现代焊接技师培训_三十_

TalentsTraining

推出实用技术

培养实

用人才

本刊独创的“人才培训”栏目，从２００６年第７期推出“现代焊接技师培训”内容以来，已整整两年了。其内容中丰富、全面的实际焊接经验，吸引了不少奋战在生产第一线的焊接工作者，为众多因生产忙碌而无时间跨进各类学校深造的有志者，提供了一个良好的学习机会。许多生产企业的读者纷纷来函来电，索取全部内容。对此，本刊深感欣慰，并决心将这一有益的栏目深入办下去，推出更多、更好的内容，以期培养更多有知识、有实际操作能力的文武双全的焊接人才，培养更多像奋战过奥运“鸟巢”高难度焊接工程的杰出人才。

中华民族的伟大复兴，是世界瞩目的宏伟大业，需要各类新时代的杰出人物，其中，也离不开“手持彩练当空舞”、“闪烁焊花映脸庞”的焊接人。

现代焊接技师培训

（续上期）

（三十）

Ｔｈｅｔｒａｉｎｉｎｇｏｆｍｏｄｅｒｎｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓ（Ｎｏ．３０）

１９０激光焊接设备的主要组成是什么？

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接因具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点而受到人们的重视，并已应用于航空航天、汽车制造、电子轻工等领域。

激光焊接机主要由激光器、光学系统、机械系统、控制与监测系统及一些辅助装置等组成。其中，用于焊接的激光器主要有两大类：ＹＡＧ固体激光器和ＣＯ气体激光器。光学系统包２括导光及聚焦系统光学元件的冷却系统、光学系统的保护装置等。机械系统主要是工作台和计算机控制系统（或数控工作台）。控制与监测系统主要

是进行焊接过程与质量的监控。另外，还有光束检测仪及其他辅助装置及保护气、冷却系统等。光束检测仪的作用是监测激光器的输出功率，有的还能测量光束横截面积上的能量分布状况，判断光束模式。

图１５０是激光焊接设备组成示意图，图１５１是多工位的激光加工中心（ＣＯ２激光器）示意图，图１５２是激光加工机

器人（ＹＡＧ激光器）示意图。

１９１激光器的分类与组成如何？

激光器是激光焊接机的核心。按激光工作物质的状态，激光器可分为固体激光器和气体激光器。激光器一般由下列部件组成：

１９１．１激光工作物质。它必须是一个具有若干能级的粒子系统并具备亚稳

Ｊ－６４现代焊接２００９年第１期总第７３期

表８８

输出方式连续脉冲Ｑ－开关

平均功率／ｋＷ

０．３￣４￣４￣４

不同方式ＹＡＧ激光器输出特点

脉冲持续时间—０．２￣２０ｍｓ＜１μｓ

脉冲重复频率—１￣５００Ｈｚ￣１００ｋＨｚ

能量／脉冲Ｊ—￣１００３

峰值功率／ｋＷ

—￣５０￣１００

最大、应用最广泛的一种激光器。焊接中应用的ＣＯ２激光器，根据它们的结构分为三种，即封离式或半封离式、横流式、轴流式。

ＣＯ激光器工作气体的主要成分是２

ＣＯ、Ｎ和Ｈｅ，ＣＯ分子是产生激光的２２２粒子，Ｎ２分子的作用是与ＣＯ２分子共振交换能量，使ＣＯ２分子激励，增加激光上能级上的ＣＯ２分子数，同时它还有抽空激光下能级的作用，即加速ＣＯ分子。２Ｈｅ的主要作用是抽空激光下能级的粒子。Ｈｅ分子与ＣＯ分子相碰撞，使ＣＯ２２分子从激光下能级尽快回到基级。Ｈｅ的导热性很好，故又能把激光器工作时气体中的热量传给管壁或热交换器，使激光器的输出功率和效率大大提高。

态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。

１９１．２激励源（泵浦源）。由它给激光物质提供能量，使之处于非平衡状态，形成粒子数反转。

１９１．３谐振腔。给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈，并限制光束的方向和频率。

１９１．４电源。为激励源提供能源。１９１．５控制和冷却系统等。保证激光器能够稳定、正常和可靠工作。

如果是固体激光器，则还有：１９１．６聚光器。使光泵浦的光能最大限度地照射到激光工作物质上，提高泵浦光的有效利用率。

不同结构的ＣＯ２激光器，其最佳工作气体成分不尽相同。ＣＯ２激光器具有如下特点：

１９２．１输出功率范围大。ＣＯ２激光器的最小输出功率为数毫瓦，最大可输出几百千瓦的连续激光功率。脉冲ＣＯ２激光器可输出１０４Ｊ的能量，脉冲宽度的单位为ｎｓ。因此，在医疗、通讯、材料加工甚至军事武器等方面广为应用。１９２．２能量转换效率大大高于固体激光器。ＣＯ２激光器的理论转换效率为４０％，在实际应用中其电光转换效率也可达到１５％￣２５％。

１９２．３ＣＯ２激光波长为１０．６μｍ，属于红外光，它可在空气中传播很远而衰减很小。

图１５３典型的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器结构示意图

激光焊接用ＹＡＧ激光器，平均输出功率为０．３￣３ｋＷ，最大功率可达４ｋＷ。ＹＡＧ激光器可在连续或脉冲状态下工

作，也可在断续状态下工作。三种ＹＡＧ激光器输出方式的特点如表８８所示。ＹＡＧ激光器的一般结构如图１５３所示。

ＹＡＧ激光器输出激光的波长为１．０６μｍ，是ＣＯ激光波长的十分之一。２波长较短有利于激光的聚焦和光纤传输，也有利于金属表面的吸收，这是ＹＡＧ激光器的优势；但ＹＡＧ激光器采用光泵浦，能量转换环节多，器件总效率比ＣＯ２激光器低，而且泵浦灯使用寿命较短，需经常更换。ＹＡＧ激光器一般输出多模光束，模式不规则，发散角大。

ＹＡＧ激光器常采用平凹稳定腔或平行平面腔。腔镜均为介质反射镜。全反镜反射率大于９９．５％，连续波输出时，输出镜的输出率约为１０％￣２０％，脉冲波输出时，则可达４０％￣６０％。ＹＡＧ激光发散角一般比ＣＯ激光大，低功率２时为３￣５ｍｒａｄ，高功率时为１０￣３０ｍｒａｄ。

１９４特点

激光切割机的类型及其

根据不同的切割对象，激光切割

１９２ＣＯ２激光器特点是什么？

ＣＯ２激光器是目前工业应用中数量

１９３么？

ＹＡＧ激光器的特点是什

机可分为平面切割和立体切割两大类。

现代焊接２００９年第１期总第７３期Ｊ－

６５

用于切割平面板材的即是我们通常所说的（二轴、三轴）数控激光切割机，按割炬与工作台相对移动的方式，又分为下列三种类型：

１９４．１割炬（激光束）固定。在切割过程中，切割机工作台沿Ｘ（纵）、Ｙ（横）两坐标移动，而割炬固定不动，一般用于薄板切割。这种结构光束传输系统最简单，光束传递路径最短，因而在光束运行的全过程内激光束的性能和质量能基本保持原状。其不足之处在于：可以加工的工件尺寸小，而机器占地面积大；工作台要有稳固、可靠的板材夹紧装置，整机结构复杂，机械部件的加工和安装精度要求高，因而造成设备投资费用高。１９４．２光束移动（飞行光路）。在切割过程中，只有割炬沿Ｘ、Ｙ两个坐标方向移动，工作台位置固定。这种切割机可加工的板材尺度大、重量重，而设备占地面积小；机器加速性能佳，定位精度高。对于飞行光路的切割机，由于光束的发散角，切割近端及远端时光程长短不同，因此聚集前光束的尺寸会有一定的差别，为了能最大限度地保持激光束在飞行光路运行中的尺寸恒定，光束传输系统的设计需采取一些措施。即便如此，在实际切割加工时，要做到从板材的一端到另一端保持始终如一的光束特性，同时使切割质量不受影响还是相当困难的。１９４．３混合式。在切割过程中，割炬沿Ｙ轴方向移动，而工作台在Ｘ轴方向移动，混合式比光束移动式的光束转换路径要短，比割炬固定式光路要长，因此，各项性能指标也就介于二者之间。因为仅在Ｙ轴方向上移动工件，所以使工件的加工尺寸在Ｘ轴方向上

可以增大一些。

１９４．４机载式。在切割过程中，安装于门架上的激光器随Ｘ轴移动，切割头在Ｙ轴方向移动。机载式激光切割机仅在Ｙ轴方向采用飞行光路，因而光束传输路径要比Ｘ、Ｙ两个方向均为光束移动式的短，在相同的切割范围内机器占地面积最小。此类机型的突出特点是：整机简洁，安装容易；机器在Ｘ方向的行走尺寸几乎没有限制，所以可以完成大尺寸工件或多工位（工作台Ｘ方向上同时辅设多张板材）的切割任务；同时切割头还能带两个旋转光束控制轴以实现五轴的切割运动，可用于数控激光切割板材的坡口、切割加工管材和型材及其坡口。

另外，制造业时常会遇到需要切割三维立体构件和为柔性加工生产线配备激光切割设备的需求，这通常会考虑装备多关节的激光切割机器人来承担此项工作。Ｎｄ－ＹＡＧ激光器可用光纤传输，同时因为其能简化激光传输过程、提高光路传递工作的可靠性、减少投资费用，所以更适宜为激光切割机器人所使用。

中，从而形成再结晶的塑性连接或再结晶和重结晶的混合连接接头。这种螺柱焊的电源一般是具有下降伏安特性的弧焊整流器（可控及不可控整流器）、焊接逆变器或直流弧焊发电机。如同焊条电弧焊一样，电弧放电是稳定而持续的电弧过程。稳定的电弧法螺柱焊也称作为电弧螺柱焊（ａｒｃｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇ）。

第二种是不稳定的电弧法螺柱焊。与前者的不同之处在于电弧的供电电源是电容器组。电容器在螺柱端部与工件之间放电，实现螺柱焊接。因为电容放电是不稳定的电弧过程，即电弧电压与焊接电流是瞬间变化着的，过程是不可控的。这种不稳定的电弧法螺柱焊一般称作电容储能螺柱焊或电容放电螺柱焊（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇ）。又因为用这种方法施焊的螺柱端部中心必须加工出一个凸尖，所以也有人称作尖端放电螺柱焊（ｐｅａｋｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇ）。

第三种电弧法螺柱焊称作短周期螺柱焊（ｓｈｏｒｔｃｙｃｌｅｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇ）或短时螺柱焊（ｓｈｏｒｔｔｉｍｅｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇ）。焊接电弧经过了电流波形调制，由较小的先导电弧电流及较大的焊接电弧电流两部分组成。因而是短时阶段稳定或不稳定电弧法螺柱焊。短周期螺柱焊的供电电源一般由两个并联的电源分别先后给先导电弧及焊接电弧供电。可以是两个弧焊整流器（可控或不控），也可以是整流器和电容器组，只有采用逆变电源时才可以不用双电源并联。

三种基本焊接方法各有不同的焊接特点及不同的最佳应用领域如表８９所示。

１９５电弧螺柱焊分类及特点是什么？

根据供电电源的不同，电弧螺柱焊可分为三大类：

第一种是稳定的电弧法螺柱焊。螺柱端部与工件之间，产生稳定的电弧过程，电弧作为热源在工件上形成熔池，同时在螺柱端部形成熔化层及塑性区，螺柱被夹持在焊枪中，靠焊枪中的弹簧压力或其他机械压力作用将螺柱压入熔池，并且将部分或全部熔化金属挤出熔池进入陶瓷环成形槽

１９６电弧螺柱焊的焊接时序是什么？

Ｊ－６６现代焊接２００９年第１期总第７３期

表８９

Ｎｏ１２３４

项

目

电弧法螺柱焊的分类及特点

电容放电螺柱焊

预接触式预留间隙式

拉弧式

钢３￣８，铝２￣６钢３￣８（１０）

０．４￣３．００．３￣３．０

＜０．２

８（１０）

螺柱端部要求

法兰和引弧凸

有厚１ｍｍ直径

尖。也可以用

大于螺柱直径

法兰端面为平

１ｍｍ的法兰，

头或呈７°角

法兰呈１６８°

（见ＧＢ／Ｔ９０２．

或７°角或平头

３－１９８９）

短周期螺柱焊

电弧螺柱焊钢制６￣２５（３０）

３．０￣３０．０

图１５４是焊接过程时序图，从中可以看出，电弧螺柱焊（ａｒｃｓｔｕｄｗｅｌｄ－ｉｎｇ）的短路（定位）引弧焊接过程与焊条电弧焊是相同的。不同的是螺柱代替焊条被夹持在焊枪的夹持机构（导电夹头）上，操作者将焊枪的支撑架定位于螺柱工件短路点。焊枪中的磁力提升机构使螺柱上升引弧。当提升机构的电磁铁释放时，弹簧压力将螺柱压入熔池，断电冷却形成Ｔ形接头。螺柱提升高度是在焊前设定的（≤３ｍｍ）。

可焊螺柱直径ｄ／ｍｍ可焊板厚δ／ｍｍ熔池深度／ｍｍｄ／δ

５

螺柱形状尺寸

２．５￣５．０３￣４

焊接端部加工成

焊接端部有大于

锥形并在锥尖镶

螺柱直径１ｍｍ的

嵌引弧剂（铝的

法兰，法兰中心

氧化物）或平头

有引弧凸尖（尖

加引弧结（见ＧＢ

端）（见ＧＢ／Ｔ

／Ｔ１０４３３－２００２及ＧＢ

９０２．３－１９８９）

／Ｔ９０２．１￣２－１９８９）

（国内暂无标准）

６熔池保护方法

陶瓷环机械保护

自保护（焊接电弧燃烧时间在５０ｍｓ之内自保护），

或平位焊时用埋

燃烧时间大于５０ｍｓ时或焊某些有色金属时采用氩

弧焊焊剂保护或

气（Ａｒ）保护

用氩气（Ａｒ）保护

黑色金属、不

黑色金属、不锈黑色金属、不碳钢、不锈钢、７可焊金属材料锈钢（有色金钢、铝锈钢、铝、铜铝合金

属难焊接）

否可可否焊镀锌层≤５μｍ

８

否锌薄钢板锌层１５￣２５μｍ可

整流器及双整下降外特性（Ｖ－

电容器组流器Ａ特性）的弧焊整

并联９焊接电源电容器组

流器，弧焊逆变器并联双电或逆

源变器或弧焊发电机

１０开环、移动式开环、移动式或固定式移动式或固定式

可否１１≤１５≤１５（手动），≤６０（自动）１２≤１０

１￣３０．８￣１．２４￣１０２０￣１００１３１００￣２０００

镀锌薄钢板结

建筑、造船、电

构、汽车车身、

力、高速公路护五金、家电、厨具、机箱、地铁

１４主要使用场合通讯设备的机

栏、化工及热能装修、超市货架、汽车等行业

箱、机柜、箱

炉窑等

式变电站等

１９７电弧螺柱焊采用什么方法保护焊缝？

电弧螺柱焊的焊接加热过程是稳定的电弧燃烧过程，像有保护的普通电弧焊（焊条电弧焊、埋弧焊及气体保护焊）一样，为防止空气侵入熔池恶化接头质量而需要保护。电弧螺柱焊可以采用气体保护，一般采用氩气；也可以采用熔渣保护，在螺柱定位短路后用埋弧焊焊剂埋上焊接区进行引弧焊接，同时焊剂也可以稳弧，和埋弧焊过程基本一样，也只限于可以存放焊剂的平位焊。但大多数情况下（结构钢螺柱焊）采用陶瓷的机械保护方法。陶瓷环也称作保护套圈，其作用是防止空气侵入焊接区，可以产生热量集中效果以及有助于接头在各种空间位置的成形。焊接螺柱被加压下落，将熔池熔化金属挤出到瓷环的焊缝成形穴中，由瓷环控制焊角形状，凝固后成为接头的一部分。所以接头是由塑性连接及熔化连接两种方式共同完成的。瓷环保护圈是一次性消耗材料，焊后自然破碎清除。瓷环保护比采用氩气保护焊接成本低。现代焊接２００９年第１期总第７３期Ｊ－

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