第三章 34 优质高效焊接及切割技术

1、2022-1-33.4-3.6 焊接、热处理、表面工程华北电力大学花广如2022-1-33.4优质高效焊接及切割技术3.4.1 精密焊接 精密焊接：可以达到精确成形制造目的的焊接工艺。 精密焊接包括：激光焊接，电子束焊接，扩散焊接，焊熔近终成形技术。2022-1-3o随着工件相对光束的移动，小孔保持稳定并在材料中移动，小孔周围为泪滴状的熔池所包围，小孔内充满金属整齐形成的等离子体，这个具有一定压力的等离子体还想工件表面空间喷发，在小孔之上形成一定范围的等离子云有小孔的效应的深熔焊接2022-1-33.4.1.1激光焊接 激光焊接是利用能量密度很高的激光束聚焦到工件表面，使辐射作用区表面的金属“

2、烧熔”粘合而形成焊接接头。 焊接过程：激光照射工件材料，工件材料吸收光能；光能转变成热能使工件材料无损受热；工件材料被融化，作用结束与加工区冷凝。 本质特征是基于小孔效应的焊接。2022-1-3激光焊接与传统焊接法相比具有的特点：1 激光焊接是一种高效率的焊接工艺。2 有利于提高生产效率，焊接变形小精度高。3 激光功率密度高，激光束不与被焊材料接触，也不产生焊渣，不需要去除工件氧化膜。4 经过激光焊接的连续焊缝具有很高的耐腐蚀性。5 可焊接同种金属，也可焊接异种金属，甚至还可焊接金属与非金属材料。2022-1-36 可以在焊后进行剧烈的成型加工操作。7 焊接系统具有较高的柔性，易于实现自动化。

3、8 设备价格较贵，焊接件拼装精度要求高。2022-1-3激光焊接设备 激光焊接基本装备：激光器，激光电源，学系统，机械系统。 激光器作用是将电能转化成光能，产生所需的激光束，是激光加工的重要设备。 激光电源是根据加工工艺的要求为激光器提供所需的能量控制。 光学系统是将光束聚集并观察和调整焦点位置，包括了显微镜瞄准，激光束聚集及加工位置的显示度。2022-1-3 机械系统主要包括床身，工作台及机电控制系统等也包括焊接机械人 国内经过二十多年的研究以能提供输出激光接近基模的1kW左右完全国产化的准封离型二氧化碳激光器，该激光器光束质量好，功率密度高，输出功率稳定，整机可靠性高。该激光器已成功应用于

4、激光焊接和切割生产中，标志着我国自行研制激光焊接装备已经工业实用化。正不断地开发各种焊接工艺，扩大应用领域，逐渐缩短同国外的差距。2022-1-33.4.1.2 电子束焊接o电子束焊接是在真空条件下，利用聚焦后被加速的能量密度极高的电子束，以及高速度冲击到工件表面的极小面积上。在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量大部分转变成热能，从而引起材料的局部熔化达到焊接目的。o加工装置：电子枪系统，真空系统，控制系统和电源系统。2022-1-3o电子枪是用来发射高速电子流并加以初步聚集的系统。o真空系统作用是保护真空里所需的真空度。因为电子只有在高真空下才能高速运动。同时组织发射阴极不至于高温下被氧化

5、。o控制系统作用是控制电子束大小，方向以及工作台移动等。2022-1-3 电子束焊接电子束焊接 电子束焊接的过程电子束焊接的过程 电子束焊接是一电子束焊接是一种高能量密度的熔种高能量密度的熔化焊方法。它是利化焊方法。它是利用空间定向高速运用空间定向高速运动的电子束，撞击动的电子束，撞击工件后将部分动能工件后将部分动能转化为热能，从而转化为热能，从而使被焊工件熔化，使被焊工件熔化，形成焊缝。形成焊缝。三级电子枪结构示意图三级电子枪结构示意图1 1阴极；阴极；2 2偏压电极；偏压电极；3 3阳极；阳极；4 4聚焦线圈；聚焦线圈；5 5偏转线圈；偏转线圈；6 6工件；工件；7 7电子束；电子束；U

6、Ub b加速电压；加速电压；U UB B偏压；偏压；2022-1-3电子束焊接的接头设计、焊缝成形控制及应用实例电子束焊接的接头设计 1 可焊接头形式 2022-1-32022-1-32022-1-32022-1-32022-1-32 接头设计准则 （1）对接 一般应是装配间隙0.1板厚 （2）搭接 优先采用角接缝。板厚不等时，薄板应放在上。 （3）T形接头 优先采用双向角接，受力较小时才可采用翼板穿透接头。2022-1-3电子束焊接特点电子束焊接特点 1 )电子束焊接的能量密度高 ,可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝; 2)电子束焊接是在真空中进行 ,焊缝的化学成分稳定且纯净 ,接头强度高 ,焊

7、缝质量高; 3)电子束焊接速度快 ,热影响区小 ,焊接热变形小; 4)电子束焊接适用于焊接几乎所有的金属材料; 5)电子束焊接可获得深宽比大的焊缝 (20 150 1) ,焊接厚件时可以不开坡口一次成形; 6)电子束焊接结合计算机技术 ,实现了工艺参数的精确控制 ,使焊接过程完全自动化。 2022-1-3o 需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制（非真空环境的电子束焊，是重要的研究方向）；o由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到60s以内）；o有磁偏移：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工

8、件焊前去磁处理；oX射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护；o对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。缺点2022-1-3真空电子束焊与激光焊的比较： 电子束焊接技术起源于电子束焊接技术起源于2020世纪世纪5050年代，年代，1010年后激光器诞生，激年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用也随即展开。电子束与激光加工同属于高能光加工技术的研究与应用也随即展开。电子束与激光加工同属于高能密度束流加工技术，应用的领域大体相同，其能量密度在同一段数量密度束流加工技术，应用的领域大体相同，其能量密度在同一段数量级远高于其他热源。级远高于其他热源。 与传统焊接技术比较，激

9、光焊接与电子束焊接都具有更多优与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性：异的特性： 能量密度高（大于能量密度高（大于105W/cm2105W/cm2）；）； 焊接速度高（一般可以达到焊接速度高（一般可以达到510m/min510m/min）；）； 热影响区窄（仅为焊缝宽度的热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%20%10%20%）；）； 热流输入少、工件变形小；热流输入少、工件变形小； 易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；易实现自动控制、可在线检测焊缝质量； 非接触加工、无后续加工。非接触加工、无后续加工。2022-1-3相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激相比较于电子束焊，激

10、光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防它可在大气中进行，也没有防X X射线问题，射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到电子束焊接（很容易做到30s30s以内）以内） 2022-1-3但是，受到技术进步的局限，激光焊还存在一定的缺点：但是，受到技术进步的局限，激光焊还存在一定的缺点： 激光的能量转换效率较低，常用的激光的能量转换效率较低，常用的CO2CO2激光器能量转

11、换效率不足激光器能量转换效率不足20%20%，最新的光纤激光器转换效率也没有超过，最新的光纤激光器转换效率也没有超过30%30%； 能量转换效率低造成在生产线中应用大功率激光焊接的经济性很能量转换效率低造成在生产线中应用大功率激光焊接的经济性很差，目前实用的激光焊接设备功率大多小于差，目前实用的激光焊接设备功率大多小于20kW20kW，可焊接的深度一，可焊接的深度一般很少超过般很少超过10 mm10 mm； 随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到50000h50000h，这大，这大大降低了激光焊接设备的使用成本。但是，要想获得理想的焊接质大降低

12、了激光焊接设备的使用成本。但是，要想获得理想的焊接质量，保护气体是不可少的，这也造成加工成本的增加；量，保护气体是不可少的，这也造成加工成本的增加； 激光焊接的深宽比小于电子束焊，一般在激光焊接的深宽比小于电子束焊，一般在101101以内（在齿轮激以内（在齿轮激光焊接中，焊缝的深度一般在光焊接中，焊缝的深度一般在4-6 mm4-6 mm，故这个深宽比还比较适用），故这个深宽比还比较适用），不适合大厚度工件的焊接；不适合大厚度工件的焊接； 激光焊接对于铝合金材料及其他高反射率材料的焊接还存在一些激光焊接对于铝合金材料及其他高反射率材料的焊接还存在一些技术难点，必须通过填丝等辅助手段，才能达到较理

13、想的焊接效果。技术难点，必须通过填丝等辅助手段，才能达到较理想的焊接效果。2022-1-33.4.1.3 扩散焊o扩散焊是一种可以连接物理，化学性能差别很大的一种材料的固态连接方法。如陶瓷与金属，并可连接截面形状和尺寸差异大的材料，以及连接经过精密加工的零部件而不影响其原有精度。2022-1-33.4.1.4 焊熔近终成形o焊熔近终成形技术是一种新发展的快速零件（原型）制造技术。其实质是采用成型熔化制成全部由焊缝组成的零件。通常可采用已经成熟的焊接技术，按照零件的需求连续逐层堆焊，直至达到零件的最终尺寸。这种方法的优越性在于：新制物件尺寸，形状几乎不受限制；金属材料利用率高；由于接近净成形，只

14、需少量加工即可。2022-1-33.4.2 特殊环境下的焊接成形技术o由于人类存在的空间日益受到挑战，人们一直在不断寻求向太空海洋发展，作为制造技术首要解决的是在太空，海洋这种特殊环境下连结，修复技术。这里包括了空间焊接和水下焊接。o空间焊接就是在太空条件下进行焊接操作。由于太空微重力真空等特殊条件，使许多地球上很成熟的技术难于在太空中实施。在诸多的焊接成形技术中，电子束焊接是空间连接中最引起人们重视的技术2022-1-3o水下焊接是由于海洋工程的需要需要在水下进行焊接作业。o水下焊接按工作条件分类主要有湿法干法及局部干法三大类。o湿法焊接时焊接件浸泡到水里，通常认为适用于3060m水深较浅的

15、情况下焊接不太重要的构件o干法焊接使用水下压力舱，是焊接时水被排出舱外，在高压气氛下焊接称为高压干法。o局部干法是采用特殊措施使待焊件形成局部无水空间而进行的焊接方法。2022-1-33.4.3 现代切割技术o现代工业的发展，板材的消耗量越来越高，并且各种高力学，物理性能的材料不断增多，特备是硬脆材料的应用增多。由于切割批量小，精度要求高促使现代切割技术得到长足发展。o现代切割技术主要包括了激光切割，等离子弧切割，超声切割，液体喷射切割等。2022-1-33.4.3.1 激光切割o激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化，气化，烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的

16、高速气流吹出熔融物质，从而实现割开工件的一种切割方法。o随着被切材料和切割参数的不同激光，切割主要分为气化切割，熔化切割，反应熔化切割。2022-1-3o激光切割具有质量好，效率高，柔性高，材料适应性好的特点o激光切割设备主要由激光器，数控工作台和辅助设备三大部分组成。目前，切割用激光器主要使用射频激励快速轴流二氧化碳气体激光器为主。2022-1-3o利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的一种切割方法。o利用激光切割设备可切割4mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割810mm厚的不锈钢，但

17、加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm， 但切割部件的尺寸误差较大。 2022-1-3 优点优点 切割质量好切割质量好 切口宽度窄（一般为切口宽度窄（一般为0.1-0.5mm）、精度高（一般孔中心距误差）、精度高（一般孔中心距误差0.1-0.4mm,轮廓尺寸误差轮廓尺寸误差0.1-0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般）、切口表面粗糙度好（一般Ra为为12.5-25m）,切缝一般不需要再加工即可焊接。切缝一般不需要再加工即可焊接。切割速度快切割速度快 例如采用例如采用2KW激光功率激光功率,8mm厚的碳钢切割速度为厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm厚的不锈钢

18、切割速度为厚的不锈钢切割速度为3.5m/min,热影响区小热影响区小,变形极小。变形极小。清洁、安全、无污染清洁、安全、无污染 2022-1-3等离子切割o等离子：是高度电离的气体，是由气体原子或分子电离后，离解成带正电荷的离子和负电荷的电子所组成，正负电荷相等，因此称为等离子。o原理：利用高温、高速的等离子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化缓和气化并被吹离机体。o等离子体能量高度集中，电流密度高、等离子弧温度高（11000-28000度）普通电弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)2022-1-32022-1-3特点o能切割氧气割难以切割的各种金属材料o切割厚度不大的金属时，速

19、度快，是普通切割的5-6倍o切割面光洁、热变形小o切口宽度和切割斜角较大，与切割厚度有关o切割厚度不及气割2022-1-3超声切割o原理：利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、震颤、液压冲击及由此产生的气蚀作用去除材料，特别适合硬脆材料切割2022-1-32022-1-3特点o适合加工硬脆材料，尤其适合非金属硬脆材料，或硬质耐热导电材料，但加工效率低o切削力小切割应力、热小，粗糙度低（Ra0.63-0.08um）尺寸精度正负0.03mm,也适合加工薄壁、窄缝、低刚度零件o工具可用软材料做成复杂形状，无相对运动，可加工复杂型腔和型面o比金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄

20、、精度高、生产率高、经济性好2022-1-3高压水射流切割o原理：利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器，再经储液蓄能器使高压液体流动平稳，最后有人造蓝宝石喷嘴形成300-900m/s的高速液体束流，喷射到工件表面，从而去除材料的加工。o高速液体束流能量密度：102W/mm2 o流量 7.5L/min2022-1-32022-1-3特点o加工精度高:0.075-0.1mm，切边质量好o液体束流能量密度高，流速高，工件切缝窄0.075-0.4mmo加工产物混入液体排出，无灰尘、无污染o加工区温度低，不产生热量，适合木材、纸张、皮革材料的加工o设备简单、操作方便，易实现数控加工2022-1-3 焊接机器人 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更