焊接基本知识

其次篇机器人焊接技术篇焊接电弧电弧的产生利用其热能和机械能来到达连接金属的目的质的电离和电极的电子放射两个物理过程而产生的。电离在肯定的条件下中性气体分子或原子分别成正离子和电子的现象称为电离失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能，通常以电子伏特〔eV〕为单位。假设1.1为常用元素的电离电位。电离电压〔V〕8·电离电压〔V〕8·015· 41215· 512·21314·9·513·1812·613· 115· 967·616· 8168元素H电离电压〔V〕13·5元素WHeLiCNOFNaArKCaNi24· 55·411· 314·513· 517·45· 115·74· 36·1H2C2N2O2Cl2CONOOHH2OCO2NO2Cr7· 6Cr7· 6AlMo7·7MgCs7· 4TiFe3·9Cu7·8〔5000K—30000K的范围子。温度越高，热电离作用就越大。的电压越高，带电质点的运动速度就越大，产生碰撞电离的作用就越强。生带电粒子的一个次要途径。电子放射电弧中担负导电任务的带电粒子除了依靠上述电离过程产生外飞出所需要的最低外加能量称为逸出功，单位是电子伏特e，由于e是一常数，所以V1.22可见,全部金属当外表存在氧化物时其逸出功皆减小。1.2几种金属的逸出功金属种类WFeAlCuKCaMg逸出功 纯金属4.544.484.254.362.022.123.78〔eV〕有氧化物3.923.93.850.461.83.31子放射和碰撞电子放射。热电子放射：焊接时，阴极外表温度很高，阴极中的电子运动速度很快，当电子的动能热电子放射作用越猛烈。度。越强。电弧的构造和温度〔图1.1电弧长度方向的尺寸皆很小,约为10-4—10-6厘米。在阴极区的阴极外表有一个光明局部,称为阴极斑点。在阳极区的阳极外表也有一个光明局部称为阳极斑点。图1.1 焊接电弧的构造阴极区：为了维持电弧的稳定燃烧，阴极区的任务是向弧柱区供给所需的电子流(Ie=0.999，I为总电流，承受弧柱区送来的正离子流Ii=0.001。从阴极放射出来的电子以在阴极外表每一瞬间阳离子的浓度都比电子大得多面到阳离子密集的地方就形成较大的电位差，这局部电位差称为阴极压降UK。虽然阳离子飞向阴极时，对阴极的撞击和阳离子与电子结合成中性粒子都要放出热量，材料的熔化、蒸发要吸取很多热量，所以阴极的温度一般都低于阴极金属材料的沸点。0.999I0.001I的正离子流。由于阳极不放射极区两端的电压降称为阳极压降UA。由于每一个电子到达阳极时都向阳极释放相当于逸出功的能量，从而使阳极区的温度比阴极区的温度要高，如表1.3所示。1.3阳极区和阴极区的温度及电压降电极材料材料沸点阴极区阳极区〔℃〕温度〔K〕电压降〔V〕温度〔K〕电压降〔V〕Fe288024008──1226002──4Cu2595220012──13245010──11W600036404250阴极斑点：当阴极材料〔Fe、Al、Cu等〕的熔点和沸点较低而导热性能很强时，即使称为阴极斑点。当用高熔点材料〔C，W〕作阴极时，只有在电流较小，阴极温度较低的状况接的熔化极焊接时，焊丝为阴极，阴极斑点压力对熔滴的过度将起阻碍作用。由于阴极斑点的形成有上述条件的要求用就是阴极斑点的这种作用所打算的。阳极斑点：当承受低熔点的材料作阳极时FAlCu等上的导电区将在这里集中而形成阳极斑点。〔与阳极斑点的状况相反的关系。电弧的静特性稳态电流之间关系的曲线称为电弧静特性称为电弧动特性。图1.2 焊接电弧的静特性曲线电弧静特性曲线呈U形，分如图1.2所示的三个不同的区域。当电流较小时A区，电弧静特性是属负特性，即随着电流的增加而电压减小。当电流稍大时B区，电弧电压大电流区域为平特性。当电流进一步增大时C区升特性。IEI为定值时，E必定要增加，从而使电弧电压上升。其带走的总热量将增加，电弧电压将上升。熔滴过渡及焊缝成形焊丝的熔化(正接或阳极区(反接)上(焊丝的干伸长LS)有焊接电流流过，也将产生电阻热，这也是焊丝熔化的一局部热源。阴极区与阳极区的产热状况是不同的，可分别用下式表示:PA=I(UA+UW+UT) PK=I(UK-UW-UT)U U U U U U A W T K很明显，焊丝端部的产热都与焊接电流成正比，它的比例常数等于式中括弧内的数值，UW表示,等有关。焊丝干伸长局部产生的电阻热为：式中R—L段电阻值 —焊丝的电阻率L

—焊丝干伸长 S—焊丝横断面积S S S电阻热与材料种类有关。对于导电良好的铝和铜等金属，PR与R或PA相比是很小了，可无视不计，而对钢和钛等电阻率较大的材料，特别是在细丝大电流时，干伸长越大，PR对焊丝焊化速率的影响越大，因此对于加热和熔化焊总热量 P主要由两局部组成，即P=I(U+IRS)。熔滴过渡形式及其作用力丝飞向熔池。熔滴上的作用力等离子流力和其它力。外表张力：液态金属和其它液体一样，具有外表张力，焊丝熔化后，液态金属并不离焊丝进入熔池。2 分以及温度等有关。焊丝直径大,外表张力也大；液态金属温度越高，其外表张力越小；在焊丝内参加肯定的活性物质，或在保护气体中参加氧化性气体(O、CO)2 ,在平焊位置的状况下，使熔滴脱离的力主要是重力。电磁力：在焊接时，焊丝上通过较大的电流，由于大电流可以看成是很多同向平行通电导体有一径向收缩力(即磁缩力)，这种电磁收缩力促使熔滴很快形成并脱离焊丝端部向熔池过渡。的主要作用力。将产生电磁的轴向分力，其方向总是从小截面指向大截面，如图1.3所示。假设斑点尺寸小于焊丝直径,则轴向分力阻碍熔滴过渡，斑点尺寸大于焊丝直径则促使熔滴过渡。图1.3 电磁力及其作用方向等离子流力：电弧焊时，电弧直径从焊条到工件是渐渐增大的，这时在电弧中产生轴向推力，由于该力的作用，将建立起从焊丝向工件方向的气流即等离子流。生很大的作用力，使之沿焊丝轴线运动，促进熔滴的过渡。斑点力：主要由以下两方面组成，一是由于熔滴金属在斑点处产生大量金属蒸气，在垂直于斑点外表的方向上消灭较大的蒸气反作用力降，因此这种斑点力在阴极上表现较大，在阳极上表现较小。熔滴过渡的主要形式对于熔化极气体保护焊焊丝端头口熔滴由于受上述各种作用力的综合作用,而表现出不同的过渡形式,大致可分为三种。即粗滴过渡、短路过渡、喷射过渡；而在颗粒状过渡中又可为滴状过渡和上挠过渡。粗滴过渡1.4所示,熔滴呈粗大颗粒状向熔池自由过渡的形式。图1.4 粗滴过渡短路过渡如图1.5,由于猛烈过热和磁收缩的作用使其爆断,直接向熔池过渡的形式。图1.5 短路过渡喷射过渡如图1.6所示，熔滴呈细小颗粒并以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡的形式。图1.6 喷射过渡熔滴过渡现象格外简单,焊接电流、电压极性、保护气体种类、焊丝成分等都影响熔滴的过渡形式,将在下面的具体焊接方法中分别介绍。1.23焊接熔池电弧焊过程中，在电弧热作用下，被焊金属材料──母材接缝处发生局部熔化，这局部将随着电弧移动，同时熔池液态金属还在电弧力的作用下向电弧移动的前方排开。熔池金属的受力和流淌状态力,还有熔池金属自身的重力和外表张力等，使熔池中的液态金属处于不断的运动状态。熔池金属主要受以下几种作用力：电弧力电磁静压力由于焊接电弧呈圆锥状而形成的电磁静压力始终指向熔池生流淌，并向四周排开。电磁收缩力等离子流力由高温等离子体高速流淌而形成的动态电磁压力也使熔池金属流淌正下方加剧凹坑的形成和深度。熔滴的冲击力的。以上各种电弧力的大小都随着电流浓密的增大而增大击力对于熔池金属也具有肯定的作用。液体金属的重力其大小正比于熔池的体积,亦即正比于焊接线能量。在平焊位置时，对焊缝成形有利，因素，对焊缝成形不利。液体金属的外表张力熔池的深度和宽度。图1.7为平焊位置的熔池外形和熔池液态金属流淌状况的示意图。图1.7 熔池外形和熔池液态金属流淌状况的示意图焊缝的几何参数及术语焊趾：焊缝外表与母材的交界处，见图1.8。1.8焊脚：角焊缝的横截面中，从一个焊件上的焊趾到另一个焊件外表的最小距离，见图1.9。焊缝凸度：凸形角焊缝横截面中，焊趾连线与焊缝外表之间的最大距离，见图1.9。焊缝凹度：凹形角焊缝横截面中，焊趾连线与焊缝外表之间的最大距离，见图1.9。焊脚尺寸：在角焊缝横截面中画出的最大等腰直角三角形中直角边的长度，见图1.9。熔深：在焊接接头的横截面上，母材熔化的深度。它不但标志电弧穿透力量的大小，1.10。焊缝宽度：单道焊缝横截面中，两焊趾之间的距离，见图1.8。焊缝厚度：在焊缝横截面中，从焊缝正面到焊缝反面的距离，见图1.9。图1.9图1.10余高：超出外表焊趾连线上面的那局部焊缝金属的高度，见图1.11。余高可避开熔池力集中或疲乏寿命的下降，因此应限制余高的尺寸。通常对接接头的余高小于3mm或余高系数〔焊缝宽度/余高〕大于4～8。当工件的疲乏寿命是主要问题时，焊后应将余高去除。抱负的角焊缝外表最好是凹形的，可在焊后除去余高，磨成凹形。图1.11焊根：焊缝反面与母材的交界处，见图1.12。图1.12焊缝成形系数：焊缝宽度与焊缝计算厚度的比值，见图1.13。其大小会影响熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中成分偏析程度等，从而影响到焊缝产生气孔和裂纹的敏感性。图1.131.3焊接应力和变形焊接剩余应力剩余变形的产生焊接剩余应力和剩余变形主要是由于焊接过程中局部加热和冷却膨冷缩受到阻碍所形成的。例如，在钢板边缘堆焊时，焊件变样子况如图1.14所示。焊接开头时，A区受热膨胀，B区冷金属的阻碍，不能自由伸长，这时板向上(加热侧)弯曲(如图-B)，A区受到压应力，B区产生拉应力。焊接连续进展，板的弯曲如图CA区的压应力大于材料的屈服极限时，A区就产生塑性变形。冷却时，塑性变形保存下来，即形成剩余变形，板向下弯曲(如图D),这时A区受拉应力，B区受压应力。最终整条钢板发生如图的向下弯曲，A区受拉伸剩余应力，B区受压缩剩余应力。图1.14 板边缘堆焊时变形过程焊接剩余应力和剩余变形之间的关系度场和焊件的几何外形有关。任何构件焊接后,总是同时存在剩余应力和剩余变形。当焊件刚性较大,或受力拘束时,焊后的剩余应力较大；当焊件能够自由伸缩时，焊后的剩余应力较小。关，压应力越大，形成压缩变形越大，剩余变形也越大。焊接剩余应力的组成等组成，各种应力产生的缘由如下：温差应力：由于焊接是一个局部的快速加热和冷却过程，因而焊件各点在同一时间内有不同的温度。温度不同的金属由于不能自由膨胀，就会产生应力。AC160〔如低碳钢管为马氏体，伴随着体积转变就会产生应力。其大小与钢的线膨胀系数、焊件厚度、焊接方法等因素有关。拘束应力：焊件被外界条件固定后，由于焊接过程中的变形受到限制而产生的应力。焊接剩余应力对构件的影响对静载强度的影响局部破坏，最终将导致整个构件断裂。在焊接过程中，不行避开地产生焊接缺陷〔如焊接裂纹、未焊透等度在材料的脆性转变温度以下时，剩余应力将加速构件的脆性断裂。剩余应力对疲乏强度的影响力降低接头的疲乏强度。压应力提高接头的疲乏强度。剩余应力对机加工精度的影响对精度要求高的构件应先作消应力处理，然后加工。剩余应力对刚度的影响当构件中剩余应力超过材料的屈服极限时，导致构件的刚度降低。剩余应力对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是在拉应力和腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象应力腐蚀速度。降低或消退剩余应力的措施设计过程中降低剩余应力的措施避开焊缝过分集中,1.15(a)。减小焊件局部刚性,1.15(b)。避开应力集中,1.15©。承受刚性小的接头形式。如图1.15(d)。反变形法提高焊缝自由度。如图1.15(e)。图1.15 降低剩余应力的设计措施焊接过程中的工艺措施1.承受合理的焊接挨次和方向缝,1.16所示。图1.16 拼板的焊接挨次2.承受线能量较低的焊接方法可有效地降低剩余应力峰值及其分布范围。焊后消退剩余应力的措施1.整体高温回火消退剩余应力。局部高温回火处理能降低应力峰值，而不能完全消退。机械拉伸法〔过载法〕焊接剩余应力是由于局部压缩塑性变形引起的，通过机械拉伸使接头产生拉伸塑性变形，水过载的方法消退剩余应力。温差拉伸法产生的压缩塑性变形。振动法荷作用下，在应力峰值较大的区域发生微区塑性变形，使峰值应力得到降低。冲击波处理法剩余应力。焊接剩余变形的种类图1.17 平板对接时的焊缝收缩1.17各种变形，大致分为五种：挠曲变形这种变形主要是由于焊缝位置在构造中位置不对称时发生缩引起〔图1.18(a〕和由横向收缩引起〔图1.18(b。图1.18 焊接接头的挠曲变形角变形这种变形主要是由于温度沿板厚方向分布不均匀和熔化金属沿厚度方向收缩量不全都引起的，因此一般多数发生在中、厚板的对接焊及角焊时，如图1.19。图1.19 焊接接头的角变形波浪变形这种变形产生于薄板构造中，是由于纵向和横向的压应力使薄板失稳而造成的,如图1.20。图1.20 焊接接头的波浪变形错边变形的错边,1.21所示。图1.21 焊接接头的错边变形扭曲变形由于装配质量不好，焊接挨次和施焊方向不合理,1.22。图1.22 焊接接头的扭曲变形减小焊接剩余变形的方法焊接变形不但影响构造的尺寸的准确性和外形美观，而且有可能降低构件的承载力量，因此在焊接构件的生产中应尽量减小焊接变形。设计措施合理地选择焊缝尺寸和形式。在保证构造承载力量的条件下，设计时尽量承受较小的焊缝尺寸。合理地安排焊缝位置。尽可能使焊缝处于截面中性轴，或对称于中性轴。尽可能减小不必要的焊缝。工艺措施合理选择装配和焊接挨次施，通常应遵循以下原则：(1).尽量使焊缝能自由收缩;(2).对于大型构件的焊接，应从中间向四周进展，一般横向收缩大于纵向收缩，因此应先焊横向焊缝使之自由收缩。合理选择施焊方法和标准粗丝大电流的单层焊。用焊接速度较高的自动焊代替手工电弧焊，都有利于减小焊接变形。小焊接变形。承受反变形法依据阅历，预先人为地制造一个变形，使这个变形与焊后的变形方向相反而数值相等，从而消退焊接变形。刚性固定法低剩余变形。典型焊接接头的剩余应力分布力作定性分析。对接接头中的焊缝纵向剩余应力分布如图1.23(a)所示。在焊缝及热影响区为剩余拉伸1.15(b)所示。1.23〔c〕1.23(d)所示。即焊缝中心剩余应力为最大值，而距焊缝中心不远就很快减小。(a)纵向剩余应力沿板宽方向的分布 (b)纵向剩余应力沿焊缝长度方向的分布©横向剩余应力沿板宽方向的分布 (d)横向剩余应力沿焊缝长度方向的分布图1.23 对接接头的剩余应力分布角接接头中的纵向剩余应力分布如图1.24所示。图1.24 角接接头中的纵向剩余应力分布1.4弧焊电源弧焊电源根本学问电源静特性在稳定状态下弧焊电源的输出电压与输出电流的关系曲线称为弧焊电源的静特性特性。弧焊电源的各种常见外特性曲线如图1.25所示。图1.25 弧焊电源的各种常见外特性曲线负载持续率DY负载工作的持续时间与全周期时间的比值称为负载持续率DY。全周期时间或称工作周期括负载持续时间与休息时间。GB8118—875、10、20min与连续。负载持续率是设计焊机时用以说明某种效劳类型的重要参数，介于0与1之间，用百分数表示。按GB8118—87规定为35%、60%、100%三种。弧焊电源的额定电流就是该负载持续率条续率条件下允许使用的输出电流可按下式计算：I=〔Dyr/DY〕1/2Ir式中D

──额定负载持续率yrD──实际负载持续率DYI──额定负载持续率时的额定电流IrI──实际负载持续率时的允许使用电流3.弧焊电源系统稳定工作条件I和U的稳定值是由电源外特性和电弧静特性曲线交点打算的，如图1.26所示。在交点处电弧静特性斜率只有大于电源外特性斜率，才是系统的稳定工作点〔交点A，交点B由于不满足上述条件不是系统的稳定工作点。图1.26 系统稳定工作条件图假设电弧静特性工作局部斜率小于0，弧焊电源外特性必需是下降特性。假设电弧静特性工作局部的斜率大于0，则电源外特性可以是上升的，也可以是平特性。对于等速送丝焊〔上升斜率不能超过电弧静特性比用平特性电源能获得更大的电流变化和〔长弧焊的上升特性的电源。4.弧焊电源动特性响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系，即U=I=〔〕它说明弧焊电源对负载瞬变的适应力量。只有消灭熔滴短路过度的焊接方法才对弧焊电源有动特性要求。在短路过度的CO2焊具有适宜的短路电流增长速度和短路峰值电流。弧焊机器人配套焊接电源机器人配套弧焊电源的特点掌握性能好，具有相当宽的输出量连续调整范围和优良的动态响应指标，既能保证电弧过程的持续稳定，又要便于机器人实时转变焊接标准来掌握焊接质量；额定输