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焊接機工藝

发布时间:2012-09-02 | 来源:星鴻藝激光焊接运营部 | 分享:


焊接工藝
激光焊機
按控制方式可分:手动式激光焊接機,自动激光焊接機,振镜式激光焊接機;按激光器可分:YAG激光焊接機,半导体激光焊接機,光纤激光焊接。   
   激光焊接機有两种基本模式:激光热导焊和激光深熔焊,前者所用激光功率密度较低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,仅达到表面熔化,然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅,深宽比较小。后者激光功率密度高(106~107W/cm2),工件吸收激光后迅速熔化乃至气化,熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不断延伸,直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时,小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方,凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大,深宽比也大。在机械制造领域,除了那些微薄零件之外,一般应选用深熔焊。   深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体,在激光作用下发生电离,从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用,因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应,使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生,研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系,和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控,具有十分重要的理论意义和实用价值。
優點
(1)可將入熱量降到最低的需要量,熱影響區金相變化範圍小,且因熱傳導所導致的變形亦最低。
(2)32mm板厚单道焊接的焊接工藝参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。   
(3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形接可降至最低。   
(4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。   
(5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。   
(6)激光束可聚焦在很小的區域,可焊接小型且間隔相近的部件,
(7)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料。   
(8)易于以自动化进行高速焊接,亦可以数位或电脑控制。   
(9)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。   
(10)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易),能精确的对准焊  光纤激光焊機
件。   
(11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属   
(12)不需真空,亦不需做X射线防护。   
(13)若以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达10:1   
(14)可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。
缺點
(1)焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内。   
(2)焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。   
(3)最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件,生产线上不适合使用激光焊接。   
(4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变。   
(5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现。   
(6)能量转换效率太低,通常低于10%。   
(7)焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑。   
(8)設備昂貴。
固態焊接
 固態焊接和最早的焊接工藝锻焊类似的是,一些现代焊接工藝也无需将材料熔化来形成连接。其中最流行的是超声波焊接,它通过施加高频声波和压力来连接金属和热塑塑料制成的板料和线。超声波焊接的设备和原理都和电阻焊类似,只是输入的不是电流而是高频振动。这一焊接工藝焊接金属时不会将金属加热到熔化,焊缝的形成依赖的是水平振动和压力。焊接塑料的时候,则应该在熔融温度下施加垂直方向的振动。超声波焊接常用于制造铜或铝质地的电气接口,也多见于焊接复合材料。
另一种较常见固態焊接工藝是爆炸焊(Explosion welding),它的原理是使材料在爆炸产生的高温高压作用下形成连接。爆炸产生的冲击使得材料短时间内表现出可塑性,从而形成焊点,这一过程中只产生很少量的热量。这一工艺通常用于连接不同材料的焊接,如在船体或复合板上连接铝制部件。其他固態焊接工藝包括挤压焊(Co-extrusion welding)、冷焊(Cold welding)、扩散焊(Diffusion welding)、摩擦焊(Friction welding)(包括搅拌摩擦焊)、EMPT焊接(EMPT welding)、高频焊( High frequency welding)、热压焊(Hot pressure welding)、感应焊(Induction welding)、热轧焊 (Roll welding)[26]。
EMPT焊接
电磁脉冲技术(EMPT)-- 一种创新的焊接方式电磁脉冲技术(EMPT)可以在不相互接触的情况下对金属进行连接、焊接、成形和切割。EMPT利用电磁感应圈,从一个脉冲发生器中产生出短暂而非常强的电流。感应圈产生出的电磁场,可以瞬间压缩或者膨胀而改变管材的直径。由于管材表面可以短暂带涡电流,因而此技术同样可以处理没有磁性的金属,如铝。
電磁脈沖技術(EMPT)可以對金屬進行連接、焊接、成形和切割,尤其適合于導電性強的金屬管材,如鋁、銅、鋼等。同樣可以壓縮或者膨脹不對稱的橫截面,根據需要進行機械密封、固相焊接、或簡單的形狀改變。由于其速度非常快,因此産生出的固相焊接的微觀結構可以接近于爆炸焊接或者爆炸包覆。
很多情況下需要使用固相焊接,也被稱爲原子結合,因爲他是在原子能級上進行的連接。其方法和爆炸焊接很相似,都是在高壓作用下兩個純金屬工件的原子相互擠壓,直到發生電子轉移,形成一個新的金屬混合物。然而EMPT操作時溫度不會升高,即沒有受到高溫影響的區域,因而微觀結構也就不會發生改變。EMPT焊接是靠工件之間的V型接口,即兩工件連接端事先做成圓錐形,
工件相互之间进行“滚动式”挤压接触。如果产品对于密封性或传导性有特殊要求,EMPT焊接的优势则更加突出。 在V形端部产生的接触挤压力范围约为1000N/mm2,并伴有巨大的张力。这基本上发生在两个工件的接触区域前面的十几微米的接触点之间。表层下的塑性变形,导致两个接触体的氧化层都发生破裂,因而发生与爆炸焊接相类似的波浪状微观结构。有限元分析表明,塑性变形速度超过声音在空气中传播速度,而远远低于声音在金属中传播速度。工件之间的空气层被压缩,加速向顶端角部挤压,由此产生的喷射气体将连接区域的碎屑及氧化粒子等吹走。
EMPT焊接的優點在于结合强度大,因为结合力相当于要将工件熔化的力。另外,EMPT焊接可以用在不同金属材料上类似”氦密封”连接,而不产生高热量。通常难焊的不锈钢材料也可以使用EMPT焊接,甚至可以大批量地焊接不同的金属,如钢和铝、钢和铜、以及铜和铝等。
氣焊
最常见的氣焊工艺是可燃氣焊接(Oxy-fuel welding),也称为氧乙炔焰焊接。它是最古老,最通用的焊接工藝之一,但近年来在工业生产中已经不多见。它仍广泛用于制造和维修管道,也适用于制造某些类型的金属艺术品。可燃氣焊接不仅可以用于焊接铁或钢,还可用于铜焊、钎焊、加热金属(以便弯曲成型)、气焰切割等。
可燃氣焊接所需的设备较简单,也相对便宜,一般通过氧气和乙炔混合燃烧来产生温度约为3100摄氏度的火焰。因为火焰相对电弧更分散,可燃氣焊接的焊缝冷却速度较慢,可能会导致更大的应力残留和焊接变形,但这一特性简化了高合金钢的焊接。一种衍生的应用被称为气焰切割,即用气体火焰来切割金属 。其他的氣焊工艺有空气乙炔焊、氧氢焊、气压焊,它们的区别主要在于使用不同的燃料气体。氢氧焊有时用于小物品的精密焊接,如珠宝首饰。氣焊也可用于焊接塑料,一般采用加热空气来焊接塑料,其工作温度比焊接金属要低得多。
 電阻焊
电阻焊的原理是:两个或多个金属表面接触时,接触面上会产生接触电阻。如果在这些金属中通过较大的电流(1,000—100,000安培),根据焦耳定律,接触电阻大的部分会发热,将接触点附近的金属熔化形成熔池。一般来说,电阻焊是一种高效、无污染的焊接工藝,但其应用因为设备成本的问题受到限制。
  點焊機点焊(Spot welding),或称电阻点焊,是一种流行的电阻焊工艺,用于连接叠压在一起的金属板,金属板的厚度可达3毫米。两个电极在固定金属板的同时,还向金属板输送强电流。该方法的優點包括:能源利用效率较高,工件变形小,焊接速度快,易于实现自动化焊接,而且无需焊料。由于电阻点焊的焊缝强度明显较低,这一工艺只适合于制造某些产品。它广泛应用于汽车制造业,一辆普通汽车上由工业机器人进行的焊接点多达几千处。一种特殊的点焊工艺(Shot welding),可用于不锈钢点焊。
与点焊类似的一种焊接工藝称为缝焊(Seam welding),它通过电极施加压力和电流来拼接金属板。缝焊所采用的电极是轧辊形而非点形,电极可以滚动来输送金属板,这使得缝焊能够制造较长的焊缝。在过去,这种工艺被用于制造易拉罐,但现在已经很少使用。其他的电阻焊工艺包括闪光焊(Flash welding)、凸焊(projection welding)、对焊(Upset welding)等。
 硬焊和軟焊
硬焊(硬釺焊)(Brazing)和軟焊(軟釺焊)(Soldering)是以熔點低于欲連接工件之熔填物填充于兩工件間,並待其凝固後將二者接合起來的一種接合法。所使用的熔填物熔點在430℃(800℉)以下者,稱爲軟焊,焊接金屬在430℃(800℉)以上者,稱爲硬焊。通常亦常以熔填物做爲焊接方式名稱,常用的硬焊如銅焊,軟焊則常用錫焊、鉛焊。
  能量束焊接能源束焊接工藝包括激光焊接(Laser beam welding,LBW)和电子束焊接(Electron beam welding,EBW)。它们都是相对较新的工艺,在高科技制造业中很受欢迎。这两种工艺的原理相近,最显著的区别在于它们的能量来源。激光焊接法采用的是高度集中的激光束,而电子束焊接法则使用在真空室中发射的电子束。由于两种能量束都具有很高的能量密度,能量束焊接的熔深很大,而焊点很小。这两种焊接工藝的工作速度都很快,很容易实现自动化,生产效率极高。主要缺點是设备成本极其昂贵(虽然价格一直在下降),焊缝容易发生热裂。在这个领域的新发展是激光复合焊(Laser-hybrid welding),它结合了激光焊接和电弧焊的優點,因此能够获得质量更高的焊缝。
弧焊
    弧焊使用焊接电源来创造并维持电极和焊接材料之间的电弧,使焊点上的金属融化形成熔池。它们可以使用直流电或交流电,使用消耗性或非消耗性电极。有时在熔池附近会引入某种惰性或半惰性气体,即保护气体,有时还会添加焊补材料。
能量供應
   弧焊过程要消耗大量的电能,可以通过多种焊接电源来供应能量。最常见的焊接电源包括恒流电源和恒压电源。在弧焊过程中,所施加的电压决定电弧的长度,所输入的电流则决定输出的热量。恒流电源输出恒定的电流和波动的电压,多用于人工焊接,如手工电弧焊和钨极气体保护电弧焊。因为人工焊接要求电流保持相对稳定,而在实际操作中,电极的位置很难保证不变,弧长和电压也会随之发生变化。恒压电源输出恒定的电压和波动的电流,因此常用于自动焊接工藝,如熔化极气体保护电弧焊、药芯焊丝电弧焊和埋弧焊。在这些焊接工藝中中,电弧长度保持恒定,因为焊头和工件之间距离发生的任何波动都通过电流的变化来弥补。例如,如果焊头和工件的间隔过近,电流将急速增大,使得焊点处发热量骤增,焊头部分融化直至间隔恢复到原来的程度。
   所用的电的类型对焊接有很大影响。耗电量大的焊接工藝,如手工电弧焊和熔化极气体保护电弧焊通常使用直流电,电极可接正极或负极。在焊接中,接正极的部分会有更大的热量集中,因此,改变电极的极性将影响到焊接性能。如果是工件接正极,工件将更热,焊接深度和焊接速度也会大大提高。反之,工件接负极的话将焊出较浅的焊缝。 耗电量较小的焊接工藝,如钨极气体保护电弧焊,可以通直流电(采用任意接头方式),也可以使用交流电。然而,这些焊接工藝所采用的电极都是只产生电弧而不提供焊料的,因此在使用直流电时,接正电极的时候,焊接深度较浅,而接负电极时能产生更深的焊缝 。交流电使电极的极性迅速变化,从而将生成中等穿透程度的焊缝。使用交流电的缺點之一是,每一次变化的电压通过电压零点后,电弧必须重新点燃,为解决这一问题,一些特殊的焊接电源产生的是方波型的交流电,而不是通常的正弦波型,使得电压变化通过零点时的负面影响降到最小。
弧焊工藝
  手工电弧焊手工电弧焊最常见的焊接工藝。在焊接材料和消耗性的焊条之间,通过施加高电压来形成电弧,焊条的芯部分通常由钢制成,外层包覆有一层助焊剂。在焊接过程中,助焊剂燃烧产生二氧化碳,保护焊缝区免受氧化和污染。电极芯则直接充当填充材料,不需要另外添加焊料。
  这种工艺的适应面很广,所需的设备也相对便宜,非常适合现场和户外作业。操作者只需接受少量的培训便可熟练掌握。焊接时间较慢,因为消耗性的焊条电极必须经常更换。焊接后还需要清除助焊剂形成的焊渣。此外,这一技术通常只用于焊接黑色金属,焊铸铁、镍、铝、铜等金属时需要使用特殊焊条。缺乏经验的操作者还往往难以掌握特殊位置的焊接。
熔化极气体保护电弧焊(Gas metal arc welding,GMAW) ,通常包含MIG(又称为金属-惰性气体焊)及MAG(又称为金属-活性气体焊),是一种半自动或自动的焊接工藝。它采用焊条连续送丝作为电极,并用惰性、半惰性或活性气体,以及混合气体保护焊点。和手工电弧焊相似,操作者稍加培训就能熟练掌握。由于焊丝供应是连续的,熔化极气体保护电弧焊和手工电弧焊相比能获得更高的焊接速度。此外,因其电弧相对手工电弧焊较小,熔化极气体保护电弧焊更适合进行特殊位置焊接(如仰焊)。
   和手工电弧焊相比,熔化极气体保护电弧焊所需的设备要复杂和昂贵得多,安装过程也比较繁琐。因此,熔化极气体保护电弧焊的便携性和通用性并不好,而且由于必须使用保护气体,并不是特别适合于户外作业。但是,熔化极气体保护电弧焊的焊接速度较快,非常适合工厂化大规模焊接。这一工艺适用于多种金属,包括黑色和有色金属。
另一种相似的技术是药芯焊丝电弧焊(Flux-cored arc welding,FCAW),它使用和熔化极气体保护电弧焊相似的设备,但采用包覆着粉末材料的钢质电极芯的焊丝。和标准的实心焊丝相比,这种焊丝更加昂贵,在焊接中会产生烟和焊渣,但使用它可以获得更高的焊接速度和更大的焊深。
钨极气体保护电弧焊,或称钨-惰性气体(TIG焊)焊接(有时误称为氦弧焊),是一种手工焊接工藝。它采用非消耗性的钨电极,惰性或半惰性的保护气体,以及额外的焊料。这种工艺拥有稳定的电弧和较高的焊接质量,特别适用于焊接板料,但这一工艺对操作者的要求较高,焊接速度相对较低。
    钨极气体保护电弧焊几乎适用于所有的可焊金属,最常用于焊接不锈钢和轻金属。它往往用于焊接那些对焊接质量要求较高的产品,如自行车、飞机和海上作业工具。与之类似的是等离子弧焊(Plasma arc welding,PAW),它采用钨电极和等离子气体来生成电弧。等离子弧焊的电弧相对于钨极气体保护电弧焊更集中,使对等离子弧焊的横向控制显得尤为重要,因此这一技术对机械系统的要求较高。由于其电流较稳定,该方法与钨极气体保护电弧焊相比,焊深更大,焊接速度更快。它能够焊接钨极气体保护电弧焊所能焊接的几乎所有金属,唯一不能焊接的是镁。不锈钢自动焊接是等离子弧焊的重要应用。该工艺的一种变种是等离子切割,适用于钢的切割。
    埋弧焊(Submerged arc welding,SAW),是一种高效率的焊接工藝。埋弧焊的电弧是在助焊剂内部生成的,由于助焊剂阻隔了大气的影响,焊接质量因此得以大大提升。埋弧焊的焊渣往往能够自行脱落,无需清理焊渣。埋弧焊可以通过采用自动送丝装置来实现自动焊接,这样可以获得极高的焊接速度。由于电弧隐藏在助焊剂之下,几乎不产生烟雾,埋弧焊的工作环境大大好于其他弧焊工藝。这一工艺常用于工业生产,尤其是在制造大型产品和压力容器时[23]。其他的弧焊工藝包括原子氢焊(Atomic hydrogen welding,AHW)、碳弧焊(Carbon arc welding,CAW)、电渣焊(Electroslag welding,ESW)、气电焊(Electrogas welding,EGW)、螺柱焊接(Stud welding)等。

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