材料連接技術(shù)157

1、 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering材料連接技術(shù)材料連接技術(shù)Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering1 材料連接概述2 電弧焊接新技術(shù)3 高能高能束焊接新技術(shù)束焊接新技術(shù)4 固相連接新技術(shù)5 釬焊連接新技術(shù)提提 綱

2、綱 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering3.1 電子束焊接新技術(shù)3.2 激光焊接新技術(shù)激光焊接新技術(shù)3 高能高能束焊接新技術(shù)束焊接新技術(shù) School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering利用輻射激發(fā)光放大原理產(chǎn)生一種單色、高相干性、方向性強(qiáng)、光亮度大的光束。經(jīng)透射或反射鏡聚焦后可獲得直徑小于0.01mm、功率密度高達(dá)1

3、06 W/mm2的能束?？捎米骱附?、切割及材料表面處理的熱源。3.2.1 激光焊概述激光焊概述3.2 激光焊新技術(shù)激光焊新技術(shù) School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science &

4、; Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineer

5、ing Engineering激光焊接的優(yōu)勢已經(jīng)是眾所共知，但激光焊接的成本仍然較高，因此以激光為中心的復(fù)合熱源焊接技術(shù)孕育而生。由英國學(xué)者W.Steen于上世紀(jì)70年代末首次提出有效利用電弧能量，在較小的激光功率條件下獲得較大的焊接熔深提高對焊接間隙的適應(yīng)性，高效率、高質(zhì)量。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering研究最多、應(yīng)用最為廣泛的要屬激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)，有時也稱電弧輔助激光焊接技術(shù)，主要目的是有效的利用電弧熱源，以減小激光的應(yīng)用成本、降

6、低激光焊接的裝配精度。3.2.2 激光激光-電弧復(fù)合焊接電弧復(fù)合焊接 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光與電弧聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行焊接有兩種方式：（1）沿焊接方向，激光與電弧間距較大，前后串連排布，兩者作為獨(dú)立的熱源作用于工件，主要是利用電弧熱源對焊縫金屬進(jìn)行預(yù)熱或后熱，達(dá)到提高激光吸收率、改善焊縫組織性能的目的。（2）激光與電弧共同作用于熔池，焊接過程中，激光與電弧之間存在相互作用和能量的耦合。 School of Materials School

7、of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光與電弧相互作用形成的是一種增強(qiáng)適應(yīng)性的焊接方法 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School

8、 of Materials Science & Science & Engineering Engineering 有效利用激光能量有效利用激光能量：單獨(dú)激光時，由于等離子體的吸收和工件的反射，能量的利用率低。采用復(fù)合焊接方法時，TIG或MIG電弧先將母材熔化，緊接著用激光照射熔融金屬，從而提高母材對激光的吸收率。 增加熔深增加熔深：熔深可增加一倍多。窄間隙大厚板焊接時，采用復(fù)合熱源，電弧可潛入到焊縫深處，減少填充金屬的熔敷量，實(shí)現(xiàn)大厚板深熔焊。 穩(wěn)定電弧穩(wěn)定電弧：單獨(dú)采用TIG或MIG時，焊接電弧有時不穩(wěn)定，特別是在小電流情況下，當(dāng)焊接速度提高到一定值時會引起電弧飄移，使焊接

9、過程無法進(jìn)行；而采用激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)時，激光產(chǎn)生的等離子體有助于穩(wěn)定電弧。 激光-電弧復(fù)合焊主要優(yōu)點(diǎn) School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering單純TIG焊和激光TIG復(fù)合焊接時電弧電壓和焊接電流的波形 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering 提高焊接適應(yīng)性提高焊接適應(yīng)性：工件熔合寬度增大（特別MIG），降低熱

10、源對間隙、錯邊及對中度的敏感性。改善焊縫成形改善焊縫成形：材料的熔融量大，改善熔化金屬與母材的潤濕性、消除焊縫咬邊等。 減少焊接缺陷、改善焊縫組織減少焊接缺陷、改善焊縫組織：復(fù)合熱源能減緩熔池金屬的凝固時間，減少氣孔、裂紋、咬邊等。 減少焊接變形減少焊接變形：速度快、熱輸入少，熱影響區(qū)小，變形及殘余應(yīng)力小。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering EngineeringCO2激光和Nd：YAG激光同軸復(fù)合：同軸復(fù)合：激光與電弧同軸作用在工件的同一位置，即激光穿過電弧中心或電弧

11、穿過環(huán)狀光束或多光束到達(dá)工件表面。難度大，工藝復(fù)雜，多采用非熔化極的TIG弧或等離子弧。旁軸復(fù)合：旁軸復(fù)合：激光和電弧以一定角度作用在工件的同一位置，激光可在電弧的前方或后方送入。較易實(shí)現(xiàn)，可采用TIG，亦可MIG。（3）激光-電弧復(fù)合焊工藝 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光-TIG同軸復(fù)合 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineer

12、ing Engineering激光-電弧旁軸復(fù)合 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光電弧復(fù)合焊接的電弧圖像 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering影響復(fù)合效果的主要因素：電弧電流與電壓；激光功率；排布方向；光束與電弧的夾角；頻率與相位；保護(hù)氣流量。1）激光-TIG電弧復(fù)合 School of Mater

13、ials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering與激光焊接一樣，無論是同軸復(fù)合，還是旁軸復(fù)合，激光-TIG電弧復(fù)合焊接也存在深熔焊和熱導(dǎo)焊兩種焊接機(jī)制。電弧電流小時，激光的匙孔效應(yīng)，使電弧被穩(wěn)定地吸引在匙孔上方，弧根被顯著壓縮，使電弧電流密度顯著提高，有效提高熱源的能量效率，表現(xiàn)為深熔焊特征。當(dāng)電流大時，電弧吸收和折射損耗增大，激光難以維持穩(wěn)定的匙孔，無法實(shí)現(xiàn)對電弧的吸引與壓縮，同時電弧在吸收激光能量后膨脹，電流密度迅速降低，焊縫熔深大大減小，表現(xiàn)為熱導(dǎo)焊特征。 School of Mate

14、rials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering電弧等離子體對激光的吸收與散焦測量方法 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering隨電弧電流的增大，電弧對激光能量的吸收增大，折射作用增強(qiáng)，燒蝕深度明顯減小，燒蝕寬度增大。 School of Materials School of Materials Science & Science &

15、; Engineering Engineering激光穿過電弧后，能量密度的衰減特性不僅與焊接電流有關(guān)，還與激光入射電弧的位置有關(guān)。越靠近電弧中心，電弧對激光能量的影響越大，激光峰值能量密度衰減非常嚴(yán)重，當(dāng)激光從電弧邊緣位置穿過時，峰值能量密度的衰減率僅為從電弧中心區(qū)穿過時的1/4或1/5左右。 根據(jù)CO2激光TIG復(fù)合熱源能量作用特性，建立適合復(fù)合熱源能量特性的能量衰減式點(diǎn)線熱源模型，對復(fù)合焊接過程的傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測復(fù)合熱源焊接能量有效增強(qiáng)的電弧與激光能量匹配的臨界值。 School of Materials School of Materials Science & Sc

16、ience & Engineering Engineering不同電流下激光-TIG復(fù)合熱源焊接的溫度場和焊縫形狀 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering復(fù)合熱源焊接能量增強(qiáng)的臨界條件 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineeringa)反相位脈沖激光脈沖電弧復(fù)合焊接截面b)不同相位、頻率配匹獲得的焊縫形貌激光-

17、TIG復(fù)合焊接脈沖協(xié)調(diào)控制焊縫形貌 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光焊接與激光-TIG復(fù)合熱源焊接焊縫截面 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光-MIG復(fù)合熱源焊接是目前應(yīng)用最為廣泛的一種復(fù)合熱源焊接方法，在汽車工業(yè)、造船等領(lǐng)域都有應(yīng)用。2）激光-MIG復(fù)合熱源焊接 School of Mate

18、rials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光MIG復(fù)合熱源焊接利用MIG焊接填絲的優(yōu)點(diǎn)，在提高焊接熔深、增加適應(yīng)性的同時，還可以改善焊縫冶金性能和微觀組織結(jié)構(gòu)。與激光TIG電弧相比，激光MIG復(fù)合焊接具有較強(qiáng)的活力，可焊接的板厚更大、焊接適應(yīng)性更高。特別是由于MIG電弧具有方向性強(qiáng)以及陰極霧化等一些特殊優(yōu)勢，尤其適合于大厚板以及鋁合金等難焊金屬的焊接。 School of Materials School of Materials Science & Science &am

19、p; Engineering Engineering不同焊接方法下的焊縫表面和截面形貌 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光MIG電弧復(fù)合熱源焊接由于存在熔滴過渡問題，因此，激光對電弧形態(tài)的影響不如激光-TIG復(fù)合焊接那么明顯，更重要的是改變了熔滴的過渡方式，對熔滴過渡頻率及熔滴過渡的穩(wěn)定性都有明顯影響。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering（4）激光-電弧復(fù)合熱源的應(yīng)用舉例反射