焊接方法与设备教案课程文档格式.docx
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各种焊接方法广泛地应用于机械、化工、冶金、车辆船舶、石油、建筑、国防工业、航空航天的各个领域。
第一单元：
电弧焊基础知识
要实现金属的焊接，必须提供能量，对于熔焊，主要是热源的热能。
常用焊接方法的热源有：
电弧热、电阻热、化学热、摩擦热、激光束、电子束。
模块一、焊接电弧
一、焊接电弧的物理基础
研究意义：
弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。
电弧定义：
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。
电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。
气体放电：
两极间的气体被击穿而导电的过程。
非自持放电：
气体导电所需要的带电粒子不能通过放电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子等等）。
自持放电：
当电流大于一定值时，一旦放电开始，放电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。
有暗放电、辉光放电、电弧放电等三种。
要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件：
（1）两电极之间有带电粒子；
（2）两电极之间有电场。
1、焊接电弧产生的条件
要使电弧产生和稳定燃烧，就必须使两极（或电极与母材）之间的气体中有带电粒子，而获得带电粒子的方法就是中性气体的电离和金属电极（阴极）电子发射。
因此，气体电离和阴极电子发射是焊接电弧产生和维持的两个必要条件。
（1）气体电离
定义：
在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程。
实质：
中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子和正离子的过程。
电离能：
中性气体粒子失去第一个电子所需要的最小能量成为第一电离能
失去第二个电子所需的能量称为第二电离能。
……
单位：
电子伏（eV）为：
×
10-19J
电离电压：
气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。
电离电压低----带电粒子容易产生有利于电弧导电
电离电压高----带电粒子难以产生电弧导电困难
电离度：
电弧内单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值
X=电离的粒子密度/电离前中性粒子密度。
焊接电弧中，气体介质电离的形式主要有：
热电离、场致电离、光电离
①热电离
气体粒子受热作用而产生电离的过程。
气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞。
主要位置：
弧柱区（温度在5000-50000K）
②场致电离
在两电极间的电场的作用下，气体中的带电粒子被加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离，这种电离被称为场致电离。
场致电离发生的位置:
主要是两极区，由于在这两个区域内电场强度可达105-107V/cm，
而弧柱区电场强度为：
10V/cm左右，电场作用不明显。
由于电子质量远小于其他粒子的质量，因而在电场的作用下，速度快，动能大，其余其他粒子发生非弹性碰撞，几乎将本身的动能全部传递给相应的粒子，使中性粒子发生电离或激励。
因而场致电离中电子起到主要的作用。
③光电离
中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程
范围：
电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起电离
热电离和场致电离属于碰撞电离是产生带电粒子的主要途径，光电离是产生带电粒子的次要途径
（2）阴极电子发射
阴极表面的分子或原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,电子发射所需要的能量成为逸出功。
①热发射：
固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。
②光电发射：
固态或液态物质表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象。
③重粒子撞击发射：
能量大的重粒子（正离子）撞击到阴极上，引起电子的逸出。
④自发射：
固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极有较多的电子发射出来，又称为场强发射。
2、焊接电弧的引燃方法
造成两电极间气体发生电离和阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程称为焊接电弧的引燃。
通常有接触引弧和非接触引弧两种方式。
（1）接触引弧
接触引弧主要应用于：
焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊。
对于焊条电弧焊接触引弧又可分为：
划擦法、直击法
（2）非接触引弧
引弧时，电极与工件之间保持一定间隙，在电极与工件之间施加高电压击穿间隙使电弧引燃，这种引弧方式称为非接触引弧。
非接触引弧需要利用引弧器，引弧器有两种，高压脉冲引弧和高频高压引弧。
高压脉冲引弧：
使用高压脉冲发生器，其频率为50～100Hz，电压峰值为3000～10000V.
高频高压引弧:
使用高频振荡器，其频率为150-260kHz,电压峰值为2000～3000V。
二、焊接电弧的构造及静特性
1、焊接电弧的构造
阴极区
阳极区
焊接电弧组成
弧柱区
（1）阴极区：
电弧紧靠负电极的区域，很窄，约10-5～10-6cm。
阴极斑点：
电弧放电时，负电极表面集中发射电子的微小区域——阴极斑点。
T阴=2130～3230oC，放出的热量占36％
（2）阳极区：
电弧紧靠正电极的区域，比阴极区宽，约10-3～10-4cm。
阳极斑点：
电弧放电时，正电极表面集中接收电子的微小区域—阳极斑点。
T阳=2330～3930oC占总热量的43%左右。
（3）弧柱区：
介于阳极区与阴极区之间的区域。
T弧柱=5730～7730oC.占总热量的21%。
（4）电弧电压：
即电弧两端（或电极）之间的电压降。
2、焊接电弧的静特性
含义：
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，也称为伏——安特性。
表示它们之间关系的曲线称为电弧的静特性曲线。
（1）电弧静特性曲线：
呈“U”形；
ab段—下降特性区
bc段—平特性区
cd段—上升特性区
（2）电弧静特性曲线应用：
不同的焊接方法在一定的条件下其电弧静特性只是曲线中的某一区域；
下降特性区电弧燃烧不稳定，一般不采用。
①焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在平特性区，电弧电压只随弧长变化，与焊接电流关系很小。
②钨极氩弧焊、等离子弧焊一般也工作在平特性区。
当电流较大时才工作在上升特性区。
③熔化极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊和熔化极活性气体保护焊基本上工作在上升特性区。
三.焊接电弧的稳定性
电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度。
1.弧焊电源的影响
采用直流电源焊接时，电弧的燃烧比交流电源稳定。
具有较高空载电压的焊接电源电弧燃烧稳定，而且引弧容易。
2.焊接电流的影响
焊接电流越大，电弧温度越高，电弧气氛中的电离程度和热发射作用就越强，电弧燃烧就越稳定。
实验测定表明:
随电流增大，电弧引燃电压降低；
自然断弧的最大弧长也增大；
因此，电弧就稳定。
3.焊条药皮或焊剂的影响
焊条药皮或焊剂中加入电离能较低的物质（K、Na、Ca的氧化物）较多，能增加电弧气氛中的带电粒子，可以提高气体的导电性，从而，使电弧燃烧稳定。
如果焊条药皮或焊剂中加入电离能较高的氟化物（CaF2、）及氯化物（KCl、NaCl、）时，降低了电弧气氛中的电离程度，使电弧燃烧不稳定。
4.焊接电弧偏吹的影响
电弧偏吹：
正常情况下，电弧的中心轴线总是保持沿焊条（焊丝）的轴线方向，即使焊条与焊件有一定倾角时，电弧也随着电极轴线的方向而改变。
（如图所示）
但实际焊接中，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。
电弧偏吹的影响：
电弧轴线不能对准焊缝中心，影响焊缝成形和焊接质量。
（1）焊接电弧偏吹的原因
①焊条偏心产生的偏吹
药皮薄的一侧熔化的快，使电弧外露，造成电弧偏吹。
国标规定：
直径≯2.5mm的焊条，偏心度≯7％；
直径为2.5mm和3.2mm的焊条，偏心度≯5％；
直径≮5mm的焊条，偏心度≯4％
偏心度计算：
偏心度=2（T1-T2）/（T1+T2）
②电弧周围气流产生的影响
③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。
电弧因周围磁力线不对称而偏向磁力线疏的一侧。
a.导线接线位置引起的磁偏吹
b.铁磁物质引起的偏吹
c.电弧运动至钢板端部时引起的偏吹
（2）防止或减少焊接电弧偏吹的措施
①条件许可时，使用交流电源代替直流电源焊接；
②调整焊条角度，将焊条向偏吹方向倾斜一定角度；
③采用短弧焊；
④改变接线部位或在焊件两端同时接线；
⑤焊缝两端各加一小块钢板（引弧板和引出板）；
⑥露天作业时，如有大风则必须使用挡风板；
管子焊接时，必须将管口堵住。
焊接间隙较大的对接焊缝时，应在接缝下面放垫板；
⑦采用小电流焊接（因为电流越大，磁偏吹越严重）；
5.其他影响因素
电弧太长，易抖动，破坏电弧稳定性，飞溅大；
焊接处有油漆、油脂、水分、锈层时也使电弧稳定性变差；
药皮受潮和药皮脱落也使电弧燃烧不稳定。
四.焊接电弧的分类及热效率
1.焊接电弧的分类
按电流种类分：
交流电弧、直流电弧、脉冲电弧
按电弧状态不同分：
自由电弧、压缩电弧
按电极材料不同分：
熔化电极电弧、非熔化电极电弧
（1）直流电弧
直流电弧由直流电源提供热源，燃烧稳定，有极性可供选择；
（正接法和反接法）
但有电弧磁偏吹；
低氢碱性焊条焊接时，直流反接，电弧稳定，飞溅少，产生气孔倾向小；
酸性焊条焊接时，直流正接；
焊接薄板时，直流反接，以防烧穿；
钨极氩弧焊时，直流正接，以防钨极烧损；
熔化极氩弧焊及CO2焊时，直流反接，电弧稳定，飞溅少。
（2）、交流电弧
电流为50Hz正弦波的电弧被称为交流电弧。
由交流电源提供热源。
特点：
1）每秒100次周期性地过0点
2）过0点时电弧熄灭，再反向引燃，稳定性差
3）无电磁偏吹
4）电极材料与被焊材料物理性能差异很大时，（钨极氩弧焊焊接铝、镁及其合金时）在电弧电流、电弧电压的正负两个半周中会产生不对称而形成直流分量，必须设法消除。
提高稳定性的措施：
1）串接一个适当的电感；
2）提高空载电压；
3）采用方波电源；
（3）脉冲电弧
基值电流用于脉冲休止时维持电弧连续燃烧。
脉冲电流用于加热熔化焊件和焊丝。
应用：
钨极、熔化极氩弧焊等。
（4）压缩电弧
未受外界压缩的电弧称为自由电弧；
经过压缩的电弧称为压缩电弧（如等离子弧）
2.焊接电弧的热效率
电弧的热效率:
qo=IhUh
式中qo—电弧功率（w）
Ih—焊接电流（A）
Uh—电弧电压（V）
电弧有功功率：
q=ηIhUh
式中η—电弧有效功率系数。
η值见表1—6。
模块二：
焊丝的熔化与熔滴过渡
一、预防触电的安全技术
我国生产的焊接电源的空载电压和工作电压
焊机
空载电压
工作电压
焊条电弧焊机
≯90V
25～40V
埋弧焊
70～90V
——
电渣焊机
40～65V
氩弧焊、CO2焊
65V
等离子切割
300～450V
网络电压:
380/220V。
安全电压：
干燥时36V；
潮湿时12V。
（1）熟悉和掌握焊接方法的安全特点、有关的电学知识、防触电及触电后的急救知识；
严格执行安全操作规程。
（2）遇焊工触电时，不得赤手拉触电者，应迅速切断电源，若触电者昏迷时，立即实施人工呼吸，直至送到医院。
（3）光线暗的场地、容器内操作或夜间工作时，工作照明灯的电压不应大于36V，高空作业或特别潮湿场所，安全电压不超过12V。
（4）焊工的工作服、手套、绝缘鞋应保持干燥。
（5）在潮湿场地工作时，应用干燥的木板或橡胶板等坐垫板。
（6）焊工在拉、合电源闸刀或接触带电物体时，必须单手进行。
（7）在容器内或船舱内或其他狭小工作场所操作时，须两人轮换操作，其中一人留守在外面监护，不得离开。
（8）焊机外壳必须接地或接零。
二、预防火灾和爆炸的安全技术
（1）焊接前认真检查工作场地周围是否有易燃、易爆物品（如棉纱、油漆、汽油、煤油、柴油、木屑等）如有上述物品时，应移至10米以外。
（2）注意防止金属火花飞溅引起火灾。
（3）设备在带压时，严禁对其进行焊接或切割；
必须先卸压，焊接前必须打开所有孔盖。
常压而密闭的设备也不许进行焊接与切割。
（4）被化学物质或油脂污染的设备都应清洗后再焊接或切割；
若是易燃、易爆或有毒的污染物，应彻底清洗，经有关部门检查，并填写动火证后，才能进行焊接或切割。
（5）在进入容器内工作时，焊、割炬应随焊工同时进出，严禁将焊、割炬放在容器内擅自离开。
（6）焊条头和焊后的焊件不得随便乱扔。
（7）离开工作场所时，应关闭气瓶、电源，并将火种熄灭。
三、预防焊接方法有害因素的安全技术
1.焊接烟尘
2.有害气体
3.弧光辐射
4.高频电磁辐射
5.射线
6.噪声
四、特殊环境焊接的安全技术
1.高处焊接作业
2.容器内焊接作业
3.露天或野外作业
焊接实例
实例一Q235钢板（板厚≤6mm）I形坡口平对接焊
1.焊前准备
（1）清理待焊部位两侧各20mm范围内的铁锈、油污、水分等，露出金属光泽
（2）焊机：
BX3—300
（3）焊条：
E4303,Ф、Ф4，焊前150℃烘干1～2h
（4）装配定位：
接口处平齐，无错边，根部间隙1～2mm；
定位焊所用焊条与
正式焊相同，定位焊长度为10～15mm，间距100～150mm
2.焊接工艺参数
板厚
焊条型号
焊条直径
焊接电流/A
3～6
E4303
Ф
90～130
Ф4
140～180
3.焊接
采用双面焊，先焊正面，熔深要达到板厚的2/3，再翻转焊件焊背面。
实例二Q235钢板（板厚＞6mm）V形坡口平对接焊
接口处平齐，错边小于板厚的倍，根部间隙2～3mm；
定位焊所用焊条与正式焊相同，定位焊长度为10～20mm，间距100～200mm
焊接层次
第一层
填充层
Ф5
210～260
盖面层
采用多层焊。
第一层用较小直径焊条（Ф），采用直线形运条法；
填充层用较大直径焊条（Ф4、Ф5）和较大电流，用锯齿形运条法，摆动幅度逐层加大，但不要超过坡口棱边，填充层应比坡口边缘低1～1.5mm，以便盖面焊时能看清坡口和不使焊缝余高超高；
盖面焊时焊条直径、运条方法与填充层相同，但摆动幅度应比填充层大，摆动到坡口边缘时稍作停留，使坡口边缘熔化1～2mm
第二章：
焊条电弧焊
焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。
它利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，加热并熔化焊条和局部焊件形成焊缝，从而获得牢固的焊接接头。
焊条电弧焊是熔化焊中最基本的焊接方法，也是目前应用最广泛的一种焊接方法。
焊条电弧焊的原理及特点
一、焊条电弧焊的原理
利用焊条与工件间燃烧的电弧热熔化焊条端部和工件的局部，在焊条端部迅速熔化的金属以熔滴形式经弧柱过渡到工件已经局部熔化的金属中，与之熔合一起形成熔池。
焊条药皮在熔化过程中产生一定量的气体和液态熔渣产生的气体充满在电弧和熔池的周围，起隔绝大气保护液态金属的作用。
液态熔渣密度小，在熔池中不断上浮，覆盖在液态金属上面，起保护液态金属的作用。
药皮熔化产生的气体、熔渣与熔化了的焊芯、焊件发生一系列冶金反应，保证了所形成焊缝的性能。
随着电弧向前移动，熔池的液态金属逐步冷却结晶而形成焊缝。
电弧中心的温度在5000℃以上，电弧电压在16—40V范围，焊接电流在20一500A之间。
二、焊条电弧焊的特点
1.焊条电弧焊的优点
（1）工艺灵活、适应性强：
对不同的焊接位置、接头形式、焊件厚度及焊缝，只要焊条能达到的任何位置，均能进行方便的焊接（可达性好）。
对于单件、小件、短件、不规则的空间任意位置及不易实现机械化焊接的焊缝，机动灵活，操作方便。
（2）应用泛围广：
焊条能与大多数焊件金属性能相匹配，接头的性能可以达到被焊金属的性能。
能焊金属：
碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、铜、铝及其合金；
能焊但可能需预热、后热或两者兼用的：
铸铁、高强度钢、淬火钢等；
不能焊材料：
低熔点金属如锌、铅、锡及其合金；
难熔金属如钨、钼、钽等，活性金属如钛、铌、锆等。
（3）易于分散焊接应力和控制焊接变形：
由于焊接时的不均匀加热，存在焊接应力与变形。
可通过改变焊接工艺（跳焊、分段退焊、对称焊）减少焊接变形和改善焊接应力的分布。
（4）设备简单、成本较低。
2.焊条电弧焊的缺点
（1）焊接效率低、劳动强度大：
熔敷速度慢，焊条尺寸一般已固定，其直径在8mm范围，长度在200---600mm之间，焊接电流一般在500A以下。
每焊完一根焊条，必须停止焊接更换焊条，使焊接不连续，并残留下一截焊条头，而未被充分利用，焊后还须清渣。
（2）焊缝质量依赖性强：
焊缝质量主要靠焊工的技术和经验保证。
不适合焊接活泼金属、难熔金属及薄板的焊接。
焊条电弧焊设备及工具
焊条电弧焊设备和工具包括：
弧焊电源、焊钳、面罩、焊条保温桶；
敲渣锤、钢丝刷、焊缝检验尺等。
弧焊电源是核心，焊接电源的电气特性和结构方面，具有不同于一般电力电源的特点。
主要原因是弧焊电源的负载是电弧，电源的电气性能要求适应电弧负载的特性。
一、对弧焊电源的要求
焊条电弧焊的负载：
电弧；
它是动态负载。
焊条电弧焊电源除了应具有一般电力电源的特性外，还必须满足下列要求：
1.对弧焊电源外特性的要求
电源外特性：
电源其他参数不变的情况下，改变负载时，电源输出的电压的稳定值U与输出的电流的稳定值I之间的关系曲线——U=f（I）,称为电源的外特性；
弧焊电源的外特性有下降外特性、平降外特性、上升降外特性三种。
焊接回路中弧焊电源与电弧构成供电和用电系统，为保证电弧稳定燃烧和焊接参数稳定，电源外特性曲线与电弧静特性曲线必须相交。
交点处，电源供给的电压和电流与电弧燃烧所需的电压和电流相等。
焊条电弧焊的电弧静特性的工作段在平特性区，只有下降的电源外特性曲线才能与其相交，因此，焊条电弧焊的弧焊电源应有下降的电源外特性。
当弧长变化时，陡降外特性引起的电流变化量明显小于缓降外特性引起的电流变化量。
因此，为稳定焊接参数，焊条电弧焊的弧焊电源应采用陡降外特性的电源。
2.对弧焊电源空载电压的要求
空载电压：
弧焊电源接通供电网络，而焊接回路开时，弧焊电源输出端的电压。
（1）保证引弧容易引弧时，需要焊条或焊丝与工件接触，因两者之间往往存在锈污等杂质，需要高的空载电压击穿接触面，实现导通；
电离在初始阶段也需要强的电场。
（2）保证电弧稳定燃烧
（3）保证人身安全
原则：
保证引弧容易和电弧稳定，采用尽可能低的空载电压。
交流弧焊电源：
U0=55～70V
•直流弧焊电源：
U0=45～85V
一般规定空载电压不得超过100V，特殊情况要超过，必须具有自动防触电装置。
3.对弧焊电源稳态短路电流的要求
弧焊电源稳态短路电流：
弧焊电源所能稳定提供的最大电流，即输出端短路时的电流。
稳态短路电流太大：
焊条过热，易引起药皮脱落，增加飞溅；
稳态短路电流太小：
引弧和熔滴过度困难；
要求：
稳态短路电流为焊接电流的～倍。
4.对弧焊电源调节特性的要求
根据焊金属材料的性质、坡口及厚度、接头形式、位置及焊条直径不同，要求有不同的焊接电流。
因此，要求对弧焊电源的焊接电流，能在一定范围内作均匀、灵活的调节。
实质:
调节电源外特性
5.对弧焊电源动特性的要求
动特性：
电弧负载发生变化时，焊接电源输出电压和电流的响应过程。
可以用弧焊电源与时间的关系表征，它表明焊接电源对负载的瞬态改变的反应能力。
焊接过程从一个稳态过渡到另外一个稳态，这就是动特性的实质。
动特性好：
引弧、重新引燃电弧容易、稳定、飞溅少。
二、弧焊电源的分类及型号
1.弧焊电源的分类及特点
①按结构原理可以分为：
交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源、弧焊逆变器。
②按电流性质可以分为：
交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源。
2.弧焊电源的型号及技术参数
根据GB/T10249－1988《电焊机型号编制方法》中规定，焊机的型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定的编排顺序组成，其编排顺序及含意如下：
例如：
①额定值：
对焊接电源规定的使用限额。
如额定电压、额定电流、额定功率。
超过额定值工作——过载，严重过载将会使设备损坏。
在额定负载持续率工作
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