焊接基本知識

1、第二篇機器人焊接技術(shù)篇第一章焊接根本知識1.1 焊接電弧1.1.1 電弧的產(chǎn)生焊接時,將焊絲端部與焊件接觸后很快拉開,在焊絲端部與焊件之間立即就會產(chǎn)生明亮的電弧,這種電弧與一般電火花在本質(zhì)上是相同的,是一種氣體放電現(xiàn)象,而且是一種自持放電過程.借助這種特殊的氣體放電過程,電能轉(zhuǎn)換為熱能、機械能和光能.焊接時主要是利用其熱能和機械能來到達連接金屬的目的.電弧中的帶電粒子主要是依靠電弧中的氣體介質(zhì)的電離和電極的電子發(fā)射兩個物理過程而產(chǎn)生的.1.1.1.1 電離在一定的條件下中性氣體分子或原子別離成正離子和電子的現(xiàn)象稱為電離.使中性粒子失去第一個電子所需要的最低外加能量稱為第一電離能,通常以電子伏特

2、eV為單位.假設(shè)以伏特表示那么為電離電位.不同的氣體或元素,由于原子的構(gòu)造不同,其電離電位也不同,表1.1為常用元素的電離電位.表1.1常用元素的電離電位70ft電離電壓V70ft電離電壓VH13-5W8-0He24-5H215-4Li5-4C212C11-3N2155N14-5O212-2O13-5Cl213F17-4CO14-1Na51NO95ArOH15713,8KH2OCa4-3CO212-6Ni6,1NO213-7Cr76Al11596Mo7-7MgCs7-4Ti7-61Fe3-9Cu6-81687-8在焊接時使氣體介質(zhì)電離的方式主要有三種：熱電離、碰撞電離和光電離.熱電離：在高溫時

3、氣體的分子或原子的運動速度很快,它們中間的電子也以高速度運動.由于焊接電弧具有很高的溫度弧柱的溫度一般在5000K-30000K的范圍,這時電子的高速運動所產(chǎn)生的離心力大于原子核對它的吸引力,電子就脫離原子,而使原子變成陽離子和電子.溫度越高,熱電離作用就越大.碰撞電離：帶電質(zhì)點受電場的作用而加速運動,使它具有很大的動能,當與中性的氣體分子或原子碰撞時,將一局部能量傳給氣體分子或原子中的電子,促使其內(nèi)能發(fā)生變化,從而使電子脫離原子核的吸引而成為自由電子,原子便成為陽離子.當電弧長度不變,兩極間的電壓越高,帶電質(zhì)點的運動速度就越大,產(chǎn)生碰撞電離的作用就越強.光電離：中性粒子接受光輻射的作用而產(chǎn)生

4、的電離現(xiàn)象稱為光電離.光電離是電弧中產(chǎn)生帶電粒子的一個次要途徑.1.1.1.2 電子發(fā)射電弧中擔負導(dǎo)電任務(wù)的帶電粒子除了依靠上述電離過程產(chǎn)生外,還需要從電極外表發(fā)射出來.只有從陰極外表發(fā)射的電子在電場作用下才可能參與導(dǎo)電過程.使一個電子由金屬表面飛出所需要的最低外加能量稱為逸出功,單位是電子伏特eV,由于e是一常數(shù),所以常用V來表示.幾種金屬的逸出功列于表1.2.由表2可見,所有金屬當外表存在氧化物時其逸出功皆減小.表1.2幾種金屬的逸出功金屬種類WFeAlCuKCaMg逸出功eV純金屬4.544.484.254.362.022.123.78有氧化物3.923.93.850.461.83.31

5、焊接時,根據(jù)陰極所吸收能量的性質(zhì)不同,電子發(fā)射的方式可分為熱電子發(fā)射、場致電子發(fā)射和碰撞電子發(fā)射.熱電子發(fā)射：焊接時,陰極外表溫度很高,陰極中的電子運動速度很快,當電子的動能大于電極內(nèi)部正電荷的吸引時,電子就會沖出陰極外表,而產(chǎn)生熱電子發(fā)射作用.溫度越高,熱電子發(fā)射作用越強烈.場致電子發(fā)射：在強電場的作用下,由于電場對陰極外表電子的吸引力,電子可以獲得足夠的動能,從陰極外表發(fā)射出來.這種發(fā)射電子的情況除了決定于電極外還決定于電場強度.碰撞電子發(fā)射：當運動速度較高,能量較大的陽離子撞擊陰極外表時,將能量傳給陰極而產(chǎn)生電子發(fā)射.電場強度越大,陽離子的運動速度也越大,那么產(chǎn)生的碰撞電子發(fā)射作用就越強

6、.1.1.2 電弧的構(gòu)造和溫度焊接電弧可以劃分為三個區(qū)域：陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)圖1.1.陰極區(qū)和陽極區(qū)在電弧長度方向的尺寸皆很小,約為10-4-10-6厘米.在陰極區(qū)的陰極外表有一個明亮局部稱為陰極斑點.在陽極區(qū)的陽極外表也有一個明亮局部稱為陽極斑點.圖1.1焊接電弧的構(gòu)造陰極區(qū)：為了維持電弧的穩(wěn)定燃燒,陰極區(qū)的任務(wù)是向弧柱區(qū)提供所需的電子流Ie=0.999I,I為總電流,接受弧柱區(qū)送來的正離子流Ii=0.001I.從陰極發(fā)射出來的電子受到陽極的吸引,很快離開陰極向陽極移動.但陽離子的質(zhì)量比電子大,運動速度較小,所以在陰極外表每一瞬間陽離子的濃度都比電子大得多,這樣就使得陰極外表附近所有陽離

7、子的總數(shù)大大超過所有電子的總數(shù),因而造成陰極外表附近空間電荷呈正電性.這樣從陰極表面到陽離子密集的地方就形成較大的電位差,這局部電位差稱為陰極壓降UK.雖然陽離子飛向陰極時,對陰極的撞擊和陽離子與電子結(jié)合成中性粒子都要放出熱量,這些熱量傳給陰極,使陰極溫度升高.但由于陰極發(fā)射電子要消耗一些能量,以及陰極金屬材料的熔化、蒸發(fā)要吸收很多熱量,所以陰極的溫度一般都低于陰極金屬材料的沸點.陽極區(qū)：陽極區(qū)的導(dǎo)電機構(gòu)要比陰極區(qū)簡單得多,為了維持電弧的導(dǎo)電,陽極區(qū)的任務(wù)是接受由弧柱流過來的0.999I的電子流和向弧柱提供的0.001I的正離子流.由于陽極不發(fā)射正離子,弧柱所要求的正離子流不能從陽極得到補充,

8、陽極前面的電子數(shù)必將大于正離子數(shù),形成負的空間電場,使陽極與弧柱之間連接著一個負電性區(qū),這就是所謂的陽極區(qū).陽極區(qū)兩端的電壓降稱為陽極壓降UA.由于每一個電子到達陽極時都向陽極釋放相當于逸出功的能量,從而使陽極區(qū)的溫度比陰極區(qū)的溫度要高,如表1.3所示.表1.3陽極區(qū)和陰極區(qū)的溫度及電壓降電極材料材料沸點C陰極區(qū)陽極區(qū)溫度K電壓降V溫度K電壓降VFe28802400812260024Cu25952200121324501011W600036404250陰極斑點：當陰極材料Fe、Al、Cu等的熔點和沸點較低而導(dǎo)熱性能很強時,即使陰極溫度到達材料的沸點開始蒸發(fā),此溫度也缺乏以使陰極通過熱發(fā)射產(chǎn)生充

9、分的電子來維持電弧的穩(wěn)定燃燒,陰極將縮小其導(dǎo)電面積,甚至在陰極導(dǎo)電面積前面形成密度很大的正離子空間電荷,所形成很大的陰極壓降值,足以產(chǎn)生較強的電場發(fā)射,以補充熱發(fā)射的缺乏維持電弧的燃燒.此時陰極將形成面積更小,電流密度更大的斑點來導(dǎo)通電流,這種導(dǎo)電斑點稱為陰極斑點.當用高熔點材料C,W作陰極時,只有在電流較小,陰極溫度較低的情況下才可能產(chǎn)生這種陰極斑點.當用低熔點材料作陰極時,那么大多屬于這種情況.采用這些材料作陰極時,陰極外表將產(chǎn)生許多別離的陰極斑點組成的陰極斑點區(qū).這些別離的斑點在陰極斑點區(qū)內(nèi)以很高的速度跳動,自動選擇最有利于局部電場發(fā)射和局部熱發(fā)射的點,電弧通過這些點消耗最低的能量.由于

10、陰極斑點處電流密度很高,受到大量正離子的撞擊,斑點上將積聚大量熱能,溫度很高,甚至到達材料的沸點,從陰極斑點產(chǎn)生大量金屬蒸汽,以一定速度射出.這種金屬蒸氣流的反作用力對斑點形成一定的壓力,稱為斑點壓力.在直流正接的熔化極焊接時,焊絲為陰極,陰極斑點壓力對熔滴的過度將起阻礙作用.由于陰極斑點的形成有上述條件的要求,所以陰極外表上的熱發(fā)射性能強的物質(zhì)有吸引電弧的作用,陰極斑點有自動跳向溫度高,熱發(fā)射強的物質(zhì)上的性能,如果金屬外表有低逸出功的氧化膜存在時,陰極斑點有自動尋找氧化膜的傾向,鋁合金焊接時的去除氧化膜的作用就是陰極斑點的這種作用所決定的.陽極斑點：當采用低熔點的材料作陽極時Fe、Al、Cu

11、等,一旦陽極外表某處有熔化和蒸發(fā)產(chǎn)生,由于金屬蒸氣的電離能大大低于一般氣體的電離能,在金屬蒸氣大量存在的地方更容易產(chǎn)生熱電離而提供弧柱所需要的正離子流,因此電流更容易從這里進入陽極,陽極上的導(dǎo)電區(qū)將在這里集中而形成陽極斑點.由于陰極斑點往往伴隨著金屬蒸氣的蒸發(fā),其反作用力對陽極將表現(xiàn)為壓力,因此一旦形成陽極斑點也就產(chǎn)生陽極斑點壓力.由于條件的不同,陽極斑點的電流密度比陰極斑點要小.所以通常陽極斑點壓力要比陰極斑點壓力小.熔化極焊接焊絲接陽極時,那么阻止熔滴過渡的作用力較小,而當焊絲接陰極時那么阻止熔滴過渡的作用力較大,這也是熔化極氣體保護焊多采用反接的主要原因之一.由于大多數(shù)金屬氧化物的熔點和

12、沸點皆高于純金屬,因此當金屬外表覆蓋氧化膜時,陽極斑點有自動尋找純金屬避開氧化膜的傾向與陽極斑點的情況相反,鋁合金焊接時,當工件為陽極時沒有去除氧化膜的作用與陽極斑點的這種特點有密切的關(guān)系.1.1.3 電弧的靜特性電弧燃燒時,兩個電極之間的總電壓與電流之間存在一定的關(guān)系,表示電弧穩(wěn)態(tài)電壓與穩(wěn)態(tài)電流之間關(guān)系的曲線稱為電弧靜特性,表示處于變化狀態(tài)的電流與電壓之間關(guān)系的曲線稱為電弧動特性.圖1.2焊接電弧的靜特性曲線電弧靜特性曲線呈U形,分如圖1.2所示的三個不同的區(qū)域.當電流較小時A區(qū),電弧靜特性是屬負特性,即隨著電流的增加而電壓減小.當電流稍大時B區(qū),電弧電壓幾乎不變,在此區(qū)間的電弧特性為平特性

13、.鴇極僦弧焊時,一般在小電流區(qū)域為負特性而在大電流區(qū)域為平特性.當電流進一步增大時C區(qū),電壓隨電流的增加而升高,電弧靜特性屬上升特性.細焊絲的熔化極氣體保護焊時,一般電流密度皆較大,其電弧靜特性皆為上升特性.影響電弧靜特性的因素主要有：電弧長度、周圍氣體種類及氣體介質(zhì)的壓力.當電流一定時,電弧長度增加,電弧電壓將隨著升高,電弧靜特性的位置將提升.氣體種類對電弧靜特性的影響主要有兩方面的原因：一是氣體的電離能不同；二是氣體的熱物理性能不同.其中第二個原因往往是主要的.氣體的導(dǎo)熱系數(shù),氣體的解離及解離能等對電弧電壓都有決定性的影響.導(dǎo)熱系數(shù)大和氣體解離時要吸收大量熱量,都會增強對電弧的冷卻作用,熱

14、損失增加,要求較大的IE與之平衡,當I為定值時,E必然要增加,從而使電弧電壓升高.其他參數(shù)不變時,氣體壓力的增加意味著氣體粒子密度的增加,氣體粒子通過散亂運動從電弧帶走的總熱量將增加,電弧電壓將升高.1.2 熔滴過渡及焊縫成形1.2.1 焊絲的熔化在熔化極電弧焊中,焊絲的穩(wěn)定熔化并過渡到焊接熔池是影響電弧焊生產(chǎn)率和焊縫質(zhì)量的一個重要因素.焊絲的熔化主要靠陰極區(qū)正接或陽極區(qū)反接所產(chǎn)生的熱,而弧柱的幅射熱居次要地位.除了焊絲端頭處產(chǎn)熱外,從焊絲與導(dǎo)電嘴的接觸點到電弧端頭的一段焊絲上焊絲的干伸長Ls有焊接電流流過,也將產(chǎn)生電阻熱,這也是焊絲熔化的一局部熱源.陰極區(qū)與陽極區(qū)的產(chǎn)熱情況是不同的,可分別用

15、下式表示：Pa=IUa+Uw+UtPk=IUk-Uw-Ut其中Ua陽極壓降Uw逸出功Ut弧柱溫度的等效電壓Uk一陰極壓降很明顯,焊絲端部的產(chǎn)熱都與焊接電流成正比,它的比例常數(shù)等于式中括弧內(nèi)的數(shù)值,稱為焊絲熔化的等效電壓,用Uw表示,焊絲熔化的等效電壓主要與極性、電極材料和保護介質(zhì)等有關(guān).焊絲干伸長局部產(chǎn)生的電阻熱為：式中RsLs段電阻值»焊絲的電阻率L$一焊絲干伸長S一焊絲橫斷面積電阻熱與材料種類有關(guān).對于導(dǎo)電良好的鋁和銅等金屬,Pr與R或Pa相比是很小了,可忽略不計,而對鋼和鈦等電阻率較大的材料,特別是在細絲大電流時,干伸長越大,Pr對焊絲焊化速率的影響越大,因此對于加熱和熔化焊總

16、熱量P主要由兩局部組成,即P=I(U+IRS).1.2.2 熔滴過渡形式及其作用力在熔化極電弧焊中,焊絲端頭形成的熔滴,它受到各種力的作用.由于作用力的大小和方向不斷變化,而引起焊絲端頭上的熔滴形狀和位置也不斷變化,從而以不同的形式脫離焊絲飛向熔池.1.2.2.1 熔滴上的作用力在焊絲端部的金屬熔滴受以下幾個力的作用：外表張力、重力、電磁收縮力、斑點壓力、等離子流力和其它力.(1)外表張力：液態(tài)金屬和其它液體一樣,具有外表張力,焊絲熔化后,液態(tài)金屬并不馬上掉下來,而是在外表張力的作用下形成球狀熔滴懸掛在焊條未端.隨著焊絲的不斷熔化,熔滴體積不斷增大,直到作用在熔滴上的作用力超過熔滴與焊絲界面間

17、的張力時,熔滴才脫離焊絲進入熔池.外表張力越大,焊絲未端的熔滴越大.外表張力與焊絲直徑、液態(tài)金屬和保護氣體的成分以及溫度等有關(guān).焊絲直徑大,外表張力也大；液態(tài)金屬溫度越高,其外表張力越小；在焊絲內(nèi)參加一定的活性物質(zhì),或在保護氣體中參加氧化性氣體(.2、CO2),可以顯著降低液體金屬的外表張力,形成細顆粒熔滴向熔池過渡.(2)重力：任何物體在重力作用下都有下垂的傾向,所以在平焊時,重力促進了熔滴的過渡,但在立焊和仰焊時重力將對熔滴的過渡起阻礙作用.當焊絲直徑較大而焊接電流較小時,在平焊位置的情況下,使熔滴脫離的力主要是重力.(3)電磁力：在焊接時,焊絲上通過較大的電流,由于大電流可以看成是許多同

18、向平行的小電流.根據(jù)電磁學(xué)中平行電流磁場的作用原理可知,同向平行電流是彼此吸引的,即對通電導(dǎo)體有一徑向收縮力(即磁縮力),這種電磁收縮力促使熔滴很快形成并脫離焊絲端部向熔池過渡.當采用大電流焊接時,重力與電磁收縮力相比數(shù)值很小,電磁收縮力將是影響熔滴脫落的主要作用力.在熔化極焊接的情況下,由于存在電極斑點,使電流流過熔滴時,導(dǎo)體的截面發(fā)生變化,將產(chǎn)生電磁的軸向分力,其方向總是從小截面指向大截面,如圖1.3所示.如果斑點尺寸小于焊絲直徑,那么軸向分力阻礙熔滴過渡,斑點尺寸大于焊絲直徑那么促使熔滴過渡.圖1.3電磁力及其作用方向(4)等離子流力：電弧焊時,電弧直徑從焊條到工件是逐漸增大的,這時在電

19、弧中產(chǎn)生軸向推力,由于該力的作用,將建立起從焊絲向工件方向的氣流即等離子流.當電流較大時,高速離子流對焊絲端頭口的熔滴和已脫離焊絲處在電弧空間的熔滴,丁生很大的作用力,使之沿焊絲軸線運動,促進熔滴的過渡.(5)斑點力：主要由以下兩方面組成,一是由于熔滴金屬在斑點處產(chǎn)生大量金屬蒸氣,在垂直于斑點外表的方向上出現(xiàn)較大的蒸氣反作用力,其大小隨斑點處電流密度的增加而增大,該力將阻礙熔滴金屬過渡.陰極斑點的電流密度大于陽極斑點的電流密度,所以焊絲為陰極時將受到更大的阻力.另一方面帶電質(zhì)點對斑點外表有撞擊力,陽極接受電子的撞擊陰極接受正離子的撞擊.由于正離子的質(zhì)量大于電子,同時一般情況下,陰極壓降大于陽極

20、壓降,因此這種斑點力在陰極上表現(xiàn)較大,在陽極上表現(xiàn)較小.1.2.2.2 熔滴過渡的主要形式對于熔化極氣體保護焊焊絲端頭口熔滴由于受上述各種作用力的綜合作用,而表現(xiàn)出不同的過渡形式,大致可分為三種.即粗滴過渡、短路過渡、噴射過渡；而在顆粒狀過渡中又可為滴狀過渡和上撓過渡.1 .粗滴過渡如圖1.4所示,熔滴呈粗大顆粒狀向熔池自由過渡的形式.圖1.4粗滴過渡2 .短路過渡如圖1.5所示,焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸,由于強烈過熱和磁收縮的作用使其爆斷直接向熔池過渡的形式.圖1.5短路過渡3 .噴射過渡如圖1.6所示,熔滴呈細小顆粒并以噴射狀態(tài)快速通過電弧空間向熔池過渡的形式.圖1.6噴射過渡熔滴過渡

21、現(xiàn)象十分復(fù)雜,焊接電流、電壓極性、保護氣體種類、焊絲成分等都影響熔滴的過渡形式,將在下面的具體焊接方法中分別介紹.4 .23焊接熔池電弧焊過程中,在電弧熱作用下,被焊金屬材料母材接縫處發(fā)生局部熔化,這部分熔化的液態(tài)金屬不斷地與從焊絲過渡來的熔滴金屬相混合,形成焊接熔池.在不填金屬的非熔化極電弧焊時,熔池完全由母材熔化的液態(tài)金屬組成.在電弧移動的連續(xù)焊接時,熔池將隨著電弧移動,同時熔池液態(tài)金屬還在電弧力的作用下向電弧移動的前方排開.5 .2.4熔池金屬的受力和流動狀態(tài)焊接熔池在接受電弧熱作用的同時,還受到各種機械力的作用,其中有各種形式的電弧力,還有熔池金屬自身的重力和外表張力等,使熔池中的液態(tài)

22、金屬處于不斷的運動狀態(tài).熔池金屬主要受以下幾種作用力：1 .電弧力(1)電磁靜壓力由于焊接電弧呈圓錐狀而形成的電磁靜壓力始終指向熔池,使電弧正下方的液態(tài)金屬發(fā)生流動,并向四周排開.(2)電磁收縮力當電流從電極斑點流向熔池時,電流密度變小,這種電流密度的變化就造成了電磁收縮力和流體中壓力差,使電極斑點區(qū)熔池金屬壓力大于其它局部,結(jié)果引起熔池中液體金屬沿著電流方向向下運動.這不僅加劇了熔池中凹坑的形成,而且還會形成熔池金屬旋渦狀流動.(3)等離子流力由高溫等離子體高速流動而形成的動態(tài)電磁壓力也使熔池金屬流動,并且在電弧中央的正下方加劇凹坑的形成和深度.(4)熔滴的沖擊力在射流過渡中,熔滴的運動速度

23、較快,具有較大的動能,熔滴對熔池的沖擊力是非常大的.以上各種電弧力的大小都隨著電流濃密的增大而增大.電弧焊時的氣體吹力和帶電粒子的撞擊力對于熔池金屬也具有一定的作用.2 .液體金屬的重力其大小正比于熔池的體積,亦即正比于焊接線能量.在平焊位置時,對焊縫成形有利,除平焊位置外,在其它各種空間位置的焊接,液體金屬的重力往往是破壞熔池穩(wěn)定性的主要因素,對焊縫成形不利.3 .液體金屬的外表張力其大小與液體金屬的成分和溫度有關(guān).純金屬或合金的外表張力較大,金屬氧化物的表面張力較??；液體金屬的溫度越高,其外表張力越小.外表張力阻止熔池液態(tài)金屬在電弧力作用下的流動,即影響熔池的外表形狀,也影響熔池金屬在坡口

24、中的堆敷情況.另一方面由于熔池各局部成分及溫度不同而造成外表張力不同,從而可能導(dǎo)致熔池內(nèi)形成渦流,將影響熔池的深度和寬度.圖1.7為平焊位置的熔池形狀和熔池液態(tài)金屬流動情況的示意圖.圖1.7熔池形狀和熔池液態(tài)金屬流動情況的示意圖6 .2.5焊縫的幾何參數(shù)及術(shù)語7 .焊趾：焊縫外表與母材的交界處,見圖1.8.圖1.88 .焊腳：角焊縫的橫截面中,從一個焊件上的焊趾到另一個焊件外表的最小距離,見圖1.9。3 .焊縫凸度：凸形角焊縫橫截面中,焊趾連線與焊縫外表之間的最大距離,見圖1.9.4 .焊縫凹度：凹形角焊縫橫截面中,焊趾連線與焊縫外表之間的最大距離,見圖1.9.5 .焊腳尺寸：在角焊縫橫截面中

25、畫出的最大等腰直角三角形中直角邊的長度,見圖1.9.6 .熔深：在焊接接頭的橫截面上,母材熔化的深度.它不但標志電弧穿透水平的大小,而且影響到焊縫的承載水平,見圖1.10.7 .焊縫寬度：單道焊縫橫截面中,兩焊趾之間的距離,見圖1.8.8 .焊縫厚度：在焊縫橫截面中,從焊縫正面到焊縫反面的距離,見圖1.9.圖1.9圖1.109 .余高：超出外表焊趾連線上面的那局部焊縫金屬的高度,見圖1.11.余高可防止熔池金屬凝固收縮時形成缺陷,也可增大焊縫截面承受靜載荷水平.但余高過大將引起應(yīng)力集中或疲勞壽命的下降,因此應(yīng)限制余高的尺寸.通常對接接頭的余高小于3mm或余高系數(shù)焊縫寬度/余高大于48.當工件的

26、疲勞壽命是主要問題時,焊后應(yīng)將余高去除.理想的角焊縫外表最好是凹形的,可在焊后除去余高,磨成凹形.圖1.1110 .焊根：焊縫反面與母材的交界處,見圖1.12.圖1.1211 .焊縫成形系數(shù)：焊縫寬度與焊縫計算厚度的比值,見圖1.13.其大小會影響熔池中氣體逸出的難易、熔池的結(jié)晶方向、焊縫中成分偏析程度等,從而影響到焊縫產(chǎn)生氣孔和裂紋的敏感性.圖1.131.3焊接應(yīng)力和變形1.3.1 焊接剩余應(yīng)力剩余變形的產(chǎn)生焊接剩余應(yīng)力和剩余變形主要是由于焊接過程中局部加熱和冷卻,高溫區(qū)域的金屬熱脹膨冷縮受到阻礙所形成的.例如,在鋼板邊緣堆焊時,焊件變形情況如圖1.14所示.焊接開始時,A區(qū)受熱膨脹,但因受

27、到B區(qū)冷金屬的阻礙,不能自由伸長,這時板向上加熱側(cè)彎曲如圖-B,A區(qū)受到壓應(yīng)力,B區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力.焊接繼續(xù)進行,板的彎曲如圖C所示.當A區(qū)的壓應(yīng)力大于材料的屈服極限時,A區(qū)就產(chǎn)生塑性變形.冷卻時,塑性變形保存下來,即形成剩余變形,板向下彎曲如圖D,這時A區(qū)受拉應(yīng)力,B區(qū)受壓應(yīng)力.最后整條鋼板發(fā)生如圖的向下彎曲,A區(qū)受拉伸剩余應(yīng)力,B區(qū)受壓縮剩余應(yīng)力.圖1.14板邊緣堆焊時變形過程1.3.2 焊接剩余應(yīng)力和剩余變形之間的關(guān)系彈性模量、屈服極限、溫焊接剩余應(yīng)力、剩余變形的分布及大小與材料的線膨脹系數(shù)、度場和焊件的幾何形狀有關(guān).任何構(gòu)件焊接后,總是同時存在剩余應(yīng)力和剩余變形.當焊件剛性較大,或受力拘束

28、時焊后的剩余應(yīng)力較大；當焊件能夠自由伸縮時,焊后的剩余應(yīng)力較小.焊接剩余應(yīng)力只能使焊件縮短,它的大小與焊接過程中高溫區(qū)金屬產(chǎn)生的壓應(yīng)力大小有關(guān),壓應(yīng)力越大,形成壓縮變形越大,剩余變形也越大.1.3.3 焊接剩余應(yīng)力的組成在具體的焊接結(jié)構(gòu)中,焊接剩余應(yīng)力往往由溫差應(yīng)力、相變應(yīng)力、冷縮應(yīng)力和拘束應(yīng)力等組成,各種應(yīng)力產(chǎn)生的原因如下：1 .溫差應(yīng)力：由于焊接是一個局部的快速加熱和冷卻過程,因而焊件各點在同一時間內(nèi)有不同的溫度.溫度不同的金屬由于不能自由膨脹,就會產(chǎn)生應(yīng)力.2 .相變應(yīng)力：焊接過程中,加熱到Ac1以上的金屬,冷卻時發(fā)生相變,伴隨著體積改變.600c以上,即在塑性狀態(tài)下發(fā)生相變的鋼如低碳鋼

29、管,相變不致引起應(yīng)力的產(chǎn)生.隨著鋼內(nèi)合金含量的增加,奧氏體相變溫度下降,當在彈性狀態(tài)溫度下發(fā)生相變時,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,伴隨著體積改變就會產(chǎn)生應(yīng)力.3 .冷縮應(yīng)力：焊縫金屬冷卻時產(chǎn)生局部收縮,由于受到鄰近金屬的限制,即產(chǎn)生拉應(yīng)力,其大小與鋼的線膨脹系數(shù)、焊件厚度、焊接方法等因素有關(guān).4 .拘束應(yīng)力：焊件被外界條件固定后,由于焊接過程中的變形受到限制而產(chǎn)生的應(yīng)力.1 .3.4焊接剩余應(yīng)力對構(gòu)件的影響2 .對靜載強度的影響當材料處于塑性狀態(tài)時,可進行塑性變形,內(nèi)應(yīng)力的存在不影響構(gòu)件的承載水平.當材料處于脆性狀態(tài)時,由于材料不能進行塑性變形,當局部應(yīng)力到達材料的強度極限時,發(fā)生局部破壞,最后將導(dǎo)致

30、整個構(gòu)件斷裂.在焊接過程中,不可防止地產(chǎn)生焊接缺陷如焊接裂紋、未焊透等,當構(gòu)件的使用溫度在材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度以下時,剩余應(yīng)力將加速構(gòu)件的脆性斷裂.3 .剩余應(yīng)力對疲勞強度的影響在焊接過程中,不可防止地產(chǎn)生應(yīng)力集中,對接頭強度產(chǎn)生不利的影響.焊接剩余拉應(yīng)力降低接頭的疲勞強度.壓應(yīng)力提升接頭的疲勞強度.4 .剩余應(yīng)力對機加工精度的影響機械切削加工將破壞原來工件中的內(nèi)應(yīng)力平衡,使工件產(chǎn)生變形,影響加工精度,因此對精度要求高的構(gòu)件應(yīng)先作消應(yīng)力處理,然后加工.5 .剩余應(yīng)力對剛度的影響當構(gòu)件中剩余應(yīng)力超過材料的屈服極限時,導(dǎo)致構(gòu)件的剛度降低.6 .剩余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂的影響應(yīng)力腐蝕開裂是在拉應(yīng)力和腐蝕

31、共同作用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象.焊接剩余應(yīng)力將加速應(yīng)力腐蝕速度.1.3.5降低或消除剩余應(yīng)力的舉措1.3.5.1 設(shè)計過程中降低剩余應(yīng)力的舉措1 .防止焊縫過分集中,如圖1.15(a).2 .減小焊件局部剛性,如圖1.15(b).3 .防止應(yīng)力集中,如圖1.15?.4 .采用剛性小的接頭形式.如圖1.15(d)o5 .反變形法提升焊縫自由度.如圖1.15(e)o圖1.15降低剩余應(yīng)力的設(shè)計舉措1 .3.5.2焊接過程中的工藝舉措2 .采用合理的焊接順序和方向盡量使焊縫能自由收縮,先焊收縮量較大的焊縫.在拼板焊接時,應(yīng)先焊錯開的橫向焊縫,如圖1.16所示.圖1.16拼板的焊接順序3 .采用線能量較

32、低的焊接方法可有效地降低剩余應(yīng)力峰值及其分布范圍.1 .3.5.3焊后消除剩余應(yīng)力的舉措2 .整體高溫回火這個方法是整個焊接構(gòu)件加熱到一定溫度,然后保溫一段時間,再冷卻.通過高溫材料的蠕變變形來到達消除剩余應(yīng)力的目的.對于同一種材料,回火溫度越高,時間越長,也就消除的越徹底.但對異種材料組成的焊接接頭,由于膨脹系數(shù)的不同,采用回火處理不能徹底消除剩余應(yīng)力.3 .局部高溫回火處理這個方法是把焊縫周圍的一個局部區(qū)域進行加熱.消除剩余應(yīng)力的效果不如整體處理,只能降低應(yīng)力峰值,而不能完全消除.4 .機械拉伸法(過載法)焊接剩余應(yīng)力是由于局部壓縮塑性變形引起的,通過機械拉伸使接頭產(chǎn)生拉伸塑性變形,以抵消

33、焊接時產(chǎn)生的壓縮塑性變形,從而消除剩余應(yīng)力.對于壓力容器可采用液壓過載或熱水過載的方法消除剩余應(yīng)力.5 .溫差拉伸法這個方法的根本原理與機械拉伸法相同,是利用局部的溫差來拉伸焊縫區(qū),以抵消焊接時產(chǎn)生的壓縮塑性變形.6 .振動法通過在結(jié)構(gòu)中施加循環(huán)載荷,使剩余應(yīng)力逐漸松馳的方法,該方法的根本原理是在循環(huán)載荷作用下,在應(yīng)力峰值較大的區(qū)域發(fā)生微區(qū)塑性變形,使峰值應(yīng)力得到降低.7 .沖擊波處理法利用沖擊波對焊縫及近縫區(qū)進行處理,通過沖擊波作用后,材料產(chǎn)生塑性變形,從而消除剩余應(yīng)力.1 .3.6焊接剩余變形的種類圖1.17平板對接時的焊縫收縮焊接后,焊縫要產(chǎn)生縱向收縮和橫向收縮,如圖1.17.這兩個方向

34、的收縮造成了構(gòu)件的各種變形,大致分為五種：2 .撓曲變形這種變形主要是由于焊縫位置在結(jié)構(gòu)中位置不對稱時發(fā)生,撓曲變形可由焊縫的縱向收縮引起(圖1.18(a)和由橫向收縮引起(圖1.18(b).圖1.18焊接接頭的撓曲變形3 .角變形這種變形主要是由于溫度沿板厚方向分布不均勻和熔化金屬沿厚度方向收縮量不一致引起的,因此一般多數(shù)發(fā)生在中、厚板的對接焊及角焊時,如圖1.19.圖1.19焊接接頭的角變形4 .波浪變形這種變形產(chǎn)生于薄板結(jié)構(gòu)中,是由于縱向和橫向的壓應(yīng)力使薄板失穩(wěn)而造成的,如圖1.20。圖1.20焊接接頭的波浪變形4 .錯邊變形在焊接過程中,兩焊件的熱膨脹系數(shù)不一致,可能引起長度方向上的錯

35、邊和厚度方向上的錯邊,如圖1.21所示.圖1.21焊接接頭的錯邊變形5 .扭曲變形由于裝配質(zhì)量不好,焊接順序和施焊方向不合理,如圖1.22.圖1.22焊接接頭的扭曲變形1.3.7減小焊接剩余變形的方法焊接變形不但影響結(jié)構(gòu)的尺寸的準確性和外形美觀,而且有可能降低構(gòu)件的承載水平,因此在焊接構(gòu)件的生產(chǎn)中應(yīng)盡量減小焊接變形.1.3.7.1 設(shè)計舉措1 .合理地選擇焊縫尺寸和形式.在保證結(jié)構(gòu)承載水平的條件下,設(shè)計時盡量采用較小的焊縫尺寸.2 .合理地安排焊縫位置.盡可能使焊縫處于截面中性軸,或?qū)ΨQ于中性軸.3 .盡可能減小不必要的焊縫.4 .3.7.2工藝舉措5 .合理選擇裝配和焊接順序在裝配焊接比擬復(fù)

36、雜的結(jié)構(gòu)時,可把它看成幾個簡單的部件,分別裝焊,然后再將焊好的部件拼焊成一個整體,可以使那些不對稱的或收縮力較大的焊縫能自由地收縮,而不影響整體結(jié)構(gòu),從而限制結(jié)構(gòu)的焊接變形.當裝配完成后,調(diào)整焊接順序也是降低變形的有效措施,通常應(yīng)遵循以下原那么：(1).盡量使焊縫能自由收縮；(2).對于大型構(gòu)件的焊接,應(yīng)從中間向四周進行,一般橫向收縮大于縱向收縮,因此應(yīng)先焊橫向焊縫使之自由收縮.6 .合理選擇施焊方法和標準一般情況下,焊接時線能量較低,焊后的變形就小,因此采用細絲小電流的多層焊代替粗絲大電流的單層焊.用焊接速度較高的自動焊代替手工電弧焊,都有利于減小焊接變形.另外采用逐步退焊法、跳焊法、分中對

37、稱焊法等施焊方法,降低了加熱的不均勻性,從而減小焊接變形.7 .采用反變形法根據(jù)經(jīng)驗,預(yù)先人為地制造一個變形,使這個變形與焊后的變形方向相反而數(shù)值相等,從而消除焊接變形.8 .剛性固定法將焊件固定在具有足夠剛性的根底上,焊接時,焊件不能移動.這種方法并不能完全消除焊接變形.對彎曲、角變形及波浪變形效果較好.此外通過預(yù)熱或強制冷卻等方法也能降低剩余變形.1.3.8典型焊接接頭的剩余應(yīng)力分布在實際的焊接結(jié)構(gòu)中,剩余應(yīng)力分布是十分復(fù)雜的,只能根據(jù)典型焊接接頭中的剩余應(yīng)力作定性分析.對接接頭中的焊縫縱向剩余應(yīng)力分布如圖1.23(a)所示.在焊縫及熱影響區(qū)為剩余拉伸應(yīng)力,并常到達材料的屈服極限,而在其它

38、區(qū)域為剩余壓應(yīng)力.焊縫縱向剩余應(yīng)力及焊縫長度分布如圖1.15(b)所示.對接接頭中的焊縫橫向剩余應(yīng)力數(shù)值是很大的,有時也可能到達材料的屈服極限,它與焊件的板寬、定位焊位置、施焊方向及施焊順序有關(guān).焊縫橫向剩余應(yīng)力沿板厚方向分布如圖1.23(c)所示.沿焊縫長度方向的分布如圖1.23(d)所示.即焊縫中央剩余應(yīng)力為最大值,而距焊縫中央不遠就很快減小.(a)縱向剩余應(yīng)力沿板寬方向的分布(b)縱向剩余應(yīng)力沿焊縫長度方向的分布?橫向剩余應(yīng)力沿板寬方向的分布(d)橫向剩余應(yīng)力沿焊縫長度方向的分布圖1.23對接接頭的剩余應(yīng)力分布角接接頭中的縱向剩余應(yīng)力分布如圖1.24所示.圖1.24角接接頭中的縱向剩余應(yīng)

39、力分布1.4弧焊電源1 .4.1弧焊電源根本知識2 .電源靜特性在穩(wěn)定狀態(tài)下弧焊電源的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系曲線稱為弧焊電源的靜特性,也稱為弧焊電源的外特性.弧焊電源的外特性分為平特性和下降特性兩大類.平特性又稱為恒壓特性.下降特性又分為緩降特性、陡降特性以及垂降特性三種.其中垂降特性又稱之為恒流特性.弧焊電源的各種常見外特性曲線如圖1.25所示.圖1.25弧焊電源的各種常見外特性曲線3 .負載持續(xù)率DY負載工作的持續(xù)時間與全周期時間的比值稱為負載持續(xù)率Dy.全周期時間或稱工作周期括負載持續(xù)時間與休息時間.GB8118-87規(guī)定工作周期為5、10、20min與連續(xù).負載持續(xù)率是設(shè)計焊機時用以

40、說明某種效勞類型的重要參數(shù),介于0與1之間,用百分數(shù)表示.按GB811887規(guī)定為35%、60%、100%三種.弧焊電源的額定電流就是該負載持續(xù)率條件下的最大輸出電流.實際工作時間與工作周期之比稱為實際負載持續(xù)率,不同實際負載持續(xù)率條件下允許使用的輸出電流可按下式計算：I=Dy/DY1/2Ir式中Dyr一額定負載持續(xù)率Dy實際負載持續(xù)率Ir額定負載持續(xù)率時的額定電流I實際負載持續(xù)率時的允許使用電流4 .弧焊電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件電弧燃燒的穩(wěn)定狀態(tài),即電弧燃燒兩個最主要的能量參數(shù)I和U的穩(wěn)定值是由電源外特性和電弧靜特性曲線交點決定的,如圖1.26所示.在交點處電弧靜特性斜率只有大于電源外特性斜率,

41、才是系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點交點A,交點B由于不滿足上述條件不是系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點.圖1.26系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件圖如果電弧靜特性工作局部斜率小于0,弧焊電源外特性必須是下降特性.如果電弧靜特性工作局部的斜率大于0,那么電源外特性可以是上升的,也可以是平特性.對于等速送絲焊接,當電弧靜特性曲線為平的時候,采用緩降外特性電源比陡降外特性能在弧長發(fā)生同樣波動時獲得較大的電流變化,使自身調(diào)節(jié)作用比擬靈敏.當電弧工作在靜特性上升段時,那么采用上升特性電源上升斜率不能超過電弧靜特性比用平特性電源能獲得更大的電流變化和電弧自身調(diào)節(jié)靈敏度.因此,一般長弧焊的等速送絲焊接均采用緩降特性,甚至平特性,上升特性的電源.5 .弧焊電源動特性所謂弧焊電源動特性,是指電弧負載狀態(tài)發(fā)生忽然變化時,弧焊電源輸出電流和電壓的響應(yīng)過程,可以用弧焊電源的輸出電流和電壓對時間的關(guān)系,即U=ft、I=ft來表示.它說明弧焊電源對負載瞬變的適應(yīng)水平.只有出現(xiàn)熔滴短路過度的焊接方法才對弧焊電源有動特性要求.在短路過度的CO2焊接過程中,為了使熔滴過度平穩(wěn),減少飛濺,在不同的焊絲直徑和焊接標準下,焊接回路應(yīng)具有適宜的短路電流增長速度和短路峰值電流.6 .4.2弧焊機器人配套焊接電源1.4.2.1機器人配套弧焊電源的特點1 .限制性能好,