氩弧焊的工作原理及应用

毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目：氩弧焊的工作原理及应用 姓 名： 袁 瑞 昊 编 号： 20082001341 平顶山工业职业技术学院 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 袁 瑞 昊 专业 机械设计与制造专业 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 年 月 日设计（论文）完成日期 年 月 日设计（论文）题目： 氩弧焊的工作原理及应用 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 系 专业，学生 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 专题（论文）题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 袁 瑞 昊 专业 机械设计与制造 年级 2008级 毕业设计（论文）题目： 氩弧焊的工作原理及应用 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 目 录摘要3第一章 焊工国家标准41.1焊工的职业定义41.2基础知识41.2.1识图知识41.2.2金属学及热处理知识41.2.3常用金属材料知识41.2.4电工基本知识41.2.5化学基本知识41.2.6安全卫生和环境保护知识51.2.7冷加工基础知识51.3氩弧焊机操作规程5第二章 氩弧焊及工作原理72.1氩弧焊的概述及特点72.1.1. 氩弧焊的特点72.2氩弧焊的分类82.3钨极氩弧焊92.3.1.钨极氩弧焊电弧特性92.3.2钨极氩弧焊的特点如下：102.3.3氩弧焊的一般要求18第三章 不锈钢薄板的焊接203.1不锈钢薄板的焊接工艺性分析203.1.1焊接熔池受力状况203.1.2工件的焊接变形203.1.3解决不锈钢薄板在焊接时产生的过烧（烧穿）、变形的主要措施213.2钨极氩弧焊在不锈钢薄板焊接中的应用技术要领213.2.1钨极氩弧焊（简称TIG焊）的主要特性21第四章 铝及铝合金的焊接性234.1铝及铝合金的特性234.2铝及铝合金焊后应进行的清理工作234.2.1常用的清渣方法和步骤：234.3铝及铝合金钨极氩弧焊的焊接工艺244.3.1焊丝的选用244.4铝及铝合金钨极氩弧焊的焊接工艺参数24致 谢26参考文献27摘要在从事焊接行业的过程中，对氩弧焊的一无所知到能够从事简单的焊接操作，这中间自己也搜集了大量资料，也向多位师父虚心请教，这中间的各种辛苦都令我终身难忘，因此把氩弧焊的工作原理及几种特种材料的焊接应用总结下来，算是对自己工作的总结。本文通过对氩弧焊的工作原理的介绍，包括文字、图表、图示等多种方法的介绍，更加直观的把复杂的原理表述出来，即使没接触过的人也能理解。最后又加入了不锈钢和铝材的焊接方法及变形等损伤的处理原则。在写作的过程中因为查阅了大量资料，使自己对氩弧焊的焊接从各个层面有了更深、更全面的理解，把这篇文章写出来与大家交流、学习，由于个人能力所限，在本文中难免会存在瑕疵之处，望各位原谅、指正。关 键 词：氩弧焊，工作原理，应用，不锈钢，铝材，特种焊接第一章 焊工国家标准1.1焊工的职业定义 操作焊接和气割设备，进行金属工件的焊接或切割成型的人员。1.2基础知识1.2.1识图知识 1.简单装配图和识读知识； 2.焊接装配识读知识； 3.焊接符号和焊接方法代号表示方法。1.2.2金属学及热处理知识 1.金属晶体结构的一般知识； 2.合金的组织结构及铁碳合金的基本组织； 3.FeC相图的构造及应用； 4.钢的热处理基本知识。1.2.3常用金属材料知识 1.常用金属材料的物理、化学和力学性能； 2.碳素结构钢、合金钢、铸铁、有色金属的分类、牌号、成份、性能和用途1.2.4电工基本知识 1.直接电与电磁的基本知识 2.交流民基本概念； 3.变压器的结构和基本工作原理； 4.电流表和电压表的使用方法。1.2.5化学基本知识 1.化学元素符号； 2.原子结构 3.拼音的化学反应式1.2.6安全卫生和环境保护知识 1.安全用电知识 2.焊接环境保护及安全操作规程； 3.焊接劳动保护知识； 4.特殊条件与材料的安全操作规程。1.2.7冷加工基础知识 1.钳工基础知识； 2.钣金工基础知识。1.3氩弧焊机操作规程1、氩弧焊必须由专人操作开关。 2、工作前检查设备，工具是否良好。 3、检查焊接电源，控制系统是否有接地线，传动部分加润滑油。转动要正常，氩气、水源必须畅通。如有漏水现象，应立即通知修理。 4、检查焊枪是否正常，地线是否可靠。 5、检查高频引弧系统、焊接系统是否正常，导线、电缆接头是否可靠，对于自动丝极氩弧焊，还要检查调整机构、送丝机构是否完好。 6、根据工件的材质选择极性，接好焊接回路，一般材质用直流正接，对铝及铝合金用反接法或交流电源。 7、检查焊接坡口是否合格，坡口表面不得有油污、铁锈等，在焊缝两侧200mm内要除油除锈。 8、对于用胎具的要检查其可靠性，对焊件需预热的还要检查预热设备、测温仪器。 9、氩弧焊操纵按钮不得远离电弧，以便在发生故障时可以随时关闭。 10、采用高频引弧必须经常检查有否漏电。 11、设备发生故障应停电检修，操作工人不得自行修理。 12、在电弧附近不准赤身和裸暴其它部位，不准在电弧附近吸烟、进食，以免臭氧、烟尘吸入体内。 13、磨钍钨极时必须戴口罩、手套，并遵守砂轮机操作规程。最好选用铈钨极(放射量小些)。砂轮机必须装抽风装置。 14、操作工应随时佩戴静电防尘口罩。操作时尽量减少高频电作用时间。连续工作不得超过6小时。 15、氩弧焊工作场地必须空气流通。工作中应开动通风排毒设备。通风装置失效时，应停止工作。 16、氩气瓶不许撞砸，立放必须有支架，并远离明火3米以上。 17、在容器内部进行氩弧焊时，应戴专用面罩，以减少吸入有害烟气。容器外应设人监护和配合。 18、钍钨棒应存放于铅盒内，避免由于大量钍钨棒集中在一起时，其放射性剂量超出安全规定而致伤人。第二章 氩弧焊及工作原理2.1氩弧焊的概述及特点氩弧焊是使用氩作为保护气体的一种气体保护焊，氩弧焊过程如图2-1所示，它是利用从焊枪喷嘴中喷出的氩气流，在电弧区形成严密封闭的保护层将金属熔池与空气隔绝，以防止空气的侵入，同时利用电弧产生的热量，来熔化填充焊丝和基本金属，液态金属熔池冷却后形成焊缝。图2-1氩弧焊示意图由于氩气是一种惰性气体，不与金属起化学反应，因此不会使被焊金属中的合金元素烧损，能充分保护金属熔池不被氧化，又因氩气在高温时不溶于液态金属中，所以焊缝不易引起气孔。因此，氩气的保护作用是有效和可靠的，可以得到较高的焊接质量。2.1.1. 氩弧焊的特点氩弧焊与其他电弧焊接方法相比，具有如下的特点： 氩气保护性能优良，焊接时不必配制相应的焊剂或熔剂，基本上是金属熔化与结晶的简单过程，能获得较为纯净及质量高的焊缝。 由于电弧受到氩气气流的压缩和冷却作用，电弧热量集中，同时氩弧的温度又很高，因此，热影响区很窄，焊接变形与应力均小，裂纹倾向也小，这尤其适用于薄板焊接。 氩弧焊是明弧焊，操作及观察较方便，故容易实现焊接过程的机械化和自动化。此外，在一定条件下可进行各种空间位置的焊接。 可焊的材料范围很广，几乎所有的金属材料都可以进行氩弧焊，特别适宜焊接化学性质活泼的金属和合金。通常，多用于焊接铝、钛、铜及其低合金钢，不锈钢及耐热钢等。由于氩弧焊具有这些显著的特点，随着有色金属、高合金钢及稀有金属的产品结构日益增多，而且一般的气焊、电弧焊方法已不易达到所要求的焊接质量。所以，氩弧焊的焊接技术得到越来越广泛的应用。2.2氩弧焊的分类氩弧焊按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极（钨极）氩弧焊两种，如图2-2所示。图2-2氩弧焊的分类钨极氩弧焊是采用高熔点的钨棒作为电极，在氩气层流保护下利用钨极与焊件之间的电弧热量，来熔化加入的填充焊丝和基本金属，形成焊缝。而钨极本身是不熔化的，只起发射电子产生电弧的作用。钨极氩弧焊有手工和自动的两种操作形式，焊接时需要另外加入填充焊丝，有时也不加填充焊丝，仅将接缝处熔化后形成焊缝，为了防止钨极的熔化与烧损，所用的焊接电流受到限制，因此电弧功率较小，熔深也受到影响，只能适用于薄板焊接。后来在钨极氩弧焊的基础上，发现了熔化极氩弧焊的工艺方法。熔化极氩弧焊是焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接的。它和钨极氩弧焊的区别：一个是焊丝作电极，并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；另一个是保护气体，随着熔化极氩弧焊的技术应用，保护气体已由单一的氩气发展出多种混合气体的广泛应用，如Ar 80CO220的富氩保护气。通常前者称为MIG，后者称为MAG。从其操作方式看，目前应用最广的是半自动熔化极氩弧焊和富氩混合气保护焊，其次是自动熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊与钨极氩弧焊相比，有如下特点：（1）效率高 因为它电流密度大，热量集中，熔敷率高，焊接速度快。另外，容易引弧。（2）需加强防护 因弧光强烈，烟气大，所以要加强。钨极脉冲氩弧焊和熔化极脉冲氩弧焊，是目前推广应用及发展的一项新工艺方法。与普通氩弧焊的根本区别是采用了脉冲焊接电流，脉冲氩弧焊电源的基本原理如图2-3所示。图2-3脉冲氩弧焊电源示意图从图中可看到，它是由两个电源并联组成的，同时接到电极（或焊丝）与焊件上，其中，5是维弧电源，由一台普通的直流电源提供基本电流，其电流值很小。只要维持电弧稳定燃烧即可，仅对电极（或焊丝）与焊件起着预热作用。脉冲电源4的作用是提供一个脉冲电流，用来熔化金属，在焊接时作为主要热源。在焊接过程中，基本电流和脉冲电流迭加，就可以得到脉冲焊接电流。由脉冲焊接电流完成的连续焊缝，实际上是由许多焊点搭接而成的。高值电流（脉冲电流）时，形成熔化焊点；低值电流（基本电流）时，焊点凝固成形。同时，通过对脉冲电流、基本电流的调节和控制，可达到对焊缝热输入量的控制，从而控制了焊缝的尺寸和质量。因此，在保证足够焊透能力的前提下，可以调节焊接线能量及焊缝高温停留时间，适用于各种可焊性较差材料的焊接，可减少裂缝倾向。还有，对各种焊接位置有较强的适应能力，适用于全位置、单面焊双面成形焊接。此外，容易克服焊缝下塌缺陷，提高抗烧穿能力，特别适合焊接很薄的板材。目前氩弧焊常用的方法，以钨极氩弧焊应用得最为普遍。2.3钨极氩弧焊2.3.1.钨极氩弧焊电弧特性1. 氩弧的特性在氩气保护下所产生的电弧，主要具有以下两个方面的特征：（1） 引燃电弧较困难要使气体导电形成电弧，必须经过电离过程，为了使气体分子或原子电离所需的能量即为电离势。氩气的电离势较高，所以引燃较困难。（2）电弧燃烧稳定氩弧一旦引燃后，就能比较稳定地燃烧，这是因为氩气是单原子气体，电离不经过分子分离成原子的过程，所以能量损失较少。同时，氩气的热容量与导热率较小，故只要较小的热量就可把电弧空间加热到高温，且电弧的热量不易传失，有利于气体的热电离，致使电弧燃烧稳定。（3）“阴极破碎”作用氩弧焊时，氩气电离后形成大量正离子，并以高速向阴极移动。当采用直流反接时，焊件是阴极，即氩的正离子流向焊件，它撞在金属熔池表面上，能够将高熔点且又致密的氧化膜撞碎，使焊接过程顺利进行，这种现象称为“阴极破碎”作用（或“阴极雾化”作用）。而在直流正接时，没有“破碎”作用，因为撞在焊件表面的是电子，电子质量要比正离子质量小得多，撞击力量很弱，所以不能使氧化膜破碎，此时焊接过程也无法进行。对于焊接铝、镁及其合金时，由于铝、镁的化学性质很活泼，极易被氧化，因此，即使所用的氩气纯度很高（99.9%），也仍不可避免地含有少量气体和水分。同时，焊接时的气体保护效果会受到一定干扰，以致生成氧化物，形成一层氧化膜覆盖在金属熔池的表面。这样，阻碍了基本金属和填充焊丝金属的良好熔合，无法使焊缝很好地成形。在气焊时，是采用熔剂把氧化膜去掉，氩弧焊时不用熔剂，而是依靠电弧的阴极破碎作用去除氧化膜，可以得到光亮的焊缝，获得满意的焊接效果。钨极氩弧焊时，焊接铝、镁及其合金一般都采用交流电源。因为采用直流反接时，钨极为正极，电弧的阳极温度比阴极温度高得多，所以钨极的烧损严重，电弧不稳定，钨极的许用电流很小。只有当钨极通过的电流密度不大时，才可使用直流反接焊接。为了改善钨极的冷却焊接状况，同时又要产生阴极破碎作用，采用交流焊接电源可以达到这些要求。由于交流电极性是不断变换的，在正极性的半周波里（钨极为阴极），钨极可以得到冷却，以减少烧损。而在反极性的半周波里（钨极为阳极），有阴极破碎作用，熔池表面的氧化膜可以得到去除。但是，采用交流焊接电源时，必须消除直流分量以及解决引弧稳弧的问题。2.3.2钨极氩弧焊的特点如下：1. 钨极氩弧焊所使用的焊接电流受钨极载流能力的限制，电弧功率较小，电弧穿透力小，熔深浅且焊接速度低，同时在焊接过程中需经常更换钨极。（1）可以焊接化学性质非常活泼的金属及合金。惰性气体氩或氦即使在高温下也不与化学性质活泼的铝、钛、镁、铜、镍及其合金起化学反应，也不溶于液态金属中。用熔渣保护的焊接方法(如手弧焊或埋弧焊等)很难焊接这些材料，或者根本不能焊接。（2）可获得体质的焊接接头。用这种焊接方法获得的焊缝金属纯度高，气体和气体金属夹杂物少，焊接缺陷少。对焊缝金属质量要求高的低碳钢、低合金钢及不锈钢常用这种焊接方法来焊接。 （3）可焊接薄件、小件。（4）可单面焊双面成形及全位置焊接。（5）焊接生产率低。2. 交流钨极氩弧的特点 交流钨极氩弧焊时，利用示波器观察到的电压和电流波形，如图2-4所示。从图2-4（a）中可以看出，电弧电压的波形与电源电压波形相差很大，虽然对电弧供电的电源电压是正弦波，但电弧电压的波形不是正弦波，而是随着电弧空间和电极表面的温度而发生变化的。由于交流电的电源电压是50Hz的正弦波，所以焊接电流每秒钟有100次经过零点。当电流经过零点时，电弧空间没有电场，电子发射和气体电离被大大削弱，因此弧柱温度下降，使交流电每次通过零点之后，总有一个电弧重新引燃的过程，电弧重新引燃要求有一定的引燃电压，引燃电压一般都比正常的电弧电压高，所以，只有电弧电压增大到大于引燃电压时，电弧才能引燃，然后过渡到正常的电弧电压。引燃电压的大小取决于气体介质的电离电位高低和阴极发射电子能力的大小。交流钨极氩弧焊时，焊件和钨极的极性是不断变化的。当正半波时，钨极为负极，因为钨极的熔点高（3370）,钨极的端部能加热到很高的温度，同时钨极的导热系数小，钨极断面的尺寸又小，因传导而损失的热量小，此时钨极的阴极斑点容易维持高温，热电子发射能力强。因此，电弧的导电性能很好，电弧电流很大，而电弧电压较低，反之，当负半波时，焊件的导热性较好，断面尺寸又大 ，散热能力较强，致使焊件金属熔池表面上阴极斑点的加热温度很低，热电子发射能力很弱，所以电弧导电困难，电弧电流很小，电弧电压较高。这样，交流电两个半波上的电弧电压和电弧电流都不相等，相当于电弧在两个半波里具有不同的导电性，也就是说负半波时电弧的引燃很困难，焊接过程中电弧的稳定性很差。在开始焊接时，电弧空间和焊件都是冷的，引弧就更为困难。由图2-4（b）可知，两个半波的电弧电流不对称，钨极为负的半波电流大于焊件为负的半波的电流。这样，在焊接回路中，相当于除了交流电源之外，还串入一个正极性的直流电源，在焊接交流电路里，所产生的这部分直流叫做直流分量。图2-4交流钨极氩弧焊的电压和电流波形直流分量的极性是：钨极为负，焊件为正。直流分量将显著降低阴极破碎作用，阻碍去除被焊金属熔池表面的氧化膜，并使电弧不稳定，焊缝容易出现未焊透、成形差等缺陷。同时由于直流分量的存在，好像在交流焊接回路中通过直流电，使焊接变压器铁芯产生相应的直流磁通，容易使铁芯达到饱和，这对焊接变压器是很不利的，因此，在采用交流电源时，应设法消除这种直流分量。3.直流钨极氩弧的特点 当焊接不锈钢、耐热钢、钛、铜及其合金时，直流钨极氩弧焊一般都采用直流正接。因为直流电没有极性的变化，所以一经引燃便能稳定燃烧，电弧的稳定性好。当采用直流正接时，钨极为负极，电弧稳定性就更好。此外，电弧阳极的热量比阴极的热量多，这样，直接正接时，钨极不容易熔化，损耗很少，而焊件的熔深较大。4. 引弧、稳弧措施及直流分量的消除由于氩气的电离电位高，引燃电弧要求较高的空载电压，特别是在采用交流焊接电源时，开始的引燃电弧更为困难，在负半波时需要重新引燃和稳定电弧，同时交流焊接回路中产生直流分量，因此，钨极氩弧焊必须采取引弧与稳弧的措施，以及消除直流分量。（1） 高频振荡器这是钨极氩弧焊设备的专门引弧装置，主要用于开始焊接时的第一次引弧，并能达到钨极与焊件非接触而点燃电弧的目的。高频振荡器是一个高频高压发生器，可在焊接回路中加入约3000V的高频电压，致使电弧空间产生很强的电场，加强了阴极电子自发射作用，克服氩弧不易引燃的困难，这时焊接电源的空载电压只要65V左右即可。并且，当钨极与焊件距离几毫米时，可引起电弧放电而点燃电弧，不必接触引弧。高频振荡器一般仅供焊接时初次引弧，不用于稳弧，同时要求点燃电弧后马上切断。（2）脉冲稳弧器用脉冲稳弧器稳弧效果良好，这是交流钨极氩弧焊广为使用的方法。交流负半波时电弧引燃电压较高，使电流通过零点以后电弧再引燃很难，以致电弧不稳定。如果在正半波向负半波转变瞬间，施加一个高压脉冲而迅速地向电弧放电，则电弧就能保持连续燃烧，从而起到稳定电弧的作用。脉冲稳弧器常用的脉冲电压为200250V，脉冲电流为2A左右。它可与高频振荡器联合使用，当高频振荡器保证第一次引弧后，用高压脉冲放电保证电弧重复引燃，这样解决了交流焊接的引弧和稳弧问题。（3）. 串联电容消除直流分量在焊接回路中串联电容，是交流钨极氩弧焊时消除直流分量的常用方法，如图2-5所示。图2-5消除直流分量的常用方法由于电容对交流电的阻抗很小，可允许交流电通过，而使直流电通不过，因此隔绝了直流电。这种方法消除直流分量的效果很好，使用维护简单，但所需的电容量大，成本高。通常采用电解电容器，其电容量根据最大焊接电流来计算，一般按每安培电流需要300F左右。经过消除直流分量的交流电，可获得熔深良好、焊波均匀的焊接结果。5. 钨极氩弧焊设备 手工钨极氩弧焊设备包括主电路系统、焊枪、供气系统、冷却系统和控制系统等部分，如图2-6所示。图2-6手工钨极氩弧焊设备系统图自动钨极氩弧焊设备，除上述几部分外，还有等速送丝装置及焊接小车行走机构。（1） 主电路系统这部分主要是焊接电源、高频振荡器、脉冲稳弧器和消除直流分量装置，交流与直流的主电路系统部分不相同。静特性曲线的关系钨极氩弧焊的电弧静特性曲线是水平的。与焊接电源外特性曲线的关系如图2-7所示。当电弧长度受到干扰变化时，陡降外特性曲线的焊接电流变化值小，则对焊接过程电弧稳定的影响也小，所以适宜选用具有陡降外特性的，一般手工电弧焊焊接电源，可供钨极氩弧焊使用。图2-7焊接电源外特性与电弧 交流钨极氩弧焊的主电路系统，由焊接变压器、高频振荡器、脉冲稳弧器和电解电容器等部分组成。而直流钨极氩弧焊的主电路系统较为简单，直流焊接电源附加高频振荡器即可使用。（2）焊枪钨极氩弧焊焊枪的作用是夹持电极、导电和输送氩气流。手工焊焊枪手把上装有启动和停止按钮。焊枪一般分为大、中、小型3种，小型的最大焊接电流为100A，大型的可达400600A，采用水冷却。焊枪本体用尼龙压制，具有重量轻、体积小、绝缘和耐热性能好等特点。焊枪的喷嘴是决定氩气保护性能的重要部件，常见的喷嘴形状如图2-8所示。圆柱带锥形或球形尾部的喷嘴，其保护效果最佳，氩气流速度均匀，容易保持层流。圆锥形的喷嘴，因氩气流速度变快，故保护效果较差，但这种喷嘴操作方便，熔池可见度好，焊接时也经常使用。图2-8常见的喷嘴形状示意图（3） 供气系统钨极氩弧焊的供气系统由氩气瓶、减压器、流量计和电磁气阀等组成。减压器用以减压和调压。流量计是用来标定通过氩气流量的大小，有的气体流量计将减压器与流量计制成一体。电磁气阀是控制气体通断装置。（4） 冷却系统一般选用的最大焊接电流在200A以上时，必须通水来冷却焊枪、电极和焊接电缆。冷却水接通并有一定压力后，才能启动焊接设备，通常在钨极氩弧焊设备中设有保护装置水压开关。（5） 控制系统钨极氩弧焊的控制系统是通过控制线路，对供电、供气、引弧与稳弧等各个阶段的动作程序实现控制。图2-9为交流手工钨极氩弧焊的控制程序方框图。图2-9交流手工钨极氩弧焊的控制程序方框图定型生产的NSA系列手工钨极氩弧焊机的应用较为普遍，直流的有NSAl300型，交流的有NSA300型、NSA4300型、NSA500型，交直流两用的有NSA2300型等。6. 钨极氩弧焊工艺（1） 焊前清理钨极氩弧焊时，必须对被焊材料的接缝附近及焊丝进行焊前清理，除掉金属表面的氧化膜和油污等杂质，以确保焊缝的质量。焊前清理的方法有：机械清理、化学清理和化学机械清理等方法。 机械清理法，这种方法比较简便，而且效果较好，适用于大尺寸、焊接周期长的焊件。通常使用直径细小的不锈钢丝刷等工具进行打磨，或用刮刀铲去表面氧化膜，使焊接部位露出金属光泽，然后再用消除油污的有机溶剂，对焊件接缝附近进行清洁处理。 化学清理法,对于填充焊丝及小尺寸焊件，多采用化学清理法。这种方法与机械清理法相比，具有清理效率高、质量稳定均匀、保持时间长等特点。化学清理法所用的化学溶液和工序过程，应按被焊材料和焊接要求而定。 化学机械清理法，清理时先用化学清理法，焊前再对焊接部位进行机械清理。这种联合清理的方法，适用于质量要求更高的焊件。（2） 气体保护效果氩气是很理想的保护气体，氩的沸点为186，介于氧和氦的沸点之间。氩是氧气厂分馏液态空气制取氧气时的副产品。我国均采用瓶装氩气用于焊接，在室温时，其充装压力为15MPa。钢瓶涂灰色漆，并标有“氩气”字样。纯氩的化学成分要求为：Ar9999；He001；O200015；H200005；总碳量0001；水分30mgm3。在平焊时有利于对焊接电弧进行保护，降低了保护气体的消耗。氩气是一种化学性质非常不活泼的气体，即使在高温下也不和金属发生化学反应，从而没有了合金元素氧化烧损及由此带来的一系列问题。氩气也不溶于液态的金属，因而不会引起气孔。氩是一种单原子气体，以原子状态存在，在高温下没有分子分解或原子吸热的现象。氩气的比热容和热传导能力小，即本身吸收量小，向外传热也少，电弧中的热量不易散失，使焊接电弧燃烧稳定，热量集中，有利于焊接的进行。氩气的缺点是电离势较高。当电弧空间充满氩气时，电弧的引燃较为困难，但电弧一旦引燃后就非常稳定。氩气保护效果在焊接过程中，会受到多种工艺因素的影响。因此，钨极氩弧焊时必须重视氩气的有效保护，防止氩气保护效果遭到干扰和破坏，否则难以获得满意的焊接质量。影响气体保护效果的焊接工艺因素有：气体流量、喷嘴形状与直径、喷嘴至焊件的距离、焊接速度、焊接接头形式等，应全面考虑和正确地选择。气体保护效果的好坏，常采用焊点试验法，通过测定氩气有效保护区大小的方法来评定。例如用交流手工钨极氩弧焊在铝板上进行点焊，试验过程中焊接工艺条件保持不变，这样，电弧引燃后焊枪固定不动，待燃烧510s后断开电源，铝板上将会留下一个熔化焊点。在焊点周围困受到“阴极破碎”作用，使铝板表面的一层氧化膜被消除了，出现有金属光泽的灰白色区域。这个去除氧化膜的部分即氩气有效保护区，如图2-10所示。有效保护区的直径越大，说明气体保护效果越好。图2-10氩气的有效保护区此外，评定气体保护效果是否良好，还可直接观察焊缝表面的色泽来评定。如不锈钢材料焊接，若焊缝金属表面呈现银白、金黄色，则气体保护效果良好，而看到焊缝金属表面显出灰、黑色时，说明气体保护效果不好。（3） 焊接工艺参数钨极氩弧焊的气体保护效果、焊接过程稳定性和焊缝质量，均直接与焊接工艺参数有关，因此，合理地选择焊接工艺参数是获得优质焊接接头的重要保证。 钨极氩弧焊的焊接工艺参数是：电流种类和极性、钨极直径、焊接电流、氩气流量、焊接速度和工艺因素等。 电流种类和极性钨极氩弧焊的电流种类和极性应根据被焊材料及操作方式而选择。 钨极直径主要按焊件厚度来选取钨极直径。另外，在被焊材料厚度相等时，因使用的电流种类和极性不同，钨极的许用电流不一样，所以采用钨极直径也不相同。如果钨极直径选择不当，则将造成电弧不稳、严重烧损和焊缝夹钨。 焊接电流当钨极直径选定后，再选择适用的焊接电流。过大或过小的焊接电流都会使焊缝成形不良或产生焊接缺陷。各种直径的钍（铈）钨极许用电流范围如表2-1所列。表2-1各种直径的钍（铈）钨极许用电流范围钨极直径/mm直流正接/A直流反接/A交流/A1.0158020601.6701501020601202.415025015301001803.225040025401602504.040050040552003205.050075055802903906.0750100080125340525 氩气流量主要根据钨极直径及喷嘴直径来选择氩气流量。对于一定孔径的喷嘴，选用的氩气流量要适当，如果流量过大，则气体流速增大，难以保持稳定的层流，对焊接区的保护作用不利，同时带走电弧区的热量多,影响电弧稳定燃烧。而流量过小也不好，容易受到外界气流的干扰，以致降低气体保护效果。通常氩气流量在320L/min范围内。 焊接速度在一定的钨极直径、焊接电流和氩气流量条件下，焊速过快会使保护气流偏离钨极与熔池，从而影响气体保护效果，并且，焊速显著影响焊缝形状，因此，应选择合适的焊接速度。 工艺因素主要指喷嘴形状与直径、喷嘴至焊件的距离、钨极伸出长度、填充焊丝直径等。这些工艺因素虽然变化不大，但却对焊接过程及气体保护效果有不同程度的影响，所以应按具体的焊接要求给予选定。一般喷嘴直径在520mm内选用；喷嘴至焊件的距离不超过15mm为宜，钨极伸出喷嘴的长度为34mm；填充焊丝直径应根据焊件厚度而选择。2.3.3氩弧焊的一般要求 1.对气体的控制要求：要求气体先来后走，氩气是较易被击穿的惰性气体，先在工件与电极针间充满氩气，有利于起弧；焊接完成后，保持送气，有助于防止工件迅速冷却防止氧化，保证了良好的焊接效果。 2.电流的手开关控制要求：要求按下手开关时，电流较气延迟，手开关断开（焊接结束后），根据要求延时供气电流先断。 3.高压的产生与控制要求：氩弧焊机采用高压起弧的方式，则要求起弧时有高压，起弧后高压消失。 4.干扰的防护要求：氩弧焊的起弧高压中伴有高频，其对整机电路产生严重的干扰，要求电路有很好的防干扰能力。第三章 不锈钢薄板的焊接 3.1不锈钢薄板的焊接工艺性分析 焊接1mm以下不锈钢薄板，由于其自身拘束度小，导热系数小（约为普低钢的1/3），但线膨胀系数较大，当焊接时温度变化较快，则产生的热应力比正常温度下时存在的应力大得多，很容易出现常见的焊接烧穿和焊接变形（大多为波浪变形）等缺陷。3.1.1焊接熔池受力状况 以平对接焊为例，熔池金属的受力情况如下图3-1所示。图3-1熔池金属受热情况熔池主要受到的作用力有：电弧的总作用力P；熔池金属的重力Q；熔池金属表面张力F。当熔池金属体积质量和熔宽一定时，熔池深度取决于电弧力P 的大小，而熔深和电弧力又与焊接电流密切相关，熔宽则由电弧电压决定。随着熔池金属的体积增大，表面张力F也随着增大，造成表面张力不能平衡电弧作用力P和熔池金属的重力Q，此时熔池金属会下淌，造成熔池烧穿。由此可见，电弧总作用力P和熔池金属的重力Q是使熔池烧穿的力，而表面张力F是阻止熔池下塌或烧穿的力。为使薄板焊接不致于烧穿，则必须想办法提高金属熔池的表面张力F，而要提高表面张力F，就必须控制熔池的热输入，即热输入量。3.1.2工件的焊接变形不锈钢薄板拘束度较小，在焊接过程中受到局部的加热、冷却作用，形成了不均匀的加热、冷却状态，这时焊件会产生不均匀的应力和应变，焊缝的纵向缩短对薄板边缘的压力超过一定数值时，即会产生较严重的波浪式变形，影响工件的外形美观。3.1.3解决不锈钢薄板在焊接时产生的过烧（烧穿）、变形的主要措施（1）严格控制焊接接头上的热输入量，选择合适的焊接方法和工艺参数（主要有焊接电流、电弧电压、焊接速度）。（2）装配尺寸力求精确，接口间隙尽量小。间隙稍大容易烧穿，或形成较大的焊瘤。（3）必须采用精装夹具，要求夹紧力平衡均匀。综上所述，焊接不锈钢薄板时关键要注意的问题是：严格控制焊接接头上的热输入量，力求在能完成焊接的前提下尽量减小热量输入，从而减小热影响区，避免上述缺陷的出现。3.2钨极氩弧焊在不锈钢薄板焊接中的应用技术要领3.2.1钨极氩弧焊（简称TIG焊）的主要特性TIG焊应用了脉冲电弧，它具有热输入低、热量集中、热影响区小、焊接变形小、焊缝各点的热输入均匀，能较好地控制线能量；保护气流具有冷却作用，可降低熔池表面温度，提高熔池表面张力；便于操作，容易观察熔池状态，焊缝致密性及力学性能好，表面成形美观等优点。 目前TIG焊广泛应用于各行各业，尤其是在不锈钢薄板的焊接中应用更为广泛。1.主要技术参数。 用TIG焊焊接不锈钢薄板时的工艺参数见下表3-1。 表3-1 TIG焊接不锈钢薄板工艺参数板厚(mm)钨极直径(mm)电流(A)电压(mm)焊丝(mm)钨极伸长(mm)氩气流量(L/min)喷嘴(mm)0.3110-1510-151.23-46-8120.6120-2515-201.23-46-8120.81.640-5020-251.63-46-8121.02.050-6025-301.63-46-8122. 引弧、定位焊引弧形式有非接触式和接触式的短路引弧两种：前者电极不与工件接触，既适于直流也适于交流；后者仅适于直流焊接。采用短路方法引弧时，不应在焊件上直接起弧，因易产生夹钨或和工件粘接，电弧也不可能立即稳定，电弧容易击穿母材，所以应采用引弧板装置，在引弧点旁放一块紫铜板，先在其上引弧，待钨极头加热至一定温度后再移至待焊部位。在实际生产中，TIG 焊常用引弧器引弧，在高频电流或高压脉冲电流的作用下，使氩气电离而引然电弧。定位焊时，焊丝应比正常焊时采用的焊丝细，因点焊时温度低、冷却快，电弧停留时间较长，故容易烧穿。进行点固定位焊时，应把焊丝放在点焊部位，电弧产生稳定后再移到焊丝处，待焊丝熔化并与两侧母材熔合后再迅速停弧。3、正常焊接在一般情况下，用普通TIG焊进行薄板焊接时，通常电流均取小值，当电流20A时，易产生电弧漂移，阴极斑点温度很高，会使焊接区域产生发热烧损和发射电子条件变差，致使阴极斑点不断跳动，很难维持正常焊接。而采用脉冲TIG焊后，峰值电流可使电弧稳定，指向性好，易使母材熔化成形，并循环交替，确保焊接过程的顺利进行；同时能得到性能良好、外形美观、熔池互相搭接良好的焊缝。若中途停顿后再继续施焊时，要用电弧把原熔池的焊道重新熔化，形成新的熔池后再加焊丝并与前焊道重叠3-5mm。在重叠处要少加焊丝，使接头处圆滑过渡，氩气纯度应在99.6%以上、流量应保持在6-8Lmin，流量过大时，保护层会产生不规则流动，易使空气卷入，反而降低保护效果，所以气体流量也要选择合适。不锈钢的焊缝颜色与保护效果见表3-2。 表3-2不锈钢的焊缝颜色与保护效果焊缝颜色银白、金黄色蓝色红灰色灰色黑色保护效果最好良好尚可不良最坏（1）焊接结束时，如果收弧方法不正确，在收弧时易产生弧坑、裂纹、气孔以及烧穿等缺陷，因此，最好采用引出板，焊后将引出板切除掉。如没有引出板或没有电流自动衰减装置的焊机时，收弧时要多向熔池送丝，填满弧坑，然后缓慢收弧。（2）焊后变形是精密焊件的一个重要指标，其变形程度与所选的工艺参数、夹具、散热装置有很大关系。因此，条件许可必须采用精确的工装夹具，保证焊缝两侧受力均匀，避免焊缝形成开裂、变形；同时尽量减小热量输入，减少焊接热影响区，必要时可采取跳跃式焊接和远距离降温法等方式。 焊后可用耐高温塑料锤（或木锤）进行现场适当的敲击，以达到变形最小，焊缝外形更美观的目的。第四章 铝及铝合金的焊接性4.1铝及铝合金的特性1.强的氧化能力 铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3膜薄，厚度约0.1m。Al2O3的熔点高达2050，远远超过铝及铝合金的熔点（约660），而且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。因此，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并加强焊接区域的保护。 2.较大的热导率和比热容 铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部。因此，焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量，焊前常需采取预热等工艺措施。 3.热裂纹倾向大 线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%左右，因此焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而产生热裂纹。生产中常用调整焊丝成分的方法来防止产生热裂纹，如使用焊丝HS311。 4.容易形成气孔 形成气孔的气体是氢。氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g，而在660凝固温度时，氢的溶解度突降至0.04ml/100g，使原来溶解于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。同时，铝和铝合金的密度小，气泡在熔池中的上升速度较慢，加上铝的导热性强，熔池冷凝快，因此，上升的气泡往往来不及逸出，留在焊缝内成为气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分都是氢的主要来源，因此焊前必须严格做好焊件的表面清理工作。 5.接头不等强度 铝及铝合金的热影响区由于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法达到等强度。纯铝及非热处理强化铝合金接头的强度约为母材的75%100%；热处理强化铝合金的接头强度较小，只有母材的40%505。 6.焊穿 铝及铝合金从固态转变为液态时，无明显的颜色变化，所以不易判断母材温度，施焊时常会因温度过高无法察觉而导至焊穿。4.2铝及铝合金焊后应进行的清理工作 焊件焊后留在焊缝及邻近的残存熔剂和焊渣，需要及时清理干净，否则在空气、水分的作用下，残存的溶剂和焊渣会破坏具有防腐作用的氧化铝薄膜，激烈的腐蚀焊件。因此，焊后应立即严格清除焊件上残存的污物。 4.2.1常用的清渣方法和步骤：1.在热水中用硬毛刷仔细地洗刷焊接接头。2.将焊件在温度为6080、质量分数为2%3%的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗约510min，并用硬毛刷仔细洗刷。或者将焊件放于1520质量分数为10%的硝酸溶液中浸洗1020min。3在热水中冲刷洗涤焊件。4.将焊件用热空气吹干或在100干燥箱内烘干。4.3铝及铝合金钨极氩弧焊的焊接工艺1.极氩弧焊焊接铝及铝合金时，采用交流电源。2.采用高频振荡器引弧。如没有装设高频振荡器，可用短路引弧。将钨极氩弧焊焊枪喷嘴下面一点部分与待焊部位接触，以此接触点为支点，钨极氩弧焊焊枪绕支点使钨极与焊件瞬间接触短路，引燃电弧，抬起焊枪并保持与焊件间距24mm，进行正常焊接。3. 先从距焊件端部约1030mm处采用右向焊法焊至端面收尾，然后采用左向焊法从始焊处开始焊接，应从始焊处引弧，待电弧稳定燃烧后向右移515mm，再往左移动焊枪，待始焊处形成熔池后，再添加填充焊丝，进行焊接。钨极氩弧焊接头处焊缝的余高和宽度不宜过高和过宽，否则影响钨极氩弧焊焊缝的外形。4.3.1焊丝的选用 1.铝及铝合金用焊丝牌号中， HS311是一种通用焊丝，采用这种焊丝焊接时，金属流动性好，有较高的抗热裂性能，并能保证一定的强度。但在焊接铝镁合金时，焊缝中会出现脆性化合物Mg2Si，降低接头的塑性和耐腐蚀性。焊接铝镁合金时应采用HS331。 2.法及接头坡口形式一般以左焊法进行,焊炬和工件成60角。焊接厚度15mm以上时,以右焊法进行,焊炬和工件成90角。 焊接壁厚在3mm以上时,开V形坡口,夹角为6070,间隙不得大于1mm,以多层焊完成。壁厚在1.5mm以下时,不开坡口,不留间隙,不加填充丝。焊固定管子对接接头时,当管径为200mm,壁厚为6mm时,应采用直径为34mm的钨极,以220240A的焊接电流,直径为4mm的填充焊丝,以12层焊完。3.电源 应选用交流电源。4.4铝及铝合金钨极氩弧焊的焊接工艺参数铝及铝合金手工钨极氩弧焊焊接工艺参数，如表4-1所示。表4-1 手工钨极氩弧焊焊接工艺参数化厚度焊接层数焊丝直径乌棒直径喷嘴直径焊接电流氩气流量1-311.6-3.01.6-3.28-1240-1408-124-82-33.0-5.02.4-5.010-14140-32010-168-123-44.0-6.04.0-6.412-16240-36014-20致 谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师魏勇老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，魏老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了魏老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的帮助，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，并参考了大量的文献资料，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。由于时间所限，论文中难免有失误的地方，望原谅、指正。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！参考文献1 罗树方.焊接手册一一焊接方法及设备(第二版).北京:机械工业出版社,20012 周万盛.焊接手册一一材料的焊接(第二版).北京:机械工业出版社,20013 霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定. 北京:机械工业出版社,20004 贺岩松.汽车铝合金零部件的焊接.专用汽车,1996.015 刘玉东.小议现代焊接工艺中常用的几种铝合金焊接方法.今日科苑,2008.