第11章 (4)教材配套课件

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为保证焊缝质量，可从两方面采取措施： (1 )减少有害元素进入熔池，主要采用机械保护，如焊条药皮、埋弧焊的焊剂和气体保护焊的保护气体(CO 2 、氩气)等。 (2 )清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素。如在焊条药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等。
第 11 章焊接成形
11. 1. 3 电弧焊机电弧焊机按产生电流种类不同，可分为交流弧焊机和直
第 11 章焊接成形
焊接方法的种类很多，按焊接过程特点可分为三大类： (1 )熔焊：将焊件的被连接处局部加热至熔化状态形成熔池，待其冷却结晶后形成焊缝，使构件连成一体的方法。 (2 )压焊：利用摩擦、扩散和加压等方法使两个连接件表面上的原子相互接近到晶格距离，从而在固态下实现的连接方法。 (3 )钎焊：利用某些熔点低于母材的填充金属(钎料)熔化后，填入接头间隙并与固态母材通过扩散实现连接的方法。焊接方法及其分类如图 11－1 所示。
第 11 章焊接成形 2. 焊接电弧的结构
焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图 11－2 所示。
图 11－2 电弧的结构示意
第 11 章焊接成形
(1 )阴极区：在阴极的端部，是向外发射电子的部分。发射电子需消耗一定的能量，因此阴极区产生的热量不多，放出热量占电弧总热量的 36% 左右，平均温度为 2400K 。
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图 11－4 氧(氧化亚铁)对低碳钢力学性能的影响
第 11 章焊接成形
氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降，如图 11－5 所示。析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物(Fe 4 N )的形式析出。焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，但塑性和韧性剧烈下降。
焊接电流，产生电弧；作为填充金属，熔化后填充焊缝。它的化学成分和非金属夹杂物的多少将直接影响焊缝质量。因此，结构钢焊条应符合国家标准 GB / T149571994 《熔化焊用钢丝》的要求。常用结构钢焊条焊芯的牌号和成分如表 11－1 所示。
第 11 章焊接成形
第 11 章焊接成形
焊芯具有较低的含碳量和一定的含锰量，含硅量控制较严，硫、磷的含量则应低。焊芯牌号中带“ A ”的，其硫、磷的质量分数不超过 0.03% 。焊芯的直径称为焊条直径。最小直径为 ϕ 1. 6mm ，最大直径为 ϕ 8mm ，其中以直径 ϕ 3. 2mm~ ϕ5mm 的焊条应用最广。
弧焊发电机组成的，又称为弧焊发电机。图 11－8 所示是旋转式直流弧焊机的外形。它的特点是能够得到稳定的直流电，因此，引弧容易，电弧稳定，焊接质量较好。但这种直流弧焊机结构复杂，价格比交流弧焊机贵得多，维修较困难，使用时噪音大。现在，这种弧焊机已停止生产，处于淘汰中。
第 11 章焊接成形
第 11 章焊接成形
焊接成形的特点： (1 )能以小拼大，化大为小，简化了复杂的机器零部件，可获得最佳技术经济效果。 (2 )能制造多金属结构，充分利用了材料性能。 (3 )焊接接头的密封性好。 (4 )节省金属，材料利用率高。 (5 )不可拆卸，维修不方便，焊接应力和变形较大，且接头的组织性能不均匀，会产生焊接缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。
第 11 章焊接成形
2. 焊条药皮焊条药皮在焊接过程中的主要作用是：提高电弧燃烧的
稳定性，防止空气对熔化金属的侵害，保证焊缝金属的脱氧和加入合金元素，以保证焊缝金属的化学成分和力学性能。焊条药皮原料的种类、名称及其作用如表 11－2 所示。
第 11 章焊接成形
第 11 章焊接成形
3. 焊条的种类及型号 1 )焊条的种类
(2 )阳极区：在阳极的端部，是接收电子的部分。由于阳极受电子轰击和吸入电子，获得很大能量，因此阳极区的温度和放出的热量比阴极高些，约占电弧总热量的 43% 左右，平均温度为2600K 。
(3 )弧柱区：是位于阳极区和阴极区之间的气体空间区域，长度相当于整个电弧长度。它由电子、正负离子组成，产生的热量约占电弧总热量的 21% 左右，弧柱中心温度可达6000~8000K 。弧柱区的热量大部分通过对流、辐射散失到周围的空气中。
3. 逆变式弧焊变压器逆变是指将直流电变为交流电的过程。逆变式弧焊变压
器可通过逆变改变电源的频率，得到想要的焊接波形。其特点是提高了变压器的工作频率，使主变压器的体积大大缩小，方便移动；提高了电源的功率因数；有良好的动特性；飞溅小，可一机多用，可完成多种焊接。逆变电源的基本原理框图如图 11－9 所示。第 11 章焊接来自形第 11 章焊接成形
11. 1 焊接成形理论基础 11. 2 常用焊接方法 11. 3 常用金属材料的焊接 11. 4 焊接结构件工艺设计 11. 5 焊接质量检验 11. 6 工程应用案例———低压储气罐焊接工艺习题与思考题 11
第 11 章焊接成形
焊接是用加热或加压等手段，借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来，形成不可拆卸接头的材料成形方法。焊接与金属切削加工、压力加工、铸造、热处理等其他材料成形方法一起构成工程材料的成形技术，在机械制造、建筑、车辆、石油化工、原子能、航空航天等部门得到广泛运用。
第 11 章焊接成形
图 11－3 焊条电弧焊的冶金过程
第 11 章焊接成形
金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：
能够溶解在液态金属中的氧化物(如氧化亚铁)，冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量，如图 11－4 所示。而大部分金属氧化物(如硅、锰化合物)不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。
流弧焊机两类。交流弧焊机实际上是符合焊接要求的降压变压器，如图
11－6 所示。
第 11 章焊接成形
图 11－6 交流弧焊机
第 11 章焊接成形
为了适应焊接电弧的特殊需要，电焊机应具有降压特性，这样才能使焊接过程稳定。未起弧时的空载电压为 60~90V ，起弧后自动降到 20~30V ，满足电弧正常燃烧的需要。它能自动限制短路电流，不怕起弧时焊条与工件的瞬间接触短路，还能供给焊接时所需要的几十安培到几百安培电流，并且这个焊接电流还可根据焊件的厚薄和焊条直径的大小来调节。电流调节分粗调和细调两级，粗调通过改变输出线头的接法来大范围调节；细调用摇动调节手柄改变电焊机内可动铁芯或可动线圈的位置来小范围调节。交流弧焊机结构简单，价格便宜，噪声小，使用可靠，维修方便。但电弧稳定性较差，有些种类的焊条使用受到限制。在我国交流弧焊机使用非常广泛。
由于焊接方法应用的范围越来越广泛，因此为适应各个行业、各种材料和达到不同的性能要求，焊条品种非常多。根据不同情况，焊条有三种分类方法：按焊条的用途分类、按焊条药皮的主要化学成分分类、按焊条药皮熔化后熔渣的特性分类。
第 11 章焊接成形
按焊条的用途，可以将焊条分为结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍和镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条以及特殊用途焊条。
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11. 1. 2 焊接原理和焊接冶金过程 1. 焊接原理
将两电极接通电源，短暂接触并迅速分离，接触时发生短路，产生极大的短路电流，使接触点产生大量的热，电极表面迅速升温，两者均熔化；分离时大量电子放射，形成电弧。 2. 焊接冶金过程
电弧焊的焊接过程，如同一座微型电弧炼钢炉在炼钢一样，要进行一系列的冶金反应过程。焊条电弧焊的冶金过程如图 11－3 所示，母材、焊条受电弧高温作用熔化形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。
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图 11－5 氢、氮在铁中的溶解度与温度的关系
第 11 章焊接成形
焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点： (1 )金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充分。 (2 )熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发，冷却速度快，易产生应力和变形，甚至开裂。
第 11 章焊接成形
第 11 章焊接成形
2 )焊条型号由国家标准分别规定各类焊条的型号编制方法。如标准
规定碳钢焊条型号为 E×××× ，其中，字母 E 表示焊条；前二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值；第三位数字表示焊接位置，取值为 0 及 1 表示焊条适用于全位置(平焊、立焊、横焊、仰焊)焊接， 2 表示为平焊及平角焊， 4表示焊条适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时，表示焊接电流种类及药皮类型。在第四位数字后附加 R 则表示耐吸潮焊条；附加 M 则表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条；附加-1 则表示冲击性能有特殊规定的焊条。
图 11－8 旋转式直流弧焊机外形
第 11 章焊接成形
2. 整流式直流弧焊机整流式直流弧焊机的结构相当于在交流弧焊机上加上整
流器，从而把交流电变成直流电。它既弥补了交流弧焊机电弧稳定性不好的缺点，又比旋转式直流弧焊机结构简单，消除了噪音。它已逐步取代旋转式直流弧焊机。
第 11 章焊接成形
第 11 章焊接成形
图 11－1 焊接方法分类
第 11 章焊接成形
11. 1 焊接成形理论基础
11. 1. 1 焊接电弧 1. 焊接电弧的产生
焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久又稳定的气体放电现象。
第 11 章焊接成形
当焊条的一端与焊件接触时，造成短路，产生高温，使相接触的金属很快熔化并产生金属蒸汽。当焊条迅速提起 2~4mm 时，在电场的作用下，阴极表面开始产生电子发射。这些电子在向阳极高速运动的过程中，与气体分子、金属蒸汽中的原子相互碰撞，造成介质和金属的电离。由电离产生的自由电子和负离子奔向阳极，正离子则奔向阴极。在它们运动过程中以及到达两极时不断碰撞和复合，使动能变为热能，产生了大量的光和热。其宏观表现是强烈而持久的放电现象，即电弧。
第 11 章焊接成形
直流弧焊电源输出端有正、负极之分，焊接时电弧两端极性不变。弧焊机正、负两极与焊条、焊件有两种不同的接线法：将焊件接到弧焊机正极，焊条接至负极，这种接法称为正接，又称正极性；反之，将焊件接到负极，焊条接至正极，称为反接，又称反极性，如图 11－7 所示。
第 11 章焊接成形
按焊条药皮的主要化学成分来分类，可以将焊条分为氧化钛型焊条、氧化钛钙型焊条、钛铁矿型焊条、氧化铁型焊条、纤维素型焊条、低氢型焊条、石墨型焊条及盐基型焊条。
第 11 章焊接成形
按焊条药皮熔化后熔渣的特性来分类，可将焊条分为酸性焊条和碱性焊条。药皮中含有多量酸性氧化物( TiO 2 、 SiO 2 等)的焊条称为酸性焊条。药皮中含有多量碱性氧化物 (CaO 、 Na 2 O 等)的焊条称为碱性焊条。酸性焊条能交、直流两用，焊接工艺性能较好，但焊缝的力学性能，特别是冲击韧度较差，适用于一般低碳钢和强度较低的低合金结构钢的焊接，是应用最广的焊条。碱性焊条脱硫、脱磷能力强，药皮有去氢作用。其焊接含氢量很低，故又称为低氢型焊条。碱性焊条的焊缝具有良好的抗裂性和力学性能，但工艺性能较差，一般用直流电源施焊，主要用于重要结构(如锅炉、压力容器和合金结构钢等)的焊接。
图 11－7 直流弧焊机的不同极性
第 11 章焊接成形
焊接厚板时，一般采用直流正接，这是因为电弧正极的温度和热量比负极高，采用正接能获得较大的熔深。焊接薄板时，为了防止烧穿，常采用反接。在使用碱性低氢钠型焊条时，均采用直流反接。
第 11 章焊接成形
1. 旋转式直流弧焊机旋转式直流弧焊机是由一台三相感应电动机和一台直流
第 11 章焊接成形
图 11－9 逆变电源的基本原理框图
第 11 章焊接成形 11. 1. 4 焊条
焊条是指涂有药皮的供电弧焊使用的熔化电极。它是由焊芯和药皮两部分组成。焊条结构如图 11－10 所示
图 11－10 焊条结构示意图
第 11 章焊接成形
1. 焊芯焊芯是组成焊缝金属的主要材料。其主要作用是：传导