第三章 焊接部分
第三章TIG焊接方法
第三章TIG焊接方法3.1TIG焊接方法的原理3.1.1前言TIG是英文Tungsten Inert Gas 的缩写，TIG焊接方法是使用钨电极和惰性气体保护的一种弧焊技术，该技术于1930年研究成功，最初阶段保护气体使用氦气，所以曾经使用氦弧焊的名称(Heli Arc)，目前广泛使用氩气作为保护气体，所以又把TIG焊接技术称之为氩弧焊技术。
3.1.2TIG焊接方法的原理图3.1表示TIG焊接方法的原理。
在TIG焊接技术中，在不熔化的钨电极与母材之间产生电弧，利用氩气等惰性气体把熔融金属与空气隔开以起保护作用，利用电弧产生的高热量把母材进行熔化从而连结在一起。
在TIG焊接方法中有使用填充材料的填丝TIG和不使用填充材料只熔化母材的TIG焊。
图3.1 TIG焊接方法的原理3.2TIG焊接方法的起弧方式TIG 焊接方法中的起弧方式可分为三类:“高频振荡起弧方式”、“外加直流高压脉冲起弧方式”和“接触起弧方式”。
最近，由于环境保护的要求，限制高频噪音的发生，所以在TIG焊接方法中倾向于不使用“高频振荡起弧方式”。
1.高频振荡起弧方式如图3.2所示，电极与母材不接触，利用高频振荡打破电极与母材之间的绝缘状态，产生电弧。
图3.2 高频振荡起弧方式2.外加直流高压脉冲起弧方式如图3.3所示，电极与母材不接触，利用外加直流高压脉冲产生电弧。
图3.3 外加直流高压脉冲起弧方式3.接触起弧方式如图3.4所示，电极与母材接触的瞬间，把焊枪提升一点距离, 从而产生电弧。
图3.4 接触起弧方式3.3TIG焊接方法的主要特点TIG焊接方法的主要特点如下:①由于有惰性气体保护，对焊缝金属的保护效果好，所以在焊接金属中极少混入杂质，从而能取得高质量的焊接结果。
②能焊接工业中使用的几乎所有的金属（铅、锡等低熔点金属除外）。
③没有飞溅，操作方便。
④能实现任何形式的接头的焊接，而且焊接姿态不受限制。
⑤即使在小电流区域也能得到稳定的电弧，所以能焊接薄板。
电弧焊基础-第三章TIG焊接
引弧时间：10S
直径1.6mm的钨电极，熔断电流约为200A
La2O3(2%)-W 、 Y2O3(2%)-W 、 CeO2(1%) 电 极 ， 形 状 几 乎 未 发 生 变 化 ， 而 ThO2(2%)-W 、 ZrO2(2%)-W、MgO(2%)-W电 极 ，前端产生了熔化变形且内 部出现气孔
电弧焊基础
第三章 钨极氩弧焊
Gas Tungsten Arc Welding
一. TIG 焊接基本原理、硬件设备、特点
1.1 TIG焊接基本原理
• 钨极氩弧焊是以W或W合金材料做电极，在惰性气体 保护下进行的焊接，又称为TIG(Tungsten Inert Gas) 或GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）. 非熔化极
He
– 空气中的含量为0.0005%，比空气轻，保护差 – 导热系数大，电弧温度高 – 价格昂贵（矿物） – He+Ar 厚板、高热导、高熔点金属焊接（双层保护气体）
Ar+He
• Ar+O2：金属流动性好，电弧稳定，低氧焊接不锈钢，高氧焊接碳钢 • Ar+H2: 2-5%，焊缝光滑，防止表面氧化，电弧温度高，效率高，焊接 不锈钢、镍基合金、镍铜合金
• 锆钨极：烧损很少，防止污染夹钨，在交流条件下表现良好，当 焊接时其端部能保持圆球状而且电弧比纯钨电极更稳定，尤其是 在高负载的条件下其优越的表现，更是其它电极不可替代的。锆 钨电极同时还具有良好的抗腐蚀性。锆钨电极适用于镁铝及其合 金的交流焊接。 • 镧钨极（黄绿色）：W+1%LaO2 ，焊接性能优良，且导电性能最接 近2％钍钨电极，没有放射性，电焊工不需改变任何焊接操作程序 就能方便快捷的用这种电极替代钍钨电极，因此镧钨电极在欧洲 和日本成为最受欢迎的2％钍钨电极的替代品。镧钨电极主要用于 直流焊接，但用于交流焊接时也表现良好。 • 钇钨极：W+2%Y2O3，在焊接时，弧束细长，压缩程度大，尤其在中 、大电流熔深最大，目前主要用于军工和航空航天工业。
第三章：焊接基础知识
三、焊接热循环
• 焊接热循环的概念
T
焊接过程中热源沿焊件秱 动时，焊件上某点温度由 低而高，达到最高值后， 又由高而低随时间的变化 称为焊接热循环
t
焊接热循环是用来描述焊接过程中热源对母 材金属的热作用。
• 在焊缝双侧丌同距离的各点所经历的热循环是 丌同的（见下图）
焊接热循环的主要参数
（一）加热速度（v H） v H= d T / d t
2）置换氧化 ①熔渣中癿SiO2、MnO等发生以下反应： （SiO2）+2[Fe][Si]+2FeO （MnO）+[Fe][Mn]+2FeO 焊缝增Si,Mn，使Fe氧化温度升高， K,故置换氧化主要发生在高温区，随着温 度降低，熔池后部癿低温区Si、Mn被氧化， 生成夹杂
②药皮中含Al、Ti、Cr等强脱氧元素时，置换脱氧效 果更明显，高碳高强钢应采用无SiO2药皮
一、对焊接区癿保护
1.光焊丝焊接时 [N] ＝0.105﹪~0.218﹪,增加20~45倍， [O] ＝0.14﹪~0.72﹪,增加7~35倍， [Mn]、[C]蒸发、氧化损失易产生气孔，导 致塑性韧性下降,光焊丝无保护癿焊接丌实用 2.保护方法 药皮、熔渣、药芯、保护气体、自保护等 3.保护效率 不保护方法有关，一般惰性气体保护效果较好
1.药皮反应区
二、焊接冶金学反应区及其反应条件（以 焊条电弧焊为例）（P.45、46，图2-3）
（1）产生癿气体
①100~1200°C：水分蒸发、分解、氧化 a. ＜100°C 吸附水分蒸发 b.>200~400°C 排除结晶水 c. >400°C 排除化合水 ②有机物癿分解和燃烧：产生CO2、CO、 H2 ③碳酸盐癿分解（大理石CaCO3、菱苦土 MgCO3):产生CO2 ④高价氧化物分解（赤铁矿Fe2O3、锰矿 MnO2):产生O2
焊接工程学(第三章)
图3 试件形状 试件尺寸
试件名称 长L/mm 宽B/mm 焊缝长l/mm 1号试件 2号试件 200 200 75 150 125±10 125±10
焊接前先去除试件表面上的水分、铁 锈、油污及氧化皮等杂质。所用焊条 原则上应适合于所焊的试件，直径为4 mm。1号试件在室温下、2号试件在预 热温度下进行焊接。焊接参数为：焊 接电流：170±10A，焊接速度为150± 10mm/min。试件焊后在静止的空气中 自然冷却，不进行任何热处理。 不同强度等级和不同含碳量的钢种， 有不同的最高硬度值。
高碳钢
≥0.60
40HRC
弹簧、模具、钢轨
二、低碳钢的焊接
1、低碳钢的焊接特点： a、可装配成各种不同的接头，适合各种不 同位臵的施焊，且焊接工艺和技术简单，容 易掌握； b、焊前一般不需预热； c、塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小， 适合制造各类大型结构件和受压容器； d、不需使用特殊和复杂设备，对焊接电源 （交流直流）和焊接材料（酸性碱性）无特 殊要求。
三、金属焊接性的评定方法
1、工艺焊接性评定：主要评定对焊接缺陷的 敏感性，尤其是裂纹形成倾向。 A、直接模拟实验：按照实际焊接条件，通过 焊接过程观察焊接缺陷及其程度。主要有：冷 裂纹实验、热裂纹实验、应力腐蚀实验、脆性 断裂实验等。 B、间接推算法：根据材料的化学成分、金相 组织、力学性能的关系，并联系焊接热循环过 程对焊接进行评定。主要有：抗裂纹判据、焊 接应力模拟等。
4、未熔合和未焊透：在焊缝金属和 母材之间或焊道金属与焊道之间未完 全熔化的部分称为未熔合。未熔合常 出现在坡口的侧壁、多层焊的层间及 焊缝的根部。 未焊透是指母材金属之间应该熔合而 未焊上的部分。该缺陷一般出现在单 面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边。 未焊透易造成较大的应力集中，往往 从其末端产生裂纹。
电子课件-《机械制造工艺基础(第七版)》-A02-3517 3第三章 焊接
2．焊接电流
电流大小主要取决于：
（1）焊条直径 （2）焊接位置 （3）焊接层次
3．电弧电压
电弧长，则电弧电压高；电弧短，则 电弧电压低。焊接时应力求使用短弧
4．焊接速度
焊接速度应该均匀适当，既 要保证焊透又要保证不烧穿
§3第—三2 章焊条焊电接弧焊
5．焊接接头形式和坡口形式
（1）接头形式 焊接接头的组成
（1）可焊接易氧化的有色金属，如铝、镁及其合金 （2）也可焊接不锈钢、铜合金以及其他难熔金属 （3）其电弧非常稳定，可以用于焊薄板及全位置焊缝
第三章 焊接
四、等离子弧焊
1．等离子弧焊的原理
利用等离子弧焊 枪所产生的高温等 离子弧有效地熔化 焊件而实现焊接
第三章 焊接
（1）非转移型等离子弧
（2）转移型等离子弧
（2）送丝的手法
1）点送
2）连续送丝
§3第—三3 章气焊焊与接气割
5．气焊主要工艺参数
（1）火焰能率 （2）火焰性质
碳化焰
§3第—三3 章气焊焊与接气割
中性焰 （3）焊丝直径
氧化焰
§3第—三3 章气焊焊与接气割
二、气割
1．气割原理
将金属的待切割处预热到燃烧 点，并从割炬的另一喷孔高速 喷出纯氧气流，使切割处的金 属发生剧烈的氧化，成为熔融 的金属氧化物，同时被高压氧 气流吹走，从而形成一条割缝
电极接电源负极，喷嘴接 正极，而零件不参与导电。 电弧在电极和喷嘴之间产生
钨极接电源负极，零 件接正极，等离子弧在 钨极与零件之间产生
第三章 焊接
（3）联合型（混合型）等离子弧
转移弧和非转移弧同时 存在，需要两个电源独 立供电。电极接两个电 源的负极，喷嘴及零件 分别接各个电源的正极
第三章TI焊接方法
第三章TIG焊接方法3.1TIG焊接方法的原理3.1.1前言TIG是英文Tungsten Inert Gas 的缩写，TIG焊接方法是使用钨电极和惰性气体保护的一种弧焊技术，该技术于1930年研究成功，最初阶段保护气体使用氦气，所以曾经使用氦弧焊的名称(Heli Arc)，目前广泛使用氩气作为保护气体，所以又把TIG焊接技术称之为氩弧焊技术。
3.1.2TIG焊接方法的原理图3.1表示TIG焊接方法的原理。
在TIG焊接技术中，在不熔化的钨电极与母材之间产生电弧，利用氩气等惰性气体把熔融金属与空气隔开以起保护作用，利用电弧产生的高热量把母材进行熔化从而连结在一起。
在TIG焊接方法中有使用填充材料的填丝TIG和不使用填充材料只熔化母材的TIG焊。
图3.1 TIG焊接方法的原理3.2TIG焊接方法的起弧方式TIG 焊接方法中的起弧方式可分为三类:“高频振荡起弧方式”、“外加直流高压脉冲起弧方式”和“接触起弧方式”。
最近，由于环境保护的要求，限制高频噪音的发生，所以在TIG焊接方法中倾向于不使用“高频振荡起弧方式”。
1.高频振荡起弧方式如图3.2所示，电极与母材不接触，利用高频振荡打破电极与母材之间的绝缘状态，产生电弧。
图3.2 高频振荡起弧方式2.外加直流高压脉冲起弧方式如图3.3所示，电极与母材不接触，利用外加直流高压脉冲产生电弧。
图3.3 外加直流高压脉冲起弧方式3.接触起弧方式如图3.4所示，电极与母材接触的瞬间，把焊枪提升一点距离, 从而产生电弧。
图3.4 接触起弧方式3.3TIG焊接方法的主要特点TIG焊接方法的主要特点如下:①由于有惰性气体保护，对焊缝金属的保护效果好，所以在焊接金属中极少混入杂质，从而能取得高质量的焊接结果。
②能焊接工业中使用的几乎所有的金属（铅、锡等低熔点金属除外）。
③没有飞溅，操作方便。
④能实现任何形式的接头的焊接，而且焊接姿态不受限制。
⑤即使在小电流区域也能得到稳定的电弧，所以能焊接薄板。
第三章焊接与切割安全用电
将电气设备可导电的金属外壳与大地作可靠的连接。此方法只适用三相三线制中性点不接地的供电系统。
各种电焊机（交流、直流）、电阻焊机等设备或外壳、电气控制箱、焊机组等，都应按要求接地，防止触电事故。
焊机的接地装置必须经常保持连接良好，定期检测接地系统的电气性能。
三、焊接设备的安全要求
二、焊接与切割设备的保护接地
三、焊接设备的安全要求
3.4触电急救方法（40分钟）
教学过程及教学内容
方法手段
复习与引入
焊接与切割设备
3.1安全用电基础知识
一、焊接与切割安全用电
焊接切割设备在运行时，空载电压一般都在50～90V，有的甚至高达300V以上。焊接现场金属材料的大量存在，特别是在金属容器或金属管道内施焊，焊接切割设备的绝缘损坏或电源线碰壳，设备外壳就会带电。焊接作业人员如果不重视安全用电，就有可能造成触电事故。因此，本章将系统介绍焊接切割设备的安全用电要求。
低压单相触电
低压两相触电
跨步电压触电
高压触电
五、作业环境按触电危险性分类
普通环境：
危险环境：
特别危险环境：锅炉房、化工厂的大多数车间；机械厂的铸工、电镀车间和酸洗车间等，以及在容器、管道内和金属构架上的焊接操作环境，均属于特别危险环境。
一、焊接切割设备的保护接零
适用于三相四线制电源中性点直接接地，是目前较为常用的方法。
课时教学计划
课程:金属焊接与切割任课教师：陈亚光
授课题目
第三章焊接与切割安全用电
教学形式
讲授
共2课时
授课班级
授课日期
教
学
目
的
要
求
1、掌握安全用电基础知识。
第三章 焊接接头的组织和性能
1.1 焊接热影响区的组织转变特点
由于热影响区受热的瞬时性，即升温速度快、高温停留时 间短及冷却速度很快，使得扩散有关的过程都难以进行，进而 影响到组织庄边的过程及其进行的程度，由此出现了与等温过 程和热处理过程的组织转变明显不同的特点。
• 1.焊接加热过程的组织转变特点
(1) 组织转变向高温推移 由于焊接加热速度快，导致钢铁材料的相变温度Ac1和Ac3升高。 这就是说，焊接过程中的组织转变不同于平衡状态的组织转变，转 变过程已向高温推移。 焊接加热过程中组织转变向高温推移是由奥氏体化过程的性质 决定的。由铁素体或珠光体向奥氏体转变的过程是扩散重结晶过程， 需要有孕育期。在快速加热的条件下，来不及完成扩散过程所需的 孕育期，势必造成相变温度的提高。当钢中含有了碳化物形成元素 时，由于它们的扩散速度慢，而且本身还阻止碳的扩散，因而明显 减慢了奥氏体化的过程，促使转变温度升的更高。
硬度 HV
（1）最高硬度
图 3-33 所出了易淬 火和不易淬火两类钢 种焊接热影响区的硬 度分布情况。从右图 可以看出，无论是易 淬火钢和不易淬火钢， 其焊接热影响区的硬 度分布都是不均匀的， 而且在熔合线附近的 过热区中出现了比母 材还高的最高硬度 Hmax ，这正是过热区 发生淬硬及晶粒严重 粗化造成的结果。
一般而言，对组织其主要作用的冷
却时间是从某一特定温度冷却到另一种 特定温度所经历的时间。对于低合金钢 来说，这个特定的冷却时间往往选定相 变温度范围内的冷却时间，即从800 ℃ 冷却到500 ℃所经历的时间t8/5。采用解 析和作图方法可确定t8/5 与焊接参数的 关系。
图3-27给出了焊条电弧焊是t8/5 与工 艺参数关系的线算图， 可以确定给定的 焊接工艺参数下的t8/5 ，也可以按照t8/5 的要求来确定所需的焊接工艺参数。 例
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第三章焊接部分
1.如图所示承受静力荷载的T形连接，采用双面角焊缝，手工焊，按构造要求所确定的合理焊脚尺寸应为（）
A.4mm
B.6mm
C.8mm
D.10mm
题1图题2图
2.如图所示连接，焊缝中最危险点为（）
A.最上点
B.最下点
C.焊缝长度的中点
D.水平荷载延长线与焊缝相交处
3.对接焊缝采用引弧板的目的是()
A.消除焊缝端部的焊接缺陷
B.提高焊缝的设计强度
C.增加焊缝的变形能力
D.降低焊接的施工难度
4.轴心受拉构件采用全焊透对接焊缝拼接，当焊缝质量等级为何级时，必须进行焊缝强度验算?()
A.一级
B.二级
C.三级
D.一级和二级
5.T形连接中直角角焊缝的最小焊脚尺寸h fmin=1.52t，最大焊脚尺寸h fmax=1.2t1，式中的
t1和t2分别为（）
A.t1为腹板厚度，t2为翼缘厚度
B.t1为翼缘厚度，t2为腹板厚度
C.t1为较小的被连接板件的厚度，t2为较大的被连接板件的厚度
D.t1为较大的被连接板件的厚度，t2为较小的被连接板件的厚度
6．钢结构焊接常采用E43xx型焊条，其中43表示（）
A．熔敷金属抗拉强度最小值B．焊条药皮的编号
C．焊条所需的电源电压D．焊条编号，无具体意义
7．在焊接施工过程中，应该采取措施尽量减小残余应力和残余变形的发生，下列哪一项措施是错误
．．的?（）
A．直焊缝的分段焊接
B．焊件的预热处理
C．焊接后进行退火处理
D．加强板边约束，阻止被焊接板件变形的发生
8.手工电弧焊接Q345构件，应采用( )
A.E43型焊条
B.E50型焊条
C.E55型焊条
D.H08A焊丝
9.某侧面直角角焊缝h f=6mm，由计算得到该焊缝所需计算长度40mm，考虑起落弧缺陷，设计时该焊缝实际长度取为( )
A.60mm
B.58mm
C.50mm
D.40mm
10.焊接残余应力不影响
．．．构件的（）
A.刚度
B.静力强度
C.整体稳定承载力
D.疲劳强度
11.在满足强度的条件下，图示①号和②号焊缝合理的h f应分别为（）
A.4mm，4mm
B.6mm，8mm
C.8mm，8mm
D.6mm，6mm
12.在承受静力荷载的角焊缝连接中，与侧面角焊缝相比，正面角焊缝( )
A.承载能力高，同时塑性变形能力也较好
B.承载能力高，而塑性变形能力却较差
C.承载能力低，而塑性变形能力却较好
D.承载能力低，同时塑性变形能力也较差
13．在焊接施工过程中，下列哪种焊缝最难施焊，而且焊缝质量最难以控制？（）A．平焊B．横焊
C．仰焊D．立焊
20．在对接焊缝中经常使用引弧板，目的是（）
A．消除起落弧在焊口处的缺陷B．对被连接构件起到补强作用
C．减小焊接残余变形D．防止熔化的焊剂滴落，保证焊接质量14.如图等边角钢与节点板仅采用侧面焊缝连接，角钢受轴心力N=500kN，肢背焊缝受力N1为( )
A.150kN
B.250kN
C.325kN
D.350kN
（29题图） （30题图）
15.如图，两钢板用直角角焊缝连接，手工焊，合适的焊角尺寸h f =( ) A.12mm
B.10mm
C.8mm
D.5mm
16.结构焊接时，所选焊条和被焊接构件之间的匹配原则是( ) A.弹性模量相适应 B.强度相适应 C.伸长率相适应 D.金属化学成份相适应 17.三级焊缝的质量检验内容为( ) A.外观检查和100％的焊缝探伤 B.外观检查和至少20％的焊缝探伤 C.外观检查 D.外观检查及对焊缝进行强度实测 18.下图中，那个面为角焊缝受力时的有效截面（ ）
A .a a 'c 'c
B. a a ' d ' d C . a a ' b ' b D .C c ' b ' b
19、在对接焊缝中，为了保证焊缝质量，通常按焊件厚度及施焊条件的不同，将焊口边缘加工成不同形式的坡口，坡口形式通常有 、 、 、U 型、X 型等。
20、在右图处有焊缝符号表示左图所示焊缝
21、直角角焊缝按截面形式可分为 、 和 。
为使传力平缓，正面角焊缝易采用 ，侧缝则易采用 。
22.在钢结构施工及验收规范中，焊缝按质量检验标准分为__________级。
h f d ' c '
b ' a '
d
c
b a
h e
h
f
23．对于全熔透的坡口对接焊缝而言，只有未采用引弧板或质量为_________________级的对接受拉焊缝才需进行强度验算。
24.承受拉力的对接焊缝，在符合二级质量检验标准的情况下，其设计强度f t与母材设计强度f的关系为___________。
25.钢结构设计规范规定：角焊缝长度不得小于___________和40mm。
26.焊接残余应力对构件的静力强度没有明显影响，但会___________构件的刚度和稳定性。
27.使用角焊缝的T形连接中，如果两块被连接板的厚度分别为6mm和10mm，则最小焊脚尺寸应为_____________mm。
28．当角焊缝的有效截面面积相等时，承受静力荷载的正面角焊缝的承载力比侧面角焊
缝的承载力__________。
29.钢材为Q345的构件相焊接时，采用手工焊，应选择___________型焊条。
30、焊逢连接按构件的相对位置分，连接的形式有___________、___________、___________和角接。
31、在右图中用焊缝符号表示左图中安装焊缝
32．如图所示某连接板使用双面角焊缝与柱翼缘相连，h f=6mm，承受偏心剪力V的作用(静力荷载)，试确定此焊缝所能承受的V的最大值。
已知钢材为Q235B级，手工焊，焊条为E43系列，W
f=160N／mm2。
图中长度单位均为mm。
f
33、焊接工字形梁（如图所示）在板与翼缘处设置一条工厂拼接的对接焊缝，拼接处承受的M=160kN·m , V=340kN ,试验算拼接的对接焊缝。
已知钢材为Q235，采用E43型焊条，手
工焊，施焊时采用引弧板。
（
2
/
185mm
N
f w
t
=2
/
125mm
N
f w
v
=
）（8分）
-260*16
-380*12
-260*16
34．图示三面围焊的角钢与钢板连接中，静载N=700kN，角钢2L100×12，节点板厚t=8mm，
钢材Q235B，采用E43焊条，
2
w
f
mm
/
N
160
f=，试确定所需焊角尺寸及焊缝长度。
（提
示：K1=0.7，K2=0.3）
35．验算如图所示连接的强度，受轴心力N=1500kN（静荷载）焊脚尺寸h f =8mm，钢材为Q235B级，板厚小于16mm时f =215N／mm2，板厚大于16mm时f=205N／mm2，手工焊，焊条为E43系列，w
f=160N／mm2。
f。