焊接機(jī)工藝

發(fā)布時間：2012-09-02 | 來源：星鴻藝激光焊接運營部 | 分享：

焊接工藝
激光焊機(jī)
按控制方式可分：手動式激光焊接機(jī)，自動激光焊接機(jī)，振鏡式激光焊接機(jī);按激光器可分：YAG激光焊接機(jī)，半導(dǎo)體激光焊接機(jī)，光纖激光焊接。 　　
   激光焊接機(jī)有兩種基本模式：激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊，前者所用激光功率密度較低（105～106W/cm2），工件吸收激光后，僅達(dá)到表面熔化，然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。后者激光功率密度高（106～107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機(jī)械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。 　　深熔焊過程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護(hù)氣體，在激光作用下發(fā)生電離，從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用，因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達(dá)工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通常可輔加側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應(yīng)，使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生，研究它們與焊接規(guī)范及焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系，和利用這些特征信號對激光焊接過程及質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，具有十分重要的理論意義和實用價值。
優(yōu)點
（1）可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。
（2）32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。 　　
（3）不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機(jī)具的耗損及變形接可降至最低。 　　
（4）激光束易于聚焦、對準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。 　　
（5）工件可放置在封閉的空間（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。 　　
（6）激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件，
（7）可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。 　　
（8）易于以自動化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。 　　
（9）焊接薄材或細(xì)徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。 　　
（10）不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對準(zhǔn)焊  光纖激光焊機(jī)
件。 　　
（11）可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬 　　
（12）不需真空，亦不需做X射線防護(hù)。 　　
（13）若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達(dá)10:1 　　
（14）可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。
缺點
（1）焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。 　　
（2）焊件需使用夾治具時，必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準(zhǔn)。 　　
（3）最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。 　　
（4）高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。 　　
（5）當(dāng)進(jìn)行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。 　　
（6）能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。 　　
（7）焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。 　　
（8）設(shè)備昂貴。
固態(tài)焊接
 固態(tài)焊接和最早的焊接工藝鍛焊類似的是，一些現(xiàn)代焊接工藝也無需將材料熔化來形成連接。其中最流行的是超聲波焊接，它通過施加高頻聲波和壓力來連接金屬和熱塑塑料制成的板料和線。超聲波焊接的設(shè)備和原理都和電阻焊類似，只是輸入的不是電流而是高頻振動。這一焊接工藝焊接金屬時不會將金屬加熱到熔化，焊縫的形成依賴的是水平振動和壓力。焊接塑料的時候，則應(yīng)該在熔融溫度下施加垂直方向的振動。超聲波焊接常用于制造銅或鋁質(zhì)地的電氣接口，也多見于焊接復(fù)合材料。
另一種較常見固態(tài)焊接工藝是爆炸焊（Explosion welding），它的原理是使材料在爆炸產(chǎn)生的高溫高壓作用下形成連接。爆炸產(chǎn)生的沖擊使得材料短時間內(nèi)表現(xiàn)出可塑性，從而形成焊點，這一過程中只產(chǎn)生很少量的熱量。這一工藝通常用于連接不同材料的焊接，如在船體或復(fù)合板上連接鋁制部件。其他固態(tài)焊接工藝包括擠壓焊（Co-extrusion welding）、冷焊（Cold welding）、擴(kuò)散焊（Diffusion welding）、摩擦焊（Friction welding）（包括攪拌摩擦焊）、EMPT焊接（EMPT welding）、高頻焊（ High frequency welding）、熱壓焊（Hot pressure welding）、感應(yīng)焊（Induction welding）、熱軋焊 （Roll welding）[26]。
EMPT焊接
電磁脈沖技術(shù)（EMPT）-- 一種創(chuàng)新的焊接方式電磁脈沖技術(shù)（EMPT）可以在不相互接觸的情況下對金屬進(jìn)行連接、焊接、成形和切割。EMPT利用電磁感應(yīng)圈，從一個脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生出短暫而非常強的電流。感應(yīng)圈產(chǎn)生出的電磁場，可以瞬間壓縮或者膨脹而改變管材的直徑。由于管材表面可以短暫帶渦電流，因而此技術(shù)同樣可以處理沒有磁性的金屬，如鋁。
電磁脈沖技術(shù)（EMPT）可以對金屬進(jìn)行連接、焊接、成形和切割，尤其適合于導(dǎo)電性強的金屬管材，如鋁、銅、鋼等。同樣可以壓縮或者膨脹不對稱的橫截面，根據(jù)需要進(jìn)行機(jī)械密封、固相焊接、或簡單的形狀改變。由于其速度非常快，因此產(chǎn)生出的固相焊接的微觀結(jié)構(gòu)可以接近于爆炸焊接或者爆炸包覆。
很多情況下需要使用固相焊接，也被稱為原子結(jié)合，因為他是在原子能級上進(jìn)行的連接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高壓作用下兩個純金屬工件的原子相互擠壓，直到發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成一個新的金屬混合物。然而EMPT操作時溫度不會升高，即沒有受到高溫影響的區(qū)域，因而微觀結(jié)構(gòu)也就不會發(fā)生改變。EMPT焊接是靠工件之間的V型接口，即兩工件連接端事先做成圓錐形，
工件相互之間進(jìn)行“滾動式”擠壓接觸。如果產(chǎn)品對于密封性或傳導(dǎo)性有特殊要求，EMPT焊接的優(yōu)勢則更加突出。 在V形端部產(chǎn)生的接觸擠壓力范圍約為1000N/mm2，并伴有巨大的張力。這基本上發(fā)生在兩個工件的接觸區(qū)域前面的十幾微米的接觸點之間。表層下的塑性變形，導(dǎo)致兩個接觸體的氧化層都發(fā)生破裂，因而發(fā)生與爆炸焊接相類似的波浪狀微觀結(jié)構(gòu)。有限元分析表明，塑性變形速度超過聲音在空氣中傳播速度，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聲音在金屬中傳播速度。工件之間的空氣層被壓縮，加速向頂端角部擠壓，由此產(chǎn)生的噴射氣體將連接區(qū)域的碎屑及氧化粒子等吹走。
EMPT焊接的優(yōu)點在于結(jié)合強度大，因為結(jié)合力相當(dāng)于要將工件熔化的力。另外，EMPT焊接可以用在不同金屬材料上類似”氦密封”連接，而不產(chǎn)生高熱量。通常難焊的不銹鋼材料也可以使用EMPT焊接，甚至可以大批量地焊接不同的金屬，如鋼和鋁、鋼和銅、以及銅和鋁等。
氣焊
最常見的氣焊工藝是可燃?xì)夂附樱∣xy-fuel welding），也稱為氧乙炔焰焊接。它是最古老，最通用的焊接工藝之一，但近年來在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)不多見。它仍廣泛用于制造和維修管道，也適用于制造某些類型的金屬藝術(shù)品。可燃?xì)夂附硬粌H可以用于焊接鐵或鋼，還可用于銅焊、釬焊、加熱金屬（以便彎曲成型）、氣焰切割等。
可燃?xì)夂附铀�需的設(shè)備較簡單，也相對便宜，一般通過氧氣和乙炔混合燃燒來產(chǎn)生溫度約為3100攝氏度的火焰。因為火焰相對電弧更分散，可燃?xì)夂附拥暮缚p冷卻速度較慢，可能會導(dǎo)致更大的應(yīng)力殘留和焊接變形，但這一特性簡化了高合金鋼的焊接。一種衍生的應(yīng)用被稱為氣焰切割，即用氣體火焰來切割金屬 。其他的氣焊工藝有空氣乙炔焊、氧氫焊、氣壓焊，它們的區(qū)別主要在于使用不同的燃料氣體。氫氧焊有時用于小物品的精密焊接，如珠寶首飾。氣焊也可用于焊接塑料，一般采用加熱空氣來焊接塑料，其工作溫度比焊接金屬要低得多。
 電阻焊
電阻焊的原理是：兩個或多個金屬表面接觸時，接觸面上會產(chǎn)生接觸電阻。如果在這些金屬中通過較大的電流（1,000—100,000安培），根據(jù)焦耳定律，接觸電阻大的部分會發(fā)熱，將接觸點附近的金屬熔化形成熔池。一般來說，電阻焊是一種高效、無污染的焊接工藝，但其應(yīng)用因為設(shè)備成本的問題受到限制。
  點焊機(jī)點焊（Spot welding），或稱電阻點焊，是一種流行的電阻焊工藝，用于連接疊壓在一起的金屬板，金屬板的厚度可達(dá)3毫米。兩個電極在固定金屬板的同時，還向金屬板輸送強電流。該方法的優(yōu)點包括：能源利用效率較高，工件變形小，焊接速度快，易于實現(xiàn)自動化焊接，而且無需焊料。由于電阻點焊的焊縫強度明顯較低，這一工藝只適合于制造某些產(chǎn)品。它廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)，一輛普通汽車上由工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行的焊接點多達(dá)幾千處。一種特殊的點焊工藝（Shot welding），可用于不銹鋼點焊。
與點焊類似的一種焊接工藝稱為縫焊（Seam welding），它通過電極施加壓力和電流來拼接金屬板。縫焊所采用的電極是軋輥形而非點形，電極可以滾動來輸送金屬板，這使得縫焊能夠制造較長的焊縫。在過去，這種工藝被用于制造易拉罐，但現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。其他的電阻焊工藝包括閃光焊（Flash welding）、凸焊（projection welding）、對焊（Upset welding）等。
 硬焊和軟焊
硬焊(硬釬焊)（Brazing）和軟焊(軟釬焊)（Soldering）是以熔點低于欲連接工件之熔填物填充于兩工件間，并待其凝固后將二者接合起來的一種接合法。所使用的熔填物熔點在430℃（800℉）以下者，稱為軟焊，焊接金屬在430℃（800℉）以上者，稱為硬焊。通常亦常以熔填物做為焊接方式名稱，常用的硬焊如銅焊，軟焊則常用錫焊、鉛焊。
  能量束焊接能源束焊接工藝包括激光焊接（Laser beam welding，LBW）和電子束焊接（Electron beam welding，EBW）。它們都是相對較新的工藝，在高科技制造業(yè)中很受歡迎。這兩種工藝的原理相近，最顯著的區(qū)別在于它們的能量來源。激光焊接法采用的是高度集中的激光束，而電子束焊接法則使用在真空室中發(fā)射的電子束。由于兩種能量束都具有很高的能量密度，能量束焊接的熔深很大，而焊點很小。這兩種焊接工藝的工作速度都很快，很容易實現(xiàn)自動化，生產(chǎn)效率極高。主要缺點是設(shè)備成本極其昂貴（雖然價格一直在下降），焊縫容易發(fā)生熱裂。在這個領(lǐng)域的新發(fā)展是激光復(fù)合焊（Laser-hybrid welding），它結(jié)合了激光焊接和電弧焊的優(yōu)點，因此能夠獲得質(zhì)量更高的焊縫。
弧焊
    弧焊使用焊接電源來創(chuàng)造并維持電極和焊接材料之間的電弧，使焊點上的金屬融化形成熔池。它們可以使用直流電或交流電，使用消耗性或非消耗性電極。有時在熔池附近會引入某種惰性或半惰性氣體，即保護(hù)氣體，有時還會添加焊補材料。
能量供應(yīng)
   弧焊過程要消耗大量的電能，可以通過多種焊接電源來供應(yīng)能量。最常見的焊接電源包括恒流電源和恒壓電源。在弧焊過程中，所施加的電壓決定電弧的長度，所輸入的電流則決定輸出的熱量。恒流電源輸出恒定的電流和波動的電壓，多用于人工焊接，如手工電弧焊和鎢極氣體保護(hù)電弧焊。因為人工焊接要求電流保持相對穩(wěn)定，而在實際操作中，電極的位置很難保證不變，弧長和電壓也會隨之發(fā)生變化。恒壓電源輸出恒定的電壓和波動的電流，因此常用于自動焊接工藝，如熔化極氣體保護(hù)電弧焊、藥芯焊絲電弧焊和埋弧焊。在這些焊接工藝中中，電弧長度保持恒定，因為焊頭和工件之間距離發(fā)生的任何波動都通過電流的變化來彌補。例如，如果焊頭和工件的間隔過近，電流將急速增大，使得焊點處發(fā)熱量驟增，焊頭部分融化直至間隔恢復(fù)到原來的程度。
   所用的電的類型對焊接有很大影響。耗電量大的焊接工藝，如手工電弧焊和熔化極氣體保護(hù)電弧焊通常使用直流電，電極可接正極或負(fù)極。在焊接中，接正極的部分會有更大的熱量集中，因此，改變電極的極性將影響到焊接性能。如果是工件接正極，工件將更熱，焊接深度和焊接速度也會大大提高。反之，工件接負(fù)極的話將焊出較淺的焊縫。 耗電量較小的焊接工藝，如鎢極氣體保護(hù)電弧焊，可以通直流電（采用任意接頭方式），也可以使用交流電。然而，這些焊接工藝所采用的電極都是只產(chǎn)生電弧而不提供焊料的，因此在使用直流電時，接正電極的時候，焊接深度較淺，而接負(fù)電極時能產(chǎn)生更深的焊縫 。交流電使電極的極性迅速變化，從而將生成中等穿透程度的焊縫。使用交流電的缺點之一是，每一次變化的電壓通過電壓零點后，電弧必須重新點燃，為解決這一問題，一些特殊的焊接電源產(chǎn)生的是方波型的交流電，而不是通常的正弦波型，使得電壓變化通過零點時的負(fù)面影響降到最小。
弧焊工藝
  手工電弧焊手工電弧焊最常見的焊接工藝。在焊接材料和消耗性的焊條之間，通過施加高電壓來形成電弧，焊條的芯部分通常由鋼制成，外層包覆有一層助焊劑。在焊接過程中，助焊劑燃燒產(chǎn)生二氧化碳，保護(hù)焊縫區(qū)免受氧化和污染。電極芯則直接充當(dāng)填充材料，不需要另外添加焊料。
  這種工藝的適應(yīng)面很廣，所需的設(shè)備也相對便宜，非常適合現(xiàn)場和戶外作業(yè)。操作者只需接受少量的培訓(xùn)便可熟練掌握。焊接時間較慢，因為消耗性的焊條電極必須經(jīng)常更換。焊接后還需要清除助焊劑形成的焊渣。此外，這一技術(shù)通常只用于焊接黑色金屬，焊鑄鐵、鎳、鋁、銅等金屬時需要使用特殊焊條。缺乏經(jīng)驗的操作者還往往難以掌握特殊位置的焊接。
熔化極氣體保護(hù)電弧焊（Gas metal arc welding，GMAW） ，通常包含MIG（又稱為金屬-惰性氣體焊）及MAG（又稱為金屬-活性氣體焊），是一種半自動或自動的焊接工藝。它采用焊條連續(xù)送絲作為電極，并用惰性、半惰性或活性氣體，以及混合氣體保護(hù)焊點。和手工電弧焊相似，操作者稍加培訓(xùn)就能熟練掌握。由于焊絲供應(yīng)是連續(xù)的，熔化極氣體保護(hù)電弧焊和手工電弧焊相比能獲得更高的焊接速度。此外，因其電弧相對手工電弧焊較小，熔化極氣體保護(hù)電弧焊更適合進(jìn)行特殊位置焊接（如仰焊）。
   和手工電弧焊相比，熔化極氣體保護(hù)電弧焊所需的設(shè)備要復(fù)雜和昂貴得多，安裝過程也比較繁瑣。因此，熔化極氣體保護(hù)電弧焊的便攜性和通用性并不好，而且由于必須使用保護(hù)氣體，并不是特別適合于戶外作業(yè)。但是，熔化極氣體保護(hù)電弧焊的焊接速度較快，非常適合工廠化大規(guī)模焊接。這一工藝適用于多種金屬，包括黑色和有色金屬。
另一種相似的技術(shù)是藥芯焊絲電弧焊（Flux-cored arc welding，F(xiàn)CAW），它使用和熔化極氣體保護(hù)電弧焊相似的設(shè)備，但采用包覆著粉末材料的鋼質(zhì)電極芯的焊絲。和標(biāo)準(zhǔn)的實心焊絲相比，這種焊絲更加昂貴，在焊接中會產(chǎn)生煙和焊渣，但使用它可以獲得更高的焊接速度和更大的焊深。
鎢極氣體保護(hù)電弧焊，或稱鎢-惰性氣體（TIG焊）焊接（有時誤稱為氦弧焊），是一種手工焊接工藝。它采用非消耗性的鎢電極，惰性或半惰性的保護(hù)氣體，以及額外的焊料。這種工藝擁有穩(wěn)定的電弧和較高的焊接質(zhì)量，特別適用于焊接板料，但這一工藝對操作者的要求較高，焊接速度相對較低。
    鎢極氣體保護(hù)電弧焊幾乎適用于所有的可焊金屬，最常用于焊接不銹鋼和輕金屬。它往往用于焊接那些對焊接質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品，如自行車、飛機(jī)和海上作業(yè)工具。與之類似的是等離子弧焊（Plasma arc welding，PAW），它采用鎢電極和等離子氣體來生成電弧。等離子弧焊的電弧相對于鎢極氣體保護(hù)電弧焊更集中，使對等離子弧焊的橫向控制顯得尤為重要，因此這一技術(shù)對機(jī)械系統(tǒng)的要求較高。由于其電流較穩(wěn)定，該方法與鎢極氣體保護(hù)電弧焊相比，焊深更大，焊接速度更快。它能夠焊接鎢極氣體保護(hù)電弧焊所能焊接的幾乎所有金屬，唯一不能焊接的是鎂。不銹鋼自動焊接是等離子弧焊的重要應(yīng)用。該工藝的一種變種是等離子切割，適用于鋼的切割。
    埋弧焊（Submerged arc welding，SAW），是一種高效率的焊接工藝。埋弧焊的電弧是在助焊劑內(nèi)部生成的，由于助焊劑阻隔了大氣的影響，焊接質(zhì)量因此得以大大提升。埋弧焊的焊渣往往能夠自行脫落，無需清理焊渣。埋弧焊可以通過采用自動送絲裝置來實現(xiàn)自動焊接，這樣可以獲得極高的焊接速度。由于電弧隱藏在助焊劑之下，幾乎不產(chǎn)生煙霧，埋弧焊的工作環(huán)境大大好于其他弧焊工藝。這一工藝常用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是在制造大型產(chǎn)品和壓力容器時[23]。其他的弧焊工藝包括原子氫焊（Atomic hydrogen welding，AHW）、碳弧焊（Carbon arc welding，CAW）、電渣焊（Electroslag welding，ESW）、氣電焊（Electrogas welding，EGW）、螺柱焊接（Stud welding）等。

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