高频焊概述.
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高频焊
0
第八章 高频焊 教学目标： 1. 了解高频焊的原理、工艺特点、分类及应 用范围； 2. 熟悉爆炸焊的设备与工艺，了解爆炸焊的 基本操作与安全知识。
LEE MAN (SCETC)
高频焊
1
第一节 高频焊概述
高频焊（High－Frequency Resistance Welding，HFRW）--高频焊是利用10～500kHz高频电流经焊件连接面产生电阻热，使焊 件待焊区表层被加热到熔化或塑性状态，同时通过施加（或不加） 顶锻力，使焊件达到金属间结合的一种焊接方法。是一种固相电阻 焊方法（除高频熔焊外）。 高频焊发明于20世纪50年代初，并很快应用于工业生产。目前， 高频焊主要应用于机械化或自动化程度颇高的管材、型材生产线。 焊件材质可为钢、非铁金属，管径范围为6～1420mm，壁厚为 0.15～20mm。小径管多采用直焊缝；大径管多采用螺旋焊缝。
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高频焊的基础在于它应用了高频电流的两大效应：集肤效应和邻近效应。
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高频焊
3
集肤效应
集肤效应----是指高频电 流倾向于在金属导体表面 流动的一种现象。
集肤效应通常用电流的穿透 深度来度量。导体的电阻率越 低、磁导率越大、电流的频率 越高，其穿透深度越小，集肤 效应越显著。另外，由于导体 的磁导率和电阻率随温度而变 化，所以，集肤效应还与温度 有关。
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高频焊 4.阻抗器
作用：增加管内电流通道的感抗，以减小无效电流，增大焊接有效电流，
提高焊接速度。
20
材料：一种或多种高磁导率的铁氧体组成。
阻抗器磁心由直径为Ф 10mm的磁棒组 成，外壳为夹布胶木或玻璃钢，在易于 发生损坏的场合亦可采用不锈钢和铝等。 阻抗器内部应能通水冷却，以免焊时发 热而影响导磁性能。
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高频焊
借助高频电流的集肤效应可以使高频电能量集中于焊件 的表层，而利用邻近效应，又可控制高频电流流动的路线、 位置和范围。当要求高频电流集中于焊件的某一部位时， 只要将导体与焊件构成电流回路并使导体靠近焊件上的这 一部位，使它们相邻导体就能实现。
5
例如，在450kHZ，温度 1093℃时，在钢中的电流 穿透深度大约0.76mm； 在10kHz，温度1093℃时， 在钢中的深度大约是5mm。 使用高频电流时，邻近效 应能够使加热限制在预定 的通道内。如图示意了一 个辅助的导体和要加热的 零件被串联起来的情况。
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高频焊
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1.高频发生器 管用的高频发生器 电动机-发电机组 固体变频器 电子管高频振荡器 频率为100～500kHz 电动机驱动高频发电机，频率为3000～10kHz
最常用的高频振荡器功率范围为 60～400kw。
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高频焊
频率为 200～400kHz的电 子管高频振荡器的基本线路 如图5-7所示。电网经电路开 关、接触器、晶闸管调压器 向升压变压器和整流器供电， 升压变压器和整流器的作用 是将电网工频交流电转变为 高压直流电供给振荡器，为 保证电压脉动系数小于1％， 必须在高压整流器的输出端 加设滤波器装置。振荡器将 高压直流电转变为高压高频 电供给输出变压器，最后输 出变压器再将高电压小电流 的高频电转变为低电压大电 流的高频电，并直接输送给 电极（滑动触头）或感应圈。 该振荡器采用晶闸管调整高 频振荡器的输出功率。
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辅助导体与金属板构成往复导体
高频焊
6
（二）高频焊焊接过程及实质
集肤效应 邻近效应
高频电流
高频电流集中于待焊件的表层
电路电阻 加热
控制高频电流的路线、位置和范围 金属熔化或塑性状态
加压
电能转换成热能 金属原子通过金属键形成接头
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高频焊 高频焊的实质：
7
根据焊件结构的具体形式和特殊要求，运用集肤效应和邻近效应，使 焊件待焊处的表层金属得以快速加热而实现焊接。 高频焊通常使用的电流频率范围为300 ～450kHz，能使用比普 通电阻焊小得多的电流（能量耗损也小得多）使焊接区达到焊接温 度，从而可使用比较小的电极触头和触头压力，并能极大地提高焊 接速度和焊接效率。
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高频焊 2.电极触头 又叫接触子
作用：向工件传导高频电流。 工作条件：高温和高速滑动摩 擦（连续高频焊时）。 对材料要求：高的导电性、高 温强度、硬度和耐磨性。 材料：铜钨、银钨或锆钨等合 金材料。 如图5-8所示。触头块2尺寸：宽4～ 7mm，高6.5～7mm，长15～20mm，用 银钎焊方法将触头块焊到由铜或钢制的 触头座1上。该电极可传导500～5000A 焊接电流，对管壁的压力为22～220N。
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高频焊
图5-2为长度较小的两个焊件高频焊原理示意图。无论是对接还是 T型接头，待焊件截面彼此平行且留有一定间隙，高频电流通过接触 法导入焊件，沿箭头方向流动，相邻两端面就构成了往复导体。高 频电流的集肤和邻近两效应，使电流集中从焊件表层流过并使其迅 速加热到焊接温度，经加压后形成焊接接头。
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高频焊
如果被焊件很长，则要采用连续高频焊。 为有效地利用高频电流的集肤效应和邻近效 应，被焊件的待焊端面要制成V形开口结构， 两待焊面之间构成V形会合角，如图5-3所示。 高频焊时，通过置于待焊件边缘的电极触头 向焊件导入高频电流，由于集肤效应，电流 由一电极触头沿会合面流经会合点再到另一 电极触头，形成了高频电流的往复回路。由 于邻近效应，且愈接近顶点，两边缘之间的 距离愈小，产生的邻近效应越强，边缘温度 也越高，甚至达到金属的熔点而形成液体金 属熔池。随着焊件连续不断地向前运动，待 焊端面受到挤压，把液体金属和氧化物挤出 去，纯净金属便在固态下相互紧密接触，产 生塑性变形和再结晶，从而形成了牢固的焊 缝.
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高频焊 图5-4为用V形开口结构制造的三种类型产品。
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高频焊 二、高频焊的特点及应用 （一）高频焊的特点 优点
焊接速度高
11
由于电流能高度集中于焊接区，加热速度极快，高频焊的一般焊速 可高达150～200m/min。 因焊速高，焊件自冷作用强，故高频焊的热影响区窄小且不易发生 氧化，从而可获得具有良好组织与性能的焊缝。 高频电流的电压很高，对焊件表面的氧化膜是能够导通的，且通过 闪光过程、挤压作用，可以有效地清除接头上的氧化物和其他杂质。 而且只有在焊接如钛等与氧和氮反应非常快的金属时，才需用惰性 气体进行保护。
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高频焊
（二）高频焊应用范围
13
1.可焊接的金属材料
高频焊可焊接低碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝 合金、钛合金（需用惰性气体保护）、铜合金（黄铜 件要使用焊剂）、镍合金、铝合金等金属材料。
2.结构类型
高频焊除能制造各种材料的有缝管、异型管、散热片管、螺旋散 热片管、电缆套管等，还能生产各种断面的结构型材（T形、Ⅰ 形、H形等）、板（带）材等，如汽车轮圈、汽车车箱板、工具 钢与碳钢组成的锯条、刀具等。
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百度文库
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高频焊 3.感应圈
感应圈是高频感应焊 制管机的重要组件，其 结构形状及尺寸大小对 能量转换和效率影响 很大，图5-9所示为感应 圈常用结构，通常由纯 铜方管、圆管或纯铜板 制成的单匝或2～4 匝金属环组成，外缠绝 缘玻璃丝带并浇灌环氧 树脂以确保匝间绝缘， 内部通水冷却。
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高频焊
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高频焊
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高频焊
（二）高频焊的安全技术
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高频焊时，影响人身安全的最主要因素在于高频焊电源，高频发生器回路中的电压非常 高，如果操作不当，一旦发生触电，必将导致严重人身事故。因此，为确保人员与设备的 安全，除电源设备中已设置的保护装置外，通常还特别注意采取以下一些措施： 1）高频发生器机壳与输出变压器必须良好接地，接地线应尽可能地短而直，接地电阻 应不大于4Ω；而且设备周围特别是工人操作位置还应铺设耐压35kV的绝缘橡胶板。 2）禁止开门操作设备，在经常开闭钓门上设置联锁门开关，保证只有门处在紧闭时， 才能启动和操作设备。 3）停电检修时，必须拉开总配电开关，并挂上有人操作、不准合闸的标牌；在打开机 门后，还需用放电棒使各电容器组放电。放电后，才开始具体检修操作。 4）一般不允许带电检修，如必要时，操作者必须穿绝缘鞋、带绝缘手套，并必须另有 专人监护。 5）启动操作设备时，还应仔细检查冷却水系统，只在冷却水系统工作正常情况下，才 准通电预热振荡管。 此外，因为高频电磁场对人体和周围物体有作用，如可使周围金属发热，可使人体细胞 组织产生振动，引起疲劳、头晕等症状，所以对高频设备裸露在机壳外面的各高频导体还 需用薄铝板或铜板加以屏蔽，使工作场地的电场强度不大于40 V/m。
在管材或筒形件的焊接中，高频电阻焊或感应焊都有 无用的的电流围绕着管子或筒内表面流动，耗散电流， 在管子内放置磁铁棒（阻抗器），可减小无效电流。
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高频焊
21
高频焊管生产线除高频焊制管机组外，还有其他相关设备，如开卷 机、直头机、矫平机、活套、矫直机、铣头倒棱机、飞锯机、剪切对 焊机等，在设备选用时需同时考虑。 目前，国内生产的金属管焊接用高频感应加热设备主要技术参如下。 功率档次：60kw、100kw、200kw、300kw、400kw、600kw、 700kw、800kw；频率档次：200 ～ 300kHz、400kHz、600kHz、 1～2MHz；焊管直径：Ф （8 ～ 48）mm、 Ф （20 ～ 45）mm。Ф （20 ～ 76）mm、 Ф （60 ～ 114）mm、 Ф （90 ～ 219）mm、 Ф （114 ～ 273）mm；焊管壁厚：δ（0.5 ～ 1.0）mm、 δ （1.25 ～ 2.75）mm、 δ （2.75 ～ 4）mm、 δ （3.5 ～ 12）mm；焊接方式： 直缝焊、螺旋焊、感应焊、电阻焊。
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高频焊
4
邻近效应
邻近效应---是指当高频电流在 两导体中彼此反向流动或在一 个往复导体中流动时，电流集 中流动于导体邻近侧的现象。
如图5-1所示。邻近效应随频率增 加而增强，随邻近导体与焊件的越 加靠近而越加强烈，从而使电流的 集中与加热程度更加显著。若在邻 近导体周围加一磁芯，则高频电流 将会更窄地集中于工件表层。 导线与金属板互为邻近导体
LEE MAN (SCETC)
a、b、c、d、e、f为连续缝焊，h、i、j、k为有限长度焊。
高频焊
15
第二节 高频焊设备与工艺
一、高频焊设备与安全技术 （一）高频焊设备
高频焊设备主要用于 制管，图 5-6为高频焊 制管机组，它是由水平 导向辊、高频发生器及 输出装置、挤压辊、外 毛刺清除器、磨光辊、 机身以及一些辅助机构、 工具等部分组成，其中 高频发生器与焊接辅助 装置对焊管质量和生产 效率起关键作用。
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高频焊 一、高频焊的基本原理
（一）高频焊的基本类型 高频电阻焊 根据高频电能导入方式 高频感应焊
2
高频电阻焊时，通过电极触头与焊件 直接接触，将电流导入焊件实施焊接。
高频感应焊时，通过外部感应线圈的 耦合而在焊件内部产生感应电流进行 焊接，电源与焊件不发生有形的电接 触。
热影响区小
焊前无需清理
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高频焊 缺点
12
装配要求高
焊接时对装配质量要求高，尤其是连续高频焊接型材时，装配和焊 接都已实现自动化，任何因素造成V形开口形状的变化都会影响焊 接质量。
电源回路的高压部分对人身与设备的安全有威胁，要有特殊的保护措施。
回路中振荡管等元件的工作寿命较短，而且维修费用较高。
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第八章 高频焊 教学目标： 1. 了解高频焊的原理、工艺特点、分类及应 用范围； 2. 熟悉爆炸焊的设备与工艺，了解爆炸焊的 基本操作与安全知识。
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高频焊
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第一节 高频焊概述
高频焊（High－Frequency Resistance Welding，HFRW）--高频焊是利用10～500kHz高频电流经焊件连接面产生电阻热，使焊 件待焊区表层被加热到熔化或塑性状态，同时通过施加（或不加） 顶锻力，使焊件达到金属间结合的一种焊接方法。是一种固相电阻 焊方法（除高频熔焊外）。 高频焊发明于20世纪50年代初，并很快应用于工业生产。目前， 高频焊主要应用于机械化或自动化程度颇高的管材、型材生产线。 焊件材质可为钢、非铁金属，管径范围为6～1420mm，壁厚为 0.15～20mm。小径管多采用直焊缝；大径管多采用螺旋焊缝。
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高频焊的基础在于它应用了高频电流的两大效应：集肤效应和邻近效应。
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高频焊
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集肤效应
集肤效应----是指高频电 流倾向于在金属导体表面 流动的一种现象。
集肤效应通常用电流的穿透 深度来度量。导体的电阻率越 低、磁导率越大、电流的频率 越高，其穿透深度越小，集肤 效应越显著。另外，由于导体 的磁导率和电阻率随温度而变 化，所以，集肤效应还与温度 有关。
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高频焊 4.阻抗器
作用：增加管内电流通道的感抗，以减小无效电流，增大焊接有效电流，
提高焊接速度。
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材料：一种或多种高磁导率的铁氧体组成。
阻抗器磁心由直径为Ф 10mm的磁棒组 成，外壳为夹布胶木或玻璃钢，在易于 发生损坏的场合亦可采用不锈钢和铝等。 阻抗器内部应能通水冷却，以免焊时发 热而影响导磁性能。
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高频焊
借助高频电流的集肤效应可以使高频电能量集中于焊件 的表层，而利用邻近效应，又可控制高频电流流动的路线、 位置和范围。当要求高频电流集中于焊件的某一部位时， 只要将导体与焊件构成电流回路并使导体靠近焊件上的这 一部位，使它们相邻导体就能实现。
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例如，在450kHZ，温度 1093℃时，在钢中的电流 穿透深度大约0.76mm； 在10kHz，温度1093℃时， 在钢中的深度大约是5mm。 使用高频电流时，邻近效 应能够使加热限制在预定 的通道内。如图示意了一 个辅助的导体和要加热的 零件被串联起来的情况。
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1.高频发生器 管用的高频发生器 电动机-发电机组 固体变频器 电子管高频振荡器 频率为100～500kHz 电动机驱动高频发电机，频率为3000～10kHz
最常用的高频振荡器功率范围为 60～400kw。
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频率为 200～400kHz的电 子管高频振荡器的基本线路 如图5-7所示。电网经电路开 关、接触器、晶闸管调压器 向升压变压器和整流器供电， 升压变压器和整流器的作用 是将电网工频交流电转变为 高压直流电供给振荡器，为 保证电压脉动系数小于1％， 必须在高压整流器的输出端 加设滤波器装置。振荡器将 高压直流电转变为高压高频 电供给输出变压器，最后输 出变压器再将高电压小电流 的高频电转变为低电压大电 流的高频电，并直接输送给 电极（滑动触头）或感应圈。 该振荡器采用晶闸管调整高 频振荡器的输出功率。
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辅助导体与金属板构成往复导体
高频焊
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（二）高频焊焊接过程及实质
集肤效应 邻近效应
高频电流
高频电流集中于待焊件的表层
电路电阻 加热
控制高频电流的路线、位置和范围 金属熔化或塑性状态
加压
电能转换成热能 金属原子通过金属键形成接头
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高频焊 高频焊的实质：
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根据焊件结构的具体形式和特殊要求，运用集肤效应和邻近效应，使 焊件待焊处的表层金属得以快速加热而实现焊接。 高频焊通常使用的电流频率范围为300 ～450kHz，能使用比普 通电阻焊小得多的电流（能量耗损也小得多）使焊接区达到焊接温 度，从而可使用比较小的电极触头和触头压力，并能极大地提高焊 接速度和焊接效率。
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高频焊 2.电极触头 又叫接触子
作用：向工件传导高频电流。 工作条件：高温和高速滑动摩 擦（连续高频焊时）。 对材料要求：高的导电性、高 温强度、硬度和耐磨性。 材料：铜钨、银钨或锆钨等合 金材料。 如图5-8所示。触头块2尺寸：宽4～ 7mm，高6.5～7mm，长15～20mm，用 银钎焊方法将触头块焊到由铜或钢制的 触头座1上。该电极可传导500～5000A 焊接电流，对管壁的压力为22～220N。
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高频焊
图5-2为长度较小的两个焊件高频焊原理示意图。无论是对接还是 T型接头，待焊件截面彼此平行且留有一定间隙，高频电流通过接触 法导入焊件，沿箭头方向流动，相邻两端面就构成了往复导体。高 频电流的集肤和邻近两效应，使电流集中从焊件表层流过并使其迅 速加热到焊接温度，经加压后形成焊接接头。
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如果被焊件很长，则要采用连续高频焊。 为有效地利用高频电流的集肤效应和邻近效 应，被焊件的待焊端面要制成V形开口结构， 两待焊面之间构成V形会合角，如图5-3所示。 高频焊时，通过置于待焊件边缘的电极触头 向焊件导入高频电流，由于集肤效应，电流 由一电极触头沿会合面流经会合点再到另一 电极触头，形成了高频电流的往复回路。由 于邻近效应，且愈接近顶点，两边缘之间的 距离愈小，产生的邻近效应越强，边缘温度 也越高，甚至达到金属的熔点而形成液体金 属熔池。随着焊件连续不断地向前运动，待 焊端面受到挤压，把液体金属和氧化物挤出 去，纯净金属便在固态下相互紧密接触，产 生塑性变形和再结晶，从而形成了牢固的焊 缝.
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高频焊 图5-4为用V形开口结构制造的三种类型产品。
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高频焊 二、高频焊的特点及应用 （一）高频焊的特点 优点
焊接速度高
11
由于电流能高度集中于焊接区，加热速度极快，高频焊的一般焊速 可高达150～200m/min。 因焊速高，焊件自冷作用强，故高频焊的热影响区窄小且不易发生 氧化，从而可获得具有良好组织与性能的焊缝。 高频电流的电压很高，对焊件表面的氧化膜是能够导通的，且通过 闪光过程、挤压作用，可以有效地清除接头上的氧化物和其他杂质。 而且只有在焊接如钛等与氧和氮反应非常快的金属时，才需用惰性 气体进行保护。
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（二）高频焊应用范围
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1.可焊接的金属材料
高频焊可焊接低碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝 合金、钛合金（需用惰性气体保护）、铜合金（黄铜 件要使用焊剂）、镍合金、铝合金等金属材料。
2.结构类型
高频焊除能制造各种材料的有缝管、异型管、散热片管、螺旋散 热片管、电缆套管等，还能生产各种断面的结构型材（T形、Ⅰ 形、H形等）、板（带）材等，如汽车轮圈、汽车车箱板、工具 钢与碳钢组成的锯条、刀具等。
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高频焊 3.感应圈
感应圈是高频感应焊 制管机的重要组件，其 结构形状及尺寸大小对 能量转换和效率影响 很大，图5-9所示为感应 圈常用结构，通常由纯 铜方管、圆管或纯铜板 制成的单匝或2～4 匝金属环组成，外缠绝 缘玻璃丝带并浇灌环氧 树脂以确保匝间绝缘， 内部通水冷却。
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（二）高频焊的安全技术
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高频焊时，影响人身安全的最主要因素在于高频焊电源，高频发生器回路中的电压非常 高，如果操作不当，一旦发生触电，必将导致严重人身事故。因此，为确保人员与设备的 安全，除电源设备中已设置的保护装置外，通常还特别注意采取以下一些措施： 1）高频发生器机壳与输出变压器必须良好接地，接地线应尽可能地短而直，接地电阻 应不大于4Ω；而且设备周围特别是工人操作位置还应铺设耐压35kV的绝缘橡胶板。 2）禁止开门操作设备，在经常开闭钓门上设置联锁门开关，保证只有门处在紧闭时， 才能启动和操作设备。 3）停电检修时，必须拉开总配电开关，并挂上有人操作、不准合闸的标牌；在打开机 门后，还需用放电棒使各电容器组放电。放电后，才开始具体检修操作。 4）一般不允许带电检修，如必要时，操作者必须穿绝缘鞋、带绝缘手套，并必须另有 专人监护。 5）启动操作设备时，还应仔细检查冷却水系统，只在冷却水系统工作正常情况下，才 准通电预热振荡管。 此外，因为高频电磁场对人体和周围物体有作用，如可使周围金属发热，可使人体细胞 组织产生振动，引起疲劳、头晕等症状，所以对高频设备裸露在机壳外面的各高频导体还 需用薄铝板或铜板加以屏蔽，使工作场地的电场强度不大于40 V/m。
在管材或筒形件的焊接中，高频电阻焊或感应焊都有 无用的的电流围绕着管子或筒内表面流动，耗散电流， 在管子内放置磁铁棒（阻抗器），可减小无效电流。
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高频焊管生产线除高频焊制管机组外，还有其他相关设备，如开卷 机、直头机、矫平机、活套、矫直机、铣头倒棱机、飞锯机、剪切对 焊机等，在设备选用时需同时考虑。 目前，国内生产的金属管焊接用高频感应加热设备主要技术参如下。 功率档次：60kw、100kw、200kw、300kw、400kw、600kw、 700kw、800kw；频率档次：200 ～ 300kHz、400kHz、600kHz、 1～2MHz；焊管直径：Ф （8 ～ 48）mm、 Ф （20 ～ 45）mm。Ф （20 ～ 76）mm、 Ф （60 ～ 114）mm、 Ф （90 ～ 219）mm、 Ф （114 ～ 273）mm；焊管壁厚：δ（0.5 ～ 1.0）mm、 δ （1.25 ～ 2.75）mm、 δ （2.75 ～ 4）mm、 δ （3.5 ～ 12）mm；焊接方式： 直缝焊、螺旋焊、感应焊、电阻焊。
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邻近效应
邻近效应---是指当高频电流在 两导体中彼此反向流动或在一 个往复导体中流动时，电流集 中流动于导体邻近侧的现象。
如图5-1所示。邻近效应随频率增 加而增强，随邻近导体与焊件的越 加靠近而越加强烈，从而使电流的 集中与加热程度更加显著。若在邻 近导体周围加一磁芯，则高频电流 将会更窄地集中于工件表层。 导线与金属板互为邻近导体
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a、b、c、d、e、f为连续缝焊，h、i、j、k为有限长度焊。
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第二节 高频焊设备与工艺
一、高频焊设备与安全技术 （一）高频焊设备
高频焊设备主要用于 制管，图 5-6为高频焊 制管机组，它是由水平 导向辊、高频发生器及 输出装置、挤压辊、外 毛刺清除器、磨光辊、 机身以及一些辅助机构、 工具等部分组成，其中 高频发生器与焊接辅助 装置对焊管质量和生产 效率起关键作用。
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高频焊 一、高频焊的基本原理
（一）高频焊的基本类型 高频电阻焊 根据高频电能导入方式 高频感应焊
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高频电阻焊时，通过电极触头与焊件 直接接触，将电流导入焊件实施焊接。
高频感应焊时，通过外部感应线圈的 耦合而在焊件内部产生感应电流进行 焊接，电源与焊件不发生有形的电接 触。
热影响区小
焊前无需清理
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高频焊 缺点
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装配要求高
焊接时对装配质量要求高，尤其是连续高频焊接型材时，装配和焊 接都已实现自动化，任何因素造成V形开口形状的变化都会影响焊 接质量。
电源回路的高压部分对人身与设备的安全有威胁，要有特殊的保护措施。
回路中振荡管等元件的工作寿命较短，而且维修费用较高。