現(xiàn)代連接技術(shù)

現(xiàn)代連接技術(shù)

第一篇：現(xiàn)代連接技術(shù)

第二章材料加工方法與原理

第四節(jié)

現(xiàn)代連接技術(shù)

連接技術(shù)是指將兩件金屬、或者非金屬通過焊接方法連接為一起

的技術(shù)，狹義的連接技術(shù)主要指金屬之間的焊接技術(shù)，廣義的連接技

術(shù)還包括金屬與非金屬、非金屬與非金屬之間的連接技術(shù)。

1.焊接連接技術(shù)的基本原理和分類

焊接連接技術(shù)中要把兩個分離的金屬、非金屬固體構(gòu)件連接在一

起，從物理本質(zhì)上來講，就是要使這兩個構(gòu)件被連接面上的原子和分

子彼此接近到原子或分子間的結(jié)合力的距離，即達(dá)到金屬晶格距離。

由于任何一個連接面上都有表面粗造度的存在，而且連接面上存在著

氧化膜和其它污染物，這些都阻礙著連接面上的原子或分子接近到形

成原子或分子間結(jié)合力的距離。焊接技術(shù)的目標(biāo)就是尋找合適的物理

化學(xué)途徑，將連接表面的原子或者分子用他們之間的結(jié)合力結(jié)合起來。

按照這些物理化學(xué)方法的不同，可以將焊接連接技術(shù)分為熔化焊

接、壓力焊接、釬焊、粘接等方法。

1-1熔化焊接

熔化焊接是指用外加熱源使被連接構(gòu)件界面附近區(qū)域局部加熱熔

化成液體，然后冷卻結(jié)晶成一體的方法。熔化焊接的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

1）要有一個能量和溫度密度都足夠高的局部加熱熱源。目前所用

的局部熱源有：以氧乙烘、丙烷等燃?xì)饣鹧鏋闊嵩吹臍怏w火焰；以氣

體導(dǎo)電時產(chǎn)生的電弧為熱源的電弧熱源；以熔渣導(dǎo)電時產(chǎn)生的電阻熱

為熱源的電渣熱源；以高速運動的電子束流為熱源的電子熱源；以輻

射激發(fā)光放大原理產(chǎn)生的單色強光子束為熱源的激光熱源等等，局部

加熱熱源不同所具有的焊接技術(shù)都不同。對于熔化焊接來講，局部熱

源的能量密度越大，就可以使加熱區(qū)域越小，熔透能力則越大，焊件

熔化所需加熱時間越短，焊接速度越快，此外所形成的熱影響區(qū)也越

小，這些對于形成優(yōu)良的熔化焊接接頭質(zhì)量，提高熔化焊接的生產(chǎn)率

都是很重要的。

2）熔化焊接過程一般都需要采取有效的保護措施以隔離空氣與焊

接高溫區(qū)，以防止局部熔化的高溫金屬因與空氣中的氧氣的接觸而造

成既定成分的變化以及由此引起的焊接性能的惡化。保護方式一段有

真空、氣相和渣相保護三種。

3）在熔化焊接過程中一定要考慮連接構(gòu)件之間的物理化學(xué)反應(yīng)，

以確定兩者在高溫液相區(qū)形成互溶液體及隨后的冷卻過程中能否形成

性能恰當(dāng)?shù)墓倘荏w。

4）在熔化焊接中，局部加熱熱源在熔化區(qū)域周圍會有一個特定寬

度的熱影響區(qū)，造成晶粒長大或者晶間脆性析出物等惡化焊接區(qū)性能

的不良后果，要盡量使熱源影響區(qū)比較小。

1-2壓力焊接

壓力焊接是指用外加壓力的作用克服兩個構(gòu)件表面的不平度，擠

走表面氧化膜及其它污染物，使兩個構(gòu)件的原子相互接近到晶格距離，

從而在固態(tài)條件下實現(xiàn)構(gòu)件的連接。在室溫下只有少數(shù)塑性較好的金

屬如鋁合金、銅合金才可以實現(xiàn)壓力焊接，但是如果在加壓的同時伴

隨以加熱，則很多金屬都可以實現(xiàn)壓力焊接。

壓力焊接的加熱溫度大都低于焊件的熔點，正常的接頭區(qū)域內(nèi)一

般也不包含熔化結(jié)晶過程，有時即使伴隨著局部或者微小的熔化，但

也是從接頭中擠出的，或者被隔絕在固相金屬之中，因此壓力焊接通

常不需要采用保護措施，壓力焊接的接頭冶金問題也比熔化焊簡單一

些。

1-3釬焊

釬焊是指用熔點低于被連接構(gòu)件材料熔點的熔化金屬（釬料）做

連接的媒介物在連接界面上流散充填，然后冷卻結(jié)晶形成結(jié)合面的方

法。在釬焊過程中，釬料需要加熱熔化，而且為了防止熔化的釬料不

受空氣中氧等氣體的污染，需要使用保護氣。

第二章材料加工方法與原理

釬焊不僅可用于同種或者異種金屬的焊接，還可以廣泛用于金屬

與玻璃、陶瓷等非金屬材料的連接。

1-4.粘接

粘接是指用環(huán)氧樹脂、聚丙烯等高分子化合物做粘接劑涂在連接

部位，然后在固化劑或者光、熱作用下固化而實現(xiàn)的連接。粘接已經(jīng)

廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空、電子工業(yè)等行業(yè)。

2.手工電弧焊接

在了解手工電弧焊接技術(shù)之前，先了解焊接電弧，焊接電弧是所

有電弧焊接技術(shù)的基礎(chǔ)。

2-1焊接電弧的構(gòu)造及其電特性2-1-1電弧的結(jié)構(gòu)

電弧的結(jié)構(gòu)由如圖4-1所示的三個部分組成：

1）陰極斑點和陰極區(qū)。陰極表面發(fā)射電子的高溫區(qū)域稱為陰極斑

點，同時它也接受一部分來自弧柱區(qū)的正離子的轟擊。

陰極區(qū)是指陰極外緊靠陰極斑點的導(dǎo)目區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)電子

和其它離子不會發(fā)生碰撞，因此只發(fā)生來自陰極表面的電子流和從弧

柱

圖4-1電弧構(gòu)造及其電壓分布區(qū)向陰極運動的離子流。電子流和

離子流的相對大小可因電極材料、電流大小而不同。

2）弧柱區(qū)?；≈鶇^(qū)的長度約等于電弧的實際長度。在弧柱區(qū)域內(nèi)

發(fā)生了氣體離子的各種電離、復(fù)合和親和過程，總體上電荷平衡。但

依靠電子向陽極區(qū)和正離子向陰極區(qū)的運動使弧柱保持著導(dǎo)電狀態(tài)，

同時輻射弧光。由于正離子質(zhì)量大，定向運動困難，一般認(rèn)為弧柱電

流中電子流約占99%。

3）陽極區(qū)和陽極斑點。緊靠陽極的氣體導(dǎo)電區(qū)域稱為陽極區(qū)。陽

極上全部接受電子流的高溫區(qū)域稱為陽極斑點。這個區(qū)域不再發(fā)生碰

撞，電流完全是電子流。

2-1-2電弧中的電壓分布

沿著電弧長度方向的電壓分布是不均勻的，靠近電極部分的電壓

降較大，而沿著弧柱長度方向的電壓降認(rèn)為是均勻分布的。總的電弧

電壓是有以下三部分組成：

Ua=UA+UL+UK

（4-1）

式中，Ua、UA、UL、UK分別是電弧電壓、陽極電壓降、弧柱電

壓降和陽極電壓降。同時，陽極電壓降UA在電極材料、電氣介質(zhì)、電

流大小等條件確定時基本上也是常數(shù)，而弧柱電壓降則于氣體介質(zhì)和

弧柱長度有關(guān)。式（4-1）可以寫成：

Ua=a+bla

（4-2）

式中，a=UA+UK;b=UL/La,為弧柱單位長度電壓降（V/cm）,

又稱為弧柱電場強度，其大小取決于電極材料種類和氣體成分；La是

弧長，焊接電弧的弧長一般為幾個厘米。

2-1-3電弧的伏安特性

一定長度的電弧在穩(wěn)定燃燒時，電弧電壓和電弧電流之間的關(guān)系

稱為電弧的靜態(tài)伏安特性，簡稱電弧的靜特性。如圖4-2是實測典型

焊接電弧靜特性曲線，呈非線性狀態(tài)，這是由于：

圖4-2電弧靜特性曲線

第二章材料加工方法與原理

1）小電流時，陰極溫度低熱發(fā)射能力很低，陰極區(qū)正離子流比例

提高相當(dāng)于陽極區(qū)堆積正電荷,即提高阻極壓降才能靠電場發(fā)射維持

陰極電子發(fā)射，因此，電流越小，電弧電壓必須提高。

2）陰極斑點面積、弧柱截面面積及其溫度和電離度都會隨著電流

而變化。小電流時它們都可隨著電流增加而增大，達(dá)到一定程度后都

會飽和。

不同電弧焊接方法因采用的電極材料以及所用的電流范圍不同，

其電弧往往僅工作在靜特性的某一段。手工電弧焊的電弧特性就是工

作在平直段的。顯然，氣體介質(zhì)的組成、電弧長度、和電極材料都會

影響電弧的靜態(tài)伏安特性。

2-1-4電弧的溫度及其溫度分布

不同電極材料的陰極、陽極的溫度可以高達(dá)2200到4200K。一

般陽極溫度高于陰極溫度，且都低于電極材料沸點，但都足以使大多

數(shù)處于電弧陰極或陽極的金屬達(dá)到熔化溫度，并可能產(chǎn)生少量金屬原

子蒸氣。

弧柱的溫度受電極材料、氣體介質(zhì)、電流大小等因素的影響。常

壓下當(dāng)電流在1000A范圍內(nèi)變化時，弧柱溫度可在5000~30000K之

間?；≈臏囟确植既鐖D4-3所示。

2-2手工電弧焊接的基本特征

2-2-1手工電弧焊接的過程及其應(yīng)用特點

手工電弧焊接是焊工手握夾持著焊條的焊鉗進行焊接圖4-3電弧

溫度分布的一種電弧焊接方法。在手工焊接過程中，焊條和工件之間

產(chǎn)生的電弧將工件局部加熱到熔化狀態(tài)形成熔池，焊條作為一個電極,

焊條的端部在電弧的作用下不斷被熔化，形成熔滴進入熔池，隨著電

弧向前移動，熔池尾部液態(tài)金屬逐步冷卻結(jié)晶，最終形成焊縫。

手工焊接技術(shù)的設(shè)備簡單，機動靈活，適用面廣，但是手工操作

勞動強度大，生產(chǎn)率低，焊接精度不高，而且不太適合于活潑金屬、

難熔金屬以及低熔點金屬的焊接。

2-2-2手工電弧焊接的操作要領(lǐng)和參數(shù)

手工電弧焊接中的關(guān)鍵技術(shù)是引弧和運條技術(shù)：

1）引弧：手工電弧焊采用短路敲擊或劃擦法引燃電弧，其物理本

質(zhì)是依靠短路電流加熱短路接觸處的金屬表面，使金屬和焊條形成熔

池。當(dāng)焊條向上（敲擊時）或者側(cè)面（劃擦法）拉起時，陰極表面因

熱及電場產(chǎn)生電子發(fā)射，并引起兩極間氣體分子電離而引燃電弧。

2）運條：運條包括沿焊條軸線的送進、沿焊縫移動和橫向擺動三

個動作。橫向擺動可增加焊縫的寬度，保證焊縫兩側(cè)的良好熔合并且

延緩熔池金屬的結(jié)晶時間，有利于熔渣的浮起和氣體的逸出。

除了手工操作的技術(shù)之外，影響手工焊接技術(shù)的因素還有正確選

擇電焊條及其直徑、電源種類和極性、焊接電流大小以及焊接層次等。

試驗測得，電弧電壓的經(jīng)驗值大致為：

Ua=20+0.04Ia（V）

I<600A

Ua=44（V）

IN600A

（4-3）

2-3手工電弧焊接機-弧焊電源2-3-1對弧焊電源的基本要求

1）電源外特性。在穩(wěn)定狀態(tài)下，弧焊電源輸出的端電壓和電流之

間的關(guān)系稱為弧焊電源的靜態(tài)外特性。當(dāng)一個電源供電弧焊接時，在

穩(wěn)定狀態(tài)下，電弧靜特性和電源外特性的交點就決定了電弧的工作電

壓和電流。如圖4-4所示的A0點就是穩(wěn)定的工作點，而A1點不是，

這是因為在電弧工作時會受到外界干擾，電流會產(chǎn)生微小的波動。在

A1點，當(dāng)電流產(chǎn)生微

第二章材料加工方法與原理

小變化時，電弧將熄滅或跳到A0點，而在A0點，盡管電弧在電

流的波動下會離開A0點，但最后會回到A0點。所以A0點是一個穩(wěn)

定的工作點，焊弧電源應(yīng)該工作在A0點。

2）電源調(diào)節(jié)特性。為使一臺弧焊電源能適用于各種焊條直徑和結(jié)

構(gòu)的焊接，電源的外特性應(yīng)該是可調(diào)的。良好的焊弧電源其調(diào)節(jié)范圍

是0.25~1.20A額定電流。

3）電源空載電壓和短路電流。電源得空載電壓越高越有利于引弧

和穩(wěn)弧，但不利于安全和節(jié)能。目前實用數(shù)值為60~70V。為圖4-4

電弧電源便于引弧，應(yīng)具有較高的短路電流。系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

4）電源動特性。電源的動特性是指電弧負(fù)載狀態(tài)突然發(fā)生變化時,

例如焊條熔滴進入熔池時經(jīng)常會出現(xiàn)短路，弧焊電源輸出的電壓的電

流能否迅速做出響應(yīng)的性能。良好的動特性有利于獲得有規(guī)則的熔滴

過渡，既能穩(wěn)定電源，又使得飛濺小和焊縫成型良好。

5）負(fù)載持續(xù)率。手工電弧焊是一種有停息的工作，焊接時，電源

處于負(fù)荷狀態(tài)，溫度升高；更換焊條時，電源處于空載狀態(tài)，溫度降

低，電源的這種負(fù)荷狀態(tài)以負(fù)載持續(xù)率表示為：

Fs=tltxlOO%=lxlOO%

（4-4）tl+t2T式中，tl、t2、T=tl+t2分別是工作時間、休止

時間、工作周期。

一般手工焊接電源的負(fù)載持續(xù)率是30%。不同負(fù)載持續(xù)率下有不

同的允許電流。2-3-2手工電弧焊接機的類型

手工弧焊機的莞型一般有交流弧焊電機，直流弧焊電機和交直流

弧焊電機幾種。

1）交流弧焊電機。交流弧焊電機實際上是一臺降壓變壓器，具有

較大的可調(diào)節(jié)的電阻或者串聯(lián)一個電阻，能獲得陡降的外特性，并使

交流電弧可連續(xù)穩(wěn)定燃燒。

2）直流弧焊電機。直流弧焊電機主要是硅整流型、可控硅整流型

及逆變控制型三種。硅整流型直流電機依靠交流回路中漏電阻或者磁

飽和電阻器獲得可調(diào)下降外特性，磁飽和電阻器是一種用直流繞組控

制其鐵芯磁飽和程度的可調(diào)電阻器。

可控硅整流是電子控制型弧焊電源，通過控制導(dǎo)通角和電流負(fù)反

饋獲得可調(diào)下降外特性，它在電弧工作區(qū)呈恒流特性，使電流在弧長

略有波動時十分穩(wěn)定，而一旦短路則有足夠大的短路電流，有利于電

弧引燃和重燃。

逆變控制電源是通過晶閘管或大功率晶體管、場效應(yīng)管及絕緣門

柵雙極晶體管，先把工頻交流電整流成高壓直流電，變成高頻交流電，

然后再進行降壓和整流。其外特性可通過改變逆變頻率或脈沖寬度來

調(diào)節(jié)，下降特性也主要通過電流負(fù)反饋來獲得。其主要優(yōu)點是：損耗

小，效率高，動態(tài)響應(yīng)快，體積小，重量輕；缺點是：過載能力差，

故障率高。

3）交直流兩用弧焊電源

用單相交流弧焊變壓器和整流器組合而成，常用于多用途焊機。

2-4電焊條

在手工電弧焊接中要用到電焊條。電焊條是用鋼或者其它金屬絲

表面涂一層適當(dāng)厚度含有多種礦物質(zhì)成分組成的藥皮后制成的。電焊

條有如下一些功能：

2-4-1焊條芯：焊條芯的主要作用一是作為電弧的一個電極導(dǎo)電；

二是在電弧中熔化并形成熔滴過渡到熔池,冷卻后成為焊縫熔覆金屬。

2-4-2藥皮：藥皮的主要作用有：

1）穩(wěn)弧作用。藥皮中所含的低電離電位元素使焊條易于引弧并且

在焊接過程中保持電

第二章材料加工方法與原理

弧穩(wěn)定燃燒；2）保護作用。一方面藥皮中含有的有機物在電弧的

高溫中分解，產(chǎn)生大量的CO、C02、H2等氣體，防止周圍空氣中的

氧和氮進入焊縫熔池，起到了氣相保護作用；另一方面，藥皮熔化后

形成的熔渣覆蓋著金屬熔池，隔絕了大氣，其次減輕金屬液等卻速度，

改善焊縫的成型和結(jié)晶；3）脫氧作用。藥皮中含有一些還原劑（如Si、

Ti、Mn、Al）,在焊接過程中可以降低焊絳金屬的含氧量,減少液態(tài)

金屬的氧化，提高了焊縫的力學(xué)性能。4）滲合金作用。藥皮中含有各

種合金及金屬粉末作為合金劑來彌補焊接過程中合金元素的損失，使

得焊縫合金獲得必要的合金成分。5）藥皮還可以改善焊接工藝性能。

2-5手工電弧焊接的質(zhì)量控制

手工電弧焊接過程中，由于焊縫金屬是從熔融態(tài)金屬冷卻凝固結(jié)

晶成固態(tài)金屬，在焊縫的形成過程中，由于冷卻收縮率的不同，會產(chǎn)

生焊接殘余變形以及殘余應(yīng)力，以及另外的焊接缺陷。要獲得優(yōu)質(zhì)的

焊接件，就要控制這些焊接缺陷。

2-5-1焊接殘余變形和應(yīng)力及其控制

焊接殘余變形有橫向收縮，縱向收縮、彎曲和扭曲幾種。同樣的，

焊接殘余應(yīng)力有橫向應(yīng)力，縱向應(yīng)力以及厚度方向的應(yīng)力。

一般通過回火、拉伸等方法來消除焊接殘余應(yīng)力。

1）回火：將焊接件整體或局部加熱到較高的溫度，保溫一定時間，

使焊接件在較高的溫度下發(fā)生蠕變現(xiàn)象，屈服點降低，使殘余應(yīng)力消

除。2）拉伸：對焊接件進行加載，使焊縫塑性變形區(qū)得到拉伸，來減

小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量和降低內(nèi)應(yīng)力。

焊接殘余變形的控制有如下的方法：1）合理的結(jié)構(gòu)以及接頭設(shè)計，

盡可能減少焊縫數(shù)量，對稱布置焊縫；2）合理的焊接工藝設(shè)計，適當(dāng)

的用剛性支架及夾具，利用反變形，盡可能對稱的選擇焊接次序等；3）

通過機械作用力或者火焰加熱等方法來進行焊接變形的矯正，控制殘

余變形。

2-5-2焊接缺陷

焊接缺陷有焊縫形狀缺陷、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋

等缺陷。

3.埋弧自動焊接

3-1埋弧自動焊的過程如圖4-5所示為埋弧自動焊的過程圖。埋

弧自動焊有四個主要要素：

1)顆粒狀焊劑經(jīng)漏斗口均勻的堆撒在焊絲前方的待焊接縫區(qū)；2)

弧焊電源輸出兩端分別接導(dǎo)電嘴和焊件以產(chǎn)生電?。?/p>

圖4-5埋弧焊接過程和焊縫的形成3)焊絲由送絲機構(gòu)經(jīng)送絲滾

輪

(a)焊接過程

(b)縱向剖面

(c)橫向剖面和導(dǎo)電嘴送入焊接電弧區(qū)；4)

1-焊劑2-焊絲3-電弧4-熔池金屬5-熔渣6-焊縫7-焊件送絲機

構(gòu)、焊劑漏斗及控制鍵盤

8-渣殼9-焊劑漏斗10■送絲滾輪11-導(dǎo)電嘴通常裝在一臺電動小

車上實現(xiàn)焊接電弧相對于工件的移動。

埋弧自動焊的電弧是在顆粒狀焊劑下產(chǎn)生的，一旦電弧形成并使

焊件、焊絲、焊劑熔化以致部分蒸發(fā)，并產(chǎn)生冶金反應(yīng)，所生成的氣

體會形成一個氣泡，電弧就在這個氣泡內(nèi)繼續(xù)燃燒，如圖4-5(b)、

(c)所示。氣泡的頂部被一層熔化狀焊劑(熔渣)構(gòu)成的外膜所包圍，

這層渣膜不僅有效的隔離空氣進入電弧和熔池，而且使有礙于操作的

弧光不再輻射干擾。5

第二章材料加工方法與原理

氣泡底后部為焊接熔池，隨著電弧前移，熔池也前進，其尾部則

冷卻結(jié)晶而形成焊縫。

3-2埋弧自動焊的優(yōu)缺點

埋弧自動焊的生產(chǎn)率較高，焊縫質(zhì)量好，勞動強度低，具有很好

的自動化潛力"旦是埋弧自動焊只適用于水平焊縫的焊接，不能用來

焊接氧化性極強的金屬，同時不適用于不規(guī)則焊縫的焊接。

3-3埋弧自動焊的冶金特點

埋弧自動焊的冶金過程，包括液態(tài)金屬、液態(tài)熔渣和氣相之間的

相互作用，液態(tài)熔渣和已凝固金屬之間的作用，其主要特點為：

1）空氣難以入侵電弧區(qū)：埋弧自動焊接是靠電弧熱作用下形成的

一個熔融狀熔渣薄膜保護電弧及熔池區(qū)，可阻止空氣侵入，保護效果

好；2）冶金反應(yīng)充分：埋弧自動焊時，焊接電流及熔池尺寸較大，熔

池金屬處于液態(tài)時間比手工焊接要高幾倍，液態(tài)金屬與熔渣之間的反

應(yīng)相當(dāng)充分，使焊縫金屬得到必要的滲合金，同時氣體、夾渣容易析

出；3）焊算金屬化學(xué)成分穩(wěn)定：埋弧自動焊接時，焊接參數(shù)、單位時

間內(nèi)所熔化的金屬與焊劑之比、焊縫金屬的化學(xué)成分都比手工電弧焊

要穩(wěn)定得多。

4.熔化極氣體保護焊

4-1熔化極氣體保護焊的過程特征及分類

熔化極氣體保護焊?？s寫為GMAW（GasMetalArcWelding）,

是以專門送給的氣體作為保護熔池、焊接區(qū)金屬的保護氣體，電弧作

為介質(zhì)，以連續(xù)送進的焊絲作為電弧的一個電極，母材作為另一個電

極的一類電弧焊方法的總稱。按照所用保護氣體的不同，GMAW可分

為熔化極惰性氣體保護焊MIG（MetalInertGas）、熔化極活性氣體

保護焊MAG（MetalActiveGas）和C02氣體保護焊等。

如圖4-6所示為MIG氣體保護焊示意圖。

與埋弧自動焊接相比，GMAW的最大優(yōu)點是：1）可以用于各種

黑色金屬的焊接，其中包括ALTi等及其合金，可焊材料要廣泛的多；

2）可在任何位置（俯焊、立焊、橫焊、仰焊及全部位置）實現(xiàn)半自動

或者全自動焊接，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好。它的弱點是明弧操作，

弧光干擾嚴(yán)重，保護作用也易受外界干擾。

4-2保護氣體圖4-6MIG氣體保護焊接示意圖在熔化極氣體保護

焊過程中，保護氣從焊槍的噴嘴里1-工件2-電弧3-焊絲4-焊絲盤連

續(xù)流出，排擠掉焊接區(qū)域的空氣，使電極（即焊絲）、5-送絲滾輪6-

導(dǎo)電嘴7-保護罩電弧、熔池以及靠近焊縫的高溫區(qū)與空氣隔離，免受

其有8-保護氣體9-熔池10-焊縫金屬害影響,從而達(dá)到保護之目的。

氣體保護作用的效果受氣體種類、流動狀態(tài)、流量以及其它參數(shù)如弧

長、電流、焊接速度、外界氣流、工件接頭形式等多種因素影響，要

綜合考慮著多種因素的影響，才能獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。

目前用作GMAW保護氣體的主要有Ar、He、N2、C02以及它

們的混合氣體。它們一般有以下的選用原則：

1)保護氣體應(yīng)該對焊接區(qū)中的電弧與金屬起到良好的保護作用；

2)保護氣體作為電弧的氣體介質(zhì)，應(yīng)有利于引燃電弧和保持電弧穩(wěn)定

燃燒；3)應(yīng)有助于提高對焊件的加熱效率；4)應(yīng)促使焊接過程獲得

良好的熔滴過渡，減小飛濺；5)對焊接過程中的有害冶金反應(yīng)能進行

控制，以減小氣孔和裂紋等焊接缺陷；6)保護氣體應(yīng)該容易制取，來

源豐富，價格低廉，以降低焊接成本。

第二章材料加工方法與原理

5.非熔化極氣體保護焊

5-1非熔化極與體保護焊的過程特征

非熔化極氣體保護焊是以氨氣或者氨氣等惰性氣體作為保護介質(zhì)，

以鋁棒為電極與工件之間產(chǎn)生電弧進行焊接的另一類氣體保護電弧焊

接方法。通常采用氯氣作為保護氣體，所以又稱為鋁極氮弧焊,或縮

寫為TIG(TungstenInertGasWelding)或者GTAW(Gas

TungstenArcWelding)o

GTAW焊接過程如圖4-7所示。保護氣、進出冷卻水及弧焊電源

負(fù)極均與焊接控制箱相連，電源的正極接工件，焊接所需的水、電、

氣由控制箱控制后通過同軸焊接電纜與焊炬相連，保護氣由焊炬噴嘴

噴出，在焊接區(qū)域形成保護氣罩，焊炬內(nèi)夾持著鋁棒，電弧在鋁棒電

極與工件之間引燃，根據(jù)不同的工件厚度和坡口形狀可以外加或者不

加填充絲。焊炬相對于焊接縫的移動和填加焊絲均可手工操作或者機

圖4-7GTAW的焊接過程和設(shè)備構(gòu)成械自動完成。

5-2GTAW的主要特點5-2-1GTAW的應(yīng)用優(yōu)點：

1)GTAW是由純氨氣保護，焊縫保護效果好，焊縫金屬純凈。特

別適用于焊接易氧化的有色金屬及其合金、不銹鋼、高溫合金、鈦及

其合金，以及難熔的活性金屬。

2)GTAW的焊接過程穩(wěn)定。氮氣是單原子惰性氣體,穩(wěn)定性極好,

不與金屬氣化學(xué)反應(yīng)，電弧的熱量損失小，電弧一旦弓I燃，就能夠穩(wěn)

定燃燒。另外，鋁棒本身不會產(chǎn)生熔滴過渡，弧長干擾因素相對減小,

也使電弧和焊接過程十分穩(wěn)定。

3）焊縫成型好。由于焊接過程穩(wěn)定，氮氣的保護效果好，氧氣不

會侵入焊縫金屬，也體表件不會發(fā)生化學(xué)活性的反應(yīng)，因此表面張力

較大，熔池金屬不易下淌和流失，特別適宜于薄板的焊接。

4）焊接過程易于自動化。GTAW的電弧是明弧，焊接過程參數(shù)穩(wěn)

定，易于觀察或監(jiān)測，容易實現(xiàn)自動化控制。

5-2-2GTAW的應(yīng)用不足

1）引弧比較困難。GTAW一般采用高頻引弧或者高壓脈沖引弧方

式，通過強電場的電子發(fā)射擊穿氯氣介質(zhì)使其電離形成電弧，這種引

弧方式會給自動化控制系統(tǒng)造成干擾。

2）對工件清理要求較高。GTAW無冶金脫氧或去氫措施，焊前對

工件的清理工作要求較高，否則極易引起氣孔、裂紋等焊接缺陷。

3）生產(chǎn)率較低。焊接電流受鋁棒許用電流的限制不能用得很大，

尤其是交流焊時的焊接許用電流更低，一次焊透的工件厚度比較小，

焊接圖4-8等離子弧的形式生產(chǎn)率比較低。（a）非轉(zhuǎn)移型

（b）轉(zhuǎn)移型

（c）混合型

6.等離子弧焊接1■鋁極2■水冷噴嘴3-轉(zhuǎn)移弧

6-1等離子弧的形成

4-非轉(zhuǎn)移弧5■工件

6-冷卻水當(dāng)電弧受到外部拘束條件如水冷噴嘴等的7

第二章材料加工方法與原理

拘束，使電弧的弧柱面受到限制，此時電弧的溫度、能量密度、

等離子電離度和它的流速都顯著增大。這種用外部拘束條件使弧柱受

到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。按照電源供電方式不同，等

離子弧可以分為非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型兩種基本形式，如圖4-8所示，前

者的電弧在電極和工件之間燃燒，水冷噴嘴不接電源，僅起冷卻作用；

后者電弧直接在電極和噴嘴之間燃燒，水冷噴嘴既是電弧的電極，又

起冷壁拘束作用，而工件不接電源。

焊接和噴鍍用的等離子弧可采用純氮氣或者(95%Ar+5H2)、

(75%He+25%Ar)、(50%Ar+50%He)、氮氣等為等離子氣，同

時還必須通入保護氣體。切割時等離子弧常用空氣、(N2+H2)、

(Ar+H2)、水蒸氣作為等離子氣。

6-2等離子弧焊接的基本控制特征6-2-1穿孔型等離子弧焊接

利用等離子弧能量密度和等離子流力量大的特點，可在適當(dāng)?shù)膮?/p>

數(shù)條件下實現(xiàn)熔化穿孔型焊接，這時等離子弧把工件完全熔透并在等

離子流力的作用下形成一個穿透工件的小孔，熔化金屬被排擠在小孔

周圍，隨著等離子弧在焊縫方向的移動，熔化金屬沿電弧周圍熔池壁

向熔池后方移動，于是小孔也就跟著等離子弧向前移動。穩(wěn)定的小孔

焊接過程是不采用襯墊實現(xiàn)單面焊雙面一次成型的好方法，如圖4-9

所示。穿孔型等離子焊接只能在一定厚度的焊接板內(nèi)進行。圖4-9穿

孔型等離子弧焊接

等離子弧焊接的可控參數(shù)有以下幾個：噴嘴結(jié)構(gòu)和孔徑，離子氣

流量，焊接電流，焊接速度，噴嘴高度，保護氣流量等。

6-2-2熔入型等離子弧焊接

當(dāng)?shù)入x子弧的離子氣流量減小，穿孔效應(yīng)消失時，等離子弧仍可

進行對接、角接焊，這種焊接稱為熔入型等離子弧焊接。適用于薄板、

多層焊縫的蓋面以及角焊縫，可添加或不添加焊絲。優(yōu)點是焊速較快。

6-2-3微束等離子弧焊接

當(dāng)焊接電流在15~30A以下時,熔入型等離子焊接通常稱為微束

等離子弧焊接。由于噴嘴的拘束作用和非轉(zhuǎn)移弧的同時存在"吏得小

電流的等離子弧十分穩(wěn)定，主要用在金屬薄箔的焊接。為了保證焊接

質(zhì)量，應(yīng)該采用精密的裝焊夾具保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形。

6-2-4脈沖等離子弧焊接

小孔型、熔入型以及微束等離子弧焊接均可采用脈沖電流方法，

來提高焊接過程的穩(wěn)定性，控制全位置焊接焊縫成型，減小熱影響區(qū)

寬度和焊接變形。脈沖電流頻率一般為15HZ以下，脈沖電源結(jié)構(gòu)主

要為晶閘管、晶體管和逆變控制式。

6-3空氣等離子切割

等離子弧切割是指利用等離子弧的高溫、高速電弧流使切割金屬

在切口局部熔化并且蒸發(fā)，隨之吹離熔化基體金屬形成切口的切割方

法。保護氣體主要是空氣。主要用于不銹鋼、有色金屬、鑄鐵等的切

割，最近擴展到碳鋼、低合金鋼的切割。

等離子弧切割的可控參數(shù)主要有：離子氣成分與流量；電壓和電

流；切割速度等。7.電渣焊

7-1電渣焊接過程和應(yīng)用特征

第二章材料加工方法與原理

電渣焊是一種以電流通過熔融狀態(tài)渣池時所產(chǎn)生的電阻熱作熱源

的熔化焊接方法。如圖4-10所示。由待焊工件待焊邊緣、側(cè)面成型銅

滑塊等構(gòu)成容納渣池的空間，建立渣池以后從渣池頂部插入金屬（實

芯或管狀焊絲、板極、管極等），并在填充圖4-10電渣焊接過程金

屬與焊件之間提供足夠大的電流，填充金屬和焊件邊緣就會被熔渣電

阻熱熔化并在渣池底部形成熔化金屬池，渣池和熔化金屬池隨填充金

屬不斷熔化而上升，熔化金屬池底部冷卻結(jié)晶，形成焊縫。

與電弧焊接方法相比，電渣焊的主要特點是：

1）焊接過程只宜在垂直或接近垂直位置進行；2）適合于大厚度

工件的焊接，一次可焊厚度可高達(dá)300mm以上，目不需要開坡口，

只要使工件邊緣之間保持適當(dāng)?shù)难b配間隙艮「可。

按照填充金屬的特征，電渣焊有絲極、管狀焊絲、板極、管極、

熔嘴等多種形式。7-2電渣焊過程的控制參數(shù)

電渣焊過程的控制參數(shù)主要有電流和電壓、裝配間隙、電極數(shù)目

及擺動參數(shù)、渣池深度以及焊接速度和送絲速度等。

8.電子束焊接

8-1電子束焊接的基本過程

電子束焊接是利用真空電子槍中產(chǎn)生的高能強流電子束轟擊焊件

接縫，高速電子與焊件發(fā)生碰撞時，將其動能轉(zhuǎn)送給焊接使之加熱熔

化的一種熔化焊接方法。

電子槍的原理結(jié)構(gòu)如圖4-11所示,真空中的鋁陰極被加熱到

225CTC左右時會連續(xù)發(fā)射電子，這些電子在聚束極控制和陽極加速電

壓作用下從陽極孔中射出，通過設(shè)置在陽極后面的電磁透鏡后，電子

束的聚焦直徑可在1mm以下，電子束具有很高的能量密度。

8-2電子束焊接的應(yīng)用特點8-2-1電子束焊接的應(yīng)用優(yōu)點

1）電子束斑直徑小，能形成深而窄的焊縫，焊縫的深度比很高，

而且一次焊透能力可達(dá)100~250mm以上，高于其它

圖4-11電子槍的組成任何焊接方法。因此電子束既可以用于厚

板的深熔焊，也可以高速焊接0.05mm后的薄件。

2）電子束功率密度極高，熱量集中，73效率高，熱影響區(qū)小，又

在真空中進行焊接，特別適合于難熔金屬、活性或高純度金屬、熱敏

感性強的金屬焊接。

3）焊速高，焊接變形小，適用于航空發(fā)動機、核堆堆芯控制框架

等精密構(gòu)件的焊接。8-2-2電子束焊接的應(yīng)用弱點

1）電子束焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資和運營成本要高；2）焊接一

般要在高真空中進行，真空室尺寸限制了焊件的大??；3）由于電子束

斑比較小，要求接頭間隙加工，裝配十分嚴(yán)格，從而使焊縫對準(zhǔn)十分

困難；4）易激發(fā)X射線，應(yīng)該注意防護。

以上弱點限制了電子束焊接的廣泛應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于鋁、鋁、

徂等難熔金屬和鑄、鈦等活性金屬的焊接，另外還主要用于航天工業(yè)

中的精密焊接。

第二章材料加工方法與原理

9.激光焊接

激光是利用輻射激發(fā)光放大原理而產(chǎn)生的一種單頻率、定向性好、

干涉性優(yōu)、能量密度高的光束。激光束經(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)1013W/m2的能量束，可用作焊

接、切割、鉆孔及材料表面處理的熱源。

激光焊接的基本特點為：

1）激光可以通過光導(dǎo)纖維、棱鏡等光學(xué)方法彎曲傳輸、偏轉(zhuǎn)、聚

焦，適合于微型零部件以及其它焊接方法可達(dá)性很差的部位的焊接；2）

激光在大氣中損耗不大，可通過玻璃等透明體，適用于在玻璃制成的

密封容器里焊接鍍合金等劇毒材料；3）激光不受電磁場的影響，不存

在X射線防護，無需真空保護，可采用電弧焊一樣的惰性氣體保護，

可用于大型結(jié)構(gòu)的焊接；4）激光能量密度很高，可實現(xiàn)高速焊接，熱

輸入低，熱影響區(qū)和焊接變形都比較小，焊后無需熱處理，適合于對

熱輸入敏感材料、鍍層材料等的焊接。

從整體上看，激光焊接的引用范圍還比較有限，限制它擴大應(yīng)用

范圍的主要障礙是：1）激光器的價格很高；2）激光器的電光轉(zhuǎn)換以

及整體效率比較低；3）對焊件接口加工、組裝、定位要求均很高。

10.氣焊

氣焊是利用乙煥等可燃?xì)怏w與高純度氧氣混合后發(fā)生快速反應(yīng)所

釋放的熱量作為熱源，使母材熔化（添加焊絲或者不添加焊絲）進行

焊接的一種熔化焊接方法。

10-1焊炬圖4-12焊炬結(jié)構(gòu)示意圖焊炬是來控制氣體混合比、氣

體流量以⑶射吸式1-焊嘴2-混合氣管3-射吸管4-噴嘴及火焰長短的

焊接工具,按照乙煥和氧氣的混5-氧氣閥6-氧氣導(dǎo)管7-乙快導(dǎo)管8-

乙煥閥合方式的不同,焊炬可分為射吸式和等壓式兩（b）等壓式1-焊嘴

2-混合氣管3-乙快導(dǎo)管類，如圖4-12所示。4-乙快閥5-氧氣閥6-氧

氣導(dǎo)管

射吸式是依靠噴射氧氣流的射吸作用，來調(diào)節(jié)氧氣和乙快的流量，

保證氣體能均勻的按照一定比例混合，并且以相當(dāng)高的流速噴出，使

火焰穩(wěn)定燃燒。既能適用低壓乙煥又能使用中壓乙煥，是目前應(yīng)用最

廣泛的一種焊炬。其主要缺點是由于混合氣體中乙快的含量逐漸下降，

使混合氣體成分不穩(wěn)定而影響溫度，所以應(yīng)該隨時注意調(diào)整。

等壓式是以相等或相近壓力的氧氣和乙煥氣由各自的信道進入混

合室，按一定的比例混合，再以一定的流速經(jīng)混合氣體信道從焊嘴噴

出，產(chǎn)生穩(wěn)定的焊接火焰。其構(gòu)造簡單，混合氣體的流速高，不易發(fā)

生回火現(xiàn)象。

10-2焊接火焰

10-2-1焊接火焰的種類

火焰的種類如圖4-13所示。

1）中性焰。氧氣與乙煥的混合比為1~1.2時火焰呈中性焰。此時

乙塊充分燃燒，它由焰芯、內(nèi)焰和外焰組成?；?/p>

圖4-13氧-乙煥火焰分類焰最高溫度可達(dá)3200℃r在內(nèi)焰區(qū)域

主要以一氧化碳和氫

(a)中性焰(b)碳化焰?氧化焰氣為主，能對熔池起到保護作用，

適用于碳鋼和有色金屬的焊接。

2)碳化焰。氧氣與乙快混合比小于1,有過剩乙煥，并有較多的

游離碳和氫。它也是

第二章材料加工方法與原理

由焰芯、內(nèi)焰和外焰組成?；鹧孀罡邷囟瓤蛇_(dá)2700℃o采用此類

火焰焊接，使被焊接件有增碳作用。適用于高碳鋼、鑄鐵以及高速鋼

的焊接。

3)氧化焰。氧氣與乙煥混合比大于1.2,火焰中有過剩的氧。它

由短而尖的焰芯和較短的外焰組成，火焰氧化性很強。其最高溫度可

達(dá)3300℃e適合于黃銅和青銅的釬焊。

10-2-2火焰的調(diào)節(jié)

剛點燃的火焰為碳化焰；若逐漸增加氧氣，直到內(nèi)焰與外焰沒有

明顯的界限即為中性焰；如果再增加氧氣或者減少乙塊，得到氧化焰。

10-3氣焊的應(yīng)用

與電弧相比，氣焊火焰溫度較低，加熱和冷卻速度較慢，加熱區(qū)

域?qū)?，焊接變形大，已?jīng)很少應(yīng)用。主要應(yīng)用在無電源場合以及電弧

焊難以焊接的薄壁件。

11.電阻焊

電阻焊是利用電流通過工件接觸面間的電阻產(chǎn)生熱量，同時對焊

接處加壓進行焊接的方法。電阻焊按照焊件接頭形式的不同，可分為

點焊、凸焊、縫焊和對焊四大類，其中對焊根據(jù)過程不同可分為電阻

對焊和閃光對焊兩類，圖4-14表示了它們的簡要過程。

圖4-14各種電阻焊方法的簡要特征

⑻點焊(b)凸焊(c熠焊(d)電阻對焊⑥閃光對焊1-電極2-工件3-

阻焊變壓器

點焊(圖4-14(a))是將工件搭接在一起后放在電極間，在焊

接電流和壓力下產(chǎn)生點狀焊接的焊接過程，點焊的特點是工作電流很

大。凸焊(圖4-14(b))是利用結(jié)合面已經(jīng)形成的一個或者幾個突

出部位，使焊縫電流和壓力局限于通過這些突出部位，并將其壓潰成

焊點或者焊道的焊接過程?？p焊(圖4-14(c))是將工件置于滾輪

電極間或者滾輪電極與條狀電極之間，連續(xù)滾壓或連續(xù)的施加電流，

形成線狀焊縫的焊接過程。電阻對焊(圖4-14(d))是將兩焊件裝

配成對接接頭，并使其兩端面緊密接觸，在連續(xù)加壓和通電下使焊接

區(qū)達(dá)到塑性狀態(tài)，然后在頂鍛力的作用下完成焊接的過程。閃光對焊

(圖4-14(e))是將焊件裝配成對接接頭,先接通電源,使兩焊件

端面逐漸移近達(dá)到局部接觸，接觸點加熱熔化產(chǎn)生金屬噴射，這一過

程反復(fù)進行形成連續(xù)閃光，直至端面達(dá)到一定溫度時迅速施加鍛力完

成焊11

第二章材料加工方法與原理

接的過程。

電阻焊實際上是在焊接電流和壓力的共同作用下，利用工件本身

電阻熱及適量的塑性變形，在其結(jié)合面產(chǎn)生共同晶粒，從而形成焊點、

焊縫和對接接頭的壓力焊方法。其中點焊、轉(zhuǎn)焊接頭中包含有熔化金

屬，但對焊接頭中一般不包含熔化金屬。

12.摩擦焊

摩擦焊是利用工件接觸端面相對旋轉(zhuǎn)運動中互相摩擦所產(chǎn)生的熱

使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛而實現(xiàn)的一種固相壓焊過程。

按照旋轉(zhuǎn)運動特征，摩擦焊可分為連續(xù)驅(qū)動摩擦焊和慣性摩擦焊兩種

基本方法。如圖4-15所示。

圖4-15摩擦焊接過程⑶連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接(b)慣性摩擦焊接

連續(xù)驅(qū)動焊接過程是主軸電動機驅(qū)動的焊件的一端在整個摩擦過

程中始終是處于驅(qū)動狀態(tài)的,如圖4-15(a)所示，其焊接過程經(jīng)歷

四個階段：1)焊件一端被夾緊后由主軸電動機驅(qū)動達(dá)到一定轉(zhuǎn)速；2)

焊件另一端靠近旋轉(zhuǎn)端，并在壓力作用下發(fā)生摩擦，此階段時間內(nèi)，

工作端面被加熱到足夠高的溫度(600~700℃)z摩擦扭矩也將達(dá)到

最大值；3)當(dāng)工件端面升高到600~700?！稌r，在壓力作用下的焊件

將因塑性變形而發(fā)生軸向縮短，同時端面四周因受熱的部分金屬被擠

出形成飛邊，隨著摩擦繼續(xù)進行，溫度繼續(xù)升高；4）然后在一段時間

內(nèi)，使主軸停止轉(zhuǎn)動，同時加大頂鍛壓力，并在主動軸停止轉(zhuǎn)動后繼

續(xù)保持一段加壓時間，結(jié)合面就會形成焊縫，焊接過程也就完成。

慣性摩擦焊的焊件旋轉(zhuǎn)主軸帶有一個具有一定轉(zhuǎn)動慣量的飛輪。

它的特點是先將飛輪連同焊件一側(cè)加速到預(yù)定的轉(zhuǎn)速，然后使飛輪脫

開驅(qū)動電機進行摩擦、頂鍛焊接，如圖4-15（b）所示。這種慣性摩

擦焊可降低主軸電極功率，節(jié)省電能，適合于焊接大斷面工件及異中

合金。

13.超聲波焊接圖4-16超聲波焊接系統(tǒng)及過程超聲波焊接是利

用lOKHz以上超聲波的1-超聲波發(fā)生器2-換能器3-聚能器4■耦合桿

機械振動能量實現(xiàn)的一種固相壓力焊接方法。5-上聲極6-下聲極7-振

幅分布V-振動反向其典型系統(tǒng)及過程如圖4-16所示。在壓力作F-靜

壓力用下由超聲波發(fā)生器經(jīng)換能器、聚能器、耦合桿、聲極傳輸?shù)胶?/p>

件結(jié)合界面的超聲頻機械振動使界面兩側(cè)表面發(fā)生微位移相對滑動摩

擦，第二章材料加工方法與原理

這種微摩擦既有助于表面膜破碎而實現(xiàn)界面兩側(cè)金屬間的接觸，

又因為摩擦發(fā)熱的溫度升高以及隨之發(fā)牛的微變形而清除了界面上的

微觀不平度、擴大有效接觸面、加速兩側(cè)金屬原子通過界面進行擴散

以及結(jié)晶，從而實現(xiàn)固相焊接。金相分析表明，其焊接區(qū)具有適度冷

作變形后的細(xì)晶粒組織特征，但沒有熔化現(xiàn)象，而只是擴散、相變、

再結(jié)晶等固相冶金過程的結(jié)果。

按照焊點以及聲極形狀和聲波傳輸特征，超聲波焊可分為超聲波

點焊、超聲波線焊、超聲波環(huán)焊和超聲波縫焊等幾種類型。釬焊

釬焊是指在焊接工件之間填充釬料，由于釬料的熔點要比母材合

金的熔點低，釬焊過程中母材和釬料被加熱至釬料熔化溫度（釬焊溫

度）上，利用液態(tài)釬料對母材的潤濕和毛細(xì)填縫作用，填滿接頭間隙,

并與母材金屬發(fā)生相互作用，然后冷卻結(jié)晶而形成牢固的連接。

釬焊具有這樣一些特點：1）釬焊加熱溫度低，母材金屬的組織性

能變化不大；2）釬焊接頭可以實現(xiàn)精密裝配，焊后變形小，易于保證

結(jié)構(gòu)尺寸；3）形狀特殊或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊件均可采用釬焊進行焊接；

4）壁厚不等、粗細(xì)差異很大的零件也能進行釬焊；5）釬焊可以實現(xiàn)

異種金屬和合金、非金屬之間以及金屬和非金屬之間的連接；4）軒焊

生產(chǎn)高，易于實現(xiàn)自動化。

備注

1.本節(jié)主要介紹了目前連接技術(shù)中的一些基本技術(shù)以及其中的一

些相應(yīng)原理；2.本節(jié)所用參考書為：

1）焊接與連接工程學(xué)導(dǎo)論，何德孚主編，上海交通大學(xué)；2）焊

接工藝基礎(chǔ)，上海科學(xué)技術(shù)出版社；

交圖借書號：TG44/23）精密焊接，曾樂著,上?？茖W(xué)技術(shù)出版

社,1996;

交圖借書號：TG44/233.由于本節(jié)只是廣泛的介紹連接技術(shù)，

對于連接技術(shù)的控制與監(jiān)測將在后面的材料加工控制章節(jié)中詳細(xì)敘述；

4.對于要了解各個連接技術(shù)的詳細(xì)過程以及控制參數(shù)等內(nèi)容，請

參閱相應(yīng)參考書。

第二篇：現(xiàn)代測試技術(shù)

《現(xiàn)代測試技術(shù)》

課程考核論文

學(xué)院：XXXXXXXXXXXXXXXXX

姓名：XXX班級：XXXX學(xué)號：XXXXXXXXXXXXXX

摘要：CCD,英文全稱：Charge-coupledDevice,中文全稱：

電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，

能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像

素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多,其提供的畫面分辨率也

就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉(zhuǎn)換成電荷信號。

CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)變

成電信號，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。關(guān)

鍵字：電信號、圖像信號、相機、攝像機。

該傳感器的工作原理

構(gòu)成CCD的基木單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)休）結(jié)構(gòu)。

CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時，需要在金屬柵

極上加一定的偏壓，形成勢阱以容納電荷，電荷的多少與光強成線性

關(guān)系。電荷讀出時，在一定相位關(guān)系的移位脈沖作用下，從一個位置

移動到下一個位置，直到移出CCD，經(jīng)過電荷-電壓變換，轉(zhuǎn)換為模擬

信號。由于在CCD中每個像元的勢阱所容納電荷的能力是有一定限制

的，所以如果光照太強，一旦電荷填滿勢阱，電子將產(chǎn)生〃溢出〃現(xiàn)

象。另外，在電荷讀出時，由于它是從一個位置到下一個位置的電荷

轉(zhuǎn)移過程，所以存在電荷的轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失問題

電荷耦合攝像器件（CCD）的突出特點是以電荷為信號載體。它

的功能是接受存儲模擬電荷信號，并將它逐級轉(zhuǎn)移（并存儲）輸送到

輸出端。其基本工作過程主要是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和檢測，

因此實際上相當(dāng)于一個模擬移位存儲器。主要有信息處理用延遲線、

存儲器和光電攝像器件三個方向應(yīng)用

CCD有表面（溝道）CCD（SCCD）和埋溝CCD（BCCD）兩種

基本類型。作為圖像傳感器用攝像器件還另外具有光敏元陣列和轉(zhuǎn)移

柵，以進行光電轉(zhuǎn)移，并將光電轉(zhuǎn)換的信號電荷轉(zhuǎn)移到CCD轉(zhuǎn)移電極

下。

該傳感器的的測量的物理量及范圍

線型CCD即CCD的感光元件排列在一條直線上。它成像方式是

CCD在光學(xué)系統(tǒng)成像所在的焦平面上垂直掃過，地到一幅完整的影像。

傳統(tǒng)的掃描儀都使用這種類型的CCD,因此我們又稱它為掃描型CCD。

線性CCD的這種工作方式?jīng)Q定了

2它得到一幅完整的影像需要很長的時間，即曝光時間很長。自然

它就無法用于拍攝動態(tài)的物體，另外在曝光過程中需要一致的光線環(huán)

境，它也不支持閃光拍攝。雖然有如此重大的缺陷，但線性CCD的感

光元件可以做到很高的線密度，這樣用線性CCD可以得到極高像素數(shù)

量的影像，因此它仍然被用于數(shù)碼相機，拍攝需要超高分辨率的靜物

影像。典型的例子是Agfa的StudioCam相機,它用三條線性CCD分

別感應(yīng)紅藍(lán)綠三色光，每條3648像素，色彩灰度為12位，可得到

1640萬像素分辨率高達(dá)4500*3648的圖象，最終的影像容量高達(dá)50-

100MBe其預(yù)掃描時間需要12秒,每一線依精度需要1/15-1/200秒。

面型CCD又稱全幅式CCD,陣列型CCDO面型CCD的曝光方式有

以下三種。1.單CCD芯片三次曝光：即通過三色濾鏡輪盤分別將紅

藍(lán)綠三色光投射在CCD上，三次采集后合成得到影像。這種方式得到

的影像質(zhì)量很高，但三次曝光，不能用于拍攝動態(tài)影像。

2.三CCD一次曝光：三個CCD芯片，分別感應(yīng)紅綠藍(lán)三色光

（或其中兩片感應(yīng)綠色光，另一片感應(yīng)紅藍(lán)光），自然光通過分光棱

鏡系統(tǒng)將三色光分別投影在CCD上，一次曝光得到完整影像。這種方

式得到的影像質(zhì)量和單芯片三次曝光一樣，而一次曝光可拍攝動態(tài)影

像.缺點是三CCD的成本很高，分光棱鏡的制作技術(shù)難度也很大。

3.單CCD芯片一次曝光：CCD上組合排列感應(yīng)三種色光的像素,

一次曝光后得到影像，由于人眼對綠色最為敏感，通常CCD上的感綠

色像素最多。這種方式的影像質(zhì)量最低，但受成本的限制和對動態(tài)影

像的拍攝要求，市面上主流產(chǎn)品大都采用單CCD芯片一次曝光。

CCD-CCD原理

說到CCD的尺寸，其實是說感光器件的面積大小，這里就包括了

CCD和CMOS。感光器件的面積大小，CCD/CMOS面積越大，捕獲

的光子越多,感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS是數(shù)碼相機用

來感光成像的部件，相當(dāng)于光學(xué)傳統(tǒng)相機中的膠卷。

CCD上感光組件的表面具有儲存電荷的能力，并以矩陣的方式排

列。當(dāng)其表面感受到光線時，會將電荷反應(yīng)在組件上，整個CCD上的

所有感光組件所產(chǎn)生的信號,就構(gòu)成了一個完整的畫面

該傳感器的對測量某一物理量的具體應(yīng)用

CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信

號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。

CCD一般可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD將CCD內(nèi)

部電極分成數(shù)組，并施加同樣的時鐘脈沖，以滿足不同場合的應(yīng)用。

面陣CCD較線陣CCD結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,由很多光敏區(qū)排列成一個方陣

并以一定的形式連接成一個器件，以獲取大量信息，完成復(fù)雜圖像的

處理。

一般考察CCD質(zhì)量性能，可以對其不同參數(shù)進行考慮。包括CCD

的光譜靈敏度、暗電流與噪聲、轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率、時鐘頻率的

上、下限、動態(tài)范圍、非均勻性、非線性度、時間常數(shù)、CCD芯片像

素缺陷等。

CCD圖像傳感器一般體積較小，功耗也較低，因此適應(yīng)于各類電

子產(chǎn)品而不會占用太大空間。同時CCD靈敏度高、噪聲低、動態(tài)范圍

大、響應(yīng)速度快、像素集成度高、尺寸精確等，都讓它的應(yīng)用得到普

及。

含格狀排列像素的CCD應(yīng)用于數(shù)碼相機、光學(xué)掃瞄儀與攝影機的

感光元件。經(jīng)冷凍的CCD亦廣泛應(yīng)用于天文攝影與各種夜視裝置，而

各大型天文臺亦不斷研發(fā)高像數(shù)CCD以拍攝極高解像之天體照片。

CCD能使固定式的望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮有如帶追蹤望遠(yuǎn)鏡的功能，讓CCD上電

荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步，以CCD導(dǎo)星

不僅能使望遠(yuǎn)鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠(yuǎn)鏡記錄到比原來更大

的視場。一般的CCD大多能感應(yīng)紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜

視裝置、零照度（或趨近零照度）攝影機/照相機等

該傳感器的技術(shù)指標(biāo)及參考價格、可能的生產(chǎn)廠家1.光譜靈敏度

CCD的光譜靈敏度取決于量子效率、波長、積分時間等參數(shù)。量

子效率表征CCD芯片對不同波長光信號的光電轉(zhuǎn)換本領(lǐng)。不同工藝制

成的CCD芯片，其量子效率不同。靈敏度還與光照方式有關(guān)，背照

CCD的量子效率高,光譜響應(yīng)曲線無起伏,正照CCD由于反射和吸收

損失，光譜響應(yīng)曲線上存在若干個峰和谷。

2.CCD的暗電流與噪聲

CCD暗電流是內(nèi)部熱激勵載流子造成的。CCD在低幀頻工作時，

可以幾秒或幾千秒的累積（曝光）時間來采集低亮度圖像，如果曝光

時間較長，暗電流會在

4光電子形成之前將勢阱填滿熱電子。由于晶格點陣的缺陷，不同

像素的暗電流可能差別很大。在曝光時間較長的圖像上，會產(chǎn)生一個

星空狀的固定噪聲圖案。這種效應(yīng)是因為少數(shù)像素具有反常的較大暗

電流，一般可在記錄后從圖像中減去，除非暗電流已使勢阱中的電子

達(dá)到飽和。

晶格點陣的缺陷產(chǎn)生不能收集光電子的死像素。由于電荷在移出

芯片的途中要穿過像素，一個死像素就會導(dǎo)致一整列中的全部或部分

像素?zé)o效；過渡曝光會使過剩的光電子蔓延到相鄰像素，導(dǎo)致圖像擴

散性模糊。

3.轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率

電荷包從一個勢阱向另一個勢阱轉(zhuǎn)移時，需要一個過程。像素中

的電荷在離開芯片之前要在勢阱間移動上千次或更多，這要求電荷轉(zhuǎn)

移效率極其高，否則光電子的有效數(shù)目會在讀出過程中損失嚴(yán)重。

引起電荷轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲，轉(zhuǎn)移損

失造成信號退化。采用〃胖零〃技術(shù)可減少這種損耗。

4.時鐘頻率的上、下限

下限取決于非平衡載流子的平均壽命，上限取決于電荷包轉(zhuǎn)移的

損失率，即電荷包的轉(zhuǎn)移要有足夠的時間。

5.動態(tài)范圍

表征同一幅圖像中最強但未飽和點與最弱點強度的比值。數(shù)字圖

像一般用DN表示。

6.非均勻性

表征CCD芯片全部像素對同一波長、同一強度信號響應(yīng)能力的不

一致性。

7.非線ft?

表征CCD芯片對于同一波長的輸入信號，其輸出信號強度與輸入

信號強度比例變化的不一致性。

8.時間常數(shù)

表征探測器響應(yīng)速度，也表示探測器響應(yīng)的調(diào)制輻射能力。時間

常數(shù)與光導(dǎo)和光伏探測器中的自由載流子壽命有關(guān)。

9.CCD芯片像素缺陷

a.像素缺陷：對于在50%線性范圍的照明,若像素響應(yīng)與其相鄰

像素偏差超過30%,則為像素缺陷。

b簇缺陷：在3*3像素的范圍內(nèi)，缺陷數(shù)超過5個像素。

c.列缺陷：在ri2的范圍內(nèi)，列的缺陷超過8個像素。

d彳亍缺陷：在一組水平像素內(nèi)，行的缺陷超過8個像素

價格：600~800元之間

生產(chǎn)廠家：索尼、尼康

優(yōu)缺點

優(yōu)點：CCD制造工藝較復(fù)雜，成像通透性、明銳度都很好，色彩

還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確一般是顏色好，缺點：費電，曝光時間

長的時候溫升大，噪點相對嚴(yán)重，最重要的是大規(guī)格的成品率低，成

本局）

針對缺點有何改進措施

1）圍繞空間CCD相機的設(shè)計技術(shù)要求，本文在相機的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

中完成了以下工作《）通過對星載空間相機常用材料的性能分析比較，合

理地完成部件結(jié)構(gòu)的材料選擇，為達(dá)到輕量化的設(shè)計要求奠定基礎(chǔ);（b）

應(yīng)用有限元分析方法，對相機關(guān)鍵部件——主鏡筒和支架進行了優(yōu)化設(shè)

計;2）在該相機精確CAD模型的基礎(chǔ)上，對CCD相機進行了簡化造型。

利用簡化后的模型建立了整機的有限元模型，完成了該相機結(jié)構(gòu)動態(tài)特

性分析計算

參考文獻(xiàn)

[1].曾光奇,工程測試技術(shù)基礎(chǔ).武漢：華中科技大學(xué)出版

社.2002.36

第三篇：現(xiàn)代通信技術(shù)

現(xiàn)代通信技術(shù)

通信技術(shù)是最貼近我們生活的一項技術(shù)，因此我對其有著更多的

感慨?？v觀通信技術(shù)的發(fā)展，可分為以下三個階段：第一階段是語言

和文字通信階段。在這一階段，通信方式簡單，內(nèi)容單一。第二階段

是電磁通信階段。1837年，莫爾斯發(fā)明電報機，并設(shè)計莫爾斯電報碼。

1876年，貝爾發(fā)明電話機。這樣，利用電破波不僅可以傳輸文字，還

可以傳輸語音，由此大大加快了通信的發(fā)展進程。1895年，馬可尼發(fā)

明無線電設(shè)備，從而開創(chuàng)了無線電通信發(fā)展的道路。

第三階段是電子信息通信階段。

從總體上看，通信技術(shù)實際上就是通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的技術(shù)。通

信系統(tǒng)是指點對點通所需的全部設(shè)施，而通信網(wǎng)是由許多通信系統(tǒng)組

成的多點之間能相互通信的全部設(shè)施。從國外通信技術(shù)的發(fā)展看，大

約從70年代開始，通信即進入了現(xiàn)代通信的新時代，現(xiàn)代通信的多項

技術(shù)發(fā)展處在方興未艾之中。

(-)數(shù)字通信技術(shù)

數(shù)字通信即傳輸數(shù)字信號的通信，是通過信源發(fā)出的模擬信號經(jīng)

過數(shù)字終端的信源編碼成為數(shù)字信號，終端發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)過信道

編碼變成適合與信道傳輸?shù)臄?shù)字信號，然后由調(diào)制解調(diào)器把信號調(diào)制

到系統(tǒng)所使用的數(shù)字信道上，經(jīng)過相反的變換最終傳送到信宿。數(shù)字

通信以其抗干擾能力強，便于存儲，處理和交換等特點，已經(jīng)成為現(xiàn)

代通信網(wǎng)中的最主要的通信技術(shù)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信網(wǎng)的各種

通信系統(tǒng)。

(二)程控交換技術(shù)

程控交換技術(shù)是指人們用專門的計算機根據(jù)需要把預(yù)先編好的程

序存入計算機后完成通信中的各種交換。以程控交換技術(shù)發(fā)展起來的

數(shù)字交換機處理速度快，體積小，容量大，靈活性強，服務(wù)功能多，

便于改變交換機功能，便于建設(shè)智能網(wǎng)，向用戶提供更多，更方便的

電話服務(wù)，還能實現(xiàn)傳真，數(shù)據(jù)，圖像通信等交換，它由程序控制，

是由時分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)進行物理上電路交換的一種電話接續(xù)交換設(shè)備。常

見結(jié)構(gòu)有集中控制、分散控制或兩者結(jié)合。技術(shù)指標(biāo)有很多，主要為

BHCA/呼損接通率,無故障間隔時間等。

網(wǎng)絡(luò)通信的快速發(fā)展便利了我們的生活，隨著信息技術(shù)的發(fā)展與

普及，電信業(yè)從早期的電報、電話發(fā)展到了今天的互聯(lián)網(wǎng)和移動通信，

世界在電信的發(fā)展中變得平坦，人們的生活也因為信息通信技術(shù)的發(fā)

展而變得豐富多彩。我相信在未來的日子里，我們的生活會隨著通信

技術(shù)的發(fā)展而變得更加豐富多彩。

第四篇：現(xiàn)代無線通信技術(shù)

(l)RadioTransmissionInterfaceofTheDigitalPanEuropean

MobileSystem

泛歐數(shù)字移動通信系統(tǒng)無線電發(fā)射接口

引言

本文描述的是移動通信系統(tǒng)的無線電發(fā)射接口規(guī)格，這種規(guī)格是

根據(jù)不同的無線電接入技術(shù)(FDMA頻分多址，TDMA時分多址，),

以及不同的調(diào)制和編碼方案，在比較了硬件實驗設(shè)備之后確定的。本

文講述了這種規(guī)格的選擇過程，然后對無線接口規(guī)范，以及在頻率復(fù)

用方面展示的預(yù)期性能進行了描述。同時，根據(jù)本規(guī)范，也提出了在

法國建立驗證硬件測量結(jié)果的系統(tǒng)。

(2)TheWirelessRevolution

無線革命

引言

本文對無線通信目前的需求和近期發(fā)展進行了描述。對用于全球

無線資金進行了一個預(yù)估。同時對無線通信技術(shù)方面的運用到的器材

和技術(shù)進行了討論，并且呈現(xiàn)了一些研究結(jié)果。

(3)Overviewofwirelesspersonalcommunications

無線個人通信的概述

引言

本文對無線通信現(xiàn)狀進行了概述，包括正在進行的一些相關(guān)技術(shù)

研發(fā)項目，無線通信的標(biāo)準(zhǔn)，頻譜分配等。在本文中，作者討論了蜂

窩無線電、無繩電話和無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)。對目前和計劃中的無線通信發(fā)

展進行了總結(jié)。本文主要討論的是無線通信廣泛的覆蓋面問題，并且

對現(xiàn)有數(shù)字蜂窩和數(shù)字無繩系統(tǒng)的空中接口進行了簡要討論，因為空

中接口承載依賴于系統(tǒng)的容量，該系統(tǒng)可以使用的環(huán)境，以及在設(shè)備

的成本和復(fù)雜性

⑷blocking,hand-offandtrafficperformanceforcellular

communicationsystemswithmixedplatforms

混合平臺的蜂窩通信系統(tǒng)阻塞，切換和流量性能

引言

Cellularcommunicationsystemsthatsupportamixtureof

platformtypesdistinguishedbydifferentmobilitycharacteristics

areconsidered.Atractableanalyticalmodelfortraffic

performanceanalysisisdevelopedusing

multidimensionalbirth-deathprocessesandthemethodof

phases.The

frameworkallowsconsiderationofhomogeneousand

nonhomogeneoussystems,abroadclassofdwelltime

distributions,and'missed'hand-offinitiations.Cut-offpriorityfor

hand-offsandseveralplatformtypesareconsideredto

demonstratetheapproach.Theeffectsofdifferentmobility

parametersandofimperfectdetectiono