第4章-焊接与切割方法(2).ppt

焊 接 工 程 概 论 （材料连接工程概论） 宫殿清,课程内容： 第0章：绪论----科学、技术和工程 第1章：焊接技术的发展 第2章：焊接电源 第3章：焊接材料 第4章：焊接与切割方法（1） 第4章：焊接与切割方法（2） 第4章：焊接与切割方法（3） 第5章：焊接过程自动化 第6章：焊接结构 第7章：焊接质量检验 第8章：焊接生产过程 第9章：焊接工程管理,第 4 讲 焊接与切割方法（2） 4.1 热切割方法 4.2 熔化焊方法 4.1 压力焊方法 4.2 钎焊方法 4.3 高能焊方法,4.1 压力焊 压力焊是在焊件装配好后，通过电极施加压力，并利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，将其加热到塑性或熔化状态，在外力的作用下形成原子间结合的方法 电阻焊是常用的一种压力焊方法 电阻焊按接头形式可分为点焊、缝焊、凸焊和对焊四种 按焊接电流波形特征可分为交流焊、直流焊和脉冲焊三种4.1.1 点焊：在工件接触面之间形成许多单独的焊点，将工件连接在一起的焊接方法 焊点的形成过程是：将清理好的工件叠合，置于两电极间预压夹紧，接通电流，使接触处产生电阻热热量主要集中在工件间接触处，将该处金属加热到熔化状态而形成熔核。

熔核周围的金属则被加热到塑性状态，形成封闭的塑性金属环，围住熔核，使其不致外溢熔核金属在压力作用下冷却和结晶，获得组织致密的焊点点焊的焊件，熔化金属不与外界空气接触，故焊点强度高且工件表面光滑，焊件变形小 点焊主要用于厚度小于3mm的薄板组件目前，从以微米计的微型电子电路到厚达30mm+30mm的巨型房屋框架，都可以用点焊连接这种方法可用来焊接低碳钢、不锈钢、铜、铝、钛及其合金以及覆层钢、电镀钢等，广泛用于汽车、客车、航空、航天、钢筋构件、家具等产品的制造在汽车制造业中，点焊机器人是应用最早也最多的焊接机器人4.1.2 缝焊 缝焊是将工件的接触面间形成许多连续的焊点，将两工件连接起来的焊接方法 焊接过程与点焊相似，可以认为是连续的点焊过程所不同的是缝焊时用转动的圆盘状电极来代替点焊时用的圆柱状电极当压紧焊件的圆盘电极转动并通电时，工件从两圆盘电极之间通过，两工件接触面间就形成许多连续而彼此重叠的焊点，从而获得紧密的焊缝缝焊工件不仅表面光滑平整，而且焊缝具有较高的强度和气密性，因此常用来焊接要求密封的薄壁容器(厚度从几分之一毫米到四毫米)，并广泛应用于汽车、飞机、家用电器制造业中缝焊可以焊接低碳钢、合金钢、铝及铝合金以及覆层钢、电镀钢等材料。

4.1.3 对焊 对焊是使两个被焊工件沿整个接触面连接的焊接方法，根据焊接过程和操作方法的不同，对焊又可分为电阻对焊和闪光对焊1) 电阻对焊 首先把两个被焊工件装在对焊机的两个电极夹具中对正夹紧，并施加预压力使两工件的端面互相挤紧，然后开始通电当强电流通过被焊工件和接触处时，利用接触电阻和焊件电阻产生的热量使两被焊工件的接触部分迅速加热到塑性状态后，再切断电流，增加压力，接触处便产生一定的塑性变形而形成接头 电阻对焊适用于焊接断面简单、紧凑(如圆形、方形等)和断面直径小于20mm的工件，可用于焊接碳钢、不锈钢、铝、铜及其合金等金属材料2) 闪光对焊 据具体操作方法不同、又有连续闪光对焊和预热闪光对焊之分 连续闪光对焊：是将被焊工件夹在夹具内以后，首先接通电流，然后逐渐移动被焊工件使之相接触由于接触面上只有某些点真正接触，强电流通过这些点，产生电阻热，使工件升温、熔化、甚至汽化，再加上电磁作用，液体金属即发生爆破，以火花的形式从接触处往外散开，形成闪光现象若继续移动工件，使其连续产生新的接触点，则闪光现象连续产生待焊件被加热到其端面全部熔化时，即迅速对焊件加压，并切断电流，焊件在压力下产生塑性变形而焊在一起。

4.1.4 高频焊 利用10-500kHZ的高频电流将工件的结合面加热到焊接温度或熔化温度，并加以挤压，形成固相连接的方法 高频焊可分为高 频电阻焊和高频感 应焊两类 (1) 高频电阻焊,高频电阻焊时加热工件的高频电流是直接通过触头导入工件的 1) 工件的两边缘预制成V形会合角； 2) 高频电流通过会合角两侧滑动触头导入工件； 3) 由于高频电流的集肤效应和邻近效应，电流沿着会合角两边的表层形成往复回路，产生了电阻热，在会合角附近电流密度最大，被快速加热到焊接温度； 4) 挤压辊轮将管坯两边挤在一起，挤出氧化物杂质和熔化金属，促使金属原子间形成牢固的结合 5) 由焊接机组前边设置的刨刀将挤出的氧化物和镦粗部分的金属切削掉2）高频感应焊 加热工件的高频电流是由感应线圈通过磁场感应在工件上产生的1) 感应圈感应出I1用于焊接，其后与高频电阻焊一样 2) 感应电流I2，由管坯外周流经内周表面构成回路，由此产生的电阻热加热了管坯内表面与形成焊缝无关，故称为无效电流为减小无效电流，需在管坯内安放由铁氧体磁心组成的阻抗器，以增加管内壁的电抗，从而提高焊接效率 优点：高频感应焊无机械接触点，避免了电触头造成的表面痕迹，对涂层及薄壁工件极有利，如工件较厚，为使厚度方向加热均匀，宜选用小于10kHz的中频焊接。

高频焊不但能焊碳钢、合金钢，还能焊通常难以焊接的不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金以及镍、钛、锆等金属，且可制造异种材料的结构件制作型材和管材的尺寸规格比普通轧制或挤压法多，如鳍片管等,4.1.5 摩擦焊 摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，完成焊接的一种压焊方法 1)工件1高速旋转，工件2向工件1方向移动 2)两工件接触后，施加轴向压力F1，开始摩擦加热,3) 接头加热到焊接温度．停止工件1的转动，施加顶锻压力F2 4)压力保持一定时间后，焊接过程结束摩擦焊时焊接表面的摩擦和变形不仅清除了原有的氧化膜，而且能够防止焊缝金属继续氧化，促进金属原子的扩散； 顶锻压力能破碎变形层中的氧化薄膜和脆性合金层，将其尽量挤碎和挤出焊缝，使焊缝金属得到锻造组织，且晶粒细化 摩擦焊时不需填充金属和焊剂，一般也不需要保护气体，只有在焊接难熔金属与活性金属时，才采用真空或惰性气体保护焊接接头 应用铝-铜过渡接头、铜-不锈钢接头．锅炉蛇形管和阀门，内燃机排气门和轴瓦、圆柄刀具、纺织机梭芯和石油钻杆等产品摩擦焊优点：焊接质量好、稳定，生产率高，节省电能，可以焊接同种或异种金属 摩擦焊局限性： 1)非圆截面工件很难焊接； 2)大截面工件的焊接则受到焊机主轴电动机功率和焊机压力的限制; 3)大型盘状工件和薄壁管件由于不易夹持，也很难焊接， 4)一些摩擦系数低的材料(如黄铜；铸铁)和脆性材料不易焊接， 5)摩擦焊机的一次性投资较大，因此，不适于单件生产，而适合于大批量集中生产。

4.1.6 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊是英国焊接研究所近几年研究的最新摩擦焊方法4.1.7 超声波焊 超声波焊是利用超声波的高频(16kHz)振荡能对焊件接头进行局部加热和表面清理，然后施加压力实现焊接的一种压焊方法焊件被夹持在声极和基座之间，振子所产生的超声波的高频振荡经声极传输给焊件，并向焊件施加压力P，使焊件表面产生强烈的相对摩擦，接触表面温度升高，塑性性变形加大，金属表面原子无限接近，达到原子间的力能发生作用的程度，形成牢固的冶金结合超声波焊目前已广泛用于电子工业，特别适合于其它焊接方法难以焊接的微型元件在微电机的制造中几乎取代了电阻焊和钎焊该方法已成功地用于汽车、核反应堆、飞机、导弹和火箭等结构，它特别适用于各种尺寸和形状的金属箔包装件的密封，尤以对象炸药、烟火和活性化合物之类要求密封而又不能用加热或电加工工艺来封装的材料，具有独特的优越性 主要缺点：焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限用于丝、箔、片等薄件，对某些较硬的金属，实际的上限为0.4～1.0mm此外，虽然近年来已发明了超声波对焊方法，但在绝大多数情况下超声波焊只适用于搭接接头4.1.8 爆炸焊 爆炸焊是利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞，通过结合面上的塑性变形面实现连接的一种压焊方法。

爆炸焊时炸药在爆炸瞬间释放的化学能量将产生一高压(700MPa)、高温(约3000℃)和高速(500～1000m/s)的冲击波，它作用在复板上，使其与基板猛烈撞击，接触界面在碰撞点将产生射流射流冲刷掉连接表面的氧化膜和污染层，使相邻两洁净金属表面在碰撞点附近相互接触，并在高压下依靠原子吸力形成牢固结合，在金属界面间会产生微小的熔化 缓冲层是防止引爆炸药造成表面烧蚀，常用橡胶材料爆炸焊按装配方式不同可分两种：①平行法 被焊的基板金属(保持不动)与复板金属间以一定距离平行放置，爆炸焊接大面积复合板多用此法；②角度法 复扳与基板之间互成某一角度进行安装优点：不用填充金属，通常是在大气中进行，不需厂房和大型设备，工艺十分简单，容易掌握，焊缝是在零点几秒之内形成的 用途: (1)不仅可焊同种金属，并可焊异种金属，主要用于焊接性能差异很大而用其它焊接方法难以焊好的金属，如热膨胀系数相差很大的和活性很强的金属等2)爆炸焊可焊面积从小于6.5mm2直至28m2 基板厚度没有上限，复板金属的厚度为0.025～50.8mm3)在制造复合板(管)的技术中爆炸焊具有不可取代的优势 缺点：不适宜焊接脆性金属材料, 具有危险性。

4.1.9 扩散焊 扩散焊是在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下，两连接面原子相互扩散和均匀化，而形成牢固冶金结合的一种压焊方法 扩散焊须使两焊件表面微观凹凸不平处产生塑性变形，达到紧密接触，或通过待焊面产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触，并需进过较长时间的保温保温时间的长短取决于对接头成分和组织均匀化的要求，从几分钟到几十小时 扩散焊可分为：不加中间扩散层和加中间扩散层两大类中间扩散层是夹在两焊接表面中间的一层很薄的金属材料，扩散层可促进扩散，从而加速焊接过程 瞬时液相扩散焊法，在加中间扩散层的基础上研制的，夹在两待焊面间的夹层材料经加热后，熔化形成一极薄的液相膜，它润湿并填充整个接头间隙，随后在保温过程中通过液相和固相(母材)之间的扩散而逐渐凝固形成接头主要特点： 1) 接头质量高 由于母材不过热或不熔化，焊缝中不存在熔焊的缺陷，也不存在过热组织，焊接接头的显微组织和性能与母材接近或相同 2) 焊件变形小 工件多数是整体加热，随炉冷却，且施加压力较小，故零部件的变形小，因而可焊接较复杂的结构和要求精度很高的工件 3) 可焊接其它焊接方法难以焊接的材料 对于塑性差或熔点高的同种材料，相互不溶解或熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料，包括某些金属与陶瓷，扩散焊是唯一可靠的连接方法。

4) 不受工件厚度限制,用途：扩散焊在航天、原子能、电子等工业中已成为广泛应用的一种焊接方法 主要缺点：对待焊表面的制备和装配质量要求较高，设备一次性投资较高，焊接热循环时间长，生产效率低，目前尚无可靠的检测手段来俱证焊合质量等4.2 钎焊 采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法钎料熔化，而母材并不熔化，液态钎料是借毛细管作用填满接头间隙的接头形式多采用搭接钎焊面必须清洗干净，钎料应放在装配间隙附近或装配间隙内钎剂作用： (1)去除母材和钎料表面的氧化膜及其它赃物，(2)在熔化后覆盖在母材和钎料的表面，隔绝空气起机械保护作用，(3)同时改善液态钎料对母材湿润和附着的能力(即湿润性) 根据铅料熔点不同，钎焊可分为两大类： 一类是硬钎焊，其钎料的熔点在450℃以上，钎焊接头的抗拉强度可达490MPa，常用的有铜基、银基、铝基、镍基钎料，适于钎焊受力较大或工作温度较高的工件； 另一类软钎焊，其钎料熔点在450℃以下，钎焊接头的抗拉强度一般不超过68.6MPa，常用的有锡铅钎料(又称焊锡), 只适于钎焊受力不大。