01_焊接基础知识

1第一章焊接基础知识§1－1概述焊接是金属材料连接的最基本方法之一，它具有低成本、永久性、可靠性高的特点。目前，焊接广泛应用于金属材料间的连接，并对所焊产品产生更大的附加值。焊接作为一种现代的先进主导制造工艺技术，正逐步集成到产品的主寿命过程，即从设计开发、工艺制定、制造生产，到运行服役、失效分析、维护、再循环等产品的各个阶段。焊接作为一种广泛的系统工程，大量应用于机械制造、电力建设、石油化工、交通运输设备、建筑工程、航天航空、电子器件、家用电器、医疗器械、通讯工程等众多领域。几乎有金属应用的地方，都有焊接现象。一、焊接装备焊接装备包括焊接电源设备、焊接辅机具和切割设备。近几年来，我国焊接装备的技术水平和制造能力不断提高，绝大多数焊接装备能满足国内市场的需要，一些专机、成套设备和部分通用焊接设备还向国外出口，但是仍然存在很多问题。1、焊接设备结构不合理在电弧焊机中交流弧焊机所占比例仍较大，以逆变焊机为代表的直流焊机所占比例还有待提高。2、焊接设备的自动、半自动化程度不高。以电弧焊机为例，自动、半自动焊机所占比例较小。3、数控切割机的制造已形成一定的规模，但配套的等离子切割电源还要大量进口，专用的数控切割设备品种不多。4、焊接机器人制造能力、制造水平和推广应用有待进一步提高。国内投产使用的焊接机器人绝大部分从国外进口，与日本、美国、西欧等工业发达国家相比，焊接机器人的数量极少，焊接机器人的正常运行率不理想。5、焊接装备水平相对落后我国在特种焊机、成套设备及其他焊接装备方面发展较慢，满足不了焊接生产的需要。很多国产新型焊接设备自行研制开发的少，仿制、组装的多。26、焊接设备、TIG、CO2焊枪和配件制造的自动化程度不高，手工作业较多，产品性能稳定性和一次合格率有待提高。二、焊接技术应用在重型机械、冶金机械、矿山工程机械、电站锅炉、压力容器、石油化工、机车车辆、汽车等行业，普遍应用了数控切割技术以及埋弧焊、电渣焊、CO2气保焊、TIG焊、MIG焊、MAG焊、电阻焊、钎焊等焊接方法。我国焊接科技和生产技术水平虽有很大发展，但从整体生产水平看，与发达国家相比还存在很大差距，尤其在高新技术的应用上差距更大。1、焊接技术应用不广、数量不多焊接结构用钢量作为衡量一个国家工业发达及焊接技术先进的主要指标。全世界平均45％的钢材要经过焊接才能成为投入市场的产品。2、焊接生产机械化、自动化水平低我国手工焊所占比例很大。按焊丝与焊接材料的比来计算机械化、自动化的比例，1999年日本为80.6%，西欧为74%，美国为71%，2000年我国为23%。从生产工艺装备看，近年来我国生产了一些成套的焊接工艺装备和焊接生产线，也有的厂家从国外引进了一些设备，数量远不能满足国内工业生产的需要。3、特种工程条件下的特种材料焊接应用较少我国在特种工程条件下（高温、低温、石化、海洋、核能、航空航天、酸碱腐蚀等）特种工程材料的焊接领域，不论是工艺水平，还是实际应用范围均满足不了目前工业生产发展的需要。在充分发挥焊接结构使用性能、节约材料、降低成本的异种钢材料焊接应用和工艺水平方面，近年来虽有很大进展，但总体仍落后于美、日、德等国家。§1－2焊接的本质及分类焊接过程的本质就是通过适当的物理、化学过程使两个分离表面的金属原子之间的距离接近金属晶格距离并形成结合力。目前找到的基本途径，便形成了焊接的基本分类。一、熔化焊接使被连接的母材表面局部加热熔化成液体，然后冷却结晶成一体的方法为熔化焊接。为了实现熔化焊接，关键是要有一个能量集中、温度足够3高的加热热源。按照热源的不同，熔化焊接的基本方法分为：气焊（以氧乙炔或其他可燃气体燃烧火焰为热源）；铝热焊（以铝热剂放热反应热为热源）；电弧焊（以气体导电时产生的热为热源）；电子束焊（以高速运动的电子束为热源）；激光焊（以单色光子束流为热源）等等若干种。其次，为了防止局部熔化的高温焊缝金属跟空气接触而造成成分、性能的不良，熔化焊接过程一般都必须采取有效的隔离空气的保护措施，其基本形式是：真空、气相和渣相保护三种。因此，保护形式常常是区分熔化焊接方法的另一个特征。例如，熔化焊接方法中最重要的电弧焊方法就可按保护方法的不同分为埋弧焊、气保护焊等很多种。此外，电弧焊方法还按电极特征分为熔化极和非熔化极两大类。二、压力焊接利用摩擦、扩散和加压等物理作用克服两个连接表面的不平度，除去（挤走）氧化膜及其他污染物，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的连接统称为固相焊接。固相焊接时通常都必须加压，因此也称压力焊接。为了使固相焊接容易实现，固相焊接大都在加压的同时伴随加热措施，但加热温度通常都远低于焊件的熔点，因此固相焊接一般都无需保护措施（扩散焊等除外）。按照加热方法不同，压力焊接的基本方法有：冷压焊（不采取加热措施的压焊）、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、电阻对焊、闪光对焊等若干种。应该注意的是，通常所指的电阻焊都可以称为压力焊（焊接过程中需要加压），但是有些电阻焊（点焊、缝焊）接头形成过程伴随有熔化结晶过程，不过是在加压的条件下进行的，所以仍然属压力焊。三、钎焊利用某些熔点低于被连接母材熔点的熔化金属（钎料）作连接的媒介物在连接界面上的流散浸润作用，然后冷却结晶形成结合面的方法称为钎焊。钎焊必须采取加热（使钎料熔化，但母材不熔化）和保护措施（使熔化的钎料不跟空气接触）。按照热源和保护条件不同，钎焊方法分为：火焰钎焊（以氧乙炔燃烧火焰为热源）；真空或充气感应钎焊（以高频感应电流的电阻热为热源）；电阻炉钎焊（以电阻炉辐射热为热源）；盐浴钎焊（以高温盐浴为热源）等若干种。以下为基本焊接方法示意图：4熔化极气体保护电弧焊的分类：注：在MAG焊中，如果保护气体以Ar为主，也称为MIG焊。5§1－3焊接电弧原理一、焊接电弧的物理本质和引燃电弧是所有电弧焊接方法的能源，电弧能有效而简便的把电能转变成焊接过程所需的机械能及热能。电弧并不是一般的燃烧现象。实质上，电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电现象。或者说是一种气体放电现象。借助这种特殊的气体放电过程，电能转变成光能；热能和机械能。焊接就是要利用其热能和机械能达到金属连接的目地。1、气体放电的基本概念不论固体、液体还是气体，能否呈现导电性，都取决于在电场作用下是否拥有可自由移动的带电粒子。金属本身拥有大量自由电子，所以在金属导体两端只要加上电压，自由电子便产生定向运动，形成电流。但是正常状态下的气体不含带电粒子，是由中性分子或原子组成的。它们虽然可以自由移动，但不会受电场作用而产生定向运动，所以是不导电的。因此，要使正常状态的气体导电，必须先有一个产生带电粒子的过程，然后才能呈现导电性能。2、带电粒子的扩散和复合现象电弧的导电是靠电弧空间带电粒子的运动来实现的,电弧的稳定燃烧是带电粒子产生、运动与消失的动平衡过程。带电粒子产生后，一部分承担了导电任务，另一部分则在电弧空间消失了，带电粒子在电弧空间的消失过程主要有扩散与复合两种形式。（1）扩散:带电粒子和一般气体分子和原子一样，如果分布密度不同，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方移动而趋向密度均匀，这种现象称为带电粒子的扩散现象。（2）复合:电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子），在一定条件下相遇而互相结合成中性粒子的过程称为复合。3、焊接电弧的引燃焊接电弧引燃有两种方式：接触引弧和非接触引弧（1）接触引弧:在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃。手弧焊和熔化极保护焊都采用这种引弧方式。6（2）非接触引弧:指在电极与工件之间存在一定间隙，施以高压击穿间隙，使电弧引燃。钨极氩弧焊和等离子弧焊采用这种方式。二、电弧区域的组成及压降分布当两电极之间产生电弧放电时，在电弧长度方向的电场强度并不是均匀的，实际测量得到沿弧长方向电压分布如图。由图可以看到电弧由三个电场强度不同的区域构成。阳极附近的区域为阳极区，其电压称为阳极电压降；阴极附近的区域为阴极区，其电压称为阴极电压降；中间部分为弧柱区，其电压称为弧柱电压降。电弧的这种不均匀的电场强度说明电弧各区域的电阻是不相同的。弧柱的电阻较小，电压降较小；而两个电极区的电阻较大，电压降较大。1、阴极区的导电机构为了维持电弧稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区提供所需要的电子流，接受由弧柱送来的正离子流，以满足电弧导电需要大电流的特点。2、阳极区的导电机构阳极区的导电机构比阴极区要简单的多，为了维持电弧导电，阳极区的任务是接受由弧柱过来的电子流和向弧柱提供的正离子流。三、电弧的静特性（如图）电弧燃烧时，两极间稳态的电压和电流关系曲线称电弧的静特性（电弧压降是阴极压降.阳极压降.弧柱压降的总和）。7A段：为下降特性段，这时，电弧不稳定，一般不采用这个区段。B段：为平特性段，电弧稳定燃烧。电流稳定，电压随着弧长变化而变化。埋弧自动焊：正常电流密度—平特性区焊条手工焊（≤500A）：无上升特性区TIG：大电流区---平特性区C段：为上升特性段，电弧稳定燃烧。电流增大，电压升高。埋弧自动焊：大电流密度—上升特性区细丝熔化极气保焊：电流密度较大上升特性区四、电弧力在焊接过程中，电弧不仅是一个热源而且也是一个力源。电弧产生的机械作用力与焊缝的熔深、熔池搅拌、熔滴过渡、焊缝成型都有直接关系。如果对电弧力控制不当他将破坏焊接过程，使焊丝金属不能过渡到熔池而形成飞溅、焊瘤、咬边、烧穿等缺陷。焊接电弧力主要包括：电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等。1、电磁收缩力在焊接电弧中，电磁收缩力同时作用于工件和焊条上，实际上焊接电弧不是圆柱体，而是断面直径变弧的圆锥状气态导体。因为焊条直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可以扩展的比较宽。所以接近焊条端电弧断面直径小，接近焊件端电弧断面直径大，直径不同将引起压力差，从而产生焊条指向工件的推力F推：F推=kI㏒(Rb/Ra)，F推：指向工件的推力；I：电流值；Rb：锥形弧柱下地面半径；Ra：锥形弧柱上地面半径。2、等离子流力电弧中由于电弧推力引起的高温气流运动所形成的力称为等离子流力。83、斑点力当电极上形成斑点时，由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上产生斑点力。斑点力在一定条件下会阻碍焊条熔化金属的过渡。4、爆破力熔滴短路时电弧瞬时熄灭，因短路时电流很大，短路金属液柱中电流密度很高，在金属液柱内产生很大的电磁收缩力，使电弧颈变细，电阻热使金属液柱温度急剧升高，使液柱气化爆裂，此为爆破力并且能使液体金属形成飞溅。五、磁场对电弧的作用电弧周围的磁场：电弧本身电流产生的磁场（自身磁场）。电弧自身磁场的作用：使电弧具有刚直性（电弧作为一个柔软导体抵抗外界干扰，保持焊接电流沿焊条轴向流动的性能）。电弧的磁偏吹(自身磁场不对称使电流偏离焊条轴线的现象)。1、造成磁偏吹的原因是：（1）接地线位置不正确；（2）外部磁场；（3）焊条不同心。2、消除和减弱偏吹的方法：（1）短弧焊接；（2）对长和大的工件两边连接地线；（3）消除工件剩磁；（4）用厚皮焊条；（5）避免周围磁性物质影响§1－4焊丝的加热、熔化及熔滴过渡一、焊丝的加热、熔化熔化极电弧焊时，焊丝熔化作为填充金属形成焊缝。焊丝的熔化主要靠阴极区或阳极区所产生的热量，而弧柱区产生的热量对焊丝熔化居次要地位。焊丝除了受电弧的加热外，在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接触点到电弧端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度用Ls表示）有焊接电流流过，所产生电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。特别是焊丝比较细和焊丝金属的电阻系数比较大时这种影响更为明显。9PR=IRsRS=§Ls/S影响焊丝熔化速度的因素：1、电流和电压对熔化速度的影响。2、气体介质对焊丝熔化速度的影响。不同气体介质直接影响阴极压降的大小和焊接电弧产热多少，因此影响焊丝的熔化速度。3.电阻热对熔化速度的影响。熔化焊时，由于采用的电流密度较大，所以在焊丝伸出长度产生的电阻热对焊丝起着预热作用，可以影响到焊丝的熔化速度。二、熔滴过渡和飞溅在电弧热作用下，焊丝与焊条端头的熔化金属形成熔滴，受到各种