焊接方法和设备

主讲：叶克力焊接方法与设备对应教材：全国高职高专规划教材《焊接方法与设备》化学工业出版社出版，邱葭菲主编。1第一章焊接方法概述金属连接方式键连接、销连接、螺纹连接、焊接、铆接等2焊接本质焊接是通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使焊件达到结合的一种加工工艺方法。要使两部分金属材料达到永久连接的目的，就必须使分离的金属相互非常接近，使之产生足够大的结合力，才能形成牢固的接头。这对液体来说是很容易的，而对固体来说则比较困难，需要外部给予很大的能量如电能、化学能、机械能、光能等，这就是金属焊接时必须采用加热、加压或两者并用的原因。3一、焊接及其在现代工业中的地位实质：达到原子之间的结合（金属晶格距离：3～5nm）由于表面状态的影响，不通过加热或加压，工件之间是难以自然达到原子之间的结合的。2、焊接在现代工业中的地位1、焊接(Welding)及其本质是现代工业一种重要的连接加工方法，同时是一种精确、可靠、低成本，并且是采用高科技连接材料的方法。目前还没有其它方法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接，并对所焊的产品增加更大的附加值。通过加压、加热或两者并用；用或不用填充材料；使焊件达到结合的一种加工方法。4全世界约45%的钢铁和有色金属需要通过焊接才能变为可以使用的最终产品。现代工业生产的各行业直接或间接地都离不开焊接。没有焊接，就没有现代工业文明，也没有现代的生活方式。现代工业中的连接方法有：螺栓、键、销钉（可拆卸）铆接、焊接、粘接（不可拆卸）5工业生产的发展，对焊接技术提出了更多、更高的要求对焊接产品的使用性提出：动载、强韧、高压、高温、低温和耐蚀等要求6从焊接产品的结构形式上提出：厚大件、精细件的焊接；从焊接材料上提出：各种金属及非金属的焊接等。7加热压焊钎料加压熔焊钎焊二、焊接方法分类及发展概况1、焊接方法的分类及特点8二、焊接方法分类及发展概况9（1）熔焊:加热不加压力电弧焊：熔化极——焊条电弧焊埋弧焊熔化极气体保护焊螺柱焊非熔化极——钨极氩弧焊等离子弧焊碳弧焊氢原子焊其他：气焊铝热焊电渣焊电子束焊激光焊电渣焊二、焊接方法分类及发展概况10火焰、感应、炉中、浸渍、电子束等电阻焊（点焊、缝焊、凸焊、对焊、高频焊）超声波焊爆炸焊锻焊扩散焊摩擦焊气压焊（2）压焊:必须加压（3）钎焊:钎料熔化,母材不熔化112、焊接方法的发展概况历史公元前锻焊、钎焊（中国）1885年：俄国人发明碳弧焊1886年：美国人发明电阻焊1895年：德国人发明铝热剂焊1901年：法国人发明氧乙炔气焊1926年：美国的A.O.Smith公司率先介绍了手工电弧焊焊条的制作方法121930s：钨极氩弧焊（美国），埋弧焊（美国）1950s：电渣焊（俄罗斯），摩擦焊(俄罗斯)CO2气体保护焊（美国），电子束焊（法国）1960s：激光焊（美国）爆炸焊（美国）1991年：搅拌摩擦焊(英国)13国内：焊接大国——钢产量多年保持在4亿吨/年，消耗焊材300万吨但非强国——工业化的前期阶段焊接以手工操作为主，效率低、能耗高／焊接手段单调、工艺落后／焊材品种单调，重要关键焊材依赖进口焊接的数字化、智能化、信息化水平低现状国外：已完成焊接手段的结构性转变（由手工到自动、由低效向高效转变）焊接手段以高效、自动焊为主／焊材品种配套齐全／多专用设备和专用材料数字技术、信息技术在焊接上的应用正逐渐推广普及14焊接的发展从材料上扩大可焊材料的范围，如超细晶粒钢、非金属、金属／非金属组合从结构上超大－如大型船舶、高层建筑／超微－如芯片、细微（μｍ级）零件从设备上高效率、低能耗／数字化、自动化、智能化、柔性化从技术工艺上高效率／低能耗／环保15三、本教材的内容和学习方法1、教材的内容与学习要求各类基本焊接方法的过程本质、特点、接头形成条件以及合理的使用范围；各类基本焊接方法中影响焊接质量的焊接工艺参数及其合理选择和控制；常用典型焊接设备的构成、工作原理及操作使用方法。要求：掌握主要焊接方法的原理、焊接质量的控制以及常用焊接设备的使用维护。强调并突出工艺应用能力的培养，即能根据实际结构的具体要求，优选焊接方法并制订合理的焊接工艺。重点：电弧焊，尤其①气体保护焊（MAG/CO2/MIG、TIG）②埋弧焊③焊条电弧焊1617181920船舶焊接21焊接机器人在汽车制造业中的应用222008奥运会主体育场“鸟巢”23直径10.7m、高5.4m、重量440t、耗用焊丝12t的世界最大的三峡水轮机转轮。24芜湖长江公铁两用焊接大桥25神舟系列太空飞船26第二节焊接方法的热源27一、焊接电弧的产生由焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象，称为焊接电弧。28一、焊接电弧的产生•1.焊接电弧产生的条件•气体电离：热电离、场致电离、光电离•阴极电子发射：热发射、电场发射、撞击发射•2.焊接电弧的引燃方法•接触引弧:焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊等•非接触引弧:钨极氩弧焊和等离子弧焊29一、焊接电弧的产生划擦法引弧直击法引弧30二、焊接电弧的构造及静特性•1．焊接电弧的构造1－焊条2－阴极区3－弧柱4－阳极区5－焊件31二、焊接电弧的构造及静特性•阴极区:电弧紧靠负电极的区域。很窄,焊条电弧焊时，阴极区的温度一般达到2130～3230℃，放出的热量占36%左右。•阳极区:电弧紧靠正电极的区域.较阴极区宽,焊条电弧焊时，阳极区的温度一般达2330～3930℃，放出热量占43%左右。•弧柱:电弧阴极区和阳极区之间的部分.弧柱的长度基本上等于电弧长度。焊条电弧焊时，弧柱中心温度可达5370～7730℃，放出的热量占21%左右。32二、焊接电弧的构造及静特性•注意的二个问题：•不同的焊接方法，其阳极区、阴极区温度的高低并不一致.•焊条电弧焊、钨极氩弧焊:阳极温度＞阴极温度•CO2气体保护焊和埋弧焊：阴极温度＞阳极温度•以上分析的是直流电弧的热量和温度分布情况，而交流电弧由于电源的极性是周期性地改变的，所以两个电极区的温度趋于一致，近似于它们的平均值。•电弧两端（两电极）之间的电压称为电弧电压。电弧电压由阴极压降、阳极压降和弧柱压降组成。33二、焊接电弧的构造及静特性•2．焊接电弧的静特性•在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为电弧静特性，一般也称伏—安特性。表示它们关系的曲线叫做电弧的静特性曲线。•电弧静特性曲线分为三个不同的区域，下降特性区，平特性区和上升特性区。•焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在静特性的平特性区。•钨极氩弧焊、等离子弧焊一般也工作在平特性区，当焊接电流较大时才工作在上升特性。•熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊和熔化极活性气体保护焊（MAG焊），基本上工作在上升特性区。•电弧静特性曲线与电弧长度密切相关，当电弧长度增加时，电弧电压升高，其静特性曲线的位置也随之上升。34二、焊接电弧的构造及静特性•••普通电阻静特性与电弧的静特性•1－普通电阻静特性2－电弧的静特性35三、焊接电弧的稳定性•焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度。•正常焊接时的电弧36三、焊接电弧的稳定性•影响因素•1．弧焊电源的影响•直流电源焊接时，电弧燃烧比交流电源稳定。•2．焊接电流的影响•焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。•3．焊条药皮或焊剂的影响•焊条药皮或焊剂中加入电离能比较低的物质（如K、Na、Ca的氧化物），可提高电弧燃烧的稳定性。•含有电离能比较高的氟化物（CaF2）及氯化物（KCl、NaCl）时，由于较难电离，电弧燃烧不稳定。37三、焊接电弧的稳定性•4．焊接电弧偏吹的影响•在实际焊接中，由于气流的干扰、磁场的作用或焊条偏心的影响，会使电弧中心偏离电极轴线的方向，这种现象称为电弧偏吹•⑴焊条偏心产生的偏吹•焊条偏心产生的电弧偏吹偏向药皮较薄的一边•焊条的偏心度＝2（T1－T2）／（T1＋T2）38三、焊接电弧的稳定性•⑵电弧周围气流产生的偏吹：•电弧周围气体的流动会把电弧吹向一侧而造成偏吹。主要是大气中的气流和热对流的影响。•⑶焊接电弧的磁偏吹•直流电弧焊时，因受到焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹称为磁偏吹。是由于直流电所产生的磁场在电弧周围分布不均匀而引起的。39三、焊接电弧的稳定性磁偏吹40三、焊接电弧的稳定性•产生磁偏吹的因素：•①导线接线位置引起的磁偏吹41三、焊接电弧的稳定性•②铁磁物质引起的磁偏吹42三、焊接电弧的稳定性•③电弧运动至钢板的端部时引起的磁偏吹43三、焊接电弧的稳定性•防止或减少焊接电弧偏吹的措施•尽量使用交流电源焊接。•调整焊条角度。•采用短弧焊接。•改变焊件上导线接线部位或在焊件两侧同时接地线•在焊缝两端各加附加钢板使电弧两侧的磁力线分布均匀并减少热对流。•露天操作大风必须用挡板遮挡，管子焊接将管口堵住，间隙较大的对接焊缝在接缝下面加垫板。•采用小电流焊接。44四、焊接电弧的分类及热效率•1．焊接电弧的分类•按电流种类不同可分为交流电弧、直流电弧和脉冲电弧（包括高频脉冲电弧）；按电弧状态不同可分为自由电弧和压缩电弧；按电极材料不同可分为熔化极电弧和非熔化极电弧。•未受到外界压缩的电弧为自由电弧。自由电弧中的气体电离是不充分的，能量不能高度集中，并且弧柱直径随着功率的增加而增加。•把自由电弧进行强迫压缩，就能获得温度更高、能量更加集中的压缩电弧。等离子弧就是一种典型的压缩电弧，它是靠热收缩、磁收缩和机械压缩效应，使弧柱截面缩小、能量集中、气体几乎达到全部电离状态的电弧。45四、焊接电弧的分类及热效率•2．焊接电弧的热效率•电弧焊时，焊接热源是电弧，是通过电弧将电能转换为热能来进行焊接的。•电弧功率•q0=IhUh•电弧有效功率•q=ηIhUh•η—电弧有效功率系数，简称焊接热效率,主要决定于焊接方法，焊接工艺参数和焊接材料和保护方式等.在其它条件不变的情况下，随电弧电压的升高而降低，46四、焊接电弧的分类及热效率•焊条电弧焊和埋弧焊热量分配47第三节焊接方法的安全技术•焊接时可能要与电、可燃及易爆的气体、易燃液体、压力容器等接触。•焊接过程中会产生一些有害气体、焊接烟尘、弧光辐射、焊接热源（电弧、气体火焰）的高温、高频磁场、噪声和射线等。•可能引起触电、灼伤、火灾、爆炸、中毒、窒息等事故。•焊接时必须重视安全技术。48一、预防触电的安全技术•触电是大部分焊接、切割方法操作时的主要危险因素•焊条电弧焊机的空载电压限制在90V以下，工作电压为25～40V；•埋弧焊机的空载电压为70～90V；•电渣焊机的空载电压一般是40～65V；•氩弧焊、CO2焊机的空载电压是65V左右；•等离子弧切割机的空载电压高达300～450V；•网路电压为380V∕220V，50Hz的交流电。•超过安全电压（一般干燥情况为36V、高空作业或特别潮湿场所，为12V）。49一、预防触电的安全技术•预防措施：•严格遵守有关部门规定的安全措施。•遇到焊工触电时应迅速将电源切断。•在光线暗的场地、容器内操作或夜间工作时，使用的工作照明灯的安全电压应不大于36V，高空作业或特别潮湿场所，安全电压不超过12V。•焊工的工作服、手套、绝缘鞋应保持干燥。•在潮湿的场地工作时，应用干燥的木板或橡胶板等绝缘物作垫板。•焊工在拉、合电源闸刀或接触带电物体时，必须单手进行。•在容器或船舱内或其它狭小工作场所焊接时，须两人轮换操作，其中一人留守在外面监护。•焊机外壳接地或接零。50二、预防火灾和爆炸的安全技术•电弧及气体火焰的温度很高，产生大量的金属火花飞溅物。•焊接过程中还可能会与可燃及易爆的气体、易燃液体、可燃的粉尘或压力容器等接触，都有可能引起火灾甚至爆炸。•因此焊接时，必须防止火灾及爆炸事故的发生。51二、预防火灾和爆炸的安全技术•预防措施：•易燃、易爆物物品距离焊接工作地10m以外。•焊接时应防止金属火花飞溅而引起火灾。•严禁设备在带压时焊接或切割，未卸压的设备严禁操作，常压而密闭的设备也不许进行焊接与切割。•凡被化学物质或油脂污染的设备都应清洗后再焊接