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、焊接及其本质：焊接及其本质： 焊接是通过适当的物理化学方法，使两个分离的固体通过原子间的结合力结合起来的一种连接方法。 1)固体结合金属金属金属非金属非金属非金属 2)依靠原子间的结合力 - 焊接本质通过原子间的结合力将两个固体连接起来，对于金属来说，必须产生金属键，也就是说，被连接表面要接近到原子晶格间距。 3)要通过一定的物理、化学过程加热：电弧焊、钎焊加压：冷压焊加热+加压：电阻焊、扩散焊放大 d要求达到：10nm10m因此：采取必要的措施。d氧化物二、焊接方法的分类焊接熔化焊：压力焊：钎 焊：利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服两个连接表面的不

2、平度，除去氧化膜及其它污染物，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连接的方法。利用一定的热源，使构件的被连接部位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成一体的方法称为熔焊。采用熔点比母材低的材料作钎料，将焊件和钎料加热至高于钎料熔点、但低于母材熔点的温度，利用毛细作用使液态钎料充满接头间隙，熔化钎料润湿母材表面，冷却后结晶形成冶金结合。加热压力焊钎钎料料加压熔化焊钎焊电阻缝焊熔化焊：电弧焊 气 焊铝热焊电渣焊 电子束焊 激光焊 电阻点焊根据热源来分类电弧焊：熔化极电弧焊 CO2焊 埋弧焊 熔化极气体保护焊(GMAW) 钨 极 氩 弧 焊（GTAW）等离子弧焊 非熔化极电弧焊

3、螺柱焊手工电弧焊 电弧焊电电源源电极电极工件工件三、焊接方法特点：三、焊接方法特点：1）焊接可将各个零部件直接连接起来，无需其他附加件，接头强度一般也能达到与母材相同，因此，焊接产品的重量轻、成本低。2）焊接接头是通过原子间的结合力实现的连接，均匀性及整体性好、刚度大，在外力作用下不像机械连接那样产生较大的变形。3）焊接结构具有良好的气密性、水密性，这是其他连接方法无法比拟的。4）可连接不同类型的金属材料、不同形状及尺寸的材料，可使金属结构中材料的分布更合理。5）可将结构复杂的大型构件分解为许多小型零部件分别加工，然后再将这些零部件焊接起来，这样就简化了金属结构的加工工艺、缩短了加工周期。6）

4、焊接是一种“柔性”加工工艺，既适用于大批量生产，又适用于小批量生产。焊接电弧的物理基础1电弧及其电场强度分布 电弧是一种气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程，如右图所示 。 两电极之间的气体导电，必须具备两个基本条件： 两电极之间有带电粒子； 两电极之间有电场。 电弧两极间带电粒子产生的来源有：中性气体粒子的电离、金属电极发射电子、负离子形成等。其中气体电离和阴极发射电子是电弧中产生带电粒子的两个基本物理过程。（1）气体的电离1） 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称为气体电离。 气体电离的实质，是中性气体粒子（分子或原子）吸收

5、足够的外部能量，使得分子或原子中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子的过程。 使中性气体粒子电离所需的最小外加能量称为电离能。电离能通常以电子伏（ev）为单位，1电子伏就是指1个电子通过电位差为1V的两点间所需做的功，其数值为1.6 10-19J。电弧气氛中常见气体粒子的电离电压见表1。气体粒子电离电压 /V气体粒子电离电压 /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 常见气体粒子的电离电压n 当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子将先被电离。如果这种气体供应充足，则电弧空间的带电粒子将主要由这种气体的电离来提供，所需要的外加能量也主要取决于这种较低的电离电压，因而为提供电弧导电所要求的外加能量也较低。n 焊接时，为提高电弧的稳定性，往往加入一些电离电压较低、易电离的元素作为稳弧剂，也就是基于此种原因。

7、 n2） 电离种类：n根据外加能量来源的不同，气体电离种类可分为以下几种： 热电离电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值称为电离度，用表示，即 x = 已电离的中性粒子密度 / 电离前的中性粒子密度随着温度的升高，气体压力的减小及电离电压的降低，电离度随之增加，电弧中带电粒子数增加，电弧的稳定性增强。图2场致电离 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，这种电离称为场致电离。 在电弧的阴极压降区和阳极压降区，电场强度可达105-107V/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。光电离 中

8、性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。（2）阴极电子发射 在电弧焊中，电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产生，另一方面则由阴极电子发射获得。两者都是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。 由于从阴极发射的电子，在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。 1）电子发射与逸出功 阴极表面的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。 电子从阴极表面逸出需要能量，1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功（Aw），单位是电子伏。因电子

9、电量为常数e，故通常用逸出电压（Uw)来表示，Uw = Aw / e，单位为V。 逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。由2表可见，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。表2 几种金属材料的逸出功金属种类WFeAlCuKCaMgAw / eV纯金属4.54 4.48 4.25 4.362.022.123.73表面有氧化物3.923.93.850.461.83.312）电子发射的类型。热发射。阴极表面因受到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称为热发射。场致发射。当毗邻阴极表面的空间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将

10、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，这种电子发射现象称为场致发射。光发射。当阴极表面受到光辐射作用时，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称为光发射。光发射在阴极电子发射中居次要地位。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称为粒子碰撞发射。（3） 焊接电弧的热效率及能量密度 电弧焊的热能由电能转换而来，因此电弧的功率可由下式表示 AA式中：Q电弧的电功率； A电弧电压， ACa用于加热、熔化填充材料及工件的电弧热功率称为有效热功率，表示为 常用焊接方法的热效率系数焊接方

11、法焊接方法焊条电弧焊埋弧焊C02气体保护焊0.65 0.850.80 0.900.75 0.90熔化极氩弧焊钨极氩弧焊0.70 0.800.65 0.702 2、焊接电弧的构造及静特性、焊接电弧的构造及静特性（1）区域组成由阴极区、阳极区、弧柱三部分组成。1、阴极区：长度极短、电压较大、E（电场强度）极高2、阳极区：长度也极短、电压较大、E极高3、弧柱区长度基本上等于电弧长度，E较小UA UCUK阳极区阴极区弧柱-+10-5 10-6cm10-2 10-4cm（2）阴极斑点与阳极斑点1、阴极斑点：阴级上导通电流的一些灼亮的弧立点。1)产生条件：a、W、C阴极且I很小b、AI、Fe、Cu作阴极2

12、)某点充当阴极斑点的条件a、电弧通过该点时耗能最小b、该点能发射电子3）特点a）电流密度大、温度高b）跳跃性及粘着性c）存在斑点力：蒸发反力、A+的撞击力d）自动寻找氧化膜，该点对于铝、镁及其合金的焊接是非常重要的，见后面的阴极雾化作用。2、阳极斑点1）产生条件：I很小2）点充当阳极斑点的条件a）通过该点导通电流时，耗能最小b）易蒸发，产生金属蒸气3）特点：a、电流密度大、温度高b、粘着性、跳跃性c、避开氧化膜d、斑点力，阳极斑点力小于阴极斑点力 阴极、阳极的温度则根据焊接方法的不同有所区别，见表。 常用焊接方法阴极与阳极的温度比较焊接方法酸性焊条电弧焊钨极氩弧焊碱性焊条电弧焊熔化极氩弧焊C0

13、2气体保护焊埋弧焊温度比较阳极温度阴极温度阴极温度阳极温度电弧稳定燃烧时，Ua与Ia的关系称为电弧静 特性。下降区（负阻特性区）：电流密度不变平特性区：E不变上升特性区：影响因素影响因素：1、弧长2、气体介质导热性热分解性能3、气体介质的压力 （2）电弧的静特性UaIa小小电电流流TIGTIGSAWMMAMIGMAG3焊接电弧的稳定性焊接电弧的稳定性是指电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度。电弧不稳定的原因除操作人员技术熟练程度外，还与下列因素有关。n（1）焊接电源n（2）焊条药皮或焊剂n（3）焊接电流：焊接电流越大，电弧燃烧越稳定。n（4）磁偏吹 电弧在其自身磁场作用下具有一定的挺直性，使电弧尽量保持在焊丝（条）的轴线方向上，如图1-13所示。但在实际焊接中，由于多种因素的影响，电弧周围磁力线均匀分布的状况被破坏，使电弧偏离焊丝（条）轴线方向，这种现象称为磁偏吹，如图1-14所示。一旦产生磁偏吹，电弧轴线就难以对准焊缝中心，导致焊缝成形不规则，影响焊接质量。图1-14 引起磁偏吹的根本原因是电弧周围磁场分布不均匀，致使电弧两侧产生的电磁力不同。焊接时引起磁力线分布不