焊接新技术

焊接新技术

一、 数字化焊接电源技术：

所谓数字化焊接电源是指焊接电源的主要控制电路由传统的模拟技术直接被数字技术所代替，在控制电路中的控制信号也随之由模拟信号过渡到0/1编码的数字信号。

焊接电源实现数字化控制的优点，主要表现在灵活性好、稳定性强、控制精度高、接口兼容性好等几个方面。

焊接电源向数字化方向发展，包含两方面的内容。一个是主电路的数字化，另一个是控制电路的数字化。

主电路的数字化中，变压器的设计是关键，主要采用开关式焊机，如：逆变电源（见图1、

2）等。焊接电源主电路的数字化使得焊接电源的功率损耗大大地减少，随着工作频率的提高，回路输出电流的纹波更小，响应速度更快，焊机能够获得更好的动态响应特性。 图1 变压器体积-工作频率关系曲线 图2 逆变式电源主电路框图

控制电路的数字化主要采用数字信号处理技术，由模拟信号的滤波、模/数转化、数字化处理、数/模转化、平滑滤波等环节组成，最终输出模拟控制量从而完成对模拟信号的数字化处理。控制系统原理见图3。

图3 数字化逆变弧焊电源的控制系统原理框图

PWM

激光作为一个高能密度的热源，具有焊接速度高，焊接变形小，热影响区窄等特点。但是，激光也有其缺点：能量利用率低、设备昂贵；对焊前的准备工作要求高，对坡口的加工精度要求高，从而使激光的应用受到限制。近年来激光电弧复合热源焊接得到越来越多的研究和应用，从而使激光在焊接中的应用得到了迅速的发展。主要的方法有：电弧加强激光焊的方法、低能激光辅助电弧焊接方法和电弧激光顺序焊接方法等。

图1、图2 是两种电弧加强激光焊的方法，图1是旁轴电弧加强激光焊，图2 同轴电弧加强激光焊。在电弧加强激光焊接中，焊接的主要热源是激光，电弧起辅助作用。

图1 旁轴电弧加强激光焊图2同轴电弧加强激光焊在低能激光辅助电弧焊接中，焊接的主要热源是电弧，而激光的作用是点燃、引导和压缩电弧，如图3所示。

电弧激光顺序焊接方法主要用于铝合金的焊接。在前面2种电弧和激光的复合中，激光和电弧是作用在同一点的。而在电弧激光顺序焊接中，两者的作用点并非一点，而是相隔有一定的距离，这样做的作用是提高铝合金对激光能量的吸收率，如图4所示。

图3 激光辅助电弧焊接图4 电弧激光顺序焊接

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)是英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)提出的专利焊接技术，与常规摩擦焊一样,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焊头(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，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的。焊接过程如图1所示。在焊接过程中,工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，

同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

通过搅拌摩擦焊焊接接头

的金相分析及显微硬度分析可

以发现，搅拌摩擦焊接头的焊

缝组织可分为4个区域：A区为

母材区，无热影响也无变形；B

区为热影响区，没有受到变形

的影响，但受到了从焊接区传

导过来的热量的影响；C

热影响区，该区既受到了塑性变形的影响，又受到了焊接温度的影响；

D区为焊核，是两块焊件的共

有部分，如图2所示。

搅拌摩擦焊是一种固相连接工艺。同熔焊相比，搅拌摩擦焊焊接铝合金有以下几个突出的优点：焊接中厚板时，焊前不需要开Ｖ形或Ｕ形上坡口，也不需进行复杂的焊前准备：焊后试件的变形和内应力特别小：焊接过程中没有辐射、飞溅及危害气体的产生：焊接接头性能优良，焊缝中无裂纹、气孔及收缩等缺陷，可实现全方位焊接：搅拌摩擦焊最大的优点是：可焊接那些不推荐用熔焊焊接的高强铝合金。通过人们的不断努力，搅拌摩擦焊的局限性在不断减小，但还存在一些不足的地方，如：其焊速比熔焊要慢；焊接时焊件必须夹紧,还需要垫板；焊后焊缝上留有锁眼。目前，由于搅拌头特形指棒材料所限，搅拌摩擦焊仅用于铝

图2 搅拌摩擦焊焊缝分区示意图

合金产品的连接。

四、电子束焊

电子束焊是一种高能束流焊接方法。一定功率的电子束经电子透镜聚焦后，其功率密度可以提高到106 W/cm2以上，是目前已实际应用的各种焊接热源之首。

电子束传送到焊接接头的热量和其熔化金属的效果与束流强度、加速电压、焊接速度、电子束斑点质量以及被焊材料的热物理性能等因素有密切的关系。

电子束焊的优点:

（1）电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。

（2）焊接速度快，热影响区小，焊接变形小

（3）焊缝纯度高，接头质量好。

（4）再现性好，工艺适应性强。

（5）可焊材料多。

电子束焊的适用范围

由于电子束焊具有焊接深度大，焊缝性能好，焊接变形小，焊接精度高，并具有较高的生产率的特点，能够焊接难熔合金和难焊材料，因此，在航空、航天、汽车、压力容器、电力及电子等工业领域中得到了广泛地应用。目前，电子束焊可应用于下述材料和结构：

1．可焊接的材料

在真空室内进行电子束焊时，除含有大量的高蒸气压元素的材料外，一般熔焊能焊的金属，都可以采用电子束焊，如铁、铜、镍、铝、钛及其合金等。此外，还能焊接稀有金属、活性金属、难熔金属和非金属陶瓷等。可以焊接熔点、热导

率、溶解度相差很大的异种金属。可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料，接头的力学性能不发生变化。

2．焊件的结构形状和尺寸

可焊接材料的厚度与电子束的加速电压和功率有关，可以单道焊接厚度超过100mm的碳钢，或厚度超过400mm的铝板，不需开坡口和填充金属；焊薄件的厚度可小于2.5mm，甚至薄到0.025mm；也可焊厚薄相差悬殊的焊件。

真空电子束焊焊件的形状和尺寸必须控制在焊接室容积允许的范围内；非真空电子束焊不受此限制，可以焊接大型焊接结构，但必须保证电子枪底面出口到焊件上表面的距离，一般在12～50mm之间；其可焊厚度单面焊时一般很少超过10mm。