焊接原理高能量密度焊

1、 高能量密度焊高能量密度焊 由于电子束、激光、等离子弧三种束流的能量密度特别高，所以将电子束焊、激光焊、等离子弧焊统称为高能量密度焊。等离子弧焊等离子弧焊 一、等离子弧一、等离子弧 焊接等离子弧指的是一种经压缩了的电弧。它的特征是弧柱截面小、能量密度大、弧柱中心温度高达1800024000K、焰流速度超过300m/s。 等离子弧在焊接、喷涂、堆焊、切割等热加工领域获得广泛应用。（一）等离子弧形成（一）等离子弧形成三种压缩途径：三种压缩途径：1机械压缩机械压缩 利用喷嘴的孔道直径来约束等离子弧机械压缩效应。2. 热压缩热压缩 采用一定流量的冷却水冷却喷嘴，降低喷嘴温度。较低的喷嘴温度使喷嘴内壁形

2、成一层冷气膜，迫使弧柱导电截面进一步减小热压缩效应。3磁收缩磁收缩 电弧电流自身产生的磁场使弧柱向中心收缩。电流密度越大，收缩作用越强磁收缩效应。 电弧电极喷嘴电弧气膜冷却水流电极喷嘴（一）等离子弧类型（一）等离子弧类型 根据电源的连接方式，等离子弧有三种型式三种型式： 转移型、非转移型、混合型转移型、非转移型、混合型（一）等离子弧特点（一）等离子弧特点与自由钨弧相比较，有如下特性：1.等离子弧的能量特性2. 等离子弧的形态3.等离子弧的挺直度 二、等离子弧焊的工艺特点和适用范围二、等离子弧焊的工艺特点和适用范围（一）工艺特点 等离子弧焊目前在不锈钢、钛及其合金和薄板焊接中代替了TIG焊。与T

3、IG焊比有如下特点：1）等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，一次可焊透厚度大，在同样熔深下其焊接速度比TIG焊高，故可提高焊接生产率。此外，等离子弧对焊件的热输入量少，焊缝截面形状较窄，深宽比大，热影响区窄，其焊接变形也小。2）等离子弧的形态近似圆柱形，挺度好，因此当弧长发生波动时熔池表面的加热面积不大，对焊缝成形的影响较小，容易得到均匀的焊缝成形。3）等离子弧的稳定性好，使用小的焊接电流也能保证等离子弧的稳定，故可焊超薄件。4）钨极内缩在喷嘴里面，焊接时钨极与工件不接触，因此可减少钨极烧损和防止焊缝金属夹钨。（二）适用范围（二）适用范围1.操作方式操作方式 等离子

4、弧焊适于手工和自动两种操作，可以焊接连续或断续的焊缝。焊接时可添加或不添加填充金属。2.被焊金属被焊金属 一般TIG能焊接的大多数金属，均可用等离子弧焊接，如碳钢、低合金钢、不锈钢、铜合金、镍及其合金、钛及其合金等。 低熔点和沸点的金属如铅、锌等，不适于等离子弧焊。3.焊接位置焊接位置 手工等离子弧焊可全位置焊接、自动等离子弧焊通常是在平焊和横焊位置上进行。4.可焊厚度可焊厚度 等离子弧焊很适合焊接薄板，最薄的可焊0.01mm金属薄片。 超过8mm的金属，从经济上考虑不宜用等离子弧焊。通常是在质量要求较高的厚板，并要求单面焊反面成形的封底焊缝的焊接时采用。其余各层焊缝仍宜采用熔敷率更高更经济的

5、焊接方法。三、等离子弧焊的分类三、等离子弧焊的分类 按焊缝成形原理，等离子弧焊有下列三种基本方法：1. 1. 穿透型等离子弧焊穿透型等离子弧焊 穿透型等离子弧焊（穿孔型焊接法），即大电流焊接法。该方法是利用等离子弧直径小、温度高、能量密度大、穿透力强的特点，在适当的参数条件下实现的。 焊接时，等离子弧把工件完全穿透并在等离子流力作用下形成一个穿透工件的小孔（在小孔背面露出等离子弧），熔化金属被排挤在小孔周围。随着焊枪向前移动，熔池中的液态金属在电弧吹力 、表面张力作用下沿熔池壁向熔池后方移动，于是小孔也跟着焊枪向前移动，形成完全熔透的正反面都有波纹的焊缝小孔效应。 焊接时一般不加填充金属。目前

6、大电流（100300A）等离子弧焊接通常采用这种方法。 小孔效应只有在足够的能量密度下才能形成。板厚增加时所需的能量密度也增加，而等离子弧的能量密度难以再进一步提高，因此，穿透型等离子弧焊接只能在有限板厚范围内进行。2. 熔透型等离子弧焊熔透型等离子弧焊 熔透型等离子弧焊（熔入型等离子弧焊接法），它是采用较小的焊接电流（15100A）和较小的离子气流量，等离子弧在焊接过程中只熔化焊件而不产生小孔效应。 基本焊法与钨极氩弧焊相似。焊接时可添加填充金属，也可不加填充金属。 主要用于薄板（0.52.5mm以下）的焊接、多层焊时第二层及以后各层的焊接。3. 3. 微束等离子弧焊微束等离子弧焊 焊接电流

7、在30A以下的熔透型等离子弧焊。 为保证小电流时等离子弧的稳定性，一般采用混合型等离子弧。此时维弧电流始终存在，因此小电流时等离子弧也十分稳定。 主要用于超薄件的焊接。 上述三种方法均可采用脉冲电流，借以提高焊接过程稳定性，此时称为脉冲等离子弧焊。此法适于全位置焊接，并且焊接热影响区和焊接变形都较小。四、等离子弧焊设备四、等离子弧焊设备 按操作方式不同，等离子弧焊设备可分为手工焊设备和自动焊设备。 1）手工焊设备主要由焊接电源、焊枪、控制系统、气路系统和水路系统等部分组成； 2）自动焊设备除上述之外，还有焊接小车和送丝机构（焊接时需要添加填充金属）。1.1.焊接电源焊接电源 为保证收弧处的焊缝

8、质量，不会留下弧坑，等离子弧焊接一般采用电流衰减法熄弧，应具有电流衰减装置。 2.2.气路系统气路系统 等离子弧焊接设备的供气系统应能分别供给自立气、保护气。为了保证引弧处和熄弧处的焊缝质量，自立气应分成两路供给，其中一路可在焊接收尾时经气阀放入大气，以实现气流衰减控制；另一路经流量计进入焊枪。调节阀调节离子气的衰减时间。 3.3.控制系统控制系统 等离子弧焊设备的控制系统一般包括高频引弧电路、拖动控制电路、延时电路和程序控制电路等部分。程序控制电路包括提前送保护气、高频引弧和转弧、离子气逆增、延时行走、电流衰减和延时停气等控制环节。五、等离子弧的双弧问题五、等离子弧的双弧问题 当采用转移型等

9、离子弧焊接，由于某些原因在已经存在的转移弧(主弧)以外，又在喷嘴与工件之间和电极与喷嘴之间同时形成串列电弧，这种现象称双弧。 从图中看出弧2和弧3组成了导电通路，与主弧1并联。 危害：危害： 出现双弧时，往往电弧电压降低，电流突然增加。主弧电流却降低，电弧飘忽不定，破坏了正常焊接过程。喷嘴本身既是弧2的阳极斑点、又是弧3阴极斑点，通过并联弧的电流，于是使喷嘴会很快被烧损。所以双弧现象危害很大。 原因：原因： 产生双弧的原因较复杂，影响因素很多，除了焊接工艺参数外，还与喷嘴结构形状尺寸、传热条件、气体成分与流量大小等因素有关。多数人认为，产生双弧的主要原因是弧柱与喷嘴之间的隔热绝缘层被击穿而造成

10、。 防止产生双弧的措施：防止产生双弧的措施：1) 正确选择电流和等离子气流量；2) 喷嘴孔道不要太长；3) 电极和喷嘴应尽可能对中；4) 电极内缩量不要太大；5) 喷嘴至工件的距离不要太近；6) 加强对喷嘴和电极的冷却；7) 减少转弧时的冲击电流。六、等离子弧焊工艺六、等离子弧焊工艺（一）焊接接头（一）焊接接头 等离子弧焊的通用接头是对接接头，板厚8mm采用I形坡口，随着厚度增加可采用单面V形或U形及双面V形和U形坡口，从一侧或两侧进行单道或多道焊。此外，也适于角接头和T字接头的焊接。 焊件厚度在0.051.6mm之间，使用微束等离子弧焊接。常用接头形式如图所示。焊接时要采用可靠的焊接夹具，以

11、保证工件的装配质量。装配间隙和错边量越小越好。 厚度大于1.6mm且厚度适中的焊件，可不开坡口，采用穿透型焊接法一次焊透。 对于厚度较大的焊件，需要开坡口进行多层焊。为使第一层焊缝仍可采用穿透法焊接，坡口钝边可留至5mm，坡口角度也可减少。以后各层焊缝可采用熔透型焊接法焊接。 （二）等离子弧焊气体的选择（二）等离子弧焊气体的选择 等离子弧焊时，除向焊枪输入离子气离子气，还要输入保护气保护气，以充分保护熔池不受大气污染。 目前应用最广泛的离子气是氩气氩气，适用于所有金属。 为提高焊接生产效率和改善接头质量，针对不同金属可在氩气中加入其它气体。 大电流等离子弧焊时离子气与保护气成分相同，否则会影响

12、等离子弧的稳定性。小电流等离子弧焊时，离子气与保护气成分可以相同，也可以不同，因为此时气体成分对等离子弧的稳定影响不大。（三）焊接工艺参数（三）焊接工艺参数（1）喷嘴孔径；（2）焊接电流；（3）离子气流量； （4）焊接速度 ； （5）喷嘴距离；（6）保护气流量。 电子束焊一、电子束焊一、电子束焊 是利用电子枪产生的电子束流，在强电场的作用下以极高的速度撞击待焊焊件表面，并把部分动能转化为热能使焊件熔化而形成焊缝的一种工艺方法。 （一）电子束焊的特点、分类及应用（一）电子束焊的特点、分类及应用1. 1. 电子束焊的特点电子束焊的特点电子束焊与其它焊接方法相比，具有以下特点：（1）加热的能量密度高

13、；（2）焊缝熔深与熔宽比（即深宽比）大；（3）焊缝金属纯度高；（4）工艺参数调节范围广，适应性强。2. 电子束焊的分类及应用电子束焊的分类及应用 (1) 按真空度分：高真空、低真空、非真空三种电子束焊。 (2) 按加速电压分： 在电子枪中，用以加速电子运动的阴极与阳极之间的电压称加速电压。 按电子束焊机的加速电压的高低可分为高压、中压、低压三种电子束焊。 （二）真空电子束焊接（二）真空电子束焊接 1. 1. 真空电子束焊接的原理真空电子束焊接的原理 2. 2. 焊接工艺参数对焊缝形状的影响焊接工艺参数对焊缝形状的影响 真空电子束焊的工艺参数主要包括加速电压、轰击偏压、电子束电流、聚焦电流工作距

14、离、焊接速度及真空度等。 3. 真空电子束焊接技术真空电子束焊接技术二、激光焊二、激光焊（一）激光焊及其特点（一）激光焊及其特点 激光即受激发射光(Laser-Light amplification by stimulated emission of radiation)，是利用辐射激发光放大原理，使工作物质受激而产生一种单色性高、方向性好及亮度大的光，经透镜或反射镜高度聚焦后，供给焊接、切割或材料表面处理等所需的高功率密度热源。 激光焊激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件接缝所产生的热量进行焊接的方法。 与一般焊接方法相比，激光焊的特点特点：1) 聚焦后的激光，其光斑直径可小到0.01mm

15、，具有很高的功率密度，焊接多以深熔方式进行。2) 激光加热范围小(1mm)，在相同功率和焊件厚度条件下，其焊接速度高。板愈薄，焊速愈高，达10m/min以上。3) 焊接输入能量少，故焊缝和热影响区窄，焊接残余应力和变形小，可以焊接精密零件和结构，焊后不必矫正和机械加工。4) 激光能反射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小。因此，可以通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转或聚焦。只要焊缝在视线之内，就可以进行远距离或一些难以接近部位的焊接。由于激光能穿透玻璃等透明体，适合于在玻璃的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料。5) 可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属，甚至可用于非金属材料的

16、焊接，如陶瓷、有机玻璃等。6) 一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可以用于焊接，又可以用于切割或打孔，还可以进行合金化和热处理，一机多用。7) 与电子束焊相比，激光焊不需要真空室，不产生X射线，光束不受电磁场作用。其可焊厚度比电子束小。8) 激光的电光转换及整体运行效率都很低。此外，激光会被光滑金属表面部分反射或折射，影响能量向工件传输。所以焊接一些高反射率的金属还比较困难。9) 设备投资大，特别是高功率连续激光器的价格昂贵。此外，对待焊零件的加工和组装精度要求高；工夹具也必须精密。只有高生产率才能显示其经济性。（二）激光焊的分类（二）激光焊的分类 按输出功率分有：低功率(1kW)、中功率(1.510kW)和高功率(10kW)三类。 按激光器的工作方式分有：脉冲激光焊（焊接时形成一个个圆形焊点）和连续激光焊（在焊接过程中形成一条连续焊缝）。（三）激光焊设备（三）激光焊设备 激光焊设备主要由激光器、光束传输和聚焦系统、焊枪、