TIG焊,等離子焊,電子束焊,高頻感應(yīng)焊、雙絲焊概述

1、非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG焊）綜述傳統(tǒng)TIG焊由于其電極的載流能力有限，電弧功率受到一定限制，使得焊縫熔深淺、焊接速度小，尤其是用于中等厚度的焊接結(jié)構(gòu)時(shí)需要開(kāi)坡口并要進(jìn)行多層焊，因此其使用受到一定限制。熱絲TIG焊是于 1956年在傳統(tǒng)TIG焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的焊接工藝，其基本原理就是在焊絲送進(jìn)熔池之前，對(duì)焊絲進(jìn)行加熱使其達(dá)到一定的預(yù)熱溫度，最終實(shí)現(xiàn)高速高效焊接的目的。而對(duì)焊絲的加熱不僅可以提高焊接速度，而且可以明顯改善熔敷率，并且調(diào)整了焊接熔池的熱輸入量，加快了填充絲的熔化速度，降低了母材的稀釋率，擴(kuò)大了傳統(tǒng)TIG焊焊接工藝方法的適應(yīng)性和應(yīng)用范圍，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前

2、，在國(guó)內(nèi)外熱絲TIG焊已經(jīng)在壓力容器、鍋爐、高溫閥門、高壓管道、石化裝置、海洋采油設(shè)備、軍械制造和航空航天工程等高端工業(yè)部門用于碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等重要焊接部件的焊接。也適用于鈦合金、鋁及其合金等材料的焊接。 過(guò)去，圍繞著焊絲的加熱方法及進(jìn)一步提高其 熔敷效率和擴(kuò)大其適用范圍，已開(kāi)發(fā)出許多具體的熱絲TIG焊方法，主要分類如圖1所示。熱絲TIG焊按照焊絲的數(shù)量可分為單絲和雙絲兩種；單絲時(shí)按照加熱方法的不同分為電阻加熱、電弧加熱、高頻感應(yīng)加熱三種；而且還開(kāi)發(fā)出主要用于大厚板焊接的窄間隙熱絲TIG焊、用于薄板堆焊和表面熔敷的超高速熱絲TIG焊及新型熱絲TIG焊。1單絲熱絲TI

3、G焊1.1電阻加熱單絲熱絲TIG焊日本Hori等提出的熱絲TIG焊裝置中熱絲的加熱方式就是電阻加熱，將熱絲電源的兩極分別接在焊絲和工件上，利用電流流過(guò)焊絲所產(chǎn)生的電阻熱來(lái)加熱焊絲。設(shè)焊絲的伸出長(zhǎng)度為e，焊絲的橫截面積為S,焊絲材料的電阻率為，焊絲的加熱電流為Iw，則在焊絲上產(chǎn)生的電阻熱功率PR為PR=(I2-e)/S可看出，當(dāng)焊絲的直徑很大、焊絲材料的電阻率很低時(shí)，電阻加熱的功率將達(dá)不到焊絲加熱的預(yù)熱溫度，故此方法只適用于大電阻率、較細(xì)焊絲加熱的情形。焊接電流與熱絲電流波形匹配主要分為如表1所示的四種類型。相應(yīng)的電阻加熱熱絲TIG焊可以分為DC式、AC式、PH式、HST式等四種。而DC式電阻加

4、熱熱絲TIG焊存在五大工藝問(wèn)題，分別是磁偏吹、焊絲電弧現(xiàn)象、最優(yōu)熱絲電源參數(shù)調(diào)節(jié)困難、熱絲送進(jìn)位置波動(dòng)以及熔化母材金屬的能力受限制。而其中磁偏吹是DC式電阻加熱熱絲TIG焊工藝中最典型的問(wèn)題。這個(gè)磁偏吹現(xiàn)象的發(fā)生主要是由于熱絲電流所產(chǎn)生的自感應(yīng)磁場(chǎng)而造成的。PH和HST式電阻加熱熱絲TIG焊均能有效地抑制磁偏吹現(xiàn)象的發(fā)生，其中當(dāng)用PH式時(shí)，熱絲電流處于峰值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)磁偏吹，調(diào)小脈沖的占空比，磁偏吹發(fā)生的時(shí)間減少，對(duì)焊接工藝的影響相應(yīng)減小。而當(dāng)采用HST式時(shí)，磁偏吹現(xiàn)象幾乎是完全消失。因此，目前有關(guān)電阻加熱熱絲TIG焊的研究幾乎都集中于HST式電阻加熱熱絲TIG焊方法。HST式對(duì)焊接電流與熱絲電

5、流波形之間的匹配關(guān)系要求非常嚴(yán)格。因此，HST式電阻加熱熱絲TIG焊焊接電源與熱絲電源的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。之前電阻加熱熱絲TIG焊是采用雙電源形式，即焊接電源和熱絲加熱電源二者是分開(kāi)的、相互獨(dú)立、分別控制的。雙電源式電阻加熱熱絲TIG焊焊接過(guò)程中焊接參數(shù)與熱絲參數(shù)是分別調(diào)節(jié)，焊接過(guò)程的不穩(wěn)定性會(huì)使焊接參數(shù)實(shí)時(shí)變化，而熱絲參數(shù)并未發(fā)生相應(yīng)的變化，必將對(duì)焊縫成型產(chǎn)生不利影響。之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均提出了單電源式電阻加熱熱絲TIG焊，即焊接電源與熱絲電源共用一個(gè)電源，是將TIG焊焊接電流的一部分分流作為焊絲加熱電源。采用單電源式能很好地適應(yīng)HST式的發(fā)展。1.2高頻感應(yīng)加熱單絲熱絲TIG焊 范成磊等提出

6、高頻感應(yīng)加熱熱絲TIG焊新方法，其原理如圖3所示。采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，借助高頻交變的磁場(chǎng)，在焊絲上形成高密度的渦流，從而達(dá)到加熱焊絲的目的。與傳統(tǒng)熱絲TIG焊接相比,其特點(diǎn)是：加熱速度快，熱絲效率高，低耗環(huán)保； 通過(guò)對(duì)高頻輸出電流的控制可以精確地控制焊絲溫度；沒(méi)有焊絲電流磁場(chǎng)的干擾,消除了磁偏吹現(xiàn)象，可以確保焊接質(zhì)量；通過(guò)改變輸出振蕩頻率, 利用高頻感應(yīng)集膚效應(yīng),可以控制感應(yīng)加熱的深度；高頻感應(yīng)加熱更好地消除焊絲表面所吸附水分對(duì)焊縫的不利影響；適用于各種金屬材質(zhì)的焊絲,特別是低電阻率焊絲的加熱。但其缺點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間接觸高頻對(duì)人身體健康不利，還有就是高頻感應(yīng)加熱的設(shè)備比較昂貴。高頻感應(yīng)加熱熱絲TI

7、G焊在鋁、鎂及其合金等低電阻率材料的熱絲TIG焊焊接中發(fā)揮著巨大優(yōu)勢(shì)。1.3電弧加熱單絲熱絲TIG焊 呂世雄等提出電弧加熱熱絲TIG焊方法，其原理如圖4所示。此方法的優(yōu)點(diǎn)是：熱絲效率很高；設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低；不存在磁偏吹和高頻；適用于所有材質(zhì)的焊絲，特別是有色金屬。不足之處就在于施焊過(guò)程中電弧加熱焊絲部分有微弱的弧光。2新型熱絲TIG焊（TOP-TIG）TOP-TIG焊接工藝是由法國(guó)SAF公司率先開(kāi)發(fā)的，實(shí)屬TIG焊焊接領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的創(chuàng)新，其原理如圖8所示。SAF公司開(kāi)發(fā)此工藝的主要目標(biāo)是：提高機(jī)器人焊接速度；研制出適合焊接機(jī)器人的緊湊焊槍；不抑制機(jī)器人焊接性能發(fā)揮；自動(dòng)更換電極，方便操作。與

8、傳統(tǒng)熱絲TIG焊的設(shè)計(jì)理念不同，TOP-TIG焊方法是直接利用電弧柱輻射熱和等離子區(qū)的高溫熔化填充焊絲。與傳統(tǒng)的冷絲TIG焊相比，可成倍地提高熔敷率，加快焊接速度。與常規(guī)的MIG/MAG焊相比，焊接速度提高了，并且焊縫質(zhì)量更優(yōu)，焊接過(guò)程也不產(chǎn)生飛濺，經(jīng)濟(jì)性能良好。TOP-TIG焊接方法除了上述優(yōu)點(diǎn)之外,還大大簡(jiǎn)化了焊接附屬設(shè)備，無(wú)需添加單獨(dú)的熱絲電源，而需對(duì)焊槍進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使焊絲在送進(jìn)熔池之前通過(guò)焊接電弧區(qū)。所以TOP-TIG焊工藝的關(guān)鍵部件就是與送絲系統(tǒng)一體化的焊槍的設(shè)計(jì)。而這種焊槍的構(gòu)造使得TOP-TIG焊接過(guò)程中出現(xiàn)了類似MAG焊短路過(guò)渡和顆粒過(guò)渡的過(guò)渡模式。TOP-TIG焊主要用于厚

9、度為3mm以下薄板件的裝配。3超高速熱絲TIG焊ShiUeguri等對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)電源，并利用電弧電流的一部分作為焊絲加熱電流。采用此電源系統(tǒng)，焊速可以提高到普通冷絲TIG焊的兩倍以上。Shinozaki等基于脈沖加熱的熱絲TIG焊系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出超高速熱絲TIG焊。首先，他們利用超高速熱絲TIG焊裝置在板厚為2mm的S304不銹鋼板上進(jìn)行堆焊，研究焊絲的熔化現(xiàn)象及焊絲溫度分布情況。焊絲的熔化現(xiàn)象是用高速攝影拍攝得到的，而焊絲的溫度分布則是通過(guò)輻射測(cè)溫裝置測(cè)得的。研究結(jié)果表明，主要受熱絲電流影響的焊絲溫度分布和焊絲熔化位置是影響該焊接工藝獲得優(yōu)良焊接質(zhì)量的重要因素，并得到

10、了保證焊縫成形與焊接質(zhì)量的適宜的焊接工藝參數(shù)范圍。日本巴布日立工業(yè)公司與Shinozaki教授進(jìn)行共同研究,利用超高速熱絲TIG焊，已實(shí)現(xiàn)平板堆焊的最大速度為7m/min，角焊縫的焊接速度最大可達(dá)到5m/min。這與傳統(tǒng)的焊接方法相比，焊接速度可提高10倍左右。隨后，Shi-nozaki等人利用相同的研究方法與手段對(duì)普通碳鋼和鈦合金的超高速熱絲TIG焊焊接工藝進(jìn)行了研究，并提出熱絲溫度分布簡(jiǎn)化估算方法。并證明了熱絲TIG焊可用于具有不同電阻率材料的焊接。4結(jié)論不同的熱絲TIG焊方法具有不同的特點(diǎn)，也具有不同的適用范圍。這些從熱絲TIG焊基本原理而發(fā)展起來(lái)的方法擴(kuò)大了熱絲TIG焊在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)

11、用范圍，尤其是在大厚板結(jié)構(gòu)與薄板結(jié)構(gòu)焊接中發(fā)揮了其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于HST式電阻加熱熱絲TIG焊、窄間隙熱絲TIG焊、超高速熱絲TIG焊來(lái)說(shuō)，它們?nèi)源嬖谛┘夹g(shù)與工藝難點(diǎn)，也存在許多理論研究熱點(diǎn)。這三種熱絲TIG焊的研究具有很大的理論與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義，從而得到了廣泛的重視。并且隨著微型機(jī)、數(shù)字化控制理論、質(zhì)量控制等技術(shù)的發(fā)展，熱絲TIG焊方法將向著多元化、數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，其在高端工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也將進(jìn)一步擴(kuò)大。等離子焊綜述1概述 等離子弧焊發(fā)明于1953年，英文學(xué)名為“Plasma Arc Welding”，縮寫為PAW，由鎢極氬弧焊發(fā)展而成

12、，是該領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新。等離子弧焊與原始的TIG焊相比，具有優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，早在上世紀(jì)60年代初已成功用于金屬制品生產(chǎn)。近20年來(lái)，等離子弧焊技術(shù)獲得了進(jìn)一步的發(fā)展，并成為現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)制造業(yè)中不可缺少的精密焊接工藝方法,在壓力容器、管道、航天航空、石化裝置、核能裝備和食品及制藥機(jī)械生產(chǎn)中得到普遍的推廣應(yīng)用，可以焊接普通優(yōu)質(zhì)碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、銅鎳合金、鈦、鉭、鋯及其合金和鋁及其合金等金屬材料。 為充分發(fā)揮等離子弧焊方法的潛在優(yōu)勢(shì),增強(qiáng)其工藝適應(yīng)性，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，已開(kāi)發(fā)出各種等離子弧焊工藝方法，如微束等離子弧焊、熔透型（弱等離子）等離子弧焊、鎖孔型等

13、離子弧焊、脈沖等離子弧焊、交流變極性等離子弧焊、等離子弧釬焊和等離子弧堆焊等?？梢灶A(yù)料，等離子弧焊必將在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出愈來(lái)愈重要的作用。 2等離子弧焊的基本工作原理 等離子弧焊是早期對(duì)焊接電弧物理深入研究的最重要的成果之一。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在任何一種焊接電弧中，都存在溫度超過(guò)3000的等離子區(qū)，但在自由狀態(tài)的電弧中，這一區(qū)域的尺寸顯得過(guò)小，且緊靠陰極，未能充分發(fā)揮其作用。TIG焊自由狀態(tài)電弧的形貌成錐形，大部分能量被散失，電弧的熱效率很低,從而大大降低了焊接效率。為充分利用電弧的能量，自然萌發(fā)出將電弧柱進(jìn)行壓縮，使其能量集中的想法，并逐步形成了等離子弧焊的設(shè)計(jì)思想。

14、     等離子弧是一種被壓縮的鎢極氫弧，或者說(shuō)是一種受約束的非自由電弧。一般情況下，借助于水冷噴嘴的約束作用，等離子體電弧弧柱在壓縮作用下形成壓縮電弧，即等離子弧。等離子弧由特殊結(jié)構(gòu)的等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，具有熱壓縮效應(yīng)、機(jī)械壓縮效應(yīng)以及電磁壓縮效應(yīng)的特點(diǎn)。根據(jù)電極接電方式，等離子弧可以分為非轉(zhuǎn)移型等離子弧和轉(zhuǎn)移型等離子弧。 非轉(zhuǎn)移型等離子弧的電極接負(fù)極，噴嘴接正極，電極與噴嘴之間產(chǎn)生等離子弧，工件不接電；轉(zhuǎn)移型等離子弧電極接負(fù)極，工件接正極，等離子弧在電機(jī)與工件之間產(chǎn)生。國(guó)內(nèi)的等離子弧焊接有混合型等離子弧，即非轉(zhuǎn)移型等離子弧和轉(zhuǎn)移型

15、等離子弧同時(shí)存在，電極接負(fù)極，噴嘴與工件接正極。 等離子弧焊接多使用惰性氣體氫氣作為工作氣和保護(hù)氣，利用產(chǎn)生的高溫等離子弧做焊接熱源，通過(guò)加熱并熔化焊材以及母材金屬，使熔化的焊材熔敷在母材上，同時(shí)熔化的焊材與母材之間發(fā)生復(fù)雜的冶金作用而形成焊接接頭。一般情況下，等離子弧焊接有以下幾種分類方法。根據(jù)操作方式的不同，等離子弧焊接分為手工等離子弧焊接和自動(dòng)等離子弧焊接;根據(jù)焊接工藝.等離子弧焊接可分為脈沖等離子弧焊接、小孔型等離子弧焊接、微束等離子弧焊接、熔化極等離子弧焊接、熱茲等離子弧焊接等;根據(jù)焊透母材的方式，等離子弧焊接可分為穿透型等離子弧焊接和熔透型等離子弧焊接。 3等離

16、子弧焊接特點(diǎn) 等離子弧作為一種鎢極氫弧，由于受到水冷噴嘴的壓縮，在機(jī)械壓縮效應(yīng)、熱壓縮效應(yīng)以及電弧自身的電磁壓縮效應(yīng)下，使等離子弧具有能量密度更加集中、溫度更加高、焰流速度更加大，而且剛直性更好的特點(diǎn)。 鑒于等離子弧的以上特點(diǎn)，等離子弧焊接相對(duì)于鎢極氫弧焊而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)。 (1)電弧能量密度大，熔透能力強(qiáng)，因此焊縫深寬比大，截而積小; (2)焊接速度快，薄板焊接變形小，厚板焊接時(shí)熱影響區(qū)窄; (3)電弧方向性強(qiáng)，挺度好，穩(wěn)定性好，電弧容易控制;(4)鎢極內(nèi)縮在噴嘴內(nèi)部，不能與工件接觸，可以杜絕焊縫夾鎢，焊縫質(zhì)量高;(5)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的小孔效應(yīng)，通過(guò)小孔效應(yīng)，可

17、以正而焊接獲得良好的單而焊雙而成形。 等離子弧焊接的缺點(diǎn): (1)焊接時(shí)需要保護(hù)氣和等離子氣兩股氣流，使焊接過(guò)程控制和焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜化;  (2)焊接過(guò)程中，需控制的工藝參數(shù)較多，對(duì)焊接操作人員的技術(shù)要求較高，尤其是程序化控制的自動(dòng)等離子弧焊接。 4等離子弧焊工藝方法的新發(fā)展 近年來(lái)，為適應(yīng)不同焊件的工藝要求，等離子弧焊工藝方法得到了很大的發(fā)展，并開(kāi)發(fā)出了多種等離子弧焊工藝方法。它們已在各工業(yè)部門得以推廣應(yīng)用。     4.1 微束等離子弧焊 微束等離子弧焊亦稱微弧等離子焊，其

18、常規(guī)的焊接電流范圍為0.125A,以產(chǎn)生直徑很細(xì)的等離子弧而得名，可用于壁厚范圍為0.011.5mm的箔材和微型零部件的焊接。微束等離子弧焊作為一種精密焊接法廣泛應(yīng)用于檢測(cè)儀表和微電子器件制造行業(yè)。微束等離子弧焊最大的特點(diǎn)是可在極低的電流下（最小極限電流為25mA）維持穩(wěn)定的電弧，甚至可以用來(lái)焊接幾克重的微型零件，且可保證優(yōu)異的焊接質(zhì)量。在許多應(yīng)用場(chǎng)合，微束等離子弧焊由于設(shè)備投資低，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于激光束焊，已成為一種值得大力推廣的經(jīng)濟(jì)、精密的熔焊方法。 4.2 鎖孔型等離子弧焊 鎖孔型等離子弧焊亦稱穿透型等離子弧焊，它是利用高速、高溫的等離子氣流將焊接熔池穿透

19、，并在底部形成小孔，隨著等離子弧的前移，焊接熔池利用其本身的表面張力將小孔熔合，形成酒杯狀焊縫橫截面形狀。這樣可以一次行程完成單面焊雙面成形的焊縫。在焊接不銹鋼、高合金耐熱鋼、鎳基合金和鈦合金時(shí)，焊縫正反面均能達(dá)到令人滿意的成形，外表均整美觀。目前已成為上列材料焊接的首選焊接工藝方法，在某些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于質(zhì)量要求較高的不銹鋼壓力容器主焊縫，甚至在產(chǎn)品施工圖樣上強(qiáng)制性規(guī)定必須采用等離子弧焊?？梢?jiàn)，鎖孔型等離子弧焊已被該領(lǐng)域的工程技術(shù)人員公認(rèn)為最先進(jìn)的優(yōu)質(zhì)焊接法，并已取得成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)， 4.3 熔透型等離子弧焊 熔透型等離子弧焊的工作原理與鎖孔型等離子弧焊的區(qū)別

20、在于：適當(dāng)減少離子氣的流量，并擴(kuò)大噴嘴孔道直徑，以降低等離子弧的壓縮程度和穿透能力，產(chǎn)生一種所謂弱等離子弧。焊接過(guò)程中，焊接熔池的形成主要借助等離子弧熱傳導(dǎo)。熔透深度的控制則通過(guò)調(diào)整能量參數(shù)（焊接電流、焊接速度）來(lái)實(shí)現(xiàn)。熔透型等離子弧焊的特點(diǎn)是可在相當(dāng)寬的焊接電流范圍內(nèi)（25500A）良好地操作。此外，等離子弧的穩(wěn)定性和弧柱溫度大大高于TIG焊，因此,可以相當(dāng)快的速度（大于60m/h）完成焊接過(guò)程，并保證焊縫的高質(zhì)量。熔透型等離子弧焊已在制管、電工、電子器件、過(guò)濾器、航空器械、船舶和核能裝置部件等制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 4.4 直流脈沖等離子弧焊&#

21、160;為將鎖孔型等離子弧焊也能適用于全位置焊， 開(kāi)發(fā)了焊接電流和離子氣流量同步脈沖的直流脈沖等離子弧焊（脈沖頻率120Hz）。這樣，如同脈沖TIG焊一樣，可按要求嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，從而保證在立焊、仰焊位置亦能使焊縫良好地成形，大大提高了鎖孔型等離子弧焊的工藝適應(yīng)性，滿足了許多大型焊件和管件在安裝位置焊接的需要。在食品、飲料加工、石化工業(yè)中需建造大量大直徑薄壁容器和貯罐，由于這些薄壁容器的剛度很小，不適宜于臥式組裝和焊接，而必須采取立式組裝，這就要求在立焊位置焊接筒體的縱縫，在橫焊位置焊接環(huán)縫，直流脈沖等離子弧焊在該制造行業(yè)已推廣應(yīng)用。 5結(jié)論及展望 等離子弧

22、焊接技術(shù)發(fā)展至今僅僅經(jīng)歷了60余年，其最初在航空航天工業(yè)中得到重視，并且應(yīng)用逐步加強(qiáng)。隨著石油工業(yè)、汽車工業(yè)以及核電工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于具有高焊接質(zhì)量的等離子弧焊接技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。 隨著高端裝備制造工業(yè)的快速發(fā)展，等離子弧焊接技術(shù)將會(huì)有更大的提高和更快的發(fā)展。等離子弧焊接的電弧能量密度大，熔透能力強(qiáng)以及電弧方向性強(qiáng)，焊接速度快，效率高的特點(diǎn)將會(huì)得到更充分地發(fā)揮。在再制造技術(shù)領(lǐng)域中，由于先進(jìn)技術(shù)方法的應(yīng)用，程序化控制的自動(dòng)等離子弧焊接技術(shù)，不僅進(jìn)一步提高了焊接效率，并且大大提高了焊接質(zhì)量，因此，作為等離子弧焊接技術(shù)的發(fā)展方向，程序化控制的自動(dòng)等離子弧焊接技術(shù)在再制造工業(yè)中必然會(huì)

23、得到更廣泛的應(yīng)用。電子束焊綜述1.電子束加工的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)  電子經(jīng)過(guò)匯集成束。具有高能量密度。它是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽(yáng)極間的高壓（25-300kV）加速電場(chǎng)作用下被加速至很高的速度（0.3-0.7倍光速），經(jīng)透鏡會(huì)聚作用后，形成密集的高速電子流。.電子束焊是用會(huì)聚的高速電子流轟擊工件，將 電子束動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)焊接。電子束焊 正因?yàn)樗母吣芰棵芏?，焊接速度快，加熱范圍窄?#160;熱影響區(qū)小，加熱冷卻速度極快等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái) 越廣泛的應(yīng)用。由于電子束加熱過(guò)程貫穿整個(gè)焊接 過(guò)程的始終，一切焊接物理化學(xué)過(guò)

24、程都是在熱過(guò)程 中發(fā)生和發(fā)展的。焊接溫度場(chǎng)決定了焊接應(yīng)力場(chǎng)和 應(yīng)變場(chǎng)，還與冶金、結(jié)晶、相變過(guò)程密不可分，使之成 為影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素。因此，有必 要對(duì)電子束焊溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，這也是進(jìn)行焊接冶 金分析、應(yīng)力應(yīng)變分析與對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。  電子束焊接作為一種高能束加工方法，在生產(chǎn)應(yīng)用中具有重要地位。電子束焊溫度場(chǎng)決定了焊接應(yīng) 力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素。介紹了電子束焊溫度場(chǎng)模型，在分析了點(diǎn)熱源、線熱源模型 的基礎(chǔ)上，指出點(diǎn)熱源模型仍是研宄焊接溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)，同時(shí)介紹了其它

25、幾種考慮電子束小孔效應(yīng)的溫度場(chǎng)模型。 討論了計(jì)算溫度場(chǎng)的熱源模式，給出以高斯函數(shù)分布和雙橢圓體能量密度分布的兩種熱源模式。列舉了熱物理參 數(shù)、相變潛熱、熔池流動(dòng)等影響溫度場(chǎng)的因素。認(rèn)為基于解析解法的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，數(shù)值解法將在溫 度場(chǎng)研宄中發(fā)揮更加重要的作用。電子束焊溫度場(chǎng)模型對(duì)于焊接熱過(guò)程的研究早在40年代就已經(jīng)開(kāi)始。Rosenthal分析了移動(dòng)熱源在固體中的熱傳導(dǎo)。之后，蘇聯(lián)的雷卡林又進(jìn)行大量的工作。建立了如下的數(shù)學(xué)物理模型： （1)熱源集中于一點(diǎn)、一線或一面； （2)材料無(wú)論在何溫度下都是固體，無(wú)相變； （3材料熱物性

26、參數(shù)不隨溫度變化； （4焊接物體的幾何尺寸是無(wú)限的。 然而這些都是系統(tǒng)性的論述我們應(yīng)該在此基礎(chǔ)上論述此技術(shù)在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，及其原理方法首先電子束焊熱源模式焊接熱過(guò)程的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于建立 合理的熱輸入模式。在高能束焊中用于預(yù)測(cè)溫度場(chǎng) 的最廣泛的模型是點(diǎn)熱源和線源模型，尤其是點(diǎn)源 模型是迄今為止焊接溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)。但是電子 束焊作為一種高能束焊與普通電弧焊有明顯的不 同。電子束焊中束孔的形成，使得焊接加熱方式發(fā) 生了很大的變化。其主要的的公式原理來(lái)源： 2.高斯分布熱源模型 高斯函數(shù)的

27、熱流分布是一種比點(diǎn)熱源更切實(shí)際 的熱源分部函數(shù)，應(yīng)用廣泛，它將熱源按高斯函數(shù)在 一定范圍內(nèi)分布，以往建立的許多溫度場(chǎng)模型中都 采用了高斯分布這種熱源分布模式，其函數(shù)為8:q(r) = 3Q exp ( 3r2/a2)Kaa)式中，（r)為半徑r處的表面熱流；為熱流分布 函數(shù)；Q為能量功率；r為距熱源中心的距離。電子 束功率并非總是滿足高斯模式，有些研究者在高斯 模式基礎(chǔ)上對(duì)其加以改進(jìn)，增加電子束斑點(diǎn)加熱中 心區(qū)的比熱流，相應(yīng)改變加熱邊緣的比熱流，同時(shí)保 持熱源輸入的

28、總能量與高斯模式相同。    隨著世界制造業(yè)的快速發(fā)展，焊接技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，焊接技術(shù)水平也越來(lái)越高在飛機(jī)制造領(lǐng)域，作為下一代飛機(jī)制造的主要連接 方法，先進(jìn)焊接技術(shù)替代鉚接技術(shù)已經(jīng)成為了趨勢(shì)電子束焊接主要用于變速箱齒輪、行星齒輪框架、后橋、汽缸、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器渦輪等部件的焊接目前各國(guó)在飛機(jī)制造、航空航天等領(lǐng)域廣泛使用這幾項(xiàng)技術(shù)。尤其 在飛機(jī)制造領(lǐng)域，作為下一代飛機(jī)制造的主要連接方法，先進(jìn)焊接技術(shù) 替代鉚接技術(shù)已經(jīng)成為了趨勢(shì)。首先是航空航天材料的革新。高性能、 多功能、復(fù)合化和高環(huán)境相容性是未來(lái)航空材料的發(fā)展

29、趨勢(shì)。隨著科技 的發(fā)展和對(duì)飛機(jī)、太空船等使用要求的提高，飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)材料結(jié) 構(gòu)經(jīng)歷了 4個(gè)階段的發(fā)展，正在跨人第五階段即機(jī)體材料結(jié)構(gòu)為復(fù)合材 料、鋁合金、鈦合金、鋼結(jié)構(gòu)（以復(fù)合材料為主)、發(fā)動(dòng)機(jī)材料結(jié)構(gòu)為高 溫合金、鈦合金、鋼、復(fù)合材料。飛機(jī)制造中采用了各種焊接技術(shù)。焊 接結(jié)構(gòu)件在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零部件總數(shù)中所占比例已超過(guò)50%,焊接的工作 量已占發(fā)動(dòng)機(jī)制造總工時(shí)的10%左右。在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用電子束焊接主要用于變速箱齒輪、行星齒輪框架、后橋、汽缸、離 合器' 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器渦輪等部件的焊接。焊接熱

30、處理強(qiáng)化或冷作硬化的 材料是接頭的力學(xué)性能不發(fā)生變化。同時(shí)，可以焊接內(nèi)部需保持真空度 的密封件、靠近熱敏元件的焊件、形狀復(fù)雜且精密的零部件，也可以同 時(shí)施焊具有兩層或多層接頭的焊件，這種接頭層與層之間可以間隔幾十 毫米。激光焊技術(shù)主要用于車身拼焊、框架結(jié)構(gòu)和零部件的焊件。激光 拼焊是指在車身設(shè)計(jì)制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計(jì)和性能要求，選擇不 同規(guī)格的鋼板，通過(guò)激光裁剪和拼裝技術(shù)完成車身某一部位的制造。 焊接作為一種傳統(tǒng)技術(shù)又面臨著21世紀(jì)的挑戰(zhàn)。一方面，材料作為 21時(shí)間的支柱巳顯示出：5個(gè)方面的變化趨勢(shì)，即從黑色金

31、屬向有色金 屬變化；從金屬材料向非金屬材料變化；從結(jié)構(gòu)材料向功能材料變化； 從多維材料向低維材料變化；從單一材料向復(fù)合材料變化。新材料的連 接對(duì)焊接技術(shù)提出了更高的要求。另一方面，先進(jìn)制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 正從信息化、集成化、系統(tǒng)化、柔性化等幾個(gè)方面對(duì)焊接技術(shù)的發(fā)展提 出了越來(lái)越高的要求。先進(jìn)焊接技術(shù)將逐步實(shí)現(xiàn)上述要求，提升整個(gè)制 造業(yè)水平。國(guó)外最早先將電子束焊接技術(shù)廣 泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)部件的制造，如美洲虎攻擊機(jī)的阿杜爾渦扇 發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用了 7條環(huán)形電子束焊縫; 作為一種精

32、密焊接工藝，電子束焊接廣泛用于航空航天工業(yè)多種零部件 的加丁.中，如飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件（起落架、框、腹鰭等）和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件、 燃燒室機(jī)匣髙壓渦輪組件以及航空繼電器及波紋管的焊接等。現(xiàn)在，電 子束焊接技術(shù)已經(jīng)成為大型飛機(jī)制造公司的標(biāo)準(zhǔn)配置，是制造飛機(jī)主、 次承力結(jié)構(gòu)件和機(jī)翼骨架的必選技術(shù)之一，也是衡量飛機(jī)制造水平的一 把標(biāo)尺。 結(jié)束語(yǔ) 到目前為止電子束焊的理論建模以解析模型居 多，這些模型基本上都是在一些假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 因此，只是在一定程度上揭示了電子束焊熔池的熱 力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性。盡管如此，因熱

33、物性參數(shù)實(shí)際是 溫度的函數(shù)，是一個(gè)高度非線性問(wèn)題，解析求解常常 是非常困難的。由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，數(shù)值解法 已經(jīng)越來(lái)越多地受到人們地重視，它對(duì)實(shí)際問(wèn)題有 很大的適應(yīng)性，一般稍復(fù)雜的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，幾乎都是 通過(guò)數(shù)值解法求解。許多大型有限元分析軟件開(kāi)發(fā) 成功，使有限元方法在溫度場(chǎng)計(jì)算日益增多，但需對(duì) 它們進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在有限元模型中實(shí)現(xiàn)對(duì)流增強(qiáng)、 熱物性參數(shù)隨溫度變化以及相變與溫度場(chǎng)的耦合。 對(duì)電子束焊物理機(jī)理有清晰透徹的了解，才能 給出正確的物理模型，進(jìn)而給出可靠的數(shù)學(xué)模型。 因此，電子

34、束焊溫度場(chǎng)研究還將在以下方面進(jìn)一步 開(kāi)展研究工作:搞清楚電子束與材料的相互作用，建 立合適的束孔能量吸收模型；考慮熔池內(nèi)液態(tài)金屬 以對(duì)流為主（也有液態(tài)導(dǎo)熱）的傳熱過(guò)程和熔池外以 導(dǎo)熱為主的傳熱過(guò)程；豐富材料在高溫時(shí)熱物性參 數(shù)和性能數(shù)據(jù)，在高溫時(shí)特別是接近熔化時(shí)材料參 數(shù)很難獲得，所以許多材料的高溫?zé)嵛镄詤?shù)一般 是通過(guò)已有的數(shù)據(jù)外推獲得；改進(jìn)溫度場(chǎng)測(cè)量方法 及設(shè)備來(lái)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。 隨著電子束的應(yīng)用日益廣泛，必將推動(dòng)電子束 溫度場(chǎng)研究發(fā)展，為生產(chǎn)實(shí)際提供強(qiáng)有力的理論依 據(jù)。其實(shí)電子束雖

35、然發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)很廣泛醫(yī)療領(lǐng)域也已經(jīng)有所涉及比如：呈現(xiàn)劑量測(cè)定的研究和評(píng)價(jià)劑量交付給皮膚腫瘤采用二極管檢波器總電子療法(TSET)。方法:總皮膚電子輻照(TSEI)技術(shù)被用于治療十患者組織學(xué)證實(shí)蕈樣根據(jù)斯坦福分期系統(tǒng)放射治療部門,國(guó)家癌癥研究所,埃及開(kāi)羅大學(xué)。高劑量率較低的電子束電子能5伏從西門子直線加速器被用于治療。還有增減材制造即現(xiàn)在時(shí)興的3D打印技術(shù)，其電子束掃描速度之快，有些技術(shù)都無(wú)法企及，所以其未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域必將是極為廣闊的，焊接技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用上面所述已經(jīng)甚詳，不在綜述，還有些領(lǐng)域不是很成熟，不過(guò)事業(yè)還是很廣闊的，需要我輩的不懈努力。高頻感應(yīng)焊綜述1 高頻感應(yīng)焊的發(fā)展高頻加

36、熱已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬的熱處理、熔煉、焊接等方面。感應(yīng)焊是利用交變磁場(chǎng)一電場(chǎng)感應(yīng)場(chǎng)中工件上的渦流效應(yīng)加熱工件，使工件熔化，從而實(shí)現(xiàn)焊接的一種方法。焊接設(shè)備由交流電源和感應(yīng)加熱圈組成。交流電源按其頻率不同分為高頻和中頻，高頻電源由于頻率高，加熱迅速，應(yīng)用廣泛。感應(yīng)圈是感應(yīng)加熱設(shè)備的重要元件，交流電源的能量是通過(guò)它傳遞給焊件而實(shí)現(xiàn)加熱的，通常用紫銅管制作，工作時(shí)管內(nèi)通水冷卻。感應(yīng)圈可以根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)成合理的結(jié)構(gòu)，對(duì)于保證焊接質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率有重大的影響，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有單式、多螺管式、扁平式、外熱式、內(nèi)熱式等。感應(yīng)加熱電源早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)主要有：工頻感應(yīng)爐、中頻發(fā)電機(jī)組、電

37、子管振蕩器式高頻電源。20世紀(jì)50年代末硅晶閘管的出現(xiàn)引發(fā)了感應(yīng)加熱電源技術(shù)的一場(chǎng)革命，感應(yīng)加熱電源及其應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。到20世紀(jì)80年代，IGBT開(kāi)關(guān)器件的發(fā)明使感應(yīng)電源的頻率可高達(dá)100kHz，功率達(dá)MW級(jí)。2 高頻感應(yīng)加熱原理和特點(diǎn) 2.1高頻感應(yīng)加熱原理將工件放入感應(yīng)器（線圈通常使用紫銅管制作而成）內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)器通入一定頻率的交變電流，周圍即產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)產(chǎn)生即性瞬間變化的強(qiáng)磁束，將金屬等被加熱物體放置在感應(yīng)圈內(nèi)，磁束就會(huì)貫穿整個(gè)被加熱物質(zhì)，在被加熱物質(zhì)內(nèi)部與加熱的電流相反的方向產(chǎn)生很大的渦電流，由于被加熱物質(zhì)內(nèi)的電阻產(chǎn)生焦耳熱，使物質(zhì)本身的溫度迅速上升，這就是感

38、應(yīng)加熱的原理。感應(yīng)加熱原理圖高頻感應(yīng)加熱是利用高頻感應(yīng)設(shè)備產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)在磁導(dǎo)材料表面的法拉第電磁效應(yīng)和焦耳效應(yīng)在材料表面產(chǎn)生渦流，利用渦流產(chǎn)生的熱能加熱材料。在線圈的交變磁場(chǎng)中導(dǎo)體內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流(單位：A)為式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位：T)；S為工件受磁場(chǎng)作用的橫截面積(單位：cm2)；為交流電頻率(單位：Hz)；N為感應(yīng)線圈的匝數(shù)；Z為工件的阻抗(單位：Q)。2.2 高頻感應(yīng)加熱特點(diǎn)表面效應(yīng)（集膚效應(yīng)）：由于焦耳效應(yīng)，渦流在金屬材料中產(chǎn)生的熱與金屬的電阻、感應(yīng)電流的關(guān)系式為Q=I²RT 由此可知，產(chǎn)生的熱量Q與頻率門的平方成正比，所以高頻感應(yīng)的頻率越高，加熱的速度越快。當(dāng)直流電

39、通過(guò)導(dǎo)體時(shí)， 電流在導(dǎo)體截面上的分布是均勻的，但是當(dāng)交流電通過(guò)圓柱導(dǎo)體時(shí)，電流分布是中心密度小，越接近表面密度越大，當(dāng)電流頻率相當(dāng)高時(shí)，導(dǎo)體的中心可以沒(méi)有電流，而全部集中在導(dǎo)體的表面，這種現(xiàn)象稱為高頻電流的表面效應(yīng)。渦流是由進(jìn)入工件的交變磁場(chǎng)引起的，而磁場(chǎng)從工件的表面到心部也是按指數(shù)曲線衰減的，因此，渦流的最大值集中在工件的表面，這也是表面效應(yīng)。渦流的理論透入深度為：式中：材料電阻率， 為導(dǎo)磁率， 為電流頻率。鄰近效應(yīng)：兩鄰近的導(dǎo)體，例如兩匯流排或感應(yīng)線圈與被感應(yīng)應(yīng)加熱的零件，在有電流通過(guò)的情況下，由于電流磁場(chǎng)的相互作用，在導(dǎo)體上的電流將重新分布，這種現(xiàn)象被稱之為鄰近效應(yīng)。圓環(huán)效應(yīng)：圓環(huán)形導(dǎo)體

40、通入高頻電流（或中頻）交流時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在環(huán)內(nèi)集中，環(huán)外分散，環(huán)內(nèi)的磁通不僅穿過(guò)環(huán)外空間，同時(shí)也穿過(guò)環(huán)形導(dǎo)體本身，這樣就使環(huán)形導(dǎo)體外側(cè)交鏈的磁通多于內(nèi)側(cè)，于是環(huán)形導(dǎo)體外側(cè)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，迫使電流在環(huán)形導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的電流透入深度中流過(guò)，這種現(xiàn)象稱為高頻電的環(huán)形效應(yīng)。在感應(yīng)加熱裝置中，感應(yīng)線圈和工件通常是同心安置，由于導(dǎo)體和工件上的電流方向在任一瞬間都是相反的，所以電流都集中在感應(yīng)線圈的內(nèi)表面和工件的外表面上，工件外表面最先受熱升溫2.3 感應(yīng)加熱的頻率用于感應(yīng)加熱的電源頻率范圍很大，可從50赫茲到幾兆赫茲，選擇頻率的重要依據(jù)是加熱頻率和溫度分布，其次是考慮各種加工工藝（如淬火，焊接）對(duì)電流頻率

41、的一些特殊要求。熔煉透熱加工工藝要求加熱溫度均勻；而淬火要求滿足淬應(yīng)層深度，在此基礎(chǔ)上，要求淬應(yīng)層深度內(nèi)加熱溫度均勻。對(duì)于熔煉還要考慮功率和攪拌力。再者頻率高的電源較頻率低的電源價(jià)格高，功率大的電源價(jià)格高，為此選擇電源頻率及功率成為一項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。2.4 高頻感應(yīng)加熱焊接的特點(diǎn)(1)加熱速度快、生產(chǎn)效率高。高頻感應(yīng)加熱單位功率高達(dá)5001 000/ kW²，所以加熱速度極快，大面積焊接所需時(shí)間只要幾秒，可大大縮短焊接時(shí)間，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。(2)熱影響區(qū)小、對(duì)基體損傷小。高頻感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)使得待焊工件的加熱深度很淺，甚至可以達(dá)到零點(diǎn)幾毫米，僅僅依靠工件傳熱向芯部導(dǎo)熱，工

42、件任一點(diǎn)在進(jìn)入感應(yīng)器內(nèi)時(shí)，被急劇加熱到融化溫度，離開(kāi)感應(yīng)器就進(jìn)入急劇冷卻狀態(tài)，幾乎沒(méi)有保溫時(shí)間，加熱時(shí)間極短，所以熱影響區(qū)很小，基本不會(huì)損傷基體。另外，氧化皮生成極少，即使在空氣中加熱，坯料表面的氧化、脫碳也非常少。(3)避免或減少界面脆性化合物的形成，焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異。由于感應(yīng)加熱速度快、能量集中、冷卻時(shí)間短，獲得的奧氏體晶粒細(xì)，所以感應(yīng)加熱的工件具有非常好的金相組織。用于異種金屬焊接則因加熱時(shí)間極短可以減少界面脆性化合物的形成，能夠有效地提高焊接接頭的力學(xué)性能。(4)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜界面的焊接。感應(yīng)器加熱頭可以根據(jù)不同工件的加熱需要設(shè)計(jì)成相應(yīng)的形狀，而極短的加熱時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)局部加熱，加熱區(qū)溫度

43、迅速建立，溫度過(guò)渡區(qū)較窄，這樣感應(yīng)器能夠沿著復(fù)雜界面移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜界面的焊接。另外，高頻感應(yīng)加熱焊接還具有節(jié)能、可重現(xiàn)性、易于自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是加熱溫度不易準(zhǔn)確控制，且產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)人體危害較大。3 高頻感應(yīng)加熱設(shè)備高頻電源和感應(yīng)加熱器組成。要獲得理想的接頭，首先就要選擇優(yōu)良的電源和感應(yīng)器。3.1 高頻感應(yīng)電源目前高頻感應(yīng)電源主要為IGBT、MOSFET等類型電源，感應(yīng)設(shè)備向微型化、模塊化、集成化方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)感應(yīng)電源公司很多，其中，美國(guó)AMERITHERM公司,RF 電源很有特色。3.2 感應(yīng)圈設(shè)計(jì)感應(yīng)加熱是利用感應(yīng)器進(jìn)行的，感應(yīng)器的形狀及其與工件之間的相互位置，強(qiáng)烈地影響

44、著工件的加熱質(zhì)量和效率。因此，要求感應(yīng)熱處理工作者對(duì)感應(yīng)器的形狀和尺寸作出精心的設(shè)計(jì)和選擇。在選擇感應(yīng)其形狀結(jié)構(gòu)與尺寸時(shí)，必須注意考慮以下因素：工件被加熱部分的形狀、尺寸和位置，確定感應(yīng)器的類型、有效導(dǎo)體的形狀和尺寸以及附屬夾具的形狀等。感應(yīng)加熱電流的頻率， 確定感應(yīng)器載流導(dǎo)體的厚度。感應(yīng)加熱電源的功率容量和電壓等級(jí)等，確定感應(yīng)器的最大電流密度和阻抗大小，進(jìn)而確定感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式和冷卻方法（冷卻水和淬火介質(zhì)）。 3.3感應(yīng)器形狀參數(shù)的選擇 感應(yīng)器的形狀參數(shù)如圖1所示。間隙間隙是指有效圈內(nèi)表面至零件側(cè)表面之間的距離，常用來(lái)表示。間隙是感應(yīng)器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。由感應(yīng)加熱原理可知，越小，感應(yīng)器效

45、率越高。有資料介紹，當(dāng)增加1 倍時(shí)，輸送給零件的功率下降58.3%；增加2倍時(shí)，功率下降75%。間隙增大從而降低感應(yīng)器效率的重要原因是漏磁通增加， 感應(yīng)加熱的能量就是靠磁通傳遞的。間隙也不能太小，其原因有三個(gè)：第一，間隙太小，將增加零件對(duì)感應(yīng)器的磨損；第二，間隙太小，將造成零件與感應(yīng)器之間打火放電，將零件和感應(yīng)器打壞或燒熔； 第三， 間隙太小，在零件淬火時(shí)易產(chǎn)生點(diǎn)狀裂紋，增大間隙，裂紋情況則明顯好轉(zhuǎn)。間隙的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)工件的具體形狀及加熱要求確定。有效圈厚度b有效圈厚度的選擇要考慮以下幾種因素：電流在有效圈中的透入深度；有效圈要有足夠的強(qiáng)度，保證在電磁力及零件和附屬重力作用夾具下不變性，不損

46、壞；加熱過(guò)程中的冷卻情況等。根據(jù)上述因素可用以下兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：有效圈高度Hi：軸類零件中間有淬火長(zhǎng)度Lz時(shí)，有效圈的高度要大于淬火區(qū)Lz，這是因?yàn)榇慊鸺訜釙r(shí)淬火區(qū)兩端的冷金屬要吸收熱量，影響淬火區(qū)長(zhǎng)度。一般，中頻感應(yīng)器用式子：Hi=（1.11.3）Lz感應(yīng)加熱是利用感應(yīng)器進(jìn)行的，感應(yīng)器的形狀及其與工件之間的相互位置，強(qiáng)烈地影響著工件的加熱質(zhì)量和效率。因此，要求感應(yīng)熱處理工作者對(duì)感應(yīng)器的形狀和尺寸作出精心的設(shè)計(jì)和選擇。在選擇感應(yīng)其形狀結(jié)構(gòu)與尺寸時(shí)，必須注意考慮以下因素：(1)工件被加熱部分的形狀、尺寸和位置，確定感應(yīng)器的類型、有效導(dǎo)體的形狀和尺寸以及附屬夾具的形狀等；(2)感應(yīng)加熱電流的頻率，確

47、定感應(yīng)器載流導(dǎo)體的厚度；(3)感應(yīng)加熱電源的功率容量和電壓等級(jí)等，確定感應(yīng)器的最大電流密度和阻抗大小，進(jìn)而確定感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式和冷卻方法(冷卻水和淬火介質(zhì))。4 異種金屬焊接的特點(diǎn)和方法金屬材料的品種眾多，優(yōu)缺點(diǎn)各不相同。為了充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代工業(yè)中常常要求異種金屬連接使用，這對(duì)于提高材料使用性能、有效利用金屬資源具有重要意義。鋁及其合金的密度低、比強(qiáng)度高，加之耐腐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性優(yōu)良，以及良好的可加工性和可回收性、儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，已成為一種重要的輕金屬結(jié)構(gòu)材料。對(duì)于要求結(jié)構(gòu)輕型化和低成本設(shè)計(jì)與制造的交通工具，鋁合金正廣泛應(yīng)用于高速船舶、汽車、航空航天和其他一些金屬結(jié)構(gòu)

48、。例如高速巡邏艇和豪華游艇大多采用主船體為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，上層建筑為鋁合金結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的有效連接，對(duì)鋼一鋁異種金屬的焊接研究具有重要的意義。銅及其合金的高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、易于成型以及適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能等優(yōu)良特性使其成為在工程上廣泛應(yīng)用的一種重要有色金屬材料。但是銅，尤其是工業(yè)純銅，同時(shí)存在強(qiáng)度低、硬度低、抗氧化性差、耐磨性不高等不足，使其應(yīng)用范圍受到限制。銅與鋼、銅與鋁等異種金屬的連接使用能有效改善上述不足。目前異種金屬的連接主要包括鋁一鋼，鋁一銅，鋁一鈦，銅一鋼，銅一鈦等。異種金屬由于物理化學(xué)性能的巨大差異使熔化焊接困難：熔點(diǎn)相差懸殊；線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和熱容量相差很大，容易導(dǎo)致熱

49、應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋；界面過(guò)渡區(qū)易形成脆性的金屬間化合物；有些金屬如鋁、鈦表面容易生成難熔的氧化物膜，會(huì)在焊縫中形成夾渣。因此，采用傳統(tǒng)的熔焊方法難以實(shí)現(xiàn)異種金屬的有效焊接。目前異種金屬焊接主要采用激光焊、摩擦焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊、釬焊等。激光焊能量集中，熱輸入量小，冷卻速度快，焊接質(zhì)量較好，但設(shè)備投資巨大，難以推廣。摩擦焊和爆炸焊接頭的形狀受到限制。爆炸焊采用瞬間焊接，限制了脆性化合物的生成，且界面平整、結(jié)合牢固，目前鋼一鋁焊接主要采用爆炸焊接。例如，南華高速船舶工程股份有限公司制造的高速船主要采用法國(guó)Nobel爆炸公司制造的鋼一鋁過(guò)渡接頭131。但爆炸焊容易引起母材的變形，且生產(chǎn)效率低，成本高。擴(kuò)

50、散焊工件受限且耗能耗時(shí)，效率低。釬焊是異種金屬焊接的主要方法，它可以避免異種金屬因成分、性能不同造成的熔化焊接困難，焊接選擇溫度范圍廣泛，焊件的應(yīng)力和變形小，可完成復(fù)雜形狀、不同金屬甚至金屬與非金屬的焊接。缺點(diǎn)是焊接接頭強(qiáng)度一般比較低。根據(jù)釬焊方法的不同又可分為火焰釬焊、電阻釬焊、感應(yīng)釬焊、爐中釬焊等。5 結(jié)論(1)高頻感應(yīng)焊具有加熱速度快、熱量集中、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特點(diǎn)，其集膚效應(yīng)使得熱影響區(qū)小，對(duì)基體損傷小。(2)異種金屬連接復(fù)合使用越來(lái)越廣泛，但由于物理化學(xué)性能的巨大差異導(dǎo)致其熔化焊接困難，高頻感應(yīng)獨(dú)特的特性可實(shí)現(xiàn)異種金屬的釬焊和熔覆焊，接頭形成冶金結(jié)合，焊接質(zhì)量高。(3)采取適當(dāng)?shù)暮附?/p>

51、工藝，合理控制焊接溫度和時(shí)間，使用高頻感應(yīng)加熱可實(shí)現(xiàn)異種金屬直接的熔一釬焊。(4)焊劑具有溶解被焊母材表面的氧化膜，防止被焊母材的再氧化，降低熔融焊料的表面張力，保護(hù)焊接母材表面的作用。(5)感應(yīng)熔覆具有加熱速度快，生產(chǎn)周期短，熔覆層的厚度可控等特點(diǎn)。熔化極氣體保護(hù)焊綜述熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）以其高效、節(jié)能和便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。因此，已在各種熔焊方法中居主導(dǎo)地位。據(jù)90年代初的統(tǒng)計(jì)，在許多發(fā)達(dá)國(guó)家中，按熔敷金屬量計(jì)算，采用熔化極氣體保護(hù)焊的已經(jīng)占70%以上，其中日本、德國(guó)等都已達(dá)到,#-以上，而手弧焊的比例已經(jīng)降至"#-。我國(guó)也將推廣熔化極

52、氣體保護(hù)焊列入“八五”和“九五”規(guī)劃中。進(jìn)入90年代后，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，各生產(chǎn)廠家為增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本的要求變得更加強(qiáng)烈。焊接作為工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其效率的提高對(duì)提高總的生產(chǎn)率有著舉足輕重的作用。在自動(dòng)化技術(shù)、人工智能理論等相關(guān)學(xué)科的長(zhǎng)足發(fā)展為提高焊接生產(chǎn)效率提供了充足的外部條件的同時(shí)，焊接方法自身生產(chǎn)效率的提高成為影響焊接生產(chǎn)效率提高的主要因素。對(duì)于自動(dòng)化、半自動(dòng)化焊接和機(jī)器人焊接中應(yīng)用最為廣泛的GMAW方法，便顯得尤為突出。因此高效焊接方法的研究將成為今后焊接工藝研究的熱點(diǎn)之一。高效焊接方法包括高速焊和高熔敷率焊兩種焊接方法。其中，高速

53、焊用于薄板焊接，高熔敷率焊用于厚板焊接。下面將對(duì)這兩種焊接方法分別予以介紹。1.高速焊1.1高速焊特點(diǎn)及應(yīng)用前景高速焊與傳統(tǒng)GMAW相比，最大的特點(diǎn)體現(xiàn)在焊接速度上，國(guó)際上比較成熟的高速焊工藝均采用實(shí)心焊絲以CO2作為保護(hù)氣體，即高速CO2焊。常規(guī)CO2焊焊接速度為0.3-0.5m/min，高速焊可達(dá)1-4m/min，為常規(guī)CO2焊焊接速度的3-8倍。在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，大幅度提高了焊接效率。常規(guī)CO2焊作為一種高效（是手弧焊的3-5倍）、節(jié)能的焊接方法已廣泛應(yīng)用于汽車、集裝箱等薄板為主的焊接量較高的工業(yè)中。這種焊接方法在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。在我國(guó)，CO2焊占焊接工作總量的15%左右，為

54、工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的1/5-1/3，有十分廣闊的發(fā)展空間?？梢哉f(shuō)，開(kāi)展高速CO2焊研究工作對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要作用。1.2 常規(guī)焊接方法常規(guī)焊接方法用于高速焊接時(shí)存在的問(wèn)題常規(guī)焊接方法在提高焊接速度時(shí)會(huì)帶來(lái)一些與常規(guī)速度焊接時(shí)不同的問(wèn)題。其中最主要的是焊縫成形差，出現(xiàn)焊道咬邊的現(xiàn)象，進(jìn)一步提高焊接速度會(huì)出現(xiàn)所謂“駝峰”焊道，甚至造成焊縫不連續(xù)。正是由于這一因素的制約，常規(guī)熔化極氣體保護(hù)焊的焊接速度不能超過(guò)1m/min，而在實(shí)際生產(chǎn)中則更被限制在0.5m/min以內(nèi)。所以，如何解決高速焊接時(shí)焊縫成形差的問(wèn)題，是大幅度提高薄板焊接生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。近年來(lái)，各國(guó)工業(yè)界和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者紛紛從焊接材料、焊接工

55、藝和焊接設(shè)備等各個(gè)方面探索解決這一問(wèn)題的方法。1.3研究現(xiàn)狀薄板焊接，一般不采用多層焊接，因此提高焊接效率的主要出發(fā)點(diǎn)應(yīng)是保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，提高單道焊接速度。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多方面進(jìn)行探索以期實(shí)現(xiàn)高速焊。目前已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。改變保護(hù)氣體成分對(duì)提高焊接速度會(huì)有一定的作用，其中比較成功的是瑞典的AGA公司的rapid arc焊接法。它采用高速送絲、大干伸長(zhǎng)和低氧化性氣體mison8（該公司專利產(chǎn)品），增強(qiáng)了熔池潤(rùn)濕性，因而焊縫與母材過(guò)渡平滑，并且焊縫平坦，可在1-2m/min的速度下進(jìn)行焊接而不出現(xiàn)成形缺陷，這種焊接方法已經(jīng)在歐洲得到成功推廣。在焊接設(shè)備方面多采用雙絲甚至多絲的MAG焊接方

56、法。日本研究者藤村告史開(kāi)發(fā)的多絲焊方法的系統(tǒng)示意圖如圖!所示。它采用同一個(gè)焊槍同時(shí)輸送多條焊絲，各焊絲之間相互絕緣，可用藥芯焊絲和100% CO2保護(hù)，也可用實(shí)芯焊絲和80%Ar + 20% CO2保護(hù)。其問(wèn)題是如各焊絲分別采用隔離的電源，則設(shè)備投入過(guò)大，且應(yīng)用不便。如采用同一電源供電，則會(huì)帶來(lái)新問(wèn)題，一是如果電源和送絲系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，則各電弧的電流和電壓會(huì)不等，這樣可能會(huì)造成電弧失去自調(diào)節(jié)能力，另外，各焊絲上燃燒的電弧之間存在強(qiáng)烈的電磁力，會(huì)造成電弧不穩(wěn)，飛濺大，焊縫成形不好，失去多絲焊意義。為解決這一問(wèn)題，藤村采用了電流相位控制的脈沖焊接方式，電弧在三個(gè)焊絲上輪流燃燒，可以保證電弧的挺直性，

57、使焊接過(guò)程穩(wěn)定，另外，通過(guò)調(diào)節(jié)各焊絲之間的位置關(guān)系及其與焊接方向的夾角，可以改變能量分布，保持熔池平靜，從而減小產(chǎn)生咬邊、駝峰等成形缺陷的傾向。采用這種焊接方法成功地進(jìn)行了角焊縫的高速焊接，焊接速度達(dá)到1.8m/min。雙絲焊綜述近年來(lái), 航空航天、交通運(yùn)輸、海洋工程等工業(yè)的發(fā)展, 極大地推動(dòng)了焊接技術(shù)的發(fā)展。伴隨著產(chǎn)品、材料、使用條件的多種多樣, 對(duì)焊接質(zhì)量的要求越來(lái)越高, 因此如何用優(yōu)質(zhì)、高效的焊接技術(shù)來(lái)滿足當(dāng)前的需要, 是焊接工作者面臨的任務(wù)。提高焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化生產(chǎn)、減少焊接缺陷成為實(shí)際生產(chǎn)的迫切要求。焊接生產(chǎn)率的提高主要有兩個(gè)方面:一是薄板焊接時(shí)焊接速度的提高;二是中、厚板焊接時(shí)熔敷率的提高。雙絲焊因具有焊接速度高、焊絲熔敷率高、焊縫質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)而受到各國(guó)焊接學(xué)者的關(guān)注, 因此其應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 對(duì)其研究也越來(lái)越多。 雙絲焊作為一種高效率的焊接方法越來(lái)越被人們關(guān)注。對(duì)于多絲焊的研究國(guó)內(nèi)外都是從雙絲埋弧焊開(kāi)始的 。雙絲埋弧焊最早應(yīng)用于1948 年。雙絲埋弧焊包括單電源雙絲和串列