电焊基础知识课程教案.docx
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电焊基础知识课程教案
电焊基础知识课程教案
霸州市职成教育总校赵凤岭
绪论
第一章 电弧焊基础知识
第二章 焊条电弧焊
第三章 埋弧焊
第四章 二氧化碳气体保护电弧焊
第五章 熔化极惰性气体保护电弧焊
第六章 钨极惰性气体保护弧焊
第七章 等离子弧焊接与切割
第八章 电阻焊
第九章 钎焊
第十章 其它焊接方法介绍
绪 论
一、焊接及其在现代工业中的地位
1、焊接(Welding)及其本质
定义:
实质:
焊接在现代工业中的地位
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。
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)
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。
工业生产的发展,对焊接技术提出了更多、更高的要求二、焊接方法分类及发展概况(重点、难点,解释清楚三大类焊接方法的本质区别)
1、焊接方法的分类及特点
分类(族系法):
熔焊 固相焊(压焊) 钎焊
2、焊接方法的发展概况
公元前 锻焊、钎焊(中国)
1881年:
法国人发明了最早期的碳弧焊机
1856年:
英格兰物理学家JamesJoule发现了电阻焊原理1862年:
用二碳化钙生产出乙炔气
1885年:
美国人ElihuThompson获得电阻焊机专利权气焊
1900年前后:
铝热剂焊
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
1930s:
钨极氩弧焊、埋弧焊
1950年:
电渣焊首次用于生产(俄罗斯)
1956年:
摩擦焊(俄罗斯)
1957年:
在熔化极气体保护焊中使用CO2作为保护气体(美国、英国和俄罗斯)
1950s:
电子束焊(法国)
1960s:
激光焊(美国)
1991年:
搅拌摩擦焊(英国)
现状
国内
焊接大国——钢产量多年保持在>1亿吨/年,消耗焊材>100万吨
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
焊接的数字化水平低
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
数字技术在焊接上的应用正逐渐推广普及
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
三、本教材的内容和学习方法(重点)
1、教材的内容与学习要求
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①气体保护焊(MAG/CO2/MIG、TIG)②埋弧焊
学习方法建议:
①牢固掌握基本概念、原理
②勤于动手,理论联系实际(途径:
多参加工程实践并制订工艺)
③善于总结对比,条理清楚
第一章 电弧焊基础知识
第一节 焊 接 电 弧
目的与要求:
了解电弧的实质、获得的途径、电弧各区域及其导电机构的特点、能量与温度的分布规律;掌握电弧偏吹的概念及影响因素、解决措施。
一、焊接电弧的物理基础
(一)电弧及其电场强度分布
电弧的实质:
气体放电(导电)
电弧的特点:
低电压、大电流、温度高、亮度大
(二)电弧中带电粒子的产生
获得电弧的途径:
气体电离+电子发射
1、电离的种类:
热电离 场致电离 光电离
电离能及其与引弧的关系
2、(阴极)电子发射
热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射
逸出功及其与引弧的关系
1、电离的种类:
热电离 场致电离 光电离
电离能及其与引弧的关系
2、(阴极)电子发射
热发射 场致发射 光发射 粒子碰撞发射
逸出功及其与引弧的关系
二、焊接电弧的导电特性
电弧的三个区域:
阴极区 弧柱区 阳极区
(一)弧柱区的导电特性
最小电压原理(难点,通过水珠的形状与能量的关系辅以解释说明)
(二)阴极区的导电特性
1、热发射型
2、电场发射型 阴极斑点
(三)阳极区的导电特
1、阳极斑点
2、阳极区导电形式
三、焊接电弧的工艺特性
电弧的工艺特性主要包括:
热能特性、力学特性、电弧稳定性等。
(一)电弧的热能特性
1、电弧热的形成机构
电弧的弧柱、阴极区、阳极区的产热特性各不相同。
⑴弧柱的产热
⑵阴极区的产热特性
⑶阳极区的产热特性
2、电弧的温度分布
⑴轴向-两极区低弧柱区高
⑵径向-中心高四周低
3、焊接电弧的热效率及能量密度
电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形式散失,所以会存在热效率问题。
能量密度分布:
轴向-两极区大弧柱区小
径向-中心大四周小
(二)、电弧的力学特性
1、电弧力类型及作用(重点)
电磁(收缩)力——使电弧获得刚直性,促进熔滴过渡
等离子流力——促进熔滴过渡
斑点(压)力——阴极>阳极/阻碍熔滴过渡
电极材料蒸发的反作用力——阴极>阳极/阻碍熔滴过渡
熔滴(droplet)冲击力——对熔池造成冲击
短路爆破力——短路时产生,导致飞溅
2、电弧力的主要影响因素
气体介质、焊接电流和电压、焊丝(条)直径、极性和电极端部形状等。
四、焊接电弧的稳定性
电弧稳定性的概念(P19)
影响电弧稳定性的因素:
电源、外界因素、药皮(芯)(焊剂)、磁偏吹等
第二节焊丝的熔化与熔滴过渡
目的与要求:
了解并掌握焊接电弧热和力的特点。
掌握溶滴过渡的形式、特点,初步掌握其应用。
一、焊丝的加热和熔化特性
(一)焊丝的热源
焊丝熔化的热源 电弧热(主)+电阻热(次)
(二)焊丝的熔化特性
焊丝的熔化特性——焊丝的熔化速度与焊接电流之间的关系
区别清楚与焊丝熔化有关的几个概念:
熔化速度(mm/min&kg/h) 熔化系数(g/A?
h)熔敷系数(g/A?
h)熔敷速度(kg/h) 熔敷效率(%)飞溅率(%) 损失系数(%)
焊丝的熔化特性主要受焊丝材料、直径和伸出长度等因素影响。
二、熔滴上的作用力(重点)
熔滴上的作用力是影响熔滴过渡及焊缝成形的主要因素。
1、重力 2、表面张力 3、电弧力(注意其包含几项力在内!
)4、熔滴爆破力 5、电弧的气体吹送力
在不同的焊接条件下,力的种类、大小不同,形成了不同的熔滴过渡形式
三、熔滴过渡及特点(难点:
从力的角度出发、从其规律讲起)
熔滴过渡过程复杂,对电弧的稳定性、焊缝成形和冶金过程均有影响。
规律:
随着电流的增加,熔滴过渡的体积减小、频率加快。
熔滴过渡:
自由过渡、接触过渡、渣壁过渡
每一种又可以再分为不同的亚型。
目前,熔滴过渡的名称尚未规范、统一。
自由过渡(重点):
滴状过渡
喷射过渡:
易在(富)氩气氛种获得,熔深大\熔敷效率高,适用于中、厚板平位置的填充、盖面。
(有上、下限电流\可加脉冲)
爆炸过渡?
接触过渡:
短路过渡(重点):
在各种气氛中,低电压、细焊丝(小电流)(但电流密度不小)均可获得;热输入小、焊接变形小、全位置焊性能好但一般飞溅较大;适用于薄板焊接或中厚板的打底焊接。
搭桥过渡?
渣壁过渡:
沿渣壳(埋弧焊) 沿套筒(焊条电弧焊)
常见焊接方法的熔滴过渡形式
焊条手工焊
酸性焊条:
细滴过渡
碱性焊条:
粗滴过渡+短路过渡
CO2焊:
滴状过渡(粗丝)、短路过渡、表面张力过渡(STT)(细丝)
MIG(焊铝):
喷射过渡、亚射流过渡
MAG(熔滴过渡形式最多、最灵活):
短路过渡
关于熔滴过渡技术的最新发展(特别介绍)
STT、冷金属过渡(CMT)
双脉冲(超脉冲)(doublepulse、superpulse)过渡
第三节 母材熔化与焊缝成形
目的与要求:
了解焊丝加热和熔化的过程,了解并掌握焊缝形成的规律及其与焊接质量的关系。
一、焊缝(weld)形成过程
母材熔化形成熔池/熔池凝固形成焊缝——熔池形状与焊缝质量有关(《熔焊原理》)
二、焊缝形状与焊缝质量的关系
焊缝成形的基本参数:
熔深(penetration或depthofpenetration)
熔宽(width)
余高(reinforcement或excessweldmetal)
焊缝成形系数(formfactorofweld)=焊缝宽度/焊缝厚度
三、焊接工艺因素对焊缝成形的影响(重点)
1、焊接工艺参数
焊接电流(主要影响熔深):
I↑→熔深↑、熔宽稍↑、余高↑
电弧电压(主要影响熔宽):
U↑→熔宽↑、熔深↓、余高↓
焊接速度:
增加,则熔深、熔宽、余高均减小
2、其它工艺因素
焊丝直径 焊丝伸出长度 坡口角度及间隙 板厚电极倾角
四、焊缝成形缺陷及产生原因(难点,对照标准,以图及照片对比说明)
焊缝的形状缺陷:
20种
参见GB/T6417-1986《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》
第二章 焊条电弧焊
第一节焊条电弧焊的原理及特点
目的与要求:
了解焊条电弧焊的原理和特点及其适用范围。
一、焊条电弧焊的基本原理
气——渣联合保护的熔化焊
二、焊条电弧焊的特点
优点——灵后性好:
操作以后,对装自己实求低,可焊材料广
缺点——①生产率低;②人为因素强
第二节焊条电弧焊设备及工具
目的与要求:
了解焊条电弧焊设备的种类、性能特点,掌握常用工具的选择与使用。
一、对焊条电弧焊设备的要求(难点)
1、对处特性形状的要求陡降理想处特性(多特性)
2、又控载电区的要求交流55~70V直流45~85V
3、对调节特性的要求(三种形式P36图2-4)
4、对动特性要求动态响应特性
二、常用焊条电弧焊机简介(重点)
1、弧焊变压器(交流弧烛机)(BX系列)
动铁(芯)式动圈(绕组)式抽头式
2、直流弧焊发电机(AX系列)(已淘汰)
3、弧焊整流器
(1)硅弧焊整流器(ZXG系列)
(2)晶闸管式焊整流器(ZX5系列)
4、弧焊逆变器(ZX7系列)
★四者的性能特点比较(P38)
▲补充:
焊条电弧焊机(直流)常见的功能的认识
三、焊条电弧焊所用工具
1、电焊钳(300A500A)
2、面罩/护目镜
3、焊条保温筒
4、焊缝尺
5、渣锤
6、钢丝刷(什么钢?
)
7、气铲、角磨机
第三节焊条电弧焊工艺
目的与要求:
了解并掌握焊条电弧焊工艺的内容、工艺参数与措施的制定。
一、焊接接头形式、坡口和焊缝
1、接头形式各种形式
2、坡口:
焊透调熔合比
3、焊缝各种形式 其表示法参见GB/T324-1988
二、焊接工艺参数及选择(重点、难点,通过工艺实例说明)
焊接工艺参数的内容;Φ、Ι、U、V……
1、焊条直径:
2.0、3.2、4.0mm
选择依据:
板厚、位置、层数、接头形式
(原则:
能大则大→效率高)
2、电源种类及极性
交流直流多用反接
3、焊接电流I≈45Φ
选择依据:
焊条类型、直径、板厚、接头形式、位置、层数等。
(原则:
能大则大→效率)
4、焊接层数的选择:
n=S/d每层不大于4~5mm
5、焊接电流与焊速的控制
(1)弧压:
①尽量用短弧;②直流机调电压;
(2)焊速:
①手工焊接一般不控制焊速;②看熔地状况
三、焊条电弧焊的基本操作技术
第三章埋弧焊
第一节 埋弧焊的原理及特点
目的与要求:
简要了解埋弧焊的原理、特点及应用。
一、埋弧焊的工作原理
定义:
电弧在焊剂层下燃烧以进行焊接的方法(Submergedarcwelding)
埋弧焊的过程
埋弧焊的特点 优点:
生产效率高、焊接质量好、劳动条件好
缺点:
难以全位置焊、对焊前装配要求高、不适宜焊接薄板/短缝、适焊材料受限
埋弧焊的适用范围
材料:
碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢、镍基合金、铜合金等
结构:
具有长而规则焊缝的大型结构,如船舶、压力容器、桥梁、起重机械等
位置:
平位置
第二节 埋弧焊设备
目的与要求:
了解埋弧焊的自动调节原理,掌握埋弧焊常用辅助设备的功能与使用。
一、焊机编号:
参见GB/T10249-1988《电焊机型号编制方法》
如MZJ2-1000(额定电流为1000A的横臂式交流埋弧自动焊机)
电源:
埋弧焊多用较粗的焊丝,常用电弧电压自动调节的变速送丝式焊机(陡降外特性电源);细丝时可用电弧自身调节的等速送丝 式焊机(缓降外特性电源)
多用交流电源(可减小电弧的磁偏吹);
新式焊机用逆变电源(体积小、重量轻、能耗低)小车:
用于通用埋弧焊,配导轨使用。
小车上通常包括送丝/行走驱动装置、焊剂斗、焊丝盘和控制面板等。
一般多用内绕式焊丝盘(也可以用开式焊丝盘)。
小车机头上的导电嘴有滚动式、夹瓦式和管式,以夹瓦式多见。
二、辅助设备(补充)
通用焊机(小车式)通常用于平板的拼接和工字/T形/箱形梁的角缝等简单构件的焊接,筒体的纵、环缝和复杂结构的焊接还要升 降机构和焊接滚轮架(变位机)的配合。
滚轮架(用于圆筒形结构焊缝的焊接)
变位器(用于把焊缝置于平焊位置)
升降机构(用于提升机头)
焊剂垫(用于在背面承托熔池),有带式、盘式和热固化焊剂垫等多种形式。
夹紧机构(用于固定焊件,多用于专机上)
另外,在有的埋弧焊机(特别是各种专机)上还会有焊剂回收装置和焊缝跟踪传感器等。
三、操作使用(现场讲解)
第三节 埋弧焊的焊接材料与冶金过程
目的与要求:
以常用典型材料的焊接为例,了解埋弧焊的冶金原理,复习埋弧焊丝、焊剂的概况,掌握其匹配选用。
一、埋弧焊的焊接材料及选用
(一)焊剂(flux)
型号:
参见GB/T5293-1999《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》、GB/T12470-1990《低合金钢埋弧焊用焊剂》及GB/7854-1999《埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂》
牌号:
熔炼焊剂HJχχχ 烧结焊剂SJχχχ
(二)焊丝(wire)
参见GB/T14957-1994《熔化焊用钢丝》、YB/T5092-1996《焊接用不锈钢丝》及GB/T10045-1998《碳钢药芯焊丝》、GB/ T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》
注:
现行焊丝、焊剂的型号编制规则比较复杂
直径系列(mm):
熔化焊用钢丝、焊接用不锈钢丝:
1.6、2.0、2.5、3.0、3.2、4.0、5.0、6.0
碳钢药芯焊丝、低合金钢药芯焊丝:
1.2、1.4、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、4.0
焊丝、焊剂的选用(重点,以常见材料的焊接实例来辅助说明)
原则:
焊丝、焊剂要匹配选用,在满足技术要求的前提下考虑经济性。
结构钢按等强原则选用焊丝,专业用钢(不锈钢、耐热钢等)按化学成分相同或相近的原则选用焊丝,有时焊丝的合金元素含量要比母材的稍高。
熔炼焊剂便宜易得,成分均匀,相对不易吸潮,但合金过渡系数低,通常只适宜于碳素结构钢和某些低合金结构钢的焊接;焊接合金钢时应选用氧化性低的焊剂,以减小合金元素的烧损。
烧结焊剂稍贵,容易吸潮,但合金过渡系数高、脱渣性好,适用于高合金钢和不锈钢等钢种的焊接。
焊丝、焊剂选用示例:
碳素结构钢:
不开坡口,可选用HJ431+H08A
开坡口,可选用HJ431+H08A或HJ4HJ431+H08MnA16Mn钢:
不开坡口,可选用HJ431+H08A或HJ431+H08MnA
开坡口,应选用HJ431+H08MnA或HJ431+H10Mn2
不锈钢:
视成分选用,一般多为烧结焊剂
二、埋弧焊的冶金过程(难点、以低碳钢的埋弧焊为例说明)
第四节 埋弧焊工艺
目的与要求:
掌握埋弧焊工艺的内容,了解编制埋弧焊工艺的程序和方法;掌握焊接工艺参数的选择;掌握埋弧焊工艺方案的确定以及工艺参数、工艺措施的匹配制定。
一、焊前准备
坡口面及两侧不小于20mm范围内清理干净至露出金属光泽。
装配时注意减小错边,局部间隙超宽可以手工焊接填补。
如可能,应在接缝首尾分别装上引弧板和引出板。
3、焊丝如表面有杂质亦应清理干净,焊剂按要求烘干使用(回收的焊剂需过筛,必要时烘干,按比例与新焊剂混合使用)。
1、坡口(groove)的选择与加工
坡口形式及尺寸的选择:
参考GB/T986-1988《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》
坡口的加工应用自动/半自动气割或等离子弧切割,最好用机加工(刨边)。
2、焊件的清理与装配
二、焊接工艺参数及选择
(一)工艺参数对焊缝成形及质量的影响(参见第一章有关内容)
工艺参数:
焊丝直径Φ 焊接电流I 电弧电压U 焊接速度v 送丝速度v送 焊丝伸出长度l
?
选用参数的一般方法:
根据b、δ等→Φ,然后根据Φ、焊肉厚度(熔深)→I,根据所在的层数(熔宽)→U;在以上基础上,配以合适的v送和v(可取l≈10Φ)
要注意工艺参数之间的合理匹配(成形系数:
1.3~2 熔合比:
通常在30~60%之间)
如有条件,背面注意采用衬垫
(工艺参数对焊缝成形及质量的影响参见第一章有关内容)
三、埋弧焊技术(重点、难点,以生产实例举例说明)
(一)平板对接
1、单面焊(如造船的钢板拼接)
好处:
工件可免翻身
不足:
要用衬垫,坡口大、应力大
衬垫:
铜垫(刚性) 焊剂垫、陶瓷垫(柔性)
形式:
电磁平台/焊剂垫法 电磁平台&龙门压力架/铜垫法 永久性垫板或锁底接头 临时垫板(焊剂垫、陶瓷垫)法
2、双面焊
好处:
工艺简单易行,变形/应力较小
不足:
工件要翻身
(1)悬空焊法
特点:
不开坡口(δ≤16mm)&开坡口(δ≥16mm)但留大钝边
要求:
间隙小(b≤1mm)而均匀(工艺难点)、板不能太薄
工艺要点:
①正面熔深不超过板厚或钝边的一半/背面熔深应达到板厚或钝边的60~70%②背面是否清根视具体情况而定
(2)衬垫法
特点:
工艺灵活,较易实现,可靠 要求:
要有焊剂垫或安装临时衬垫 工艺要点:
①焊剂垫有不同的形式,应区别运用②可用较大的线能量以提高焊接效率(正面熔深可达到板厚或钝边的60~70%)③背面是否清根视具体情况而定
不足:
衬垫的安装增加焊前准备工作量
(3)打底焊法
特点:
工艺简单,最易实现,可靠
要求:
无特别要求
工艺要点:
①先以其它方法(如MMA)打底,然后以SAW填充和盖面②可适当用大些的线能量以提高焊接效率③背面是否清根视具体情况而定
不足:
效率较低
三、角缝焊接
1、斜角焊(横角焊)
特点:
工艺简单易行
要求:
无特别要求
工艺要点:
①电流较小
不足:
①单道焊脚高度受限(K≤8mm),效率较低
2、船形焊
特点:
①单道焊脚高度大,效率高②翼/腹板熔深均匀③成形好
要求:
①装配间隙小(b≤1mm)接头处于船形位置
工艺要点:
①可用较大电流
不足:
①对焊前加工、装配要求高②通常要对工件进行变位
◆只要条件许可,优先采用船形焊。
四、环缝焊接
特点:
一般多用双面焊
要求:
要有滚轮架和机头升降机构
工艺要点:
①坡口 一般内小外大(减少内部施工量同时利于在外部清根)
②内环缝应在焊剂垫上焊接
③焊丝应偏离中垂线一段距离(线速度越大,偏距越大)
④其它与平板对接基本相同
?
思考:
①单面焊是否是比双面焊更先进、更高级的工艺?
②怎样的工艺才是最好的工艺?
第五节 埋弧焊的其它方法
目的与要求:
了解几种高效率埋弧焊方法的特点和应用。
一、附加填充金属的埋弧焊
在坡口内预先放入一定数量的填充金属再进行埋弧焊。
①可提高焊接效率而降低焊剂消耗
②便于获得特定的焊缝成分
二、多丝埋弧焊
背面配合使用衬垫,在厚板焊接时可以极大地提高焊接效
用于厚板焊接,不开坡口,只留较小的间隙进行焊接,可大大节省金属和焊接时间,降低生产成本。
要用脱渣性好的专用焊剂。
率(如造船时的钢板拼接)(目前最多的可达到8~12根焊丝,焊速可达120m/h以上)
三、带极埋弧堆焊
以钢带代替焊丝进行焊接,适于多层焊时表层焊缝的焊接和大面积的堆焊,生产效率高。
四、窄间隙埋弧焊
第四章 二氧化碳气体保护电弧焊
第一节CO2焊的特点及应用
目的与要求:
简要了解CO2焊的实质、特点及应用
一、CO2焊的实质
定义:
二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为焊接保护气的一种熔化极、气体保护的电弧焊方法。
按照GB/T5185-1985《金属焊接及钎接方法在图样上的表示方法》以及ISO的相关规定,二氧化碳气体保护焊属于MAG(熔化极活性气体保护焊)的一种,所以它的代号也是135。
为何要用CO2作为焊接保护气?
①焊条药皮造气剂的造气结果就是CO2/工业生产中产生大量廉价的CO2。
②与焊条电弧焊相比,熔化极气体保护焊效率高。
二、CO2焊的特点(重点)
1、优点:
⑴焊接生产率高;(比MMA高2~4倍)
⑵焊接成本低;(是MMA或SAW的40~50%)
⑶焊接变形小;(尤适于薄板焊接)
⑷焊接质量高;(对铁锈不敏感,焊缝含氢量低)
⑸适用范围广;(全位置焊接能力好,打底/填充/盖面、厚/薄板均宜)
⑹操作简便;(比MMA容易操作、适于自动焊)(robot)
⑺绿色环保。
(CO2来自可再生资源)
2、“缺点”:
⑴飞溅较大;(这一缺陷目前已经解决)
⑵焊接设备较“复杂”;(用今天的眼光看,已不复杂)
⑶抗风能力差;(所有气体保护焊的共同缺憾,但药芯焊丝CO2焊无此问题)
⑷不能焊接有色金属。
三、CO2焊的应用
材料:
黑色金属——低碳