16金属材料及其焊接-全

1/2/定义通过适当的手段，使两个分离的金属物体产生原子间结合而连接成一体的连接方法。焊接的概念焊接最本质的特点就是通过焊接使焊件达到原子结合，从而使原来分离的物体形成一个整体3/阻碍原子间结合的因素表面的污物表面氧化层表面粗糙度怎样使金属物体产生原子间结合？4/常用的工业手段无法达到小于10A的表面FF施加载荷，产生弹塑性变形，有效增加接触面积受压表面产生的弹性应变能与屈服强度的平方成正比表面粗糙度5/++++++++-------OxygenionMetalionOxidefilm大部分金属与空气中的氧反应形成氧化层覆盖于材料表面一般来说氧化层是硬脆相氧化层的厚度随温度和时间的增加而增加表面氧化层6/表面污物通过弱键的形式依附在金属表面表面污物覆盖在金属的表面，减少了金属间的接触为了良好的结合，表面污物必须被清理或者降低到最小金属表面经常被油，气体分子，水蒸气及其它污物覆盖表面的污物7/机械清理化学清理清除表面污物去除氧化层增加接触面积产生新生表面压力焊加热加压克服阻碍的方法表面清理熔化金属——熔焊、钎焊释放残余应力溶解氧化物和污物增强原子的反应范围和运动8/焊接方法特点1、焊接与铆接2、焊接与铸造3、焊接可满足各种环境要求节约金属材料简化加工与装配工序设备投资少劳动强度低、劳动条件较好工序简单、周期短节约材料焊件材质好4、易产生变形和应力和各种焊接缺陷9/9/25分离式的设计整合式的设计10/采用整合式的设计：成本的降低最大达到15%重量的降低最大达到10%耐腐蚀性能得到增强减少了密封材料的使用设计上更为灵活铝合金的密度低没有间隙和裂纹不存在铆钉孔高度的自动化材料的节约减少生产的工序11/焊接技术的历史与发展5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及）5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及）5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及）4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及）公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等（中国）12/班固《汉书》：胡桐泪盲似眼泪也，可以汗金银也，今工匠皆用之。宋《天工开物》：中华小钎用白铜末，大钎则竭力挥锤而强合之，历岁弥久，终不可坚。我国最早见诸于文献记载的有关钎焊连接的论述所谓“小钎”，就是现在所说的钎焊，而“大钎”则是指属于固相连接范畴的锻焊。13/焊接技术的历史与发展明《物理小识》：焊药以硼砂合铜为之，若以胡桐汁合银，坚如石。今玉石刀柄之类焊药，加银一分其中，则永不脱。试以圆盆口点焊药于其一隅，其药自走，周而环之，亦一奇也。明确指出了铜钎焊应以硼砂做钎剂而银钎焊则可以胡桐树脂为钎剂，并且对钎料的填缝行为做了非常精彩的描述。14/1920全焊接船下水，电弧焊成为一种重要的焊接方法1801迪威发现电弧放电现象1885碳弧焊1891金属极焊接法1912开发出保护良好的厚涂层焊条。电弧稳定，熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，手工电弧焊进入实用阶段1907薄涂层焊条电弧焊现代熔焊技术15/1951苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊，大厚度工件的高效焊接1953苏联的柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊1957美国的盖奇发明等离子弧焊1930美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊1940成功应用GTAW焊接镁及不锈钢薄板1945交流GTAW焊接方法1945直流金属极焊接方法GMA16/焊接的分类17/第一章电弧焊基础是一种气体放电现象，是指在一定条件下，电荷通过两电极之间的气体空间的一种导电过程。电弧的概念18/气体放电19/1.1电弧的产生电弧的本质关键词：气体放电在电极与工件间的气体中，产生持久、强烈的自持放电现象特性：电压低、电流大、温度高、发光强20/1.气体放电如何使气体空间产生导电过程？两电极之间有电场两电极之间有带电粒子21/气体原子得到外加能量，电子从低能级跃迁到高能级，这时原子处于“激发状态”电子完全脱离原子核的束缚成为自由电子的过程称为“电离”A++AeA.激发和电离22/激发能：使原子处于激发状态所需要的能量电离能：由原子形成正离子过程所需要能量(Ei)呈激发状态的电子，从高能级→低能级，则多余能量将以光的形式发出→产生弧光23/B.气体原子的电离撞击电离：在电场中，被加速的带电质点（电子、离子）和中性质点（原子）碰撞后发生的电离热电离：在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）互相碰撞而引起的电离光电离：气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而产生的电离24/C.电子发射电子一旦获得外加能量，将会不受原子核的束缚而逸出表面，逸出的难易程度可用逸出功（Wｙ）表示逸出功：电子发射所需的能量Wｙ≈（1/2~1/4）Ei阴极表面的原子或分子，接受外界的能量而释放出自由电子的现象，称之为电子发射25/电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要因素电子发射热发射场致发射光发射粒子碰撞发射实际的焊接过程中，这几种发射形式常常是同时存在，相互补充26/热发射：物质的固体或液体表面受热后，使热能量↑，大于其Ｗｙ而使电子发出自发射：物质的固体或液体表面，当存在强电场，并在表面附近形成较大电位差时，在阴极表面有较多电子发射出来重粒子撞击发射：能量大的重粒子（如正离子）撞到阴极上，所引起的电子发射光电发射：物质的固体或液体表面，接受光射线的能量而释放出自由电子的现象27/引弧2.电弧的引燃造成两电极间气体发生电离和阴极发射电子而引起电弧燃烧28/2.电弧的引燃（A）接触引弧接触点面积小，电流密度大，发热，熔化，汽化，引起热发射以及热电离拉开时发生强场发射带电质点被加速，碰撞，引起撞击电离进一步引起光电离和热电离从而维持电弧的稳定燃烧应用：焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊29/（B）非接触引弧用高电压击穿间隙使电弧引燃高频高压引弧在工频电源的半波时间内振荡一小段时间，频率为150-250kHz，电压峰值2000-3000V高压脉冲引弧每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲应用：钨极氩弧焊、等离子弧焊30/3.电弧的结构阴极区：电子发射区，热量约占36%，平均温度2400K阳极区：受电子轰击区域，热量约占43%，平均温度2600K弧柱区：阴、阳两极间区域，几乎等于电弧长度，热量21%，弧柱中心温度可达6000-8000K31/温度分布阴阳两极电流密度、能量密度较高，但温度较低；弧柱区温度较高弧柱温度分布不均匀，靠近直径小的一端，电流和能量密度较高，温度也较高材料熔点和沸点的限制导热性能的差异32/冷却快↑E↑T↑弧柱温度与焊接电流、金属蒸气成分（Ui）、气体解离、冷却条件有关焊接电流↑T↑Ui↑T↑气体解离吸热↑T↑33/fiyzUUUU在选定电极材料和气体介质不变情况下iyUUazhUlfhUabl电弧电压与弧长成正比34/4.焊接电弧的静特性与普通的电阻静特性不同，If关系不符合欧姆定律（U≠IR）Rf≠const，而是随If变化而变化()ffUfI一定长度的电弧在稳定条件下，电弧电压与电弧电流之间的关系（伏安特性）电弧电阻是一种非线性电阻负载35/Ⅰ段（tgα＜0）——呈负阻特性段Uf随Ｉf↑而↓→下降特性段；Ⅱ段（tgα=0）——呈等压特性段Uf随Ｉf变化时，基本不变→平特性段；Ⅲ段（tgα0）——呈正阻特性段Uf随Ｉf↑而↑→上升特性段。焊接电弧的静特性曲线36/实际生产中，焊接方法不同，在其一般正常使用范围内，并不包括电弧静特性所有各段曲线UaIa焊条电弧焊埋弧焊、非熔化极气体保护焊、微束等离子弧焊细丝熔化极气体保护焊等离子弧焊、小电流钨极氩弧焊37/5.最小电压原理在给定电流和周围条件一定的情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径应使电弧的电场强度具有最小的数值，即固定弧长上的电压最小电弧具有保持最小能量消耗的特性，当电弧电流一定时，电弧要保持最小的电压降38/222.222()TTTTcQxyz焊接温度场焊接过程中某一瞬间焊接接头上各点的温度分布状态解析解()(,)exp22PvxrTrxra6.电弧的加热39/1焊丝的加热及熔化焊丝的作用电极导电（GMAW）填充金属作为填充金属，其熔化和过渡的特性将会对焊缝的质量产生较大的影响需要将焊丝加热熔化，并过渡到熔池中1.2熔滴过渡40/如何熔化焊丝GMAW阴极区或阳极区的产热及焊丝的电阻热GTAW弧柱的产热41/2熔滴上的作用力熔滴上的作用力重力表面张力电弧力熔滴爆破力电弧气体吹力42/1.重力1）平焊时促进过渡；2）立焊，仰焊时阻碍过渡。重力对熔滴的影响取决于焊缝的空间位置当焊丝直径较大而电流较小时，在平焊位置的情况下，使熔滴脱离焊丝的力主要是重力43/2.表面张力在焊条端头上保持熔滴的主要作用力44/①采用细焊丝有利于熔滴过渡②所有减小表面张力系数的因素都会降低表面张力2.表面张力2FR材料类型：钢的表面张力系数大于铝的表面张力系数材料纯度：当含有表面活化物质(如钢水中含有O，S时)，σ↓。温度：T↑σ↓45/2.表面张力短路过渡时，熔滴与熔池之间的表面张力促进过渡46/电弧对熔滴和熔池的机械作用力，包括电磁收缩力、等离子流力、斑点力3.电弧力电弧力只有在焊接电流较大的时候，才对熔滴过渡起主要作用；电流小时，重力和表面张力起主要作用47/SbSs时，电流线在熔滴中收缩，合力向上，阻碍过渡A电磁收缩力3.电弧力对熔滴过渡的影响取决于电弧形态SbSs时,电磁线在熔滴中发散，合力向下，促进过渡Sb熔滴端部面积Ss弧根面积48/B等离子流力3.电弧力促进过渡焊丝直径越细，电流越大，产生的等离子流力和流速越大，对熔滴的推力越大49/C斑点压力3.电弧力正离子或电子对熔滴的轰击力电极材料蒸发时产生的反作用力弧根很小时指向熔滴的电磁收缩力通常情况：斑点面积很小阻碍过渡特殊情况：斑点面积很大促进过渡50/4.爆破力熔滴内部冶金反应生成气体或者含有易蒸发金属时，在电弧高温的作用下，使气体体积膨胀而产生的内压力，致使熔滴爆破短路过渡时，表面张力和电磁力导致缩颈，电流密度增加，汽化①形成飞溅。②一定情况下可促进过渡51/5.电弧气体吹力造气剂分解碳元素氧化促进过渡52/1.3熔滴过渡的主要形式及其特点熔滴过渡在电弧热的作用下，焊丝末端加热熔化成熔滴，并在各种力的作用下脱离焊丝进入熔池的过程熔滴过渡的形式焊丝末端熔滴上各种力的影响过渡的稳定性焊接稳定性焊缝成形飞溅53/熔滴过渡的分类自由过渡焊丝端部与熔池不直接接触，熔滴经电弧空间自由飞行滴状过渡（粗滴过渡，排斥过渡，细滴过渡）喷射过渡（射滴过渡，射流过渡）接触过渡焊丝端部与熔池表面接触而过渡渣壁过渡熔滴沿熔渣的空腔壁流下主要是短路过渡54/55/1.3.1短路过渡在低电压，较小电流时，熔滴未长大成滴状就与熔池短路，在表面张力和电磁收缩力作用下，熔滴向母材过渡A特点电弧稳定；飞溅较小；过渡频率高；焊缝成形良好B应用使用碱性焊条的电弧焊细丝（直径≤1.6mm）气体保护电弧焊适于进行薄板、全位置焊接56/IUtt123412341.短路过渡过程57/1.短路过渡过程关键：短路时尚未形成缩颈电弧燃烧形成熔滴熔滴长大并与熔池短路熄弧液桥缩颈断开而过渡电弧再次引燃58/2.搭桥过渡非熔化极电弧焊时，在表面张力、重力及电弧力的作用下，熔滴进入熔池形成条件：非熔化极填丝焊、气焊填丝59/1.3.2滴状过渡电弧电压比较高特点：根据电弧力和斑点力大小变化自由飞行，熔滴直径大于焊丝，熔滴下落速度较慢粗滴过渡细滴过渡60/1.粗滴过渡电流较小，电压较高时，弧长较长，熔滴不与熔池短路接触而逐渐长大，当重力足以克服表面张力时，熔滴脱离焊丝端部进入熔池（小电流时电弧力忽略）特点：熔滴存在时间长，尺寸大，飞溅也大，电弧的稳定性及焊缝质量都较差61/1.粗滴过渡小电流：弧根面积小，电磁力很难形成缩径，斑点力阻碍过渡，形成大滴状熔滴高电压：弧长大，不易短路电弧电压较高和电流较小的GMAW焊62/2.排斥过渡由于斑点力增加而增大了阻碍熔滴过渡的力，熔滴颗粒增大，形成了大滴排斥过渡弧根小斑点压力大63/2.排斥