材料成形工艺,第十一章 焊接新技术及相关技术,第一节 高能束焊接 第二节 智能化焊接 第三节 搅拌摩擦焊 第四节 金属焊接的相关技术,第一节 高能束焊接,一、激光焊 二、电子束焊,一、激光焊,1.激光束 2.激光焊原理 3.激光焊工艺,1.激光束,(1)激光束的特性 (2)激光束模式 激光器的工作介质有固体、半导体、液体和气体等，目前用于激光的工作介质主要为渗钕钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃和红宝石固体激光器和高功率CO2气体激光器。,1)单色性好。激光的谱线窄，波振面形状不随时间变化，有良好的时间和空间相干性。这一性质使其在检验和通信领域广泛应用。 2)方向性好。光束发散角小，束斑尺寸小，经透射或反射聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达109W/cm2的能束。此外，高质量激光器输出的激光发散全角一般为(13)10-3rad，远距离传输时，每传输10m直径扩大1020mm，因此可应用于远距离激光加工。 3)亮度高。亮度高表明能量密度高，正好应用于焊接等加工工艺。,(1)激光束的特性,图11-1 几种低阶模激光束的光斑花样 能量分布示意图 a)TE b)TE c)TE d)TE,(2)激光束模式,2.激光焊原理,(1)深熔焊的小孔效应 高能量密度的激光束聚焦到焊件金属表面或表面以下时，材料吸收热量使表面温度迅速升高，金属熔化形成熔池；同时强烈的激光辐射使金属汽化，对熔池产生反作用力，在光斑下产生凹坑使光束进一步深入，进而形成一细长小孔。 (2)等离子体云的形成及其抑制 在高功率密度激光焊时，高温金属蒸气和外加保护气体在强烈的激光辐射和电磁场的作用下发生电离而形成等离子体云。,2.激光焊原理,图11-2 深熔连续焊示意图 1激光束 2熔池 3小孔 4焊缝宽,3.激光焊工艺,(1)激光焊参数及其调整 激光焊过程主要参数有激光功率密度、光斑性质、焊接速度、保护气体等。 (2)激光焊应用 激光焊可以焊接金属，也可焊接非金属，如玻璃、有机玻璃、陶瓷等，但在实际应用中主要为其他连接方法难以完成的材料及结构的焊接。,(1)激光焊参数及其调整,图11-3 激光束聚焦特性 a)示意图 b)腰束,(1)激光焊参数及其调整,图11-4 离焦量F定义,(1)激光焊参数及其调整,图11-5 离焦量F与焊缝形状的关系 a)F与焊缝形状参数的关系 b)焦点位置与焊缝形状的关系,(1)激光焊参数及其调整,图11-6 激光焊接速度对熔深的影响 a)低碳钢 b)不锈钢(功率10kW),二、电子束焊,1.电子束焊过程原理及特征 2.电子束焊焊接参数 3.电子束焊应用,1.电子束焊过程原理及特征,(1)电子束焊工作原理 图11-7为真空电子束焊示意图。 (2)电子束焊特点 电子束焊接电流为201000mA，加速电压为30150kV，焦点直径为0.11mm，功率密度可达109W/cm2，因而：功率密度高，热量集中，热效率高，热影响区小，又是在真空中实施焊接，特别适于难熔金属、活性或高纯度金属、热敏金属的焊接；束焦直径小，穿透能力强，焊缝深宽比大，一次可焊透300mm以上，焊缝深宽比则可达501，远大于一般弧焊的深宽比(1.51)，同时还可高速焊接薄板(如0.05mm)构件；焊速高，焊接变形小，可作为精密加工工件最后连接工序，适于精密构件的连接成形。,1.电子束焊过程原理及特征,图11-7 真空电子束焊示意图 1灯丝 2阴极 3聚束极 4阳极 5电子枪 6聚焦透镜 7偏转线圈 8电子束 9焊件 10工作台,2.电子束焊焊接参数,主要焊接参数有电子束电流、加速电压、焊接速度和聚焦电流等，与热输入的关系可表示为 q60UaIb/vw 式中，q为热输入(J/cm)；Ua为阳极加速电压(V)；Ib为电子束流(A)；vw为焊接速度(cm/min)。 由式(11-2)可见，增加Ua、Ib或减小vw都会使q增大，从而熔深、熔宽增大。其中Ua增大可使熔深增大，焊缝深宽比增大；vw增大则使焊缝变窄，熔深减小。因此，目前一般采用较高的Ua(60kV以上)，以提高vw并获得更大的熔深和深宽比。可采用的最大Ua为200kV，Ib仅为1010-3mA；Ib过高会使阴极表面电子发射密度增加，而缩短使用寿命。,3.电子束焊应用,电子束焊可焊接钢，特别是不锈钢、铝和铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金等同种金属；也可焊接锆、铌、钼、钨等难熔金属；还可焊接异种金属如韧性铜和钢或两种不同的韧性铜焊接、不锈钢和结构钢焊接等。 电子束焊接主要用于质量或生产率要求很高的产品，如核、航空工业中核燃料密封罐、特种合金喷气发动机部件、火箭推进系统压力容器、密封真空系统，汽车、焊管等工业中汽车传动齿轮，以及非真空电子束焊接直缝铜管、钢管、双金属(W6Mn65Cr4V2和50CrV2)机用锯条等。,第二节 智能化焊接,一、波形控制焊接 二、机器人焊接,一、波形控制焊接,1.短路期间的波形控制法 2.“表面张力过渡”波形控制法,1.短路期间的波形控制法,图11-8 智能控制的短路 电流波形,2.“表面张力过渡”波形控制法,图11-9 表面张力过渡控制波形图 a)熔滴过渡状态 b)电弧电压波形 c)焊接电流波形,二、机器人焊接,1.焊接机器人 2.焊接工艺对机器人的基本要求 3.机器人焊接操作,1.焊接机器人,(1)点焊机器人 点焊机器人主要应用于汽车、农机、摩托车等行业。 (2)弧焊机器人 弧焊机器人除应用于汽车行业外，在通用机械、金属结构、航空、航天、机车车辆及造船等行业都有应用。,2.焊接工艺对机器人的基本要求,(1)点焊工艺对机器人的基本要求 点焊工艺作业一般采用点位控制(PTP)，定位精度要求1mm；必须有足够的工作空间，一般应大于5m3；焊钳应有足够的抓重能力，一般为50120kg；示教记忆容量应大于1000点；应有较高的点焊速度(如每分钟60点以上，移动定位时间在0.4s以内等)；应有较高的抗干扰能力和可靠性；点焊控制系统应能实现点焊过程时序控制，即顺序控制预压、加压、焊接、维持、停止，每一程序周波数设定为099，误差为0；可实现焊接电源波形的调制，且其恒流控制误差不大于1%2%；可自动进行电极磨损后阶梯电流补偿，记录焊点数并预报电极寿命；具有自检报警功能等。,2.焊接工艺对机器人的基本要求,(2)弧焊工艺对机器人的基本要求 弧焊作业采用连续路径控制(CP)，要求定位精度0.5mm；应有足够大的工作空间，焊机应能悬挂或安装在运载小车上使用；抓重一般要求5050kg；示教记忆容量应大于5000点；足够的焊速和较高的稳定性，一般焊速为550mm/s，薄板高速MAG焊可高达4m/min；具有较高的抗干扰能力和可靠性、较强的故障自诊断能力；具有防碰撞及焊枪矫正、焊缝自动跟踪、焊透控制、焊缝始端检出、定点摆弧及摆动焊接、多层焊、清枪剪丝等多种功能；能预置焊接参数并对电源的外特性、动特性进行控制；,2.焊接工艺对机器人的基本要求,对焊接电流波形进行控制，能获得脉冲频率、峰值电流、基值电流、脉冲宽度、占空比及脉冲前后沿斜率任意可控的脉冲电流波形，实现对电弧功率的精确控制；具有与中央计算机双向通信的能力等。,(1)点焊工艺对机器人的基本要求,图11-10 点焊机器人组成框图,(2)弧焊工艺对机器人的基本要求,图11-11 采用逆变式弧焊电源的弧焊机器人系统组成框图,3.机器人焊接操作,1)F2500；以TV=2500cm/min的速度到达起始点。 2)SEASA=H1，L1=0；根据H1给出起始L20，F=100。 3)ARCON F=35，V=30；在给定条件下开始焊接I=280，TF=0.5，SENSTON=H1，并跟踪焊缝。 4)SENSCON=H1；给出焊缝结束位置。 5)CORN=*CHFOIAI；执行角焊缝程序*CHFOIAI。 6)F=300，DW=1.5；1.5s后焊速vw=300cm/min。 7)F=100；以vw=100cm/min并保持到下一示教点。 8)ARCON，DBASE=*DHFL09；开始以数据库*DHFL09的数据焊接。,3.机器人焊接操作,9)Arc off，vwc20，ic180；在要求条件下结束焊接TC=1.5，F=200。 10)F=1000，以vw=1000cm/min的速度运动。 11)DW=1，OUTB=2；1s后在2点发出1个脉冲。 12)F=100；以vw=100cm/min的速度运动。 13)MULTON=*M；执行多层焊程序*M。 14)MULTOFF，F=200；结束多层焊接。,图11-12 机器人电弧焊操作示例,3.机器人焊接操作,第三节 搅拌摩擦焊,与传统的摩擦焊及其熔焊方法相比，搅拌摩擦焊具有如下优点： 1)生产成本低。 2)接头质量高。 3)整个焊接过程中无熔化、无飞溅、无烟尘、无辐射、无噪声、无污染等。 4)广泛的工艺适用性。 5)便于机械化、自动化操作。 6)焊接后结构的残余应力和变形小，更适合于薄板焊接。,第三节 搅拌摩擦焊,搅拌摩擦焊作为一种新型焊接技术，也存在如下缺点： 1)焊接速度比某些熔焊方法低，主要是在焊接薄板时，其焊接速度不如激光焊接高，但焊接质量要比激光焊的好。 2)焊件必须被固定夹紧，不同的焊缝需要不同的工装夹具，焊接设备的灵活性差。 3)需要背面垫板。 4)焊接后存在“匙孔”。,第三节 搅拌摩擦焊,一、搅拌摩擦焊原理及焊缝组织 二、搅拌摩擦焊技术参数 三、搅拌摩擦焊的应用,一、搅拌摩擦焊原理及焊缝组织,1.搅拌摩擦焊原理 2.搅拌摩擦焊焊缝组织,1.搅拌摩擦焊原理,与普通摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的搅拌头伸入焊件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊件材料发生摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接。焊接过程如图11-13所示。在焊接时，焊件要刚性固定在背面垫板上，焊头边高速旋转，边沿焊件的接缝与焊件相对移动。,1.搅拌摩擦焊原理,在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入焊件的接缝中，旋转焊头与焊件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后，在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密的固相连接接头(见图11-14)。 搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，主要是焊头的旋转和焊件的相对运动，一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极为重要的。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。,图11-13 搅拌摩擦焊接原理图,1.搅拌摩擦焊原理,图11-14 搅拌摩擦焊搅拌头与母材作用过程,1.搅拌摩擦焊原理,2.搅拌摩擦焊焊缝组织,图11-15 搅拌摩擦焊宏观区域分布图 a)示意图 b)宏观组织,二、搅拌摩擦焊技术参数,1.搅拌摩擦焊接头形式 2.焊接参数,1.搅拌摩擦焊接头形式,图11-16 搅拌摩擦焊的接头形式,2.焊接参数,(1)焊接速度v 表11-1是几种有色金属常用的焊接速度。 (2)搅拌头转速n 搅拌头转速n也是借改变焊接热输入和软化材料流动来影响接头微观结构进而影响接头强度。 (3)焊接压力 搅拌头与被焊焊件表面之间的接触状态对焊缝的成形也有较大的影响。 (4)搅拌头倾角 搅拌头倾角是指搅拌头与焊件法线的夹角，表示搅拌头向后倾斜的程度，搅拌头向后倾斜的目的是对焊缝施加压力。 (5)搅拌头插入速度和保持时间 搅拌摩擦焊接过程起始插入速度不可过快，否则容易造成搅拌头折损；但过慢则造成生产率低下。,(1)焊接速度v,表11-1 有色金属常用的焊接速度,(1)焊接速度v,图11-17 焊接速度对镁合金搅拌摩擦焊接头 抗拉强度的影响(旋转速度为1180r/min),(1)焊接速度v,图11-18 两种不同焊接速度的焊缝区组织 a)焊接速度3.3mm/s b)焊接速度17.0