1、焊接成型技术,陈茂爱,绪论 一、连接的分类 1）机械连接：利用铆钉、螺钉、螺栓、销钉等进行的连接。依靠机械力实现的连接,非永久性连接。一般用于需要经常拆卸的场合，铆钉连接除外。 3）粘接：通过粘接剂与工件之间的物理和化学作用将工件粘接起来。主要是分子作用力-范德华力. 3）焊接：主要学习的内容另外，切割、堆焊、喷涂等也属于焊接行业的范畴。 主要从事切割和焊接工作。 焊接被称为工业裁缝。,二、焊接的本质及分类 一)、焊接本质 焊接是通过适当的物理化学方法，使两个分离的固体通过原子间的结合力结合起来的一种连接方法。 1) 焊接的对象：固体结合金属金属金属非金属非金属非金属 2) 焊接本质：依靠原子
2、间的结合力通过原子间的结合力将两个固体连接起来，对于金属 来说，必须产生金属键，也就是说，被连接表面要接 近到原子晶格间距（0.30.5nm）。,3) 手段：要通过一定的物理、化学过程加热：熔化焊、钎焊加压：冷压焊加热+加压：电阻焊、扩散焊,放大,d要求达到： 0.30.5nm,1-10m,因此采取必要的措施: 加热 加压 加热+加压,d,油污和氧化物,二）焊接的分类：根据采用的手段,焊接,熔化焊：,钎焊：,压力焊：,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，除去氧化膜及其它污染物，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连接的方法。,利用一定的热源，使构
3、件的被连接部位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成一体的方法称为熔焊。,采用熔点比母材低的材料作钎料，将焊件和钎料加热至高于钎料熔点、但低于母材熔点的温度，利用毛细作用使液态钎料充满接头间隙，熔化钎料润湿母材表面，冷却后结晶形成冶金结合。,加热,压力焊：,钎料,加压,熔化焊,钎焊,加热,利用摩擦、扩散和加压等物理作用,熔化焊： 根据热源,电弧焊,气焊,铝热焊,电渣焊,电子束焊,激光焊,电阻点焊,电阻缝焊,根据热源来分类,电弧焊：,熔化极电弧焊,CO2气体保护焊,埋弧焊(SAW),熔化极氩弧焊(MIGMAG),钨极氩弧焊 （GTAW、TIG）,等离子弧焊（PAW）,非熔化极电弧焊,螺柱焊,焊条电弧焊
4、 (MMA),1、 电弧 2、熔滴过渡 3、焊缝成形 4 、各种电弧焊方法及设备5、 压力焊 6 、钎焊 7 、电源 8 、熔焊原理、材料的焊接性 9、焊接结构,二、 焊接的特点：与机械连接相比 1）焊接可将各个零部件直接连接起来，无需其他附加件，接头强度一般也能达到与母材相同，因此，焊接产品的重量轻、成本低。 2）焊接接头是通过原子间的结合力实现的连接，均匀性及整体性好、刚度大，在外力作用下不像机械连接那样产生较大的变形。 3）焊接结构具有良好的气密性、水密性，这是其他连接方法无法比拟的。,与锻件及铸件相比4）可连接不同类型的金属材料、不同形状及尺寸的材料，可使金属结构中材料的分布更合理。5
5、）可将结构复杂的大型构件分解为许多小型零部件分别加工，然后再将这些零部件焊接起来，这样就简化了金属结构的加工工艺、缩短了加工周期。6）焊接是一种“柔性”加工工艺，既适用于大批量生产，又适用于小批量生产。,第一章 焊接电弧,一 基本要求熟练掌握本章的基本概念，理解并掌握最小电压原理、电弧力。了解电弧各个区域的组成、导电机构、产热机构、交流电弧的特点以及阴极斑点的特点及其对焊接质量的影响。 二 基本概念电弧、气体放电、电离、电子发射、阴极斑点、阳极斑点、刚直性、磁偏吹、电离能、逸出功、电离电压、逸出电压 三 难点 1）最小电压原理 2）电弧的导电机构 四 重点 1）电弧、电离、气体放电、刚直性、磁
6、偏吹等一些基本概念。 2）电弧力。 3）电弧的产热机理。 4）阴极斑点的特点。 5）最小电压原理。,1-1 电弧物理基础,一、电弧的基本概念 1、电弧：电弧是一种气体放电 现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。不是燃烧。 2、气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。 非自持放电：放电本身不能产生导电所需的带电粒 子（A+、e）。 自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子 （A+、e）；有暗放电、 辉光放电、 电弧放电等三 种。,+,-,电弧,Ua,Ia,电弧放电 电流大于2A,辉光放电,暗放电,暗放电,自持放电,非自持放电,U,I,导体导电,二、 带电粒子的产生 产生方式： 电离： 气体
7、中性原子或分子（ A ）分离为正离子 （ A+ ）和电子（ e ）的过程。 电子发射： 金属表面逸出电子的现象（一）电离与激励1、电离：在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。A A+ + e - Wi 电离能：原子或分子电离所需要的能量,单位为ev 或J 电子伏eV：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。 电离电压：电离能/电子带电量。其他条件相同时,电离能小的物质可增加电弧稳定性,一次电离：AA+e n次电离：A（n-1）+An +e,2、 激励：气体原子得到的一定的能量，虽然小于Wi，但可 使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。 激励电压：
8、激励能Ue=We/e。3、能量传递方式 1） 碰撞：粒子间通过相互碰撞而交换能量弹性碰撞：仅发生动能再分配非弹性碰撞：交换的能量势能，从而导致电离或激励,2） 光幅射：在光的辐射下，中性粒子直接吸收光量子 的能量。,A,A+,A-,e,A,A,e,h eUi,4、电离的分类：1） 热电离：气体粒子受热的作用而产生电离实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。电离度：电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。最大0.12%热解离：在热量的作用下，多原子分子分解为原子。解离能：分子热解离所需要的能量2） 电场作用下的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞 使其电离的过程。主要是e的作用：电
9、子获得的能量是A+ 的4倍。3） 光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线 可见光、可使K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe 等 电离。,（二）电子发射1、基本概念 1） 电子发射：电子从金属表面逸出的现象。对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。 2） 逸出功（Ww）：电子发射所需的最小能量。 3） 逸出电压：Uw=Ww/e对电弧稳定性有重要影响:阴极Ww越小，引弧越容易，电 弧稳弧性越好。4）主要影响因素： 材料， K、Na之Ww较低。 表面状态：有氧化物时，逸出功降低。 加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低Ww。,-,2、分类1）热
10、发射：在热量的作用下产生的发射 产生条件：阴极温度足够高 特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。2）电场发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。 特点：对阴极的冷却作用较小。3）光发射：光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。4）粒子碰撞发射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。,库仑力,（三）负离子的产生 中性离子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热被称为电子亲和能。 A + e A- + W注意： 1）亲和能高的原子易形成A-，但高温下不利于放热反应。 2）交流电弧过零时易形成；易在电弧周边形成。 3）不利于电弧稳定
11、。含有CaF2的焊剂或药皮焊条不能用于交流电弧焊.（四）扩散与复合 扩散：电弧中心处A+、e较多，e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后，在e吸引下，A+也向周边运动。从而在周边复合 A+eA+Wi A+A2A+Wi,A-,A,e,+,A-,+,A,A,e,三） 电弧各区域的导电机构 （一）区域组成 由阴极区、阳极区、弧柱三部分组成。 1、阴极区：长度极短、电压较大、E（电场强度）极高 2、阳极区：长度也极短、电压较大、E极高 3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小,UA,UC,UK,阳极区,阴极区,弧柱,-,+,10-510-6cm,10-210-4cm,（二）弧柱区的导电机构 所谓导
12、电机构就是指带电粒子产生、运动方式。 1、带电粒子的产生1）电离：热电离 光电离 电场作用的电离2）阴极区注入的电子3）阳极区注入的正离子 2、带电离子的运动A+冲向阴极正离子流IA+e冲向阳极电子流IeI =IA+Ie其中：IA+ = 0.1%I Ie = 99.9%I3、特点：1）电中性；2）E小、Ua小,IA+,Ie,I,三、阴极区的导电机构 1、阴极区在导电过程中的作用1)产生弧柱区导电所需要电子流 Ie=0.999I2)接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I2、热发射型1）产生条件：W、C阴极，且电流很大2）带电粒子的产生方式：热发射热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产
13、生的 阴极。冷阴极：热发射能力不足的阴极。热阴极材料：熔点高的材料 冷阴极材料：熔点低的材料。3）特点：无阴极区、无阴极压降Vk,3、电场发射型导电机构 1) 条件： （a）W、C阴极、且I较小（b）Al、Fe、Cu作阴极 2) 带电离子产生方式（1）场发射（2）场电离 （3）热发射 （4）碰撞发射,3) 特点：（1）阴极附近存在正电荷区阴极区（3）阴极区断面收缩（4）阴极表面上产生阴极斑点,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,Uk,阴极区,弧柱区,电场发射型导电机构,阴极,热发
14、射,场发射,碰撞发射,场电离,0.999Ia,（四）阳极区的导电机构 1、阳极区在导电过程中的作用1)接收弧柱区来的电子流 Ie=0.999I2)产生弧柱区所需要的正离子流IA+=0.001I2、热电离1）产生条件：I较大2）带电离子产生方式：热电离3）特点： a)阳极压降小，甚至为0b)不存在阳极斑点。3、电场作用下的电离1）产生条件：I较小2）带电粒子的产生方式：热电离、场电离3）特点：a）有阳极区，阳极压降Uab) 发生收缩c)有阳极斑点,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-
15、,-,-,-,-,-,UA,阳极区,弧柱区,阳极压降的形成,+,（五）阴极斑点与阳极斑点 1、阴极斑点：阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。 1) 产生条件：a、W、C阴极且I很小b、Al、Fe、Cu作阴极且I很小 2) 某点充当阴极斑点的条件a、电弧通过该点时耗能最小b、该点能发射电子 3）特点a）电流密度大、温度高b）跳跃性及粘着性c）存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力d）自动寻找氧化膜，该特点对于铝、镁及其合金的焊接是非常重要的，见后面的阴极雾化作用。,+,+,-,焊接方向,+,-,A,A,B,焊接方向,粘着性,跳跃性,2、阳极斑点 1）产生条件：I很小2）点充当阳极斑点的条件a）通过该点
16、导通电流时，耗能最小b）易蒸发，产生金属蒸气3）特点：a、电流密度大、温度高b、粘着性、跳跃性c、避开氧化膜d、斑点力，阳极斑点力小于阴极斑点力,电弧稳定燃烧时，Ua与Ia的关系称为电弧静 特性。 下降区（负阻特性区）：电流密度不变 平特性区：E不变 上升特性区：影响因素： 1、弧长 2、气体介质导热性热分解性能 3、气体介质的压力,四、电弧的静特性,Ua,Ia,小电流TIG,TIG SAW MMA PAW,MIG MAG PAW,CO2气体保护焊,氩弧焊,手工焊,埋弧焊,Ua,Ia,L2,L1,L2 L1,纯Ar,Ar+20%H2,Ua,Ia,电离电压 Ar 15.7eV H 13.5eV
17、H2 15.5eV,弧长影响,物理性能：热分解、导热系数, 2-2 焊接电弧的产热及温度分布,一）、焊接电弧的产热机构 （一）弧柱的产热机构 电能热能的过程 1、 本质：A+、e在电场作用下被加速、使其动能增大的过 程。其宏观表现即为温度上升产热由于运动速度，自由程不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。 2、产热量Pc=Ia Uc主要用于散热损失 对流、幅射、传导 。 3 影响因素不仅取决于电流。影响Uc的因素均影响弧柱的产热。,（二）阴极区的产热 1 本质：产生电子、接受正离子的过程中有能量变化，这些能量的平衡结果就是产热，由三部分组成：1）电子逸出阴极时消耗能量： -
18、IaUw2）电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量：+IaUk3）电子进入弧柱时带走的能量：-IaUT（温度等效电压） 2、产热公式Pk=Ia（Uk-Uw-UT） 3、作用：用于加热阴极,（三）阳极区的产热机构 1、 本质：接受电子、产生A+过程中伴随的能量 转换，由三部分组成：1）电子流被UA加速所得到的能量：+Ia UA2）电子带来的逸出功：+IaUw3）电子带来的相当于弧柱温度那部分能量+IaUT2、产热公式PA=Ia（UA+Uw+UT） 3、作用用于加热阳极,二）、焊接电弧的热效率及能量密度 （一）电弧总产热Pa=PC+PA+PK = Ia（UC+UK+UA）=IaUa （二）
19、有效功率、热效率系数1 有效功率：用于加热工件和焊丝的功率Q2 热效率系数：=Q/Pa3 影响的因素：1）焊接方法：TIG焊低、MIG、SAW高2）焊接规范：Ua增大, 减小.3）外部条件（三）能量密度1 单位有效加热面积上的热功率，单位为w/cm22 功率密度越高,焊缝成形系数 B/H越小，焊接变形及HAZ越小。气焊 电弧焊 激光 电子束1-10 102-104 106-107 106-108,三）、电弧的温度分布 （一）电弧的轴向温度分布影响温度分布的因素：1、功率密度2、电极材料3、高熔点氧化物 （二）弧柱温度分布 1、轴向1） 二电极尺寸相等时，轴向温度分布均匀2） 二电极尺寸不等，轴
20、向温度分布不均匀，靠 近尺寸较小的一端，温度较高。,温度,电流密度,功率密度,-,弧柱的温度分布,T,T,r,L,2、径向 中心轴附近温度高，周边低 （三）影响弧柱温度的因素 1、电流，Ia T 2、气体介质：导热系数，热解离 T 3、电极材料 4、拘束度,2、径向 中心轴附近温度高，周边低 （三）影响弧柱温度的因素 1、电流，Ia T 2、气体介质：导热系数，热解离 T 3、电极材料:易于蒸发时,温度下降 4、拘束度：越大，电弧温度越高,_, 1-3 电弧力及其影响因素,一）、电弧力1、电磁收缩力 通过电弧（熔滴）的电流线之间的相互吸引力，对电弧或熔滴起着压缩作用，该力被称为电磁收缩力。 1
21、）圆柱形电弧,电弧压力,电弧推力,式中：I-电流，R-电弧半径，K-系数,作用于焊条及工件上,流态导体中电磁收缩力的影响,柱形导体中的电磁收缩力,流体中压力各个方向相同，因此作用于焊条及工件上的轴向力为：,2）锥形电弧,压力,锥形电弧中沿轴向存在压力差，导至一轴向推力：,式中：I-电流，Rb-锥形弧柱下底面半径，Ra-锥形弧柱上底面半径,2、等离子流力F推引起的高温气体流（等离子流）所形成的力叫等离子流力 作用： 1）促进熔滴过渡2）导致指状熔深 分布：轴线处大，周边小3、斑点力 由以下三部分组成,阴极斑点力大于阳极斑点力1）带电粒子撞击力阴：A+撞击 大阳：e撞击：小2）蒸发反力阴：T高，力
22、大阳：T低力小3）电磁收缩力阴：大阳：小,斑点力,4、爆破力 仅产生于短路过渡中，短路小桥汽化爆断所产生的力5、细熔滴的冲击力 仅产生于MIG焊射流过渡，熔滴以很大的加速度冲击熔池，形成冲击力二）、影响因素 1、气体介质 导热好，易解离的气体，电弧力，特别是斑点力较大。 2、电弧电流及电压 电流增大，电弧力增大；电压增大，电弧力减小。3、W极或焊丝直径 直径越小，力越大4、极性 ：TIG焊时，DCSP大；而MIG焊正好相反。,爆破力,1-4 交流电弧的特点,一、交流电弧:由交流电源供电的电弧 方波交流电弧:稳定性与直流没有区别 电流为50H正弧波的电弧被称为正弧波交流电弧。,一）方波交流电弧方
23、波交流电弧的电压及电流过零时，电流及电压的变化在 瞬间内完成，因此在较低的电压下（2040 V）就可 使电弧再引燃，基本上无熄弧时间，电弧稳定性很好。所以，方波交流TIG焊机无需任何稳弧措施。,二）正弦波交流 1、特点： 1）周期性地过0点2）再引燃 再引燃电压Ur：再引燃所需的电压。2、交流电弧的燃烧过程 1）纯阻性回路电弧阻性元件，因此ua、ia同相位，有熄弧时间te，当te较大时，难以引燃,t,电源电压,电弧电压,电弧电流,交流 电源,电感性回路,2）感性回路 利用电感的续流，蓄能作用，可将te降为0,1）提高空载电压。愈高，电弧就愈稳定。 2）降低引燃电压 3）在回路中串一合适的电感*
24、 4）提高电源频率有利于提高电弧的稳定性 5）采用方波交流*,3、提高电弧稳定性的措施,二）、交流电弧的加热及力的特点 1、加热 Pa不断变化，对工件的加热效果用有效热功率表示。Pa= Ua Ia -波形修正系数 Ua、 Ia- 电压及电流有效值2、电弧力的特点 介于DCSP与DCRP之间，不易导致指状熔深. 3、保护 在相同的条件下，保护效果较差。,1-5 刚直性及磁偏吹,一）、刚直性 所谓刚直性是指电弧作为一柔软的导体抵抗外界干扰，力求保持电流沿轴向流动的能力。 电弧的刚直性是由电弧自身磁场决定的，即电磁收缩力决定的。各运动的带电质点均受到指向焊条中心的力，该力使质点保持沿轴线流动。影响刚
25、直性的因素： 1）电流越大，刚直性越大； 2）拘束度越大，刚直性大 3）热解离导热性大 刚直性大,自身磁场对刚直性的影响 刚直性,二）、磁偏吹 1、 偏吹：电弧因周围磁力线不对称而偏向一侧的现象.偏向：磁力线疏的一侧2、引起磁偏吹的原因1）导线接法不合适2）铁磁性物质3）交流电弧的磁偏吹较较小原因： （1）涡流，涡流磁场低消原磁场（2）电弧偏吹运动为机械运动，而交流电弧的不均恒磁场以50Hz的频率变化。,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,磁偏吹,+,+,+,-,+,+,-,-,电流,+,F左,F右,接线位置引起的磁偏吹,+,+,+,+,-,-,+,-,+,+,+,+,-,+
26、,+,-,-,电流,+,F左,F右,磁性物质引起的磁偏吹,-,-,-,-,+,+,1-6 引弧及熄弧,1、引弧： （1）接触引弧 1）爆裂引弧： 适用于细丝，其基本过程是：首先使焊丝与工件短路，在较大的短路电流的作用下，焊丝与工件的接触部位发生爆断，引燃电弧。 2）慢送丝引弧适用于粗丝，基本方法及原理与爆裂引弧类似，其不同点是通过缓慢送丝使焊丝与工件接触，以保证引弧的可靠性。 3）回抽引弧回抽引弧主要用于埋弧焊，焊前首先使焊丝与工件接触，焊机启动后，焊丝回抽将电弧引燃。,（2）非接触引弧 用高电压击穿间隙使电弧引燃。引弧器有两种，高频高压引弧和高压脉冲引弧。前者是在工频电源的半波时间内振荡一小
27、段时间，频率为150-250kHz,电压峰值2000-3000V,后者每半波产生一个3000-5000V的高压脉冲。,应用场合:钨极氩弧焊和等离子弧焊。,2、熄弧方式 1）焊丝返烧熄弧返烧熄弧时，先停止送丝，电弧继续燃烧，弧长逐渐增大，经过一定时间后切断电源，电弧熄灭，停止焊接。 2）电流衰减熄弧首先停止行走，使焊接电流及送丝速度衰减，填满弧坑后，再停止送丝并切断电源。,1-7 焊接电弧的分类及其特点一 、自由电弧 自由电弧可分为不熔化极电弧和熔化极电弧两种。 （一）不熔化极焊接电弧 电极本身在焊接过程中不熔化，没有金属熔滴过渡，通常采用惰性气体保护。 （二）熔化极焊接电弧 在焊接电弧燃烧过程
28、中，电极不断熔化并过渡到焊接工件上去。根据电弧是否可见又分为明弧和埋弧两类。,二、压缩电弧自由电弧经过强迫压缩，得到一种温度更高、能量更集中的电弧，称为等离子弧。等离子弧又分为以下三种形式： 1、转移型等离子弧： 电极接负极，工件接正极。 2、非转移型等离子弧： 电极接负极，喷嘴接正极。 3、混合型等离子弧,三、脉冲电弧 电流为脉冲电流的电弧称为脉冲电弧。可分为直流和交流。它与一般电弧区别在于，电弧电流从基本的维弧电流幅值周期的增大到脉冲电流幅值。可看成由维持电弧和脉冲电弧两种电弧组成。维持电弧用于维持电弧的连续燃烧；脉冲电弧用于加热工件和焊丝，并使熔滴从焊丝脱落和向工件过渡。,第二章 焊丝的
29、加热及熔滴过渡, 要求 1、 熟练掌握焊丝熔化速度、熔化系数、熔敷速度、熔敷效率、 熔敷系数、熔滴过渡及飞溅等基本概念。 2、 掌握熔滴上受到的各种力及其对过渡的影响； 3、 了解熔滴过渡的基本分类，各类熔滴过渡的基本特征； 4、 掌握各种焊接方法的熔滴过度特点。 5、 了解固有自调节作用。,2-1 焊丝的加热及熔化,一）、加热热源： （一）电弧热极区产热 焊丝接阴极时：Pk=I（Uk-Uw-UT）I（Uk-Uw）UT很小，大概只有1V左右。 焊丝接阳极时：PA=I（UA+Uw+UT）IUwUA很小，可忽略。讨论：TIG焊：PAPkMIG焊：PKPAPk受多种因素影响，而PA取决于电极材料则不
30、。,LH,电源,送丝轮,导电嘴,la,（二）干伸长度上的电阻热 干伸长度：焊丝伸出导电嘴之外的长度LsPR=I2 RS =I2 Ls/S 影响因素：1）钢焊丝的大，因此干身长度的电阻热之 影响较大；铝、铜PR小2）Ls越大，dS越小，则PR越大（三）总热源P = Pa + PR= I（Um+IRs）式中： 焊丝接阴极时，Um=（Uk-Uw）焊丝接阳极时，Um=Uw,二）、影响熔化速度、熔化系数的因素 （一）基本概念 熔化速度m：单位时间内焊丝的熔化量。单位：g/s cm/s 熔化系数m：单位时间内，由单位电流所熔化的焊丝量（长 度，重量）单位：g/A.S Cm/A.Sm= m /I（二）影响因
31、素 1、电流 电流越大，熔化速度越大。m = K I（Um+IRs）m = m /I= K（Um+IRs）,显然： 1）电流1） I增大， m增大2） 对于Al焊丝，m几乎与I无关，对于钢焊丝，m 随着I的增大而增大。 2、电压Ua（La）大时， m与Ua无关Ua（La）较小时，Ua下降时m 增大（如I不变则m ） ，使电弧具有保持弧长稳定的能力。 固有自调节作用：弧长较短时， m随La下降而增大， 使得电弧具有抵抗外界干扰的保持稳定不变的能力，这 种能力被成为固有自调节作用。,Ua,Ia,m= f,铝,Ua,Ia,钢,熔化极氩弧焊等速送丝时电弧稳定燃烧时，电流、电弧电压与熔化速度之间的关系,
32、3、焊丝的极性焊丝接负时， m较大焊丝接正时， m较小4、气体介质焊丝接阳极时： m =k Pm=K I Uw与气体介质无关焊丝接阴极时： m =k I（Uk-Uw）Uk与气体介质有关， 因此气体介质影响熔化速度，例如在Ar中加CO2可使 m增大5、电阻热钢焊丝：ds越长，电阻热的影响越大。铝焊丝，电阻率很小，影响不大。,2-2 熔滴过渡和飞溅,一）、基本概念 熔滴过渡：焊丝端部在电弧热量作用下熔化形成熔滴，熔滴在电弧力的作用下进入熔池的过程。 飞溅：熔化的焊丝金属飞到熔池之外的现象称为飞溅。,一）、基本概念熔滴过渡：焊丝端部在电弧热量作用下熔化形成熔滴，熔滴在电弧力的作用下进入熔池的过程。飞
33、溅：熔化的焊丝金属飞到熔池之外的现象称为飞溅。,二）、熔滴上的作用力 （一）表面张力不同情况下的作用是不一样的，有两种情况1、焊丝与熔滴间的表面张力F，阻碍过渡，将熔滴保持在焊丝上。2、熔滴将焊丝与工件短路时，熔滴与工件间的表面张力 促进过渡 F=2RD影响的因素： 1）材料类型，例如，铁的表面张力系数大于铝 2）温度，温度上升，表面张力系数降低 3）表面活性物质，如钢液中有S或O时，表面张力系数降低。,F=2Rs,式中：为表面张力系数，Rs为焊丝半径。,F,F,F,表面张力,（二）重力熔滴的重力Fg=mg=,r熔滴半径 ，密度,作用： 1）平焊时促进过渡； 2）立焊，仰焊时阻碍过渡。,Fmg
34、,重力,（三）电磁收缩力 电流线通过熔滴时的电磁收缩力 1） 当Sb（斑点面积）Ss时,电磁线在熔滴中发散,F推向下,促进过渡。（四）斑点力 其作用亦与斑点面积有关： 1）Sb较大时，不阻碍过渡,有时甚至促进过渡 2）Sb较小时，阻碍过渡,（五）爆破力 熔滴爆破时，爆破力指向四面八方，即促进过渡，又导致飞溅（六）等离子流力 从焊丝指向工件，总是促进过渡,FP,爆破力,二）、熔滴过渡的主要形式及特点 （一）自由过渡 熔滴脱离焊丝，由电弧空间进入熔池。 1、大滴过渡：出现在电流较小、电弧电压较大时。1）大滴过渡：MIG焊特点：（1）aD=g（2）轴向（3）dDds2）大滴排斥：CO2焊特点：（1）
35、aD=g（2）非轴向，有飞溅（3）dD ds,2、喷射过渡1）射滴:条件：1）铝焊丝MIG焊,2）IfIL,Ua较大特点：（1）aDg（2）dDds（3）轴向性好（4）一次一滴,2）射流：条件：（1）钢焊丝MIG焊（2） IfIL,Ua较大特点：（1）aDg（2）dDds（3）轴向（4）连续束流,2、细颗粒过渡条件：CO2焊中。电流和电压均较大。特点： （1）aDg（2）非轴向（3）DD ds类似于射滴，但没有固定的临界电流。,（二）接触过渡 1、短路过渡 条件：1）细丝CO2焊，且Ua小，Ia小 特点：1）电弧稳定2）稍有飞溅,短路过渡过程及电流、电压波形,2、搭桥过渡出现在填丝TIG焊中。
36、,（三）渣壁过渡1、沿熔渣壁过渡埋弧焊DCSP：熔滴尺寸大，过渡频率低DCRP：尺寸小，f大。 I f2、沿套筒过渡产生于SMAW条件：1）厚药皮2）酸性药皮,三）、飞溅及熔敷系数（一）飞溅1、飞溅的原因：a）爆破力b）斑点力不对称c）气体从熔滴或熔池中析出2、影响飞溅的因素a）焊接方法，CO2焊大，MIG小b）规范，例如CO2焊c）过渡形式,I,飞溅率,A,B,C,（二）熔敷效率，熔敷系数1、基本概念熔敷效率： 过渡到焊缝中的焊丝金属重量与熔 化的焊丝重量之比。熔敷系数： 单位时间内由单位电流熔敷到焊缝 中焊丝金属重量y损失系数：2、影响熔敷系数的因素：1）焊接方法SAW、MIG、MAG、C
37、O2、MMA依次减小。2）焊接参数特别是， CO2焊接，电流增大时，熔敷效率增大,第三章 母材熔化和焊缝成形,一、基本要求 1、熟练掌握标征熔池及焊缝形状尺寸的几个参数； 2、熟练掌握热输入、线能量、熔深、熔宽、成形系数、余高、熔合比等基本概念； 3、了解作用于熔池上的力 4、熟练掌握焊接参数对焊缝形状尺寸的影响 5、了解各种焊缝缺陷形成的原因及预防措施。,二、重点1、热输入、线能量、熔深、熔宽、成形系数、余高、熔合比等基本概念；2、标征熔池及焊缝形状尺寸的参数3、焊接参数对焊缝形状尺寸的影响,3.1 电弧热与熔池形状尺寸的关系,一）、电弧的热输入（一） 热输入：输入至工件的热功率或单位时间
38、内输入至工件的热量。q = 0.24 Ua Ia-电弧加热工件的热效率（二） 电弧加热工件的热效率,电弧热损失：1）幅射，对流、传导散热2）加热W极，焊条头的热量3）加热焊剂4）飞溅热损失影响的因素：1）焊接方法：TIG、 CO2 、 MIG、SAW的依次增大2）焊接规范 （三）、熔池的形状及表征参数1 熔池的基本概念由母材上熔化的金属（焊丝、工件）组成的、具有一 定几何形状的液态属属叫熔池。引弧后。经过一过渡期后， 熔池稳定，形状不再发生变化。熔池的形状为一半椭球形。,H,l1,l2,x,y,z,熔池的形状尺寸,B,2 熔池的表征参数：可用下列几个参数表征：a）熔宽Bb）熔深c）前部长度L1
39、d）尾部长度L2在做出一些假设的基础上，可推导出上述几个尺寸与 焊速s，热输入q之间的关系。,式中： Tm材料的熔点导热系数a 热扩散率c 比热密度,B = 2H,B=2H,（四）、工件上的比热流,1、基本概念比热流：加热斑点内通过某一部位的单位面积输入至工件的热功率。,式中： q（r） 离中心距离为r的某点的比热流 qm中心处的比热流 k电弧集中系数,由,可推导出：,2、比热流的影响影响 1）Ua：Ua增大，r k qm 2）Ia：Ia增大， r稍有增大，k下降，q增大，qm增大 3）钨极尖角及直径 dw增大或w增大，qm减小3、比热流对熔池尺寸的影响 K 则H B K 则H B （焊速大时
40、）B （焊速小时）,定义：,式中,为加热斑点的半径,qm,0.005qm,3-2 作用于熔池上的力及力对熔池的影响,一、使熔池凹陷的作用力 1、电弧静压力及动压力Fp、Fc均指向熔池，使之凹陷，热源下移，有利于增 大H。MIG焊时的Fp易于导致指状熔深。2、细熔滴的冲击力使熔池凹陷，增大H，易于导致指状熔深 3、熔池金属的重力 其大小正比于熔池体积 焊时，使熔池凹陷。 立、仰、横焊时，重力使熔池不稳，易于使熔池下坠。,FP及FC,电弧力,细熔滴的冲击力,二、影响熔池对流的力 1、TIG焊时的等离子流力等离子流挺度较小，碰到熔池后，沿着熔池向外走。因此：表面：从中心向四周流中心：从下至上熔池浅而
41、宽。 2、浮力中心：从下至上熔池浅而宽。 3、电磁力 熔池上形成斑点时，电流进入熔池后发散，形成向下的推力，导致涡流换热。增大熔深,4、表面张力 在F的作用下，液金从小的地方向大原地方流。 驱动力：体系表面自由能的减少。 影响换热及润湿角，从而影响焊缝的形状及表面轮廓。,1）如：,则表面液态金属由中心向四周流，熔池浅而宽。,2）如：,表面液金从四周向中心流，使熔池深而窄。,熔池表面,熔池表面及内部,表面：从中心向四周流中心：从下至上熔池浅而宽。 2）含O、S、Bi正好与前面相反,1）不含O、S等表面活性物质,讨论：,3-3 焊缝形状参数及工艺因素对它的影响,一）、焊缝形状参数及其与焊缝质量的关
42、系 基本参数有：H、B、a 1、熔深H：Hweld=Hpool，直接影响承载能力2、熔宽B：Bweld=Bpool3、=B/H被称为焊缝成形系数 意义： 1）影响气孔敏感性2）影响结晶方向3）影响中心偏析大时较有利，一般应大于1.25,FH,Fm,Fm,FH,H,B,a,FH,Fm,H,B,FH,Fm,4、余高a：1）防止因疑固收缩而造成的缺陷2）增大承受静载的能力3）造成应力集中4）疲劳寿命下降一般规定：a=03mm或B/a48 5、熔合比：母材金属在焊缝中的含量,调整熔合比可调整焊缝化学成分，改善性能。 一般通过开坡口来实现。,二）、影响焊缝形状尺寸的因素 （一）焊接电流IaIa增大，H增
43、大，a增大，B基本不变1、 Ia Fa热源下移Hq= IU qm HH=km I2、 Ia增大，电弧分布半径增大但潜入工件深度大，限 制r有效增大，B基本不变或略有增大。3、 Ia，焊丝熔化量增加，B不变， a（二）电弧电压Ua q增加不多， 增大，qm减小，因此，B增大，H、a 减小。通常，Ia选定后，Ua也基本上定下来了。总是根据板厚选Ia ，再由Ia选定Ua。,（三）焊接速度将q/w 定义为线能量，即单位长度的焊缝上 输入的热量。w增大时，q/w减小，H、B、a等均减小为了促进生产率，应提高w ，但为了保证焊 透，应同时提高Ia，即采用大电流高速焊，这 种方法易引起咬边。通常采用双弧焊或
44、多弧 焊来提高焊接速度。,（四）电流的种类及极性TIG：,（五）电极形状、尺寸、伸出长度,MIG焊：,ds减小,qm,H、a B,MIG、CO2、SAW等：,TIG焊：,dw w, qm,H B变化不大,Ls减小,qm,H、a ,（六）坡口、间隙用于增大H，调整熔合比，改善结晶条件。坡口、间隙越大，a（七）电极倾角前倾：电弧下液态金属厚，电弧潜入深度小，所以 HBa后倾：相反 （八）工件倾角下坡焊：重力阻止液金后排，电弧潜入深度减小， HaB，易于导致满溢，未焊透等上坡焊：相 反。I过大会导致咬边等缺陷,（九）工件材料 1、比热容C：C，Vm，则H及B 2、密度：则H 3、板厚： 当H0.6时
45、，无影响 （十）焊剂、药皮及气体 焊剂： 稳弧性差Ek B H 大压力大EH 颗粒度小压力大EH 气体：导热性高、解离严重 弧柱收缩EH,3-3 焊缝缺陷,主要有： 气孔、裂纹、夹渣、未焊透、未熔合、烧穿、咬边、 焊瘤 一）、未焊透熔焊时，接头根部未完全焊透的现象。最易发生在短路过渡 CO2焊中。原因： 1、Ia太小2、w太大3、坡口尺寸不合适二）、未熔合熔焊时，焊道与焊道间或焊道与母材间未完全熔化结合的部 分叫未熔合。 原因： 1、高速大电流焊2、上坡焊,三）、烧穿 熔焊时熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔的现象叫烧穿。 原因： 1、Ia过大2、焊接速度过小3、坡口尺寸过大四）、咬边 沿焊趾的
46、母材部位烧熔成凹陷或沟槽的现象叫咬边。 原因： 1）大电流高速焊2）角焊缝、焊脚过大或Ua过大 五）、焊瘤 熔焊时熔化金属流淌到焊缝以外未熔合的母材上形成金属瘤的现象叫焊瘤。,原因： 1、坡口尺寸小2、Ua过小3、干伸长度太大 六）、凹坑 焊缝表面低于母材表面的部分叫凹坑。 原因： 1）Ia太大2）坡口尺寸太大 七）、塌陷 焊缝表面塌陷，背面凸起的现象。 原因： 1）Ia太大2）焊接速度太小,3-3 焊缝成型,良好焊缝成型的标准： 1、无缺陷 2、表面圆滑 基础：首先要保持住熔池，如何保证熔池稳定在很多条件下是一个难题。 一、平面内直缝的焊接 1、平焊：最容易成型 薄板用单面单道焊 厚板：单面
47、多道焊、双面多道焊 最困难的是第一道焊缝：自由成型、强制成型 2、其他位置的焊接 问题：熔池在重力作用下易于流淌 解决方法：强制成型、小电流（脉冲+摆动）,二、曲面焊缝的焊接 环焊缝、螺旋焊缝,e,1、焊头固定： 防止熔池金属的流淌： 逆着焊接方向偏移一定位置。 2、全位置焊接 1）分段 2）减小线能量，采用脉冲TIG焊,第四章 埋弧焊,一、基本要求 1、了解埋弧焊特点及应用 2、熟练掌握埋弧焊的治金特点 3、掌握自动焊的焊接焊接参数自动调节原理及方法 4、了解埋弧焊焊机的分类及基本原理 5、熟练掌握埋弧焊工艺三、重点 1、埋弧焊的治金特点 3、自动焊的焊接焊接参数自动调节原理及方法 4、埋弧焊焊机的分类及基本原理 5、掌握埋弧焊工艺,基本原理,4-1 埋弧焊的特点及应用,一）、埋弧焊的特点 焊剂下燃烧，依靠熔渣保护，效果好。 1、优点1） 生产率高，因为：a）电流密度大，b）大2） 焊缝质量好，因为：a）熔渣的保护效果好，焊缝含N量低，b）焊接参数稳定；C）熔池存在时间长，气孔少3） 劳动条件好劳动强度低，无弧光辐射。 2、缺点a) 仅用于平焊b) 不能焊Al、Ti等活泼金属c) 只能焊长焊缝d) 只适于厚板E大、电流小时电弧不稳,
