新型焊接简介

新型焊接技术简介

焊接焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。

焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。19世纪末之前，唯一的焊接工艺是铁匠沿用了数百年的金属锻焊。最早的现代焊接技术出现在19世纪末，先是弧焊和氧燃气焊，稍后出现了电阻焊。20世纪早期，随着第一次和第二次世界大战开战，对军用器材廉价可靠的连接方法需求极大，故促进了焊接技术的发展。今天，随着焊接机器人在工业应用中的广泛应用，研究人员仍在深入研究焊接的本质，继续开发新的焊接方法，以进一步提高焊接质量。

图1 新型焊接电源和焊接方法的发展与应用

近年来，随着微电子技术和计算机技术的发展，焊接电源也有明显的进步。焊接电源已经从旋转直流焊机发展到晶闸管整流焊机，到逆变焊机，到最近的全数字化焊机，经历了好几代的发展阶段。数字电源是相对于模拟电源而言。全数

字化电源是最新的一代，它的结构框图如图8 所示。全数字化是指焊接参数数字信号处理器、主控系统、显示系统和送丝系统全部都是数字式。所以电压和电流的反馈模拟信号必须经过A/D 转换，与主控系统输出的要求值进行对比，然后控制逆变电源的输出。这种焊接电源的最大特点是焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的影响很小，具有很高的重复性，焊接质量稳定、成型良好。同时，由于DSP 的响应速度很快，可以根据主控制系统的指令（给定值）精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和弧压高速稳定调节的功能，适应多种焊接方法对电源的要求。一台电焊机可以顶多种电焊机用，只需要改变或输入相应的控制程序。全数字化电源和非全数字化电源的主要区别就在于有没有焊接参数DSP 和数字化送丝控制器。必须指出，全数字化电源应该配用数字化的送丝机，才能获得最佳的效果，不仅能稳定送丝速度，而且能在焊接过程精确控制和调节送丝速度的变化，如快-慢脉动、送-停脉动、送-抽脉动等。下面简要介绍几种利用全数字化电源的新焊接方法。

图2 全数字化焊接电源结构框图

双脉冲焊接方法

双脉冲焊接方法是全数字化电源的一种应用范例，双脉冲是指送丝速度的快-慢脉冲和焊接电流的高-低脉冲。双脉冲焊和一般的脉冲焊不同，脉冲焊的送丝速度不变，而焊接电流在峰值与基值电流之间作较大幅度的变动；双脉冲焊的送丝速度是在平均速度基础上作小幅度的变动，如±（1~2）m/min，而焊接电流也在平均电流下作一定幅值的同步变动，脉冲频率一般在1Hz~5Hz 之间。双脉冲焊接方法有效地控制热输入量，很适合薄铝板的焊接。而且，由于双脉冲对熔池的振动搅拌作用，有利于气体的逸出，可减少气孔的产生；焊缝的成型均匀美观，类似于TIG 焊的焊缝。 CMT焊接方法

CMT 是Cold Metal Transfer 的缩写，是一种精确控制热输入的短路过渡焊接方法，很适合于薄铝板、钢板和异种材料的焊接或钎接。它的焊接过程是引弧时焊丝送进并与钢板接触，电源输出一个很小的基值电流，焊丝回抽，电源逐渐增大电流并引弧。这种的引弧方法基本上没有飞溅，被认为是无飞溅引弧。引弧后，在达到规定的弧长时，开始向前送丝，电源输出一个确定宽度和幅值的脉冲电流，使焊丝端头形成一定体积的熔滴金属，电流回到基值，等待熔滴与熔池的短路。一旦短路，焊丝开始回抽，重新引弧。由于整个短路过程从开始到断开都处于低电流阶段，飞溅极少。CMT 焊接的特点是每一个周期的能量输入是一定的，不仅能较准确控制每个熔滴的尺寸，而且能调节对母材的热输入。焊接过程送丝作送-抽脉动，而焊接电流作峰值-基值脉动，脉冲频率可达70Hz。这种方法可以焊接薄铝板或薄钢板，也可以用CuSi 焊丝对钢板进行电弧釺焊。更有特色的是，这种方法可以连接钢板和铝板。铝和钢是不能直接进行熔化焊的，因

为会形成很脆的金属间化合物。CMT 焊接方法能够精确控制热输入，使镀锌钢板侧不熔化，与AlSi 焊丝形成钎接缝，而与铝侧形成熔化焊缝。 双丝气体保护焊

双丝气体保护焊是一种高效率的气体保护焊方法。这种方法是一把焊枪在同一个大喷嘴里，同时送出两根焊丝，而两根焊丝之间是相互电绝缘的，由两台送丝机送丝和两台焊接电源分别供电。由于两根焊丝的距离比较近，约8mm，为了避免两电弧间的相互干扰，采用轮流脉冲的方式，即前丝处于峰值电流时，后丝处于基值电流；后丝峰值，前丝基值。一般每小时最高约能熔化直径1.2mm 的焊丝10kg，而双丝气保护焊则可熔化25kg。如果要焊接一条焊脚为6mm 的角焊缝，一般MAG焊的焊接速度为300mm/min，而双丝气体保护焊可达1000mm/min。这种方法不仅能焊接厚钢板也可以焊接薄钢板，也可以用于铝合金板的焊接，提高焊接效率。

全数字化焊接电源的出现，为新型焊接方法提供一个很好的平台，我们要关注这种电源的发展，并在条件允许时，在生产中采用，以提高我们的焊接水平。 激光焊接技术的发展与应用

由于激光焊接能量密度高，可精确控制，穿透能力强，焊缝的深宽比大，热输入量低，焊接变形小，可在大气中焊接等优点，被认为是21 世纪的焊接新热源。但是由于激光聚焦后的光斑直径小，约0.2mm~0.6mm，对被焊工件的装配间隙要求很严。根据不同板厚， 对接的最大允许间隙一般在0.25mm~0.4mm 之间，这对较大型的工件，如船体结构，很难达到。另外，激光焊大多是不填丝的，由于光斑小填丝比较困难，还会影响效率。然而，不填丝的激光焊，对于某些材料，如铝合金，不能改变焊缝金属的成份，不利于消除裂缝、气孔和改善接

头性能。为了解决这个问题，近年来兴起激光-电弧复合热源焊接。电弧焊是一种便宜的能源，可以填充金属，搭桥能力好，对间隙不敏感等优点，刚好和激光焊互补。发展激光-电弧复合热源焊接，可以充分发挥激光和电弧的优点，相互弥补对方的不足，使1+1 大于2。图9 为不同焊接方法在相同焊接速度和相同熔深条件下，焊接参数和焊缝成型的对比。哈尔滨焊接研究所对激光-电弧复合热源焊接进行了研究，采用2000W CW 的Nd:YAG 激光器和全数字化的直流脉冲焊接电源，对8mm 的LF6铝合金进行熔深对比试验。发现单独MIG 焊的熔深小于相同速度的2kW 激光焊的熔深，在这些较小焊接电流范围内，电弧与激光复合进行焊接，无论电弧功率的大小，复合焊的熔深都大于单独MIG 焊的熔深，而且焊接速度都比MIG 快。在这范围内（2000W 激光电弧电流小于180A）激光对熔深起主导作用，如图10 所示。例如2000W 的激光与80A的电弧复合，其熔深和160A 的MIG 焊相当，而焊接速度快，线能量低；当复合焊的电弧电流与MIG焊相同，如均为120A，在熔深相同条件下，复合焊的速度为MIG 焊的3 倍多，线能量只有MIG 焊的49%，变形小。当单独MIG 焊的熔深大于同等速度的激光焊缝的熔深，在这些电流范围内，激光与电弧复合焊，其电弧的电流必须与单独MIG 焊的电流相等或更大，才能使熔深大于单独MIG 焊，但是焊接速度要比单独MIG 焊快得多，焊接线能量低很多，可明显降低焊接变形量。在这范围内（2000W激光电弧电流大于180A）电弧对熔深起主导作用，但是激光能量的加入可提高焊接速度、降低线能量，如图11 所示。可见,当两个电弧都是240A 时，复合焊与MIG 焊的熔深一样，但复合焊的焊接速度为MIG 焊的3 倍，而线能量减少50%以上。还必须指出，在这个范围内，由于激光对熔深并不起主导作用，激光光斑的直径大小对熔深没有决定性的

影响，只是加入相应的热量，因此可以选用体积小的半导体激光器，如图12 所示。这种激光器的光斑直径较大，一般在2mm 左右，但是设备的体积小，有利于和电弧的复合，方便与焊接机械化/自动化设备的连接。

图3 相同焊接速度和熔深下的焊接参数与焊缝成型对比

图4 在电弧电流小于180A 时，MIG 焊与激光-电弧复合焊的熔深与线能量的

对比（其中q 为线能量，v 为速度）

图5 在电弧电流大于180A时，MIG 焊与激光-电弧复合焊的熔深与线能量的

关系（其中-3 :200A，-4:240A, -5:270A）

注：上图为1000W 到4000W 的激光器的外观，下图为输出光斑的形式与能量分布（若通过光纤输出，光斑为圆形）

图6 直接从透镜输出的半导体激光器（鞋盒大小）

激光焊接的优异性能使其能够方便地应用于许多领域, 并日益受到人们的关注, 激光焊接成为最有朝气的焊接方法之一。激光技术在材料焊接上的应用主要体现在新型激光器的研发、不同材料激光焊接工艺的优化及高精度激光焊接设备的开发等方面。特别是新型的固态激光器在焊接及工业应用上潜力正日益显现。

虽然激光焊接具有很多其它焊接方法无可比拟的优点, 但是激光焊接仍有一些不足之处, 体现在较高的制造与操作成本和较低的能量转换效率等方面。此外, CO2 激光器不太适合焊接高反射率材料(如铜、铝等), 对有害气体(如氢、氧、氮等)具有强烈吸收作用的材料(如钛合金)激光焊接时惰性气体保护工艺仍有困难, 激光焊接的熔深控制及超薄板的激光焊接工艺仍不太成熟, 所有这些问题均有待于深入的研究与实践。

搅拌摩擦焊的发展与应用

搅拌摩擦焊是20 世纪90 年代初才出现的一种新型固态焊接方法，已经在国际上引起高度重视，并开始在航天、航空和造船、轨道车辆的生产中应用。搅拌摩擦焊的基本原理可以用图13 来说明。搅拌头旋转并向下压，使搅拌针逐渐插入待焊的接缝中，当搅拌肩接触并稍许压入工件表面后向前运动，由于搅拌肩与搅拌针与母材的摩擦生热，使材料局部升温，达到良好的塑性、甚至超塑性状态，工件接缝两边的材料被搅拌针带动相互搅拌而形成焊缝，使材料连接在一起。可见，这种焊接方法是没有弧光、没有烟尘、消耗能量少、焊接变形小的优质高效绿色的固态焊接方法。搅拌摩擦焊虽然可以焊接有色和黑色金属，但是目前主要用于铝和铝合金的焊接。在焊接之前必须对铝合金接缝两侧进行严格清理表面氧化层和污染物工作，但是采用搅拌摩擦焊不需要清理可直接进行焊接。

这个优点是很有工程意义的。目前单面焊一次可焊透25mm 的铝合金，如果双面焊可焊接50mm的厚板，无须填丝和保护气体。而1mm 左右的薄板焊后变形很小，很受重视。接头强度可达到母材的80%。由于它是固态下焊接，没有溶池金属，所以可以方便地进行平焊和空间位置的焊接，主要用于直缝和环焊缝。搅拌摩擦焊在铝合金船的制造中多用于拼板和“三文治”甲板的制造。

图7 搅拌摩擦焊原理图

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