焊接方法与设备,QQ:1012137909,绪论,基本内容 掌握焊接基本概念、理解焊接本质、特点及分类 一、基本概念： 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：10nm,10m,因此： 采取必要的措施。,d,氧化物,三、焊接的分类,焊接,熔化焊：,钎焊：,压力焊：,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。,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,钎料,加压,熔化焊,钎焊,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,电阻缝焊,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,螺柱焊,手工电弧焊,电弧焊,电源,电极,工件,二、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。,第一章焊接电弧,一基本要求 熟练掌握本章的基本概念，理解并掌握最小电压原理、电弧力。了解电弧各个区域的组成、导电机构、产热机构、交流电弧的特点以及阴极斑点的特点及其对焊接质量的影响。 二基本概念 电弧、气体放电、电离、电子发射、阴极斑点、阳极斑点、刚直性、磁偏吹、电离能、逸出功、电离电压、逸出电压 三难点 1）最小电压原理 2）电弧的导电机构 四重点 1）电弧、电离、气体放电、刚直性、磁偏吹等一些基本概念。 2）电弧力。 3）电弧的产热机理。 4）阴极斑点的特点。 5）最小电压原理。,1-1电弧物理基础,一） 电弧的基本概念 1、电弧：电弧是一种气体放电 现象，通过放电将电能转变为热能与机械能。 2、气体放电：两极间的气体被击穿而导电的过程。 非自持放电：放电本身不能产生导电所需的带电粒子（A+、e）。 自持放电：放电本身能产生导电所需的带电粒子（A+、e）；有暗放电、 辉光放电、 电弧放电等三种。,+,-,电弧,Ua,Ia,电弧放电,辉光放电,暗放电,暗放电,自持放电,非自持放电,U,I,导体导电,二）带电粒子的产生过程 产生方式： 电离：气体中性原子或分子（ A ）分离为一价正离子 （ A+ ）和电子（ e ）的过程。 电子发射：金属表面逸出电子的现象 （一）电离与激励 1、电离：在一定条件下中性原子分离成A+及e的现象。 A A+ + e - Wi 电离能：原子或分子电离所需要的能量 单位为ev 或J 电子伏：一个电子被1V的电压所加速得到的能量。 电离电压：电离能/电子带电量。 一次电离：AA+e 二次电离：A+A+e n次电离：A（n-1）+An+e,2、激励：气体原子得到的一定的能量，虽然小于Wi，但可使电子从低能级跃迁到高能级。这种现象叫激励。 激励能：所需的最小外加能量叫激励能We。 激励能电压：激励能We/e。 3、能量传递方式 1）碰撞：粒子间通过相互碰撞而交换能量 弹性碰撞：仅发生动能再分配 非弹性碰撞：交换的能量势能，从而导致电离或激励。,2）光幅射：在光的辐射下，中性粒子直接吸收光量子的能量。,A,A+,A-,e,A,A,e,h eUi,4、电离的分类： 1）热电离：气体粒子受热的作用而产生电离 实质：中性粒子通过与电子碰撞，接收电子能量而电离。 电离度：电离了的粒子数量与电离前离子数量之比。0.1% 热解离：在热量的作用下，多原子分子分解为原子。 解离能：分子热解离所需要的能量 2）电场作用下的电离：A+、e在电场作用下被加速、与A碰撞使其电离的过程。 主要是e的作用：电子获得的能量是A+ 的4倍。 3）光电离：A直接捕捉光量子并吸收其能量而电离。 波长越小越易促进光电离，电弧波长包括红外线、紫外线可见光、可使AI、K、Na原子光电离。但不能使Ar、He、Fe等电离。,（二）电子发射 1、基本概念 1）电子发射：电子从金属表面逸出的现象。 对电弧导电起作用的主要是阴极的发射。 2）逸出功（Ww）：电子发射所需的最小能量。 3）逸出电压：Ww/e 物理意义：Ww越小，引弧越容易，电弧稳弧性越好。 4）主要影响因素： 材料， K、Na之Ww较低。 表面状态：有氧化物时，逸出功降低 加入杂质，例如，钍、铈及镧等可降低Ww。,-,2、分类 1）热发射：在热量的作用下产生的发射 产生条件：阴极温度足够高 特点：对阴极有冷却作用，这一点对TIG焊具有重要意义。可提高W极的载流能力。 2）电场发射：金属表面的电子在电场力的作用下逸出的现象。 特点：对阴极的冷却作用较小。 3）光发射：光幅射作用下产生的发射。实际电弧中产生光发射的可能性很小。 4）粒子碰撞发射：高速运动的A+碰撞到阴极上导致的发射。,库仑力,（三）负离子的产生 中性离子与电子结合的过程，是一个放热过程，所放出的热被成为电子亲和能。 A + e A- + W 注意： 1）亲和能高的原子易形成A-，但高温下不利于放热反应。 2）交流电弧过零时，易形成。 3）易在电弧周边形成。 4）不利于电弧稳定。 （四）扩散与复合 扩散：电弧中心处A+、e较多，e易向周边运动。当周边电子浓度达到一定值后，在e吸引下，A+也向周边运动。从而在周边复合 A+eA+Wi A+A2A+Wi,A-,A,e,+,A-,+,A,A,e,三）电弧各区域的导电机构 （一）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,UC,UK,阳极区,阴极区,弧柱,-,+,10-510-6cm,10-210-4cm,（二）弧柱区的导电机构 所谓导电机构就是指带电粒子产生、运动方式。 1、带电粒子的产生 1）电离：热电离 光电离 电场作用的电离 2）阴极区注入的电子 3）阳极区注入的正离子 2、带电离子的运动 A+冲向阴极正离子流IA+ e冲向阳极电子流Ie I =IA+Ie 其中：IA+ = 0.1%I Ie = 99.9%I 3、特点： 1）电中性； 2）E小、Ua小,IA+,Ie,I,三）、阴极区的导电机构 1、阴极区在导电过程中的作用 1)产生弧柱区导电所需要电子流 Ie=0.999I 2)接收弧柱区来的正离子流IA+=0.001I 2、热发射型 1）产生条件：W、C阴极，且电流很大 2）带电粒子的产生方式：热发射 热阴极：弧柱导电所需要的电子可完全由热发生来产生的 阴极。 冷阴极：热发射能力不足的阴极。 热阴极材料：熔点高的材料冷阴极材料：熔点低的材料。 3）特点：无阴极区、无阴极压降Vk,3、电场发射型导电机构 1) 条件：（a）W、C阴极、且I较小 （b）AI、Fe、Cu作阴极 2) 带电离子产生方式 （1）场发射 （2）场电离 （3）热发射 （4）碰撞发射,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,Uk,阴极区,弧柱区,电场发射型导电机构,阴极,热发射,场发射,碰撞发射,场电离,0.999I,c) 特点： （1）阴极附近存在正电荷区阴极区 （2）fe0.001 I （3）阴极区断面收缩 （4）阴极表面上产生阴极斑点 3）等离子型导电机构 A、条件： 1）W、C阴极，且I较小：或AI、Fe、Cu阴极；且2）气压较小，UkUi B、带电粒子产生方式：热电离 C、特点：同上,（四）阳极区的导电机构 1、阳极区在导电过程中的作用 1)接收弧柱区来的电子流 Ie=0.999I 2)产生弧柱区所需要的正离子流IA+=0.001I 2、热电离 1）产生条件：I较大 2）带电离子产生方式：热电离 3）特点：a)阳极压降小，甚至为0 b)不存在阳极斑点。 3、电场作用下的电离 1）产生条件：I较小 2）带电粒子的产生方式：热电离、场电离 3）特点：a）有阳极区，发生收缩 b)Ua较大 c)有阳极斑点,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,UA,阳极区,弧柱区,阳极压降的形成,+,（五）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)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。,-,-,-,焊接方向,-,+,A,A,B,焊接方向,粘着性,跳跃性,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,四）最小电压原理 电流一定、周围条件一定时，稳定燃烧的电弧各导电区的半径（温度）应使电弧电场强度最小，即电弧电压最小。 该原理有两个方面的含义： 1、电场强度是温度或电弧断面半径的函数 E = f（T）E=f（r） 2、电弧半径稳定值r*由E的最小值E*确定,E,r,R*,E*,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： 1、弧长 2、气体介质 导热性 热分解性能 3、气体介质的压力,五、电弧的静特性,Ua,Ia,小电流TIG,TIGSAW MMA,MIG MAG,Ia,Ua,Ia,L2,L1,L2 L1,纯Ar,Ar+20%H2,Ua,Ia,电离电压 Ar15.7eV H 13.5eV H215.5eV,弧长影响,物理性能：热分解、导热系数,1-2焊接电弧的产热及温度分布,一）、焊接电弧的产热机构 （一）弧柱的产热机构 电能热能 1、本质：A+、e在电场作用下被加速、使其动能增大的过程。其宏观表现即为温度上升产热 由于运动速度，自由程度不同，A+