熔焊方法及设备复习资料.docx
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熔焊方法及设备复习资料
绪论
焊接定义：
通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子或分子间结合的一种方法。
焊接物理本质
固体材料之所以能保持固定的形状是因为：
1其内部原子之间的距离足够小，原子之间形成了牢固的结合力。
2焊接使两种材料连接在一起，即连接的材料表面上原子接近到足够小的距离，使之产生足够的结合力。
焊接方法的分类：
分类（族系法）：
熔焊 压焊 钎焊
（1）熔焊
定义：
在不是施加压力的情况下，将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。
电弧焊：
熔化极（焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、螺柱焊）
非熔化极（钨极氩弧焊、等离子弧焊、碳弧焊、原子氢焊、气焊、氧氢、氧乙炔、空气乙炔、铝热焊、电渣焊、电子束焊、激光焊）
（2）压焊
定义：
焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为压焊。
电阻焊（点焊、缝焊、凸焊、对焊、高频焊）
冷压焊 （超声波焊、爆炸焊、锻焊、扩散焊、摩擦焊、气压焊）
（3）钎焊
定义：
采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的焊接方法称为钎焊
（火焰、感应、炉中、浸渍、电子束、红外线等）
第一章焊接电弧
1.电弧的物理本质：
焊接电弧是由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两级之间或者电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的气体放电现象。
2．两电极间气体导电条件：
①两电极之间有带电粒子；②两电极之间有电场。
3.电弧中产生带电粒子的产生：
①气体介质的电离②电极电子发射
4.气体的电离
（1）电离与激励
气体电离：
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。
激励：
当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级的现象。
（2）电离种类（根据外加能量来源分为）
1）热电离：
气体粒子受热的作用而产生电离的过程。
2）场致电离：
在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子被加速，当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离的过程。
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。
5.电子发射：
阴极表面接受一定外加能量作用时，使其内部的电子冲破电极表面的束缚而飞到电弧空间的现象。
电子发射的类型
1）热发射：
阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象。
¤2）场致发射：
当阴极表面中间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用，当此力达到一定程度时电子便会逸出阴极表面的现象。
3）光发射：
当阴极表向受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象。
4）粒子碰撞发射：
电弧中高速运动的粒子（主要是正离子）碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象。
6.阴极斑点：
是阴极表面发出烁亮的区域，是发射电子最集中（电流最集中流过）的区域。
热阴极：
当采用钨或碳高溶点和高沸点材料作阴极时，电弧的阴极区电子可以主要靠阴极热发射来提供，这种电极叫热阴极。
（其斑点固定不动）
冷阴极：
当采用钢、钢、铝等材料作阴极时，溶点和沸点较低，阴极温度不高，热发射不能提供足够的电子，这种电极通常称为冷阴极。
（其斑点在阴极表面作不规则的游动，甚至几个斑点同时存在）
金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子。
同时自身被破坏，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。
阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。
阴极清理：
如果电弧在惰性气体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方将该处氧化物清除，这样就会在阴极表面的一定区域内将氧化物消除干净，显露出金属本色的现象。
7．电弧的构造：
阴极去、阳极区、弧柱区。
阳极区的主要作用：
接受弧柱中送来的电子流②同时向弧柱提供所需要的正离子流
阳极区导电形式：
阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离提供的。
导电机构：
场致电离和热电离
阴极区的作用：
①向弧柱区提供电弧导电所需的电子流；
②接受由弧柱传来的正离子流。
导电机构：
1．热发射型2．电场发射型3.等离子型
弧柱区的导电特性：
弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的电子流组成。
弧柱中的电流主要由电子流构成。
8.最小电压原理：
①当电流和电弧周围条件（如气体介质种类、温度、压力等）一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面,使电弧的能量消耗最小。
②当电弧长度也为定值时,电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小,因此,能量消耗最小时的电场强度最低，在固定弧长上的电压降最小。
9.电弧静特性：
一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压与电弧电流之间的关系，称为焊接电弧的静特性伏安特性。
10：
电弧轴向温度：
阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。
因为：
电极受材料沸点的限制，加热温度一般不能超过其沸点；而弧柱中的气体或金属蒸气不受这一限制，且气体介质的导热特性也不如金属电极的导热性好，热量不易散失，故有较高的温度。
11：
电弧力主要包括:
电磁收缩力、等离子流力、斑点力等。
A:
电磁收缩力:
定义：
由两个导体电流方向相同而产生的吸引力称为电磁收缩力
作用：
电磁收缩力形成的轴向推力可在熔化极电弧焊中促使熔滴过渡，并可束缚弧柱的扩展，使弧柱能量更集中，电弧更具挺直性。
（电弧的挺直性：
电弧作为柔性导体具有抵抗外界干扰、力求保持焊接电流沿电极轴线方向流动的性能。
）
B:
等离子流力：
电弧中由电弧推力引起高温气流高速运动所形成的力。
也称为电弧的电磁动压力。
作用：
等离子流力可增大电弧的挺直性，在熔化极电弧焊时促进熔滴轴向过渡，增大熔深并对熔池形成搅拌作用。
C:
斑点力:
电极上形成斑点时，由于斑点处受到带电粒子的撞击或金属蒸发的反作用而对斑点产生的压力。
作用：
不论是阴极斑点力还是阳极斑点力，其方向总是与熔滴过渡方向相反，因而斑点力是阻碍熔滴过渡的作用力，
熔化极气体保护焊采用直流反接，可以减小熔滴过渡的阻碍作用，减少飞溅。
钨极氩弧焊采用直流反接，由于阴极斑点位于焊件上，正离子的撞击使电弧具有阴极清理作用。
焊接电弧力的影响因素：
1.焊接电流和电弧电压。
2.焊丝直径。
3电极极性。
4：
气体介质。
5。
钨极极端部几何形状。
6.电流脉动。
12．磁偏吹：
定义：
焊接时，由于多种因素的影响使电弧周围磁力线均匀性受到破坏，导致焊接电弧偏离焊丝（条）轴线，而向某一方向偏吹的现象称为磁偏吹。
引起磁偏吹的情况：
A:
地线接线位置偏向电弧一侧。
导线接在焊件的一侧，焊接时电弧一侧的磁力线由两部分叠加组成：
一部分是电流通过电弧产生；另一部分由电流通过焊件产生。
而另外一侧磁力线仅由电流通过电弧本身产生，所以电弧两侧受力不平衡，产生磁偏吹。
（向导线反侧吹）
B:
电弧一侧放置铁磁物质。
因铁磁物体磁导率大，磁力线大多通过铁磁物体形成回路，使铁磁物体一侧磁力线变稀，造成电弧两侧磁力线分布不均勾，产生磁偏吹，电弧偏向铁磁物体一侧。
C:
平行电弧之间。
平行电弧的电流方向相同时，相互之间产生吸引，电流相反时，相互之间产生排斥。
防止措施：
1．在实际生产中，为减弱磁场偏吹的影响可优先选用交流电源；
2．采用直流电源时，则在焊件两端同时接地线，以消除导线接线位置不对称所带来的磁偏吹，并尽可能在周围没有铁磁物质的地方焊接。
3．压短电弧，使焊丝向电弧偏吹方向倾斜，也是减弱磁偏吹影响的有效措施。
13：
影响电弧稳定性的因素：
焊接电源、焊接电流和电弧电压、电流的种类和极性、焊条药皮和焊剂、磁偏吹、其他因素（污染物和环境）
第三章母材熔化和焊缝成形
一：
焊接参数对焊缝成形的影响
（1）焊接电流
焊接电流主要影响焊缝厚度。
其他条件一定时，随着电流的增大，焊缝厚度（熔深）和余高增加熔宽略有增加。
（2）电弧电压
电弧电压主要影响焊缝宽度。
其他条件一定时，随着电弧电压的增大，电弧功率增加，焊缝宽度显着增加，而焊缝厚度（熔宽）和熔深都减小，余高减小。
（3）焊接速度
焊接速度的快慢主要影响母材的热输入量。
其他条件一定时，提高焊接速度，单位长度焊缝的热输入量及焊丝金属的熔敷量均减小，故焊缝厚度、焊缝宽度和余高都减小。
2焊接工艺因数对焊缝成形的影响（看看了解）
（1）电流种类和极性。
熔化极气体保护焊和埋弧焊：
①采用直流反接时，焊件（阴极）产生热量较多，焊缝厚度、焊缝宽度都比直流正接大；②交流焊接时，焊缝厚度、焊缝宽度介于直流正接与直流反接之间。
钨极氩弧焊或酸性焊条电弧焊：
①直流反接焊缝厚度小;②直流正接焊缝厚度大；③交流焊接介于上述两者之间
（2）焊丝直径和伸出长度p65看书
其他工艺因素：
（大致看看）
1.坡口和间隙。
2.电极倾角。
电极前倾时，焊缝宽度增加，焊缝厚度、余高均减小，焊条电弧焊时，多采用电极后倾法65°-80°。
3．焊件倾角。
下坡焊时电弧下方液态金属变厚，电弧对熔池底部金属的加热作用减弱，焊缝厚度减小，焊缝宽度增大。
4.焊件材料和厚度。
导热性好的材料熔化单位体积金属所需热量多，在热输入量一定时，它的焊缝厚度和焊缝宽度就小；焊件材料的密度或液态粘度越大，则电弧对熔池液态金属的排开越困难，焊缝厚度越小。
其他条件相同时，焊件厚度越大，散热越多，焊缝厚度和焊缝宽度越小。
5．焊剂、焊条药皮和保护气体。
二：
焊缝成形缺陷及其防治：
1.咬边，是焊缝的焊趾部位被熔化了的母材因填充金属不足而留下的缺口。
当采用大电流、高速焊接或焊角焊缝时一次焊接的焊脚尺寸过大，电压过高或焊枪角度不当，都可能产生咬边现象。
防止咬边的有效措施：
①正确选择焊接参数
②熟练掌握焊接操作技术
2.未焊透和未熔合。
易产生应力集中，使接头力学性能下降。
未焊透：
焊接时，焊接接头根部未完全熔透的现象。
未熔合：
焊道与母材之间或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的现象。
形成未焊透和未熔合的主要原因：
①焊接电流过小②焊速过高③坡口尺寸不合适④焊丝偏离焊缝中心⑤受磁偏吹影响⑥焊件清理不良⑦杂质阻碍母材边缘与根部之间以及焊层之间的熔合。
3焊瘤：
焊接过程中，熔化的金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤，也称满溢。
产生焊瘤的原因：
当坡口尺寸过小、焊接速度过慢、电弧电压过低、焊丝偏离焊缝中心及焊丝伸出长度过长等都可能产生焊瘤。
防止产生焊瘤的主要措施是：
①尽量使焊缝处于水平位置②使填充金属量适当③焊接速度不宜过低④焊丝伸出长度不宜太长⑤注意坡口及弧长的选择等
4.焊穿及塌陷
焊穿：
焊缝上形成穿孔的现象。
塌陷：
熔化的金属从焊缝背面漏出，使焊缝正向下凹、背面凸起的现象。
形成焊穿及塌陷的主要原因：
①焊接电流过大②焊接速度过小③坡口间隙过大等④在气体保护电弧焊时，气体流量过大也可能导致焊穿。
为防止焊穿及塌陷，应使焊接电流与焊接速度适当配合。
气体保护焊时，还应注意气体流量不宜过大，以免形成切割效应。
第五章埋弧焊
一：
埋弧焊的原理submergedarcwelding
1可焊接的焊件厚度范围很大
2不适合采用埋弧焊的材料：
⑴铸铁因不能承受高热输入量引起的热应力，
⑵铝、镁及其合金，没有适用的焊剂
⑶铅、锌等低熔点金属材料
两种自动调节作用:
埋弧焊的电弧静特性曲线一般接近于水平的线段，为使电弧能稳定工作，电弧静特性曲线与焊接电源外特性曲线的关系必须符合稳定条件，即两曲线必须有交点，而且在交点处电源外特性曲线的斜率必须小于电弧静特性曲线的斜率。
⑴等速送丝式焊机采用电弧自身调节系统；
⑵变速送丝式焊机采用电弧电压反馈自动调节系统。
电弧在o0点工作时，焊丝的熔化速度等于其送丝速度，焊接过程稳定。
当外界干扰使弧长突然变短，则电弧静特性降至l1，此时电弧静特性曲线与A曲线交于o2点。
在弧长变短的过程中，电弧静特性曲线还与电源外特性曲线相交于o1点，即此时焊接电流有所增大，特使焊丝熔化速度加快，也就是说电弧的自身调节也对弧长的恢复起了辅助作用，从而加快了调节过程。
注意：
A焊丝熔化速度总是随电流增加而增加的
B电弧电压增加时，焊丝熔化速度减小。
C焊丝直径减小、伸出长度增大时，焊丝熔化速度增大
二：
低碳钢埋弧焊埋弧焊的冶金过程
（一）冶金过程的特点
埋弧焊的冶金过程：
是指液态熔渣与液态金属以及电弧气相之间的相互作用，其中主要包括氧化、还原反应，脱硫、脱磷反应以及去除气体等过程。
埋弧焊四个主要冶金特点：
1．空气不易侵入焊接区
2．冶金反应充分
3．焊缝金属的合金成分易于控制
4．焊缝金属纯度较高且成分均匀
对于低碳钢埋弧焊来说，最主要的冶金反应有：
⑴硅、锰的还原看书（p100）@@@@@@@
⑵碳的氧化（烧损）反应
⑶焊缝中氢和硫、磷含量的控制
（4）熔池中的去氢反应
第六章 钨极惰性气体保护焊（TIG）
TIG焊可用于几乎所有金属及其合金的焊接，可获得高质量的焊缝。
由于其成本较高，生产率低，多用于焊接铝、镁、钛、铜等有色金属及合金，以及不锈钢、耐热钢等材料。
一．原理：
在惰性气体的保护下，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可以不加填充焊丝），形成焊缝的焊接方法。
焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，保护电极和焊接熔池以及临近热影响区，以获得优质焊接接头。
二．特点：
（1）可焊金属多，范围广
（2）即使很小电流下，电弧仍稳定
（3）热输入容易控制：
原因焊丝和热源分别控制
（4）不产生飞溅：
原因是焊丝不通过电流。
（5）可成功焊接化学活泼性强的有色金属：
能自动清除工件表面氧化膜
（6）可实现全位置焊接，容易自动化和机械化
（7）适合焊薄件和超薄件：
从生产考虑3mm以下
三1．直流正极性法（a图）
电子撞击焊件（正极），释放出全部动能和位能（逸出功），产生大量热能加热焊件，从而形成深而窄的焊缝
2．直流反极性法（b图）
由于焊件一般熔点较低，电子发射比较困难，往往只能在焊件表面温度较高的阴极斑点处发射电
•直流反接时电流对母材表面的氧化膜具有阴极清理作用
•钨极电流承载能力及阴极清理作用（阴极破碎作用）的机理：
阴极斑点总是出现在电子逸出功较低的氧化膜处，当阴极斑点受到弧柱区来的正离子流的强烈撞击时，温度很高，氧化膜很快被气化破碎，显露出纯洁的焊件金属表面，电子发射条件也因此变差。
这时，阴极斑点就会自动转移到附近有氧化膜存在的地方，如此下去，就会把焊件焊接区表面的氧化膜去除掉
直流反接用的很少：
只用于厚度在3mm以下的铝镁及其合金焊接。
四：
交流焊接中存在的问题：
1.交流电弧过零点后复燃困难；
过零点复燃及稳弧措施：
（1）提高焊接电源的空载电压稳弧
（2）采用高频振荡器稳弧
（3）高压脉冲引弧
2.焊接回路中产生直流分量的问题。
限制或消除直流分量的方法：
（1）
在焊接回路中串联直流电源（蓄电池）
（2）在焊接回路中接入电阻和二极管
（3）在焊接问路中串联电容@好（通交流阻直流）
第七章 熔化极惰性气体/活性气体保护电弧焊
一MIG/MAG原理：
以惰性气体或混合气体（活性气体）作为保护气体，采用与母材相近材质的焊丝作为电极，焊丝熔化后形成熔滴过渡到熔池中，与熔化的母材共同形成焊缝。
二熔滴过渡：
射滴过渡、射流过渡、亚射流过渡167页
焊接铝及铝合金：
较小的电弧电压，熔滴过渡介于短路过渡和射流过渡之间，习惯上称之为亚射流过渡。
第八章 二氧化碳气体保护电弧焊
一：
细丝CO2焊（焊丝直径≤
粗丝CO2焊（焊丝直径＞1.6mm
二：
粗丝焊的熔滴过渡一般为细滴过渡过程。
宜采用变速送丝式焊机，配合下降的外特性电源。
三：
提高CO2气体纯度的措施
（1）洗瓶后应该用热空气吹干。
在钢瓶中往往残留较多的自由状态水。
（2）倒置排水。
将CO2钢瓶倒立静置1～2h，以便使瓶中自由状态的水沉积到瓶口部位，然后打开阀门放水2～3次，每次放水间隔30min，放水结束后，把钢瓶恢复放正。
（3）正置放气。
放水处理后，将气瓶正置2h，打开阀门放气2～3min，放掉一些气瓶上部的气体，因这部分气体通常含有较多的空气和水分，同时带走瓶阀中的空气。
（4）使用干燥器。
可在焊接供气的气路中串接过滤式干燥器。
用以干燥含水较多的CO2气体。
（5）使用时注意瓶中的压力。
当瓶中气体压力低于1×106Pa（10个大气压）时，CO2气体的含水量急剧增加，这将引起在焊缝中形成气孔。
所以低于该压力时不得再继续使用。
四CO2焊的飞溅及防止
．飞溅产生的原因
飞溅是CO2焊最主要的缺点，产生原因：
1）气体爆炸引起的飞溅
由于熔滴中的FeO与C反应产生的CO气体，在电弧高温下急剧膨胀，使熔滴瀑破而引起金属飞溅。
2）由电弧斑点压力而引起的飞溅
因CO2气体高温分解吸收大量电弧热量，对电弧的冷却作用较强，使电弧电场强度提高，电弧收缩，弧根面积减小，增大了电弧的斑点压力，熔滴在斑点压力的作用下十分不稳定，形成飞溅。
用直流正接法时，熔滴受斑点压力大，飞溅也大。
3）短路过渡时由于液体小桥爆断引起的飞溅
当熔滴与熔池接触时，由熔滴把焊丝与熔池连接起来，形成液体小桥。
随着短路电流的增加，使液体小桥金属迅速的加热，最后导致小桥金属发生汽化爆炸，引起飞溅。
4）当焊接参数选择不当时，也会引起飞溅
2．减少金属飞溅的措施
（1）正确选择焊接参数
1）焊接电流与电弧电压
在短路过渡区飞溅率较小，细滴过渡区飞溅率也较小，而混合过渡区飞溅率最大。
在选择焊接电流时应尽可能避开飞溅率高的混合过渡区。
电弧电压则应与焊接电流匹配。
2）焊丝伸出长度
一般焊丝伸出长度越长，飞溅率越高
在保证不堵塞喷嘴的情况下，应尽可能缩短焊丝伸出长度。
3）焊枪角度
焊枪垂直时飞溅量最少，倾斜角度越大，飞溅越多。
焊枪前倾或后倾最好不超过20
⑵细滴过渡时在CO2中加入Ar气
CO2电弧的斑点压力较大是产生飞溅的最主要原因。
在CO2气体中加入Ar气后，改变了纯CO2气体的物理性质。
（3）短路过渡时限制金属液桥爆断能量
短路过渡CO2焊接时，当熔滴与熔池接触形成短路后，如果短路电流的增长速率过快，使液桥金属迅速地加热，造成了热量的聚集，将导致金属液桥爆裂而产生飞溅。
因此必须设法使短路液桥的金属过渡趋于平缓。
1）在焊接回路中串接附加电感2）电流切换法3）电流波形控制法
（4）采用低飞溅率焊丝
1）超低碳焊丝2）药芯焊丝3）活化处理焊丝
五CO2焊的气孔及防止
CO气孔、氮气孔和氢气孔。
一．CO气孔产生原因：
（在开始结晶或结晶过程中，熔池中的C与FeO反应生成的CO气体来不及逸出，形成CO气孔。
）焊丝中脱氧剂不足，并且含C量过多。
出现在：
焊缝的根部或近表面的部位，且多呈针尖状。
产生CO气孔的防止：
必须选用含足够脱氧剂的焊丝，且焊丝中的含碳量要低，抑制C与FeO的氧化反应。
如果母材的含碳量较高，则在工艺上应选用较大热输入的焊接参数，增加熔池停留的时间，以利于CO气体的逸出。
所以在CO2焊中，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性是很小的。
二．氮气孔
产生原因：
在电弧高温下，熔池金属对N2有很大的溶解度。
当熔池温度下降时，N2在液态金属中的溶解度迅速减小，就会析出大量N2，若未能逸出熔池，便生成N2气孔。
（保护气层遭到破坏，使大量空气侵入）
N2气孔常出现在焊缝近表面的部位，呈蜂窝状分布,严重时还会以细小气孔的形式广泛分布在焊缝金属之中。
要避免N2气孔，必须改善气保护效果：
⑴要选用纯度合格的CO2气体，焊接时采用适当的气体流量参数；
⑵要检验从气瓶至焊枪的气路是否有漏气或阻塞；
⑶要增加室外焊接的防风措施。
⑷在野外施工中最好选用含有固氮元素（如Ti、A1）的焊丝。
三．3．氢气孔
氢气孔产生的主要原因是，熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，留在焊缝金属中成为气孔
要避免H2气孔，就要杜绝氢的来源：
⑴应去除焊件及焊丝上的铁锈、油污及其他杂质；
⑵要注意CO2气体中的含水量。
因为CO2气体中的水分常常是引起氢气孔的主要原因。
CO2具有氧化性，可以抑制氢气孔的产生，只要焊前对CO2气体进行干燥处理，去除水分，清除焊丝和焊件表面的杂质，产生氢气孔的可能性很小。
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