第三章 34 優(yōu)質(zhì)高效焊接及切割技術

1、2022-4-293.4-3.6 焊接、熱處理、表面工程華北電力大學花廣如2022-4-293.4優(yōu)質(zhì)高效焊接及切割技術3.4.1 精密焊接 精密焊接：可以達到精確成形制造目的的焊接工藝。 精密焊接包括：激光焊接，電子束焊接，擴散焊接，焊熔近終成形技術。2022-4-29o隨著工件相對光束的移動，小孔保持穩(wěn)定并在材料中移動，小孔周圍為淚滴狀的熔池所包圍，小孔內(nèi)充滿金屬整齊形成的等離子體，這個具有一定壓力的等離子體還想工件表面空間噴發(fā)，在小孔之上形成一定范圍的等離子云有小孔的效應的深熔焊接2022-4-293.4.1.1激光焊接 激光焊接是利用能量密度很高的激光束聚焦到工件表面，使輻射作用區(qū)表面

2、的金屬“燒熔”粘合而形成焊接接頭。 焊接過程：激光照射工件材料，工件材料吸收光能；光能轉(zhuǎn)變成熱能使工件材料無損受熱；工件材料被融化，作用結束與加工區(qū)冷凝。 本質(zhì)特征是基于小孔效應的焊接。2022-4-29激光焊接與傳統(tǒng)焊接法相比具有的特點：1 激光焊接是一種高效率的焊接工藝。2 有利于提高生產(chǎn)效率，焊接變形小精度高。3 激光功率密度高，激光束不與被焊材料接觸，也不產(chǎn)生焊渣，不需要去除工件氧化膜。4 經(jīng)過激光焊接的連續(xù)焊縫具有很高的耐腐蝕性。5 可焊接同種金屬，也可焊接異種金屬，甚至還可焊接金屬與非金屬材料。2022-4-296 可以在焊后進行劇烈的成型加工操作。7 焊接系統(tǒng)具有較高的柔性，易于

3、實現(xiàn)自動化。8 設備價格較貴，焊接件拼裝精度要求高。2022-4-29激光焊接設備 激光焊接基本裝備：激光器，激光電源，學系統(tǒng)，機械系統(tǒng)。 激光器作用是將電能轉(zhuǎn)化成光能，產(chǎn)生所需的激光束，是激光加工的重要設備。 激光電源是根據(jù)加工工藝的要求為激光器提供所需的能量控制。 光學系統(tǒng)是將光束聚集并觀察和調(diào)整焦點位置，包括了顯微鏡瞄準，激光束聚集及加工位置的顯示度。2022-4-29 機械系統(tǒng)主要包括床身，工作臺及機電控制系統(tǒng)等也包括焊接機械人 國內(nèi)經(jīng)過二十多年的研究以能提供輸出激光接近基模的1kW左右完全國產(chǎn)化的準封離型二氧化碳激光器，該激光器光束質(zhì)量好，功率密度高，輸出功率穩(wěn)定，整機可靠性高。該激

4、光器已成功應用于激光焊接和切割生產(chǎn)中，標志著我國自行研制激光焊接裝備已經(jīng)工業(yè)實用化。正不斷地開發(fā)各種焊接工藝，擴大應用領域，逐漸縮短同國外的差距。2022-4-293.4.1.2 電子束焊接o電子束焊接是在真空條件下，利用聚焦后被加速的能量密度極高的電子束，以及高速度沖擊到工件表面的極小面積上。在極短的時間（幾分之一微秒）內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)變成熱能，從而引起材料的局部熔化達到焊接目的。o加工裝置：電子槍系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。2022-4-29o電子槍是用來發(fā)射高速電子流并加以初步聚集的系統(tǒng)。o真空系統(tǒng)作用是保護真空里所需的真空度。因為電子只有在高真空下才能高速運動。同時組織發(fā)射陰

5、極不至于高溫下被氧化。o控制系統(tǒng)作用是控制電子束大小，方向以及工作臺移動等。2022-4-29 電子束焊接電子束焊接 電子束焊接的過程電子束焊接的過程 電子束焊接是一電子束焊接是一種高能量密度的熔種高能量密度的熔化焊方法。它是利化焊方法。它是利用空間定向高速運用空間定向高速運動的電子束，撞擊動的電子束，撞擊工件后將部分動能工件后將部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而轉(zhuǎn)化為熱能，從而使被焊工件熔化，使被焊工件熔化，形成焊縫。形成焊縫。三級電子槍結構示意圖三級電子槍結構示意圖1 1陰極；陰極；2 2偏壓電極；偏壓電極；3 3陽極；陽極；4 4聚焦線圈；聚焦線圈；5 5偏轉(zhuǎn)線圈；偏轉(zhuǎn)線圈；6 6工件；工件；7

6、7電子束；電子束；U Ub b加速電壓；加速電壓；U UB B偏壓；偏壓；2022-4-29電子束焊接的接頭設計、焊縫成形控制及應用實例電子束焊接的接頭設計 1 可焊接頭形式 2022-4-292022-4-292022-4-292022-4-292022-4-292 接頭設計準則 （1）對接 一般應是裝配間隙0.1板厚 （2）搭接 優(yōu)先采用角接縫。板厚不等時，薄板應放在上。 （3）T形接頭 優(yōu)先采用雙向角接，受力較小時才可采用翼板穿透接頭。2022-4-29電子束焊接特點電子束焊接特點 1 )電子束焊接的能量密度高 ,可焊接一般電弧焊難以實現(xiàn)的焊縫; 2)電子束焊接是在真空中進行 ,焊縫的化

7、學成分穩(wěn)定且純凈 ,接頭強度高 ,焊縫質(zhì)量高; 3)電子束焊接速度快 ,熱影響區(qū)小 ,焊接熱變形小; 4)電子束焊接適用于焊接幾乎所有的金屬材料; 5)電子束焊接可獲得深寬比大的焊縫 (20 150 1) ,焊接厚件時可以不開坡口一次成形; 6)電子束焊接結合計算機技術 ,實現(xiàn)了工藝參數(shù)的精確控制 ,使焊接過程完全自動化。 2022-4-29o 需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設備復雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制（非真空環(huán)境的電子束焊，是重要的研究方向）；o由于真空室的存在，抽真空成為影響循環(huán)時間的主要障礙（目前用于齒輪焊接的單臺電子束設備循環(huán)時間很難做到60s以內(nèi)）；o有磁偏移：由于電子帶

8、電，會受磁場偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理；oX射線問題：X射線在高壓下特別強，需對操作人員實施保護；o對工件裝配質(zhì)量要求嚴格，同時工件表面清潔的要求也較高。缺點2022-4-29真空電子束焊與激光焊的比較： 電子束焊接技術起源于電子束焊接技術起源于2020世紀世紀5050年代，年代，1010年后激光器誕生，激年后激光器誕生，激光加工技術的研究與應用也隨即展開。電子束與激光加工同屬于高能光加工技術的研究與應用也隨即展開。電子束與激光加工同屬于高能密度束流加工技術，應用的領域大體相同，其能量密度在同一段數(shù)量密度束流加工技術，應用的領域大體相同，其能量密度在同一段數(shù)量級遠高于其他熱源。級

9、遠高于其他熱源。 與傳統(tǒng)焊接技術比較，激光焊接與電子束焊接都具有更多優(yōu)與傳統(tǒng)焊接技術比較，激光焊接與電子束焊接都具有更多優(yōu)異的特性：異的特性： 能量密度高（大于能量密度高（大于105W/cm2105W/cm2）；）； 焊接速度高（一般可以達到焊接速度高（一般可以達到510m/min510m/min）；）； 熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度的熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度的10%20%10%20%）；）； 熱流輸入少、工件變形??；熱流輸入少、工件變形小； 易實現(xiàn)自動控制、可在線檢測焊縫質(zhì)量；易實現(xiàn)自動控制、可在線檢測焊縫質(zhì)量； 非接觸加工、無后續(xù)加工。非接觸加工、無后續(xù)加工。2022-4-29相比較于電子束焊

10、，激光焊接的優(yōu)點是：激相比較于電子束焊，激光焊接的優(yōu)點是：激光焊不需真空室和對工件焊前進行去磁處理，光焊不需真空室和對工件焊前進行去磁處理，它可在大氣中進行，也沒有防它可在大氣中進行，也沒有防X X射線問題，射線問題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機操作，也可焊接磁性所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循環(huán)時間大大低于材料。另外，激光焊接的循環(huán)時間大大低于電子束焊接（很容易做到電子束焊接（很容易做到30s30s以內(nèi)）以內(nèi)） 2022-4-29但是，受到技術進步的局限，激光焊還存在一定的缺點：但是，受到技術進步的局限，激光焊還存在一定的缺點： 激光的能量轉(zhuǎn)換效率較低，常用的激光的能量

11、轉(zhuǎn)換效率較低，常用的CO2CO2激光器能量轉(zhuǎn)換效率不足激光器能量轉(zhuǎn)換效率不足20%20%，最新的光纖激光器轉(zhuǎn)換效率也沒有超過，最新的光纖激光器轉(zhuǎn)換效率也沒有超過30%30%； 能量轉(zhuǎn)換效率低造成在生產(chǎn)線中應用大功率激光焊接的經(jīng)濟性很能量轉(zhuǎn)換效率低造成在生產(chǎn)線中應用大功率激光焊接的經(jīng)濟性很差，目前實用的激光焊接設備功率大多小于差，目前實用的激光焊接設備功率大多小于20kW20kW，可焊接的深度一，可焊接的深度一般很少超過般很少超過10 mm10 mm； 隨著新一代激光器的誕生，激光器的壽命可以達到隨著新一代激光器的誕生，激光器的壽命可以達到50000h50000h，這大，這大大降低了激光焊接設備

12、的使用成本。但是，要想獲得理想的焊接質(zhì)大降低了激光焊接設備的使用成本。但是，要想獲得理想的焊接質(zhì)量，保護氣體是不可少的，這也造成加工成本的增加；量，保護氣體是不可少的，這也造成加工成本的增加； 激光焊接的深寬比小于電子束焊，一般在激光焊接的深寬比小于電子束焊，一般在101101以內(nèi)（在齒輪激以內(nèi)（在齒輪激光焊接中，焊縫的深度一般在光焊接中，焊縫的深度一般在4-6 mm4-6 mm，故這個深寬比還比較適用），故這個深寬比還比較適用），不適合大厚度工件的焊接；不適合大厚度工件的焊接； 激光焊接對于鋁合金材料及其他高反射率材料的焊接還存在一些激光焊接對于鋁合金材料及其他高反射率材料的焊接還存在一些技

13、術難點，必須通過填絲等輔助手段，才能達到較理想的焊接效果。技術難點，必須通過填絲等輔助手段，才能達到較理想的焊接效果。2022-4-293.4.1.3 擴散焊o擴散焊是一種可以連接物理，化學性能差別很大的一種材料的固態(tài)連接方法。如陶瓷與金屬，并可連接截面形狀和尺寸差異大的材料，以及連接經(jīng)過精密加工的零部件而不影響其原有精度。2022-4-293.4.1.4 焊熔近終成形o焊熔近終成形技術是一種新發(fā)展的快速零件（原型）制造技術。其實質(zhì)是采用成型熔化制成全部由焊縫組成的零件。通?？刹捎靡呀?jīng)成熟的焊接技術，按照零件的需求連續(xù)逐層堆焊，直至達到零件的最終尺寸。這種方法的優(yōu)越性在于：新制物件尺寸，形狀幾

14、乎不受限制；金屬材料利用率高；由于接近凈成形，只需少量加工即可。2022-4-293.4.2 特殊環(huán)境下的焊接成形技術o由于人類存在的空間日益受到挑戰(zhàn)，人們一直在不斷尋求向太空海洋發(fā)展，作為制造技術首要解決的是在太空，海洋這種特殊環(huán)境下連結，修復技術。這里包括了空間焊接和水下焊接。o空間焊接就是在太空條件下進行焊接操作。由于太空微重力真空等特殊條件，使許多地球上很成熟的技術難于在太空中實施。在諸多的焊接成形技術中，電子束焊接是空間連接中最引起人們重視的技術2022-4-29o水下焊接是由于海洋工程的需要需要在水下進行焊接作業(yè)。o水下焊接按工作條件分類主要有濕法干法及局部干法三大類。o濕法焊接時

15、焊接件浸泡到水里，通常認為適用于3060m水深較淺的情況下焊接不太重要的構件o干法焊接使用水下壓力艙，是焊接時水被排出艙外，在高壓氣氛下焊接稱為高壓干法。o局部干法是采用特殊措施使待焊件形成局部無水空間而進行的焊接方法。2022-4-293.4.3 現(xiàn)代切割技術o現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，板材的消耗量越來越高，并且各種高力學，物理性能的材料不斷增多，特備是硬脆材料的應用增多。由于切割批量小，精度要求高促使現(xiàn)代切割技術得到長足發(fā)展。o現(xiàn)代切割技術主要包括了激光切割，等離子弧切割，超聲切割，液體噴射切割等。2022-4-293.4.3.1 激光切割o激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處

16、的材料迅速熔化，氣化，燒蝕或達到燃點，同時借助光束同軸的高速氣流吹出熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)割開工件的一種切割方法。o隨著被切材料和切割參數(shù)的不同激光，切割主要分為氣化切割，熔化切割，反應熔化切割。2022-4-29o激光切割具有質(zhì)量好，效率高，柔性高，材料適應性好的特點o激光切割設備主要由激光器，數(shù)控工作臺和輔助設備三大部分組成。目前，切割用激光器主要使用射頻激勵快速軸流二氧化碳氣體激光器為主。2022-4-29o利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達到燃點，同時借助光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)割開工件的一種切割方法。o利用激光切割設備可切割4mm

17、以下的不銹鋼，在激光束中加氧氣可切割810mm厚的不銹鋼，但加氧切割后會在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm， 但切割部件的尺寸誤差較大。 2022-4-29 優(yōu)點優(yōu)點 切割質(zhì)量好切割質(zhì)量好 切口寬度窄（一般為切口寬度窄（一般為0.1-0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差）、精度高（一般孔中心距誤差0.1-0.4mm,輪廓尺寸誤差輪廓尺寸誤差0.1-0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般）、切口表面粗糙度好（一般Ra為為12.5-25m）,切縫一般不需要再加工即可焊接。切縫一般不需要再加工即可焊接。切割速度快切割速度快 例如采用例如采用2KW激光功率激光功率,8mm厚的碳鋼

18、切割速度為厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區(qū)小熱影響區(qū)小,變形極小。變形極小。清潔、安全、無污染清潔、安全、無污染 2022-4-29等離子切割o等離子：是高度電離的氣體，是由氣體原子或分子電離后，離解成帶正電荷的離子和負電荷的電子所組成，正負電荷相等，因此稱為等離子。o原理：利用高溫、高速的等離子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化緩和氣化并被吹離機體。o等離子體能量高度集中，電流密度高、等離子弧溫度高（11000-28000度）普通電弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)2022-4-292022-4-2

19、9特點o能切割氧氣割難以切割的各種金屬材料o切割厚度不大的金屬時，速度快，是普通切割的5-6倍o切割面光潔、熱變形小o切口寬度和切割斜角較大，與切割厚度有關o切割厚度不及氣割2022-4-29超聲切割o原理：利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中，產(chǎn)生磨料的沖擊、震顫、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用去除材料，特別適合硬脆材料切割2022-4-292022-4-29特點o適合加工硬脆材料，尤其適合非金屬硬脆材料，或硬質(zhì)耐熱導電材料，但加工效率低o切削力小切割應力、熱小，粗糙度低（Ra0.63-0.08um）尺寸精度正負0.03mm,也適合加工薄壁、窄縫、低剛度零件o工具可用軟材料做成復雜

20、形狀，無相對運動，可加工復雜型腔和型面o比金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生產(chǎn)率高、經(jīng)濟性好2022-4-29高壓水射流切割o原理：利用水或水中加添加劑的液體，經(jīng)水泵至增壓器，再經(jīng)儲液蓄能器使高壓液體流動平穩(wěn)，最后有人造藍寶石噴嘴形成300-900m/s的高速液體束流，噴射到工件表面，從而去除材料的加工。o高速液體束流能量密度：102W/mm2 o流量 7.5L/min2022-4-292022-4-29特點o加工精度高:0.075-0.1mm，切邊質(zhì)量好o液體束流能量密度高，流速高，工件切縫窄0.075-0.4mmo加工產(chǎn)物混入液體排出，無灰塵、無污染o加工區(qū)溫度低，不產(chǎn)生熱量，適合木材、紙張、皮革材料的加工o設備簡單、操作方便，易實現(xiàn)數(shù)控加工2022-4-29 焊接機器人 焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標準化組織（際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術語標準焊接機器人的定義，工業(yè)機）工業(yè)機器人術語標準焊接機器人的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機，具有三個或