焊接方法与设备教案课程

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绪论

第一节 焊接方法及及发展概况

一、焊接及其本质

连接分为：可拆卸连接；永久性连接。

焊接：通过加热或加压，或两者并用，使用或不用填充材料，使焊件达到结合的一种加工工艺方法。

（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。）

二、焊接的分类

焊接分为：

（1）熔化焊：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。

（2）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。

（3）压力焊：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。

根据热源分类，熔化焊包括：电弧焊、气焊、铝热焊、电渣焊、电阻焊、电子束焊、激光焊等。

电弧焊又分为：熔化极电弧焊 、非熔化极电弧焊。

熔化极电弧焊包括：焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊(MIG\MAG)、CO2焊 、螺柱焊等。

非熔化极电弧焊包括：钨极氩弧焊（TIG焊）、等离子弧焊

三、焊接的特点：

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 课 时 授 课 计 划 副 页1 年 月 日

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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）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。

7）缺点

（1）产生焊接变形和焊接残余应力；

（2）焊接接头的性能不均匀性；

（3）止裂性差

四、焊接方法发展历程：

结合课件进行讲解。

五、焊接的应用：

各种焊接方法广泛地应用于机械、化工、冶金、车辆船舶、石油、建筑、国防工业、航空航天的各个领域。 课 时 授 课 计 划 副 页1 年 月 日

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第一单元：电弧焊基础知识

要实现金属的焊接，必须提供能量，对于熔焊，主要是热源的热能。常用焊接方法的热源有：电弧热、电阻热、化学热、摩擦热、激光束、电子束。

模块一、焊接电弧

一、焊接电弧的物理基础

研究意义：弧焊电源是电弧能量的供应者，其电特性影响到电弧燃烧的稳定性，从而直接影响到焊缝的质量。

电弧定义：由焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。

电弧是一种特殊的气体放电现象，它是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。

气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。

非自持放电：气体导电所需要的带电粒子不能通过放电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子（加热、施加一定能量的光子等等）。

自持放电：当电流大于一定值时，一旦放电开始，放电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。有暗放电、 辉光放电、 电弧放电等三种。

要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件：

(1) 两电极之间有带电粒子；

(2) 两电极之间有电场。

1、焊接电弧产生的条件

要使电弧产生和稳定燃烧，就必须使两极（或电极与母材）之间的气体中有带电粒子，而获得带电粒子的方法就是中性气体的电离和金属电极（阴极）电子发射。因此，气体电离和阴极电子发射是焊接电弧产生和维持的两个必要条件。 课 时 授 课 计 划 副 页1 年 月 日

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（1）气体电离

定义：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。

实质：中性气体粒子吸收足够的外部能量，使分子或原子中的电子脱离原子核束缚而成为自由电子和正离子的过程。

电离能：

中性气体粒子失去第一个电子所需要的最小能量成为第一电离能

失去第二个电子所需的能量称为第二电离能。

……

单位：电子伏（eV） 为：1.6×10-19J

电离电压：气体的电离电压的大小反映了带电粒子产生的难易程度。

电离电压低----带电粒子容易产生有利于电弧导电

电离电压高----带电粒子难以产生电弧导电困难

电离度：电弧内单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值

X=电离的粒子密度/电离前中性粒子密度。

焊接电弧中，气体介质电离的形式主要有：

热电离、场致电离、光电离

①热电离

定义：气体粒子受热作用而产生电离的过程。

实质：气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞。

主要位置：弧柱区（温度在5000-50000K）

②场致电离

定义：在两电极间的电场的作用下，气体中的带电粒子被加速，电能转化为带电粒子的动能，当带电粒子的动能达到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之电离，这种电离被称为场致电离。

场致电离发生的位置: 课 时 授 课 计 划 副 页1 年 月 日

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主要是两极区，由于在这两个区域内电场强度可达105-107V/cm，

而弧柱区电场强度为：10V/cm左右，电场作用不明显。

由于电子质量远小于其他粒子的质量，因而在电场的作用下，速度快，动能大，其余其他粒子发生非弹性碰撞，几乎将本身的动能全部传递给相应的粒子，使中性粒子发生电离或激励。因而场致电离中电子起到主要的作用。

③光电离

定义：中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程

范围：电弧的辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸汽直接引起电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起电离

热电离和场致电离属于碰撞电离是产生带电粒子的主要途径，光电离是产生带电粒子的次要途径

（2）阴极电子发射

阴极表面的分子或原子接受外界的能量而释放出自由电子的现象称为电子发射,电子发射所需要的能量成为逸出功 。

①热发射：固态或者液态物质表面受热后其中的某些电子具有大于逸出功的动能而逸出到表面以外的空间中去。

②光电发射：固态或液态物质表面接受光射线的能量而释放出自由电子的现象。

③重粒子撞击发射：能量大的重粒子（正离子）撞击到阴极上，引起电子的逸出。

④自发射：固态或者液态物质表面存在强电场，使阴极有较多的电子发射出来，又称为场强发射。

2、焊接电弧的引燃方法

造成两电极间气体发生电离和阴极电子发射而引起电弧燃烧的过程称为焊接电弧的引燃。 课 时 授 课 计 划 副 页1 年 月 日

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通常有接触引弧和非接触引弧两种方式。

（1）接触引弧

接触引弧主要应用于：焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊。

对于焊条电弧焊接触引弧又可分为：划擦法、直击法

（2）非接触引弧

引弧时，电极与工件之间保持一定间隙，在电极与工件之间施加高电压击穿间隙使电弧引燃，这种引弧方式称为非接触引弧。

非接触引弧需要利用引弧器，引弧器有两种，高压脉冲引弧和高频高压引弧。

高压脉冲引弧：使用高压脉冲发生器，其频率为50～100Hz，电压峰值为3000～10000V.

高频高压引弧:使用高频振荡器，其频率为150-260kHz,电压峰值为2000～3000V。

二、焊接电弧的构造及静特性

1、焊接电弧的构造

焊接电弧组成

(1)阴极区：电弧紧靠负电极的区域，很窄，约10-5～10-6cm。

阴极斑点：电弧放电时，负电极表面集中发射电子的微小区域——阴极斑点。

T阴=2130～3230oC，放出的热量占36％

(2)阳极区：电弧紧靠正电极的区域，比阴极区宽，约10-3～10-4cm。

阳极斑点：电弧放电时，正电极表面集中接收电子的微小区域—阳极斑点。

T阳 =2330～3930oC占总热量的43%左右。 阳极区 阴极区

弧柱区 课 时 授 课 计 划 副 页1 年 月 日

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(3)弧柱区：介于阳极区与阴极区之间的区域。

T弧柱=5730～7730oC.占总热量的21%。

(4)电弧电压：即电弧两端(或电极)之间的电压降。

2、焊接电弧的静特性

含义：在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流与电弧电压变化的关系称为电弧静特性，也称为伏——安特性。表示它们之间关系的曲线称为电弧的静特性曲线。

(1)电弧静特性曲线：呈“U”形；

ab段—下降特性区

bc段—平特性区

cd段—上升特性区

(2) 电弧静特性曲线应用：

不同的焊接方法在一定的条件下其电弧静特性只是曲线中的某一区域；下降特性区电弧燃烧不稳定，一般不采用。

①焊条电弧焊、埋弧焊一般工作在平特性区，电弧电压只随弧长变化，与焊接电流关系很小。

②钨极氩弧焊、等离子弧焊一般也工作在平特性区。当电流较大时才工作在上升特性区。

③ 熔化极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊和熔化极活性气体保护焊基本上工作在上升特性区。

三.焊接电弧的稳定性

定义：电弧保持稳定燃烧（不产生断弧、飘移和偏吹等）的程度。

1. 弧焊电源的影响

采用直流电源焊接时，电弧的燃烧比交流电源稳定。

具有较高空载电压的焊接电源电弧燃烧稳定，而且引弧容易。 U弧=U阴+U阳+U柱