焊工教学培训教案.doc

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焊工教学培训教案

第一章焊接电弧

学习目的：

为了认识和掌握电弧方法，首先弄清电弧的实质，掌握电弧的基础知识。

本章就从理论上对电弧的性质及作用进行分析，通过学习，使我们能把焊接电弧的知识应用到电弧焊焊接工作中去，从而达到提高焊接质量的目的。

重点难点：

焊接电弧的产生、焊接电弧的概念。

教学课时：

8课时

一、焊接电弧的产生

中性气体原来是不能导电的，为了在气体中产生电弧而通过电流，就必须使气体分子（或原子）电离成为正离子和电子。

而且，为了使电弧维持燃烧，要求电弧的阴极不断发射电子，这就必须不断地输送电能给电弧，以补充能量的消耗。

气体电离和电子发射是电弧中最基本的物理现象。

　　1.气体原子的激发与电离　　

　　如果气体原子得到了外加的能量，电子就可能从一个较低的能级跳跃到另一个较高能级，这时原子处于“激发”状态。

使原子跃为“激发”状态所需的能量称为激发能。

气体原子的电离就是使电子完全脱离原子核的束缚，形成离子和自由电子的过程。

由原子形成正离子所需的能量称为电离能。

　　在焊接电弧中，根据引起电离的能量来源，有以下3种形式：

（1）撞击电离。

是指在电场中，被加速的带电粒子（电子、离子）与中性点（原子）碰撞后发生的电离。

（2）热电离。

是指在高温下，具有高动能的气体原子（或分子）互相碰撞而引起的电离。

　　（3）光电离。

是指气体原子（或分子）吸收了光射线的光子能而产生的电离。

　　气体原子在产生电离的同时，带异性电荷的质点也会发生碰撞，使正离子和电子复合成中性质点，即产生中和现象。

当电离速度和复合速度相等时，电离就趋于相对稳定的动平衡状态。

一般地，电弧空间的带电粒子数量越多，电弧越稳定，而带电粒子的中和现象则会减少带电粒子的数量，从而降低电弧的稳定性。

　　2．电子发射

　　在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为电子发射。

电子发射是引弧和维持电弧稳定燃烧的一个很重要的因素。

按其能量来源不同，可分为热发射、光电发射、重粒子碰撞发射和强电场作用下的自发射等。

（1）热发射。

物体的固体或液体表面受热后，其中某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面外的空间中去的现象称为热发射。

热发射在焊接电弧中起着重要作用，它随着温度上升而增强。

（2）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称为光电发射。

对于各种金属和氧化物，只有当光射线波长小于能使它们发射电子的极限波长时，才能产生光电发射。

　　（3）重粒子撞击发射。

能量大的重粒子（如正离子）撞到阴极上，引起电子的逸出，称为重粒子撞击发射。

重粒子能量越大，电子发射越强烈。

　　（4）强电场作用下的自发射。

物质的固体或液体表面，虽然温度不高，但当存在强电场并在表面附近形成较大的电位差时，使阴极有较多的电子发射出来，这就称为强电场作用下的自发射，简称自发射。

电场越强，发射出的电子形成的电流密度就越大。

自发射在焊接电弧中也起着重要作用，特别是在非接触式引弧时，其作用更加明显。

二、焊接电弧的概念

电弧是一种气体导电（放电）现象。

焊接电弧则是两个电极之间强烈而持久的放电现象。

电弧产生的条件就是气体要成为导电体。

通常气体是不导电的，气体成为导体则需要两个条件，即①阴极电子发射和②气体电离。

①　阴极电子发射

　　阴极的金属表面连续地向外发射电子的现象叫做阴极电子发射。

一般情况下，电子是不能离开金属表面向外发射的。

如果阴极电子获得一定能量后，就可以克服金属内部正电荷对它的引力而向外发射。

这种能量可以是热能、电能或者运动能量，即阴极在高温状态下，电子运动速度加快，当其能量大于正电荷对其的静电引力，即可有电子发射；或者当两极间的电场强度达到一定程度后，电场对阴极表面电子的吸引力大于正电荷的静电引力时，也可发生电子发射。

同时，在电场作用下，阴离子的运动速度加快，撞击阴极表面，将能量传递给阴极，也可使电子发射。

　　②气体电离

　　中性的气体原子在受到电场或热能作用时，气体原子中电子获得足够的能量，克服原子核对电子的引力，而成为自由电子。

中性原子因失去带负电荷的电子而成为带正电荷的正离子的过程，就叫做气体电离。

当有阴极电子发射，电子高速运动与气体原子相互碰撞，如果撞击的能量大于气体原子核与电子间的引力时，则发生气体电离；或者在高温下，气体原子的运动速度加快，原子间相互碰撞，也会引起气体电离。

第二章常用焊接材料知识

学习目的：

认识一些常用焊接材料

重点难点：

了解什么焊条、焊芯、氩气、钨极；及其组成与分类

教学课时：

8课时

一、焊条

焊条（coveredelectrode）

气焊或电焊时熔化填充在焊接工件的接合处的金属条。

焊条的材料通常跟工件的材料相同。

1、焊条的组成

焊条由焊芯及药皮两部分构成。

焊条是在金属焊芯外将涂料（药皮）均匀、向心地压涂在焊芯上。

焊条种类不同，焊芯也不同。

焊芯即焊条的金属芯，为了保证焊缝的质量与性能，对焊芯中各金属元素的含量都有严格的规定，特别是对有害杂质（如硫、磷等）的含量，应有严格的限制，优于母材。

焊芯成分直接影响着焊缝金属的成分和性能，所以焊芯中的有害元素要尽量少

　　焊接碳钢及低合金钢的焊芯，一般都选用低碳钢作为焊芯，并填加锰、硅、铬、镍等成分（详见焊丝国家标准GB1300一77）。

采用低碳的原因一方面是含碳量低时钢丝塑性好，焊丝拉拔比较容易，另一方面可降低还原性气体CO含量，减少飞溅或气孔，并可增高焊缝金属凝固时的温度，对仰焊有利。

加入其他合金元素主要为保证焊缝的综合机械性能，同时对焊接工艺性能及去除杂质，也有一定作用。

焊芯

焊芯有两个作用：

一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能，二是焊芯本身熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。

1、焊芯中各合金元素对焊接的影响

1）碳（C）。

碳是钢中的主要合金元素，当含碳量增加时，钢的｛强度、硬度明显提高，而塑性降低。

在焊接过程中，碳起到一定的脱氧作用，在电弧高温作用下与氧发生化合作用，生成一氧化碳和二氧化碳气体，将电弧区和熔池周围空气排除，防止空气中的氧、氮有害气体对熔池产生的不良影响，减少焊缝金属中氧和氮的含量。

若含碳量过高，还原作用剧烈，会引起较大的飞溅和气孔。

考虑到碳对钢的淬硬性及其对裂纹敏感性增加的影响，低碳钢焊芯的含碳量一般簇0.1％。

　　2）锰（Mn）。

锰在钢中是一种较好的合金剂，随着锰含量的增加，其强度和韧性会有所提高。

在焊接过程中，锰也是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中氧的含量。

锰与硫化合形成硫化锰浮于熔渣中，从而减少焊缝热裂纹倾向。

因此一般碳素结构钢焊芯的含锰量为0.30％～0.55％，焊接某些特殊用途的钢丝，其含锰量高达1．70％一2.10％。

　　3）硅（Si）。

硅也是一种较好的合金剂，在钢中加入适量的硅能提高钢的屈服强度、弹性及抗酸性能；若含量过高，则降低塑性和韧性。

在焊接过程中，硅也具有较好的脱氧能力，与氧形成二氧化硅，但它会提高渣的粘度，易促进非金属夹杂物生成。

　　4）铬（Cr）。

铬能够提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

对于低碳钢来说，铬便是一种偶然的杂质。

铬的主要冶金特征是易于急剧氧化，形成难熔的氧化物三氧化二铬（Cr203），从而增加了焊缝金属夹杂物的可能性。

三氧化二铬过渡到熔渣后，能使熔渣粘度提高，流动性降低。

　　5）镍（NI）。

镍对钢的韧性有比较显著的效果，一般低温冲击值要求较高时，适当掺入一些镍。

6）硫（S）。

硫是一种有害杂质，随着硫含量的增加，将增大焊缝的热裂纹倾向，因此焊芯中硫的含量不得大于0.04％。

在焊接重要结构时，硫含量不得大于0.03％。

7）磷

磷是一种有害杂质，磷的主要危害是使焊缝产生冷脆现象，随着磷含量的增加，将造成焊缝金属的韧性、特别是低温冲击韧性下降，因此焊芯中磷含量不得大于0.04％。

在焊接重要结构时，磷含量不得大于。

．03％。

焊条的要求：

（1）容易引弧，保证电弧稳定，在焊接过程中飞溅小。

（2）药皮熔化速度应慢于焊芯熔化速度，以造成喇叭状的套简（套筒长度应小于焊芯直径），有利于熔滴过渡和造成保护气氛；

　　（3）熔渣的比重应小于熔化金属的比重，凝固温度也应稍低于金属凝固温度，渣壳应易脱掉；

　　（4）具有掺合金和冶金处理作用；

（5）适应各种位置的焊接。

焊条型号与牌号：

（1）焊条的牌号

　　以结构钢为例：

牌号,编制法。

结XXX,结为结构钢焊条,第3个数字,代表药皮类型,焊接电流要求,第1、2数:

代表焊缝金属抗拉强度。

（2）焊条的型号

　　焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。

EXXX,以结构钢为例，型号编制法为字母“E”表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。

　　（3）焊条型号的表示方法：

铸铁焊条用Z开头表示、低温钢镍合金焊条用WNi表示、耐热钢焊条用R表示、堆焊焊条用D表示、铬不锈钢焊条用GA表示、特种焊条用TS表示、银基焊条用HL表示、铜及铜合金焊条用T表示、铝及铝合金焊条用L表示、气焊条用HS表示。

焊条的分类

　　根据不同情况，电焊条有三种分类方法：

按焊条用途分类、按药皮的主要化学成分分类、按药皮熔化后熔渣的特性分类。

　　按照焊条的用途，有两种表达形式，一为原机械工业部编制的的，可以将电焊条分为：

结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍和镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条以及特殊用途焊条。

二为国家标准规定，为碳钢焊条，低合金焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条。

二者没有原则区别，前者用商业牌号表示，后者用型号表示。

　　如果按照焊条药皮的主要化学成分来分类，可以将电焊条分为：

氧化钛型焊条、氧化钛钙型焊条、钛铁矿型焊条、氧化铁型焊条、纤维素型焊条、低氢型焊条、石墨型焊条及盐基型焊条。

　　如果按照焊条药皮熔化后，熔渣的特性来分类，可将电焊条分为酸性焊条和碱性焊条。

酸性焊条药皮的主要成分为酸性氧化物，如二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铁等。

碱性焊条药皮的主要成分为碱性氧化物，如大理石、萤石等。

（2）碱性（低氢型）焊条

　　药皮中含有大量的碱性造渣物（大理石、萤石等），并含有一定数量的脱氧剂和渗合金剂。

碱性焊条主要靠碳酸盐（如CaCO3等）分解出CO2作保护气体，弧柱气氛中的氢分压较低，而且萤石中的氟化钙在高温时与氢结合成氟化氢（HF），降低了焊缝中的含氢量，故碱性焊条又称为低氢型焊条。

采用甘油法测定时，每100g熔敷金属中的扩散氢含量，碱性焊条为1～8mL，酸性焊条为17～50mL。

碱性渣中CaO数量多，熔渣脱硫的能力强，熔敷金属的抗热裂纹的能力较强。

而且，碱性焊条由于焊缝金属中氧和氢含量低，非金属夹杂物较少，具有较高的塑性和冲击韧性。

碱性焊条由于药皮中含有较多的萤石，电弧稳定性差，一般多采用直流反接，只有当药皮中含有较多量的稳弧剂时，才可以交、直流两用。

碱性焊条一般用于较重要的焊接结构，如承受动载荷或刚性较大的结构。

3按药皮主要成分分类

　　按照药皮的主要成分可以确定焊条的药皮类型，见①。

由于药皮配方组成不同，致使各种药皮类型焊条的熔渣特性、焊接工艺性能以及焊缝金属力学性能有很大差别。

即使是同一类型药皮，但不同牌号的焊条也因为药皮成分和配比不同，焊条的工艺性能等也会出现明显的差别。

焊条药皮类型及主要特点见②。

　　①焊条药皮类型分类：

（1）药皮类型：

钛型‖药皮主要成分：

氧化钛≥35%‖焊接电源：

直流或交流

（2）药皮类型：

钛钙型‖药皮主要成分：

氧化钛30%以上，碳酸盐20%以下‖焊接电源：

直流或交流

　　（3）药皮类型：

钛铁矿型‖药皮主要成分：

钛铁矿≥30%‖焊接电源：

直流或交流

　　（4）药皮类型：

氧化铁型‖药皮主要成分：

多量氧化铁及较多的锰铁脱氧剂‖焊接电