材料加工工程chapter10金属连接成形的主要工艺.ppt

1,1,材料加工工程,材料科学与工程学院,主讲教授：李远才、刘顺洪、周华民、王新云,HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE&TECHNOLOGY,2,2,第四篇 金属连接成形工艺,主讲教授：刘顺洪,3,3,第10章:金属连接成形的主要工艺 第11章:焊接新技术及相关技术 第12章:金属构件焊接的工艺设计 第13章:焊接成形件的缺陷及检测,第三讲 金属连接成形工艺,4,4,第10章:金属连接成形的主要工艺,重点:1.电弧焊2.电阻焊,第三讲 金属连接成形工艺,5,5,电弧焊Arc welding,第10章:金属连接成形的主要工艺,6,6,一、焊接电弧物理基础,1.电弧的导电特性,焊接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。,一般情况下，气体是良好的绝缘体其分子和原子都处于电中性状态。要使两电极之间的气体导电，必须具备两个条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。,第10章 金属连接成形的主要工艺,7,7,第10章 金属连接成形的主要工艺,8,8,采用一定的物理方法，改变两电极间气体粒子的电中性状态，产生带电荷的粒子，带电粒子在电场的作用下运动，即形成电流使两电极之间的气体空间成为导体，产生气体放电。气体放电随电流的强弱而有不同的形式，如暗放电、辉光放电、电弧放电等。与其他气体放电形式相比，电弧放电的主要特点是电流最大、电压最低、温度最高、发光最强。,第10章 金属连接成形的主要工艺,9,9,Fig.12-2 Volt-ampere Characteristics,第10章 金属连接成形的主要工艺,10,10,2.电弧中带电粒子的产生电弧两极间带电粒子的来源：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。同时还存在其它过程:解离、激发、扩散、复合等。,第10章 金属连接成形的主要工艺,11,11,(一)气体的电离(1)电离与激励 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。第一电离能，第二电离能，依此类推。,第10章 金属连接成形的主要工艺,12,12,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,第10章 金属连接成形的主要工艺,13,13,第10章 金属连接成形的主要工艺,括号内数值依次为二次,三次,电离电压,常见气体粒子的电离电压,14,14,当中性气体粒子受外加能量作用而不足以使其电离时，但可能使其内部的电子从原来的能级跃迁到较高的能级，这种现象称为激励。使中性粒子激励所需要的最低外加能量则称为最低激励电压，单位为V。常见气体粒子的最低激励电压,第10章 金属连接成形的主要工艺,15,15,受激励的电子没有脱离原子的束缚 粒子呈中性受激励的粒子处于不稳定状态 稳定状态时间短约为：10-2-10-8s 激励状态的粒子有两种出路又转变为稳定状态，伴随着这个过程能量以辐射光的形式释放出来 电弧辐射光接受外部能量电离,第10章 金属连接成形的主要工艺,16,16,当电弧空间存在电离电压（或激励电压）不同的多种气体时，在外加能量的作用下，电离电压（或激励电压）低的气体粒子先被电离（或激励），若这种气体的足以维持电弧的稳定燃烧，则整个电弧燃烧所需要的能量主要取决于这个较低的电压。因而电弧所要求的外加能量就比较低。意义：稳弧剂的作用.,第10章 金属连接成形的主要工艺,17,17,Fe电离电压为7.8V,K电离电压为4.3V,第10章 金属连接成形的主要工艺,18,18,电离的种类：热电离场致电离光电离电离度：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,第10章 金属连接成形的主要工艺,19,19,(2)电离种类 1）热电离气体粒子受热的作用而产生电离的过程称为热电离。它实质上是由于气体粒子的热运动形成频繁而激烈的碰撞产生的一种电离过程。热电离的电离度与温度、气体压力及气体的电离电压有关。,第10章 金属连接成形的主要工艺,20,20,电离度与材料、温度之间的关系,第10章 金属连接成形的主要工艺,21,21,基本规律：温度压力电离电压,电离度,带电粒子数,电弧稳定性,第10章 金属连接成形的主要工艺,22,22,2)场致电离在两电极间的电场作用下，气体中的带电粒子将加速，电能将转换为带电粒子的动能。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。弧柱的温度一般在5000-50000K之间，而电场强度仅为10vcm左右，所以在弧柱区热电离是产生带电粒子的主要途径，电场作用下的电离则是次要的。在电弧的阴极压降区和阳极压降区电场强度可达105107v/cm，远高于弧柱区，因而会产生显著的场致电离现象。,第10章:金属连接成形的主要工艺,23,23,3)光电离。中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。焊接电弧的光辐射只可能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直接引起光电离，而对焊接电弧气氛中的其他气体则不能直接引起光电离。因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。,第10章 金属连接成形的主要工艺,24,24,(二)阴极电子发射电离和阴极电子发射是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。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。,第10章 金属连接成形的主要工艺,25,25,(1)电子发射与逸出功 阴极中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。因电子电量为常数e，故通常用逸出电压(Uw)来表示，UwAwe，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。几种金属材料的逸出功,第10章 金属连接成形的主要工艺,26,26,(2)阴极斑点 阴极表面通常可以观察到发出烁亮的区域，这个区域称为阴极斑点，它是发射电子最集中的区域，即电流最集中流过的区域。阴极斑点的形态与阴极的类型有关。热阴极：斑点固定 W C冷阴极：斑点不规则移动 Cu Fe Al由于金属氧化物的逸出功比纯金属低，因而氧化物处容易发射电子。,第10章 金属连接成形的主要工艺,27,27,氧化物发射电子的同时自身被破坏，因而阴极斑点有清除氧化物的作用。阴极表面某处氧化物被清除后另一处氧化物就成为集中发射电子的所在。于是，斑点游动力图寻找在一定条件下最容易发射电子的氧化物。如果电弧在惰性气体中燃烧，阴极上某处氧化物被清除后不再生成新的氧化物，阴极斑点移向有氧化物的地方，接着又将该处氧化物清除。这样就会在阴极表面的一定区域内将氧化物消除干净，显露出金属本色。这种现象称为“阴极清理”作用或“阴极破碎”作用。在铝合金焊接中作用最为明显,第10章 金属连接成形的主要工艺,28,28,(3)电子发射的类型 根据外加能量形式的不同，电子发射可分为以下四种类型：1)热发射。阴极表面因受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。热发射的强弱受材料沸点的影响。当采用高沸点的钨或碳作阴极时(其沸点分别为5950K和4200K)，电极可被加热到很高的温度(一般可达3500K以上)此时，通过热发射可为电弧提供足够的电子。,第10章:金属连接成形的主要工艺,29,29,2)场致发射。当阴极表面中间存在一定强度的正电场时，阴极内部的电子将受到电场力的作用。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。当采用铜、钢、铝等低沸点材料作阴极(冷阴极)时(其沸点分别为3013K、2868K和2770K)，阴极加热温度受材料沸点限制不可能很高，热发射能力较弱，此时向电弧提供电子的主要方式是场致发射电子。实际上，电弧焊时纯粹的场致发射是不存在的，只不过是在采用冷阴极时以场致发射为主，热发射为辅而已。,第10章 金属连接成形的主要工艺,30,30,3)光发射。当阴极表向受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到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。,第10章 金属连接成形的主要工艺,31,31,4)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。,第10章 金属连接成形的主要工艺,32,32,电弧导电过程中，在产生带电粒子的同时，伴随着带电粒子的消失过程。在电弧稳定燃烧时，二者是处于动平衡状态的。带电粒子在电弧空间的消失主要有扩散、复合两种形式和电子结合成负离子等过程。,第10章 金属连接成形的主要工艺,33,33,3.焊接电弧的构成及其特性,第10章:金属连接成形的主要工艺,焊接电弧的构成,34,34,第10章:金属连接成形的主要工艺,阳极区和阴极区占整个电弧长度的尺寸皆很小，约为10-210-6cm，故可近似认为弧柱长度即为电弧长度。电弧的这种不均匀的电场强度分布，说明电弧各区域的电阻是不同的，即电弧电阻是非线性的。,35,第10章:金属连接成形的主要工艺,焊接电弧的导电特性是指参与电荷的运动并形成电流的带电粒子在电弧中产生、运动和消失的过程，在焊接电弧的弧柱区、阴极区和阳极区其相应的导电特性也是不同。,35,36,36,(2)焊接电弧的导电特性1)弧柱区的导电特性弧柱温度：500050000K弧柱呈电中性弧柱是包含大量电子、正离子等带电粒子和中性粒子聚合在一起的气体状态，被称为电弧等离子体。弧柱电阻较小,第10章:金属连接成形的主要工艺,37,37,电弧等离子体虽然对外呈现电中性，但由于其内部有大量电子和正离子等带电粒子，所以具有良好的导电性能。带电粒子在电场的作用下运动，就形成了弧柱中的电流。弧柱中的电流由向阴极运动的正离子流和向阳极运动的电子流组成。由于电子和正离子在同一电场中所受的电场力相同，而电子的质量正离子的速度，因此弧柱中的电流主要由电子流构成。,第10章:金属连接成形的主要工艺,38,弧柱电流（主要是电子电流99.9%）负离子数量少，作用被忽略正离子在电场作用下，运动速度远小于电子但正离子的作用非常大，保证了电弧放电的低电压大电流的特点。,38,39,39,第10章:金属连接成形的主要工艺,40,40,弧柱电场强度（E）：弧柱单位长度上的电压降意义：E的大小表征电弧弧柱的导电能力。显然，当弧柱中通过大电流时，电离度提高，E值将减少。电场强度E与电流I的乘积EI，相当于电源供给每单位弧长的电功率，它与弧柱的热损失相平衡。,第10章:金属连接成形的主要工艺,41,41,第10章:金属连接成形的主要工艺,影响弧柱电场强度的因素弧柱气体介质（H2、He；单原子、多原子）弧柱的热损失（强迫气流冷却等）,42,由此可见：电场强度E的大小与电弧的气体介质有关；E的大小将随弧柱的热损失情况而自行调整。弧柱在稳定燃烧时，有一种使自身能量消耗最小的特性。,42,43,43,当电流和电弧周围条件(如气体介质种类、温度、压力等)一定时，稳定燃烧的电弧将自动选择一个确定的导电截面使电弧的能量消耗最小。当电弧长度也为定值时，电场强度的大小即代表了电弧产热量的大小。因此，能量消耗最小时的电场强度最低，即在固定弧长上的电压降最小，这就是最小电压原理。,第10章:金属连接成形的主要工艺,44,第10章:金属连接成形的主要工艺,电流和电弧周围条件一定时，如果电弧截面面积大于或小于其自动确定的截面，就会引起电场强度的增大，消/耗的能量增多，违反最小电压原理。E(K)K电导率 电离度TE(T)(IE)面积增大面积减小,44,45,45,2)阴极区的导电特性阴极区是指靠近阴极的很小一个区域，在电弧中，它有两方面的作用：阴极区接收正离子，发射电子由于电极材料种类及工作条件(电流大小、气体介质等因素)不同，阴极区的导电形式和特性也不同。热发射型和电场发射型,第10章:金属连接成形的主要工艺,46,46,1热发射型热阴极，大电流时，阴极区可加热到很高的温度。阴极主要靠热发射提供电子流来满足弧柱导电的需要。阴极斑点在电极表面十分稳定，其面积较大而且比较均匀，紧挨阴极表面的弧柱不呈收缩状态。阴极区的电流密度与弧柱区也相近。阴极区电压降很小。,第10章:金属连接成形的主要工艺,47,47,电子带走的热量的补充途径正离子的碰撞正离子的复合，放出电离能电阻热大电流钨极电弧焊时，这种热发射型导电占主导地位。,第10章:金属连接成形的主要工艺,48,48,2电场发射型（冷阴极或者热阴极小电流）正电荷过剩 正电场 场致发射 电子加速 场致电离 形成电子流正离子的作用正电场撞击阴极，加强热发射,第10章:金属连接成形的主要工艺,49,49,冷阴极中存在热发射和场发射，其所占的份额受以下因素影响电极种类（沸点高或逸出功小，热发射主导，阴极压降小）电流大小（电流大，热发射主导，阴极压降小）气体介质（不易于电离，热发射主导，阴极压降小）,第10章:金属连接成形的主要工艺,50,50,3)阳极区的导电特性阳极区是指靠近阳极的很小一个区域，在电弧中主要是接受弧柱区送来的电子流，同时弧柱区提供所需要的正离子流。阳极斑点,第10章:金属连接成形的主要工艺,51,51,1阳极斑点在阳极表面可看到烁亮的区域，这个区域称为阳极斑点；弧柱中送来的电子流，集中在此处进入阳极，再经电源返回阴极。阳极斑点的电流密度比阴极斑点的小，它的形态与电极材料及电流大小有关。由于金属蒸气的电离电压比周围气体介质的低，因而电离易在金属族气处发生。成为阳极导电区。在大气或氧化性气氛中燃烧的电弧，由于金属阳极有氧化物存在，而一般金属的熔点与沸点皆低于金属氧化物的熔点和沸点，所以纯金属处比金属氧化物处更容易产生蒸发。阳极斑点使会自动寻找纯金属而避开氧化物，因而在阳极表面跳跃移动.,第10章:金属连接成形的主要工艺,52,52,2阳极区导电形式阳极不能发射正离子，弧柱所需要的正离子流是由阳极区的电离提供的。由于条件不同，阳极区的导电形式有两种：(a)阳极区的场致电离 当电弧电流较小时，阳极前面的电子数必将大于正离子数形成负的空间电场，并使阳极与弧柱之间形成一个负电性区阳极区。只要弧柱的正离子得不到补充这个负电场就继续增大。阳极区内的带电粒子被这个电场加速，使其在阳极区内与中性粒子碰撞产生场致电离，直到这种电离生成的正离子能满足弧柱需要时，阳极区的电场强度才不再继续增大。电离生成的正离子流向弧柱，产生的电子流向阳极。这种导电方式中阳极区压降较大。,第10章:金属连接成形的主要工艺,53,53,(b)阳极区的热电离 当电弧电流较大时，阳极的过热程度加剧，金属产生蒸发，阳极区温度也大大提高。阳极区内的电离方式将由金属蒸气的热电离取代高能量电子的碰撞产生的场致电离，完成阳极区向弧柱提供正离子流的作用。这种情况下阳极区的压降较低。大电流钨极氩弧焊时属于这种阳极区导电机构。,第10章:金属连接成形的主要工艺,54,54,Fig.12-4 Volt-ampere Characteristics of welding arc,在焊接电弧稳定燃烧的情况下,电弧电压和电流之间的关系.,（3）焊接电弧的静特性,第10章:金属连接成形的主要工艺,影响因素:电弧长度;周围气体种类;周围气体介质压力,55,负阻特性：电流较小，电弧热量较低，其间的电子电离度低，电弧的导电性较差，需要有较高的电场推动电荷运动；电弧阴极区，由于电极温度低，电子提供能力较差，不能实现大量的电子发射，会形成比较强的阴极电压降。,56,v,电流增加时，弧柱温度增加，电弧中的粒子的电离度增加，电弧的导电性增强，同时电极温度提高，阴极热发射能力增强，阴极电压降低；阳极蒸发加剧，阳极电压降低。即在电极温度和电弧温度较高的情况下，电弧中产生和运动等量的电荷不需要更强的电场。,57,对于弧柱区，主要从弧柱产热和散热的平衡的角度考虑：在小电流区，如果电流增加4倍，假设电流密度一定，即弧柱直径增加2倍，弧柱向周围的热量损失随之增加2倍，而弧柱内的热量却增加4倍，这时如果电弧电压仍然保持不变，那么就违背了最小电压原理。,58,平特性：电流进一步增大，电弧等离子气流增强，除电弧表面积增加造成的热损失外，等离子气流的流动对电弧产生附加的冷却作用，因此在一定的电弧区间内，电弧电压自动的维持一定的数值，保证产热和散热的平衡。,59,上升特性：在大电流区，电弧中的等离子气流更加强烈，而由于电弧自身磁场的作用，电弧的截面不能随电流的增加而同步增加，电弧的电导率减小，要保证较大的电流通过相对比较小的截面，需要更高的电场。,60,60,电弧静特性的3个阶段，并不是各种电弧中都能够表现出来，还受到电弧形态和电极的条件的影响。GTA焊接的静特性一般可以明显的表现出3个区段特性,第10章:金属连接成形的主要工艺,61,61,GMA焊接由于通常采用较细的电极焊丝，可使用的电流一般在中等数值以上，电弧多呈现圆锥形，等离子气流作用强烈，静特性一般呈现上升特性。,第10章:金属连接成形的主要工艺,62,62,SAW电弧埋在焊剂层的下边，受到焊剂层的覆盖，电弧的热损失小，且没有等离子气流的存在，一般使用较粗的焊丝大电流焊接，一般为下降特性。,第10章:金属连接成形的主要工艺,63,63,Fig.12-5 Volt-ampere Characteristics of power sources,（4）焊接电源的动特性 在稳定状态下弧焊电源的输出电压和输出电流之间的关系.电弧稳定燃烧的条件 平-降 or陡降;升-平,第10章:金属连接成形的主要工艺,64,64,4.焊接电弧中的能量平衡,电能(through arc)热能和光能,弧柱区(1)产热:Kinetic energy of e heat energy(2)特点:i)Heat energy=IELc ii)producing Heat=losing Heat a)radiation b)conduction c)convection,第10章:金属连接成形的主要工艺,65,65,阴极区 产热:eunder UkIUk 阴极压降为Uk 电子电流为I 热损:i)eemissionIUw 电子逸出功IUw ii)eto columnIUT进入弧柱的的电子本身具 有一定的能量，IUT 能量平衡:Pk=I(Uk-Uw-UT)阴极区产热功率,第10章:金属连接成形的主要工艺,获得的总能量为IUk,66,阳极区 能量分量:i)eunder UAI UA ii)efrom KIUw iii)efrom column IUT热量主要用于对阳极的加热和阳极的热量损失，这部分热量也可以用于加热填充材料或者焊件。,能量平衡:PA=I(UA+Uw+UT),67,67,讨论:UT=(3/2e)KT=1.2910-4T If T=6000K then UT1;For I UA0 Thus:Pk=I(Uk-Uw),PA=IUw 焊丝接负时：焊丝的加热与熔化取决于（Uk-Uw）。很多因素影响阴极电子发射，即影响的Uk大小。焊丝接正时：主要取决于材料逸出功和电流的大小。当电流一定时，由于逸出功为常数，此时，焊丝熔化系数为定值.,第10章:金属连接成形的主要工艺,68,熔化极气体保护焊时，焊丝材料为冷阴极材料，UkUw，则PkPw。所以，同种材料，在相同的电流的作用下，焊丝作为阴极的产热将比焊丝作为阳极时产热多。因为散热条件相近，所以焊丝 接负时比焊丝接正时熔化快。热阴极 Uk2Uw:Pk PA,69,焊接电弧的热效率及能量密度PQ=Pe=IUA其中PQ为电弧的热功率 Pe为电弧的电功率 UA为电弧电压，包括阴极、阳极及 弧柱电压,70,用于加热、熔化填充金属及焊件的电弧热功率称为有效热功率，表示为：PQ=PQ其中为有效功率系数，或称为热效率系数，它受焊接方法、焊接工艺参数及周围条件等因素的影响。,71,焊接方法对热效率的影响焊接参数中电压的影响比较大,72,72,能量和温度分布,能量密度:102104w/cm2 电流密度 cathode:1061010A/m2 anode:106 109A/温度分布:different from those of energy density and current density,Energy and Temperature Distribution,第10章:金属连接成形的主要工艺,73,能量密度：采用特定的焊接方法的时候，单位面积上的有效热功率称为，单位为：W/cm2.同一种方法，在不同的位置上的能量密度也是不同的,74,5.电弧的力学特性电弧的机械能以电弧力的形式表现出来电弧力影响着熔深及熔滴的过渡，而且影响到熔池的搅拌、焊缝成形及金属的飞溅等电弧力主要包括：电磁收缩力、等离子流力、斑点力等,75,(1)电磁收缩力电磁力：电流流经距离不远的两根平行导线时，电流同向相吸，异向相斥。他的大小与流过的电流大小成正比，与两根导线之间的距离成反比。,76,电流流过导体时可以看作很多距离很近的平行同向电流线组成。这些电流线将相互吸引。,77,电磁收缩效应：如果为可变形导体，电磁力将使导体产生收缩。产生电磁收缩效应的力称为电磁收缩力。,78,电弧为气态导体，在电流的作用下，也产生电磁收缩效应。电弧被看作圆锥形气态导体，电极端直径小，焊件端直径大。,力大,力小,79,电磁静压力：电弧轴向推力在电弧横截面上分布不均匀，弧柱轴线处最大，向外逐渐减小，在焊件上表现为对熔池形成的压力结果：碗状熔深焊缝形状。电磁搅拌（细化晶粒，排出气体及熔渣）,80,(2)等离子流力焊接电弧呈圆锥状，使电磁收缩力在电弧各处分布不均匀，具有一定的压力差，形成了轴向推力。在此推力作用下，把靠近电极处的高温气体推向焊件方向流动。高温气体流动时要求从电极上方补充新的气体，形成有一定速度的连续气流进入电弧区。新加入的气体被加热和部分电离后，受轴向推力作用继续冲向焊件，对熔池形成附加的压力。熔池这部分附加压力是由高温气流(等离子气流)的高速运动引起的，所以称为等离子流力，也称为电弧的电磁动压力。,81,电弧中等离子气流具有很高的速度和加速度，可达数百米/秒。电弧中心线上等离子流力最大。电流越大，中心线上的动应力幅值越大，分布区域越小。,82,钨极氩弧焊的钨极锥角较小，电流较大，或者熔化极电弧焊采用喷射过渡工艺时，这种电弧的动压力较为显著。结果：指状熔深。增加电弧挺度，促进过渡，增大熔深，搅拌,83,(3)斑点力电极上形成斑点时，由于斑点受到带电粒子的撞击，或金属蒸汽的反作用而对斑点产生的压力，称为，或斑点压力。阴极斑点力大于阳极斑点力原因：正离子的质量远大于电子的质量 阴极斑点电流密度大，蒸汽反作用力也大.,84,斑点力阻碍熔滴过渡利用阳极斑点压力小的特点，直流焊接时，采用直流反接.利于熔滴过渡，减小飞溅,85,85,二、埋弧焊,埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，由于电弧掩埋在焊剂下燃烧，弧光不外露，因此称为埋弧焊，该方法都为自动焊接方法，因此，该方法又称为焊剂层下自动电弧焊或埋弧自动焊。,第10章:金属连接成形的主要工艺,86,86,Fig.12-6 The submerged arc welding process,第10章:金属连接成形的主要工艺,87,第10章:金属连接成形的主要工艺,88,88,SAW film,第10章:金属连接成形的主要工艺,89,89,1)埋弧焊的特点、应用,1.独特的电弧型式;2.焊接质量优良;3.工作条件好;4.生产效率高;5.多丝更好的调节灵敏性;,第10章:金属连接成形的主要工艺,90,第10章:金属连接成形的主要工艺,91,91,应用领域:适用于大型焊件的制造;用于造船和大型建筑,铁路机车和管道建设;用于碳钢,合金钢,不锈钢,耐热钢,镍基合金,铜合金的焊接;用于堆焊;1.5mm;,第10章:金属连接成形的主要工艺,92,92,第10章:金属连接成形的主要工艺,弱点:仅平焊位置；不适用于铸铁，奥氏体锰钢，高碳工具钢，铝，镁及合金；小电流稳定性差（100A）不适合于焊接薄板；单层焊大电流焊接焊缝金属晶粒粗大，韧性差；机动性差，适应于长焊缝，短焊缝效益差。,93,93,）埋弧焊的焊剂、焊丝及其选配（）焊剂具有良好的保护性能和冶金性能；氧，氮，氢；合金化具有良好的工艺性能稳弧、造渣、成形、脱渣；重复使用分类熔炼、烧结、粘结高锰、高硅、低氟,第10章:金属连接成形的主要工艺,94,94,(2)焊丝实芯，1.6-6mm.碳钢;合金结构钢;有色金属;堆焊(3)焊丝和焊剂与焊接钢种的配合低碳钢 高锰高硅低氟 H08MnA低合金高强钢 中锰中硅低氟or低锰中硅低氟 低合金高强度钢焊丝耐热钢,低温钢 中锰中硅不锈钢 低锰高硅中氟,第10章:金属连接成形的主要工艺,(4)埋弧焊的冶金特点:,95,第10章:金属连接成形的主要工艺,96,96,3）埋弧焊过程调节系统,Automatic(Self-propelled):使用按纽,继电器,电机和机械系统.To achieve:i)起弧arc starting,ii)送丝wire feeding,iii)焊接小车的移动tractor moving,iv)自动焊接welding and v)自动断弧arc off(extinguishing)automatically,第10章:金属连接成形的主要工艺,97,97,Why automatic control in arc welding?,外界干扰(i)外特性的变化（网压波动）(ii)静特性的变化（弧长波动）【焊件不平、装配不良、定位焊点、送丝速度不均匀】弧长变化扰动影响最大使工作点波动造成焊接电流和电压点波动,第10章:金属连接成形的主要工艺,98,98,熔化焊弧长自动控制系统分二类：1）实时调节焊接电源的输出电流，改变焊丝熔化速度，控制弧长；利用电弧自身负反馈特性2）调整焊丝送进速度，适应焊丝熔化速度而保持弧长；弧压反馈调节送丝速度,第10章:金属连接成形的主要工艺,99,99,(1)等速送丝埋弧焊自身调节系统(Constant wire-feeding consumable arc welding)原理:电弧自身内反馈 if:Lc Ua,Ia Vm Lc(back),等速送丝自身调节系统静特性:Vf=Vm(arc is stable)Vm=KiIakuUa Ia=Vf/Ki+（Ku/Ki）Ua（）,第10章:金属连接成形的主要工艺,100,100,等熔特性曲线(“C”)Fig.12-7a,等熔特性:1)Vf=Vm on the line 2)dw,lcKi,Ku:Ia=Vf/Ki(等电流曲线 图中1)Ia is proportional to Vf,3)Vf“C”right I Le“C”left I dw“C”right I,第10章:金属连接成形的主要工艺,101,101,调节分析:,In working point O0,Vf=VmO arc is stable O0 O1In point O1,Ia1Ia0;Ua1Vm0 For Vf=constantby self-adjusting effect,L1 L0,O1 O0(return),第10章:金属连接成形的主要工艺,102,102,Ia、Ua 的调节方法:“C”(Vf)Ia电源外特性 Ua,第10章:金属连接成形的主要工艺,103,103,调节原理:Vf=f(Ua),laUaVfLaUa(back)调节特性:Vf=k(Ua-Uc),(2)电弧电压反馈调节系统,第10章:金属连接成形的主要工艺,104,104,a straight line“A”,系统静特性:i)Vf=Vm on the lineii)Uc“A”,Uc“A”iii)dw,Le tg,第10章:金属连接成形的主要工艺,105,105,调节过程 Fig12-10bif l0 l1UaVf l feedback controlii)U,IVm1Vm0l self-adjusting,第10章:金属连接成形的主要工艺,106,106,调节器 i)发电机-电动机系统,第10章:金属连接成形的主要工艺,107,ii)晶体管整流-电动机系统 由电工原理:Vf=K(UaUg)调节器的输入、输出静态特性方程,第10章:金属连接成形的主要工艺,108,108,Ia,Ua 调节方法:“A”Ua“电源外特性”IaThe system is not suitable for thinner wire,第10章:金属连接成形的主要工艺,4）埋弧焊工艺及技术1.焊接参数的影响,109,110,111,112,113,114,115,116,2.对接接头的埋弧焊技术,117,118,3.形接头和搭接接头的埋弧焊技术,4.双丝，多丝埋弧焊,119,120,121,121,第10章:金属连接成形的主要工艺,122,122,第10章:金属连接成形的主要工艺,123,123,三、熔化极气体保护焊（GMAW）,1)MIG(Metal Inert Gas)惰性气体保护 2)MAG(Metal Active Gas)活性气体保护 重点:1)熔滴过渡 2)混合气体电弧焊 3)CO2气体保护焊,第10章:金属连接成形的主要工艺,124,124,3.1 原理:1)气体保护 2)熔化电极 3)自动送丝/电弧移动 4)特殊送丝和气体送给系统,Fig.12-17,第10章:金属连接成形的主要工艺,125,125,3.1.2 种类和应用:1)种类 1)焊丝:实芯和药芯 2)保护气体:CO2,混合气体MAG,和惰性气体 MIG 2)应用范围 适应各种金属材料 适应各种接头形式 适应任何位置,第10章:金属连接成形的主要工艺,126,126,3.1.3 气体选择1)单一保护气体 1)惰性气体:Argon,helium 2)活性气体:CO22)混合保护气体1)Ar+少量活性气体:i)Ar+O2(12%)or ii)Ar+CO2(15%)特点:,第10章:金属连接成形的主要工艺,127,127,改善电弧稳定性(stable kathode spots)F防止咬边和焊缝成型不良;防止缺陷 用于黑色金属焊接2)Ar+He 用于活性金属,如:Al,Ti,Mg及其合金3)Ar+CO2(15%)+O2(5%)提高生产率且改善焊缝外型,第10章:金属连接成形的主要工艺,128,128,GMAW设备1)电源2)送丝系统3)焊枪4)程序控制系统5)程序周期(Fig.4-7),第10章:金属连接成形的主要工艺,129,129,3.2 MIG 和 MAG 焊熔化极惰性气体保护电弧焊性能:电弧很稳定;金属过渡方向性强;基本无飞溅;(1)射流过渡(streaming)MIG 焊 Condition:Ar or Argon-rich;IIC1;higher Ua with DCRP.,第10章:金属连接成形的主要工艺,130,130,过程:,Current VS drop transfer,Fig.12-20,Fig.12-21,第10章:金属连接成形的主要工艺,I,131,131,(2)亚射流过渡(Meso-spray)MIG 焊亚射流过渡是指大电流MIG焊铝合金时，当电弧电压较低时，电弧呈半潜状态，可出现熔滴尺寸大约等于焊丝直径的射滴过渡，同时伴随着瞬时短路，熔滴过渡频率达100200个/s，这种过渡称为亚射流过渡。电弧型式：蝶形,第10章:金属连接成形的主要工艺,132,132,3.3 CO2 气体保护焊特点和应用:1)基本特点i)电弧型式:E，lc，弧根面积(Fm/Fs)，斑点压力，飞溅较大；（吸热反应，对电弧有热压缩作用）ii)保护效果好；气体体积 iii)电流密度高(j)，m 熔深，生产率；iv)焊缝质量好(低 H2 焊缝)，成本低，明弧；v)全位置焊接.,第10章:金属连接成形的主要工艺,133,133,2)应用 i)材料:低碳钢,低合金高强钢等黑色金属,不锈钢有增碳现象；ii)方法:自动与半自动 堆焊 点焊 窄间隙焊接,第10章:金属连接成形的主要工艺,134,134,iii)冶金过程1)合金元素的氧化 CO2 CO+O2 O2 2O CO2+Fe FeO+CO 2CO2+Si SiO2+2CO CO2+Mn MnO+CO Fe+O FeO Si+2O SiO2 Mn+O MnO C+O CO,第10章:金属连接成形的主要工艺,135,135,2)脱氧和合金化2FeO+Si 2Fe+SiO2FeO+Mn Fe+MnOH2+CO2 CO+H2OH+CO2 CO+OHH+O OH,第10章:金属连接成形的主要工艺,136,136,过渡过程:dw(1.6mm:0.8,1.0,1.2mm)Ia(80160A)Ua(short arc,18 24V),(1)短路过渡(Short-circuiting transfer process),Fig.12-24,第10章:金属连接成形的主要工艺,137,137,i)频率特征(f)Ld=Vf/f,If VfC,fLd Vd arc stable,Fig.12-25 Voltage Vs.f,第10章:金属连接成形的主要工艺,影响短路过渡频率的因素：,138,138,Fig.12-27,Fig.12-26,第10章:金属连接成形的主要工艺,)动态特征,139,139,焊接参数选择1)dw Ia UaL2)DCRPspatterpenetration and arc stable 3)di/dt=(U0-iR)/L(matches dw)4)12.5+0.04IU15.5+0.04I 影响过渡形式,第10章:金属连接成形的主要工艺,140,140,（2）细颗粒过渡CO2焊Process conditions I（400600）,U（3535）,dw(1.63.0mm),第10章:金属连接成形的主要工艺,141,141,3.4 熔化极混合气体保护焊 Ar+少量活性气体:i)Ar+O2 or ii)Ar+CO2 iii）Ar+CO2+O2,特性:（P225，Fig.12-29）,改善电弧稳定性(stable kathode spots)F防止咬边改善焊缝成形;防止缺陷 用于焊接黑色金属,第10章:金属连接成形的主要工艺,142,142,四、非熔化极气体保护焊(Gas Tungsten Arc Welding),原理和应用:,What is GTAW:惰性气体 W 电极(Tungsten/Wolfram)非熔化极电弧焊,Fig.12-30,第10章:金属连接成形的主要工艺,143,143,特点:,电弧特性:1)氩气电离电位高，引弧困难；采用高频或短路提升引弧 2)氩气热导率低，比热容小，能很好保持弧柱温度，电弧长度稳定，电弧引燃后，有良好的稳定性；,工艺特性:保护效果好(inert gas)热影响区小(HAZ)飞溅小 工艺过程稳定 焊缝成形美观,第10章:金属连接成形的主要工艺,144,144,应用:,几乎所有工业用材料:Al、Ti 及其合金 不锈钢等.方法:手工和自动TIG,脉冲电流TIG,热丝 TIG,TIG 点焊等.,第10章:金属连接成形的主要工艺,145,145,焊枪,功能:1)传输能量2)供应保护气体3)电弧移动,第10章:金属连接成形的主要工艺,146,146,电极(Tungsten),功能:1)电弧的一极传输能量2)发射电子,材料:1)WTh（thorium）Uw 电子发射，辐射 2)WCe（cerium）Uw 电子发射 并低辐射,第10章:金属连接成形的主要工艺,147,147,1)直流反接D.C.R.P.electrode(+)有工件清理效应;