第一章-焊接方法概述

1、第一章第一章 焊接方法概述焊接方法概述一、焊接及其本質(zhì)：焊接及其本質(zhì)： 焊接是通過適當?shù)奈锢砘瘜W(xué)方法，使兩個分離的固體通過原子間的結(jié)合力結(jié)合起來的一種連接方法。 1)固體結(jié)合金屬金屬金屬非金屬非金屬非金屬 2)依靠原子間的結(jié)合力 - 焊接本質(zhì)通過原子間的結(jié)合力將兩個固體連接起來，對于金屬來說，必須產(chǎn)生金屬鍵，也就是說，被連接表面要接近到原子晶格間距。 3)要通過一定的物理、化學(xué)過程加熱：電弧焊、釬焊加壓：冷壓焊加熱+加壓：電阻焊、擴散焊放大 d要求達到：10nm10m因此：采取必要的措施。d氧化物二、焊接方法的分類焊接熔化焊：壓力焊：釬 焊：利用摩擦、擴散和加壓等物理作用，克服兩個連接表面的不

2、平度，除去氧化膜及其它污染物，使兩個連接表面上的原子相互接近到晶格距離，從而在固態(tài)條件下實現(xiàn)連接的方法。利用一定的熱源，使構(gòu)件的被連接部位局部熔化成液體，然后再冷卻結(jié)晶成一體的方法稱為熔焊。采用熔點比母材低的材料作釬料，將焊件和釬料加熱至高于釬料熔點、但低于母材熔點的溫度，利用毛細作用使液態(tài)釬料充滿接頭間隙，熔化釬料潤濕母材表面，冷卻后結(jié)晶形成冶金結(jié)合。加熱壓力焊釬釬料料加壓熔化焊釬焊電阻縫焊熔化焊：電弧焊 氣 焊鋁熱焊電渣焊 電子束焊 激光焊 電阻點焊根據(jù)熱源來分類電弧焊：熔化極電弧焊 CO2焊 埋弧焊 熔化極氣體保護焊(GMAW) 鎢 極 氬 弧 焊（GTAW）等離子弧焊 非熔化極電弧焊

3、螺柱焊手工電弧焊 電弧焊電電源源電極電極工件工件三、焊接方法特點：三、焊接方法特點：1）焊接可將各個零部件直接連接起來，無需其他附加件，接頭強度一般也能達到與母材相同，因此，焊接產(chǎn)品的重量輕、成本低。2）焊接接頭是通過原子間的結(jié)合力實現(xiàn)的連接，均勻性及整體性好、剛度大，在外力作用下不像機械連接那樣產(chǎn)生較大的變形。3）焊接結(jié)構(gòu)具有良好的氣密性、水密性，這是其他連接方法無法比擬的。4）可連接不同類型的金屬材料、不同形狀及尺寸的材料，可使金屬結(jié)構(gòu)中材料的分布更合理。5）可將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型構(gòu)件分解為許多小型零部件分別加工，然后再將這些零部件焊接起來，這樣就簡化了金屬結(jié)構(gòu)的加工工藝、縮短了加工周期。6）

4、焊接是一種“柔性”加工工藝，既適用于大批量生產(chǎn)，又適用于小批量生產(chǎn)。焊接電弧的物理基礎(chǔ)1電弧及其電場強度分布 電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它是帶電粒子通過兩電極之間氣體空間的一種導(dǎo)電過程，如右圖所示 。 兩電極之間的氣體導(dǎo)電，必須具備兩個基本條件： 兩電極之間有帶電粒子； 兩電極之間有電場。 電弧兩極間帶電粒子產(chǎn)生的來源有：中性氣體粒子的電離、金屬電極發(fā)射電子、負離子形成等。其中氣體電離和陰極發(fā)射電子是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的兩個基本物理過程。（1）氣體的電離1） 氣體電離：在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程稱為氣體電離。 氣體電離的實質(zhì)，是中性氣體粒子（分子或原子）吸收

5、足夠的外部能量，使得分子或原子中的電子脫離原子核的束縛而成為自由電子和正離子的過程。 使中性氣體粒子電離所需的最小外加能量稱為電離能。電離能通常以電子伏（ev）為單位，1電子伏就是指1個電子通過電位差為1V的兩點間所需做的功，其數(shù)值為1.6 10-19J。電弧氣氛中常見氣體粒子的電離電壓見表1。氣體粒子電離電壓 /V氣體粒子電離電壓 /VH13.5W8.0He24.5（54.2）H215.4C11.3（24.4，48，65.4）Na15.5N14.5（29.5，47，73，97）O212.2O13.5（35，55，77）Cl213F17.4（35，63，87，114）CO14.1Na5.1（4

6、7，50，72）NO9.5Cl13（22.5，40，47，68）OH13.8Ar15.7（28，41）H2O12.6K4.3（32，47）CO213.7Ca6.1（12，51，67）Fe7.9（16，30）表1 常見氣體粒子的電離電壓n 當電弧空間同時存在電離電壓不同的幾種氣體時，在外加能量的作用下，電離電壓較低的氣體粒子將先被電離。如果這種氣體供應(yīng)充足，則電弧空間的帶電粒子將主要由這種氣體的電離來提供，所需要的外加能量也主要取決于這種較低的電離電壓，因而為提供電弧導(dǎo)電所要求的外加能量也較低。n 焊接時，為提高電弧的穩(wěn)定性，往往加入一些電離電壓較低、易電離的元素作為穩(wěn)弧劑，也就是基于此種原因。

7、 n2） 電離種類：n根據(jù)外加能量來源的不同，氣體電離種類可分為以下幾種： 熱電離電弧中帶電粒子數(shù)的多少對電弧的穩(wěn)定起著重要作用。單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度，用表示，即 x = 已電離的中性粒子密度 / 電離前的中性粒子密度隨著溫度的升高，氣體壓力的減小及電離電壓的降低，電離度隨之增加，電弧中帶電粒子數(shù)增加，電弧的穩(wěn)定性增強。圖2場致電離 當帶電粒子的動能增加到一定數(shù)值時，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使之產(chǎn)生電離，這種電離稱為場致電離。 在電弧的陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)，電場強度可達105-107V/cm，遠高于弧柱區(qū)，因而會產(chǎn)生顯著的場致電離現(xiàn)象。光電離 中

8、性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。（2）陰極電子發(fā)射 在電弧焊中，電弧氣氛中的帶電粒子一方面由電離產(chǎn)生，另一方面則由陰極電子發(fā)射獲得。兩者都是電弧產(chǎn)生和維持不可缺少的必要條件。 由于從陰極發(fā)射的電子，在電場的加速下碰撞電弧導(dǎo)電空間的中性氣體粒子而使之電離，這樣就使陰極電子發(fā)射充當了維持電弧導(dǎo)電的“原電子之源”。因此，陰極電子發(fā)射在電弧導(dǎo)電過程中起著特別重要的作用。 1）電子發(fā)射與逸出功 陰極表面的自由電子受到一定的外加能量作用時，從陰極表面逸出的過程稱為電子發(fā)射。 電子從陰極表面逸出需要能量，1個電子從金屬表面逸出所需要的最低外加能量稱為逸出功（Aw），單位是電子伏。因電子

9、電量為常數(shù)e，故通常用逸出電壓（Uw)來表示，Uw = Aw / e，單位為V。 逸出功的大小受電極材料種類及表面狀態(tài)的影響。由2表可見，當金屬表面存在氧化物時逸出功都會減小。表2 幾種金屬材料的逸出功金屬種類WFeAlCuKCaMgAw / eV純金屬4.54 4.48 4.25 4.362.022.123.73表面有氧化物3.923.93.850.461.83.312）電子發(fā)射的類型。熱發(fā)射。陰極表面因受到熱的作用而使其內(nèi)部的自由電子熱運動速度加大，動能增加，一部分電子動能達到或超出逸出功時產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。場致發(fā)射。當毗鄰陰極表面的空間存在一定強度的正電場時，陰極內(nèi)部的電子將

10、受到電場力的作用。當此力達到一定程度時電子便會逸出陰極表面，這種電子發(fā)射現(xiàn)象稱為場致發(fā)射。光發(fā)射。當陰極表面受到光輻射作用時，陰極內(nèi)的自由電子能量達到一定程度而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為光發(fā)射。光發(fā)射在陰極電子發(fā)射中居次要地位。粒子碰撞發(fā)射。電弧中高速運動的粒子（主要是正離子）碰撞陰極時，把能量傳遞給陰極表面的電子，使電子能量增加而逸出陰極表面的現(xiàn)象稱為粒子碰撞發(fā)射。（3） 焊接電弧的熱效率及能量密度 電弧焊的熱能由電能轉(zhuǎn)換而來，因此電弧的功率可由下式表示 AA式中：Q電弧的電功率； A電弧電壓， ACa用于加熱、熔化填充材料及工件的電弧熱功率稱為有效熱功率，表示為 常用焊接方法的熱效率系數(shù)焊接方

11、法焊接方法焊條電弧焊埋弧焊C02氣體保護焊0.65 0.850.80 0.900.75 0.90熔化極氬弧焊鎢極氬弧焊0.70 0.800.65 0.702 2、焊接電弧的構(gòu)造及靜特性、焊接電弧的構(gòu)造及靜特性（1）區(qū)域組成由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱三部分組成。1、陰極區(qū)：長度極短、電壓較大、E（電場強度）極高2、陽極區(qū)：長度也極短、電壓較大、E極高3、弧柱區(qū)長度基本上等于電弧長度，E較小UA UCUK陽極區(qū)陰極區(qū)弧柱-+10-5 10-6cm10-2 10-4cm（2）陰極斑點與陽極斑點1、陰極斑點：陰級上導(dǎo)通電流的一些灼亮的弧立點。1)產(chǎn)生條件：a、W、C陰極且I很小b、AI、Fe、Cu作陰極2

12、)某點充當陰極斑點的條件a、電弧通過該點時耗能最小b、該點能發(fā)射電子3）特點a）電流密度大、溫度高b）跳躍性及粘著性c）存在斑點力：蒸發(fā)反力、A+的撞擊力d）自動尋找氧化膜，該點對于鋁、鎂及其合金的焊接是非常重要的，見后面的陰極霧化作用。2、陽極斑點1）產(chǎn)生條件：I很小2）點充當陽極斑點的條件a）通過該點導(dǎo)通電流時，耗能最小b）易蒸發(fā)，產(chǎn)生金屬蒸氣3）特點：a、電流密度大、溫度高b、粘著性、跳躍性c、避開氧化膜d、斑點力，陽極斑點力小于陰極斑點力 陰極、陽極的溫度則根據(jù)焊接方法的不同有所區(qū)別，見表。 常用焊接方法陰極與陽極的溫度比較焊接方法酸性焊條電弧焊鎢極氬弧焊堿性焊條電弧焊熔化極氬弧焊C0

13、2氣體保護焊埋弧焊溫度比較陽極溫度陰極溫度陰極溫度陽極溫度電弧穩(wěn)定燃燒時，Ua與Ia的關(guān)系稱為電弧靜 特性。下降區(qū)（負阻特性區(qū)）：電流密度不變平特性區(qū)：E不變上升特性區(qū)：影響因素影響因素：1、弧長2、氣體介質(zhì)導(dǎo)熱性熱分解性能3、氣體介質(zhì)的壓力 （2）電弧的靜特性UaIa小小電電流流TIGTIGSAWMMAMIGMAG3焊接電弧的穩(wěn)定性焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧保持穩(wěn)定燃燒（不產(chǎn)生斷弧、飄移和偏吹等）的程度。電弧不穩(wěn)定的原因除操作人員技術(shù)熟練程度外，還與下列因素有關(guān)。n（1）焊接電源n（2）焊條藥皮或焊劑n（3）焊接電流：焊接電流越大，電弧燃燒越穩(wěn)定。n（4）磁偏吹 電弧在其自身磁場作用下具有一定的挺直性，使電弧盡量保持在焊絲（條）的軸線方向上，如圖1-13所示。但在實際焊接中，由于多種因素的影響，電弧周圍磁力線均勻分布的狀況被破壞，使電弧偏離焊絲（條）軸線方向，這種現(xiàn)象稱為磁偏吹，如圖1-14所示。一旦產(chǎn)生磁偏吹，電弧軸線就難以對準焊縫中心，導(dǎo)致焊縫成形不規(guī)則，影響焊接質(zhì)量。圖1-14 引起磁偏吹的根本原因是電弧周圍磁場分布不均勻，致使電弧兩側(cè)產(chǎn)生的電磁力不同。焊接時引起磁力線分布不