01焊接基础知识Word格式.docx
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我国在特种工程条件下（高温、低温、石化、海洋、核能、航空航天、酸碱腐蚀等）特种工程材料的焊接领域，不论是工艺水平，还是实际应用范围均满足不了目前工业生产发展的需要。
在充分发挥焊接结构使用性能、节约材料、降低成本的异种钢材料焊接应用和工艺水平方面，近年来虽有很大进展，但总体仍落后于美、日、德等国家。
1－2焊接的本质及分类
焊接过程的本质就是通过适当的物理、化学过程使两个分离表面的金属原子之间的距离接近金属晶格距离并形成结合力。
目前找到的基本途径，便形成了焊接的基本分类。
一、熔化焊接
使被连接的母材表面局部加热熔化成液体，然后冷却结晶成一体的方法为熔化焊接。
为了实现熔化焊接，关键是要有一个能量集中、温度足够高的加热热源。
按照热源的不同，熔化焊接的基本方法分为：
气焊（以氧乙炔或其他可燃气体燃烧火焰为热源）；
铝热焊（以铝热剂放热反应热为热源）；
电弧焊（以气体导电时产生的热为热源）；
电子束焊（以高速运动的电子束为热源）；
激光焊（以单色光子束流为热源）等等若干种。
其次，为了防止局部熔化的高温焊缝金属跟空气接触而造成成分、性能的不良，熔化焊接过程一般都必须采取有效的隔离空气的保护措施，其基本形式是：
真空、气相和渣相保护三种。
因此，保护形式常常是区分熔化焊接方法的另一个特征。
例如，熔化焊接方法中最重要的电弧焊方法就可按保护方法的不同分为埋弧焊、气保护焊等很多种。
此外，电弧焊方法还按电极特征分为熔化极和非熔化极两大类。
二、压力焊接
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（挤走）氧化膜及其他污染物，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的连接统称为固相焊接。
固相焊接时通常都必须加压，因此也称压力焊接。
为了使固相焊接容易实现，固相焊接大都在加压的同时伴随加热措施，但加热温度通常都远低于焊件的熔点，因此固相焊接一般都无需保护措施（扩散焊等除外）。
按照加热方法不同，压力焊接的基本方法有：
冷压焊（不采取加热措施的压焊）、摩擦焊、超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、电阻对焊、闪光对焊等若干种。
应该注意的是，通常所指的电阻焊都可以称为压力焊（焊接过程中需要加压），但是有些电阻焊（点焊、缝焊）接头形成过程伴随有熔化结晶过程，不过是在加压的条件下进行的，所以仍然属压力焊。
三、钎焊
利用某些熔点低于被连接母材熔点的熔化金属（钎料）作连接的媒介物在连接界面上的流散浸润作用，然后冷却结晶形成结合面的方法称为钎焊。
钎焊必须采取加热（使钎料熔化，但母材不熔化）和保护措施（使熔化的钎料不跟空气接触）。
按照热源和保护条件不同，钎焊方法分为：
火焰钎焊（以氧乙炔燃烧火焰为热源）；
真空或充气感应钎焊（以高频感应电流的电阻热为热源）；
电阻炉钎焊（以电阻炉辐射热为热源）；
盐浴钎焊（以高温盐浴为热源）等若干种。
以下为基本焊接方法示意图：
熔化极气体保护电弧焊的分类：
注：
在MAG焊中，如果保护气体以Ar为主，也称为MIG焊。
1－3焊接电弧原理
一、焊接电弧的物理本质和引燃
电弧是所有电弧焊接方法的能源，电弧能有效而简便的把电能转变成焊接过程所需的机械能及热能。
电弧并不是一般的燃烧现象。
实质上，电弧是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间的一种导电现象。
或者说是一种气体放电现象。
借助这种特殊的气体放电过程，电能转变成光能；
热能和机械能。
焊接就是要利用其热能和机械能达到金属连接的目地。
1、气体放电的基本概念
不论固体、液体还是气体，能否呈现导电性，都取决于在电场作用下是否拥有可自由移动的带电粒子。
金属本身拥有大量自由电子，所以在金属导体两端只要加上电压，自由电子便产生定向运动，形成电流。
但是正常状态下的气体不含带电粒子，是由中性分子或原子组成的。
它们虽然可以自由移动，但不会受电场作用而产生定向运动，所以是不导电的。
因此，要使正常状态的气体导电，必须先有一个产生带电粒子的过程，然后才能呈现导电性能。
2、带电粒子的扩散和复合现象
电弧的导电是靠电弧空间带电粒子的运动来实现的,电弧的稳定燃烧是带电粒子产生、运动与消失的动平衡过程。
带电粒子产生后，一部分承担了导电任务，另一部分则在电弧空间消失了，带电粒子在电弧空间的消失过程主要有扩散与复合两种形式。
（1）扩散:
带电粒子和一般气体分子和原子一样，如果分布密度不同，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方移动而趋向密度均匀，这种现象称为带电粒子的扩散现象。
（2）复合:
电弧空间的正负带电粒子（正离子、负离子、电子），在一定条件下相遇而互相结合成中性粒子的过程称为复合。
3、焊接电弧的引燃
焊接电弧引燃有两种方式：
接触引弧和非接触引弧
（1）接触引弧:
在弧焊电源接通后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧引燃。
手弧焊和熔化极保护焊都采用这种引弧方式。
（2）非接触引弧:
指在电极与工件之间存在一定间隙，施以高压击穿间隙，使电弧引燃。
钨极氩弧焊和等离子弧焊采用这种方式。
二、电弧区域的组成及压降分布
当两电极之间产生电弧放电时，在电弧长度方向的电场强度并不是均匀的，实际测量得到沿弧长方向电压分布如图。
由图可以看到电弧由三个电场强度不同的区域构成。
阳极附近的区域为阳极区，其电压称为阳极电压降；
阴极附近的区域为阴极区，其电压称为阴极电压降；
中间部分为弧柱区，其电压称为弧柱电压降。
电弧的这种不均匀的电场强度说明电弧各区域的电阻是不相同的。
弧柱的电阻较小，电压降较小；
而两个电极区的电阻较大，电压降较大。
1、阴极区的导电机构
为了维持电弧稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区提供所需要的电子流，接受由弧柱送来的正离子流，以满足电弧导电需要大电流的特点。
2、阳极区的导电机构
阳极区的导电机构比阴极区要简单的多，为了维持电弧导电，阳极区的任务是接受由弧柱过来的电子流和向弧柱提供的正离子流。
三、电弧的静特性（如图）
电弧燃烧时，两极间稳态的电压和电流关系曲线称电弧的静特性（电弧压降是阴极压降.阳极压降.弧柱压降的总和）。
A段：
为下降特性段，这时，电弧不稳定，一般不采用这个区段。
B段：
为平特性段，电弧稳定燃烧。
电流稳定，电压随着弧长变化而变化。
埋弧自动焊：
正常电流密度—平特性区
焊条手工焊（≤500A）：
无上升特性区
TIG：
大电流区---平特性区
C段：
为上升特性段，电弧稳定燃烧。
电流增大，电压升高。
大电流密度—上升特性区
细丝熔化极气保焊：
电流密度较大上升特性区
四、电弧力
在焊接过程中，电弧不仅是一个热源而且也是一个力源。
电弧产生的机械作用力与焊缝的熔深、熔池搅拌、熔滴过渡、焊缝成型都有直接关系。
如果对电弧力控制不当他将破坏焊接过程，使焊丝金属不能过渡到熔池而形成飞溅、焊瘤、咬边、烧穿等缺陷。
焊接电弧力主要包括：
电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等。
1、电磁收缩力
在焊接电弧中，电磁收缩力同时作用于工件和焊条上，实际上焊接电弧不是圆柱体，而是断面直径变弧的圆锥状气态导体。
因为焊条直径限制了导电区的扩展，而在工件上电弧可以扩展的比较宽。
所以接近焊条端电弧断面直径小，接近焊件端电弧断面直径大，直径不同将引起压力差，从而产生焊条指向工件的推力F推：
F推=kI㏒（Rb/Ra），：
F推：
指向工件的推力；
I：
电流值；
；
Rb：
锥形弧柱下地面半径；
Ra：
锥形弧柱上地面半径。
2、等离子流力
电弧中由于电弧推力引起的高温气流运动所形成的力称为等离子流力。
3、斑点力
当电极上形成斑点时，由于斑点上导电和导热的特点，在斑点上产生斑点力。
斑点力在一定条件下会阻碍焊条熔化金属的过渡。
4、爆破力
熔滴短路时电弧瞬时熄灭，因短路时电流很大，短路金属液柱中电流密度很高，在金属液柱内产生很大的电磁收缩力，使电弧颈变细，电阻热使金属液柱温度急剧升高，使液柱气化爆裂，此为爆破力并且能使液体金属形成飞溅。
五、磁场对电弧的作用
电弧周围的磁场：
电弧本身电流产生的磁场（自身磁场）。
电弧自身磁场的作用：
使电弧具有刚直性（电弧作为一个柔软导体抵抗外界干扰，保持焊接电流沿焊条轴向流动的性能）。
电弧的磁偏吹（自身磁场不对称使电流偏离焊条轴线的现象）。
1、造成磁偏吹的原因是：
（1）接地线位置不正确；
（2）外部磁场；
（3）焊条不同心。
2、消除和减弱偏吹的方法：
（1）短弧焊接；
（2）对长和大的工件两边连接地线；
（3）消除工件剩磁；
（4）用厚皮焊条；
（5）避免周围磁性物质影响
1－4焊丝的加热、熔化及熔滴过渡
一、焊丝的加热、熔化
熔化极电弧焊时，焊丝熔化作为填充金属形成焊缝。
焊丝的熔化主要靠阴极区或阳极区所产生的热量，而弧柱区产生的热量对焊丝熔化居次要地位。
焊丝除了受电弧的加热外，在自动和半自动焊时，从焊丝与导电嘴接触点到电弧端头的一段焊丝（即焊丝伸出长度用Ls表示）有焊接电流流过，所产生电阻热对焊丝有预热作用，从而影响焊丝的熔化速度。
特别是焊丝比较细和焊丝金属的电阻系数比较大时这种影响更为明显。
PR=IRsRS=§
Ls/S
影响焊丝熔化速度的因素：
1、电流和电压对熔化速度的影响。
2、气体介质对焊丝熔化速度的影响。
不同气体介质直接影响阴极压降的大小和焊接电弧产热多少，因此影响焊丝的熔化速度。
3.电阻热对熔化速度的影响。
熔化焊时，由于采用的电流密度较大，所以在焊丝伸出长度产生的电阻热对焊丝起着预热作用，可以影响到焊丝的熔化速度。
二、熔滴过渡和飞溅
在电弧热作用下，焊丝与焊条端头的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用向母材过渡，称为熔滴过渡。
1、熔滴上的作用力
1、
焊条端头的金属熔滴受以下几个力的作用；
表面张力、重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其他力。
①表面张力
表面张力是在焊条端头上保持熔滴的主要作用力。
②重力
当焊丝直径较大而焊接电流较小时，在平焊位置情况下，使熔滴脱离焊丝的力主要是重力。
如果熔滴的重力大于表面张力时，熔滴就要脱离焊丝。
在立焊和仰焊时，重力将阻碍熔滴过渡。
③电磁力
电流通过熔滴时，将产生电磁力的轴向分力，其方向总是从小截面指向大截面，它是促进熔滴过渡的。
④等离子流力。
电流较大时，高速等离子流将对熔滴产生很大的推力，使之沿焊丝轴线方向运动。
这种推力的大小与焊丝直径和电流大小有密切的关系。
⑤斑点压力
电极上形成斑点时，当斑点面积较小时斑点压力常常是阻碍熔滴过渡的力；
而当斑点面积很大，笼罩整个熔滴时斑点压力常常促进熔滴过渡。
⑥爆破力
当熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而生成气体时，会使熔滴内部在电弧作用下气体积聚和膨胀造成较大的内力，从而使熔滴爆炸而过渡。
如短路过渡焊接时。
上述各种力对熔滴过渡的作用，根据不同的工艺条件应做具体的分析。
当立焊仰焊时，重力使过渡的金属偏离电弧的轴线方向而阻碍熔滴过渡。
长弧时，表面张力总是阻碍熔滴从焊丝端部脱离，但当熔滴与熔池金属短路并形液体金属过桥时，由于熔池界面很大，这时表面张力有助于把液体金属拉进熔池，而促进熔滴过渡。
电磁力也有同样的情况，当熔滴短路使电流线呈发散形，也会促进液态小桥金属向熔池过渡。
2、熔滴过渡主要形式及其特点
（1）熔滴过渡的分类
熔滴过渡形式大体上可分为三种类型，即自由过渡、接触过渡和渣壁过渡。
◆自由过渡：
指熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触。
◆接触过渡：
焊丝端部的熔滴与熔池表面通过接触而过渡。
在熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复的引燃电弧，这种接触过渡亦称为短路过渡。
TIG焊时，焊丝作为填充金属，它与工件间不引燃电弧，也称为搭桥过渡的。
◆渣壁过渡：
渣壁过渡与渣保护有关，常发生在埋弧焊与手弧焊时，熔滴是从熔渣的空腔壁上流下的。
（2）滴状过渡
◆大滴状排斥过渡
气体保护焊时，因CO2气体高温分解吸热对电弧有冷却作用，使电弧电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，增加了斑点压力而阻碍熔滴过渡，并形成大滴状排斥过渡。
熔化极气体保护焊直流正接时，由于斑点压力较大，无论用Ar还是CO2气体保护，焊丝都有明显的大滴状排斥过渡现象。
应当指出的是，中等电流规范CO2气体保护焊时，因弧长较短，同时熔滴和熔池都在不停的运动，熔滴与熔池极易发生短路过程，所以CO2气体保护焊除大滴状排斥过渡外，还有一部分熔滴是短路过渡。
正因为这种过渡形式有一定量的短路过渡易形成飞溅，所以在焊接回路中应串联大一些的电感，使短路电流上升速度慢一些，这样可以适当的减少飞溅。
◆细颗粒过渡
CO2气体保护焊时，随着焊接电流的增加，斑点面积也增加，电磁力增加，熔滴过渡频率也增加。
虽然由于电流增加使熔滴细化，但是熔滴尺寸一般也大于焊丝直径。
电流再增加时，它的电弧形态与熔滴过渡形式没有突然变化，这种过渡形式称为细颗粒过渡。
细颗粒过渡飞溅较小。
（3）喷射过渡
用氩气或富氩气体保护焊时，会出现喷射过渡形式。
◆射滴过渡
过渡时熔滴直径大于焊丝直径，脱离焊丝沿焊丝轴向过渡。
（焊钢时总是一滴一滴的过渡，焊铝及其合金时每次1~2滴）气体保护焊时，均有射滴过渡形式。
射滴过渡是界于小电流滴状过渡和大电流射流过渡之间的一种熔滴过渡形式。
◆射流过渡
焊丝端部液体金属直径很细熔滴的表面张力很小，再加等离子气流的作用，细小的熔滴从焊丝尖端一个接一个向熔池过渡，过渡速度很快。
脱离焊丝端部的熔滴加速度可以达到重力加速度的几十倍，称这过渡方式为射流过渡。
（4）短路过渡
在较小电流低电压时，熔滴未长成大滴就与熔池短路，在表面张力及电磁收缩力的作用下，熔滴向母材过渡这种过程称短路过渡。
（这种过渡形式电弧稳定，飞溅较小，熔滴过渡频率高，焊缝成形较好，广泛用于薄板和全位置焊接过程）
（5）渣壁过渡
指涂料焊条手弧焊和埋弧焊时的熔滴形式。
使用涂料焊条接时，可出现四种过渡形式：
渣避过渡大颗粒过渡、细颗粒渡和短路过渡。
过渡形式决定于涂料成分和药皮厚度、焊接规范、电流种类和极性等。
用厚皮涂料焊条焊接时，焊条端头形成带一定角度的药皮套筒，它可以控制气流的方向和熔滴过渡的方向。
套筒的长短与涂料厚度有关，通常涂料越厚，套筒越长，吹送力也越大，但涂料层厚度应适当。
过厚和过薄都不好，均可产生较大的熔滴。
当涂料层厚度为1.2mm时熔滴的颗粒最小。
用薄皮焊条焊接时，不生成套筒，熔渣很少，不能包围熔化金属，成为大滴或短路过渡。
碱性焊条在很大电流范围内均为大滴状或短路过渡。
这是因为液体金属与熔渣的界面有很大的表面张力，不易产生渣壁过渡，在电弧气氛中含有30%以上的气体，与气保焊相似，在低电压时弧长较短，熔滴没有长大就发生短路，出现短路过渡。
当弧长增加时，熔滴自由长大，将呈大滴过渡。
使用酸性焊条焊接时为细颗粒过渡。
因为渣和液态金属含有大量的氧，在金属与渣的界面上表面张力较小。
焊条熔化时，熔滴尺寸受电流影响较大。
部分熔化金属沿套筒内壁过渡，部分直接过渡，若进一步增加电流时，将提高熔滴温度，同时降低表面张力。
高电流密度时，将出现更细的熔滴过渡。
这时电弧电压在一定范围内变化时，对熔滴过渡影响不大。
埋弧焊时，电弧是在熔渣形成的空腔（气泡）内燃烧，这时熔滴是通过渣壁流入熔池，只有少数熔滴是通过气泡内的电弧空间过渡。
埋弧焊熔滴过渡与焊接速度、极性、电弧电压和焊接电流有关。
在直流反极性时，若电弧电压较低，焊丝端头呈尖锥状，其液体锥面大致与熔池的前方壁面相平行，这时气泡较小，焊丝端头的金属熔滴较细，熔滴将沿渣壁以小滴状过渡。
相反，在直流正接的情况下，焊丝端头的熔滴较大，在斑点压力的作用下，熔滴不停摆动，这时熔滴呈大滴状过渡，每秒钟仅10滴左右，而直流反接时每秒钟可达几十滴，焊接电流对熔滴过渡频率有很大的影响，随着电流的增加，熔滴过渡频率增加，其中以直流反接时更为明显。
三、熔敷和飞溅
电弧焊接过程中，熔化的焊丝由于受到电弧高温.气体介质.熔滴过渡.冶金反应等影响，会产生氧化。
蒸发和飞溅损耗，直接影响焊接质量和效率。
熔敷率:
过渡到焊缝中的金属重量与使用焊丝重量之比（用焊条焊接时，按焊条芯重量计算）。
飞溅:
焊接过程中，大部分焊丝熔化金属可以过渡到熔池，有一部分焊丝熔化金属飞向熔池之外，飞向熔池之外的金属称为飞溅。
1－5焊接参数和工艺对焊缝的影响
一、电流、电压、焊接速度对焊缝的影响
电流、电压、焊接速度是决定焊缝尺寸的主要能量参数。
1、焊接电流
焊接电流增大时（其他条件不变），焊缝的熔深和余高增大，熔宽没多大变化（或略为增大）。
这是因为：
（1）电流增大后，工件上的电弧力和热输入均增大，热源位置下移，熔深增大。
熔深与焊接电流近于正比关系。
（2）电流增大后，焊丝融化量近于成比例地增多，由于熔宽近于不变，所以余高增大。
（3）电流增大后，弧柱直径增大，但是电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到限制，因而熔宽近于不变。
2、电弧电压
电弧电压增大后，电弧功率加大，工件热输入有所增大，同时弧长拉长，分布半径增大，因而熔深略有减小而熔宽增大。
余高减小，这是因为熔宽增大，焊丝熔化量却稍有减小所致。
3、焊接速度
焊速提高时线能量减小，熔深和熔宽都减小。
余高也减小，因为单位长度焊缝上的焊丝金属的熔敷量与焊速成反比，熔宽则近于焊速的开方成反比。
二、电流的种类和极性以及电极尺寸等的影响
1、电流的种类和极性
熔化极电弧焊时，直流反接时熔深和熔宽都要比直流正接的大，交流电焊接时介于两者之间，这是因为工件（阴极）析出的能量较大所致。
直流正接时，焊丝为阴极，焊丝的熔化率较大。
钨极氩弧焊时直流正接的熔深最大，反接最小。
焊铝、镁及合金有去除熔池表面氧化膜的问题，用交流为好，焊薄件时也可用反接。
焊其他材料一般都用直流正接。
2、钨极端部形状、焊丝直径和伸出长度的影响
熔化极电弧焊时如果电流不变，焊丝直径变细，则焊丝上的电流密度变大，加热集中，因此熔深增大，熔宽减小，余高也增大。
焊丝伸出长度增加时，焊丝电阻热增大，焊丝熔化量增多，余高增大，熔深略有减小。
三、焊缝成形缺陷及缺陷形成的原因
1、未焊透：
熔焊时，接头根部未完全焊透的现象叫未焊透。
形成的原因是焊接电流小，焊速过高或坡口尺寸不合适及焊丝未对准焊缝中心等造成。
细焊丝短路过渡CO2焊时，由于工件热输入低，容易产生这种缺陷。
2、未熔合：
熔焊时，焊道与母材之间或焊道之间，未能完全熔化结合的部分叫未熔合。
3、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。
焊接电流过大、焊速过小或者间隙坡口尺寸过大都可能形成这种缺陷。
4、咬边：
在沿着焊缝的母材部位，烧熔形成凹陷或沟槽的现象叫咬边。
大电流高速焊时可能产生缺陷。
腹板处于垂直位置的角焊缝焊接时，如果一次焊接的焊脚过大或者电压过高时，也会产生咬边，焊对接接头时操作不当亦会产生。
5、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。
焊瘤是由填充金属过多引起的，这与间隙和坡口尺寸小、焊速低、电压小或者焊丝伸出长度大等有关。
1－6通用弧焊电源的发展和分类
一、按弧焊电源形式分类：
1、通用弧焊电源设备分为交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源。
交流焊接输出为交流点，电流过零时电弧瞬间熄灭，焊接质量不好。
2、直流弧焊机按发展过程主要分为：
（1）直流弧焊发电机：
交流电动机带直流发电机发出直流电，给电弧提供能量。
缺点是体积大、效率低、噪音大。
（2）硅整流式直流焊机
工频380V交流电变压器降压后，二极管整流，输出直流电，给电弧提供能量。
缺点是有工频变压器，体积大、重、效率低、电流不稳定。
（3）可控硅（晶闸管）整流式焊机
有工频变压器，体积大、重、效率低。
（4）逆变式焊机
没有工频变压器，重量轻，效率高，详见第二章。
3、脉冲弧焊电源
输出直流脉冲或者交流脉冲，详见第七章。
二、按焊接工艺分类
1、手工焊机
又可以分为手工电弧焊机和手工氩弧焊机两类，特点是手工送焊条、手工跟踪焊缝，效率比较低，成本比较高。
2、半自动焊机
特点是自动送丝，手工行走和跟踪焊缝，效率比较手工焊有所提高，成本降低。
主要有CO2气体保护焊机、MIG/MAG熔化极气体保护焊机。
3、自动焊机
特点是自动送丝、自动跟踪焊缝，效率高，成本降低。
主要有埋弧自动焊等。
4、等离子切割机
详见第八章。
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