造船焊接与切割技术-02

苗玉刚2010-3-1哈尔滨哈尔滨工程大学HarbinEngineerUniversity造船焊接与切割技术WeldingandCuttingTechnologyforShipbuilding电弧焊基础Fundamentalsofarcwelding第2章电弧焊基础授课内容：z焊接过程的物理本质z焊接电弧原理z母材熔化与焊缝形成z焊接冶金反应焊接过程的物理本质z两原子间的结合力取决于二者之间的引力与斥力共同作用的结果z当两原子的距离为r=0.3-0.5nm时结合力最大，否则出现显著下降。焊接过程的物理本质z为克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，焊接时：z对被焊接工件施加压力：破坏氧化膜，增加接触面积z对被焊材料加热：是结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，增加原子的热动能，促进扩散和结晶过程的进行焊接过程的物理本质z金属实现焊接所必需的温度与压力存在一定的关系，金属加热的温度越低，实现焊接所需的压力越大。焊接过程的物理本质z熔焊实际上，是两个被焊材料之间（母材与焊缝）形成共同的晶粒z钎焊是钎料熔化，母材不熔化，在钎料与母材之间形成有相互原子渗透的机械结合。z粘结，依靠粘结剂与母材的粘合作用，没有原子的相互渗透或扩散焊接电弧原理z造船广泛应用的热源是电弧焊z电弧焊的加热区：加热斑点区（受热是通过电弧辐射和周围介质的对流进行）和活性斑点区（带电质点集中轰击的部位，电能转换为热能）气体放电现象直流放电回路直流放电形式及电流与电压的关系z气体放电是指气体电离，使气体空间产生可以自由移动的带电粒子z电弧具备所有放电形态中电压最低、电流最大、温度最高的特征(0.1A到104A)气体放电现象z气体放电分为非自持放电和自持放电¾非自持放电：气体的带电粒子不能通过导电过程本身产生，需要外加措施制造带电粒子，并维持下去。¾自持放电：气体的带电粒子可通过自身的导电过程不断产生，只需要在开始时外加措施产生粒子，以后的导电过程可持续下去。z电弧的本质是气体放电，是气体放电的一种表现形态z为了产生电弧，必须使气体分子或原子电离成阳离子和电子。气体一旦发生电离，在阴极和阳极的电场作用下，电子向阳极运动，阳离子向阴极运动，形成电流电弧中带电粒子来源z电离气体具有通常状态下的气体所不同的性质，被称作等离子体(Plasma)zPlasma为物质的第4种存在状态zPlama由几乎数量相等的电子和离子以及中性粒子组成z电源通过电极(阴极)向电弧区发射电子z气隙中的中性粒子被电离产生电子和离子阴极电子发射z阴极电子发射是电源持续向电弧供给能量的唯一途径z阴极电子发射是阴极中的电子脱离阴极材料的束缚，逸出电极表面进入电弧空间。z电场发射：如果对阴极表面施加电场，封闭自由电子的电势壁垒就会变薄，一部分电子穿过电势壁垒渗透出来。电场强度与电子电流密度金属内部自由电子的电位分布气体电离电离(Ionize)z中性粒子存在于电弧空间(气隙中)，当处于高能量状态时，其电子轨道上的电子脱离约束，分离成电子和离子z电离能：使中性粒子产生电离所需要的能量(eV)惰性气体的电离电压高，碱性金属的电离电压低电离的种类z热电离(ThermalIonization)¾在高温气体状态下，一部分粒子由碰撞而发生的电离现象¾粒子的运动速度是温度的函数，C为均方根速度¾各个粒子的速度在某一瞬间是不同的，遵循麦克斯韦尔分布电离的种类z碰撞电离¾电子具有大于逸出功的能量，因其质量小，可能与中性粒子发生碰撞，传递能量，使中性粒子电离或激励z场致电离¾电场作用下，电子加速，与其它粒子发生碰撞而使粒子电离z光电离¾光量子具有能量，当能量大于电离能时，可能使中性粒子电离电离度z萨哈公式电弧的导电机构z焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，电弧电压Uaz阴极压降UCz阳极压降UAz弧柱压降UP电弧的导电机构弧柱区z温度处于5000-50000K之间，处于热平衡状态z弧柱中的全部或大部分双原子气体分解为原子，其中较大比率的原子又进一步分解为电子和阳粒子，其空间密度是相当的，弧柱空间呈现为电中性z弧柱的电流就是由上述带电粒子的移动形成，电子流99.9%，离子流占0.1%z以热电离为主电弧的导电机构阳极z弧柱的高温气体没有接触到阳极，阳极本身不发射阳离子，电子堆积z阳极区域，电子发生碰撞电离z产生阳离子供给弧柱区z阳极区将近99.9%的电子进入阳极z加热阳极，大电流时，阳极熔化z增大电流，UA减小，此时阳极区热电离增加电弧的导电机构阴极z对于W、C等高熔点的阴极，热发射起主导地位，向弧柱区提供电子z对于Fe、Cu等低熔点阴极，热发射不足，阴极区形成正离子堆积，形成强电场，导致场致发射z阴极区的碰撞电离产生电子，共同向弧柱区提供z热阴极：大电流103A/cm2，高熔点阴极z等离子阴极：钨极，小电流z冷阴极：Fe、Cu，产生阴极斑点电弧的导电机构阴极斑点z电弧导电通道将主要集中在一个较小的区域，该区域电流密度、温度、发光强度远高于其它区域。z低熔点材料作为阴极时，如果使用氧化性气氛作为保护气，保护气对电弧有较强烈的冷却作用，电弧电场强度较高，从自身减小能量消耗的角度，电弧更趋于集中，难以大面积包围熔滴，电弧导电集中在熔滴下方的较小区域。z电弧阴极斑点随条件的变化而产生跳动，自动选择有利于发射电子的区域，电弧通过该阴极区时能量消耗最小。电弧的导电机构铝合金（Al2O3熔点2020℃，Al合金熔点600℃）z电子发射能力低，本身导热性好，对电弧能量消耗大，不利于熔池形成z由于表面氧化膜的存在，氧化物与纯金属相比，电子逸出功低，更具备电子发射能力，电弧导电点更多集中在有氧化膜的地方，从而形成阴极斑点z焊丝作为阴极时也有表现z正离子撞击破碎氧化膜电弧的导电机构z从阴极发射的电子对阴极有冷却作用(逸出功)z反极性：电子冷却阴极也就是冷却了工件—阳极受热将会熔化焊丝（在焊接过程中送进）—有利于填充坡口—熔滴过渡频率可以达到100滴/秒—焊条电弧焊采用此极性接法电弧的导电机构z电弧极性的影响最小电压原理最小电压原理z在给定的电流下与周围条件一定情况下，电弧稳定燃烧时，其导电区的半径(温度)，使其电弧电场强度具有最小的数值。电弧具有维持最小能量消耗的特性。zPc=ELI，产热=散热Ar为单原子气体，质量大，散热小，E较小，当采用He、H作为气体介质，E增加，多原子气体作为介质时也有同样现象电弧的温度z影响因素：焊接电流、电极斑点、电弧长度、阳极材料、保护气成分、环境条件电弧力z电弧静压力（电磁收缩力）z任意半径r处的电磁力：z电弧静压力：电弧呈非等截面的近锥体，电磁收缩力在其内部各处分布不均匀，不同截面上存在压力梯度，靠近电极处压力大，靠近工件处压力小，形成电弧静压力。电弧的导电机构电弧的挺直性z是指电弧作为柔性导体具有抵抗外界干扰、力求保持焊接电流沿电极轴线方向流动的性能。电流受到自身磁场而表现出来的现象(特性)。z产生原因：电流受到指向中心方向的电磁力电弧的挺直性产生原因电弧力电弧的磁偏吹z如果某种原因是磁力线分布的均匀性受到坡坏，使电弧中的电荷受力不均匀，就会使电弧偏向一侧。z表现为：电磁力把电弧从磁力线密集的一侧推向磁力线稀疏的一侧。电弧力电弧焊熔化现象母材熔化与焊缝形状z电弧产热借助于传导、辐射、对流、电子能力、极区能量、熔滴、等离子气流传入母材。z线能量：单位长度从移动热源输入的能量，J/mmH=UI/v，P=ηHz比热量：熔化单位体积的金属所需的热量熔化效率：有效线能量中用于熔化焊接金属能量的百分率电弧焊熔化现象焊缝形状尺寸H：熔深，对接头承载能力有重要影响(非完全熔透时)B：熔宽，对焊缝性能有影响(完全熔透时)H/B：深宽比，焊缝成形系数a：余高，增加焊缝承载能力，过大引起应力集中或降低疲劳强度电弧焊熔化现象母材熔化断面形状z熔化形态基本上由母材热物参数(比热、热传导率等)、母材形状、焊接速度等决定，并受到电弧对母材的热输入量及电弧燃烧形态的影响z单纯熔化型：热传导理论z中心熔化型：电弧力或等离子气流对熔池的挖掘作用z周边熔化型：熔池内金属向外侧流动，电弧热量被传到周边区域，促进周边区域熔化。焊接接头的形成焊接接头的形成峰值温度z阐明焊缝附近固态金属中某一点的金属学转变，需要了解该点的峰值温度或最高温度z对于单道焊，如薄板全熔透对接焊，近缝区母材的峰值温度分布：用途：—确定热影响区附近特定部位的峰值温度—估算热影响区宽度—表明预热对热影响区宽度的影响焊接接头的形成热影响区宽度的计算z用具体的峰值温度来明确焊缝热影响区HAZ的外端部边界，而峰值温度又和焊缝组织或性能某些特征变化相联系z大多数碳钢或低合金钢有很清楚的浸蚀边界，相当于730C的峰值温度，因此需要求解Tp—730C的区域z若是淬火钢或回火钢，经过430度的回火，可以认为这个变质区就是热影响区。z如果工件经过预热，其热影响区的宽度要增大zHAZ宽度与线能量Hn成正比焊接接头的形成冷却速度z对于钢的组织、性能有影响，对铝没什么作用。用来确定钢板的预热温度和临界冷却速度z厚板的冷却速度z薄板的冷却速度焊接接头的形成冷却速度z焊缝金属的凝固速度对其金相组织、性能、对热处理的反应以及致密度有深远的影响z取决于线能量zSt：焊缝金属某一点从凝固开始到结束的时间间隔z是线能量初始温度的函数z若在钢板上堆焊一条焊缝，线能量为800J/mm，初始温度为25度，则St=0.94s焊接接头的形成焊接热循环z峰值温度随着离焊缝中心线距离的增大而迅速下降z达到峰值温度所需的时间随着距离焊缝中心线距离的增大而增大z加热速度和冷却速度都随着离焊缝中心线距离的增大而下降焊接冶金反应z手工电弧焊3个反应区：药皮反应区、熔滴和熔池反应区z熔化极气体保护焊两个反应区：熔滴和熔池反应区z非熔化极气体保护焊：只有熔池反应区手工电弧焊熔化极气体保护焊非熔化极气体保护焊焊接冶金反应z药皮反应区：温度100C至药皮熔点（钢材焊条1200C）z脱水：药皮加热时，吸附的水分开始蒸发，加热温度超过100C，吸附的水分全部蒸发；超过200-400C，药皮中某些组成物中(白泥、云母)的结晶水被排除z有机物和碳酸盐分解：药皮加热到一定温度时，其中有机物(木粉、纤维素和淀粉等)开始分解和燃烧，形成H2、CO、CO2等气体。焊接冶金反应z熔滴反应区：包括熔滴形成、长大及过渡到熔池中z反应温度高：熔滴的活性斑点处的温度接近材料的沸点，钢材约2800C，熔滴温度1800-2400C，过热度300Cz熔滴金属与气体或熔渣的接触面积大：是炼钢的1000倍z各相之间反应时间短：熔滴在焊条末端停留时间为0.01-0.1s，经过弧柱区的时间只有10-4-10-3s焊接冶金反应z熔池反应区：熔滴和熔渣落入熔池后，同熔化的母材相混合，同时各相间进一步发生化学反应，直至金属凝固形成焊缝。z熔化反应区的条件与熔滴反应区的条件不同，其平均温度约为1600-1900C，反应时间较长，手工电弧焊3s-8s，埋弧自动焊6-25s