3.光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。（二）电子发射：金属表面接受一定的外加能量，自由电子冲破金属表面的约束而飞到电弧空间的现象。1、热发射金属表面承受热作用而产生的电子发射现象。热阴极：W、C电极的最高温度不能超过沸点；冷阴极：Fe,Cu,Al,Mg等。影响因素：温度、材质、表面形态2、电场发射：当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的自由电子受此电场静电库伦力的作用，当此力达到一定程度时，电子可飞出金属表面，这种现象称电场发射。对低沸点材料，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。影响因素：温度、材质、电场大小3、光发射：当金属表面接受光辐射时，也可使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的约束飞到金属外面来，这种现象称为光发射。4、粒子碰撞发射：高速运动的粒子（电子或离子）碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的自由电子，使其能量增加而跑出金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。在一定条件下，粒子碰撞发射是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。（三）.负离子形成在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子，形成过程中放出热量。表征形成负离子的能力，用电子亲和能表示。亲和能大，电弧气氛中形成的负离子就多，电弧的导电能力就差。负离子形成一般发生在电弧的外围温度低的区域，中性原子或分子捕获运动动能较低的电子。五、焊接电弧的构成及其导电特性（一）电弧的组成区域：阴极区10-4～10-6cm；弧柱区：阳极区10-2～10-3cm六阴极区的导电机构1.热发射型导电机构；2.电场发射型导电机构；3.等离子型导电机构七、1.阴极斑点：阴极通过微小的斑点发射电子，这些斑点上的电流密度很高，称为阴极斑点。电流密度：5×105～107A/cm2。形成阴极斑点的条件决定了焊接过程中一些现象的产生，即阴极表面上热发射性能强的物质有吸引电弧的作用；阴极斑点有自动跳向温度高、热收射强的物质上的性能。如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。2.阳极斑点：由于阳极斑点的形成条件之一是金属的蒸发，因此金属表面覆盖氧化膜时，同阴极斑点的情况相反，阳极斑点则有避开氧化膜而去自动寻找纯金属表面的倾向。八、电弧力1.电磁力：当电流在一个导体中流过时，整个电流可看成是由许多平行的电流线组成，这些电流线间将产生相互吸引力，使导体断面有收缩的倾向，这种收缩现象谓之电磁收缩效应，而作用的力称为电磁收缩力或电磁力。2.等离子流力：在电弧中由于电弧推力引起高温气流的运动所形成的力称为等离子流力。等离子流力除影响焊缝形状外，它它还有促进熔滴过渡、搅拌熔池、增加电弧的挺度等作用。3.斑点力：斑点力在一定条件下将阻碍焊条熔化金属的过渡。4.爆破力：熔滴短路过渡时由电磁收缩力及液柱小桥气化爆断引起，促进短路过渡，但会造成飞溅。5.细熔滴冲击力：富Ar气体射流过渡焊接时，熔化金属形成连续细滴沿焊丝轴向高速射向熔池，产生很大的冲击力，此力加上电磁力、等离子流力，极易造成指状熔深。九、电弧自身磁场的作用（一）是产生磁收缩力，促进熔滴过渡，保证一定的熔深，使电弧具有刚直性；影响因素：电流大小；气体介质压缩程度；电极形状（二）是在一定条件下，会带来磁偏吹现象，使电弧不稳定，影响焊接过程及焊缝成形。种类导线接线位置引起的磁偏吹（直流）电弧附近的铁磁物质引起的磁偏吹；剩磁引起的磁2偏吹交流电弧的磁偏吹解决办法：以交代直；短弧焊；工件消磁、避免周围铁磁物质；对于长和大的工件可采用两边连接地线的方法；选用厚皮焊条。十一、焊丝的熔化速度、熔化系数及影响因素（一）熔化速度：单位时间熔化焊丝的重量或长度（m/h；g/h）。（二）熔化系数：单位时间内通过单位电流时焊丝熔化的重量或长度（m/A·h;g/A·h）。影响因素焊接电流与电压电流极性保护气体介质电阻热十二、熔滴过渡概念：焊丝（条）端头的金属在电弧热作用下被加热熔化形成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝（条）进入熔池，称之为熔滴过渡。十三熔滴上的作用力（一）表面张力表面张力一方面使熔滴形成缩颈，另一方面是熔滴的主要维持力。1与材料成分有关2熔滴上有表面活化物质时，可以大大降低表面张力系数3与气体介质有关4与熔滴温度有关（二）重力：作用：平焊（推力）；立、仰焊（阻力）（三）电磁力：当dGdD易过渡;dGdD，构成斑点压力的一部分，会阻碍熔滴过渡。（四）等离子流力对过渡有利（五）斑点力：电磁收缩力；蒸气反作用力；粒子撞击力。（六）爆破力十四熔滴过渡主要形式及特点自由过渡是指熔滴脱离焊丝端部后，经过电弧空间自由运动一段距离后而落入熔池的过渡方式。接触过渡是焊丝端部的熔滴通过与熔池表面相接触而过渡到熔池中去渣壁过渡：熔滴是通过熔渣的空腔壁上或沿药皮套筒过渡到熔池中去。（一）滴状过渡1形态电弧弧根面积少，斑点力大。2形成原因推力：重力，等离子流力3阻力：表面张力，斑点力4形成条件：小电流，大弧压（二）喷射过渡：1形成条件：Ar或富Ar2主要形式射滴亚射流射流1.射滴过渡1）特点过渡熔滴的直径同焊丝直径相近，并沿焊丝轴线方向过渡到熔池中，过渡时的加速度大于重力加速度2）过渡力推力：电磁力、重力、等离子流力阻力：表面张力3）应用焊接方法:铝MIG，钢脉冲MIG2.射流过渡1）特点：熔滴体积小、过渡频率快，等离子流力大，粒子冲击力大，伴有“咝咝”声2）条件：富Ar，直流反接，II临（三）短路过渡采用较小电流和低电压焊接时，熔滴在未脱离焊丝端头前就与熔池直接接触，电弧瞬时熄灭短路，熔滴在短路电流产生的电磁收缩力及液体金属的表面张力作用下过渡到熔池中。短路过渡形式的电弧稳定，飞溅较小，成形良好，是目前薄板件和全位置焊接生产中常用的焊接方式。（四）渣壁过渡形成条件：涂料焊条手弧焊，埋弧焊十五熔敷效率和熔敷系数1过渡到焊缝中的金属重量与使用焊丝重量之比成为熔敷效率，用ηm表示。2熔敷系数是指单位时间、单位焊接电流内所熔敷到焊缝上的焊丝金属重量，用ay表示。十六飞溅电弧焊过程中，把飞到熔池外而损失掉的那部分焊丝熔化金属称之为飞溅。十七、焊缝和熔池的形状及尺寸（一）焊缝形状焊缝形状是指焊缝横截面的形状，一般以熔深B、熔宽H和余高a来表示。十八、焊接条件对焊缝成形影响：1电流主要确定熔深；2.电弧电压主要确定熔宽；3.焊接速度重要参数（二）其他因素的影响1.电流种类、极性熔化极焊直流反接时的H、B大，Pk大。TIG焊正接时H，B大，PA大2.焊丝直径和伸出长度：ф↓---电弧收缩F↑--H↑；B↓一般情况下，ф↓同时需提高UfL↑---Pm↑→αm↑→a↑第三章埋弧焊一1埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧，焊丝自动送进的电弧焊方法。2.特点:1）生产效率高2）焊缝质量高(气、渣联合保护）3）劳动条件好（无弧光辐射，自动化操作）4)适合于焊黑色金属和不易氧化的金属；厚板;长缝；平焊缝二焊剂的分类1按制造方式分：1）熔炼焊剂熔炼温度1500~1600℃2）烧结焊剂；2按熔渣碱度分1）酸性工艺性能好，交直流两用，焊缝韧性低2）中性性能介于酸碱性之间3）碱性反之；3熔炼焊剂分类：1）MnO（无、低、中、高）2）SiO2（低、中、高）3）CaF2（低、中、高）三常用埋弧焊技术:1焊前准备1.坡口设计及加工：δ14mm，可不开坡口；14δ22mm，开“V”坡口；22δ50mm，开“X”坡口。；另还有“U”、双面“U”形，因加工较难故用得较少。坡口加工：用刨边机或气割2焊前清理焊缝20毫米内的锈斑、油污、氧化皮清理干净四常见缺陷及防止办法：1.成形缺陷熔宽不均匀、余高大、咬边、未焊透、烧穿、熔池流淌32.冶金缺陷:1)气孔2)裂缝3)夹渣第四章熔化极气体保护电弧焊一、熔化极气体保护焊原理二依据焊丝结构分类：1实芯焊丝气体保护焊2药芯焊丝电弧焊;依据保护气体分类：1)惰性气体保护焊2）混合气体保护焊3CO2气体保护焊三、气体选择遵循的原则:1对焊缝性能无害原则2改善工艺及焊缝质量原则3提高工艺技术水平原则四熔滴过渡类型的选择：1MIG焊常用的熔滴过渡形式主要有连续射流过渡（包括射流过渡、亚射流过渡和旋转射流过渡）、脉冲射流过渡和短路过渡。2射流过渡主要用于中厚板和大厚板的水平对接及水平角接；脉冲射流过渡除可用于上述情况外，还可用于全位置焊接；3短路过渡一般用于薄板及全位置焊接五、焊缝起皱及解决办法：1在增大电流时，当阴极斑点在弧坑集中，引起电弧力剧增，从而将高温熔化金属由弧坑排挤到工件表面，形成未熔合和氧化、氮化。这种过程引起的焊缝表面焊接质量问题总称为焊缝起皱。2解决办法：1）减小焊接电流，减小电弧力2）压低电弧，减小阴极斑点的活动区3）加强气体保护，防止弧坑金属与工件表面金属氧化、氮化六1亚射流过渡的特点：短弧，碟状电弧，“啪啪”声，熔滴过渡频率减小，熔滴尺寸增大。2铝焊丝亚射流过渡重要特性：焊丝熔化系数随可见弧长的缩短而增大。3亚射流过渡焊接的特点弧长小，保护效果更好，阴极雾化作用更强。恒流外特性，焊缝成形均匀“碟形”电弧，“碗形”熔深七熔化极混合气体保护焊1、He比Ar热导率高，电弧电压高，价格高Ar+He电弧温度提高，射流→射滴，改善焊缝成形，提高焊缝致密度，尤其适于焊铝及其合金，铜及其合金和热敏感性强的高导热材料。2、Ar+O2Ar+1~5%O2—焊不锈钢、高合金钢，克服阴极漂移，射流过渡，指状熔深。Ar+20%O2—焊普低钢，提高电弧温度，改善指状熔深3Ar+CO2Ar+30%CO2：焊碳钢、普低钢，冲击韧性好，工艺性能好，克服了纯Ar阴极漂移、气孔、咬边、焊缝成形不良、指状熔深等问题。4Ar+CO2+O2Ar+15%CO2+5%O2：焊低碳钢、低合金钢，最佳的焊缝成形，接头质量，熔滴过渡和电弧的稳定性。5Ar+N2Ar+20%N2提高电弧功率，价廉，质量不如Ar+He存在飞溅、成形稍差。焊铜及其合金。6Ar+H2焊Ni及其合金Ar+6%H2，提高电弧功率，抑制CO气孔八CO2电弧焊的冶金特点：（一）合金元素氧化CO2＝CO＋1/2O2。1）、与CO2直接作用2）、与高温分解的原子氧作用。（二）脱氧措施及焊缝金属的合金化脱氧剂Al，Ti，Si，Mn等强化Si,Mn,Cr,Mo,V（焊缝低碳）。（三）气孔问题CO气孔—脱氧不足（形成原因？）。2N2气孔—保护不良。3H2气孔--污染。九、CO2焊接的飞溅控制:1.正确选择工艺参数1）最主要的I，U，避开混合过渡区2）选择合适的电感3）外伸长度4）焊枪角度5）气流量6）电源极性；42.采用混合气体应用于颗粒过渡中减少飞溅。主要是加入氩气，细化熔滴，改善电弧形态，降低E.3.选用先进的电源及送丝装置采用波形控制电源，能量控制，脉动送丝控制可显著降低飞溅.4.采用新型焊丝药芯焊丝、表面活化焊丝、特种合金钢焊丝，改善电弧形态，提高电弧稳定性，细化熔滴。十.药芯焊丝的结构:十一药芯焊丝电弧焊的技术经济特性1焊接生产率高2飞溅率低焊缝综合质量优良3焊接生产成本低4电弧扩散角增大第五章钨极氩弧焊一、1基本原理:以钨材料或钨的合金材料做电极，在惰性气体保护下进行的焊接.2.应用:无材料、位置的限制，一般适用于焊接板厚小于6mm的工件，或用于工