电焊基础知识课程教案Word文件下载.docx

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　　1956年：

摩擦焊（俄罗斯）

　　1957年：

在熔化极气体保护焊中使用CO2作为保护气体（美国、英国和俄罗斯）

　　1950s：

电子束焊（法国）　

　　1960s：

激光焊（美国）　　　

1991年：

搅拌摩擦焊（英国）

现状

国内　

焊接大国——钢产量多年保持在>

1亿吨/年，消耗焊材>

100万吨

但非强国——工业化的前期阶段

焊接以手工操作为主，效率低、能耗高／焊接手段单调、工艺落后／焊材品种单调，重要关键焊材依赖进口

　　焊接的数字化水平低

国外　

　已完成焊接手段的结构性转变（由手工到自动、由低效向高效转变）

　焊接手段以高效、自动焊为主／焊材品种配套齐全／多专用设备和专用材料

　　数字技术在焊接上的应用正逐渐推广普及

焊接的发展

从材料上　扩大可焊材料的范围，如超细晶粒钢、非金属、金属／非金属组合

从结构上　超大－如大型船舶、高层建筑／超微－如芯片、细微（μｍ级）零件

从设备上　高效率、低能耗／数字化、自动化、智能化、柔性化

从技术工艺上　高效率／低能耗／环保

三、本教材的内容和学习方法（重点）

1、教材的内容与学习要求

要求：

掌握主要焊接方法的原理、焊接质量的控制以及常用焊接设备的使用维护。

强调并突出工艺应用能力的培养，即能根据实际结构的具体要求，优选焊接方法并制订合理的焊接工艺。

重点：

电弧焊，尤①气体保护焊（MAG/CO2/MIG、TIG）②埋弧焊

学习方法建议：

①牢固掌握基本概念、原理

②勤于动手，理论联系实际（途径：

多参加工程实践并制订工艺）

③善于总结对比，条理清楚

第一节　焊　接　电　弧

　　目的与要求：

了解电弧的实质、获得的途径、电弧各区域及其导电机构的特点、能量与温度的分布规律；

掌握电弧偏吹的概念及影响因素、解决措施。

　　一、焊接电弧的物理基础

（一）电弧及其电场强度分布

　　电弧的实质：

气体放电（导电）

　　电弧的特点：

低电压、大电流、温度高、亮度大

（二）电弧中带电粒子的产生

　　获得电弧的途径：

气体电离+电子发射

　　1、电离的种类：

　　热电离　场致电离　光电离

　　电离能及其与引弧的关系

　　2、（阴极）电子发射

　　热发射　场致发射　光发射　粒子碰撞发射

　　逸出功及其与引弧的关系

　　二、焊接电弧的导电特性

　　电弧的三个区域：

阴极区　弧柱区　阳极区

（一）弧柱区的导电特性

　　最小电压原理（难点，通过水珠的形状与能量的关系辅以解释说明）

（二）阴极区的导电特性

　　1、热发射型

　　2、电场发射型　　阴极斑点

　　（三）阳极区的导电特

　　1、阳极斑点

　　2、阳极区导电形式

　　三、焊接电弧的工艺特性

　　电弧的工艺特性主要包括：

热能特性、力学特性、电弧稳定性等。

（一）电弧的热能特性

　　1、电弧热的形成机构

　　电弧的弧柱、阴极区、阳极区的产热特性各不相同。

　　⑴弧柱的产热

　　⑵阴极区的产热特性

　　⑶阳极区的产热特性

　　2、电弧的温度分布

　　⑴轴向－两极区低弧柱区高

　　⑵径向－中心高四周低

　　3、焊接电弧的热效率及能量密度

　　电弧产热的一部分热量会通过对流、传导、辐射等形式散失，所以会存在热效率问题。

　　能量密度分布：

轴向－两极区大弧柱区小

　　径向－中心大四周小

（二）、电弧的力学特性

　　1、电弧力类型及作用（重点）

　　电磁（收缩）力——使电弧获得刚直性，促进熔滴过渡

　　等离子流力——促进熔滴过渡

　　斑点（压）力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡

　　电极材料蒸发的反作用力——阴极＞阳极／阻碍熔滴过渡

　　熔滴（droplet）冲击力——对熔池造成冲击

　　短路爆破力——短路时产生，导致飞溅

　　2、电弧力的主要影响因素

　　气体介质、焊接电流和电压、焊丝（条）直径、极性和电极端部形状等。

　　四、焊接电弧的稳定性

　　电弧稳定性的概念（P19）

　　影响电弧稳定性的因素：

电源、外界因素、药皮（芯）（焊剂）、磁偏吹等

第二节焊丝的熔化与熔滴过渡

　　目的与要求：

了解并掌握焊接电弧热和力的特点。

掌握溶滴过渡的形式、特点，初步掌握其应用。

　　一、焊丝的加热和熔化特性

（一）焊丝的热源

　　焊丝熔化的热源　电弧热（主）+电阻热（次）

（二）焊丝的熔化特性

　　焊丝的熔化特性——焊丝的熔化速度与焊接电流之间的关系

　　区别清楚与焊丝熔化有关的几个概念：

　　熔化速度（mm/min&

kg/h）　熔化系数（g/A?

h）熔敷系数（g/A?

h）熔敷速度（kg/h）　熔敷效率（%）飞溅率（%）　损失系数（%）

　　焊丝的熔化特性主要受焊丝材料、直径和伸出长度等因素影响。

　　二、熔滴上的作用力（重点）

　　熔滴上的作用力是影响熔滴过渡及焊缝成形的主要因素。

　　1、重力　2、表面张力　3、电弧力（注意其包含几项力在内！

）4、熔滴爆破力　5、电弧的气体吹送力

　　在不同的焊接条件下，力的种类、大小不同，形成了不同的熔滴过渡形式

　　三、熔滴过渡及特点（难点：

从力的角度出发、从其规律讲起）

　　熔滴过渡过程复杂，对电弧的稳定性、焊缝成形和冶金过程均有影响。

　　规律：

随着电流的增加，熔滴过渡的体积减小、频率加快。

　　熔滴过渡：

自由过渡、接触过渡、渣壁过渡

　　每一种又可以再分为不同的亚型。

目前，熔滴过渡的名称尚未规范、统一。

　　自由过渡（重点）：

　　滴状过渡

　　喷射过渡:

易在（富）氩气氛种获得，熔深大\熔敷效率高，适用于中、厚板平位置的填充、盖面。

（有上、下限电流\可加脉冲）

　　爆炸过渡?

　　接触过渡：

　　短路过渡（重点）：

在各种气氛中，低电压、细焊丝（小电流）（但电流密度不小）均可获得；

热输入小、焊接变形小、全位置焊性能好但一般飞溅较大；

适用于薄板焊接或中厚板的打底焊接。

　　搭桥过渡?

　渣壁过渡：

沿渣壳（埋弧焊）　　沿套筒（焊条电弧焊）

　　常见焊接方法的熔滴过渡形式

　　焊条手工焊

　　酸性焊条：

细滴过渡

　　碱性焊条：

粗滴过渡+短路过渡

　　CO2焊：

滴状过渡（粗丝）、短路过渡、表面张力过渡（STT）（细丝）

　　MIG（焊铝）：

喷射过渡、亚射流过渡

　　MAG（熔滴过渡形式最多、最灵活）：

短路过渡

　　关于熔滴过渡技术的最新发展（特别介绍）

　　STT、冷金属过渡（CMT）

双脉冲（超脉冲）（doublepulse、superpulse）过渡

第三节　母材熔化与焊缝成形

了解焊丝加热和熔化的过程，了解并掌握焊缝形成的规律及其与焊接质量的关系。

　　一、焊缝（weld）形成过程

　　母材熔化形成熔池／熔池凝固形成焊缝——熔池形状与焊缝质量有关（《熔焊原理》）

　　二、焊缝形状与焊缝质量的关系

　　焊缝成形的基本参数：

　　熔深（penetration或depthofpenetration）

　　熔宽（width）

　　余高（reinforcement或excessweldmetal）

　　焊缝成形系数（formfactorofweld）=焊缝宽度／焊缝厚度

　　三、焊接工艺因素对焊缝成形的影响（重点）

　　1、焊接工艺参数

　　焊接电流（主要影响熔深）：

I↑→熔深↑、熔宽稍↑、余高↑

　　电弧电压（主要影响熔宽）：

U↑→熔宽↑、熔深↓、余高↓

　　焊接速度：

增加，则熔深、熔宽、余高均减小

　　2、其它工艺因素

　　焊丝直径　焊丝伸出长度　坡口角度及间隙　板厚电极倾角

　　四、焊缝成形缺陷及产生原因（难点，对照标准，以图及照片对比说明）

　　焊缝的形状缺陷：

20种

　　参见GB/T6417-1986《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》

　　第一节焊条电弧焊的原理及特点

了解焊条电弧焊的原理和特点及其适用范围。

　　一、焊条电弧焊的基本原理

　　气——渣联合保护的熔化焊

　　二、焊条电弧焊的特点

　　优点——灵后性好：

操作以后，对装自己实求低，可焊材料广

　　缺点——①生产率低；

②人为因素强

　　第二节焊条电弧焊设备及工具

了解焊条电弧焊设备的种类、性能特点，掌握常用工具的选择与使用。

　　一、对焊条电弧焊设备的要求（难点）

　　1、对处特性形状的要求陡降理想处特性（多特性）

　　2、又控载电区的要求交流55～70V直流45～85V

　　3、对调节特性的要求（三种形式P36图2-4）

　　4、对动特性要求动态响应特性

　　二、常用焊条电弧焊机简介（重点）

　　1、弧焊变压器（交流弧烛机）（BX系列）

　　动铁（芯）式动圈（绕组）式抽头式

　　2、直流弧焊发电机（AX系列）（已淘汰）

　　3、弧焊整流器

（1）硅弧焊整流器（ZXG系列）

（2）晶闸管式焊整流器（ZX5系列）

　　4、弧焊逆变器（ZX7系列）

　　★四者的性能特点比较（P38）

　　▲补充：

焊条电弧焊机（直流）常见的功能的认识

　　三、焊条电弧焊所用工具

　　1、电焊钳（300A500A）

　　2、面罩/护目镜

　　3、焊条保温筒

　　4、焊缝尺

　　5、渣锤

　　6、钢丝刷（什么钢？

）

　　7、气铲、角磨机

　　第三节焊条电弧焊工艺

了解并掌握焊条电弧焊工艺的内容、工艺参数与措施的制定。

　　一、焊接接头形式、坡口和焊缝

　　1、接头形式各种形式

　　2、坡口：

焊透调熔合比

　　3、焊缝各种形式　　其表示法参见GB/T324-1988

　　二、焊接工艺参数及选择（重点、难点，通过工艺实例说明）

　　焊接工艺参数的内容；

Φ、Ι、U、V……

　　1、焊条直径：

2.0、3.2、4.0mm

　　选择依据：

板厚、位置、层数、接头形式

　　（原则：

能大则大→效率高）

　　2、电源种类及极性

　　交流直流多用反接

　　3、焊接电流I≈45Φ

焊条类型、直径、板厚、接头形式、位置、层数等。

能大则大→效率）

　　4、焊接层数的选择：

n=S/d每层不大于4～5mm

　　5、焊接电流与焊速的控制

（1）弧压：

①尽量用短弧；

②直流机调电压；

（2）焊速：

①手工焊接一般不控制焊速；

②看熔地状况

　　三、焊条电弧焊的基本操作技术

第三章埋弧焊

　　第一节　埋弧焊的原理及特点

简要了解埋弧焊的原理、特点及应用。

　　一、埋弧焊的工作原理

　　定义：

电弧在焊剂层下燃烧以进行焊接的方法（Submergedarcwelding）

　　埋弧焊的过程

　　埋弧焊的特点　优点：

生产效率高、焊接质量好、劳动条件好

　　缺点：

难以全位置焊、对焊前装配要求高、不适宜焊接薄板／短缝、适焊材料受限

　　埋弧焊的适用范围

　　材料：

碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢、镍基合金、铜合金等

　　结构：

具有长而规则焊缝的大型结构，如船舶、压力容器、桥梁、起重机械等

　　位置：

平位置

　　第二节　埋弧焊设备

了解埋弧焊的自动调节原理，掌握埋弧焊常用辅助设备的功能与使用。

一、焊机编号：

参见GB/T10249-1988《电焊机型号编制方法》

　　如MZJ2-1000（额定电流为1000A的横臂式交流埋弧自动焊机）

　　电源：

埋弧焊多用较粗的焊丝，常用电弧电压自动调节的变速送丝式焊机（陡降外特性电源）；

细丝时可用电弧自身调节的等速送丝　　式焊机（缓降外特性电源）

　　多用交流电源（可减小电弧的磁偏吹）；

　　新式焊机用逆变电源（体积小、重量轻、能耗低）小车：

用于通用埋弧焊，配导轨使用。

　　小车上通常包括送丝／行走驱动装置、焊剂斗、焊丝盘和控制面板等。

　　一般多用内绕式焊丝盘（也可以用开式焊丝盘）。

　　小车机头上的导电嘴有滚动式、夹瓦式和管式，以夹瓦式多见。

　　二、辅助设备（补充）

　　通用焊机（小车式）通常用于平板的拼接和工字／T形／箱形梁的角缝等简单构件的焊接，筒体的纵、环缝和复杂结构的焊接还要升　　降机构和焊接滚轮架（变位机）的配合。

　　滚轮架（用于圆筒形结构焊缝的焊接）

　　变位器（用于把焊缝置于平焊位置）

　　升降机构（用于提升机头）

　　焊剂垫（用于在背面承托熔池），有带式、盘式和热固化焊剂垫等多种形式。

　　夹紧机构（用于固定焊件，多用于专机上）

　　另外，在有的埋弧焊机（特别是各种专机）上还会有焊剂回收装置和焊缝跟踪传感器等。

　　三、操作使用（现场讲解）

第三节　埋弧焊的焊接材料与冶金过程

以常用典型材料的焊接为例，了解埋弧焊的冶金原理，复习埋弧焊丝、焊剂的概况，掌握其匹配选用。

　　一、埋弧焊的焊接材料及选用

（一）焊剂（flux）

　　型号：

参见GB／T5293-1999《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》、GB／T12470-1990《低合金钢埋弧焊用焊剂》及GB／7854-1999《埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂》

　　牌号：

熔炼焊剂HJχχχ　烧结焊剂SJχχχ

（二）焊丝（wire）

　　参见GB／T14957-1994《熔化焊用钢丝》、YB／T5092-1996《焊接用不锈钢丝》及GB／T10045-1998《碳钢药芯焊丝》、GB／　　T17493-1998《低合金钢药芯焊丝》

　　注：

现行焊丝、焊剂的型号编制规则比较复杂

　　直径系列（mm）：

　　熔化焊用钢丝、焊接用不锈钢丝：

1.6、2.0、2.5、3.0、3.2、4.0、5.0、6.0

　　碳钢药芯焊丝、低合金钢药芯焊丝：

1.2、1.4、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、4.0

　　焊丝、焊剂的选用（重点，以常见材料的焊接实例来辅助说明）

　　原则：

焊丝、焊剂要匹配选用，在满足技术要求的前提下考虑经济性。

　　结构钢按等强原则选用焊丝，专业用钢（不锈钢、耐热钢等）按化学成分相同或相近的原则选用焊丝，有时焊丝的合金元素含量要比母材的稍高。

　　熔炼焊剂便宜易得，成分均匀，相对不易吸潮，但合金过渡系数低，通常只适宜于碳素结构钢和某些低合金结构钢的焊接；

焊接合金钢时应选用氧化性低的焊剂，以减小合金元素的烧损。

　　烧结焊剂稍贵，容易吸潮，但合金过渡系数高、脱渣性好，适用于高合金钢和不锈钢等钢种的焊接。

焊丝、焊剂选用示例：

碳素结构钢：

不开坡口，可选用HJ431+H08A

　　开坡口，可选用HJ431+H08A或HJ4HJ431+H08MnA16Mn钢：

不开坡口，可选用HJ431+H08A或HJ431+H08MnA

　　开坡口，应选用HJ431+H08MnA或HJ431+H10Mn2

　　不锈钢：

视成分选用，一般多为烧结焊剂

二、埋弧焊的冶金过程（难点、以低碳钢的埋弧焊为例说明）

第四节　埋弧焊工艺

掌握埋弧焊工艺的内容，了解编制埋弧焊工艺的程序和方法；

掌握焊接工艺参数的选择；

掌握埋弧焊工艺方案的确定以及工艺参数、工艺措施的匹配制定。

　　一、焊前准备

　坡口面及两侧不小于20mm范围内清理干净至露出金属光泽。

　　装配时注意减小错边，局部间隙超宽可以手工焊接填补。

　　如可能，应在接缝首尾分别装上引弧板和引出板。

　　3、焊丝如表面有杂质亦应清理干净，焊剂按要求烘干使用（回收的焊剂需过筛，必要时烘干，按比例与新焊剂混合使用）。

　　1、坡口（groove）的选择与加工

　坡口形式及尺寸的选择：

参考GB/T986-1988《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》

　坡口的加工应用自动／半自动气割或等离子弧切割，最好用机加工（刨边）。

　　2、焊件的清理与装配

　　二、焊接工艺参数及选择

（一）工艺参数对焊缝成形及质量的影响（参见第一章有关内容）

　　工艺参数：

焊丝直径Φ　焊接电流I　电弧电压U　焊接速度v　送丝速度v送　焊丝伸出长度l　　

　　?

选用参数的一般方法：

　　根据b、δ等→Φ，然后根据Φ、焊肉厚度（熔深）→I，根据所在的层数（熔宽）→U；

在以上基础上，配以合适的v送和v（可取l≈10Φ）

　　要注意工艺参数之间的合理匹配（成形系数：

1.3~2　　熔合比：

通常在30~60%之间）

　　如有条件，背面注意采用衬垫

　　（工艺参数对焊缝成形及质量的影响参见第一章有关内容）

　　三、埋弧焊技术（重点、难点，以生产实例举例说明）　

（一）平板对接

　　1、单面焊（如造船的钢板拼接）

　　好处：

工件可免翻身

　　不足：

要用衬垫，坡口大、应力大

　　衬垫：

铜垫（刚性）　焊剂垫、陶瓷垫（柔性）

　　形式：

电磁平台／焊剂垫法　电磁平台&

龙门压力架／铜垫法　永久性垫板或锁底接头　临时垫板（焊剂垫、陶瓷垫）法

　　2、双面焊

工艺简单易行，变形／应力较小

工件要翻身

（1）悬空焊法

　　特点：

不开坡口（δ≤16mm）&

开坡口（δ≥16mm）但留大钝边

　　要求：

间隙小（b≤1mm）而均匀（工艺难点）、板不能太薄

　　工艺要点：

①正面熔深不超过板厚或钝边的一半／背面熔深应达到板厚或钝边的60~70%②背面是否清根视具体情况而定

（2）衬垫法

工艺灵活，较易实现，可靠　　要求：

要有焊剂垫或安装临时衬垫　　工艺要点：

①焊剂垫有不同的形式，应区别运用②可用较大的线能量以提高焊接效率（正面熔深可达到板厚或钝边的60~70%）③背面是否清根视具体情况而定

衬垫的安装增加焊前准备工作量

　　（3）打底焊法

　　特点：

工艺简单，最易实现，可靠

无特别要求

　　工艺要点：

①先以其它方法（如MMA）打底，然后以SAW填充和盖面②可适当用大些的线能量以提高焊接效率③背面是否清根视具体情况而定

　　不足：

效率较低

　　三、角缝焊接

　1、斜角焊（横角焊）

工艺简单易行

①电流较小

①单道焊脚高度受限（K≤8mm），效率较低

　2、船形焊

①单道焊脚高度大，效率高②翼/腹板熔深均匀③成形好

①装配间隙小（b≤1mm）接头处于船形位置　　

工艺要点：

①可用较大电流

①对焊前加工、装配要求高②通常要对工件进行变位

　　◆只要条件许可，优先采用船形焊。

　　四、环缝焊接

一般多用双面焊

要有滚轮架和机头升降机构

　　①坡口　一般内小外大（减少内部施工量同时利于在外部清根）

　　②内环缝应在焊剂垫上焊接

　　③焊丝应偏离中垂线一段距离（线速度越大，偏距越大）

④其它与平板对接基本相同

?

思考：

①单面焊是否是比双面焊更先进、更高级的工艺？

②怎样的工艺才是最好的工艺？

第五节　埋弧焊的其它方法

了解几种高效率埋弧焊方法的特点和应用。

　　一、附加填充金属的埋弧焊

　　在坡口内预先放入一定数量的填充金属再进行埋弧焊。

　　①可提高焊接效率而降低焊剂消耗

　　②便于获得特定的焊缝成分

　　二、多丝埋弧焊

　　背面配合使用衬垫，在厚板焊接时可以极大地提高焊接效

　　用于厚板焊接，不开坡口，只留较小的间隙进行焊接，可大大节省金属和焊接时间，降低生产成本。

要用脱渣性好的专用焊剂。

率（如造船时的钢板拼接）（目前最多的可达到8~12根焊丝，焊速可达120m/h以上）

三、带极埋弧堆焊

　　以钢带代替焊丝进行焊接，适于多层焊时表层焊缝的焊接和大面积的堆焊，生产效率高。

四、窄间隙埋弧焊

　　第一节CO2焊的特点及应用

简要了解CO2焊的实质、特点及应用

　　一、CO2焊的实质

二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为焊接保护气的一种熔化极、气体保护的电弧焊方法。

　　按照GB/T5185-1985《金属焊接及钎接方法在图样上的表示方法》以及ISO的相关规定，二氧化碳气体保护焊属于MAG（熔化极活性气体保护焊）的一种，所以它的代号也是135。

　　为何要用CO2作为焊接保护气？

　　①焊条药皮造气剂的造气结果就是CO2／工业生产中产生大量廉价的CO2。

　　②与焊条电弧焊相比，熔化极气体保护焊效率高。

　　二、CO2焊的特点（重点）

　　1、优点：

　　⑴焊接生产率高；

（比MMA高2～4倍）

　　⑵焊接成本低；

（是MMA或SAW的40～50%）

　　⑶焊接变形小；

（尤适于薄板焊接）

　　⑷焊接质量高；

（对铁锈不敏感，焊缝含氢量低）

　　⑸适用范围广；

（全位置焊接能力好，打底/填充/盖面、厚/薄板均宜）

　　⑹操作简便；

（比MMA容易操作、适于自动焊）（robot）

　　⑺绿色环保。

（CO2来自可再生资源）

　　2、“缺点”：

　　⑴飞溅较大；

（这一缺陷目前已经解决）

　　⑵焊接设备较“复杂”；

（用今天的眼光看，已不复杂）

　　⑶抗风能力差；

（所有气体保护焊的共同缺憾，但药芯焊丝CO2焊无此问题）

　　⑷不能焊接有色金属。

　　三、CO2焊的应用

　　材料：

黑色金属——低碳