焊接技术的新进展

3.1.10　焊接技术的新进展

现代科学技术的飞速发展使焊接领域的新技术、新工艺不断涌现，也使常规焊接技术获得新的生命力。现仅就较成熟的几种焊接方法和技术简介如下。

3.1.10.1　特殊焊接方法

1.激光焊

激光焊（laser beam welding）是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。用激光器产生的激光束经聚焦产生高密度能量和瞬间高温，使焊缝处熔化，以实现焊接。

图3-27为激光焊示意图。根据使用激光器的工作方式不同，激光焊可分为连续激光焊和脉冲激光焊，可焊厚度从几微米到几十毫米的工件。

激光焊的主要特点是：

1）能量密度高，焊接时间短，焊缝很窄，工件基本不变形。

2）焊接设备与工件无接触，可借助棱镜和光导纤维等完成远距离焊接和难接触处焊接。

3）能够焊接包括异种金属、难熔金属和部分非金属在内的多种材料。

图3-27　激光焊示意图

1—电源　2—激光器　3—激光束　4—观察器　5—聚集系统　6—聚集光束　7—焊件　8—工作台

4）目前激光焊设备复杂，功率较小，使可焊厚度受到限制。

激光焊适合焊接微型、精密、排列密集和热敏感的工件，除薄板、箔材外，还可焊接细的线材。激光焊广泛用于微电子元件、微型继电器以及仪表游丝等的焊接。

2.窄间隙焊

窄间隙焊（narrow-gap welding）是一种金属厚板的高效焊接方法。在狭窄的接口处，焊丝由特定装置送入接口底部，并与工件之间产生电弧，利用摆动行走送丝在窄接口处由下至上完成多层焊道，直至填满焊缝。窄间隙焊接的接头形式为I形对接接头，焊接位置可以是全位置，可使用的焊接方法包括多种电弧焊方法。根据焊接输入热量的大小，窄间隙焊可分为低热输入窄间隙焊和高热输入窄间隙焊两种。

窄间隙焊的主要特点是：

1）明显缩短厚板焊接加工时间，节省焊接材料，大大提高生产效率。

2）焊接接头性能较好，尤其可改善韧性，且焊接变形小，质量较高。

3）焊缝装配和焊嘴跟踪要求较高，设备较复杂，控制精度要求高。

窄间隙焊主要用于板厚在40mm以上的对接焊件，焊接材料多为钢铁。

3.等离子弧焊

等离子弧焊（plasma arc welding）是借助水冷喷嘴对电弧的约束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。图3-28为等离子弧发生装置示意图。该装置利用特殊结构的焊嘴对钨极产生的电弧进行压缩，从喷嘴喷出并减小截面积，提高电离度，形成具有高温、高能量密度的等离子弧。等离子弧直接加热工件，可在无填充金属的条件下完成焊接。

等离子弧焊的主要特点是：

1）能量集中，温度高，穿透力强，可不开坡口一次焊透12mm以下的钢板，生产效率高。

图3-28　等离子弧发生装置示意图

1—钨极　2—等离子气　3—喷嘴　4—等离子弧　5—焊件　6—冷却水　7—限流电阻　8—电源

2）可焊材料范围广，尤其适合焊接难熔金属和易氧化金属，如钨、钼、铜、铝、钛及其合金。

3）焊接速度快，焊缝窄，变形较小。

4）焊接电流调节范围大，0.1A以下的微束等离子弧适于焊接超薄件。

等离子弧焊主要应用于特种钢和非铁合金的焊接以及表面堆焊，同时可用于切割和喷涂。

4.扩散焊

扩散焊（diffusion welding）是依靠压力的作用，使焊件紧密贴合，在真空或保护气氛中和一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法。扩散焊过程通常需要加热，在外加压力下焊接接头出现塑性流变，达到紧密接触。经一定的时间，原子的扩散和晶粒生长过程使界面逐渐消失，形成冶金连接。

扩散焊的主要特点是：

1）可在不损害材料性能的情况下焊接金属和某些非金属，适合于特殊材料（如复合材料）的焊接。

2）可连接异种金属或异类材料，如金属与陶瓷等。

3）加热温度低，时间长，而且往往需要较高压力，对设备的要求较高。

4）对结构复杂和尺寸相差较大的工件，配合其他工艺，可同时完成成形和连接，如超塑成形-扩散连接。

扩散焊方法主要应用于原子能、航空、航天及电子工业中，近些年也逐步向机械制造和家用电器等部门推广。

3.1.10.2　金属切割新工艺

1.激光切割

激光切割（laser cutting）是利用激光束的热能实现切割的方法。由于激光束加热迅速，金属能被迅速加热到熔点，再借助辅助气流将熔化金属从切缝中快速吹走，实现切割。在利用激光打孔时，则采用激光定向加热，使金属温度迅速达到沸点以上，产生金属蒸气，由切割区逸出，形成穿透性孔洞。

激光切割的主要特点是：

1）切口细小精密、切割质量高。一般钢的切口宽度小于1mm。

2）切割速度快，效率高。激光切割速度可达到30m/min。

3）激光切割对材料无选择性，各种材料均可切割，切割工艺性能良好。

2.等离子弧切割

等离子弧切割（plasma arc cutting）是利用等离子弧的热能实现切割的方法。等离子弧将切割部位的金属局部熔化，同时用高速气流将已熔化的金属吹走，形成狭窄切口。等离子弧由于温度远远高于所有金属及其氧化物的熔点，因此可切割范围大。目前等离子弧切割已出现多种方法，如空气等离子弧切割、脉冲等离子弧切割等。

等离子弧切割的主要特点是：

1）可切割任何钢铁材料和非铁合金，包括各种高熔点金属和其他无法切割的金属。

2）切割速度快，切口质量较高。对6mm厚钢板的切割速度可达到6m/min以上，切口窄而整齐。

3）操作易控制，对工作环境适应性好。

3.1.10.3　堆焊与喷涂

1.堆焊

堆焊（surfacing）是采用熔化焊方法，在零件表面熔敷一层或数层具有一定性能材料的焊接工艺。在零件表面堆焊的目的在于修复零件或增加其耐磨、耐热、耐蚀等方面的性能。

堆焊是焊接的一个特殊分支，各种熔焊工艺均可用于堆焊。目前最常用的堆焊方法包括焊条电弧堆焊、埋弧堆焊、振动电弧堆焊、等离子弧堆焊、气体保护电弧堆焊和电渣堆焊等。

堆焊加工的主要特点是：

1）采用堆焊修复已失去精度或表面破损的零件，可省材料、省费用、省工时，延长零件的使用寿命。

2）堆焊层的特殊性能可提高零件表面耐磨、耐热、耐蚀等的能力，发挥材料的综合性能和工作潜力。

3）由于堆焊材料往往与工件材料差别较大，堆焊具有明显的异种金属焊接特点，因此对焊接工艺及参数要求较高。

堆焊的应用已遍及各种机械的使用制造部门，在冶金机械、重型机械、汽车、动力机械、石油化工等领域均有广泛的应用。

2.喷涂

喷涂（spraying）是将金属粉末或其他物质熔化，并用压缩空气将其以雾状喷射到被加工物体的表面上，形成覆盖层的工艺方法。喷涂的目的是使材料表面具备导电、耐蚀、耐热和外形美观等功能，有时也用于修复磨损零件。

喷涂所用材料很广，各种低熔点金属和高熔点金属以及各种合金都可作为喷涂材料。此外，一些金属氧化物、碳化物、非金属陶瓷、塑料等也被广泛采用。

喷涂加工的主要特点是：

1）加热温度较低，工件表面的温升较小，因而不影响工件的组织和性能。

2）加工的对象广泛，金属和大部分非金属材料均可通过喷涂获得表面覆层。

3）操作工艺过程简单，被喷涂零件的大小不受限制。

3.1.10.4　计算机在焊接中的应用

近年来计算机技术已广泛应用于焊接领域，目前已涉及焊接过程测试与控制分析、焊接质量检验、焊件的计算机辅助设计与制造、焊接机器人以及焊接专家系统等方面。

弧焊设备微机控制系统对焊接电流、焊接速度、弧长等多项参数进行分析和控制。可对焊接操作程序和参数变化等作出实时显示和数据保留，从而给出焊接质量的确切信息。

目前以计算机为核心建立了各种控制系统包括焊接顺序控制系统、焊接程序控制系统、PIC调节系统、最佳控制及自适应控制系统等。这些系统在电弧焊、压焊和钎焊等不同焊接方法中得到应用。

我国已在焊接领域大力推广计算机控制技术。在熔焊方法中建立的微机测试系统，可监测输入能量、温度场及焊接缺陷图像等。微机控制系统不仅能完成规范参数的调整控制，而且对不同空间位置和焊缝跟踪可进行精密而准确的定位控制。在压焊中，利用微机控制系统完成程序控制、热量控制、功率控制和变形控制等。随着计算机控制技术的发展，焊接自动化和智能化水平将提高到一个新的阶段。