材料连接技术157

1、 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering材料连接技术材料连接技术Materials Welding and Joining Techniques 赵兴科赵兴科 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering1 材料连接概述2 电弧焊接新技术3 高能高能束焊接新技术束焊接新技术4 固相连接新技术5 钎焊连接新技术提提 纲

2、纲 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering3.1 电子束焊接新技术3.2 激光焊接新技术激光焊接新技术3 高能高能束焊接新技术束焊接新技术 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering利用辐射激发光放大原理产生一种单色、高相干性、方向性强、光亮度大的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达1

3、06 W/mm2的能束。可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。3.2.1 激光焊概述激光焊概述3.2 激光焊新技术激光焊新技术 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science &

4、; Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineer

5、ing Engineering激光焊接的优势已经是众所共知，但激光焊接的成本仍然较高，因此以激光为中心的复合热源焊接技术孕育而生。由英国学者W.Steen于上世纪70年代末首次提出有效利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的焊接熔深提高对焊接间隙的适应性，高效率、高质量。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering研究最多、应用最为广泛的要属激光电弧复合热源焊接技术，有时也称电弧辅助激光焊接技术，主要目的是有效的利用电弧热源，以减小激光的应用成本、降

6、低激光焊接的装配精度。3.2.2 激光激光-电弧复合焊接电弧复合焊接 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光与电弧联合应用进行焊接有两种方式：（1）沿焊接方向，激光与电弧间距较大，前后串连排布，两者作为独立的热源作用于工件，主要是利用电弧热源对焊缝金属进行预热或后热，达到提高激光吸收率、改善焊缝组织性能的目的。（2）激光与电弧共同作用于熔池，焊接过程中，激光与电弧之间存在相互作用和能量的耦合。 School of Materials School

7、of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光与电弧相互作用形成的是一种增强适应性的焊接方法 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School

8、 of Materials Science & Science & Engineering Engineering 有效利用激光能量有效利用激光能量：单独激光时，由于等离子体的吸收和工件的反射，能量的利用率低。采用复合焊接方法时，TIG或MIG电弧先将母材熔化，紧接着用激光照射熔融金属，从而提高母材对激光的吸收率。 增加熔深增加熔深：熔深可增加一倍多。窄间隙大厚板焊接时，采用复合热源，电弧可潜入到焊缝深处，减少填充金属的熔敷量，实现大厚板深熔焊。 稳定电弧稳定电弧：单独采用TIG或MIG时，焊接电弧有时不稳定，特别是在小电流情况下，当焊接速度提高到一定值时会引起电弧飘移，使焊接

9、过程无法进行；而采用激光电弧复合焊接技术时，激光产生的等离子体有助于稳定电弧。 激光-电弧复合焊主要优点 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering单纯TIG焊和激光TIG复合焊接时电弧电压和焊接电流的波形 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering 提高焊接适应性提高焊接适应性：工件熔合宽度增大（特别MIG），降低热

10、源对间隙、错边及对中度的敏感性。改善焊缝成形改善焊缝成形：材料的熔融量大，改善熔化金属与母材的润湿性、消除焊缝咬边等。 减少焊接缺陷、改善焊缝组织减少焊接缺陷、改善焊缝组织：复合热源能减缓熔池金属的凝固时间，减少气孔、裂纹、咬边等。 减少焊接变形减少焊接变形：速度快、热输入少，热影响区小，变形及残余应力小。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering EngineeringCO2激光和Nd：YAG激光同轴复合：同轴复合：激光与电弧同轴作用在工件的同一位置，即激光穿过电弧中心或电弧

11、穿过环状光束或多光束到达工件表面。难度大，工艺复杂，多采用非熔化极的TIG弧或等离子弧。旁轴复合：旁轴复合：激光和电弧以一定角度作用在工件的同一位置，激光可在电弧的前方或后方送入。较易实现，可采用TIG，亦可MIG。（3）激光-电弧复合焊工艺 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光-TIG同轴复合 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineer

12、ing Engineering激光-电弧旁轴复合 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光电弧复合焊接的电弧图像 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering影响复合效果的主要因素：电弧电流与电压；激光功率；排布方向；光束与电弧的夹角；频率与相位；保护气流量。1）激光-TIG电弧复合 School of Mater

13、ials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering与激光焊接一样，无论是同轴复合，还是旁轴复合，激光-TIG电弧复合焊接也存在深熔焊和热导焊两种焊接机制。电弧电流小时，激光的匙孔效应，使电弧被稳定地吸引在匙孔上方，弧根被显著压缩，使电弧电流密度显著提高，有效提高热源的能量效率，表现为深熔焊特征。当电流大时，电弧吸收和折射损耗增大，激光难以维持稳定的匙孔，无法实现对电弧的吸引与压缩，同时电弧在吸收激光能量后膨胀，电流密度迅速降低，焊缝熔深大大减小，表现为热导焊特征。 School of Mate

14、rials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering电弧等离子体对激光的吸收与散焦测量方法 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering随电弧电流的增大，电弧对激光能量的吸收增大，折射作用增强，烧蚀深度明显减小，烧蚀宽度增大。 School of Materials School of Materials Science & Science &

15、; Engineering Engineering激光穿过电弧后，能量密度的衰减特性不仅与焊接电流有关，还与激光入射电弧的位置有关。越靠近电弧中心，电弧对激光能量的影响越大，激光峰值能量密度衰减非常严重，当激光从电弧边缘位置穿过时，峰值能量密度的衰减率仅为从电弧中心区穿过时的1/4或1/5左右。 根据CO2激光TIG复合热源能量作用特性，建立适合复合热源能量特性的能量衰减式点线热源模型，对复合焊接过程的传热特性进行数值模拟，预测复合热源焊接能量有效增强的电弧与激光能量匹配的临界值。 School of Materials School of Materials Science & Sc

16、ience & Engineering Engineering不同电流下激光-TIG复合热源焊接的温度场和焊缝形状 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering复合热源焊接能量增强的临界条件 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineeringa)反相位脉冲激光脉冲电弧复合焊接截面b)不同相位、频率配匹获得的焊缝形貌激光-

17、TIG复合焊接脉冲协调控制焊缝形貌 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光焊接与激光-TIG复合热源焊接焊缝截面 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光-MIG复合热源焊接是目前应用最为广泛的一种复合热源焊接方法，在汽车工业、造船等领域都有应用。2）激光-MIG复合热源焊接 School of Mate

18、rials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光MIG复合热源焊接利用MIG焊接填丝的优点，在提高焊接熔深、增加适应性的同时，还可以改善焊缝冶金性能和微观组织结构。与激光TIG电弧相比，激光MIG复合焊接具有较强的活力，可焊接的板厚更大、焊接适应性更高。特别是由于MIG电弧具有方向性强以及阴极雾化等一些特殊优势，尤其适合于大厚板以及铝合金等难焊金属的焊接。 School of Materials School of Materials Science & Science &am

19、p; Engineering Engineering不同焊接方法下的焊缝表面和截面形貌 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering激光MIG电弧复合热源焊接由于存在熔滴过渡问题，因此，激光对电弧形态的影响不如激光-TIG复合焊接那么明显，更重要的是改变了熔滴的过渡方式，对熔滴过渡频率及熔滴过渡的稳定性都有明显影响。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering（4）激光-电弧复合热源的应用举例反射