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焊接機工藝

發布時間:2012-09-02 | 來源:星鴻藝激光焊接運營部 | 分享:


焊接工藝
激光焊機
按控制方式可分:手動式激光焊接機,自動激光焊接機,振鏡式激光焊接機;按激光器可分:YAG激光焊接機,半導體激光焊接機,光纖激光焊接。   
   激光焊接機有兩種基本模式:激光熱導焊和激光深熔焊,前者所用激光功率密度較低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,僅達到表面熔化,然后依靠熱傳導向工件內部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小。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氣化,熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不斷延伸,直至小孔內的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時,小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方,凝固后形成焊縫。這種焊接模式熔深大,深寬比也大。在機械制造領域,除了那些微薄零件之外,一般應選用深熔焊。   深熔焊過程產生的金屬蒸氣和保護氣體,在激光作用下發生電離,從而在小孔內部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用,因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通常可輔加側吹氣驅除或削弱等離子體。小孔的形成和等離子體效應,使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產生,研究它們與焊接規范及焊縫質量之間的關系,和利用這些特征信號對激光焊接過程及質量進行監控,具有十分重要的理論意義和實用價值。
優點
(1)可將入熱量降到最低的需要量,熱影響區金相變化范圍小,且因熱傳導所導致的變形亦最低。
(2)32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數業經檢定合格,可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。   
(3)不需使用電極,沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程,機具的耗損及變形接可降至最低。   
(4)激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引,可放置在離工件適當之距離,且可在工件周圍的機具或障礙間再導引,其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮。   
(5)工件可放置在封閉的空間(經抽真空或內部氣體環境在控制下)。   
(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)可焊材質種類范圍大,亦可相互接合各種異質材料。   
(8)易于以自動化進行高速焊接,亦可以數位或電腦控制。   
(9)焊接薄材或細徑線材時,不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。   
(10)不受磁場所影響(電弧焊接及電子束焊接則容易),能精確的對準焊  光纖激光焊機
件。   
(11)可焊接不同物性(如不同電阻)的兩種金屬   
(12)不需真空,亦不需做X射線防護。   
(13)若以穿孔式焊接,焊道深一寬比可達10:1   
(14)可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。
缺點
(1)焊件位置需非常精確,務必在激光束的聚焦范圍內。   
(2)焊件需使用夾治具時,必須確保焊件的最終位置需與激光束將沖擊的焊點對準。   
(3)最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件,生產線上不適合使用激光焊接。   
(4)高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等,焊接性會受激光所改變。   
(5)當進行中能量至高能量的激光束焊接時,需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除,以確保焊道的再出現。   
(6)能量轉換效率太低,通常低于10%。   
(7)焊道快速凝固,可能有氣孔及脆化的顧慮。   
(8)設備昂貴。
固態焊接
 固態焊接和最早的焊接工藝鍛焊類似的是,一些現代焊接工藝也無需將材料熔化來形成連接。其中最流行的是超聲波焊接,它通過施加高頻聲波和壓力來連接金屬和熱塑塑料制成的板料和線。超聲波焊接的設備和原理都和電阻焊類似,只是輸入的不是電流而是高頻振動。這一焊接工藝焊接金屬時不會將金屬加熱到熔化,焊縫的形成依賴的是水平振動和壓力。焊接塑料的時候,則應該在熔融溫度下施加垂直方向的振動。超聲波焊接常用于制造銅或鋁質地的電氣接口,也多見于焊接復合材料。
另一種較常見固態焊接工藝是爆炸焊(Explosion welding),它的原理是使材料在爆炸產生的高溫高壓作用下形成連接。爆炸產生的沖擊使得材料短時間內表現出可塑性,從而形成焊點,這一過程中只產生很少量的熱量。這一工藝通常用于連接不同材料的焊接,如在船體或復合板上連接鋁制部件。其他固態焊接工藝包括擠壓焊(Co-extrusion welding)、冷焊(Cold welding)、擴散焊(Diffusion welding)、摩擦焊(Friction welding)(包括攪拌摩擦焊)、EMPT焊接(EMPT welding)、高頻焊( High frequency welding)、熱壓焊(Hot pressure welding)、感應焊(Induction welding)、熱軋焊 (Roll welding)[26]。
EMPT焊接
電磁脈沖技術(EMPT)-- 一種創新的焊接方式電磁脈沖技術(EMPT)可以在不相互接觸的情況下對金屬進行連接、焊接、成形和切割。EMPT利用電磁感應圈,從一個脈沖發生器中產生出短暫而非常強的電流。感應圈產生出的電磁場,可以瞬間壓縮或者膨脹而改變管材的直徑。由于管材表面可以短暫帶渦電流,因而此技術同樣可以處理沒有磁性的金屬,如鋁。
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,因此產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,也被稱為原子結合,因為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,
工件相互之間進行“滾動式”擠壓接觸。如果產品對于密封性或傳導性有特殊要求,EMPT焊接的優勢則更加突出。 在V形端部產生的接觸擠壓力范圍約為1000N/mm2,并伴有巨大的張力。這基本上發生在兩個工件的接觸區域前面的十幾微米的接觸點之間。表層下的塑性變形,導致兩個接觸體的氧化層都發生破裂,因而發生與爆炸焊接相類似的波浪狀微觀結構。有限元分析表明,塑性變形速度超過聲音在空氣中傳播速度,而遠遠低于聲音在金屬中傳播速度。工件之間的空氣層被壓縮,加速向頂端角部擠壓,由此產生的噴射氣體將連接區域的碎屑及氧化粒子等吹走。
EMPT焊接的優點在于結合強度大,因為結合力相當于要將工件熔化的力。另外,EMPT焊接可以用在不同金屬材料上類似”氦密封”連接,而不產生高熱量。通常難焊的不銹鋼材料也可以使用EMPT焊接,甚至可以大批量地焊接不同的金屬,如鋼和鋁、鋼和銅、以及銅和鋁等。
氣焊
最常見的氣焊工藝是可燃氣焊接(Oxy-fuel welding),也稱為氧乙炔焰焊接。它是最古老,最通用的焊接工藝之一,但近年來在工業生產中已經不多見。它仍廣泛用于制造和維修管道,也適用于制造某些類型的金屬藝術品。可燃氣焊接不僅可以用于焊接鐵或鋼,還可用于銅焊、釬焊、加熱金屬(以便彎曲成型)、氣焰切割等。
可燃氣焊接所需的設備較簡單,也相對便宜,一般通過氧氣和乙炔混合燃燒來產生溫度約為3100攝氏度的火焰。因為火焰相對電弧更分散,可燃氣焊接的焊縫冷卻速度較慢,可能會導致更大的應力殘留和焊接變形,但這一特性簡化了高合金鋼的焊接。一種衍生的應用被稱為氣焰切割,即用氣體火焰來切割金屬 。其他的氣焊工藝有空氣乙炔焊、氧氫焊、氣壓焊,它們的區別主要在于使用不同的燃料氣體。氫氧焊有時用于小物品的精密焊接,如珠寶首飾。氣焊也可用于焊接塑料,一般采用加熱空氣來焊接塑料,其工作溫度比焊接金屬要低得多。
 電阻焊
電阻焊的原理是:兩個或多個金屬表面接觸時,接觸面上會產生接觸電阻。如果在這些金屬中通過較大的電流(1,000—100,000安培),根據焦耳定律,接觸電阻大的部分會發熱,將接觸點附近的金屬熔化形成熔池。一般來說,電阻焊是一種高效、無污染的焊接工藝,但其應用因為設備成本的問題受到限制。
  點焊機點焊(Spot welding),或稱電阻點焊,是一種流行的電阻焊工藝,用于連接疊壓在一起的金屬板,金屬板的厚度可達3毫米。兩個電極在固定金屬板的同時,還向金屬板輸送強電流。該方法的優點包括:能源利用效率較高,工件變形小,焊接速度快,易于實現自動化焊接,而且無需焊料。由于電阻點焊的焊縫強度明顯較低,這一工藝只適合于制造某些產品。它廣泛應用于汽車制造業,一輛普通汽車上由工業機器人進行的焊接點多達幾千處。一種特殊的點焊工藝(Shot welding),可用于不銹鋼點焊。
與點焊類似的一種焊接工藝稱為縫焊(Seam welding),它通過電極施加壓力和電流來拼接金屬板。縫焊所采用的電極是軋輥形而非點形,電極可以滾動來輸送金屬板,這使得縫焊能夠制造較長的焊縫。在過去,這種工藝被用于制造易拉罐,但現在已經很少使用。其他的電阻焊工藝包括閃光焊(Flash welding)、凸焊(projection welding)、對焊(Upset welding)等。
 硬焊和軟焊
硬焊(硬釬焊)(Brazing)和軟焊(軟釬焊)(Soldering)是以熔點低于欲連接工件之熔填物填充于兩工件間,并待其凝固后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,稱為軟焊,焊接金屬在430℃(800℉)以上者,稱為硬焊。通常亦常以熔填物做為焊接方式名稱,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)和電子束焊接(Electron beam welding,EBW)。它們都是相對較新的工藝,在高科技制造業中很受歡迎。這兩種工藝的原理相近,最顯著的區別在于它們的能量來源。激光焊接法采用的是高度集中的激光束,而電子束焊接法則使用在真空室中發射的電子束。由于兩種能量束都具有很高的能量密度,能量束焊接的熔深很大,而焊點很小。這兩種焊接工藝的工作速度都很快,很容易實現自動化,生產效率極高。主要缺點是設備成本極其昂貴(雖然價格一直在下降),焊縫容易發生熱裂。在這個領域的新發展是激光復合焊(Laser-hybrid welding),它結合了激光焊接和電弧焊的優點,因此能夠獲得質量更高的焊縫。
弧焊
    弧焊使用焊接電源來創造并維持電極和焊接材料之間的電弧,使焊點上的金屬融化形成熔池。它們可以使用直流電或交流電,使用消耗性或非消耗性電極。有時在熔池附近會引入某種惰性或半惰性氣體,即保護氣體,有時還會添加焊補材料。
能量供應
   弧焊過程要消耗大量的電能,可以通過多種焊接電源來供應能量。最常見的焊接電源包括恒流電源和恒壓電源。在弧焊過程中,所施加的電壓決定電弧的長度,所輸入的電流則決定輸出的熱量。恒流電源輸出恒定的電流和波動的電壓,多用于人工焊接,如手工電弧焊和鎢極氣體保護電弧焊。因為人工焊接要求電流保持相對穩定,而在實際操作中,電極的位置很難保證不變,弧長和電壓也會隨之發生變化。恒壓電源輸出恒定的電壓和波動的電流,因此常用于自動焊接工藝,如熔化極氣體保護電弧焊、藥芯焊絲電弧焊和埋弧焊。在這些焊接工藝中中,電弧長度保持恒定,因為焊頭和工件之間距離發生的任何波動都通過電流的變化來彌補。例如,如果焊頭和工件的間隔過近,電流將急速增大,使得焊點處發熱量驟增,焊頭部分融化直至間隔恢復到原來的程度。
   所用的電的類型對焊接有很大影響。耗電量大的焊接工藝,如手工電弧焊和熔化極氣體保護電弧焊通常使用直流電,電極可接正極或負極。在焊接中,接正極的部分會有更大的熱量集中,因此,改變電極的極性將影響到焊接性能。如果是工件接正極,工件將更熱,焊接深度和焊接速度也會大大提高。反之,工件接負極的話將焊出較淺的焊縫。 耗電量較小的焊接工藝,如鎢極氣體保護電弧焊,可以通直流電(采用任意接頭方式),也可以使用交流電。然而,這些焊接工藝所采用的電極都是只產生電弧而不提供焊料的,因此在使用直流電時,接正電極的時候,焊接深度較淺,而接負電極時能產生更深的焊縫 。交流電使電極的極性迅速變化,從而將生成中等穿透程度的焊縫。使用交流電的缺點之一是,每一次變化的電壓通過電壓零點后,電弧必須重新點燃,為解決這一問題,一些特殊的焊接電源產生的是方波型的交流電,而不是通常的正弦波型,使得電壓變化通過零點時的負面影響降到最小。
弧焊工藝
  手工電弧焊手工電弧焊最常見的焊接工藝。在焊接材料和消耗性的焊條之間,通過施加高電壓來形成電弧,焊條的芯部分通常由鋼制成,外層包覆有一層助焊劑。在焊接過程中,助焊劑燃燒產生二氧化碳,保護焊縫區免受氧化和污染。電極芯則直接充當填充材料,不需要另外添加焊料。
  這種工藝的適應面很廣,所需的設備也相對便宜,非常適合現場和戶外作業。操作者只需接受少量的培訓便可熟練掌握。焊接時間較慢,因為消耗性的焊條電極必須經常更換。焊接后還需要清除助焊劑形成的焊渣。此外,這一技術通常只用于焊接黑色金屬,焊鑄鐵、鎳、鋁、銅等金屬時需要使用特殊焊條。缺乏經驗的操作者還往往難以掌握特殊位置的焊接。
熔化極氣體保護電弧焊(Gas metal arc welding,GMAW) ,通常包含MIG(又稱為金屬-惰性氣體焊)及MAG(又稱為金屬-活性氣體焊),是一種半自動或自動的焊接工藝。它采用焊條連續送絲作為電極,并用惰性、半惰性或活性氣體,以及混合氣體保護焊點。和手工電弧焊相似,操作者稍加培訓就能熟練掌握。由于焊絲供應是連續的,熔化極氣體保護電弧焊和手工電弧焊相比能獲得更高的焊接速度。此外,因其電弧相對手工電弧焊較小,熔化極氣體保護電弧焊更適合進行特殊位置焊接(如仰焊)。
   和手工電弧焊相比,熔化極氣體保護電弧焊所需的設備要復雜和昂貴得多,安裝過程也比較繁瑣。因此,熔化極氣體保護電弧焊的便攜性和通用性并不好,而且由于必須使用保護氣體,并不是特別適合于戶外作業。但是,熔化極氣體保護電弧焊的焊接速度較快,非常適合工廠化大規模焊接。這一工藝適用于多種金屬,包括黑色和有色金屬。
另一種相似的技術是藥芯焊絲電弧焊(Flux-cored arc welding,FCAW),它使用和熔化極氣體保護電弧焊相似的設備,但采用包覆著粉末材料的鋼質電極芯的焊絲。和標準的實心焊絲相比,這種焊絲更加昂貴,在焊接中會產生煙和焊渣,但使用它可以獲得更高的焊接速度和更大的焊深。
鎢極氣體保護電弧焊,或稱鎢-惰性氣體(TIG焊)焊接(有時誤稱為氦弧焊),是一種手工焊接工藝。它采用非消耗性的鎢電極,惰性或半惰性的保護氣體,以及額外的焊料。這種工藝擁有穩定的電弧和較高的焊接質量,特別適用于焊接板料,但這一工藝對操作者的要求較高,焊接速度相對較低。
    鎢極氣體保護電弧焊幾乎適用于所有的可焊金屬,最常用于焊接不銹鋼和輕金屬。它往往用于焊接那些對焊接質量要求較高的產品,如自行車、飛機和海上作業工具。與之類似的是等離子弧焊(Plasma arc welding,PAW),它采用鎢電極和等離子氣體來生成電弧。等離子弧焊的電弧相對于鎢極氣體保護電弧焊更集中,使對等離子弧焊的橫向控制顯得尤為重要,因此這一技術對機械系統的要求較高。由于其電流較穩定,該方法與鎢極氣體保護電弧焊相比,焊深更大,焊接速度更快。它能夠焊接鎢極氣體保護電弧焊所能焊接的幾乎所有金屬,唯一不能焊接的是鎂。不銹鋼自動焊接是等離子弧焊的重要應用。該工藝的一種變種是等離子切割,適用于鋼的切割。
    埋弧焊(Submerged arc welding,SAW),是一種高效率的焊接工藝。埋弧焊的電弧是在助焊劑內部生成的,由于助焊劑阻隔了大氣的影響,焊接質量因此得以大大提升。埋弧焊的焊渣往往能夠自行脫落,無需清理焊渣。埋弧焊可以通過采用自動送絲裝置來實現自動焊接,這樣可以獲得極高的焊接速度。由于電弧隱藏在助焊劑之下,幾乎不產生煙霧,埋弧焊的工作環境大大好于其他弧焊工藝。這一工藝常用于工業生產,尤其是在制造大型產品和壓力容器時[23]。其他的弧焊工藝包括原子氫焊(Atomic hydrogen welding,AHW)、碳弧焊(Carbon arc welding,CAW)、電渣焊(Electroslag welding,ESW)、氣電焊(Electrogas welding,EGW)、螺柱焊接(Stud welding)等。

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