焊接機(jī)器人技術(shù)（陳茂愛）（第2版） 課件 第6章 焊接機(jī)器人工藝

焊接機(jī)器人技術(shù)V機(jī)器人焊接工藝第六章6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.1電阻點(diǎn)焊原理及特點(diǎn)（1）電阻點(diǎn)焊原理電阻點(diǎn)焊是在一定壓力作用下,利用焊接電流流過工件被焊部位所產(chǎn)生的電阻熱加熱工件進(jìn)行焊接的一種方法。電阻焊有電阻點(diǎn)焊、電阻縫焊、電阻凸焊、電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊等幾種,如圖6-1所示。電阻焊機(jī)器人一般采用電阻點(diǎn)焊工藝,點(diǎn)焊機(jī)器人廣泛用于汽車、摩托車、農(nóng)業(yè)機(jī)械制造等行業(yè)。本節(jié)主要介紹電阻點(diǎn)焊工藝。圖6-1電阻焊的原理1,3—電極;2—工件;F—電極壓力(頂鍛力);P—夾緊力;T—電源(變壓器)6.1電阻點(diǎn)焊工藝

6.1電阻點(diǎn)焊工藝

6.1電阻點(diǎn)焊工藝

圖6-2電阻點(diǎn)焊原理6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.1電阻點(diǎn)焊原理及特點(diǎn)（2）電阻點(diǎn)焊焊接循環(huán)電阻點(diǎn)焊時(shí),完成一個(gè)焊點(diǎn)所包含的全部程序(壓力和電流)稱為焊接循環(huán)。點(diǎn)焊的焊接循環(huán)由“預(yù)壓”“通電加熱”“維持”和“休止”四個(gè)基本階段組成,如圖6-3所示。圖6-3電阻點(diǎn)焊的焊接循環(huán)I—焊接電流;F—電極壓力;t—時(shí)間6.1電阻點(diǎn)焊工藝1)預(yù)壓時(shí)間t1從電極開始下降到焊接電流開始接通的時(shí)間。這一時(shí)間是為了確保在通電之前電極壓緊工件,使工件間有適當(dāng)?shù)膲毫?形成塑性環(huán)并建立良好的接觸,將焊接電流流通路徑限制在塑性環(huán)內(nèi),以保持接觸電阻和導(dǎo)電通路穩(wěn)定。2)通電加熱時(shí)間t2焊接電流通過焊件并產(chǎn)生熔核的時(shí)間。3)維持時(shí)間t3焊接電流切斷后,電極壓力繼續(xù)保持的時(shí)間。在此時(shí)間內(nèi),熔核冷卻并凝固。繼續(xù)施加壓力是為了防止凝固收縮、縮孔和裂紋等缺陷,以獲得致密的焊點(diǎn)組織。4)休止時(shí)間t4從電極開始提起到電極再次下降之間的時(shí)間,在該時(shí)間內(nèi)應(yīng)準(zhǔn)備下一個(gè)待焊點(diǎn)。此時(shí)間只適用于焊接循環(huán)重復(fù)進(jìn)行的場(chǎng)合,是電極退回、轉(zhuǎn)位、卸下工件或重新放置焊件所需的時(shí)間。

6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.1電阻點(diǎn)焊原理及特點(diǎn)（3）電阻點(diǎn)焊特點(diǎn)電阻點(diǎn)焊具有如下優(yōu)點(diǎn)。①熔化金屬與空氣隔絕,冶金過程簡單。②焊接質(zhì)量高。熱影響區(qū)小,變形與應(yīng)力也小,焊后無需矯形和熱處理。③不需要填充金屬,不需要保護(hù)氣體,焊接成本低。④操作簡單,易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。⑤生產(chǎn)效率高,可以和其他制造工序一起編到組裝線上。電阻點(diǎn)焊具有如下缺點(diǎn)。①缺乏可靠的無損檢測(cè)方法。②點(diǎn)焊一般采用搭接接頭,這增加了構(gòu)件的重量,抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均較低。③設(shè)備功率大,成本較高,維修較困難。6.1電阻點(diǎn)焊工藝

6.1電阻點(diǎn)焊工藝通常規(guī)定A在20%~80%范圍內(nèi)。試驗(yàn)表明,熔核直徑符合要求時(shí),取A≥20%便可保證熔核的強(qiáng)度。A過大,熔核接近焊件表面,使表面金屬過熱,晶粒粗大,易出現(xiàn)飛濺或縮孔、裂紋等缺陷,接頭承載能力下降。一般不許A>80%。電極在焊件表面上留下的壓痕深度是熔核獲得鍛壓的標(biāo)志,但不能過深,否則影響焊件表面美觀和光滑,減小該處斷面尺寸,造成過大的應(yīng)力集中,使熔核承載能力下降。電極壓力越大,焊接時(shí)間越長,或焊接電流越大,壓痕就越深。為了減少壓痕深度,可采用較硬的規(guī)范及較大的電極端面尺寸。圖6-4焊核的幾何尺寸δ—焊件最薄厚度;d—電極直徑;dn—熔核直徑;dr—塑性環(huán)外徑;hn—熔核高度;Δ—壓痕深度6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.3電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)點(diǎn)焊的焊接參數(shù)主要有焊接電流Iw、焊接時(shí)間tw、電極壓力Fw和電極工作面直徑de等。（1）焊接電流焊接電流增大,熔核的尺寸或焊透率增大。焊接區(qū)的電流密度應(yīng)有一個(gè)合理的上限和下限。低于下限時(shí),熱量過小,不能形成熔核;高于上限時(shí),加熱速度過快,會(huì)發(fā)生飛濺,焊點(diǎn)質(zhì)量下降。隨著電極壓力的增大,產(chǎn)生飛濺的焊接電流上限值也增大。在生產(chǎn)中,當(dāng)電極壓力給定時(shí),通過調(diào)整焊接電流,使其稍低于飛濺電流值,便可獲得最大的點(diǎn)焊強(qiáng)度。（2）焊接時(shí)間焊接時(shí)間對(duì)熔核尺寸的影響與焊接電流對(duì)熔核尺寸的影響基本相似,焊接時(shí)間增加,熔核尺寸隨之?dāng)U大,但焊接時(shí)間過長易引起焊接區(qū)過熱、飛濺和搭邊壓潰等缺陷。圖6-5示出了幾種材料點(diǎn)焊要求的焊件厚度與焊接電流、焊接時(shí)間的關(guān)系。

6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.3電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)（3）電極壓力電極壓力影響電阻熱的大小與分布、電極散熱量、焊接區(qū)塑性變形及焊點(diǎn)的致密程度。當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),增大電極壓力,則接觸電阻減小,電阻熱減小,而散熱加強(qiáng),因此,熔核尺寸減小,焊透率顯著下降,甚至出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象;若電極壓力過小,則板間接觸不良,其接觸電阻雖大但不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)飛濺和燒穿等缺陷。由于電極壓力對(duì)焊接區(qū)金屬塑性環(huán)的形成、焊接缺陷的防止及焊點(diǎn)組織的改善均有顯著的影響,因此若焊機(jī)容量足夠大,可采用大電極壓力、大焊接電流工藝來提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。對(duì)某些常溫或高溫強(qiáng)度較高、線脹系數(shù)較大、裂紋傾向較大的金屬材料或剛性大的結(jié)構(gòu)件,為了避免產(chǎn)生焊前飛濺和熔核內(nèi)部收縮性缺陷,需要采用階梯形或馬鞍形的電極壓力,如圖6-6(b)、(c)所示。

6.1電阻點(diǎn)焊工藝

圖6-5焊件厚度與焊接電流、焊接時(shí)間的關(guān)系1—低、中合金鋼;2—特殊高溫合金;3—高溫合金;4—不銹鋼;5—銅合金圖6-6各種電極壓力循環(huán)形式Iw—焊接電流;Fw—焊接壓力;Ff—頂鍛力;Fp—預(yù)壓力6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.3電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)（4）電極工作面的形狀和尺寸電極端面和電極本體的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸及其冷卻條件影響著熔核幾何尺寸和焊點(diǎn)強(qiáng)度。對(duì)于常用的圓錐形電極,其電極頭的圓錐角越大,則散熱越好。但圓錐角過大,其端面不斷受熱磨損后,電極工作面直徑迅速增大;若圓錐角過小,則散熱條件差,電極表面溫度高,更易變形磨損。為了提高點(diǎn)焊質(zhì)量的穩(wěn)定性,要求焊接過程中電極工作面直徑de的變化盡可能小。因此,圓錐角一般在90°~140°范圍內(nèi)選取。對(duì)于球面形電極,因頭部體積大,其與焊件的接觸面擴(kuò)大,電流密度降低且散熱能力加強(qiáng),結(jié)果是焊透率降低,熔核直徑減小。但焊件表面的壓痕淺,且為圓滑地過渡,不會(huì)引起大的應(yīng)力集中;而且焊接區(qū)的電流密度與電極壓力分布均勻,熔核質(zhì)量易保持穩(wěn)定。此外,上、下電極安裝時(shí)對(duì)中要求低,偏斜量對(duì)熔核質(zhì)量影響小。顯然,焊接熱導(dǎo)率低的金屬,如不銹鋼焊接,宜使用電極工作面較大的球面或弧面形電極。

6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.3電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)（5）各焊接參數(shù)間的相互關(guān)系實(shí)際上,上述各焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響是相互制約的。焊接電流Iw、焊接時(shí)間tw、電極壓力Fw、電極工作面直徑de都會(huì)影響焊接區(qū)的發(fā)熱量,其中Fw和de直接影響散熱,而tw和Fw與熔核塑性區(qū)的大小有密切關(guān)系。增大Iw和tw,降低Fw,電阻熱將顯著增大,可以增大熔核尺寸,這時(shí)若散熱不良(如de小)就可能發(fā)生飛濺、過熱等現(xiàn)象;反之,則熔核尺寸減小,甚至出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。若要保證一定的熔核尺寸和焊透率,既可采用大焊接電流、短焊接時(shí)間工藝,也可采用小焊接電流、長焊接時(shí)間工藝。

6.1電阻點(diǎn)焊工藝6.1.3電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)大焊接電流、短焊接時(shí)間的工藝稱為硬規(guī)范,其特點(diǎn)是加熱速度快、焊接區(qū)溫度分布陡、加熱區(qū)窄、接頭表面質(zhì)量好、過熱組織少、接頭的綜合性能好、生產(chǎn)率高。因此,只要焊機(jī)功率允許,各焊接參數(shù)控制精確,均應(yīng)采用這種方式。但由于其加熱速度快,要求加大電極壓力和散熱條件與之配合,否則易出現(xiàn)飛濺等缺陷。焊接電流小而焊接時(shí)間長的工藝稱為軟規(guī)范,其特點(diǎn)是加熱速度慢、焊接區(qū)溫度分布平緩、塑性區(qū)寬,在壓力作用下易變形。點(diǎn)焊機(jī)功率較小、工件厚度大、變形困難或工件易淬火等情況下常采用軟規(guī)范焊接工藝進(jìn)行焊接。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.1熔化極氣體保護(hù)焊基本原理及特點(diǎn)

（1）基本原理熔化極氣體保護(hù)焊是一種利用氣體進(jìn)行保護(hù),利用燃燒在焊絲與工件之間的電弧作為熱源的焊接方法,其原理如圖6-7所示。焊絲既可作為電極,又可作為填充金屬,有實(shí)心和藥芯兩類。

圖6-7熔化極氣體保護(hù)電弧焊示意圖1—母材;2—電弧;3—焊絲;4—導(dǎo)電嘴;5—噴嘴;6—送絲輪;7—保護(hù)氣體;8—熔池;9—焊縫金屬6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.1熔化極氣體保護(hù)焊基本原理及特點(diǎn)

（2）分類按所使用的保護(hù)氣體和焊絲種類,熔化極氣體保護(hù)焊分類如下。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.1熔化極氣體保護(hù)焊基本原理及特點(diǎn)（3）熔化極氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)熔化極氣體保護(hù)焊具有如下工藝特點(diǎn)。①適用范圍廣。熔化極氣體保護(hù)焊幾乎可焊接所有的金屬,MIG焊特別適合鋁及鋁合金、鈦及鈦合金、銅及銅合金等有色金屬以及不銹鋼的焊接,MAG焊和CO2氣體保護(hù)焊適合黑色金屬的焊接,既可焊接薄板,又可焊接中等厚度和大厚度的板材,而且適用于任何位置的焊接。②生產(chǎn)率較高、焊接變形小。由于熔化極氣體保護(hù)焊使用焊絲作為電極,允許使用的電流密度較高,因此熔深能力大、熔敷速度快,用于焊接厚度較大的鋁、銅等金屬及其合金時(shí)生產(chǎn)率比TIG焊高,焊件變形比TIG焊小。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.1熔化極氣體保護(hù)焊基本原理及特點(diǎn)③焊接過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。熔化極氣體保護(hù)焊的電弧是明弧,焊接過程參數(shù)穩(wěn)定,易于檢測(cè)及控制,因此容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)器人化。④對(duì)氧化膜不敏感。熔化極氣體保護(hù)焊一般采用直流反接,焊接鋁及鋁合金時(shí)具有很強(qiáng)的陰極霧化作用,因此焊前對(duì)去除氧化膜的要求很低。CO2氣體保護(hù)焊對(duì)油污和鐵銹也不敏感。熔化極氣體保護(hù)焊具有如下缺點(diǎn)。①M(fèi)IG焊焊接鋁及其合金時(shí)易于產(chǎn)生氣孔。②焊縫質(zhì)量不如TIG焊

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.1熔化極氣體保護(hù)焊基本原理及特點(diǎn)（4）熔化極氣體保護(hù)焊的應(yīng)用①適焊的材料可利用MIG焊焊接鋁、銅、鈦及其合金,不銹鋼,耐熱鋼等。MAG焊和CO2氣體保護(hù)焊主要用于焊接碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼;MAG焊用來焊接較為重要的金屬結(jié)構(gòu),CO2氣體保護(hù)焊用于普通的金屬結(jié)構(gòu)。②焊接位置熔化極氣體保護(hù)焊適應(yīng)性較好,可以進(jìn)行全位置焊接。其中平焊位置和橫焊位置的焊接效率最高,其他焊接位置的焊接效率也要比焊條電弧焊高。③可焊厚度表6-1為熔化極氣體保護(hù)焊適用的厚度范圍。原則上開坡口多層焊的厚度是無限的,僅受經(jīng)濟(jì)因素限制。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.2熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過渡（4）熔化極氣體保護(hù)焊的應(yīng)用熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過渡的常見形式有短路過渡、細(xì)顆粒過渡、噴射過渡、大滴過渡。大滴過渡一般出現(xiàn)在電弧電壓較高、焊接電流較小的條件下,這種過渡非常不穩(wěn)定,而且易導(dǎo)致熔合不良、未焊透、余高過大等缺陷,因此在實(shí)際焊接中無法使用。（1）短路過渡焊接電流和電弧電壓均較小時(shí),由于弧長較短,熔滴尚未長大到能夠過渡的尺寸就把焊絲和熔池短接起來,形成液態(tài)金屬短路小橋,短路電流迅速增大。短路小橋在不斷增大的電磁收縮力作用下縮頸,縮頸處局部電阻和電流密度急劇增大,進(jìn)而導(dǎo)致此處的電阻熱急劇增大。急劇增大的電阻熱導(dǎo)致液態(tài)金屬快速蒸發(fā),當(dāng)蒸發(fā)速度達(dá)到一定值時(shí)導(dǎo)致爆破,將熔滴過渡到熔池中,如圖6-8所示。這種過渡稱為短路過渡。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.2熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過渡熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過渡的常見形式有短路過渡、細(xì)顆粒過渡、噴射過渡、大滴過渡。大滴過渡一般出現(xiàn)在電弧電壓較高、焊接電流較小的條件下,這種過渡非常不穩(wěn)定,而且易導(dǎo)致熔合不良、未焊透、余高過大等缺陷,因此在實(shí)際焊接中無法使用。（1）短路過渡焊接電流和電弧電壓均較小時(shí),由于弧長較短,熔滴尚未長大到能夠過渡的尺寸就把焊絲和熔池短接起來,形成液態(tài)金屬短路小橋,短路電流迅速增大。短路小橋在不斷增大的電磁收縮力作用下縮頸,縮頸處局部電阻和電流密度急劇增大,進(jìn)而導(dǎo)致此處的電阻熱急劇增大。急劇增大的電阻熱導(dǎo)致液態(tài)金屬快速蒸發(fā),當(dāng)蒸發(fā)速度達(dá)到一定值時(shí)導(dǎo)致爆破,將熔滴過渡到熔池中,如圖6-8所示。這種過渡稱為短路過渡。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.2熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過渡其特點(diǎn)是熔池體積小、凝固速度快,因此適合薄板焊接及全位置焊接。短路過渡是細(xì)絲(焊絲直徑一般不大于1.6mm)CO2氣體保護(hù)焊常用的過渡方法,MAG焊和MIG焊較少使用。小電流MIG/MAG焊通常采用脈沖噴射過渡方法。

圖6-8短路過渡焊接時(shí)電流及電壓的變化規(guī)律T—短路過渡周期;t2—短路時(shí)間;t1—燃弧時(shí)間;t3—空載電壓恢復(fù)時(shí)間;Ua—電弧電壓;Imin—最小電流;Imax—最大電流;Ia—平均電流6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.2熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過渡（2）細(xì)顆粒過渡采用粗絲(焊絲直徑一般不小于1.6mm)、大電流、高電壓進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊接時(shí),熔滴過渡為細(xì)顆粒過渡。這種過渡方法的特點(diǎn)是熔池較深,電弧大半或全部潛入工件表面之下(取決于電流大小),熔滴以較小的尺寸、較大的速度沿軸向過渡到熔池中,如圖6-9所示。

圖6-9細(xì)顆粒過渡6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.2熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過渡

圖6-10熔滴的體積和過渡頻率與焊接電流的關(guān)系（3）噴射過渡噴射過渡是普通MIG/MAG焊的常用過渡形式。當(dāng)焊絲直徑一定時(shí),存在著一個(gè)由滴狀過渡向噴射過渡轉(zhuǎn)變的臨界電流Icr,如圖6-10所示。當(dāng)焊接電流大于Icr時(shí)為射流過渡,熔滴過渡頻率急劇增大、熔滴尺寸急劇減小,電弧變得非常穩(wěn)定。對(duì)于鋁及鋁合金來說,當(dāng)焊接電流大于臨界電流時(shí),噴射過渡是一滴一滴地進(jìn)行的,這種過渡稱為射滴過渡。對(duì)于鋼來說,當(dāng)焊接電流大于臨界電流時(shí),噴射過渡是束流狀進(jìn)行的,這種過渡稱為射流過渡。由于只有在大電流下才能實(shí)現(xiàn)噴射過渡,因此普通MIG/MAG焊只能用于厚板的平焊或斜角焊。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.2熔化極氣體保護(hù)焊的熔滴過渡

圖6-11脈沖噴射過渡方式與脈沖電流及脈沖持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系（4）脈沖噴射過渡脈沖噴射過渡僅產(chǎn)生在脈沖MIG/MAG焊中。只要脈沖電流大于臨界電流,就可產(chǎn)生噴射過渡。因此,脈沖MIG/MAG焊可在高至幾百安培、低至幾十安培的范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的噴射過渡,既可焊厚板,又可焊薄板。脈沖噴射過渡有三種過渡形式:一個(gè)脈沖過渡一滴(簡稱一脈一滴)、一個(gè)脈沖過渡多滴(簡稱一脈多滴)及多個(gè)脈沖過渡一滴(多脈一滴)。過渡形式主要決定于脈沖電流及脈沖持續(xù)時(shí)間,如圖6-11所示。三種過渡方式中,一脈一滴的工藝性能最好,多脈一滴的工藝性能最差。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.3熔化極氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)在平焊位置焊接大厚度板時(shí),最好采用直徑為3.2~5.6mm的焊絲;利用該范圍內(nèi)的焊絲時(shí),焊接電流可用到500~1000A。這種粗絲大電流焊的優(yōu)點(diǎn)是,熔透能力大、焊道層數(shù)少、焊接生產(chǎn)率高、焊接變形小。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.3熔化極氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)（3）電弧電壓電弧電壓主要影響熔寬,對(duì)熔深的影響較小。電弧電壓應(yīng)根據(jù)電流的大小、保護(hù)氣體的成分、被焊材料的種類、熔滴過渡方式等進(jìn)行選擇。表6-4列出了不同保護(hù)氣氛下的電弧電壓。

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.3熔化極氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)（4）氣體流量保護(hù)氣體的流量一般根據(jù)電流的大小、噴嘴孔徑及接頭形式來選擇。對(duì)于一定直徑的噴嘴,有一最佳的流量范圍。流量過大,易產(chǎn)生紊流,流量過小,氣流的挺度差,其保護(hù)效果均不好。常用的噴嘴孔徑為20mm,保護(hù)氣體流量為10~20L/min。氣體流量的最佳范圍通常需要利用實(shí)驗(yàn)來確定。（5）噴嘴至工件的距離噴嘴高度應(yīng)根據(jù)電流的大小選擇,如表6-5所示。該距離過大時(shí),保護(hù)效果變差,而且干伸長度增大,焊接電流減小,易導(dǎo)致未焊透、未熔合等缺陷;過小時(shí),飛濺顆粒易堵塞噴嘴。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4高效熔化極氣體保護(hù)焊工藝近年來,熔化極氣體保護(hù)焊在高效化和抑制飛濺方面取得了較大發(fā)展。下面簡要介紹此方面的一些新工藝。6.2.4.1冷金屬過渡熔化極氣體保護(hù)焊（1）冷金屬過渡熔化極氣體保護(hù)焊的基本原理冷金屬過渡(CMT)熔化極氣體保護(hù)焊是一種無飛濺的短路過渡熔化極氣體保護(hù)焊。它是一種基于先進(jìn)的數(shù)字電源和送絲機(jī)的“冷態(tài)”焊接新技術(shù),通過監(jiān)控電弧狀態(tài),協(xié)同控制焊接電流波形及焊絲抽送,在很低的電流大通過回抽焊絲實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的短路過渡,完全避免了飛濺。圖6-12示出了CMT熔化極氣體保護(hù)焊過程中的焊接電流波形與焊絲運(yùn)動(dòng)速度波形。熔滴與熔池一短路,焊接回路中的電流立即被切換為一很小的數(shù)值(20A左右),短路小橋迅速變?yōu)槔鋺B(tài);同時(shí)焊絲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由送進(jìn)變?yōu)榛爻?。?jīng)過一定時(shí)間的焊絲回抽,短路小橋被拉斷,熔滴在冷態(tài)下過渡到熔池中并重新引燃電弧。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝電弧一引燃,焊接電流迅速增大到脈沖電流,熔化焊絲形成熔滴;同時(shí),焊絲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由回抽變?yōu)樗瓦M(jìn)。熔滴長大到一定尺寸后,焊接電流變?yōu)榛惦娏?以防熔滴尺寸過大。隨著焊絲的送進(jìn),熔滴又將焊絲與熔池短路,進(jìn)入下一個(gè)CMT周期。由于短路階段的焊接電流很小(20A左右),短路小橋不會(huì)發(fā)送爆破,熔滴過渡是利用焊絲回抽時(shí)的機(jī)械拉力實(shí)現(xiàn)的,因此,這種過渡完全避免了飛濺。焊接過程是一個(gè)高頻率的“熱-冷”交替過程,顯著降低了熱輸入。這種焊接方法主要采用機(jī)器人操作方式,較少采用半自動(dòng)操作方式。圖6-12CMT過渡過程6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.1冷金屬過渡熔化極氣體保護(hù)焊（2）冷金屬過渡熔化極氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)及應(yīng)用1)優(yōu)點(diǎn)CMT熔化極氣體保護(hù)焊具有如下優(yōu)點(diǎn)。①電弧噪聲小,熔滴尺寸和過渡周期都很均勻,真正實(shí)現(xiàn)了無飛濺的短路過渡焊接和釬焊(參看二維碼-視頻)。②弧長控制精確,通過機(jī)械式監(jiān)控和調(diào)整來調(diào)節(jié)電弧長度,電弧長度基本不受工件表面不平度和焊接速度的影響。這使得CMT熔化極氣體保護(hù)焊的電弧更加穩(wěn)定,即使在很高的焊接速度下也不會(huì)出現(xiàn)斷弧(二維碼-視頻)。③引弧速度是傳統(tǒng)熔化極氣體保護(hù)焊的兩倍(CMT熔化極氣體保護(hù)焊為30ms,MIG焊為60ms),在非常短的時(shí)間內(nèi)即可熔化母材(參看二維碼-視頻)。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝④焊縫質(zhì)量高、可重復(fù)性強(qiáng)。結(jié)合CMT技術(shù)和脈沖控制技術(shù)可有效調(diào)節(jié)熱輸入并改善焊縫成形質(zhì)量,如圖6-13所示。⑤熱輸入低、焊接熱影響區(qū)和焊接變形小。圖6-14比較了不同熔滴過渡形式的熔化極氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)使用范圍?？煽吹?CMT熔化極氣體保護(hù)焊采用的焊接電流和電弧電壓最小,熱輸入最低。低的熱輸入顯著減小了焊接熱影響及焊接殘余變形。圖6-13脈沖對(duì)焊縫成形的影響圖6-14CMT與普通熔化極電弧焊的焊接參數(shù)使用范圍比較6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝⑥間隙搭橋能力更高。由于熱輸入降低,電弧沖擊力減小,CMT熔化極氣體保護(hù)焊的搭橋能力顯著高于普通的MIG焊,如圖6-15所示。圖6-15CMT熔化極氣體保護(hù)焊和MIG焊的間隙搭橋能力比較6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.1冷金屬過渡熔化極氣體保護(hù)焊（2）冷金屬過渡熔化極氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)及應(yīng)用2)應(yīng)用①CMT熔化極氣體保護(hù)焊適用的材料有:a.鋁、鋼和不銹鋼薄板或超薄板(0.3~3mm)的焊接,無需擔(dān)心塌陷和燒穿。b.可用于電鍍鋅板或熱鍍鋅板的無飛濺CMT釬焊。c.可用于鍍鋅鋼板與鋁板之間的異種金屬連接,接頭和外觀合格率達(dá)到100%。②CMT熔化極氣體保護(hù)焊適用的接頭形式有搭接、對(duì)接、角接和卷邊對(duì)接。③CMT熔化極氣體保護(hù)焊可用于平焊、橫焊、仰焊、立焊等各種焊接位置。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.1冷金屬過渡熔化極氣體保護(hù)焊（3）CMT熔化極氣體保護(hù)焊接機(jī)器人系統(tǒng)CMT熔化極氣體保護(hù)焊通常采用機(jī)器人操作方式。CMT熔化極氣體保護(hù)焊接機(jī)器人系統(tǒng)由數(shù)字化焊接電源、專用CMT送絲機(jī)、帶拉絲機(jī)構(gòu)的CMT焊槍、機(jī)器人、機(jī)器人控制器、冷卻水箱、遙控器、專用連接電纜以及焊絲緩沖器等組成,如圖6-16所示。圖6-16CMT焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.2表面張力過渡熔化極氣體保護(hù)焊（1）表面張力過渡熔化極氣體保護(hù)焊的基本原理表面張力過渡(STT)熔化極氣體保護(hù)焊是一種利用電流波形控制法抑制飛濺的短路過渡熔化極氣體保護(hù)焊。短路過渡過程中的飛濺主要產(chǎn)生在兩個(gè)時(shí)刻,一個(gè)是短路初期,另一個(gè)是短路末期的電爆破時(shí)刻。短路初期,熔滴與熔池開始接觸時(shí),接觸面積很小,熔滴表面的電流方向與熔池表面的電流方向相反,因此,兩者之間產(chǎn)生相互排斥的電磁力。如果短路電流的增大速度過快,急劇增大的電磁排斥力會(huì)將熔滴排出熔池之外,形成飛濺。短路末期,液態(tài)金屬小橋的縮頸部位發(fā)生爆破,爆破力會(huì)導(dǎo)致飛濺。飛濺大小與爆破能量有關(guān),爆破能量越大,飛濺越大。由此可看出,將這兩個(gè)時(shí)刻的電流減小可有效抑制飛濺,如圖6-17所示。①T0—T2為燃弧段。在該階段,焊絲在電弧熱量作用下熔化,形成熔滴。控制該階段的電流大小,可防止熔滴直徑過大。②T1—T2為液橋形成段。熔滴剛剛接觸熔池后,迅速將電流切換為一個(gè)接近零的數(shù)值,則熔滴在重力和表面張力的作用下流散到熔池中,形成穩(wěn)定的短路,形成液態(tài)小橋。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝③T2—T3為頸縮段。小橋形成后,焊接電流按照一定的速度增大,使小橋迅速縮頸。當(dāng)達(dá)到一定縮頸狀態(tài)后進(jìn)入下一段。④T3—T4為液橋斷裂段。當(dāng)控制裝置檢測(cè)到小橋達(dá)到臨界縮頸狀態(tài)時(shí),電流在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)降到較低值,防止小橋爆破;然后在重力和表面張力的作用下,小橋被機(jī)械拉斷,基本上不產(chǎn)生飛濺。⑤T4—T7為電弧重燃段和穩(wěn)定燃燒段。電弧重燃,電流先上升到一個(gè)較大值,等離子流力一方面推動(dòng)脫離焊絲的熔滴進(jìn)入熔池,并壓迫熔池下陷,以獲得必要的弧長和燃弧時(shí)間,保證熔滴尺寸;另一方面保證必要的熔深和熔合。然后電流下降為穩(wěn)定值。圖6-17STT法熔滴過渡的形態(tài)和電流、電壓的波形6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.2表面張力過渡熔化極氣體保護(hù)焊（2）表面張力過渡熔化極氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)及應(yīng)用1)優(yōu)點(diǎn)①飛濺率顯著下降,最低可控制在0.2%左右,焊后無需清理工件和噴嘴,節(jié)省了時(shí)間,提高了效率。②焊縫表面成形美觀,焊縫根部容易保證可靠的熔合,因此特別適合各種位置的薄板焊接以及厚板或厚壁管道的打底焊。替代TIG焊進(jìn)行管道的打底焊時(shí),焊接速度更高、成本更低。③在同樣的熔深下,其熱輸入比普通CO2氣體保護(hù)焊低20%,因此焊接變形小、熱影響區(qū)小。④具有良好的搭橋能力,例如焊接3mm厚的板材,允許的間隙可達(dá)2mm。2)缺點(diǎn)①只能焊薄板,不能焊厚板。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.2表面張力過渡熔化極氣體保護(hù)焊②獲得穩(wěn)定焊接過程和質(zhì)量的焊接參數(shù)范圍較窄。例如1.2mm的焊絲,焊接電流的適用范圍僅僅為100~180A。3)應(yīng)用從可焊接的材料來看,STT熔化極氣體保護(hù)焊的適用范圍廣,不僅可用CO2氣體焊接非合金鋼,也可利用純Ar焊接不銹鋼,除此之外,還可焊接高合金鋼、鑄鋼、耐熱鋼、鍍鋅鋼等。其廣泛用于薄板的焊接以及油氣管線的打底焊。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝

6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.3TIME熔化極氣體保護(hù)焊（2）TIME熔化極氣體保護(hù)焊設(shè)備TIME熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)由逆變電源、送絲機(jī)、中繼送絲機(jī)、專用焊槍、帶制冷壓縮機(jī)的冷卻水箱和專用混氣裝置等組成。由于焊接電流和干伸長度均較大,TIME熔化極氣體保護(hù)焊工藝對(duì)焊槍噴嘴和導(dǎo)電嘴的冷卻均有嚴(yán)格要求,需要采用雙路冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,如圖6-18所示。圖6-18TIME熔化極氣體保護(hù)焊專業(yè)焊槍的水冷系統(tǒng)專用混氣裝置可以準(zhǔn)確混合TIME工藝所需的多元混合氣,每分鐘可以提供200L的備用氣體,可供應(yīng)至少15臺(tái)焊機(jī)使用。若某種并報(bào)警。與傳統(tǒng)氣瓶加配比器相比,這種專業(yè)混氣裝置可省氣70%。由于焊接速度快、熔敷速度大,這種焊接方法一般采用自動(dòng)焊或機(jī)器人焊操作方式,極少采用半自動(dòng)焊方式。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.3TIME熔化極氣體保護(hù)焊（3）TIME熔化極氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)及應(yīng)用（1）優(yōu)點(diǎn)①熔敷速度大。同樣的焊絲直徑,TIME熔化極氣體保護(hù)焊可采用更大的電流,以穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡進(jìn)行焊接,因此送絲速度高、熔敷速度大。平焊時(shí)熔敷速度可達(dá)10kg/h,非平焊位置也可達(dá)5kg/h。②熔透能力大,焊接速度快。③適應(yīng)性強(qiáng)。TIME熔化極氣體保護(hù)焊的焊接工藝范圍很寬,可以采用短路過渡、射流過渡、旋轉(zhuǎn)射流過渡等熔滴過渡形式,適合各種厚度的工件和各種焊接位置。④焊接質(zhì)量高。穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡有利于保證側(cè)壁熔合;氦氣的加入可提高熔池金屬的流動(dòng)性和潤濕性,使焊縫成形美觀;TIME專用保護(hù)氣體降低了焊縫金屬的氫、硫和磷含量,提高了焊縫機(jī)械性能,特別是低溫韌性。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.3TIME熔化極氣體保護(hù)焊⑤生產(chǎn)成本低。由于熔透能力大,其可使用較小的坡口尺寸,節(jié)省了焊絲用量。而高的熔敷速度和焊接速度又節(jié)省了勞動(dòng)工時(shí),因此生產(chǎn)成本顯著降低。與普通MIG/MAG焊相比,TIME熔化極氣體保護(hù)焊的成本可降低25%。（2）應(yīng)用TIME熔化極氣體保護(hù)焊適用于碳鋼、低合金鋼、細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼、低溫鋼、高溫耐熱鋼、高屈服強(qiáng)度鋼及特種鋼的焊接;其應(yīng)用領(lǐng)域有船舶、鋼結(jié)構(gòu)、汽車、壓力容器、鍋爐制造業(yè)及軍工企業(yè)。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.4Tandem熔化極氣體保護(hù)焊（1）基本原理Tandem熔化極氣體保護(hù)焊(相位控制的雙絲脈沖GMAW焊)是利用兩個(gè)協(xié)同控制的脈沖電弧進(jìn)行焊接的一種高效GMAW方法。這種方法使用兩臺(tái)完全獨(dú)立的數(shù)字化電源和一把雙絲焊槍。焊槍采用緊湊型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),兩個(gè)導(dǎo)電嘴按一定的角度和距離安裝在噴嘴內(nèi)部,如圖6-19所示。兩根焊絲分別各由一臺(tái)獨(dú)立的數(shù)字化電源供電,形成兩個(gè)可獨(dú)立調(diào)節(jié)所有電參數(shù)的脈沖電弧。兩個(gè)脈沖電弧通過同步器SYNC進(jìn)行控制,保持一定的相位關(guān)系,以保證焊接過程更加穩(wěn)定,如圖6-20所示。兩個(gè)電弧形成一個(gè)熔池,如圖6-21所示。圖6-19典型雙絲焊焊槍6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝圖6-20Tandem熔化極氣體保護(hù)焊焊接電源配置圖圖6-21Tandem熔化極氣體保護(hù)焊焊接過程6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.4Tandem熔化極氣體保護(hù)焊與單絲焊相比,這種方法影響熔透能力的參數(shù)除了焊接電流、電弧電壓、焊接速度、保護(hù)氣體、焊槍傾角、干伸長度和焊絲直徑以外,焊絲之間的夾角、焊絲間距及兩個(gè)脈沖電弧之間的相位差也具有重要的影響。采用這種方法焊接時(shí),前絲后傾,后絲前傾,后絲電流稍小于前絲,通過后絲的電弧力可阻止液態(tài)金屬快速向后流動(dòng),防止駝峰、咬邊及未熔合缺陷。圖6-22焊絲布置采另外,利用兩根焊絲兩個(gè)電弧進(jìn)行焊接,每個(gè)電弧的電流均為單絲時(shí)的一半,電弧壓力顯著降低,熔池凹陷深度降低,這降低了熔池金屬向后排開的速度,有利于防止駝峰、咬邊和未熔合缺陷。兩焊絲之間的夾角一般應(yīng)控制在0~26°,焊絲間距應(yīng)控制在5~20mm(最常用的間距為8~12mm),如圖6-22所示。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.4Tandem熔化極氣體保護(hù)焊根據(jù)電流的大小適當(dāng)匹配兩個(gè)脈沖電弧的相位差,可有效地控制電弧和熔池穩(wěn)定性,得到良好的焊縫成形質(zhì)量,并可顯著提高熔敷速度和焊接速度。圖6-23示出了焊接電流大小及相位差對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響。當(dāng)焊接電流較小時(shí),兩個(gè)脈沖電弧之間的相位差對(duì)電弧30s內(nèi)斷弧次數(shù)有明顯的影響,相位差越大,斷弧次數(shù)越多。圖6-23焊接電流、相位差對(duì)電弧30s內(nèi)斷弧次數(shù)的影響6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.4Tandem熔化極氣體保護(hù)焊這是因?yàn)橄辔徊钤酱?基值電流電弧被峰值電流電弧吸引而拉長的時(shí)間越長,拉長到一定程度會(huì)熄滅,如圖6-24所示。因此,小電流下兩脈沖電弧應(yīng)保持相位差為0。焊接電流較大時(shí),斷弧次數(shù)與相位差無關(guān),兩個(gè)脈沖電弧之間應(yīng)保持180°的相位差。這樣當(dāng)一個(gè)電弧作用在脈沖電流時(shí),另一個(gè)電弧正處于基值電流,兩個(gè)電弧之間的電磁作用力較小,可有效降低兩個(gè)電弧間的電磁干擾和兩個(gè)過渡熔滴間的相互干擾。由于焊槍的質(zhì)量大,因此這種方法只能用于機(jī)器人焊接和自動(dòng)焊,無法進(jìn)行半自動(dòng)焊。圖6-24基值電流電弧(前絲電弧)被峰值電流電弧(后絲電弧)吸引拉長而熄滅(焊接電流為100A+100A,相位差為180°)6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.4Tandem熔化極氣體保護(hù)焊（2）TandemGMAW的特點(diǎn)及應(yīng)用1)優(yōu)點(diǎn)由于具有兩個(gè)可獨(dú)立調(diào)節(jié)的電弧,而且兩個(gè)電弧之間的距離可調(diào),因此TandemGMAW焊的工藝可控性強(qiáng)。其優(yōu)點(diǎn)如下。①顯著提高了焊接速度和熔敷速度。兩個(gè)電弧的總焊接電流最大可達(dá)900A,熔敷速度最高可達(dá)30kg/h。焊薄板時(shí)可顯著提高焊接速度,與傳統(tǒng)單絲GMAW焊相比可提高1~4倍。②焊接一定板厚的工件時(shí),所需的熱輸入低于單絲GMAW焊,焊接熱影響區(qū)小、殘余變形量小。③電弧極其穩(wěn)定,熔滴過渡平穩(wěn),飛濺率低(參看二維碼-視頻)。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.4Tandem熔化極氣體保護(hù)焊④焊槍噴嘴孔徑大,保護(hù)氣體覆蓋面積大,保護(hù)效果好,焊縫的氣孔率低。⑤適應(yīng)性強(qiáng)。多層焊時(shí)可任意定義主絲和輔絲,改變焊接方向時(shí)可不用改變焊槍的方向。⑥能量分配易于調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電弧的能量參數(shù),可使能量合理地分配到接縫兩側(cè),適合不同板厚和異種材料的焊接。2)應(yīng)用雙絲脈GMAW焊可焊接碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、Cr-Ni合金以及鋁及鋁合金。在汽車及汽車零部件、船舶、鍋爐及壓力容器、鋼結(jié)構(gòu)、鐵路機(jī)車車輛制造領(lǐng)域具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.5等離子-熔化極惰性氣體復(fù)合焊（1）等離子-熔化極惰性氣體復(fù)合焊的基本原理這種焊接方法使用了兩臺(tái)電源(一臺(tái)為等離子弧電源,另一臺(tái)為MIG焊電源),是利用一個(gè)特制的PA-MIG焊槍進(jìn)行焊接,如圖6-25所示。焊槍上設(shè)有中心氣體、等離子氣和保護(hù)氣等三個(gè)氣體通路。一般情況下,這三路氣體均采用氬氣。圖6-25Plasma-MIG復(fù)合焊焊槍6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.5等離子-熔化極惰性氣體復(fù)合焊焊接過程中,焊槍與工件之間產(chǎn)生兩個(gè)電弧,即鎢極與工件之間的等離子弧和焊絲與工件之間的MIG電弧,如圖6-26所示。焊絲、MIG電弧以及熔池均被等離子體包圍。這種焊接方法一般采用機(jī)器人焊或自動(dòng)焊操作方式,不用半自動(dòng)焊操作方式。圖6-26Plasma-MIG復(fù)合焊電弧6.2熔化極氣體保護(hù)焊工藝6.2.4.5等離子-熔化極惰性氣體復(fù)合焊（2）等離子-熔化極惰性氣體復(fù)合焊的特點(diǎn)圖6-27MIG焊和Plasma-MIG復(fù)合焊的熔敷速度比較1)優(yōu)點(diǎn)等離子-熔化極惰性氣體(Plasma-MIG)復(fù)合焊的優(yōu)點(diǎn)如下。①等離子弧穩(wěn)定了MIG電弧及端部的熔滴,改善了熔滴過渡,克服了飄弧現(xiàn)象(參看二維碼-視頻)。②由于采用了三路氣體,焊槍保護(hù)效果好,焊縫的氣孔傾向比MIG焊小。③焊絲的干伸長度較常規(guī)MIG焊大,而且壓縮的等離子弧對(duì)焊絲和工件有額外的加熱作用,因此熔敷速度大、熔深能力高,焊接效率高。圖6-27比較了MIG焊和Plasma-MIG復(fù)合焊的熔敷速度。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3.1TIG焊的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用圖6-28鎢極氬弧焊的基本原理1—噴嘴;2—鎢極;3—電弧;4—焊縫;5—工件;6—熔池;7—焊絲;8—保護(hù)氣流（1）基本原理在惰性氣體的保護(hù)下,利用鎢電極與工件之間產(chǎn)生的電弧加熱并熔化母材和填充焊絲的焊接方法稱為鎢極惰性氣體保護(hù)焊(tungsteninertgaswelding)。TIG焊的原理如圖6-28所示。常用的惰性氣體有氬氣(Ar)、氦氣(He)和氬氦混合氣體,在某些場(chǎng)合下(例如不銹鋼或鎳基合金焊接時(shí))可采用氬氣加少量氫氣。這幾種氣體的保護(hù)效果基本相同,但在電弧工藝特性方面有顯著差別。氦氣可顯著提高電弧功率,進(jìn)而提高焊接速度和熔深能力。氦氣的成本比氬氣高很多,工業(yè)生產(chǎn)中通常使用氬氣作為保護(hù)氣體,因此鎢極惰性氣體保護(hù)焊又稱鎢極氬弧焊。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝TIG焊可采用直流和交流兩種形式,而交流TIG焊又有正弦波交流和矩形(方形)波交流兩種。交流TIG焊用于焊接鋁和鋁合金、鎂和鎂合金等活潑金屬;而直流TIG焊用于鋁和鎂以外的其他金屬的焊接,通常采用直流正接(DCSP)。直流正接TIG焊具有電弧穩(wěn)定、熔深能力大、焊縫成形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),但由于工件接陽極,無法去處工件表面的氧化膜。薄板焊接通常采用脈沖TIG焊。脈沖TIG焊按脈沖頻率的大小又分為低頻(0.1~10Hz)脈沖TIG焊、中頻(10~1kHz)脈沖TIG焊和高頻(20~40kHz)脈沖TIG焊三種。（2）TIG焊的特點(diǎn)1)優(yōu)點(diǎn)①可焊接幾乎所有的金屬,特別適合焊接化學(xué)活性強(qiáng)、易形成高熔點(diǎn)氧化物的鋁、鎂及其合金。②焊接過程中鎢棒不熔化,弧長變化干擾因素相對(duì)較少,而且電弧電場(chǎng)強(qiáng)度低、穩(wěn)定性好,因此焊接過程非常穩(wěn)定。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝③焊縫表面成形好,焊縫質(zhì)量高。④即使是使用幾安培的小電流,鎢極氬弧仍能穩(wěn)定燃燒,而且熱量相對(duì)較集中,因此可焊接0.3mm的薄板。脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊不僅可焊厚度更小,而且還可進(jìn)行全位置焊接、熱敏感材料焊接及不加襯墊的單面焊雙面成形焊接。⑤鎢極惰性氣體保護(hù)焊的電弧是明弧,焊接過程參數(shù)穩(wěn)定,易于檢測(cè)及控制,是理想的自動(dòng)化、機(jī)器人化的焊接方法。2)缺點(diǎn)①鎢極載流能力有限,加之電弧熱效率系數(shù)低,因此熔深淺、熔敷速度低,焊接生產(chǎn)率低。②鎢極惰性氣體保護(hù)焊是利用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)的,抗側(cè)向風(fēng)的能力較差。在有側(cè)向風(fēng)的情況下焊接時(shí),需采取防風(fēng)措施。③對(duì)工件清理要求較高。由于采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù),無冶金脫氧和去氫作用,為了避免氣孔、裂紋等缺陷,焊前必須嚴(yán)格去除工件上的油污、鐵銹等。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3.1TIG焊的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用（3）應(yīng)用范圍1)適焊的材料鎢極惰性氣體保護(hù)焊幾乎可焊接所有的金屬和合金,但因其成本較高,生產(chǎn)中主要用于焊接不銹鋼、耐熱鋼以及有色金屬(鋁、鎂、鈦、銅等)及其合金。對(duì)于普通的黑色金屬,其主要用于重要焊縫的打底焊。2)適焊的焊接接頭和位置TIG焊主要用于對(duì)接、搭接、T形接、角接等接頭的焊接,薄板對(duì)接時(shí)(≤2mm)可采用卷邊對(duì)接接頭。其適用于所有焊接位置。3)適焊的板厚與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表6-6給出了TIG焊適用的焊件厚度范圍。從生產(chǎn)率和成本來考慮,TIG焊一般不用于厚度在10mm以上的工件。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝薄壁產(chǎn)品如箱盒、箱格、隔膜、殼體、蒙皮、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、散熱片、鰭片、管接頭、電子器件的封裝等均可采用TIG焊生產(chǎn)。重要厚壁構(gòu)件如壓力容器、管道、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等對(duì)接焊縫的根部熔透焊道或其他結(jié)構(gòu)窄間隙焊縫的打底焊道,為了保證焊接質(zhì)量,一般采用TIG焊進(jìn)行焊接。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3.2TIG焊工藝參數(shù)（1）電流類型與極性選擇鋁、鎂及其合金通常采用交流進(jìn)行焊接,而其他金屬優(yōu)先選用直流正接(DCSP)進(jìn)行焊接。薄板焊接盡量采用脈沖電流,鋁、鎂及其合金通常采用方波交流脈沖,而其他金屬薄板采用直流脈沖。（2）鎢極的直徑及端部形狀鎢極直徑的選擇原則是,在保證鎢極許用電流大于所用焊接電流的前提下,選用的直徑越小越好。鎢極的許用電流取決于鎢極直徑、電流的種類及極性。鎢極直徑越大,其許用電流越大。采用直流正接時(shí),鎢極的許用電流最大;采用直流反接時(shí),鎢極的許用電流最小;而采用交流時(shí),鎢極的許用電流居于直流正接與反接之間。電流波形對(duì)鎢極的許用電流也具有重要的影響,進(jìn)行脈沖鎢極氬弧焊時(shí),由于在基值電流期間鎢極受到冷卻,因此一定直徑的鎢極許用電流值明顯提高。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝鎢極的端部形狀對(duì)電弧穩(wěn)定性有重要影響。對(duì)于直流正接TIG焊,焊接電流較小時(shí),可用小直徑鎢極,末端磨得尖些,這樣電弧容易引燃和穩(wěn)定;焊接電流較大時(shí),宜用帶有平頂或圓頭的錐形,如圖6-29所示。表6-7是推薦的鎢極端部形狀和使用電流范圍。對(duì)于交流TIG焊,鎢極的末端通常磨成球面狀;隨著電流增大,球徑也增大,最大時(shí)等于鎢極半徑(即不帶錐角)。圖6-29TIG焊鎢極末端的形狀6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3.2TIG焊工藝參數(shù)（3）焊接電流焊接電流是決定焊縫熔深的最主要參數(shù),一般根據(jù)母材類型、焊件厚度、接頭形式、焊接位置等因素來選定。對(duì)于脈沖鎢極氬弧焊,焊接電流衍變?yōu)榛惦娏鱅b、脈沖電流Ip、脈沖持續(xù)時(shí)間tp、脈沖間歇時(shí)間tb、脈沖周期T(=tp+tb)、脈沖頻率f(=1/T)、脈沖幅比F(=Ip/Ib)、脈沖寬比K(=tp/tb+tp)等參數(shù)。其中四個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的,這些參數(shù)的選擇原則如下。1)脈沖電流Ip及脈沖持續(xù)時(shí)間tp脈沖電流與脈沖持續(xù)時(shí)間之積Iptp稱為通電量。通電量決定了焊縫的形狀尺寸,特別是熔深,因此,應(yīng)首先根據(jù)母材類型及板厚選擇合適的脈沖電流及脈沖電流持續(xù)時(shí)間。不同材料及板厚的工件可根據(jù)圖6-30來選擇脈沖電流及脈沖電流持續(xù)時(shí)間。焊接厚度小于0.25mm的工件時(shí),應(yīng)適當(dāng)降低脈沖電流值,并相應(yīng)地延長脈沖電流持續(xù)時(shí)間。焊接厚度大于4mm的板時(shí),應(yīng)適當(dāng)增大脈沖電流值,并相應(yīng)地縮短脈沖電流持續(xù)時(shí)間。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝圖6-30不同板厚及材料TIG焊的脈沖電流及脈沖電流持續(xù)時(shí)間2)基值電流Ib基值電流的主要作用是維持電弧的穩(wěn)定燃燒,因此在保證電弧穩(wěn)定的條件下,應(yīng)盡量選擇較低的基值電流,以突出脈沖鎢極氬弧焊的特點(diǎn)。但在焊接冷裂傾向較大的材料時(shí),應(yīng)將基值電流選得稍高一些,以防止火口裂紋?；惦娏饕话銥槊}沖電流的10%~20%。3)脈沖間歇時(shí)間tb脈沖間歇時(shí)間對(duì)焊縫的形狀尺寸影響較小。但其過長時(shí)會(huì)顯著降低熱輸入,形成不連續(xù)焊道。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（4）保護(hù)氣體流量在一定條件下,氣體流量與噴嘴直徑有一個(gè)最佳配合范圍,此時(shí)保護(hù)效果最好,有效保護(hù)區(qū)最大。TIG焊的噴嘴內(nèi)徑范圍為5~20mm,流量范圍為5~25L/min,一般以排走焊接部位的空氣為準(zhǔn)。若氣體流量過低,則氣流挺度不足,排除空氣能力弱,影響保護(hù)效果;若流量太大,則易形成紊流,使空氣卷入,也降低保護(hù)效果。（5）鎢極伸出長度鎢極的伸出長度通常是指露在噴嘴外面的鎢極長度。伸出長度過大時(shí),鎢極易過熱,且保護(hù)效果差;而伸出長度太小時(shí),噴嘴易過熱。因此,鎢極的伸出長度必須保持為適當(dāng)?shù)闹?。?duì)接焊時(shí),鎢極的伸出長度一般保持在5~6mm;焊接T形焊縫時(shí),鎢極的伸出長度最好為7~8mm。（6）噴嘴與工件的距離噴嘴與工件的距離要與鎢極的伸出長度相匹配,一般應(yīng)控制在8~14mm之間。距離過小時(shí),弧長過短,易導(dǎo)致鎢極與熔池的接觸,使焊縫夾鎢并降低鎢極壽命;距離過大時(shí),保護(hù)效果差,電弧不穩(wěn)定。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3.3高效TIG焊TIG焊最大的缺點(diǎn)是焊接生產(chǎn)率低,活性TIG焊、TOP-TIG焊、K-TIG焊、雙鎢極TIG焊、熱絲TIG焊等均是為了解決該問題而提出的新工藝。其中,TOP-TIG焊、K-TIG焊、雙鎢極TIG焊、熱絲TIG焊等方法主要使用自動(dòng)化焊和機(jī)器人焊操作方式。6.3.3.1熱絲TIG焊（1）熱絲TIG焊的原理熱絲TIG焊的原理如圖6-31所示。利用一專用電源對(duì)填充焊絲進(jìn)行加熱,該電源稱為焊絲電源。伸出導(dǎo)電嘴之外的焊絲被熱絲電流產(chǎn)生的電阻加熱到接近熔點(diǎn)的溫度,接觸熔池后迅速熔化,因此,這種方法的熔敷速度顯著提高。圖6-31熱絲TIG焊的原理6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝焊絲的加熱效果取決于熱絲電流、焊絲干伸長度和送絲速度。干伸長度一般控制在15~50mm。在焊絲干伸長度一定時(shí),送絲速度必須與熱絲電流適當(dāng)匹配。熱絲電流過高,會(huì)使焊絲大塊熔斷,焊絲與熔池脫離接觸,熱絲電流中斷,形成不連續(xù)焊縫;熱絲電流過低,會(huì)使焊絲插入熔池,發(fā)生固態(tài)短路。流經(jīng)焊絲的熱絲電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),該磁場(chǎng)容易導(dǎo)致電弧發(fā)生偏吹。為了避免這種磁偏吹,應(yīng)采用如下幾個(gè)措施。①減小焊絲與鎢極之間的夾角。TIG焊時(shí)冷絲與鎢極之間的夾角接近90°,熱絲與鎢極之間的夾角要控制在40°~60°,如圖6-32所示。②熱絲電流和焊接電流都采用脈沖電流,并將兩者的相位差控制為180°,如圖6-33所示。焊接電流為峰值電流時(shí),熱絲電流為零,不產(chǎn)生磁偏吹,電弧熱量用來加熱工件,形成熔池;焊接電流為基值電流時(shí),熱絲電流為峰值電流,電弧在焊絲磁場(chǎng)的吸引下偏向焊絲。盡管此時(shí)產(chǎn)生磁偏吹,但基值電弧主要起維弧作用,對(duì)熔深和熔池行為影響很小。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝圖6-32熱絲和冷絲TIG焊的填絲角度圖6-33熱絲電流和焊接電流相位匹配Iap—電弧電流峰值;Iab—電弧電流基值;Iwp—熱絲電流峰值6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（2）熱絲TIG焊的特點(diǎn)與傳統(tǒng)TIG焊相比,熱絲TIG焊具有如下優(yōu)點(diǎn)。①熔敷速度大。在相同的電流條件下,熔敷速度最多可提高60%,如圖6-34所示。②焊接速度大。在相同的電流條件下,焊接速度可提高100%以上。③熔敷金屬的稀釋率低。最多可降低60%。④焊接變形小。由于用熱絲電流預(yù)熱焊絲,在同樣熔深下所需的焊接電流小,有利于降低熱輸入,減小焊接變形。⑤氣孔敏感性小。熱絲電流的加熱使得焊絲在填入熔池之前就達(dá)到很高的溫度,有機(jī)物等污染物提前揮發(fā),可使焊接區(qū)域中的氫氣含量降低。⑥合金元素?zé)龘p少。在同樣熔深下所需的熱輸入小,降低了熔池溫度,減少了合金元素?zé)龘p。圖6-34熱絲TIG焊和冷絲TIG焊的熔敷速度比較6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（3）熱絲TIG焊的應(yīng)用熱絲TIG焊適用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、雙相或多相鋼、鋁合金和鈦合金等的薄板及中厚板焊接,特別適用于鎢鉻鈷合金系表面堆焊。6.3.3.2TOP-TIG焊普通的填絲TIG焊被稱為冷絲TIG焊。焊接時(shí),焊絲與電極幾乎成90°,不適合機(jī)器人焊接。其缺點(diǎn)如下。①焊槍端部體積較大,可達(dá)性差。②送絲裝置限制了機(jī)器人的靈活性。③對(duì)于復(fù)雜的焊件還得增加一個(gè)聯(lián)動(dòng)的轉(zhuǎn)胎(第七軸),用于協(xié)同焊絲的填絲位置。④填絲TIG焊的電弧熱量分別用于熔化焊件和焊絲。因?yàn)榧s30%電弧熱量用于熔化焊絲,進(jìn)一步限制了焊接速度的提高。因此,目前用于TIG焊的焊接機(jī)器人為了靈活性通常都不采用冷絲TIG焊。TOP-TIG焊是為機(jī)器人填絲TIG焊而開發(fā)的一種新方法。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（1）TOP-TIG焊工藝原理TOP-TIG焊是通過集成在噴嘴側(cè)壁上的送絲嘴進(jìn)行送絲的一種TIG焊方法,如圖6-35所示。焊絲經(jīng)噴嘴側(cè)壁上的送絲嘴進(jìn)入電弧,穿過電弧后進(jìn)入熔池。送絲嘴軸線與鎢極軸線之間的夾角一般為20°。為了防止進(jìn)入電弧后的焊絲接觸到鎢極,焊絲必須與鎢極端部錐面平行,因此鎢極端部需要加工成40°的圓錐或錐臺(tái)形。焊絲通過送絲嘴時(shí)被高溫噴嘴預(yù)熱,進(jìn)入電弧中溫度最高的區(qū)域(鎢極端部附近)后進(jìn)一步被加熱,因此其可用的送絲速度和電弧能量利用率高,如圖6-36和圖6-37所示。圖6-35TOP-TIG焊工藝原理6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝圖6-37不同電流下TOP-TIG焊與普通填絲TIG焊的電弧能量利用率圖6-36TOP-TIG焊與普通填絲TIG焊的送絲速度適用范圍比較6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝TOP-TIG焊的熔滴過渡方式主要有自由滴狀過渡、接觸滴狀過渡和連續(xù)接觸過渡等三種,如圖6-38所示。其主要影響因素是送絲速度,焊接電流和送絲方向也有一定影響。送絲速度較低時(shí),熔滴過渡方式為自由滴狀過渡;隨著送絲速度的提高,自由滴狀過渡先轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|滴狀過渡,再轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)接觸過渡。一定電流下,送絲速度對(duì)熔滴過渡方式的影響見圖6-39。圖6-39送絲速度對(duì)熔滴過渡方式的影響6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝圖6-38鎢極前方送絲時(shí)TOP-TIG焊的熔滴過渡方式6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（2）TOP-TIG焊的特點(diǎn)及應(yīng)用圖6-40TOP-TIG焊與MIG焊的焊接速度比較1)TOP-TIG焊的優(yōu)點(diǎn)①與普通填絲TIG焊相比,其操作方便、靈活,焊縫方向變化時(shí)不需要改變焊絲的送進(jìn)方向。②焊接速度快,能量利用率高。高溫噴嘴和鎢極附近高溫弧柱區(qū)對(duì)焊絲進(jìn)行了強(qiáng)烈的預(yù)熱,這顯著提高了電弧熱量利用率,提高了熔敷速度和焊接速度。焊接厚度3mm以下的板材時(shí),TOP-TIG焊的焊接速度等于甚至優(yōu)于MIG焊,如圖6-40所示。③與MIG/MAG焊相比,焊縫質(zhì)量好、無飛濺、噪聲小。④鎢極到工件的距離對(duì)焊接質(zhì)量的影響不像TIG焊那樣大,拓寬了工藝窗口。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（2）TOP-TIG焊的特點(diǎn)及應(yīng)用2)TOP-TIG焊的缺點(diǎn)TOP-TIG焊對(duì)鎢極端部的形狀要求極其嚴(yán)格,因此只能采用直流正極性接法進(jìn)行焊接,不能采用交流電弧。3)應(yīng)用TOP-TIG焊可用來焊接鍍鋅鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳金合金等。焊接薄板時(shí),其效率高于MIG/MAG焊。由于不能采用交流電弧,因此這種方法一般不用于鋁、鎂等活潑金屬及其合金的焊接。（3）TOP-TIG焊工藝TOP-TIG焊的主要工藝參數(shù)有絲極間距(鎢極到焊絲端部的距離)、鎢極直徑、焊絲直徑、焊接電流、送絲速度和焊接速度等。絲極間距一般取焊絲直徑的1~1.5倍。常用的鎢極直徑為2.4mm和3.2mm,電流上限分別為230A和300A。常用的焊絲直徑為0.8mm、1.0mm和1.2mm三種。TOP-TIG焊的主要焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律見表6-8。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝6.3.3.3匙孔TIG焊（1）匙孔TIG焊工藝原理匙孔TIG焊(K-TIG焊)是一種采用粗鎢極(6mm以上)、大電流(300A以上)的鎢極氬弧焊。焊接過程中,強(qiáng)大的焊接電流可使電磁收縮力和等離子流力顯著增大,電弧挺度提高,從而電弧穿透力也大大加強(qiáng);工件熔透后,在電弧正下方的熔池部位會(huì)產(chǎn)生一個(gè)貫穿工件厚度的小孔,如圖6-41所示。圖6-41K-TIG焊的原理6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝匙孔穩(wěn)定存在的條件為金屬蒸氣的蒸發(fā)反力、電弧壓力、熔池金屬表面張力等三力平衡。匙孔的形狀主要受焊接電流、焊接材料的密度、表面張力、熱導(dǎo)率等參數(shù)的影響。理想的匙孔形狀如圖6-42所示。圖6-42理想的匙孔形狀6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（2）匙孔TIG焊設(shè)備因?yàn)楹附与娏鞔?匙孔TIG焊的焊接電源不能用傳統(tǒng)的TIG焊電源,需要采用額定電流更大的特制電源或埋弧焊電源。采用埋弧焊電源時(shí)需要增加高頻或高壓發(fā)生器,以保證電弧引燃及穩(wěn)定燃燒。圖6-43匙孔TIG焊的焊槍結(jié)構(gòu)與普通焊槍相比,匙孔TIG焊焊槍的體積和重量要大得多。圖6-43示出了匙孔TIG焊的焊槍結(jié)構(gòu)。其噴嘴一般為銅質(zhì),孔徑較大,為了保證良好的氣體保護(hù)效果,保護(hù)氣的流量一般大于20L/min;鎢極直徑在6mm以上,而且需要強(qiáng)力水冷。冷卻水應(yīng)盡量包圍大部分鎢極,保證鎢極最大程度地冷卻,使得鎢極發(fā)射電子點(diǎn)集中在一個(gè)半徑為1mm的區(qū)域內(nèi),實(shí)現(xiàn)“電弧冷壓縮”,以有效增加電流密度,進(jìn)而增大電弧穿透力,保證焊接過程匙孔的穩(wěn)定形成。6.3鎢極惰性氣體保護(hù)焊工藝（3）匙孔TIG焊的工藝特點(diǎn)匙孔TIG焊的優(yōu)點(diǎn)如下。①熔深能力大。常規(guī)速度(0.2~0.3m/min)下,不開坡口、不填焊絲時(shí)一次可焊透12mm厚的不銹鋼或鈦合金。②焊接速度快。焊接3mm厚的不銹鋼時(shí),焊接速度可達(dá)1m/min。③焊縫成形好,焊接變形小。④電弧的熱效率系數(shù)高,能量利用率高。匙孔TIG焊的焊接電流很大,而大電流焊接時(shí)鎢極的熱發(fā)射能力強(qiáng)、壓降低、消耗的熱量少,因此其電弧熱效率系數(shù)高。匙孔TIG焊的缺點(diǎn)是只能焊接不銹鋼、鈦合金、鋯合金等熱導(dǎo)率較低的金屬,對(duì)于鋁合金、銅合金等熱導(dǎo)率較高的金屬,匙孔根部寬度較大,熔池穩(wěn)定性很差,難以獲得良好的成形效果。（4）匙孔TIG焊的工藝參數(shù)匙孔TIG焊常用的電流范圍為300~1000A、電弧電壓為16~20V、鎢極直徑為6.0~8.0mm,鎢極的錐角為60°。6.4激光焊6.4.1激光焊的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用（1）激光焊原理激光焊是利用聚焦激光束作為熱源的一種高能量密度熔化焊方法。其加熱過程實(shí)質(zhì)上是激光與非透明物質(zhì)相互作用的過程。在不同功率密度的激光照射下,材料表面會(huì)發(fā)生不同的物理狀態(tài)變化,主要有固體溫升、表層熔化、汽化及等離子形成等,如圖6-44所示。圖6-44激光輻射金屬材料時(shí)幾種不同的物理狀態(tài)變化6.4激光焊

6.4激光焊

6.4激光焊⑦激光的電光轉(zhuǎn)換效率及整體能量利用率都很低。此外,激光會(huì)被光滑金屬表面部分反射或折射,影響能量向工件傳輸。所以,激光焊焊接一些高反射率的金屬還比較困難。⑧設(shè)備投資大,特別是高功率連續(xù)激光器價(jià)格昂貴。此外,不僅焊件的加工和組裝精度要求高,工裝夾具的精度要求也較高;只有在高生產(chǎn)率下才能顯示出其經(jīng)濟(jì)性。（3）激光焊的主要應(yīng)用固體激光焊或脈沖氣體激光焊既可焊接銅、鐵、鋯、鉭、鋁、鈦、鈮等金屬及其合金,也可焊接石英、玻璃、陶瓷、塑料等非金屬材料。連續(xù)CO2氣體激光焊可焊接大部分金屬與合金,但難以焊接銅、鋁及其合金(因?yàn)檫@兩種金屬對(duì)CO2氣體激光的反射率高、吸收率低)。激光焊已廣泛用于航天、航空、電子儀表、精密儀器、汽車制造、游艇、醫(yī)療器械等領(lǐng)域,既可用來焊接由金屬絲或金屬箔構(gòu)成的精密小零件,也可用于焊接厚度較大的金屬結(jié)構(gòu)件。激光焊還能與電弧熱、電阻熱、摩擦熱等熱源復(fù)合起來進(jìn)行復(fù)合焊,例如激光-MIG復(fù)合焊等,顯著提高焊接質(zhì)量和效率,降低制造成本。6.4激光焊6.4.2激光焊接系統(tǒng)激光焊機(jī)器人系統(tǒng)主要由激光焊接系統(tǒng)(激光器、光束傳輸、聚焦系統(tǒng)和焊槍)、機(jī)器人、變位機(jī)、電源及控制裝置、氣源和水源、操作盤和數(shù)控裝置等組成,如圖6-45所示。6.4.2.1激光器激光器是通過使受激原子分子的電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)來產(chǎn)生相干光束的一種設(shè)備。根據(jù)工作介質(zhì)的類型,激光器分為固體激光器和氣體激光器。圖6-45激光焊設(shè)備組成6.4激光焊（1）固體激光器固體激光器的工作介質(zhì)為紅寶石、YAG(釔鋁石榴石)或釹玻璃棒等,主要由激光工作介質(zhì)、聚光器、諧振腔(全反射鏡和部分反射鏡)、泵燈、電源及控制設(shè)備組成,如圖6-46所示。高壓電源對(duì)儲(chǔ)能電容器充電,而電容器充電到一定電壓后,在觸發(fā)電路控制下向泵燈(氙燈)放電,泵燈發(fā)出強(qiáng)光束,集中照在工作介質(zhì)上。工作介質(zhì)在泵體光束的激勵(lì)下產(chǎn)生激光。激光在諧振腔中振蕩放大后通過部分反射鏡的窗口輸出。通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電容上的充電電壓值出不同能量的激光。固體激光可通過光纖傳輸。圖6-46固體激光器組成1—高壓電源;2—儲(chǔ)能電容;3—觸發(fā)電路;4—泵燈;5—激光工作介質(zhì);6—聚光器;7—全反射鏡;8—部分反射鏡;9—激光6.4激光焊固體激光的波長與工作介質(zhì)有關(guān),紅寶石為0.69μm,YAG為1.06μm。工業(yè)用脈沖Nd:YAG激光器輸出的平均功率較低,但峰值功率卻高于平均功率的15倍;而連續(xù)Nd:YAG激光器輸出的功率達(dá)10kW以上,相比脈沖Nd:YAG激光器具有更高的加工速度。使用氙燈作為激勵(lì)器件的固體激光器稱為燈泵浦激光器。采用激光二極管作為激勵(lì)器件時(shí),則稱為二極管泵浦激光器。二極管泵浦Nd:YAG激光器的波長較短,約在0.85~1.65μm之間。功率超過550W的激光器即可用于焊接與切割。（2）氣體激光器氣體激光器多為CO2激光器,以CO2、N2和He的混合氣體為工作介質(zhì)。CO2激光的波長為10.6μm,是固體(Nd:YAG)激光的10倍。焊接和切割常用的CO2激光器有快速軸流式和橫流式兩種。6.4激光焊1)快速軸流式CO2激光器圖6-47為快速軸流式CO2激光器的結(jié)構(gòu),它由放電管、諧振腔、高速風(fēng)機(jī)以及熱交換器等組成。氣體在放電管內(nèi)以接近聲速的速度流動(dòng),同時(shí)也帶走激光腔體內(nèi)的廢熱。在放電管內(nèi)可有多個(gè)放電區(qū)(圖中4對(duì)電極形成4個(gè)放電區(qū)),高壓直流電源在其間形成均勻的輝光放電。這類激光器的輸出模式為TEM00模式和TEM01模式,適用于焊接和切割。這類激光器的功率可達(dá)20kW以上。圖6-47快速軸流式CO2激光器1—真空系統(tǒng);2—羅茨風(fēng)機(jī);3—激光工作氣源;4—熱交換器;5—?dú)夤?6—全反鏡;7—放電管;8—電極;9—輸出窗口;10—激光束6.4激光焊2)橫流式CO2激光器圖6-48為橫流式CO2激光器的結(jié)構(gòu)。高速壓氣機(jī)可使混合氣體在放電區(qū)做垂直于激光束的流動(dòng),其速度一般為50m/s。氣體直接與換熱器進(jìn)行熱交換,因而冷卻效果好。這種激光器可獲得25kW以上的輸出功率,調(diào)節(jié)放電電流的大小即可控制其輸出功率。圖6-48橫流式CO2激光器1—壓氣機(jī);2—?dú)饬鞣较?3—換熱器;4—陽極板;5—折鏡;6—全反鏡;7—陰極管;8—放電區(qū);9—密封鋼殼;10—半反鏡(窗口)6.4激光焊目前,焊接與切割用激光主要是YAG激光和CO2激光,兩種激光各有特點(diǎn)。Nd:YAG激光的優(yōu)點(diǎn)是:①大多數(shù)金屬對(duì)Nd:YAG激光的吸收率比對(duì)CO2激光的吸收率大;②Nd:YAG激光能通過光纖傳播,有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接;③Nd:YAG激光容易對(duì)中、轉(zhuǎn)換和分光,其激光器和光束傳輸系統(tǒng)所占空間較小。CO2激光的優(yōu)點(diǎn)是:①輸出功率較大、電光轉(zhuǎn)換效率高、聚焦能力好、運(yùn)行費(fèi)用和安全防護(hù)成本低等;②焊接激光反射率較低的材料時(shí)可獲得較高的焊接速度、較大的熔深。6.4激光焊6.4.2.2光束傳輸、聚焦系統(tǒng)和焊槍光束傳輸和聚焦系統(tǒng)又稱外部光學(xué)系統(tǒng),用來把光束傳輸并聚焦到工件上,其端部安裝有提供保護(hù)或輔助氣流的焊槍。圖6-49為兩種激光傳輸和聚焦系統(tǒng)。反射鏡用于改變光束的方向,球面反射鏡或透鏡用來聚焦。在固體激光器中,常用光學(xué)玻璃制造反射鏡和透鏡;而對(duì)于CO2激光器,由于激光波長大,常用銅或反射率高的金屬制作反射鏡,用GaAs或ZnSe制造透鏡。透射式聚焦用于中小功率的激光器,而反射式聚焦用于大功率激光器。圖6-49激光傳輸和聚焦系統(tǒng)1—激光束;2—平面反射鏡;3—透鏡;4—球面反射鏡6.4激光焊6.4.3激光焊焊縫成形方式根據(jù)所用激光束的功率密度大小,激光焊的焊縫成形方式分為熔入型焊接和穿孔型焊接兩種。熔入型焊接的熔池行為和焊接工藝過程與電弧焊基本類似。

圖6-50激光穿孔型焊接焊縫成形6.4激光焊6.4.4激光焊工藝6.4.4.1連續(xù)激光焊（1）接頭形式圖6-51示出了連續(xù)激光焊可用的接頭形式。其中最為常用的是對(duì)接和搭接,一般不需填充金屬。圖6-50激光穿孔型焊接焊縫成形6.4激光焊由于激光經(jīng)聚焦后的光束直徑一般很小,因此,對(duì)接頭的裝配精度要求很高。對(duì)接時(shí),裝配間隙應(yīng)小于材料厚度的15%,工件間的錯(cuò)位和平面度應(yīng)不大于材料厚度的25%,如圖6-52(a)所示。對(duì)于導(dǎo)熱性能好的材料,如銅合金、鋁合金等,還應(yīng)將誤差控制在更小的范圍內(nèi)。此外,不填絲焊接時(shí),裝配間隙會(huì)導(dǎo)致焊縫表面凹陷。激光焊接時(shí)變形雖小,但仍需利用夾具夾緊。搭接時(shí),其裝配間隙的允差為工件中較薄者厚度的25%,如圖6-52(b)所示。若過大,則導(dǎo)致上片燒穿而下片未熔合。圖6-52對(duì)接與搭接接頭的允差6.4激光焊（2）工藝參數(shù)1)入射激光束功率入射激光束功率是影響焊接熔深的主要參數(shù)。在束斑直徑一定的條件下,增加激光功率可增大焊接熔深或提高焊接速度。激光功率、焊接速度和焊接熔深之間的基本關(guān)系如圖6-53所示。2)激光波長波長影響吸收率,波長越短,吸收率越高。如鋁和紫銅對(duì)固體激光的吸收率較高,而對(duì)氣體激光的吸收率則很低。圖6-53激光功率、焊接速度和焊接熔深之間的基本關(guān)系6.4激光焊3)光斑直徑和離焦量在入射激光束功率一定的情況下,光斑直徑越小,激光束的能量密度越大,熔寬越小,熔深越大。激光焦點(diǎn)上光斑中心的功率密度很高,焦點(diǎn)位于工件表面上時(shí)易導(dǎo)致過量的蒸發(fā),因此,激光焊接通常需要一定的離焦量。焦平面位于工件表面上方為正離焦,反之為負(fù)離焦。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)要求熔深較大時(shí),采用負(fù)離焦;焊接薄材料時(shí),宜用正離焦。離焦量較大時(shí),熔深能力較小,焊縫成形方式為熔入型。離焦量減小到某一臨界值時(shí),熔深顯著增大,焊縫成形方式變?yōu)榇┛仔汀?)焊接速度焊接速度影響焊接熔深和熔寬。穿孔型焊接時(shí),熔深幾乎與焊接速度成反比。在一定的功率下,一定的熔深需要合適的焊接速度。過高的焊接速度會(huì)導(dǎo)致未焊透或咬邊等缺陷,過慢的焊接速度會(huì)導(dǎo)致熔寬急劇增大,甚至引起塌陷或燒穿缺陷。6.4激光焊5)保護(hù)氣體的成分和流量焊接時(shí)使用保護(hù)氣體,一是為了保護(hù)被焊部位免受氧化,二是為了抑制大功率焊接時(shí)產(chǎn)生大量等離子體。He可顯著改善激光的穿透力,這是因?yàn)镠e的電離勢(shì)高,不易產(chǎn)生等離子體;而Ar的電離勢(shì)低,易產(chǎn)生等離子體。若在He中加入1%(體積分?jǐn)?shù))的雙原子分子的H2,則會(huì)進(jìn)一步改善激光束的穿透力,增大熔深。采用CO2作為保護(hù)和側(cè)吹氣體時(shí),激光束的熔透能力介于氬氣和氦氣之間。隨著流量的增大,熔深增大,但超過一定值后,熔深基本上維持不變。這是因?yàn)榱髁繌男∽兇髸r(shí),保護(hù)氣體去除熔池上方等離子體的作用是逐漸加強(qiáng)的,從而減小了等離子體對(duì)光束的吸收和散射作用。而一旦流量達(dá)到一定值后,其抑制等離子體的作用不再隨著流量增大而加強(qiáng),而且,過大的流量還會(huì)引起焊縫表面凹陷和氣體的過多消耗。6.4激光焊6.4.4.2脈沖激光焊（1）接頭形式脈沖激光焊加熱斑點(diǎn)微小(微米數(shù)量級(jí)),因而用于薄片(0.1mm厚),薄膜(幾微米至幾十微米)和金屬絲(直徑小至0.02mm)的焊接。圖6-54為金屬絲之間脈沖激光焊的幾種接頭形式。圖6-55為金屬絲與塊狀零件脈沖激光焊的接頭形式。圖6-54金屬絲激光焊的接頭形式圖6-55金屬絲與塊狀零件激光焊的接頭形式(箭頭表示激光)6.4激光焊

6.5攪拌摩擦焊工藝6.5.1攪拌摩擦焊的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用（1）原理攪拌摩擦焊是利用攪拌頭與母材的摩擦熱及攪拌頭的頂鍛壓力進(jìn)行焊接的一種方法,如圖6-56所示。首先,攪拌頭高速旋轉(zhuǎn),攪拌針鉆入工件的接縫處,然后攪拌針與接縫處的母材金屬摩擦生熱,同時(shí)軸肩與工件表面摩擦也會(huì)產(chǎn)生部分熱量,這些熱量使攪拌頭附近的金屬形成熱塑性層。攪拌頭前進(jìn)時(shí),攪拌頭前面形成的熱塑性金屬轉(zhuǎn)移到攪拌頭后面,填滿后面的空隙,形成焊縫。焊縫的形成過程是一個(gè)涉及金屬擠壓、摩擦生熱、塑性變形、遷移、擴(kuò)散、再結(jié)晶等的復(fù)雜過程。圖6-56攪拌摩擦焊原理6.5攪拌摩擦焊工藝（2）攪拌摩擦焊的特點(diǎn)1)優(yōu)點(diǎn)①接頭質(zhì)量高。攪拌摩擦焊屬于固相焊接,不會(huì)產(chǎn)生與材料熔化和凝固相關(guān)的缺陷,如氣孔、偏析和夾雜等。接頭各個(gè)區(qū)域的晶粒細(xì)小、組織致密、夾雜物彌散分布。接頭性能好、質(zhì)量穩(wěn)定、可重復(fù)性好。②生產(chǎn)率高,生產(chǎn)成本低。攪拌摩擦焊無需填充材料和焊劑,也無需保護(hù)保護(hù)氣體,工件預(yù)留余量少,焊前無需特殊清理,也不需要開坡口,焊后接頭也無需去飛邊,與電弧焊相比,成本