现代焊接技术

现代焊接方法分类的依据：母材是否熔化：液相连接：母材熔化；
固相连接：母材不熔化。

（钎焊：固-液相接）固相连接：压力焊：塑性变形（主因）。

<压力大，焊接时间短>；
扩散连接：界面扩散（主因）。

<压力小，高温，焊接时间长>。

激光焊特性：1、单色性（高能量）；2、方向性（高能量密度）；3、相干性（高能量密度）。

激光焊的两种类型：
传热焊（薄板）：ρp<10^6w/cm2 液态熔池：半球形，液态金属环流。

焊缝成形：H/B不大，焊接变形大；
匙孔焊（厚板）：ρp>10^6w/cm2，液态熔池：匙孔状；液态金属不规则波动。

焊缝成形：H/B 大，焊缝变形小。

激光焊匙孔焊（深熔焊）原理
1、高能量密度激光照射工件，母材熔化并汽化，形成金属蒸汽。

2、金属蒸汽的反作用力使液态熔池凹陷。

3、由于光壁聚焦效应，激光深入熔池内部，形成匙孔。

4、当金属蒸汽的反作用力使液态金属表面张力和重力平衡时，匙孔稳定。

5、当工件移动时，液态金属凝固形成焊缝。

激光焊中的等离子体
形成原因：金属蒸汽和保护气体：吸收激光，产生电离，形成等离子体。

危害：1、在熔池上方吸收激光，对熔池形成屏蔽；2、对激光形成散射，形成图顶状焊缝。

防止措施：1、对于熔池上方通惰性气体；2、对熔池上方通低温气体；
3、采用高频脉冲激光焊；
4、采用短波长激光。

激光器组成：工作介质，激励源，光子谐振腔。

激光的产生原理：
1、受激辐射：高能级粒子受到光子作用，向低能级跃迁，并发射出于入社光子相同的光子的过程。

2、工作物质：激光活性物质：合适的能级及适当的激励。

3、粒子的反转：平衡态时，高能级粒子数少于低能级粒子数；
反转态时，高能级粒子书多余低能级粒子数。

原理：在外界激励作用下，工作物质产生粒子数反转，高能级粒子发生受激辐射，在光学谐振腔的作用下，产生大量的固态受激辐射光子，耦合形成激光。

光学谐振腔的作用：1、提供正反转，保证产生大量固态受激辐射光子；2、耦合输出激光；
3、保证激光单色性和方向性。

激光器的分类：气体激光器和固体激光器
透射式（固体激光器）和反射式（co2气体激光器）
Cu和Si为什么能做反光材料？
Cu：对co2激光反射率高；破坏阀值高；不易抛光，成本高；
Si：对co2激光反射率低（镀银）；破坏阀值低（激光功率小）；热稳定性好，热变形小，易抛光。

熔池的行为特征：熔池含高流动波动
1、熔深周期性变化；
2、形成层状结构<f大，层间距小，性能好>；
3、焊根部形成细晶；
4、易形成气孔。

为什么激光焊不容易形成热裂纹？
热裂纹敏感度不高：1、凝固速度快，S、P不易偏析；
2、激光净化效应，降低焊缝S、p含量；
3、形成相变压应力。

离焦量F：工件上表面与激光焦表面的距离。

正离焦量（F>0）；负离焦量（F<0）
薄板：正离焦量厚板：负离焦量
电子束焊原理：
1、给阴极通电流，阴极被加热产生电子；
2、在阴极和阳极之间加强电场，使电子加速，具有高能量（加速电压）；
3、电子经静透镜和磁透镜两次聚焦，具有高能量密度；
4、光电子束轰击工件，材料熔化并蒸发，金属蒸气的反作用力使液态熔池凹陷；
5、当金属蒸汽的反作用力、液态金属的重力表面张力平衡时，形成稳定匙孔。

6、液态金属凝固形成焊缝。

电子束焊的特点
1. 高能量密度，焊缝密度比大
2.热变形，焊缝强度高
3.可控性好，控制响应快
4.材料的运用广
5.工件尺寸，形状受真空的限制6发生x射线，严加防护
7电子束受磁力干扰8对对中调整要求高
电子枪（核心）作用：阴极产生加速阴阳极间强电场聚焦电子束（静透镜：栅极；磁透镜）磁偏转线圈——1、电子束偏转2、电子枪偏转3、工件偏转
避免措施金属蒸汽进入电子枪：1、电子散射，能量降低；2、高压击穿（最怕发生）。

真空系统：低真空（10~1pa）：机械泵
高真空（10^-1~10^-3pa）：机械泵+扩散泵分子泵
接头设计
焊缝可达性好：1、有足够宽度允许电子束通过；2、工件处于电子束工作距离之内；3、电子束工作距离内无干扰磁场。

电子束焊工艺参数：1、加速电压Ua；2、束流Ib；3、焊接速度v；4、聚焦电流If；
5、工作距离d——聚焦。

电子束焊的特有缺陷
1、熔深不均匀：改变方法：1、变焦点焊；
2、增大匙孔；
3、电子束扫描；
4、散焦适度
2、焊缝偏离干扰磁场——退磁把它放到交变磁场中；温度加热到居里点以上
等离子弧形成原理
1、将钨极内缩在压缩喷嘴内，迫使电弧只能由压缩喷嘴中释放出来；
2、在钨极与压缩喷嘴间通李子奇，对钨极高频激发产生电子；
3、电子与离子气分子碰撞，形成带电粒子，带电粒子与电子、离子气分子形成反复碰撞；
4、离子气分子产生“雪崩”式电离，形成等离子弧。

等离子弧是压缩电弧。

三个压缩作用：1、机械压缩：前提条件；2、热压缩：本质因素；
3、电磁压缩：附加作用。

不同：能量密度：10^6w/cm2；电弧形态：柱状；热量来源：弧柱区的等离子体；
电弧静特性：电弧电压高。

等离子弧的类型：非转移弧（ρp较低）；
转移弧（ρp高）1、先正极接压缩喷嘴，非转移弧；2、将正极转移到工件上，非转移弧熄灭，转移弧形成；
联合弧：先正极接压缩喷嘴，非转移弧；2、将正极转到工件上，联合弧形成。

等离子弧焊电源接法：直流正接（W极——阴极负极熔深大，好）；
直流反接（W极接正极，工件接负极不好）破坏氧化膜，钨极烧损严重，熔深小。

等离子弧焊类型
1、小孔/穿孔焊
2、熔融焊（无匙孔）3微束焊压缩喷嘴直径小
一、弧焊电源
1、外特性：垂直外特性；
2、空载电压：先Ar起弧，在Ar+He/H2。

空载电压：U Ar<U Ar+He/H2；焊枪：对焊枪的要求：
1、钨极与压缩喷嘴间应绝缘；
2、离子气和保护气应分别通入焊接枪并独立控制；
3、可对压缩喷嘴和钨极分别水冷；
4、钨极与压缩喷嘴应严格同轴。

2、压缩喷嘴的结构参数：1、孔道直径d n；2、孔道长度L0；
3、压缩角α。

微电子束焊工艺参数之间的相互作用：
1、焊接电流：I太大，烧穿，h/b较小；I大，小孔效应大，h和h/b大。

2、焊接速度：v大。

热输入小，h小；h要求一定时，v要小，热输入要小，否则易产生双弧烧损。

3、离子气：流量L I:I一定时，热输入大，L I大；Q一定时，L I大，I小；
L I一定时，I大，Q大
4、保护气：L b太小没保护效果差；L b太大，易形成紊流。

L I/L b应保持适当。

5、喷嘴到工间距离d（5mm）：d太大，电弧熔透减小；d太小，易产生飞剑并附着，形成双弧。

双弧现象：1、双弧：转移弧（钨极—工件间）；串联弧（钨极—喷嘴—工件间）。

2、形成机理：压缩喷嘴孔道周围的冷气膜中戴少量带点粒子，经压缩喷嘴传递小电流，称为“喷嘴电流”。

当冷气膜被击穿时，带电粒子数剧增，使喷嘴电流急剧增大，形成双弧。

3、影响冷气膜击穿的因素：1、钨极与压缩喷嘴同轴度差；2、压缩喷嘴冷却差；3、压缩喷嘴孔径比太大；
4、压缩喷嘴上有飞剑氧化物。

4、后果：1、破坏热压缩效应，电弧稳定性变差；2、导致压缩喷嘴损坏，焊接过程中断。

5、防治措施：1、保证钨极与压缩喷嘴严格相同；2、加强压缩喷嘴的冷却；3、减小压缩喷嘴孔径比；4、增大工件与喷嘴距离，并及时清理喷嘴；5、降低转换电流。

等离子弧焊工艺稳定性：工艺稳定性较差
改进措施：1、采用较小的压缩效应；2、采用分体式焊枪，减少双弧；3、改善设备性能和过程控制方法；4、对焊接过程进行闭环控制；5、采用脉冲等离子弧焊。

等离子弧焊的优点：脉冲等离子弧焊：1、热输入易控制；2、HAZ和焊接变形小；3、电弧及焊接过程稳定性较好；4、易形成细晶组织，降低缺陷的敏感性；5、适用于全位置焊。

微束等离子弧焊（I<15A联合弧）：1、小孔径压缩喷嘴；2、电弧：联合弧非转移弧<维弧>；3、高空载电压转移弧<主弧/焊接>；4、对LI和Lb精确控制。

强流等离子弧焊<I>15A或30A以上>：穿孔焊：打底焊转移弧；采用电弧
熔融焊：盖面联合弧。

搅拌摩擦焊：固相焊、压力焊
基本原理：
1、将工件对中压装，防止焊接过程中工件移动；
2、将搅拌针压力焊道，直到轴肩与工件表面接触；
3、搅拌针停留一段时间使金属具有足够热烈性产生塑性流动；
4、当搅拌头移动时，塑性流动金属填充搅拌针留下的孔洞，形成连续的焊缝。

搅拌摩擦过程
1、搅拌头压入阶段
2、搅拌停留阶段（预热阶段）：产生足够热量；形成充分的热塑性流动；
3、搅拌头移动焊接阶段
4、搅拌头停留保温阶段：热塑性流动金属充分填充孔洞，保证焊缝成形。

5、搅拌头撤回阶段。

搅拌摩擦焊产热：
1、搅拌针与工件摩擦产热（最主要来源）；
2、轴肩与工件表面产热；
3、金属塑性流动产热；
4、塑性金属的流动。

塑性金属的流动：旋转与焊接方向是否一致
前进面：搅拌头与旋转方向：一致/相同的一侧；
回撤面：与焊接方向：不一致/相反的一侧。

搅拌摩擦头：搅拌针：与工件摩擦头产热。

形成热塑性流动的金属。

其性能和结构形式决定了塑性流动和焊缝成形。

轴肩：防止热态金属逸出工件表面，帮助表面成形。

搅拌摩擦焊的工艺参数：1、旋转速度R——热输入；2、焊接速度v；3、焊接压力P；4、
压入速度v
入；5、停留时间t
入
；6、搅拌头倾斜角α。