◇学习目标◇

1．等离子切割的学习及使用。

2．根据图纸使用等离子切割进行下料，并对零件进行一定的矫正。

3．氩弧焊设备的学习及使用。

4．不锈钢组合件的装配。

建议学时：10学时。

◇学习过程◇

一、焊接前准备

1．查阅相关资料，说说什么是等离子切割？

2．说说等离子弧的类型有哪些？

3．通过观察设备，说说等离子切割机由哪些部分组成？

4．查阅资料，说说矫正方法有哪些？它们是怎么进行分类的？

二、焊接材料准备，结合图纸进行下料并矫正

1．利用等离子切割进行下料，材料图纸如图11-2-1~图11-2-7所示。

图11-2-1　零件A图纸

图11-2-2　零件B图纸

图11-2-3　零件C图纸

图11-2-4　零件D图纸

图11-2-5　零件E图纸

图11-2-6　零件F图纸

图11-2-7　零件G图纸

2．零件的矫正。

零件按照图纸尺寸进行切割下料，下料完成后对零件进行检查，如果在加工切割过程中出现变形，必须进行矫正，然后再去除零件表面的油污、水分等污物后，才能进行装配。

三、焊接工艺准备

1．对氩弧焊进行学习后，请简述氩弧焊的工作原理。

2．通过实际观察焊接设备，说说氩弧焊设备由哪些部分组成？

3．什么是阴极破碎作用？

4．钨极的形状有哪些？这几种形状的钨极如何使用？

5．不锈钢组合件的装配。

（1）装配过程中，需考虑焊接应力与变形，请说说什么是焊接应力和变形？

（2）你认为影响焊接结构残余变形的因素有哪些？

（3）说说控制焊接残余应力的工艺措施有哪些？

（4）根据实际训练时的情况，写出如图11-2-8所示组合件的装配顺序。

图11-2-8　不锈钢组合件

请认真看图11-2-9，完成不锈钢组合件的装配。

图11-2-9　立体图

四、评价

各个小组可以通过不同的形式展示本组学员对本学习活动的理解，本人完成“自我评价”，本组组长完成“小组评价”内容；课余时间教师完成“教师评价”内容。

评价表

五、知识拓展

（一）等离子切割

等离子弧切割是利用高温、高速和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助被压缩的高速气流，将熔化的材料吹除而形成狭窄割口的过程。图11-2-10所示为等离子弧的切割示意图。

图11-2-10　等离子弧的切割示意图

1—钨极；2—进气管；3—喷嘴；4—等离子；5—弧割件；6—电阻

1．等离子弧的形成。

焊条电弧焊所形成的电弧未受到外界的约束，弧柱的直径随电弧电流及电压的变化而变化，能量不是高度集中，温度限制在5730~7730℃，故称为自由电弧。如果对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，就能将导电截面收缩得比较小，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分电离，这样的电弧称为等离子弧。图11-2-11所示为等离子弧的压缩效应。

图11-2-11　等离子弧的压缩效应

（a）焊条电弧焊的电弧；（b）机械压缩效应；（c）热收缩效应；（d）磁收缩效应
1—钨极；2—电弧；3—工件；4—喷嘴；5—冷却水孔；6—冷却气流

2．等离子弧的类型。

根据电源的不同接法，等离子弧可以分为非转移型弧、转移型弧、联合型弧3种，如图11-2-12所示。

图11-2-12　等离子弧的形式

（a）非转移型弧 （b）转移型弧 （c）联合型弧
1—钨极；2—等离子气；3—喷嘴；4—冷却水孔；5—工件；6—非转移型弧；7—转移型弧

3．等离子弧切割设备。

（1）设备分类。

按工作气体的不同，等离子弧切割设备分为非氧化性气体等离子弧切割机和空气等离子弧切割机。

（2）等离子弧切割机的组成。

等离子弧切割机包括电源、高频发生器、控制系统（控制箱）、水路系统、气路系统及割炬等。

图11-2-13所示为等离子弧切割机外部接线示意图，如图11-2-14为等离子弧工序图。

图11-2-13　等离子弧切割机外部接线示意图

1—电源；2—空气压缩机；3—割炬；4—工件；5—接工件电缆；6—电源开关；7—过滤减压网

图11-2-14　等离子弧工序图

4．等离子弧切割材料。

（1）气体。

等离子弧切割金属材料时，可用氩气、氮气、氢气、氧气或它们的混合气体作为切割用气体。表11-2-1为等离子弧切割常用气体的选择。

表11-2-1　等离子弧切割常用气体的选择

（2）电极与极性。

一般采用铈钨极，采用直流电源正接，电极损耗小，等离子弧燃烧稳定。如果使用空气等离子弧切割，一般采用镶嵌式纯锆或纯铪电极，它是将纯锆或纯铪镶嵌在纯铜座中，用直接水冷方式，可以承受较大的工作电流，并减少电极损耗。

（二）氩弧焊

1．氩弧焊的工作原理。

从焊枪喷嘴中喷出的氩气流，在焊接区形成厚而密的气体保护层而隔绝空气，同时，在电极（钨极或焊丝）与焊件之间燃烧产生的电弧热量使被焊处熔化，并填充焊丝，将被焊金属连接在一起，从而获得牢固的焊接接头。图11-2-15为氩弧焊示意图，图11-2-16为钨极氩弧焊原理图，图11-2-17为手工钨极氩弧焊设备组成。

图11-2-15　氩弧焊示意图

1—熔池；2—喷嘴；3—钨极；4—气体；5—焊缝；6—焊丝；7—送丝滚轮

图11-2-16　钨极氩弧焊原理图

1—电缆；2—保护气体导管；3—钨极；4—保护气体；5—熔池；6—焊缝；7—焊件；8—填充焊丝；9—喷嘴

图11-2-17　手工钨极氩弧焊设备组成

1—焊件；2—焊丝；3—焊炬；4—冷却系统；5—供气系统；6—焊接电源

2．焊接电源（焊机）。

因为手工钨极氩弧焊的电弧静特性与焊条电弧焊相似，所以任何具有陡降外特性的弧焊电源都可以作氩弧焊电源。

提示：直流电没有极性变化，电弧燃烧很稳定。直流电源的连接可分为直流正接、直流反接两种。采用直流正接时，电弧燃烧稳定性更好。图11-2-18所示为直流电源的正接与反接。

图11-2-18　直流电源的正接与反接

3．控制系统。

交流手工钨极氩弧焊机的控制程序方框图，如图11-2-19所示。

图11-2-19　交流手工钨极氩弧焊机的控制程序方框图

4．焊炬。

焊炬主要由焊炬体、钨极夹头、进气管、电缆、喷嘴、按钮开关等组成。

焊炬的作用是传导电流、夹持钨极、输送氩气。

氩弧焊焊炬分为分为大、中、小三种，按冷却方式又可分为气冷式焊炬和水冷式焊炬。图11-2-20为气冷式氩弧焊炬，图11-2-21为水冷式氩弧焊炬。

图11-2-20　气冷式氩弧焊炬

1—钨极；2—陶瓷喷嘴；3—枪体；4—短帽；5—手把；6—电缆；7—气体开关手轮；8—通气接头；9—通电接头

图11—2—21 水冷式氩弧焊炬

1—钨极；2—陶瓷喷嘴；3—导流件；4、8—密封圈；5—枪体；6—钨极夹头；7—盖帽；9—船形开关；10—扎线；11—手把；12—插圈；13—进气皮管；14—出水皮管；15—水冷缆管；16—活动接头；17—水电接头

常见的焊枪喷嘴出口形状如图11-2-22所示。

图11-2-22　常见的焊枪喷嘴出口形状

5．供气系统。

（1）氩气瓶。

氩气钢瓶外表涂灰色，并标有深绿色“氩气”的字样。

（2）氩气流量调节阀。(www.daowen.com)

氩气流量调节阀不仅能起到降压和稳压的作用，而且可方便地调节氩气流量。

（3）电磁气阀。

（三）焊接应力及变形

金属结构在焊接过程中产生的焊接应力和焊接变形，如果得不到合理的控制，就会使焊接产品质量下降，严重时还会出现裂纹，甚至产品报废。

1．焊接应力和变形的基本概念。

由焊接热过程引起的应力和变形就是焊接应力和焊接变形。焊后，当焊件温度降至常温时，残存于焊件中的应力称为焊接残余应力，焊件上不能恢复的变形称为焊接残余变形。

2．钢受热时力学性能的变化。

3．焊接应力与变形的产生原因。

（1）金属杆件均匀加热后产生的应力与变形（图11-2-23）。

图11-2-23　金属杆件在不同状态下

（2）焊件在焊接过程中存在的焊接应力与变形（图11-2-24、图11-2-25）。

图11-2-24　钢板不均匀受热时的变形情况和均匀受热的变形过程

图11-2-25　钢板中间焊接时的应力与变形

4．焊接残余应力。

（1）按造成焊接残余应力的原因分类：

①温度应力（热应力）；

②相变应力。

（2）按焊接残余应力的作用方向分类：

①纵向应力；

②横向应力。

（3）按焊接残余应力在空间的方向分类：

①单向应力；

②双向应力（平面应力）；

③三向应力（体积应力）。

5．焊接残余变形。

（1）焊接残余变形分类及产生原因。

焊件在焊后除了产生一定的焊接残余应力外，还产生一定的残余变形。图11-2-26所示为变形的基本形式，图11-2-27至图11-2-29所示为几种变形分类。

图11-2-26　变形的基本形式

图11-2-27　整体变形

图11-2-28　焊缝纵向收缩造成的弯曲变形

图11-2-29　焊缝横向收缩造成的弯曲变形

（2）影响焊接结构残余变形的因素。

①焊缝在结构中的位置；

②焊接结构的刚性；

③焊接结构的装配及焊接顺序（见图11-2-30）；

图11-2-30　X形坡口对接接头的焊接顺序

④其他因素。

a.材料的线膨胀系数；

b.焊接方法；

c.焊接电流和焊接速度；

d.焊接方向；

e.坡口形式；

f.结构的自重。

6．防止和减小焊接残余应力与残余变形的措施。

（1）焊接结构的合理设计。

（2）控制焊接残余变形的工艺措施。

①选择合理的装焊顺序（见图11-2-31、图11-2-32、图11-3-33）。

图11-2-31　工字梁的2种装配顺序

图11-2-32　封闭的箱形梁结构

1—隔板；2—上盖板；3—下盖板；4—大、小隔板

图11-2-33　门形梁的装焊顺序

1、2、3—焊缝顺序

②采取合理的焊接顺序。

a.对称焊缝；

b.不对称焊缝。

c.采用不同的焊接顺序

如果焊接结构的焊缝是不对称布置的，焊接顺序为：先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，使后焊的焊缝产生的变形足以抵消先前的变形，以使总体变形减小。图11-2-34为压型上模的结构、焊接变形与焊接顺序，采用不同焊接顺序的焊法如图11-2-35所示。

图11-2-34　压型上模的结构、焊接变形与焊接顺序

图11-2-35　采用不同焊接顺序的焊法

③反变形法。

为了抵消焊接残余变形，焊接前预先使焊件向焊接变形相反的方向变形，这种方法称为反变形法。

④刚性固定法。

焊接前对焊件采取外加刚性约束，使焊件在焊接时不能自由变形，这种防止变形的方法称为刚性固定法。

⑤散热法。

焊接时用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热面积大幅度减小，从而达到减小变形的目的，这种方法称为散热法。图11-2-36为散热法示例。

图11-2-36　散热法示例

1—焊件；2—焊炬；3—水槽；4—支撑架；5—喷水箱；6—冷却水孔；7—紫铜板

（3）控制焊接残余应力的工艺措施。

①选择合理的焊接顺序。

a．尽可能使焊缝自由收缩，如图11-2-37所示。

图11-2-37　尽可能使焊缝自由收缩的焊接原则示例

b.先焊收缩量最大的焊缝。

c.先焊交叉焊缝的短焊缝，后焊直通长焊缝，如图11-2-38所示为交叉焊缝的焊接顺序。

图11-2-38　交叉焊缝的焊接顺序

②选择合理的焊接工艺参数。

③采用预热的方法。

④加热“减应区”法（图11-2-39）。

图11-2-39　加热“减应区”法示意图

1—辐板；2—轮缘（网纹为“减应区”，“→”为热膨胀方向）

⑤敲击法。

7．焊接残余变形的矫正及残余应力的消除。

（1）焊接残余变形的矫正方法。

①机械矫正法。

机械矫正法是利用机械力的作用来矫正变形，如图11-2-40所示为工字梁焊后的机械矫正。

图11-2-40　工字梁焊后的机械矫正

1—拉紧器；2—压头；3—千斤顶

②火焰矫正法。

火焰矫正法是用氧—乙炔火焰或其他气体火焰（一般采用中性焰），以不均匀加热方式引起结构的某部位变形，来矫正原有的残余变形。

a.点状加热矫正。

b.线状加热矫正（图11-2-41）。

图11-2-41　线状加热矫正实例

c.三角形加热矫正。

三角形加热即加热区呈三角形。图11-2-42为T形梁的三角形矫正。

图11-2-42　T形梁的三角形加热矫正

（2）消除焊接残余应力的方法。

①整体高温回火热处理；

②局部高温回火热处理；

③机械拉伸法；

④温差拉伸法；

⑤振动法。

小作业4：通过上述知识的学习，你觉得不锈钢组合件应该用什么方法减小变形量？试写出装配顺序。