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焊接+西工大.ppt

焊接+西工大

铁钩子
2009-12-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《焊接+西工大ppt》,可适用于人文社科领域

焊接的定义焊接的定义通过适当物理、化学过程两个分离的固态物体产生原子(分子)间结合连接成一体的连接方法。被连接的两个物体:金属:同种或异种金属狭义上的焊接冶金结合非金属:金属陶瓷塑料焊接物理、化学结合第章焊接电弧物理基础第章焊接电弧物理基础电弧焊在焊接领域中主导地位原因电弧能简便、有效地将电能转换为焊接能源(热能、机械能)因此对焊接质量的控制即是对焊接能源的控制––––有必要对电弧的进行深入研究。焊接电弧焊接电弧焊接电弧是一种气体放电形式––––弧光放电正常气体介质不导电–––产生带电粒子的过程––––放电气体放电的VA特性气体放电的VA特性非自持放电自持放电暗辉光弧光放电低弧压、大电流UI加热、光照高频高压P图焊接电弧常用引弧方式焊接电弧常用引弧方式引弧方式接触非〃〃:高频高压或脉冲高压引弧引弧三条件:阴极发射电子气体电离形成导电能路以及极间加有电场(电弧燃烧的电源)电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生焊接电弧导电特征与一般弧光放电有区别––––()介质:金属蒸汽或保护介质()放电在atm下进行(一般情况)()导电特征:低U大I电弧中带电粒子的产生电弧中带电粒子的产生两种形式:电离电子发射带电粒子电弧导电电场()电离()电离电离弧隙气体介质金属蒸汽保护气:Ar,He,CO焊剂或药皮蒸汽光电场热电离的难易程度电离电压(电位)eVV()电离()电离常见气体电离电位He:VAr:VFe:VK:V电离的难度()电子发射()电子发射电子发射阴极表面光电场热阴极发射电子的难易程度逸出电压(电位)eVV讨论阴极表面有实际意义因为其参与了导电过程。()电子发射()电子发射逸出功(电位)WVWZrVWThOVWCeOV氧化膜存在逸出功带电粒子的扩散与复合带电粒子的扩散与复合带电粒子(电子、离子)有寿命产生消失动平衡过程扩散复合电离电子发射()扩散()扩散扩散的动力:带电粒子的浓度梯度。电弧中带电粒子的分布是不均匀的按扩散定律带电粒子的浓度梯度:在x方向上带电粒子密度的变化率扩散通量:单位时间内通过单位面积的带电粒子数扩散系数反映了粒子扩散能力的大小()复合()复合正、负粒子相遇结合成中性原子的过程电离、电子发射的逆过程两种复合形式:空间复合表面复合)空间复合)空间复合复合是内能降低的过程(放热反应)所以不能在温度高的弧芯产生一般在电弧的外缘电子和离子温度、速度都较低容易相遇产生复合。)空间复合)空间复合但交流过零时电弧熄灭温度骤然降低在整个弧隙空间中都会产生大量的复合。)表面复合)表面复合发生在阴极、阳极的表面处正离子撞击阴极––不能进入阴极––拉出电子与之复合:释放电离能电子撞击进入阳极––复合释放能量:相当于阳极金属的逸击功)复合的影响)复合的影响带电粒子数↓––导电性↓形成负离子影响较大(低氢型)释放大量热量和弧光––用于焊接电离能逸出功电弧各区域导电机构电弧各区域导电机构带电粒子的运动形式(种)电弧高温引起的热运动沿电场方向的迁移运动浓度不均匀引起的扩散运动电弧流体流动(主要是等离子流)引起的运动电弧各区域导电机构电弧各区域导电机构对导电有贡献的––带电粒子沿电场方向的定向迁移运动因为其产生导电电流。()电弧的区域组成()电弧的区域组成阴极区:近阴极表面宽约~cm压降UK弧柱:中间部分压降UCEC较均匀阳极区:近阳极表面宽约~cm压降UA()弧柱区的导电()弧柱区的导电弧柱为气体介质其加热不象固体、或液体受到Tm、TV限制可达很高T:,~,K其组成为热电离为主的等离子体。()弧柱区的导电()弧柱区的导电忽略负离子影响则导电电流由运动方向相反的电子流与离子流组成即I=IeIiIe∵Ie>>Ii(倍)∴电弧弧柱中导电主要靠电子流()()弧柱区的导电()弧柱区的导电通过弧柱的电子流由阴极区输送来。通过弧柱的离子流由阳极区输送来。为维持弧柱区带电粒子数目的恒定由消电离丧失的带电粒子由电弧空间的高温热电离来补偿。()阴极区的导电()阴极区的导电阴极区的作用:()向弧柱区输送电子流()()接受弧柱送来的正离子流()––即拉出的电子与之复合所以阴极表面的电流完全由电子流组成()阳极区的导电()阳极区的导电作用:接受弧柱流入的电子流()向弧柱提供正离子流()()导电机构:阳极不能发射正离子靠阳极区的气体电离来向弧柱提供正离子流()阳极区的导电()阳极区的导电依靠阳极区电离向弧柱提供正离子流()电离出的电子流加阳极所以阴极表面的电流完全由电子流组成()电极表面导电现象()电极表面导电现象斑点:电极表面集中导电的区域通过高速摄影观察电极斑点常处在高速而杂乱的运动状态之中时而相聚时而分散。影响电弧的导电与传热过程。阴极斑点阳极斑点)阴极斑点形成)阴极斑点形成热阴极:由热发射提供足够的电子流不形成。(不熔化极大I)冷阴极:热电场发射(熔化极)UK为了减小发射电子的能量消耗阴斑占据Ww或局部EK部位(微观不均匀)从而使导电截面收缩阴斑游动阴斑游动正离子在UK作用下加速撞击阴斑不能进入阴极沉积在氧化膜表面(这里Uw)形成微电容积累EK击穿氧化膜破碎阴极清理(雾化)作用显露金属表面(Uw)寻找氧化膜分散与游动阴极雾化的影响阴极雾化的影响优点:去除氧化膜焊Al等活泼金属用ACTIG阴极雾化的影响阴极雾化的影响缺点(MIG焊时):电弧游动不稳扰乱保护气流降低保护效果焊缝成形质量如咬边边缘不齐焊道凸起阴极雾化的影响阴极雾化的影响大I时F起皱要控制:熔化极气体保护焊钢时ArO,或ArCO使熔池产生轻微氧化只要氧化与清理达到平衡就能够抑制阴斑游动改善焊缝成形.)阳极斑点)阳极斑点低熔点阳极工件作为阳极时DCSP热输入熔池电弧易钉在熔化的、T区域(蒸发点)而形成阳斑。金属蒸气Ui优先电离而成为电弧的主要介质。)阳极斑点)阳极斑点高熔点作阳极时如TIG焊、DCRP阳极不熔化靠阳极区气体热电离向弧柱提供离子流不形成阳斑。阳斑游动阳斑游动与阳极表面各处是否容易蒸发有关蒸发点变阳斑跳动。区别区别阴斑:电子发射Uw寻找氧化膜分散与游动Randomwalk阳斑:阳极区电离Ui寻找纯金属固定在蒸发点跳动关于极性关于极性以工件的极性为准工件接正:正极性TIGPAW工件接负:反极性MIGCO可正反或交流:SAWSMAWDCSP:DirectCurrentStraightPolarityDCRP:DirectCurrentReversedPolarity最小电压原理最小电压原理在I及周围条件一定时电弧稳定燃烧其弧柱半径R应使电弧的电场强度E具有最小值。即–––电弧具有保持最小的能量消耗特性。当I一定电弧自动确定一合适弧柱半径R以保持最小U。解释解释电弧稳定燃烧时电弧的产热和耗热互平衡这时弧柱要自动确定一个合适的直径D或半径R以使保证弧压U最低。比如这时D偏离了自动确定的值:D↑––接触面积↑––热消耗>热输入––要求产热↑––而I一定于是U↑。违背了最小电压原理。D↓––J↑––电弧电阻↑––U↑。同样违背了最小电压原理。利用最小电压原理说明电弧的自动调节()利用最小电压原理说明电弧的自动调节()()电弧介质的变化若对加强电弧冷却如加入导热↑如He多原子如H、NQ↑利用最小电压原理说明电弧的自动调节()利用最小电压原理说明电弧的自动调节()则热消耗↑>热输入电弧通过两个途径来减小消耗达到新的平衡:(i)、收缩电弧的截面积收缩电弧的加热范围以减小热消耗热缩效应(ii)、U↑以提高电弧的热输入(I一定)利用最小电压原理说明电弧的自动调节()利用最小电压原理说明电弧的自动调节()()I的变化若I–––热输入>热消耗同样:降低热输入的增加幅度通过D,以保持J不变或增加很小–––弧柱扩展这时加热面积同时增大热消耗增大。U不变或增加较小,因为J不变。焊接电弧的负载特性焊接电弧的负载特性在弧–源系统中电弧是电源的负载。负载特性是指:电弧稳定燃烧时I与U的关系––也称为电弧的伏安特性。根据使用的电流种类不同可分为:电弧的静特性动特性()电弧的静特性()电弧的静特性是指一定弧长下电弧稳定燃烧时I与U的关系()电弧的静特性()电弧的静特性(一)静特性形状:U形小电流的负阻区(下降特性)AB段中电流等压区(平特性)BC段大电流正阻区(上升特性)CD段()电弧的静特性()电弧的静特性每一条静特性曲线代表一定弧长ABCDI(J)U弧长增加()电弧的静特性()电弧的静特性不同的焊接方法所处的区段不同一般无法覆盖全特性和电流密度有关()电弧的静特性()电弧的静特性)小电流(密度)负阻区)小电流(密度)负阻区此时J低、T低、x低导电率随ITx导电率于是虽I但要求的驱动U,表现为负阻特性电离度2)中电流(密度)等压区2)中电流(密度)等压区此时I足够大、T足够高、x接近饱和导电率变化已不大随I靠D来维持J=const,于是U不随I变化表现为平特性3)大电流(密度)上升特性3)大电流(密度)上升特性I很大弧柱磁缩效应I时电弧扩展受限J。于是电弧电阻率需要U来维持足够的I表现为上升特性4)弧长对静特性的影响4)弧长对静特性的影响LU静特性上移。所以其它条件一定每一根静特性代表一定弧长(2)电弧的动特性(2)电弧的动特性交流脉冲等电弧焊时i、u随t而变表达三者关系曲线–––动特性(动态V––A特性)2)电弧的动特性2)电弧的动特性交流电弧的ui波形与动特性曲线动特性回线的PQR高于RST回线的PQR高于RST因为i、u随t交替变化––––使电弧中T、x、形态等交变但电弧存在热容而具有热惯性––––变化滞后一定时间:i–T、x滞后–––与平衡状态下相比T、x偏低为维持足够的导电电流––u––PQR高i–T、x滞后–––与平衡状态下相比T、x偏高维持导电电流要求的u–––––RST低2 焊接电弧的产热2 焊接电弧的产热电功率的热当量来表示:P=IUa将电弧分为三个区则P=IUa=I(UKUAUC)=IUKIUAIUC阴极热、阳极热和弧柱热。()弧柱区产热()弧柱区产热PC=IUCTC带电粒子(主要是电子)在弧柱电场中吸收电场能动能T碰撞传能T均匀使各种粒子动能相等()弧柱区产热()弧柱区产热弧柱中不断送入冷的电弧介质(保护气等)经电子碰撞传能部分电离产生带电粒子用以补充带电粒子流失或消失带来的损失。弧柱热主要用于维持弧柱高温和热电离维持弧隙导电。()弧柱区产热()弧柱区产热弧柱热只部分传给电极或工件但在这两种情况下要注意弧柱传热的影响:大电流PAW弧柱深入熔池大电流MIG等离子流流动传热熔滴过渡传热()阴极区的产热()阴极区的产热阴极热=电子吸收的阴极电场能但要扣除发射电子消耗的逸出功PK=IUKIUW=I(UKUW)发射电子对电极有冷却作用()阴极区的产热()阴极区的产热PK主要用来加热熔化和蒸发阴极金属材料以保持足够的温度,维持电子发射。(3)阳极区产热(3)阳极区产热PA=IUAIUW=I(UAUW)UW是常数UA变化不大特别是大I时很小可忽略所以阳极热一般变化较小。(3)阳极区产热(3)阳极区产热PA主要用于阳极金属的加热熔化和阳极区气体介质的电离2电弧换热(电能热能)的物理本质2电弧换热(电能热能)的物理本质定向迁移吸收电场能电子发射电场加速动能T热电子碰撞2电弧换热(电能热能)的物理本质2电弧换热(电能热能)的物理本质碰撞电子原子传能非弹性弹性T均匀电离传递动能(热传导)传递内能复合放热2电弧换热(电能热能)的物理本质2电弧换热(电能热能)的物理本质电子发射–––定向迁移吸收电场能加速(动能)T–––碰撞传能()弹性碰撞:各粒子温度均匀化(热传导)()非弹性碰撞:变内能产生电离(动能变化学能)––––复合放热焊接电弧的热效率及能量密度焊接电弧的热效率及能量密度()热效率Qe=Qa:热效率(有效热功率系数)()热效率()热效率手弧焊~SAW~TIG~MIG~CO~P埋弧、渣保护热散失小电弧潜入熔池熔滴过渡传热短路过渡、短弧焊热散失小()能量密度q(热流密度或功率密度)()能量密度q(热流密度或功率密度)工作表面单位面积上的热功率Wcm气 焊:~Wcm电弧焊:~等离子:~激 光:~电子束:~(3)热流分布q与J(3)热流分布q与Jq影响焊缝形状与尺寸q影响焊缝形状与尺寸焊接方法不同q分布不同焊缝形状尺寸不同:酒杯状如PAW蘑菇状如MIG扁豆状如TIG电弧的温度分布电弧的温度分布阴、阳极温度:受Tm,TV限制不超过TV弧柱温度:无Tm,TV限制,~,K弧柱温度弧柱温度rT径向从中轴线向外T––热交换轴向靠电极处T高–––D,J 电弧中的力 电弧中的力电弧是能源具有热和力两重能量特性电弧热电弧力电弧力是个综合概念电弧力是个综合概念包括:电磁力等离子流力斑点压力喷流反作用力爆破力过渡熔滴冲力()电磁静压力p()电磁静压力p电流通过一导体–––电流线吸引()固体导体–––难影响()柔性电弧(或熔滴)–––导电截面收缩现象–––磁缩效应()电磁静压力p()电磁静压力p磁缩效应引起的电弧(熔滴)内部静压力–––电磁静压力(注:没有方向)()电磁静压力p()电磁静压力p等离子流()电磁静压力p()电磁静压力p锥形电弧的静压力沿轴向由电极(锥顶)到工件(锥面)逐渐降低形成静压力梯度造成电弧等离子体的流动形成等离子流方向由电极指向工件。(2)等离子流力(2)等离子流力等离子流作用在熔滴熔池或弧柱上的附加动压力–––等离子流力,FP(2)等离子流力(2)等离子流力产生:静压力梯度造成等离子体流动方向:由电极指向工件作用:熔滴、熔池、弧柱(2)等离子流力(2)等离子流力等离子流力作用()不断吸进冷气––热缩–––EC同时增加电弧的挺直性–––指向性(作用在电弧弧柱上的FP)ArAr(2)等离子流力(2)等离子流力()冲击挖掘熔池H(作用在熔池上的FP)Fp熔池(2)等离子流力(2)等离子流力()使保护气体由焊丝末端切向吸入(吸泵作用)促进熔滴过渡。(作用在熔滴上的FP)FpArAr焊丝熔滴()斑点压力FB()斑点压力FB带电粒子冲击电极斑点,将动量转化为力()斑点压力FB()斑点压力FB离子阴极EK=~Vcm电子阳极EAVcmmi>>me阴斑压力>>阳斑压力()斑点压力FB()斑点压力FBFB作用在焊丝的末端阻碍熔滴过渡熔化极电弧焊常用DCRP的原因之一。()金属蒸汽喷流的反作用力()金属蒸汽喷流的反作用力电极斑点处J局部可加热到接近TV产生猛烈蒸发膨胀形成金属蒸汽喷流对电极斑点施加一定的反作用力。与FB相似。J–––F:斑点面积–––F(5)爆破力(5)爆破力短路过渡时液桥在电磁收缩力作用下变细最后气化爆断对熔池与熔滴形成冲力飞溅()过渡熔滴冲力()过渡熔滴冲力发生在大电流MIG焊–––喷射过渡–––等离子流加速–––高速冲向熔池产生的冲力–––a=~g深入挖掘熔池H 焊接电弧的可压缩性 焊接电弧的可压缩性电弧是一种柔性气体导体受外界条件作用(拘束)––可产生形变–––改变形态或性质。(1)电弧的三大压缩作用(1)电弧的三大压缩作用热缩作用(冷却电弧外围)磁缩作用(电磁收缩力)机械拘束–––D–––E–––JT(1)电弧的三大压缩作用(1)电弧的三大压缩作用三者具加–––形成压缩电弧–––等离子弧–––等离子弧形成基本条件(焊炬特点):用水冷带压缩孔道的铜喷咀钨极内缩到孔道内孔道内通离子气。等离子弧形成过程示意等离子弧形成过程示意等离子弧形成过程等离子弧形成过程孔道限制D使电弧不能自由扩展–––机械压缩等离子弧形成过程等离子弧形成过程通Ar及水冷Cu喷咀–––在弧柱外缘与孔道内壁间产生强烈换热–––热缩–––J––磁缩同时使这一环状空间形成x、T的冷气膜相当于位障建立起冷气膜位障––––阻碍了等离子弧向喷咀孔壁传热与导电–––形成气稳定。等离子弧特性等离子弧特性压缩电弧J–––T,~,KTIG:,~,KqWcmTIG<Wcm等离子弧特性等离子弧特性静特性上升(E)形态近似圆柱形–––发散角小(~)L变化对加热面积影响小挺直性好–––抗干扰强可压缩性还表现在––存在磁场––形变与压缩可压缩性还表现在––存在磁场––形变与压缩自身磁场不对称:磁偏吹接地线位置存在铁磁物质等(左手定则)外加磁场外加磁场横–––交变–––摇摆–––B、H–––堆焊纵–––螺旋运动–––E––半径–––抑制扩散––压缩–––EJ双尖角––椭圆截面–––压缩电弧––EJ(2)电弧的挺直性(2)电弧的挺直性反映电弧沿轴线方向挺直燃烧的特点–––具有明显的指向性–––工艺上很重要焊丝的加热熔化与熔滴过渡焊丝的加热熔化与熔滴过渡焊丝的加热与熔化()焊丝的加热()焊丝的加热vfLS导电咀喷咀AOBArLAOBTT预TmMIG焊过程Workpiece概念概念vf––––送丝速度Wirefeedingrate(mhr)vm––––熔化速度Wiremeltingrate(mhr或kghr)表征焊丝熔化的快慢Ls––––焊丝的外伸长度(干伸长)Wireextension~mm)电弧热)电弧热PK=I(UKUW)DCSPPA=I(UAUW)DCRP起决定作用)电阻热)电阻热起预热作用––––影响 vm较大(如SUS)作用明显Al、Cu等小影响小可忽略。I、LS、S(d)、–––PR–––vm焊丝的熔化特性焊丝的熔化特性vm与I之间的关系曲线。是一组曲线簇vmId=mmd=mmd=mmAl焊丝HMnSi焊丝HMnSi焊丝王震澄:P图HMnSi焊丝DCRPCO焊时的熔化特性曲线vmd=mmmmmmI(A)(mhr)熔化特性的作用熔化特性的作用通过实验测得。等速送丝(vf=const)电弧稳定燃烧时需满足vm=vf选定vf确定了I值已知I值按曲线确定vf值。 熔滴过渡和飞溅 熔滴过渡和飞溅熔滴上的作用力主要为电弧力但也有其它力()表面张力()表面张力熔滴与固态焊丝末端间的表面张力是托住熔滴不至于脱离焊丝的主要力量–––阻碍力()表面张力()表面张力d–––焊丝越细F熔滴越小––––熔化极常用细丝的原因之一。另外–––FAr少量CO(O)利用活性气体降低表面张力细化熔滴。()重力()重力Fg与dD有关焊丝越细熔滴的尺寸越小–––在喷射过渡时常可以忽略。影响:与焊接空间位置有关–––平焊促进过渡其它阻碍过渡。短路过渡特殊情况短路过渡特殊情况F作用形式不同促进过渡。此时液桥与熔池接触周界要比和焊丝接触周界长度大得多即FF()电磁收缩力()电磁收缩力作用在焊丝与熔滴间促进熔滴缩颈、脱落––––一般促进过渡。Note:不要去分解该力没有实际意义FcFc()等离子流力Fp()等离子流力Fp等离子流作用在熔滴上的力。促进熔滴从焊丝末端脱离–––––促进过渡。IFP是大I时促进熔滴过渡的主要力量。()斑点压力()斑点压力作用在熔滴的端部阻碍过渡作用大小与极性有关:DCSP:焊丝为阴极–––受正离子撞击–––FDCRP:焊丝为阳极–––受电子的撞击–––F。MIGMAG常采用DCRP原因之一。()爆破力()爆破力熔滴内部含有易挥发金属或由于冶金反应而产生气体时电弧高温气体积聚膨胀并爆炸形成过渡。熔滴过渡的主要形式及特点熔滴过渡的主要形式及特点分类不同电弧焊方法的熔滴过渡形式不同电弧焊方法的熔滴过渡形式手弧焊(SMAW––ShieldedMetalArcWelding)①酸性焊条––––含SiO,TiO多接触界面––––渣壁浸润性好––L小时–––部分沿套筒壁过渡部分直接过渡L大时–––过渡力大直接细滴过渡。②碱性焊条–––––含SiO,TiO少接触界面不呈渣壁过渡过渡稳定性差L小时–––呈短路过渡L长时–––呈滴状过渡。不同电弧焊方法的熔滴过渡形式不同电弧焊方法的熔滴过渡形式埋弧焊SAW––SubmergedArcWelding大部分呈渣壁过渡少部分呈细滴过渡。不同电弧焊方法的熔滴过渡形式不同电弧焊方法的熔滴过渡形式气体保护焊GasShieldedArcWelding短路过渡–––CO短弧焊细滴过渡–––CO中电流、长弧焊喷射过渡–––MIG焊()滴状过渡()滴状过渡MIGMAG焊采用中、小I和高U(长弧)时过渡力小将形成大滴过渡其焊接工艺性是很差的通常不用。()喷射过渡()喷射过渡长弧焊时对于一定的焊丝和气体介质随I过渡f,d (V)当I>ICR时f,d发生突变同时电弧形态也发生改变––––形成喷射过渡。()喷射过渡()喷射过渡fVIP图ICRI>ICR弧根上爬到焊丝的侧壁critical()喷射过渡()喷射过渡Ar或富ArE小弧根容易扩展。I–––d弧根上爬当I>I临()弧根上爬到焊丝侧壁封罩熔滴在强大的等离子流力切削作用下细小的熔滴以很高的速度过渡i射流过渡i射流过渡流束型黑线圆锥形烁亮区钟罩形暗红色弧焰射流过渡电弧形态北京工业大学焊接研究所焊钢时焊丝端部形成液锥如同削尖的铅笔i射流过渡i射流过渡电弧分三层轮廓清晰––––中心:流束型 黑线由过渡频率和速度很高的细小熔滴组成。二层:圆锥形 烁亮区主要导电区域由高温、高度电离的金属蒸汽组成。外层:钟罩形 暗红色弧焰。xTii射滴过渡ii射滴过渡Al,Cu材料导热不易形成液锥呈射滴过渡。射滴过渡电弧形态北京工业大学焊接研究所iii喷射过渡工艺特点iii喷射过渡工艺特点(i)电弧功率大(IA)、挺度热、力––––适合焊大厚度构件(mm)iii喷射过渡工艺特点iii喷射过渡工艺特点(ii)熔滴在等离子流力作用下–––加速a=(~)g冲击挖掘熔池使焊缝中心部位的熔深明显增大––––焊缝截面呈蘑菇形。iii喷射过渡工艺特点iii喷射过渡工艺特点(iii)规范恒稳保护好飞溅小焊缝表面成形好鱼鳞纹细余高小平稳咝咝声。iii喷射过渡工艺特点iii喷射过渡工艺特点(iv)焊钢:Ar少量(~)CO稳定阴斑同时–––ICR但加多使I临:CO多原子吸热–––弧根收缩iii喷射过渡工艺特点iii喷射过渡工艺特点(v)缺点电弧功率大热输入大造成(i)熔深大–––––––不能焊薄板(ii)熔池体积大–––全位置焊困难(iii)HAZ宽––––––不能焊热敏感材料解决:用脉冲电流代替连续电流。()脉冲喷射过渡()脉冲喷射过渡原理实现的原理与连续喷射过渡相似区别:用脉动电流代替连续恒定直流电流组成:基值电流脉冲电流()脉冲喷射过渡()脉冲喷射过渡ttPtbiIPIbI()脉冲喷射过渡()脉冲喷射过渡IP–––加热熔化焊丝形成喷射过渡同时加热、熔化母材形成熔池。Ib––––维持弧隙导电预热焊丝熔池在冷凝。()脉冲喷射过渡()脉冲喷射过渡在IP导通时IP>IPCR(形成条件)–––形成脉冲喷射过渡由于加热不够集中要求的IPCR要高一些。呈射滴过渡。()脉冲喷射过渡()脉冲喷射过渡三种过渡状态一个脉冲过渡~滴–––规范匹配宽脉冲能量偏大一个脉冲过渡滴–––脉冲能量选得正好规范匹配窄二个以上脉冲过渡滴–––脉冲能量过小不合适。()脉冲喷射过渡()脉冲喷射过渡电弧与加热特性(i)宏观电弧形态与连续喷射相似微观上电弧形态是脉动的–––随电流的变化而变化。焊丝与熔池的熔化主要靠IPIb时熔池还在冷凝。所以(ii)加热也是脉动的。()脉冲喷射过渡()脉冲喷射过渡工艺优点对于既定焊丝可用的规范范围宽––––(i)扩大了应用可焊厚、薄且(ii)平均I小热输入小变形小可焊热敏感材料再者(iii)可精确控制规范减小熔池体积实现全位置焊。()短路过渡特性()短路过渡特性(i)短路过渡的应用特征①用于DCRP细丝CO焊–––dmm②规范特征–––小电流、低弧压③L短熔滴未长得很大时即短路–––形成液桥过渡④焊接钢铁薄壁零件和全位置焊接。()短路过渡特性()短路过渡特性短路过渡过程分析四个阶段:燃弧、短路、缩颈脱落、复燃。短路过渡过程短路过渡过程P短路过渡电弧与加热短路过渡电弧与加热T=t燃t短电弧脉动在T内只在t燃内对焊丝加热–––加热是脉动的–––平均来讲电弧功率小、热输入小。因而熔深浅、变形小、HAZ小。适于焊薄板和全位置焊。HeatAffectedZone热影响区短路过渡频率短路过渡频率P短路过渡稳定性短路过渡稳定性在一定的d下过渡稳定性可用f短来评定–––f短高稳定。通过U和vf来调整。短路过渡稳定性短路过渡稳定性①焊丝直径dd–––d熔滴––f短,稳定性差一些:使用细丝的原因注意:并非粗丝就不稳定。短路过渡稳定性短路过渡稳定性②焊丝成分–––若–––细化熔滴–––f短气体成分–––电弧静特性短路过渡稳定性短路过渡稳定性③规范参数小I、低U匹配合适I(vf)–––U–––以保证一定L(静特性上升)短路过渡稳定性短路过渡稳定性④电源动特性存在两个极限过程:燃弧––短路:U––I––Imax短路–––复燃:U––UmaxI动特性匹配要合适––––对电源特性要求对电源特性要求()电源外特性–––等速送丝匹配平或缓降外特性以获得–––稳定工作点灵敏的弧长调节特性较大的短路电流。对电源特性要求对电源特性要求()电源动特性–––三个Imax–––短路电流峰值Imax=(~)Idudt–––电压恢复速度慢则复燃难。经验:Vsec上两项由焊机设计决定。didt–––短路I增长速度为可调参数影响到过渡稳定性与飞溅。对电源特性要求对电源特性要求didt–––I增长慢Fc不能迅速产生缩颈t短于是–––粗大液桥严重过热爆断––––飞溅同时焊丝仍在等速送进–––固体插入––––大段爆断––––大颗粒金属飞溅电弧出现剧烈的噼啪声–––断弧。冷态引弧困难。对电源特性要求对电源特性要求didt–––I增长太快造成接触点严重过热爆断冲击熔池和熔滴引起大量细颗粒飞溅。不严重时会出现所谓的点爆现象。对电源特性要求对电源特性要求didt调节方法应按d来匹配选定:d小则熔滴小短路速度快周期短didt可快一些。对电源特性要求对电源特性要求didt的调节手段之一:水平主回路中串一可调电感L电源Uo–U 焊缝成形和引、收弧控制 焊缝成形和引、收弧控制 焊缝成形基本概念基本概念XTLBaHv熔池的形状尺寸HBLa熔深熔深加强高焊缝尺寸焊缝尺寸BaH图P对焊缝尺寸的要求对焊缝尺寸的要求焊缝截面H、B、a焊缝成形系数(宽深比):P=BH应保持在~国外常用深宽比宽深比宽深比过小–––焊缝深而窄易产生气孔和热裂过大以及a过大–––应力集中对承受动载荷不利。加强高加强高TIG、PAW不填丝––––下凹控制TIG、PAW填丝MIG、SAW–––要求a不要过高以影响承受动载。焊缝接头焊道焊缝接头焊道电弧对母材的热、力作用电弧对母材的热、力作用()热的作用考虑三个方面的作用(i)热输入––––B,H()热的作用()热的作用(ii)热流密度q(r)沿径向呈正态分布中心q–––––H外围q–––––H()热的作用()热的作用(iii)电弧形态弧体细,J–––中心TH弧焰分散,T–––外围H若存在斑点游动–––加热分散–––HB()热的作用()热的作用(iv)电弧下方液体层厚度液层薄––––电弧热继续作用固体金属–––––H()电弧力的作用()电弧力的作用作用在熔池上的力主要有––––(i)电磁静压力(ii)电磁动压力(等离子流力)(iii)斑点压力如果是熔化极还有(iv)喷射过渡熔滴冲力等()电弧力的作用()电弧力的作用共同作用在熔池的表面使下凹形成一定熔深。F–––H力的作用方向的影响力的作用方向的影响如v–––F不垂直–––分解为垂直力––––H水平力––––aF其它力的影响其它力的影响a、熔池的重力大小与体积有关影响决定于空间位置––––成形变坏的重要因素。其它力的影响其它力的影响b、表面张力影响流体金属在电弧力作用下的流动边界的润湿温度梯度大时作用明显–––a,B其它力的影响其它力的影响c、电磁力熔池中电流线发散–––Fc在斑点处最大––––涡流有利于成分均匀、气体析出强制对流对底部传热–––HJ焊接条件对焊缝成形尺寸的影响焊接条件对焊缝成形尺寸的影响()焊接规范的影响(i)I的影响(i)I的影响I–––热、力–––H–––D–––B–––对于熔化极vm––a(ii)弧压的影响(ii)弧压的影响U––L––加热范围––Ba––散热工件表面q–––H(iii)焊接速度影响(iii)焊接速度影响v–––线能量––––HBa线能量=IUv单位:Jm()焊接工艺因素的形影响()焊接工艺因素的形影响(i)电流种类与极性TIG焊DCSP:热发射电弧稳定热与力相对集中–––HBDCRP:阴斑游动电弧发散加热面积宽、不集中––––––HB目前已较少使用(i)电流种类与极性(i)电流种类与极性AC:介于SP与RP之间––––用于焊有色金属。(ii)熔滴过渡(ii)熔滴过渡MIGMAG:DCRP取决于熔滴过渡形式––短路过渡(细丝CO焊)–––I–––H–––熔池浅–––a喷射过渡–––I–––HB(iii)焊枪倾角(iii)焊枪倾角前倾焊电弧指向未焊处预热–––B液金属向未熔处排–––液层–––H后倾焊电弧指向已焊焊缝–––液金属向后排–––a液层–––挖掘––H预–––B略(iv)工件倾斜(iv)工件倾斜分上坡、下坡焊分析同上。(v)坡口与间隙(v)坡口与间隙开坡口与留间隙––––相当于焊缝位置下沉––––同规范下Ha作用之一–––调整余高。(vi)材料与厚度(vi)材料与厚度母材的热物理性能的影响如–––比热容C–––H导热率––––HmmSUSA,CuA熔点Tm––––H熔化潜热–––H厚度–––––––H密度–––液金属排出难–––H(vii)焊接材料(气体或焊剂)(vii)焊接材料(气体或焊剂)气体热缩––––E挺度–––HB焊接过程起弧与收弧质量控制焊接过程起弧与收弧质量控制()引弧质量控制引弧质量要求:()电弧启动性能好保证一次可靠引燃。()引弧处熔透成形好避免出现冶金缺陷(气孔等)。(i)不熔化极(i)不熔化极采用高频高压或脉冲高压引弧电弧引燃后预热(延时)以保证熔透。(ii)熔化极(ii)熔化极焊丝作电极接触短路引弧要保证一次接触短路引燃电弧要保证一次接触短路引燃电弧常用措施常用措施(a)引弧前将焊丝末端剪尖–––RA常用措施常用措施(b)用缓送丝引弧v引=~vfRA下降速度减慢。多用在粗丝等速送丝的场合。常用措施常用措施(c)用回抽引弧–––用于变速送丝人为造成小间隙从而可靠引燃。粗丝SAW常用措施常用措施(d)采用带启动补偿的弧焊电源引弧时提供大的didt和Imax保证A点先熔断。()改善引弧段成形质量()改善引弧段成形质量i、脉冲焊可加大引弧时tp(脉宽)值–––热输入–––然后切换为正常值。ii、可采取工艺补偿的办法半自动焊时合理地选择引弧点纵长缝可用引弧板焊后切除。iii、多层焊先TIG焊封底保证熔透再用熔化极盖面。()收弧质量控制()收弧质量控制收弧质量要求:()良好地填满弧坑(crater)()收弧处不应出现冶金缺陷––气孔blowhole:pinhole针状,porosity密集,wormhole条虫()熔化极防止粘丝(工件或导电咀)或返烧电弧烧坏导电咀。(i)不熔化极(i)不熔化极加焊丝–––填满弧坑易不加丝–––收弧衰减I–––热、力–––熔池排出的液态金属回流入弧坑(很难填满)大电流PAW还衰减离子气。I衰减方案有四种P图(ii)熔化极(ii)熔化极不同方法采取不同措施。(a)回烧焊丝收弧(a)回烧焊丝收弧用于等速送丝匹配平特性。先停送丝电弧回烧L–––I到一定弧长时断弧–––填满弧坑简单易行。但易烧坏导电咀收弧时间无法调节。(a)回烧焊丝收弧(a)回烧焊丝收弧(b)回抽焊丝收弧(b)回抽焊丝收弧收弧时强迫送丝电机反转回抽焊丝LI焊丝尚能继续熔化填满弧坑。当L拉长到一定长度时切断电弧收弧结束。(c)衰减I–––用于脉冲焊(c)衰减I–––用于脉冲焊(d)加引弧板焊接规范的自动调节焊接规范的自动调节电弧自身调节系统调节的必要性调节的必要性自动电弧焊过程,保证焊缝成形质量的重要条件是控制热入影响参数:I,U,vw要求L波动后能自动恢复保持规范稳定规范自动调节的必要性。自动调节系统自动调节系统给定值执行机构被控对象开环给定值执行机构被控对象检测与反馈闭环在焊接中的应用在焊接中的应用开环用于焊接设备的顺序控制程序开关元器件接触器、电磁阀信号有去无回。Sequencecontrol在焊接中的应用在焊接中的应用闭环用于焊接规范的控制:恒值––––稳定设定值适应––––优化参数达到最佳规范匹配。信号有去有回:检测偏差纠正偏差抗干扰能力强。恒温恒流恒压等离子焊小孔自适应控制在焊接中的应用在焊接中的应用在熔化极自动电弧焊过程中当选定vf引燃电弧后若电弧燃烧稳定电弧参量不变L=const必然存在:vm=vf当L波动工作点发生改变引起电弧静特性上移或下移从而规范发生变化()电弧自身调节过程()电弧自身调节过程LIvmvm<vf焊丝下送L:恢复原定弧长,即发生了电弧自身调节作用O´OII´UU´UILL()调节实质()调节实质L波动引起规范(IU)的变化vm变化通过瞬时vmvf使焊丝上提,或下送L恢复参数保持稳定。根据自身调节原理制成等速送丝自动焊机()电弧自身调节系统静特性曲线()电弧自身调节系统静特性曲线等熔特性曲线C曲线LLLLCUI图POOOO实验测得。短路过渡区亚射流过渡区自由飞渡区细丝上升特性匹配平外特性()等熔特性曲线的特点()等熔特性曲线的特点(i)C上的任何一点都是电弧稳定燃烧工作点。(ii)C上的任何一点都满足vm=vf=const,所以,C曲线就是在特定条件下的该焊丝的等速熔化特性曲线()等熔特性曲线的特点()等熔特性曲线的特点(iii)C上的任何一点都是三条曲线的交点反映了熔化极自动电弧焊时电弧稳定工作I,U,vf应保持的匹配关系()等熔特性曲线的特点()等熔特性曲线的特点(iv)在一般情况下该曲线略向右倾表明U–––L––热损失略–––I略。(v)特定的d下测得条件改变则曲线的形状、位置都将发生改变。()影响C曲线位置的因素()影响C曲线位置的因素(i)vfvf––––要保持vm=vf要求I曲线右移。所以IUmhrC曲线实际上是一组不同vf下的曲线簇d=const焊丝直径vf送丝速度()影响C曲线位置的因素()影响C曲线位置的因素(ii)Ls,有一定的影响Ls电阻热(vm=vf=const)熔化同样金属所需IC左移。焊丝外伸长度()影响C曲线位置的因素()影响C曲线位置的因素(iii)dd而vf=constmhr,即单位时间内熔化的长度不变熔化量却要增大。于是要求的IC右移。所以不同d下的C曲线不作在同一图上!焊丝直径()电弧自身调节作用的灵敏度()电弧自身调节作用的灵敏度弧长恢复存在快慢问题灵敏度。显然L波动引起的vm恢复速度快灵。(i)电源外特性(i)电源外特性UIOLL´II陡降外特性平外特性L弧长缩短量OO(i)电源外特性(i)电源外特性平特性引起的I最大于是vm最大灵。熔化极气体保护焊,采用平特性的重要原因。(ii)d(ii)dd(J)对焊丝加热效率vmMIGMAG常采用细丝的另一重要原因另:F改善熔滴过渡总结:细丝、大I、平外特性灵焊丝直径()自身调节精度(准确度)()自身调节精度(准确度)弧长波动自调恢复恢复不到原来值出现误差()等速送丝自动焊机的规范调节范围()等速送丝自动焊机的规范调节范围调变U–––实际上是调变电源外特性即调变U因而存在焊机的U的调节范围Umax~Umin调变I–––实际上是改变vf即C曲线的位置因而也存在一个调节范围vfmax~vfmin()等速送丝自动焊机的规范调节范围()等速送丝自动焊机的规范调节范围UILmaxvfminvfmaxLmaxUminUminP图弧压反馈自动调节系统简介弧压反馈自动调节系统简介粗焊丝(i)采用变速送丝焊接过程中靠弧压反馈使送丝电机正、反转实现送丝或退丝。(ii)采用下降或陡降外特性电源。()工作原理简介()工作原理简介UIL´L粗丝平特性()工作原理简介()工作原理简介在焊接过程中电弧燃烧稳定同样有vm=vf使弧长保持不变。L–––U––vf(vm<vf)––焊丝下送–––L弧长恢复()弧压反馈调节静特性曲线(A曲线)()弧压反馈调节静特性曲线(A曲线)()水平略向上斜()UC增大A曲线上移()变速送丝自动焊机的规范调节范围()变速送丝自动焊机的规范调节范围由Amax(Ucmax)~Amin(Ucmin)及Imax~Imin围成的区域P图I由电源外特性来调节陡降外特性调节I平外特性调UU由给定电压Uc来调节)变速送丝自动焊机的规范调节范围)变速送丝自动焊机的规范调节范围Amin(Ucmin)Amax(Ucmax)UIIminImaxP图熔焊的保护熔焊的保护电弧焊保护目的与方法隔离焊接区和空气接触防止与消除空气中O和N对金属的有害作用(冶金)熔焊的保护熔焊的保护保护范围:电极(焊丝)的受热部分焊接电弧(保证电弧介质不变)熔池未冷焊缝HAZ–––HeatAffectedZone统称焊接区保护方法保护方法渣保护手弧焊埋弧焊电渣焊气~~TIGMIGCOPAW激光焊气渣:药芯焊丝真空~~真空钎焊真空扩散焊电子束焊埋弧焊埋弧焊SAW:SubmergedArcWelding()特点()特点(i)过程:先送丝让末端与工件表面接触––––撒焊剂–––启动电源同时回抽焊丝–––引燃–––正常送丝焊接。()特点()特点(ii)电弧引燃后金属与焊剂蒸汽形成气泡熔融熔渣焊剂vf熔池()特点()特点电弧在里边燃烧––––上部被一层熔融熔渣所包围––––埋弧:①隔绝空气–––保护好②飞溅③热、光辐射看不到弧光没有弧光照射问题。()特点()特点(iii)渣壁过渡少量颗粒状过渡。()特点()特点(iv)电弧功率大E=~VcmI=~A厚板高速(vw=~mhr)熔池冶金反应充分气体、熔渣析出不开坡口单面焊双面成形=mm()特点()特点(v)只适于平焊长直缝或大曲率半径缝焊剂的堆放问题无法解决()SAW应用()SAW应用(i)适于焊接碳钢低合金钢SUS耐热钢etc。焊剂中主要为MnO、SiO等非金属氧化物不能焊活泼金属Al、Ti等。不锈钢()SAW应用()SAW应用(ii)厚、大、长。mm()SAW应用()SAW应用(iii)应用于造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重、冶金、矿山机械是常用电弧焊方法SAW冶金特点SAW冶金特点焊丝、焊剂及其选配()焊丝()焊丝按成分分为碳素结构钢焊丝如HA,HMnA合金钢结构钢焊丝如HCrMnSiA不锈钢焊丝如HCrNiTi,HCr()焊剂()焊剂造气、造渣作用稳弧作用脱氧、渗合金作用。()焊剂()焊剂要求(i)稳定电弧(ii)S、P(iii)对锈、油及杂质敏感性小(iv)合适的熔点、粘度。()焊剂()焊剂主要成分:PSiO、MnO、CaO、MgO、AlOetc()焊剂()焊剂按制造方法分:P()熔炼焊剂(~C)常用。()陶瓷″″:粘结型(~C烧结)烧结型(~C烧结)()焊剂()焊剂按化学成分无锰焊剂如HJ(高硅型)低锰″″″HJ(″″″)中锰″″″HJ(″″″)高锰″″″HJ,,(″″)Mn()焊剂()焊剂使用前烘干:C~hr脱水––––气孔可回收再用。()选配P()选配P(i)焊低碳钢时高Mn高Si焊剂––––HA,HMnA中Mn高Si″″––––HA,HMnAMn:~低Mn、无Mn″″–––HMnMn:~()选配()选配(ii)焊低合金高强钢中Mn中Si焊剂或低Mn中Si″″–––与母材强度相配的焊丝–––从强度考虑。()选配()选配(iii)焊耐热钢、低Mn钢、耐蚀钢中Si焊剂或低Si″″––––母材成分相近的焊丝––––从组织相同或相近考虑保证耐蚀性。()选配()选配(iv)焊铁素体、奥氏体高强钢陶瓷焊剂掺加合金元素(使渗合金)––––成分相近焊丝从组织考虑使生成FerriteorAusteniteSAW工艺与设备SAW工艺与设备()SAW工艺(i)焊前准备(i)焊前准备坡口制备––––清理––––装配<mm(手弧焊<mm)不开坡口。=~mmV形U形。>mm开X形。定位焊(暂焊、点固焊)保持间隙均匀、无错边。(ii)焊缝成形方式(i

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新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

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