《焊接方法及设备》教案文档格式.docx
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七、辅助资料37
八本章要点37
第六章钨极氩弧焊47
、
一、基本要求47
二、基本概念47
三、重点47
四、难点47
五、学时数47
六、参考资料47
七、辅助资料48
八本章要点48
…
第七章熔化极氩弧焊59
一、基本要求59
二、基本概念59
三、重点59
四、难点59
五、学时数59
六、参考资料60
七、辅助资料60
—
八本章要点60
第八章二氧化碳气体保护焊70
一、基本要求70
二、基本概念70
三、重点70
四、难点70
五、学时数70
六、参考资料70
\
七、辅助资料70
八本章要点71
第九章等离子弧焊接79
一、基本要求79
二、基本概念79
三、重点79
四、难点79
五、学时数79
-
六、参考资料79
七、辅助资料79
八本章要点79
第十章其他先进焊接方法85
|
]
/
绪论
一、基本要求
掌握基本概念、理解焊接本质、特点及分类
1）焊接
焊接是通过适当的物理化学方法，使两个分离的固体产生原子间的结合力，从而实现连接的一种方法。
2）熔化焊
利用一定的热源将被连接金属熔化，形成熔池，熔池结晶后将工件连接起来的一种方法。
3）电弧焊
利用电弧作为热源的一种熔化焊方法。
三、重点
焊接本质及分类：
通过原子间的结合力将两个固体连接起来，对于金属来说，要产生金属键，也就是说，被连接表面要接近到原子晶格间距。
强调以下三点：
1）固体结合
金属—金属
金属—非金属
非金属—非金属
2）依靠原子间的结合力
3）要通过一定的物理、化学过程
加热：
电弧焊、钎焊
加压：
冷压焊
加热+加压：
电阻焊、扩散焊
·
四、难点
理解焊接本质，焊接分类方法。
五、学时数
1学时
六参考资料
姜焕中等编.电弧焊及电渣焊.北京：
机械工业出版社，1994
七辅助资料
中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第一卷）.北京：
机械工业出版社，1992
曾乐.现代焊接技术手册.上海：
上海科学技术出版社，1993
八基本内容
1焊接的特点：
1）、焊接可以将不同类型的金属材料、不同形状及尺寸的材料连接起来。
因此，通过焊接可使金属结构中材料的分布更合理。
此外，焊接可直接将各个零部件连接起来，无需其他附加件，接头的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，整体性好、刚度大，在外力作用下不像机械连接（如铆接、销子连接等）那样产生较大的变形。
而且，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。
3）、焊接加工一般不需要大型、贵重的设备，因此，是一种投资少、见效快的方法。
4）、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。
而产品结构变化时，设备可基本保持不变。
5）、利用焊接进行加工时，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。
2焊接方法的分类
目前采用的焊接方法已有20多种。
焊接分类方法也很多，比较常用是根据焊接过程中母材金属所处的状态以及焊接工艺特点按不同层次进行分类，即所谓的族系法。
首先根据母材是否熔化将焊接方法分成熔焊、压焊和钎焊三大类，然后再根据加热方式、工艺特点或其他特征进行下一层次的分类，如表0-1-1所示[1]。
这种方法的最大优点是层次清楚，主次分明，是最常用的一种分类方法。
这种方法的缺点是，从第二层次开始，分类原则不统一，如熔化焊利用热源来进行第二层次的分类，而钎焊利用加热方式或钎料熔点来进行第二层次的分类。
另外，某些焊接方法因强调的特点不同，可归入不同的类型中，比如电阻点焊、电阻缝焊即可归入熔化焊，又可归入压力焊。
表0-1-1焊接分类法
第一层次（根据母材是否熔化）
第二层次
第三层次
【
第四层次
代号
是否易于实现自动化
熔化焊：
利用一定的热源，使构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。
可根据热源进行第二层次的分类
电弧焊
熔化极电弧焊
手工电弧焊
~
111
埋弧焊
121
o
熔化极气体保护焊（GMAW）
131
CO2焊
135
螺柱焊
！
非熔化极电弧焊
钨极氩弧焊
（GTAW）
141
等离子弧焊
15
原子氢焊
气焊
氧-氢火焰
；
311
氧-乙炔火焰
空气-乙炔火焰
`
氧-丙烷火焰
空气-丙烷火焰
铝热焊
电渣焊
72
电子束焊
高真空电子束焊
76
低真空电子束焊
非真空电子束焊
激光焊
CO2激光焊
751
YAG激光焊
电阻点焊
21
电阻缝焊
22
}
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法
闪光对焊
24
电阻对焊
25
超声波焊
41
爆炸焊
441
锻焊
?
扩散焊
45
摩擦焊
42
钎焊：
这种方法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。
钎焊可根据加热方式进行第二个层次的分类。
火焰钎焊
912
感应钎焊
{
炉中钎焊
空气炉钎焊
气体保护炉钎焊
真空炉钎焊
盐浴钎焊
超声波钎焊
电阻钎焊
摩擦钎焊
金属浴钎焊
放热反应钎焊
红外线钎焊
电子束钎焊
[
O易于实现自动化，难以实现自动化
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
五学时数
6学时
姜焕中等编.电弧焊及电渣焊.北京：
;
殷树言，张九海，气体保护焊工艺，哈尔滨工业大学出版社，1989
八重点内容本章要点如下
§
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。
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
二）带电粒子的产生过程
产生方式：
电离：
A（中性粒子）→A+（一价正离子）+e（电子）发射：
金属表面逸出电子
（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
一次电离：
二次电离：
A+→A+++e
n次电离：
A（n-1）+→An++e
电离能：
原子或分子电离所需要的能量单位ev或w
电离电压：
电离能/电子带电量
2、激励：
气体原子得到的能量小于Wi，但可使电子从低能级跃迁到高能级。
所需的最小能量叫激励能We
3、《
4、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。
2）光幅射：
中性粒子直接吸收光量子的能量
5、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，接收电子能力而电离。
2）电场作用下的电离：
A+、e在E作用下被加速、与A碰撞使其电离的过程
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，电弧波长在可见光紫外线范围内、可使AI、K、Na原子光电离。
*
（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
2）逸出功（Ww）：
电子发射所需的最小能量
3）逸出电压：
Ww
物理意义：
Ww越小，引弧越容易，稳弧性越好。
钍钨、铈钨、K、Na之Ww较低。
2、；
3、分类
1）热发射：
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。
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。
对阴极的冷却作用较小。
3）光发射：
光幅射作用下产生的电离。
实际电弧中产生光发射的可能性很小。
4）粒子碰撞发射：
高速运动的粒子碰撞到阴极上导致的发射。
（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，所放出的热被成为电子亲和能。
A+e→A—+W
要点：
1）电离能高的原子易形成A—
2）交流电弧过零时，易形成
3）易在电弧周边形成
4）不利于电弧稳定
（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++e→A+Wi
A++A—→2A+Wi
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
4、@
5、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小
（二）弧柱区的导电机构
所谓导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：
热电离光电离电均电离
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Ie
I=IA++Ie
其中：
IA+=%IIe=%I
3、特点：
1）电中性；
2）E小、Vo小
》
（三）阴极区的导电机构
1、阴极区的作用
1）向弧柱提供电子流
2）接收由弧柱而来的正离子流
2、导电机构
1）热发射型
）
A、产生条件：
W、C阴极，且I很大
B、特点：
无阴极区、无阴极压降Vk
C、带电粒子的产生方式：
热发射
2）电场发射型导电机构
a）条件：
（1）W、C阴极、且I较小
（2）AI、Fe、Cn作阴极
b）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
c）特点：
（1）阴极附近存在—正电荷区—阴极区
（2）fe<
fA+>
（3）阴极区断面收缩
（4）阴极表面上产生阴极斑点
3）等离子型导电机构
A条件：
1）W、C阴极，且I较小：
或AI、Fe、Cu阴极；
且Uk<
Ui
B、带电粒子产生方式：
热电离
C、特点：
同上
（四）阳极区的导电机构
1、阳极区在导电过程中的作用
a、接收弧柱区来的电子流Ie=
b、产生弧柱区所需要的正离子流IA+=
2、热电离
a）产生条件：
I较大
a、阳极压降小，甚至为0
d）不存在阳极斑点。
3、电场作用下的电离
I较小
b）带电粒子的产生方式：
热电离、场电离
a、VA较
d）有阳极斑点
（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、AI、Fe、Cu作阴极
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）跳跃性及粘着性
b）电流密度大、温度高
c）存在斑点力：
蒸发反力、A+的撞击力
d）自动寻找氧化膜，该点对于铝、镁及其合金的焊接是非常重要的，见后面的阴极雾化作用。
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
四）最小电压原理
电流一定、周围条件一定时，稳定燃烧的电弧各导电区的半径（温度）应使电弧电场强
度最小，即电弧电压最小。
该原理有两个方面的含义：
1、电场强度是温度或电弧断面半径的函数
E=f（T）/E=f（r）
2、电弧半径稳定值r*由E的最小值E*确定
五、电弧的静特性
电弧稳定燃烧时，Va与Ia的关系。
影响因素：
1、弧长
2、气体介质
导热性、热分解性能等
3、气体介质的压力
1-2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
1、本质：
A+、e在电场作用下被加速、使其动能增强，其宏观表现即为温度上升→产热
由于运动速度，自由程度不同，A+、e得到的能量不同，TA+、Te、TA有可能不同。
电子动能：
定向运动动能—Ie
散乱运动动能—热运动，表现为热能。
2、产热量
Pc=IaUa
主要用于散热损失—对流、幅射、传导
3影响因素
Ua随外界条件而变，凡是影响Ua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IUw
2）电子进入弧柱前被电场（Ek）加速得到一部分能量IUk
3）电子进入弧柱时带走一部分能量IUT
2、产热公式
Pk=I（Uk-Uw-UT）
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）e被UA加速所得到的能量
2）电子带来的逸出功IUw
3）电子带来的相当于弧柱温度那部分能量IUw
2）产热公式
PA=I（UA+Uw+UT）
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=I（UC+UK+UA）=IaUa
&
（二）有效功率、热效率系数
有效功率：
用于加热工件的功率QE
热效率系数：
=QE/Pa
影响的因素：
1）、焊接方法
2）、焊接规范
3）、外部条件
（三）能量密度
单位有效加热面积上的热功率，单位为w/cm2
功率密度越高H/B越大，焊接变形及HAZ越小。
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
2）二电极尺寸不等，轴向温度分布不均匀，靠近尺寸较小的一端，温度较高。
2、径向
中心轴附近温度高，周边低
（三）影响弧柱温度的因素
a）电流，Ia↑T↑
b）气体介质：
导热系数↑，热解离↑T↑
c）电极材料
d）拘束度
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（熔滴）起着压缩作用，该力为
电磁收缩力。
1）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
流体中压力各个方向相同，因此作用于焊条及工作上的轴向力为：
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
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
1）带电粒子撞击力
阴：
A+撞击大
阳：
e撞击：
小
2）蒸发反力
T高，力大
T低力小
3）电磁收缩力
大
阴极斑点力大于阳极斑点力
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（焊丝）直径
4、极性
1-3交流电弧的特点
一）、交流电弧
电流为50H正弧波的电弧
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a、ia同期位，有熄弧时间te，当te较大时，难以引燃
2）感性回路
利用电感的续流，蓄能作用，可将te降为0
3、交流电弧稳定燃烧的条件
在回路中串一合适的电感
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
2、电弧力的特点
介于DCSP与DCRP之间，不易导致指状熔深
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的电磁场决定的，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。
影响刚直性的因素：
3）I个刚直性↑
4）.
5）拘束度越大，刚直性大
6）热解离导热性大刚直性大
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50Hg的频率变化。
<
第二章焊丝的加热及熔滴过渡
一、基本要求
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。
二、基本概念
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。
三、重点
1、基本概念
2、熔滴上的力及其对熔滴过渡的影响
3、各种焊接方法的熔滴过渡特点
四、难点
1、熔滴上受到的力及其对熔滴过渡的影响；
2、固有自调节作用
4小时
六、参考资料
姜焕中等编.电弧焊及电渣焊.北京：
七、辅助资料
八本章要点
1-1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）≈IUw
讨论：
TIG焊：
PA>
Pk（DCSP时）
MIG焊：
Pk>
PA
Pk受多种因素影响，而PA则不
（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Ls
PR=I2RS=Ls/S
影响因素：
a）钢焊丝的PR大，因此干身长度的电阻热之影响较大
铝、铜PR小
b）Ls↑dS↓PR↑
（三）总热源
P=Pa+PR=I（Um+IRs）
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Um：
单位时间内焊丝的熔化量
单位：
g/scm/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）
g/Cm/
（二）影响因素
1、电流
电流越大，熔化速度越大。
Um=KI（Um+IRs）
m=Um/I=K（Um+IRs）
显然：
1）I增大，Um增大
2）对于Al焊丝，m几乎与I增大，对于钢焊丝，m随着I的增大而增大。
2、
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