焊接知识详解

机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 1页 共 40页 第一章 焊接概述 焊接是一种不可拆卸的连接方法，是金属热加工方法之一.焊接与铸造,锻压,热处理, 金属切削等加工方法一样,是机器制造,石油化工,矿山,冶金,航空,航天,造船,电子,核能等 工业部门中的一种基本生产手段.没有现代焊接技术的发展,就没有现代的工业和科学技术 发展. 第一节 焊接的种类 焊接:是指通过适当的物理化学过程(加热或加压),使两个工件产生原子(或分子)之间结合 力而连成一体的加工方法. 一,焊接方法的分类 等离子弧焊 原子氢焊 钨极氩弧焊(TIG) 氩气电弧焊(MIG) CO2电弧焊(MAG) 埋弧焊 焊条电弧焊(ARC) 空气乙炔 氧乙炔 氧 氢 非熔化极 熔 化 极 电子束钎焊 盐浴钎焊 炉钎焊 感应钎焊 火焰钎焊 摩擦焊 扩散焊 锻焊 爆炸焊 超声波焊 冷压焊 电阻对焊 电阻点,缝焊 激光焊 电子束焊 电渣焊 铝热焊 气 焊 螺柱焊 电弧焊 钎 焊 压力焊接 熔化焊接 基本焊接方法 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 2页 共 40页 第二节 手工电弧焊 一,概述 手工电弧焊,简称手弧焊.它利用焊条与工件之间建立起来的稳定燃烧的电弧,使焊条和 工件熔化,从而获得牢固的焊接接头. 在焊接过程中,药皮不断地分解,熔化而生成气体及熔渣,保护焊条端部,电弧溶池以及其 附近区域,以防止熔化金属氧化,焊条芯棒也在电弧作用下不断熔化,进入溶池,构成焊缝填充 金属.也有焊条药皮掺合金粉末,提高焊缝的机械性能. 二,ZX7系列焊机的一次电线截面计算 1,一次接线盒及空气开关的容量大小(根据额定容量测算).一次线截面计算: 220V级: 380V级: 空气开关容量= =5 导线截面 3380 额定输入容量 2.焊接电缆选择以 10米为例: 电缆加长到 30米时: 3.在野外作业时,经需要配置发电机,其容量计算: 发电机容量=单台焊机输入容量×N台 如:ARC315焊机,配入容量为 13KVA,应选 15KVA发电机. 三,焊机面板上旋钮的调节方法和作用 (详见说明书) 四,手工电弧焊电流选择 1.根据焊接金属材质,焊条类型,焊接结构来选择. 2.根据焊接结构所用的材料,板结构形式等因素确定所需电流的大小. 3.影响电流选择的其他因素(效率,电网容量,场地设施,噪音,维修,重量)用电量等因素. 五,电焊条的分类 一般按药皮成份分类为 10种类型,现列三种常用焊条举例说明如下: J422型 该焊条引弧容易电弧稳定飞溅小,熔深较浅,熔渣复盖性好,脱渣容易,焊缝波纹特别美观, 适用于全位置和薄板焊接,但塑性和裂性较差,能适用于一般低碳钢和同等强度的低合金钢焊 接.氧化钛钙型药皮,交直流两用.焊缝金属抗热强度不低于 420Mpa(42Kg/mm2).结构钢焊条 (表示用途类型). =5 导线截面 2220 额定输入容量 5-7 = 导线面积 焊接电流 焊接电流 导线面积= 10 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 3页 共 40页 J507型(拉力焊条) 该焊条熔渣流动性,其工艺性较好,能全位置焊,焊缝金属抗裂性能和机械性能较好,适用 于焊接重要结构件,受压容量 16MnR 及中碳钢及低合金钢重要构件.低氢钠型药皮,直流焊缝 金属抗拉强度不低于 500Mpa.结构钢焊条 A117型 该焊条为低氢型不锈钢焊条,适用于铬 18镍 9不锈钢结构.低氢型药皮----直流.同一等级 焊缝化学成份中的不同牌号.焊缝金属主要化学成分类型 Cr18%Ni8%.奥氏体不锈钢焊条. 六,电弧焊工艺 1.焊条片号及直径.主要取决于材料性质,焊件的厚度,接头形式焊缝位置,焊缝参数等因数.焊 条直径与板厚关系如下表: 焊件厚度(mm) ＜4 4~8 ＞8~12 ＞12 焊条直径(Φmm) ≤3.2 Φ3.2~4 Φ4.0~5.0 Φ5~6 2.焊接电流:焊接电流的大小,主要根据焊条类型,焊条直径,焊件厚度以及接头型式焊缝层次 等因素,结构钢焊条平焊位置时,焊接电流呆根据下列经验公式来初选. I=Kd I---------焊接电流 K---------经验系数 d-----------焊条直径 焊接电流经验系数和焊条直径关系: 焊件直径(Φmm) 1.6 2~2.5 3.3 4~6 经验系数(A/mm) 20~25 25~30 30~40 40~50 立焊,横焊,仰焊时焊接电流应比平焊电流小 10~20%,角焊时应比平焊位置时大 10~20%. 合金钢焊条,不锈钢焊条,由于电阻大热膨胀系数高,若电流大则焊接过程中焊条容易发红造 成药皮脱落,影响焊接质量,因此电流要适当减小. 3.焊接输出的连接方法 碱性焊条纤维素焊条施焊时应采用直流反接法. 酸性焊条施焊时应采用直流正接法. 七,手工电弧操作过程: 1.引弧 将焊条与工件短路然后向上拉起焊条以引燃电弧称为点拉式引弧.将焊条端部在金属表 面轻轻划擦后提起焊条以引燃电弧叫擦引弧. 2.焊接过程 电弧引燃后,一方面要仔细观察熔池状态,始终保持熔池大小不变,不断调整焊条角度控 制弧长保持熔池金属不致外溢,另一方面要保持电弧沿焊接方向作匀速直线移动只有保持熔 池大小和焊接电弧移动速度始终不变,才能获得均匀一致的焊缝. 3.收弧 焊接结束时如果直接拉断电弧则会形成弧坑,弧坑会产生气孔裂缝降低焊缝接头的强度, 为此要采取下列措施. (1) 当电弧移至焊缝终端时,稍稍停留或者回焊一小段拉断电弧,此法适用于碱性焊条. (2) 当电弧移至焊缝终端时,采用反复熄弧,引弧法,填满弧坑. (3) 重要结构焊缝采用收弧板,使电弧在收弧板上运行一般后再拉断电弧. 在焊接过程中要获得高质量的焊缝,必须要有三个共同的要求: A.合适的工艺规范 B.正确的焊条角度 C.适当的运条方法 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 4页 共 40页 第三节 钨极氩弧焊 一,概述: 1.钨极氩弧焊就是以氩气作为保护气体,钨极作为不熔化极,借助钨电极与焊件之间产生的电 弧,加热熔化母材(同时添加焊丝也被熔化)实现焊接的方法.氩气用于保护焊缝金属和钨电极 熔池,在电弧加热区域不被空气氧化. 2.一般氩弧焊的优点: (1) 能焊接除熔点非常低的铝锡外的绝大多数的金属和合金. (2) 交流氩弧焊能焊接化学性质比较活泼和易形成氧化膜的铝及铝镁合金. (3) 焊接时无焊渣,无飞溅. (4) 能进行全方位焊接,用脉冲氩弧焊可减小热输入,适宜焊 0.1mm不锈钢. (5) 电弧温度高,热输入小,速度快,热影响面小,焊接变形小. (6) 填充金属和添加量不受焊接电流的影响. 3.氩弧焊适用焊接范围 适用于碳钢,合金钢,不锈钢,难熔金属铝及铝镁合金,铜及铜合金,钛及钛合金,以及超薄板 0.1mm,同时能进行全方位焊接,特别对复杂焊件难以接近部位等等. 二.钨极氩弧焊焊机的组成 1.本公司氩弧焊机的型号(见图表),编制方法,文字说明. 2.焊机的部件(焊机,焊枪,气,水,电),地线及地线钳,钨极. 3.焊机的连接方法(以WSM)系列为例) (1)焊机的一次进线,根据焊机的额定输入容量配制配电箱,空气开关的大小,一次线的截面. (2) 焊机的输出电压计算方法:U=10+0.04I (3) 焊机极性,一般接法:工件接正为正极性接法;工件接负为负极性接法.钨极氩弧焊一定要 直流正极性接法:焊枪接负,工件接正. (4)水源接法,氩气接法 三.焊枪的组成(水冷式,气冷式): 手把,连接件,电极夹头,喷嘴,气管,水管,电缆线,导线. 四,氩气的作用,流量大小与焊接关系,调节关系. 1.氩气属于惰性气体,不易和其它金属材料,气体发生反应.而且由于气流有冷却作用,焊缝热 影响区小,焊件变形小,是钨极氩弧焊最理想的保护气体. 2.氩气主要是对熔池进行有效的保护,在焊接过程中防止空气对熔池侵蚀而引起氧化,同时对 焊缝区域进行有效隔离空气,使焊缝区域得到保护,提高焊接性能. 3.调节方法是根据被焊金属材料及电流大小,焊接方法来决定的:电流越大,保护气越大,活泼 元素材料,保护气要加强加大流量.具体见下表: 板厚(mm) 电流大小(A) 气体流量 不锈钢 铝 铜 钛 0.3~0.5 10~40 4 6 6 6 0.5~1.0 20~40 4 6 6 6 1.0~2.0 40~70 4~6 8~10 8~10 6~8 2.0~3.0 80~130 8~10 10~12 10~12 8~10 3.0~4.0 120~170 10~12 10~15 10~15 10~12 ＞4.0 160~200 10~14 12~18 12~18 12~14 14~18 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 5页 共 40页 氩气太小,保护效果差,被焊金属有严重氧化现象.氩气太大,由于气流量大而生产紊流,使 空气被紊流气卷入溶池,产生溶池保护效果差,焊缝金属被氧化现象.所以流量一定要根据板 量,电流大小,焊缝位置,接头型式来定.具体以焊缝保护效果来决定,以被焊多属不出现氧化为 标准. 五,钨极 1.钨极是高熔点材料,熔点为 3400℃,在高温时有强烈的电子发射能力,并且钨极有很大的电 流载流能力.钨极载流能力见下表: 电极 直流正接法时 Φ1.0 20~80A Φ1.6 50~160a Φ2.0 100~200A Φ3.0 200~300A Φ4.0 300~400A Φ5.0 420~520A Φ6.0 450~550A 2.钨极表面要光滑,端部要有一定磨尖,同心度要好,这样焊接时高频引弧好,电弧稳定性好,溶 深深,溶池能保持一定,焊缝成形好,焊接质量好. 3.如果钨极表面烧坏或表面有污染物,裂纹,缩孔等缺陷时,这样焊接时高频引弧困难,电弧不 稳定,电弧有漂移现象,熔池分散,表面扩大,熔深浅,焊缝成形差,焊接质量差. 4.钨极直径大小是根据材料厚度,材料性质,电流大小,接头形式来决定,见下表: 板厚(mm) 钨极直径(mm) 焊接电流(A) 0.5 Φ1.0 35~40 0.8 Φ1.0 35~50 1.0 Φ1.6 40~70 1.5 Φ1.6 50~85 2.0 Φ2.0~3.5 50~130 3.0 Φ2.5~3.0 120~150 六,焊丝 焊丝选择要根据被焊材料来决定,一般以母材的成分性质相同为准.焊接重要结构时,由 于高温要烧损合金元素,所以选择焊丝一定要高于母材料,把焊丝熔入熔池来补充合金元素烧 损. 钨极氩弧焊,一种方法可以不添丝自熔,熔化被焊母材;另一种要添加焊丝,电极熔化金属, 同时焊丝熔入熔池,冷却后形成焊缝. 不锈钢焊接时,焊丝与板厚和电流大小关系见下表: 板厚(mm) 电流(A) 焊丝直径(Φmm) 0.5 30~50 1.0 0.8 30~50 1.0 1.0 35~60 1.6 1.5 45~80 1.6 2.0 75~120 2.0 3.0 110~140 2.0 随着板厚增加,电流增大,焊丝直径增粗 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 6页 共 40页 铝及铝合金焊接时,焊丝与板厚,电流大小关系见下表: 板厚(mm) 电流(A) 钨 极 直 径 (Φmm) 焊 丝 直 径 (Φmm) 气流量 1 60~90/110~140 1.0~1.6 4~6 6~8 1.5 70~100/130~160 2.0 2 90~120/150~180 2.0~3.0 2.0 6~8 8~10 3 120~180/170~220 3.0~4.0 8~12 4 140~200/190~260 3.0~4.0 2.5 8~12 10~14 6 160~220/200~300 4.0~5.0 3.0 10~18 12~20 七,WSM(WSE)系列焊机面板上的各种旋钮和调节方法,见说明书. 八.直流氩弧焊与脉冲氩弧焊的区别: 1.直流氩弧焊,即在直流正极性接法下以氩气为保护气,借助电及与焊件之间的电弧在一定的 要求下(焊接电流),加热熔化母材,添加焊丝时焊丝也一同熔入熔池,冷却形成的焊缝. 2.脉冲氩弧焊,除直流钨极氩弧焊的规范外,还可独立地调节峰值电流,基值电流,脉冲宽度,脉 冲周期或频率等规范参数,它与直流氩弧焊相比优点如下: (1)增大焊缝的深宽比,在不锈钢焊接时可将熔深宽增大到 2:1 (2)防止烧穿,在薄板焊接或厚板打底焊时,借助峰值电流通过时间,将焊件焊透,在熔池明显下 陷下之前即转到基值电流,使金属凝固.而且有小电流维持电弧直至下一次峰值电流循环. (3)减小热影响区,焊接热敏感材料时,减生活上脉冲电流通过时间和基值电流值,能把热影响 区范围降低到最小值,这样焊接变形小. (4) 增加熔池的搅拌作用,在相同的平均电流值时,脉冲电流的峰流值比恒定电流大,因此电弧 力大,搅拌作用强烈,这样有助于减少接头底部可能产生气孔和不熔合现象.在小电流焊接时, 较大的脉冲电流峰值电流增强了电弧挺度,消除了电弧漂移现象. 九.焊前准备和焊前清洗: 1.检查焊机的接是否符合要求. 2.水,电,气是否接通,并按要求全部连接好,不能松动. 3.对母材进行焊前检查并清洗表面. 4.用工具清洗,即用刷子或砂纸彻底清除母材表面水,油,氧化物等. 5.重要结构用化学清洗法,清洗表面的水,油,高熔点氧化膜,氧化物污染.简单用丙酮清洗,或用 烧碱硫酸等方法清洗. 6.工作场所的清理,不能有易燃,易爆物,采取避风措施等. 十,焊接规范参数 钨极氩弧焊参数主要是电流,氩气流量,钨极直径,板的厚度,接头型式等 不锈钢氩弧规范列如下: 板材厚度 钨极直径 焊丝直径 接头型式 焊接电流 气体流量 0.5 1.0 1.0 平对接 35-40A 4-6 0.8 1.0 1.0 添加丝 35-45A 4-6 1.0 1.6 1.6 40-70A 5-8 1.5 1.6 1.6 50-85A 6-8 2.0 2-2.5 2.0 80-130A 8-10 3.0 2.5-3 2.25 120-150A 10-12 交流铝合金规范参数如下: 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 7页 共 40页 板材厚度 钨极直径 焊丝直径 接头型式 焊接电流 气体流量 ＜1.0 1.0-1.5 1.0-2.0 平对接 60-90A 4-6 1.5 2.0-2.5 2.0 添加丝 70-100A 6-8 2.0 2.0-3.0 2.0-2.5 90-120A 8-10 3.0 3.0-4.0 2.5-3.0 120-180A 10-12 4.0 3.0-4.0 2.5-3.0 140-200A 12-14 6.0 4.0-5.0 3.0-4.0 160-220A 14-16 十一,焊接操作 1.焊前 检查设备,水,气,电路是否正常,焊件和焊枪接法是否符合要求,规范参数是否调试妥当,全部正 常后,接通电源,水源,气源. 2.焊接 把焊枪的钨极端部对准焊接缝起焊点,钨极与工件之间距离为 1-3mm 按下焊开关,拉前送气, 高频放电引弧,焊枪保持 70°-80°倾角,审干丝倾角为 11°-20°焊枪作直线匀速移动,并在 移动过程中观察熔池,焊丝的送进速度与焊接速度要匹配,焊丝不能与钨极接触,以免烧坏钨 极,焊枪.同时根据焊缝金属颜色,来判定氩气保护效果的好坏. 3.收弧的方法: (1)焊接结束时,焊缝终端要多添加些焊丝金属来填满弧坑.熄灭电弧后,在熄弧处多停留一 段时间,使焊缝终端得到充分氩气保护,防止氧化. (2)利用焊机的电流衰减装置,在焊缝终端结束前关闭控制按钮,此时电弧继续燃烧,焊接继 续,直至电弧熄灭,保证了焊缝端部不至于烧穿,保证了焊缝质量. (3)重要结构的焊接件,焊缝的两端要加装引弧板和熄弧板.焊接引弧在引弧板上进行,熄弧 在熄弧板上进行,保证了焊缝前点和终端的质量. 第四节 CO2气体保护焊 一,CO2电弧焊的特点和应用 CO2电弧焊是一种高效率的焊接方法,以 CO2气体作保护气体,依靠焊丝与焊件之间的电弧来 熔化金属的气体保护焊的方法称 CO2焊.这咱焊接法都采用焊丝自动送线,敷化金属量大,生 产效率高,质量稳定.因此,在国内外获得广泛应用,与其它电弧焊相比有以下特点: 1.生产效率高 CO2 电弧焊穿透力强,熔深大,而且焊丝熔化率高,所以熔敷速度快,生产效率 可比手工电弧焊高 3倍. 2.焊接成本低 CO2焊的成本只有埋弧焊与手工电弧成本的 40%-5%. 3.消耗能量低 CO2 电弧焊和药皮焊条相比 3mm 厚钢板对接焊缝,每米焊缝的用电降低 30%,25mm钢板对接焊缝时用电降低 60%. 4.适用范围宽 不论何种位置都可以进行焊接,薄板可焊到 1mm,最厚几乎不受限制(采用多 层焊).而且焊接速度快,变形小. 5.抗锈能力强 焊缝含氢量低抗裂性能强. 6.焊后不需清渣,引弧操作便于监视和控制,有利于实现焊接过程机械化和自动化. 我国在 CO2 焊接设备,焊接材料,焊接工艺方面已取得了很大的成就.CO2 电弧焊接在我国的 造船,机车,汽车制造,石油化工,工程机械,农业机械中获得了广泛应用. 二,焊机的型号和连接方法 1.我公司 CO2焊机型号(见文字说明表) 2.面板上的旋钮作用与调节方法(见说明书) 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 8页 共 40页 3.连接方法 水,电,气,焊枪(见说明书) 4.焊枪的构造及软管,导电嘴,喷嘴. 5.焊机可能发生的故障及排除方法(见说明书) 三,焊接材料 1.CO2保护气体 CO2有固态,液态,气态三种状态.瓶装液态 CO2是 CO2焊接的主要保护气源,液态 CO2是无色 液体.其密度随温度变化而变化.当温度底于-11℃时密度比水大,当温度高于-11℃时则密度 比水小.在常温下能自己气化.CO2气瓶漆成黑色标有”CO2”黄色字样. 2.焊丝 (1)焊丝必须含有足够数量的脱氧元素以减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气体. (2)焊丝的含碳量要低,通常要求＜0.11%,这样可减少气孔和飞溅. (3)保证焊缝金属具有满意的机械性能和抗裂性能. 目前生产中应用最广的焊丝为 H08Mn2SiA 焊丝,该焊丝有较好的工艺性能,机械性能及 抗热裂纹能力,适用于焊接低碳钢,屈服极限＜500M 的低合金钢和经焊后热处理抗拉强度＜ 1200Mpa的低合金高强钢. 焊丝表面的清洁程度影响到焊缝金属中含氢量.焊接重要结构应采用机械,化学或加热 办法清除焊丝表面的水分和污染物. 随焊丝直径增大电弧电压降低.CO2 细颗粒过渡和在氩弧焊中的喷射过渡有着实质性差 别.氩弧焊中的喷射过渡是轴向的,而 CO2 中的细颗粒过渡是非轴向的,仍有一定金属飞溅. 另外氩弧焊中的喷射过渡界电流有明显较变特征.(尤其是焊接不锈钢及黑色金属)而细颗粒 过渡则没有. 3.减少金属飞溅措施: (1)正确选择工艺参数,焊接电弧电压:在电弧中对于每种直径焊丝其飞溅率和焊接电流之间 都存在着一定规律在小电流区,短路过渡飞溅较小,进入大电流区(细颗粒过渡区)飞溅率也 较小. (2)焊枪角度:焊枪垂直时飞溅量最少,倾向角度越大飞溅越大.焊枪前倾或后倾最好不超过 20度. (3)焊丝伸出长度:焊丝伸出长对飞溅影响也很大,焊丝伸出长度从 20增至 30mm,飞溅量增加 约 5%,因而伸出长度应尽可能缩短. 4.保护气体种类不同,其焊接方法有区别. (1)利用 CO2气体为保护气的焊接方法为 CO2电弧焊.在供气中要加装预热器,因为液态 CO2 在不断气化时吸收大量热能,经减压器减压后气体体积膨胀也会使气体温度下降,为了防止 CO2 气体中水分在钢瓶出口及减压阀中结冰而堵塞气路,所以在钢瓶出口及减压之间将 CO2 气体经预热器进行加热. (2)CO2+Ar气作为保护气的焊接方法 MAG焊接法,称为物性气体保护,此种焊接方法适用于不 锈钢焊接. (3)Ar作为气体保护焊的 MIG焊接方法,此种焊接方法适用于铝及铝合金焊接. 五,基本操作技术 1.注意事项 (1)电源,气瓶,送丝机,焊枪等连接方式参阅说明书. (2)选择正确的持枪姿势: A.身体与焊枪处于自然状态,手腕能灵活带动焊枪平移或转动. B.焊接过程中软管电缆最小曲率半径应大于 300m/m焊接时可任意拖动焊枪. 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 9页 共 40页 C.焊接过程中能维持焊枪倾角不变还能清楚方便观察熔池. D.保持焊枪匀速向前移动,可根据电流大小,熔池的形状,工件熔和情况调整焊枪前移速度, 力争匀速前进. 2.基本操作 (1)检查全部连接是否正确,水,电,气连接完毕合上电源,调整焊接规范参数. (2)引弧:CO2气体保护焊采用碰撞引弧,引弧时不必抬起焊枪,只人保证焊枪与工作距离. A.引弧前先按遥控盒上的点动开关呀焊枪上的控制开关将焊丝送出枪嘴,保持伸出长度 10~15mm. B.将焊枪按要求放在引弧处,此时焊丝端部与工件未接触,枪嘴高度由焊接电流决定. C.按下焊枪上控制开关,焊机自动提前送气,延时接通电源,保持高电压,慢送丝,当焊丝碰撞 工件短路后自然引燃电弧.短路时,焊枪有自动顶起的倾向,故引弧时要稍用力下压焊枪,防 止因焊枪抬起太高,电弧太长而熄灭. 3.药芯焊丝 (1)由于药芯成分改变了纯 CO2电弧的物理化学性质,因而飞溅小且飞溅颗粒清除,又因熔池 表面盖有熔渣,焊缝成形类似手工弧焊.焊缝较实芯焊丝电弧焊美观. (2)与手工焊相比由于 CO2 电弧耐热效率高加上电流密度比手工弧焊大,生产效率可为手工 弧焊的 3-5倍. (3)调整药芯成分就可焊不同的钢种,而不象冶炼实芯丝那样复杂. (4)由于熔池受到 CO2气体和熔渣二方面的保护,所以抗气孔能力比实芯焊丝能力强. 四.焊接规范选择 1.短路过渡焊接 CO2 电弧焊中短路过度应用最广泛,主要用于薄板及全位置焊接,规范参数为电弧电压 焊接电流,焊接速度,焊接回路电硬度,气体流量及焊丝伸出长度等. (1)电弧电压和焊接电流,对于一定的焊丝直径及焊接电流(即送丝速度),必须匹配合适的电 弧电压,才能获得稳定的短路过渡过程,此时的飞溅最少. 不同直径焊丝的短路过渡时参数如表: 焊丝直径(mm) 0.8 1.2 1.6 电弧电压(V) 18 19 20 焊接电流(A) 100-110 120-135 140-180 (2)焊接回路电感,电感主要作用: A.调节短路电流增长速度 di/dt,di/dt 过小发生大颗粒飞溅至焊丝大段爆断而使电弧熄 灭,di/dt过大则产生大量小颗粒金属飞溅. B.调节电弧燃烧时间控制母材熔深. C.焊接速度.焊接速度过快会引起焊缝两侧吹边,焊接速度过慢容易发生烧穿和焊缝组织粗 大等缺陷. D.气体流量大小取决于接头型式板厚,焊接规范及作业条件等因素.通常细丝焊接时气流量 为 5-15L/min,粗丝焊接时为 20-25L/min. E.焊丝伸长度.合适的焊丝伸出长度应为焊丝直径的 10-20 倍,焊接过程中,尽量保持在 10-20mm范围内,伸出长度越大的焊丝这种影响越明显. F.电源极性.CO2 电弧焊一行贿受贿采用直流反极性时飞溅小,电弧稳定母材熔深大,成型好, 而且焊缝金属含氢量低. 2.细颗粒过渡. (1)在 CO2 气体中,对于一定的直径焊丝,当电流增大到一定数值后同时配以较高的电弧压, 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 10页 共 40页 焊丝的熔化金属即以小颗粒自由飞落进入熔池,这种过渡形式为细颗粒过渡.细颗粒过渡时 电弧穿透力强母材熔深大,适用于中厚板焊接结构.细颗粒过渡焊接时也采用直流反接法. (2)达到细颗粒过渡的电流和电压范围: 焊丝直径(mm) 电流下限值(A) 电弧电压(V) 1.2 300 34-35 1.6 400 2.0 500 随着电流增大电弧电压必须提高,否则电弧对熔池金属有冲刷作用,焊缝成型恶化,适当提高 电弧电压能避免这种现象.然而电弧电压太高飞溅会显著增大,在同样电流下 不锈钢空气等离子切割规范 6 Φ1 30 8 0,2.5 10 Φ1.2 40 70 0,2.5 20 Φ2.5 100 70 0,2.0 30 Φ3 125 70 0,2.0 铝及铝合金空气等离子切割规范 6 Φ1.2 40 10 0,30 10 Φ1.5 100 70 0,30 20 Φ2.5 125 70 0,25 30 Φ3.5 125 70 0,25 五.使用过程中焊机发生的故障及排除方法(详见说明书). 3.焊接 引燃电弧后,通常采用左焊法,焊接过程中要保持焊枪适当的倾斜和枪嘴高度,使焊接尽可能 地匀速移动.当坡口较宽时为保证二侧熔合好,焊枪作横向摆动,焊接时,必须根据焊接实际 效果判断焊接工艺参数是否合适.看清熔池情况,是弧稳定性,飞溅大小及焊缝成型的好坏来 修正焊接工艺参数,直至满意为止. 4.收弧 焊接结束前必须收弧.若收弧不当容易产生弧坑并出现裂纹,气孔等缺陷.焊接结束前必 须采取措施. (1)焊机有收弧坑控制电路.焊枪在收弧处停止前进,同时接通此电路,焊接电流电弧电压自 动减小,待熔池填满. (2)若焊机没有弧坑控制电流或因电流小没有使用弧坑控制电路.在收弧处焊枪停止前进,并 在熔池未凝固时反复断弧,引弧几次,直至填满弧坑为止.操作要快,若熔池已凝固才引弧,则 可能产生未熔合和气孔等缺陷. 第五节 等离子切割机 一.等离子弧切割方法: 利用等离子弧高速高温和高能的等离子气流加热并熔化金属,再借助某种气体介质排队 熔化了的金属而形成割口.由于等离子弧能量集中,所以割件的热影响区小,热变形小,切割 速度随割件厚度增加而减慢.等离子弧可切割所有金属材料,特别适用于火焰切割无法切割 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 11页 共 40页 的高合金钢和有色金属. 二.割枪的组成: 等离子发生器,导电咀,导电极,气体分配器,陶瓷,喷咀. 三.本公司切割机型号,连接方法,面板调节旋钮的作用和调节方法(详见说明书) 四.切割工艺 1.切割气体 空气等离子弧切割采用压缩空气作为切割气体. 2.切割规范 包括切割电流,切割速度,气体流量及参数. (1)切割电流 电流大小与割件材质和厚度有关,切割电流随割件厚度增加而增大电流. (2)切割速度 切割速度取决于割件材质厚度,切割电流.切割速度快慢严重影响切口质量速 度过快,等离子弧来不及熔化金属. (3)喷咀高度 喷咀离割件的的高度与割炬结构有关,一般金属表面 2-4mm. (4)气体流量 影响着电弧压缩程度和吹除熔化金属的效果,流量过大,电弧趋于不稳定,气 流过小无法吹除熔化金属,甚至烧坏导电咀. 低碳钢空气等离子切割规范 板材厚度(mm) 导 电 咀 孔 径 (Φmm) 切割电流(A) 气 体 流 量 (L/min) 切 割 速 度 (m/min) 6 1 30 8 0.24 10 12 40 70 0.30 20 2 100 70 0.35 30 2.5 125 70 0.30 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 12页 共 40页 第二章 弧焊电源 第一节 弧焊电源的种类 弧焊电源在电弧焊中的作用 不同材料,不同结构的工件,需要采用不同的电弧焊工艺方法,而不同的电弧焊工艺方法 则需用不同的电弧焊机.例如:操作方便,应用最为广泛的焊条电弧焊,需要由对电弧供电的 电源装置,和焊钳组成的手弧焊机;锅炉,化工,造船等工业广为使用的埋绵焊,需要由电源装 置和,控制箱和焊车等组成的埋弧焊机;适用于焊接化学性活泼金属的气体保护电弧焊,需要 由电源装置,控制箱,焊车(自动焊)或送丝机构(半自动焊),焊枪,气路和水路系统等组成的 气体保护电弧焊;适用于焊接高熔点金属的等离子弧焊,则需要由电源装置,控制系统,焊枪 或焊车(自动焊),气路和水路系统等组成的等离子弧焊机. 由上述可知,各种电弧焊方法所需的供电装置即弧焊电源是电弧焊机的重要组成部分, 是对焊接电弧供给电能的装置,它应满足电弧焊所需要的电气特性,这正是本课程将要系统 讲述的内容,与弧焊电源配套的其它装置和设备部分,将在<焊接方法和设备>课程中讲述. 显然,弧焊电源电气性能的优劣,在很大决定了电弧焊机焊接过程的稳定性.没有先进的 弧焊电源,要实现先进的焊接工艺和焊接过程自动化也是难以办到的.因此,应该对弧焊电源 的基本理论,结构特点和电气性能进行深入的研究,真正了解和正确使用弧焊电源,进而研制 出新型的弧焊电源,使焊接质量和生产效率得到进一步提高. 二,弧焊电源的种类弧焊电源种类很多,其分类方法也不尽相同.本书按弧焊电源输出的焊接 电流波形的形状将弧焊电源分为交流弧焊电源,直流弧焊电源和脉冲弧焊电源三种类型.每种 类型的弧焊电源根据其结构特点不同又可分为多种形式.如图所示. 三.常见弧焊电源的特点和用途 1.交流弧焊电源 交流弧焊电源包括工频交流弧焊电源(弧焊变压器),矩形波交流弧焊电源.下面分述其特 点及用途. (1)工频交波弧焊电源 即是弧焊变压器,它把电网的交流电变成适合于电弧焊的低电压交流电,它由变压器,电抗器 等组成.弧焊变压器具有结构简单,易造易修,成本低,磁偏吹小,空载损耗小,噪声小等优点.但 其输出电流波形为正弦波,因此,电弧稳定性较差,功率因数低,一般用于焊条电弧焊,埋弧焊和 钨极惰性气体保护电弧焊等方法. (2)矩形波交流弧焊电源 它是利用半导体控制技术来获得矩形交流电流的.由于输出电流过零点时间短,电弧稳定性好, 正负半波通电时间和电流比值可以自由调节,此特点适合于铝及铝合金钨极氩弧焊. 2.直流弧焊电源 (1)直流弧焊发电机 弧焊发电机 晶体管式 晶闸模式 绝缘栅双极晶体管IGBT 逆变式弧焊焊电源 弧焊整流器 矩形波弧焊电源 弧焊变压器 直流弧焊电源 脉冲弧焊电源 交流弧焊电源 弧焊电源 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 13页 共 40页 一般由特种直流发电机,调节装置和指示装置等组成.按驱动动力的不同,直流弧焊发电 机可分为两种:以电动机驱动的并与发电机组成一体的称为直流弧焊电动发电机;以柴(汽)油 驱动并与发电机组成一体的,称为直流弧焊柴(汽)油发电机.它与弧焊整流器相比,制造复杂, 噪声及空载损耗大,效率低,价格高;但其抗过载能力强,输出脉动小,受电网电压波动的影响小, 一般用于碱性焊条电弧焊. (2)弧焊整流器 是由变压器,整流器及为获得所需外特性的调节装置,指示装置等组成.它把电网交流电经降 压整流后获得直流电.与直流弧焊发电机相比,它具有制造方便,价格低,空载损小,噪声小等优 点.而且大多数弧焊整流器可以远距离调节焊接工艺参数,能自动补偿电网电压波动对输出电 压和电流的影响.它可作为各种弧焊方法的电源. (3)逆变式弧焊电源 它把单相(或三相)交流电经整流后,由逆变器转变为几百至几万赫兹的中频交流电,降压 后输出交流或直流电.整个过程由电子电路控制,使电源获得符合要求的外特性和动特性.它 具有高效节能,重量轻,体积小,功率因数高等优点.可应用于各种弧焊方法,是一种很有前途的 普及型弧焊电源. 4.脉冲弧焊电源 焊接电源以低频调制脉冲方式馈送,一般由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成.它具有 效率高,输入线能量较小,线能量调节范围宽等特点.它主要用于气体保护电源焊和等离子弧 焊. 四.弧焊电源的现状及发展方向 焊接技术的发展是与近代工业和科学技术的发展紧密相联的.弧焊电源又是弧焊技术发 展水平的主要标志.它的发展与弧焊技术的发展也是互相促进,密切相关的. 1.早期的弧焊电源 1802 年俄国学者发现了电弧放电现象.并指出利用电弧热熔化金属的可能性.但是电弧真正 应用于工业生产,则是在 1892 年出现了金属极电弧焊接方法以后,当时电力工业发展较快,弧 焊电源本身也有了很大的改进.到 20世纪 20年代除直流弧焊发电机外,已开始应用结构简单, 成本低廉的弧焊变压器. 2.焊接方法的发展 随着工业生产的进一步发展.不但需要焊接的产品数量增加了,而且许多产品对焊接质量 要求也提高了.加之焊接冶金科学的发展,20 世纪 30 年代在薄药皮焊条的基础上研制成功了 制造工业及电力拖动,自动控制等新科学技术的发展,也为实现焊接过程机械化,自动化提供 了物质条件和技术条件,于是在 30年代后期,研制成功了自动埋弧焊.20 世纪 40 年代初,由于 航空,核能等技术的发展,迫切需要轻金属或合金,如铝,镁,钛,锆及其合金等.这些材料的化学 性能活泼,产品对焊接质量的要求又很高,氩弧焊就是为了满足上述要求而发展起来的新的焊 接方法.50 年代又相继出现了 CO2 焊等各种气体保护电弧焊,以及随后现现的焊接高熔点金 属材料的等离子弧焊. 3.弧焊电源的发展 各种焊接方法的问世,促进了弧焊电源的飞速发展,20 世纪 40 年代开始出现了用硒片制成的 弧焊整流器.到了 60 年代由于大容量的硅整流器件,晶闸管的问世,为发展新的弧焊整流器开 辟了道路.70 年代以来又相继成功研制了脉冲弧焊电源,逆变式弧焊电源,矩形波交流弧焊电 源. 4.弧焊电源的发展方向 弧焊电源的飞速发展,不仅表现在弧焊电源种类的大量增加,还表现在广泛应用电子技术,控 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 14页 共 40页 制技术,电子计算机技术等方面的理论知识和最新成就,来不断提高弧焊电源的质量,改善其 电气性能.例如,采用单旋钮调节,即用一个旋钮就可以对电弧电压,焊接电流和短路电流上升 速度等同时进行调节并获得最佳配合,通过电子控制电路获得多种形状的外特性,以适应各种 弧焊工艺的需要,提供多种电压,电流波形,以满足某些弧焊工艺的特殊需要,采用电压和温度 裣控制,设置电流递增和电流衰减环节,以防止引弧冲击和提高填满弧坑的质量,采用计算机 控制,具有记忆,预置焊接参数和在焊接过程中自动变换焊接参数等功能,使弧焊电源智能化. 第二节 逆变弧焊电源 一.什么是逆变 在生产实践中,需要利用电子电路把直流电变成交流电,这种对应于整流的逆向过程就定 义为逆变. 自 70 年代以来,随着电子技术和大功率快速开关器件的不断发展,逆变技术除了应用在 电工,电热,电化学等方面之外,已逐步引进焊接领域.逆变式弧焊电源(或称为弧焊逆变器)于 1981年首次出现在国际焊接与切割博览会上.由于逆变式弧焊电源具有节省材料和电能等突 出优点,现在各种类型的弧焊逆变器已相继研制成功,并逐步应用于各种弧焊方法,因此弧焊 逆变器是一种很有发展前途的新型弧焊电源. 1.弧焊逆变器的组成及其作用 弧焊逆变器是电子控制的弧焊电源中的一种新类型.因此它的组成,基本原理与通常的电 子控制弧焊电源相比在本质上是基本相同的,一般都采用闭环反馈系统控制它的电气性能,即 控制它的外特性和动特性. 弧焊逆变器的基本组成框图如图所示.它的主要组成及其作用如下: 弧焊逆变器的基本组成框图 (1)主电路:由供电系统,电子功率系统和焊接电弧等组成. A.供电系统 把工频交流电经整流器变换为直流电供给电子功率开关系统(逆变器).此外还通过变压,整流, 滤波及稳压系统对电子控制系统提供所需的各种直流电压. B.电子开关系统 是弧焊逆变大路的逆变器主电路,起着变换电参数(电压,电流及波形)的作用,并以低电压大电 流向焊接电弧提供所需的电气性能和工艺参数.这里必须指出,一个电功率系统,其本身并不 能焊接,必须与电子控制系统结合起来才能焊接.也就是说,只有两者的结合才能对焊接电弧 提供所需要的电气性能和焊接参数. (3)电子控制系统 对电子功率开关系统提供足够大的,按电弧所需变化规律的开关脉冲信号驱动逆变主电路的 检测电路 焊接输出变压器 给定电路 电子控制系统 电子功率开关系统 辅助电源 供电系统 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 15页 共 40页 工作,确切地说,它用于产生焊接电弧所需的静(外)特性和动特性.其主要组成是静态单元和动 态单元.电子控制系统往往包括驱动电路. (4)反馈给定系统 由检测电路,给定电路,比较放大电路等组成.检测电路主要作用是提取电弧电压和电流的反 馈信号;给定电路用于提供给定信号,决定对电弧提供焊接工艺参数的电流大小;与电子控制 系统一起.实现对弧焊逆变器的闭环控制,并使它获得所需外特性和动特性. 2.弧焊逆变器的基本工作原理 在供电系统中,单相或三相交流电网电压,经输入整流器整流和滤波器滤波后获得逆变器所需 的平滑的直流电压.该直流电压在电子功率开关系统中经逆变器的大功率开关器件(晶闸管, 晶体管,场效应管或 IGBT)组成的交替开关作用,变成几千至几万赫的中高频电流,再经过中高 频变压器降至适合于焊接的几十伏低电压,并借助于电子控制系统的控制电路和给定反馈电 路及焊接回路的阻抗,获得焊接工艺所需的外特性和动特性.如果需要采用直流电进行焊接, 还需经输出整流器整流和滤波,把中高频交流电变成直流输出. 弧焊逆变器主电路和基本工作原理可以归纳为: 工频交流-------直流-------逆变为中高频交流---------降压---------二次整流---------直流输出 二,逆变的目的 弧焊逆变器与弧焊变压器,直流弧焊发电机,弧焊整流器等传统弧焊电源的各项技术指标比较 可归纳出如下优点: (1)高效节能 弧焊逆变器由于体积小,铜耗和铁耗随耗用材料减少而大为降低无功功率损耗减少.因此,这 种弧焊电源的效率高,可以达到 80%-90%,功率因数可达 0.99;空载损耗极小,比传统弧焊电源 节电 1/3以上. (2)体积小,重量轻 中频变压器的重量仅为传统弧焊电源降变压器的几十分之一;整机重量仅为传统弧焊电源的 1/5-1/10;整机体积也只有传统弧焊电源的 1/3左右. (3)具有良好的动特性和弧焊工艺性能 它采用电子控制电路,可以根据不同的焊接工艺要求设计出合适的外特性,并保证具有良好的 动特性,从而可进行各种位置的焊接,获得良好的焊接工艺性能. (4)可用微机或单旋钮控制调节焊接工艺参数. A.根据材料性质决定焊机的型号. B.根据材料厚度决定焊机的功率大小. C.依据焊接要求,工艺特点,焊缝的位置,长短决定焊机型号及功率大小. (5)设备费用较低,但对制造技术要求较高. 第三节 弧焊电源的一般技术要求 一,焊接对电弧的要求 1.方便起弧 起弧是弧焊的先决条件.焊机的起弧难易度是焊机性能的主要参数之一,能否方便起弧决定了 焊机性能的优劣;起弧的难易也直接影响焊接的效果. 2.电弧放电稳定 稳定燃烧的电弧是良好焊接的保障.电弧是一种气体放电形式,良好的气体氛围和稳定的输出 电流是保持电弧稳定的重要条件.一般而言,手弧焊机焊接所需气体氛围由焊条上药皮授热产 生,埋弧焊机则由颗粒状焊剂层受热产生;而氩弧焊,CO2气体保护焊则由随机的气体瓶提供. 3.弧长可在一定范围变化 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 16页 共 40页 由于焊接是一个动态过程,由于人手的抖动,焊条的燃烧,焊条与工件间的距离不可避免地要 发生改变,要持续焊接,哒到良好的焊接效果,就不能让电弧熄灭,即要求电弧的长度在一定的 距离范围内改变时电弧不熄灭,正常焊接要求电弧长度为: H=(0.5~1)Φ (Φ为焊条直径) 拉弧时,H可达(2~3)Φ 4.电弧大小可选择 所需电弧的大小则根据工件的厚度及工艺要求等因素决定的,为了适应不同工件及不同工艺 的焊接需求,要求电弧的大小可以调节. 二,弧焊电源的一般要求 弧焊电源的负载是电弧,要形成符合焊接要求的电弧,弧焊电源要满足以下要求: 1.较大的短路电流和较高的空载电压: 起弧是电流越大,空载电压越高,越容易起弧. 2.输出电流稳定: 以保持电弧的稳定燃烧达到良好的焊接效果. 3.具有较宽的电压跟随能力: 以保证电弧长度改变时,电弧不熄灭. 4.输出电流可调节: 以满足不同要求下的焊接要求. 5.具备完善的自我保护系统: 焊机的工作环境恶劣,完善的自我保护系统是保证焊机安全,人身安全的重要保障. 三.国家标准对弧焊电源的要求 1.国标规定的常用焊机额定电流分档如下(A) 125 160 250 315 400 500 630 2.额定工作电压规定: 手弧焊机 V=20+0.04I 氩弧焊机 V=10+0.04I CO2气体保护焊机 V=14+0.05I 例如:ARC160机型的最大输出额定电压 V=20+0.04I*160=26.4V 3.安全要求 任何弧焊电源应符合国家标准 GB15579-1995之规定. 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 17页 共 40页 第三章 逆变弧焊电源整机方框图 一.焊王逆变焊机整机方框图 二.各部分电路的主要功能与技术要求 1.起动与过压保护电路:避免因开机给滤波电容充电产生的浪涌电流而损坏电源开关及电路, 整流桥避免因误接 380V 及电网波动带来的高压损坏机器,要求能安全起动,在输入电压过 高时起动保护,不损坏工作电路. 2.一次整流,滤波电路:把输入的 50HZ工频交流电转换成直流电. 3.过流保护电路:时刻对主回路中的电流进行采样,一旦电流超过允许值,便通过控制模块停 止逆变电路工作. 4.逆变电路:完成直流的逆变并输出稳定的高频电流. 5.变压电路:进行电压电流变换. 6.二次整流:把高频交流转换成直流输出. 7.控制模块:控制电路的开通与断开,并提供驱动电路,驱动模块电流.要求输出稳定,控制灵 敏. 8.驱动模块:提供逆变所需的开关信号. 9.辅助电源:给控制电路,驱动电路提供稳定的低压直流电源. 10.电流给定,反馈电路:对输出电流进行采样,给控制模块提供反馈信号,以保证整机稳定输 出. 第四章 主回路工作原理 一.什么叫主回路 主回路指焊机中提供功率电源的电路部分. 三.组成器件说明 过热保护 反馈给定电路 保护指示 控制模块 驱动电路 驱动模块 辅 助 电 源 二 次 整 流 变 压 逆 变 直 流 输 出 滤 波 一 次 整 流 起 动 保 护 机械人论坛-致力于创建最优秀的机械设计技术论坛 http://www.jixieren.net 第 18页 共 40页 1.K-电源开关 用以接通(或切断)与市电(220Ｖ，５０ＨＺ)的联系． ２．ＲＴ－起动电阻 因焊机启动时要给后面的滤波电解电容充电．为避免过大的开机浪涌电流损坏开关及触发空 开跳闸，在开机时接入启动电阻，用以限制浪涌电流．正常工作后，启动电阻被继电器短路．实 际电路中,为避免因开机浪涌电流冲击肇成启动电阻损坏,起动电阻采用了热敏电阻(PTC 和 NTC),它们具有良好的耐冲击性. 3.J1-继电器 开关接通之后,电流通过启动电阻给滤电解电容充电,当电容电压达到一定值时,辅助电源开 始工作提供 24V电,使继电器吸合,将启动电阻短路. 4.DB-硅桥 此硅桥用于一次整流,将市电 220V,50HZ交流电整流后输出 308V的直流电. 5.C1-电解滤波电容 整流后输出的 308V的直脉动直流,此电容起滤平作用. 6.R-放电电阻 在关机以后,滤波电容中存有很高电压,为了安全,用此电阻将存电放掉. 7.D2-高频滤波电容 在高频逆变中,需要给开关管提供高频电流,而电解滤波电容因本身电感及引线电感的原因, 不能提供高频电流,因此需要高频电容提供. 8.Q-开关管 开关管 Q1,Q2,Q3,Q4 组成全桥逆变器,在驱动信号作用下,将 308V 直流转变成 100KHZ(100 万赫兹)交流电的. 9.C3-隔直电容 为避免直流电流流过变压器肇成变压器饱而接入此电容. 10.T1-主变压器 变压器的作用是将 308V的高压变换成适合电弧焊接所需要的几十伏的低压. 11.D-快速恢复二极管 D5,D6的作用是二次整流,即将 100KHZ的高频交流电流再次转变成直流电流. 12.L1-电抗器 电抗器具有平波志流作用,可使输出电流变得连续稳定,保证焊接质量. 13.RF-分流器 分流器是用锰铜制成的大功率小阻值的电阻,用于检测输出电流的大小,提供反馈信号. 四.全桥逆变器工作原理 1.全桥逆变器的电路图 2.全桥逆变器工作原理 全桥逆变器工作周期份四个时候,分别为 t1,t2,t3,t4,其工作原理如下