焊接技術(shù)及應(yīng)用課件-第三單元 焊接專業(yè)特種技術(shù)

項目一等離子弧焊接、切割與噴涂項目二電子束焊項目三激光焊項目四超聲波焊項目五電渣焊項目六擴散焊項目七摩擦焊項目八鋁熱焊項目九爆炸焊項目十電阻焊項目一等離子弧焊接、切割與噴涂★?知識點1等離子弧對自由電弧的弧柱進行強迫“壓縮”，從而使能量更加集中，弧柱中氣體充分電離，這樣的電弧稱為等離子弧。等離子弧又稱為壓縮電弧。它不同于一般的電弧，一般電弧焊所產(chǎn)生的電弧，因不受外界的約束，故也稱為自由電弧。一、等離子弧的產(chǎn)生等離子電弧是由等離子弧發(fā)生裝置產(chǎn)生的。等離子弧是通過以下三種壓縮作用獲得的：(1)機械壓縮。它利用水冷噴嘴孔道限制弧柱直徑，來提高弧柱的能量密度和溫度。(2)熱收縮。由于水冷噴嘴溫度較低，從而在噴嘴內(nèi)壁建立起一層冷氣膜，迫使弧柱導(dǎo)電斷面進一步減小，電流密度進一步提高，弧柱這種收縮稱為“熱收縮”，也可叫做“熱壓縮”。(3)磁收縮?；≈娏鞅旧懋a(chǎn)生的磁場對弧柱有壓縮作用(即磁收縮效應(yīng))。電流密度愈大，磁收縮作用愈強。二、等離子弧的類型按電源連接方式，等離子弧有非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型和聯(lián)合型三種形式(見圖3-2)。三、等離子弧的應(yīng)用(1)等離子弧焊接。它是借助于水冷噴嘴對電弧的拘束作用，從而獲得較高能量密度的等離子弧進行焊接的方法。(2)等離子弧切割。等離子弧切割是用等離子弧作為熱源、借助高速熱離子氣體熔化和吹除熔化金屬而形成切口的熱切割。(3)等離子弧噴涂。等離子弧噴涂是用等離子弧對工件表面噴涂耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的高熔點金屬或非金屬涂層，等離子弧還可以作為金屬表面熱處理的熱源?！?知識點2等離子弧焊一、等離子弧焊原理等離子弧焊是用等離子弧作為熱源進行焊接的方法。焊接時離子氣(形成離子弧)和保護氣(保護熔池和焊縫不受空氣的有害作用)均為氬氣。等離子弧焊所用電極一般為鎢極，有時還需填充金屬。一般均采用直流正接法(鎢棒接負極)。故等離子弧焊實質(zhì)上是一種具有壓縮效應(yīng)的鎢極氣體保護焊。二、等離子弧焊特點等離子弧焊具有如下特點：(1)微束等離子弧焊可以焊接箔材和薄板。(2)等離子弧焊具有小孔效應(yīng)，能較好實現(xiàn)單面焊雙面自由成形。(3)等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強，10～12mm厚度鋼材可不開坡口，能一次焊透雙面成形，焊接速度快，生產(chǎn)率高，應(yīng)力變形小。(4)等離子弧焊的設(shè)備比較復(fù)雜，氣體耗量大，只宜于室內(nèi)焊接。三、典型等離子弧焊方法1．小孔型等離子弧焊小孔型等離子弧焊是等離子弧焊的主要方法，又稱為穿孔型、鎖孔型或穿透型等離子弧焊，即大電流焊接法。該方法利用等離子弧直徑小、溫度高、能量密度大、穿透能力強的特點，焊接時等離子弧將焊件完全熔透，并產(chǎn)生一個貫穿工件的小孔，熔化的金屬被排擠在小孔周圍，在電弧力、液體金屬重力與表面張力的相互作用下保持平衡。小孔隨等離子弧沿著焊接方向移動，熔化金屬向熔池后方流動，并在電弧后方鎖閉，形成完全熔透、正反面都有波紋的焊縫。焊接時不加填充金屬，焊接電流為100～300A的較大電流，等離子弧焊大都采用這種方法。在小孔型等離子弧焊時，小孔降低了電弧對熔池的壓力，減少了焊縫的下凹和背面焊穿。小孔型焊接不僅可使焊縫正面成形良好，而且在背面成形均勻細窄，其斷面形狀呈“酒杯狀”(圖3-3)。因而，焊件厚度在一定范圍時，可在不開坡口、不留間隙、不需焊絲、背面不用襯墊的情況下實現(xiàn)單面焊雙面成形。該方法也可用于多層焊時的第一層焊道。2．熔透型等離子弧焊熔透型等離子弧焊也稱為熔入型或熔融型等離子弧焊，它采用較小的焊接電流和較小的等離子氣流量，等離子弧的穿透能力降低，在焊接過程中只熔化工件而不產(chǎn)生小孔效應(yīng)，主要靠熱傳導(dǎo)實現(xiàn)熔透。由于電弧的穿透力相對較小，因此在焊接過程中不形成小孔，焊件背面無尾焰，液態(tài)金屬熔池在電弧的下面，靠熔池金屬的熱傳導(dǎo)作用熔透母材，實現(xiàn)焊接。焊縫的斷面呈碗狀。3．微束等離子弧焊焊接電流在30A以下的熔透型等離子弧焊通常稱為微束等離子弧焊。微束等離子弧焊一般為小電流，為形成穩(wěn)定的等離子弧，一般采用聯(lián)合型弧。焊接時，除燃燒于鎢極和焊件間的轉(zhuǎn)移弧外，在鎢極和噴嘴間還存在著維弧(非轉(zhuǎn)移弧)，工作原理如圖3-4所示。四、其他等離子弧焊方法1．等離子弧堆焊等離子弧堆焊(PlasmaArcSurfacing)是利用轉(zhuǎn)移型等離子弧為主要熱源(有時用非轉(zhuǎn)移型弧作為輔助熱源)，在惰性氣體保護下，將絲狀或粉末狀合金材料熔化，熔敷到金屬表面形成堆焊層的一種焊接方法。等離子弧堆焊有三個重要指標(biāo)，即熔敷效率、熔敷速度和稀釋率。熔敷效率是指在堆焊過程中，熔敷金屬與使用的堆焊材料的質(zhì)量百分比，并直接關(guān)系到等離子弧堆焊的生產(chǎn)成本。等離子弧堆焊的熔敷效率一般為80%～95%(質(zhì)量分數(shù))，某些條件下甚至可以達到95%以上。熔敷速度是指單位時間內(nèi)有效熔敷的堆焊合金的質(zhì)量。稀釋率是指母材成分在堆焊層中所占的比例，它的大小直接影響到堆焊層的成分和組織，并最終決定堆焊層的性能。稀釋率低就意味著母材金屬對堆焊層合金成分的影響小，可以用較少的合金材料獲得高性能的堆焊層。等離子弧堆焊的稀釋率一般為5%～30%。若使用反極性等離子弧堆焊方法，可獲得更低的稀釋率。目前，等離子弧堆焊正向著高熔敷速度、低稀釋率的方向發(fā)展。2．等離子-MIG焊接等離子-MIG焊接(PlasmaMIGWelding)是利用等離子弧和熔化極惰性氣體保護電弧互相聯(lián)合作為熱源的一種熔焊方法。它使用兩個直流電源提供能量，且都用直流反接法。等離子弧使用轉(zhuǎn)移型電弧，電極采用環(huán)狀水冷式，環(huán)形電極與噴嘴是相互絕緣的，以防等離子弧下移。焊接時在同一個噴嘴內(nèi)使等離子弧和MIG電弧同軸并作用在一個熔池上，因而采用直流反接法。這種焊接方法具有更強的陰極清理作用，因此可以用于鋁及鋁合金的焊接。由于等離子電弧和MIG電弧共存，總的電弧功率較高，可達20kW以上，從而使這種方法具有很高的焊接效率，一般為TIG焊的5～6倍。由于等離子弧的作用，導(dǎo)致了焊接熔深的明顯增加，達到MIG焊的2～3倍。強烈的電弧清理和雙電弧攪拌熔池作用使焊縫金屬中的氣體和夾雜物被有效地去除，減少了焊縫中出現(xiàn)氣孔和夾雜物的可能性。除了在鋁合金焊接方面的應(yīng)用外，這種方法也被用于其他有色金屬以及各種鋼材的焊接。3．變極性等離子弧焊接變極性等離子弧焊接(VariablePolarityPlasmaArcWelding)是一種不對稱方波交流等離子弧焊。它是一種針對鋁及鋁合金開發(fā)的新型高效焊接工藝方法，綜合了變極性TIG焊和等離子弧焊的優(yōu)點：一方面，它的特征參數(shù)如電流頻率、電流幅值及正負半波導(dǎo)通時間比例均可根據(jù)焊接工藝要求做靈活、獨立的調(diào)節(jié)，從而合理分配電弧熱量，在滿足焊件熔化和自動去除焊件表面氧化膜需要的同時，最大限度地降低鎢電極的燒損；另一方面，它有效利用等離子束流所具有的高能量密度、高射流速度、強電弧力的特性，可在焊接過程中形成穿孔熔池，實現(xiàn)較大厚度鋁、鎂及其合金板在不加墊板條件下單面焊雙面成形。★?知識點3等離子弧焊設(shè)備等離子弧焊設(shè)備一般由焊槍、電源、引弧裝置、氣路及水路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成(如圖3-6所示)。自動化等離子弧焊接設(shè)備還由小車行走機構(gòu)、填充焊絲、送進拖動電路及程控電路等組成?！?知識點5等離子弧切割的原理一、等離子弧切割的原理等離子弧切割是利用高速、高溫和高能的等離子弧和等離子氣流，來加熱和熔化被切割材料，并借助內(nèi)部或者外部的高速氣流或水流將熔化材料排開，直至等離子氣流束穿透背面而形成割口。二、等離子弧切割特點(1)切割速度快。(2)切割質(zhì)量好。(3)可以切割絕大多數(shù)金屬和非金屬材料。(4)切割起始點無需預(yù)熱。(5)工作衛(wèi)生條件差。(6)設(shè)備成本高，耗電量大。三、等離子弧切割種類等離子弧切割按電弧壓縮情況分為一般等離子弧切割和水壓縮等離子弧切割兩類；按所使用的工作氣體分為氬等離子弧切割、氮等離子弧切割、氧等離子弧切割和空氣等離子弧切割?！?知識點6等離子弧切割設(shè)備一、切割電源等離子弧切割與等離子弧焊接一樣，一般都采用陡降外特性的直流電源，但是切割電源輸出的空載電壓一般大于150V，水壓縮等離子弧切割電源空載電壓可高達600V。根據(jù)采用不同電流等級和工作氣體而選定空載電壓。電流等級選得大，選用的切割電源空載電壓要高一些，才能使引弧可靠和切割電弧穩(wěn)定。二、控制系統(tǒng)等離子弧切割的過程由控制系統(tǒng)完成。它包括接通電源輸入回路—使水壓開關(guān)動作—接通小氣流—接通高頻振蕩器—引小電流弧—接通切割電流回路，同時斷開小電流回路和高頻電流回路—接通切割氣流—進入正常切割過程。當(dāng)停止切割時，全部控制線路復(fù)原。三、割炬等離子弧切割割炬一般由電極、電極夾頭、噴嘴、冷卻水套、中間絕緣體、氣室、水路、氣路、饋電體等組成。割炬的噴嘴孔直徑要小，有利于壓縮等離子弧。割炬中工作氣體的通入可以是軸向吹入、切線旋轉(zhuǎn)吹入或者是軸向和切線旋轉(zhuǎn)組合吹入。切線旋轉(zhuǎn)吹入式送氣對等離子弧的壓縮效果更好，是最常用的一種。割炬中的電極可采用純鎢棒、釷鎢棒、鈰鎢棒，電極材料優(yōu)先使用鈰鎢。端面形狀和焊接用的電極相同，也可采用鑲嵌式電極，空氣等離子弧切割時采用鑲嵌式電極?！?知識點7等離子弧切割工藝及切割參數(shù)一、切割工藝等離子弧切割最常用的氣體為氬氣、氮氣、氮加氬混合氣體、氬加氫混合氣體等，依據(jù)被切割材料及各種工藝條件而選用。等離子弧的種類決定切割時的弧壓，弧壓越高，切割功率越大，切割速度及切割厚度都相應(yīng)提高。但弧壓越高，要求切割電源的空載電壓也越高，否則將難以引弧。二、切割參數(shù)等離子弧切割的切割參數(shù)主要包括切割電流、空載電壓、切割速度、氣體流量、噴嘴距工件的距離等。★?知識點8等離子弧噴涂的原理及特點等離子弧噴涂是以等離子弧為熱源的熱噴涂。圖3-14是等離子弧噴涂原理示意圖。將高頻電源接通，使鎢極端部與前槍體之間發(fā)生火花放電，于是電弧便被引燃。電弧引燃后切斷高頻電路。引燃后的電弧在孔道中受到三種壓縮效應(yīng)，其溫度開始升高，噴射速度加快。此時往前槍體的送粉管中輸送粉狀材料，粉末在等離子焰流中被加熱到熔融狀態(tài)，并高速噴敷在零件表面上。當(dāng)撞擊零件表面時，熔融狀態(tài)的球狀粉末發(fā)生塑性變形，粘附于零件表面，各粉粒之間也依靠塑性而相互結(jié)合起來。隨著噴涂的進行，零件表面就獲得了一定尺寸的噴涂層。等離子噴涂的主要優(yōu)點如下：(1)零件無變形，不改變基體金屬的熱處理性質(zhì)。(2)由于等離子焰流的溫度高，可將各種噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，因而涂層種類多。(3)工藝穩(wěn)定，涂層質(zhì)量高。等離子噴涂的缺點是投資較多，需要一定純度的氮氣或氖氣等，還需加強安全防護措施并注意操作者保健?！?知識點9等離子弧噴涂設(shè)備圖3-15是等離子弧噴涂設(shè)備示意圖。它主要由電源、供氣系統(tǒng)、熱交換器、控制柜、送粉器、噴槍、高頻引弧裝置、冷卻裝置等組成。項目二電子束焊★?知識點1電子束焊的原理及分類近20年來，電子束焊發(fā)展很快，焊接的產(chǎn)品已由原子能、火箭、航空等部門向民用產(chǎn)品，電子束焊接現(xiàn)場如圖3-16所示。電子束焊(ElectronicBeamWelding)是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產(chǎn)生的熱能來進行焊接的一種焊接方法。雖然電子束只有50多年的歷史，但由于其具有很多優(yōu)于傳統(tǒng)焊接工藝方法的特點，使得電子束焊在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。從起先用于原子能及宇航工業(yè)，繼而擴大到航空、汽車、電子、電器、機械、醫(yī)療、石油化工、造船、能源等幾乎所有的工業(yè)部門。一、電子束的產(chǎn)生電子束是高壓加速裝置產(chǎn)生的高能束流。高壓加速裝置中，陰極、陽極、聚束極、聚焦透鏡、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及合軸系統(tǒng)等組成電子束的產(chǎn)生裝置，如圖3-17所示。其各部分的作用如下：(1)陰極：常用鎢、鉭以及六硼化鑭等材料制成，在加熱電源直接加熱或間接加熱下，其表面溫度上升，發(fā)射電子。(2)陽極：為了使陰極發(fā)射的自由電子定向運動，在陰極上加上負高壓，使電子在加速電壓作用下產(chǎn)生定向加速運動，形成束流。(3)聚束極(控制極、柵極)：由陰極和陽極即可組成簡單的二極電子槍。但為了能控制兩極間的電子，進而控制電子束流，有時需要在電子槍上加一個聚束極，也叫做控制極或柵極，稱為三極槍。(4)聚焦透鏡：由電子槍發(fā)射出來的電子束向焊件方向運動，其束流功率并不十分集中，并且在所經(jīng)過的路徑上產(chǎn)生發(fā)散。為了得到可用于焊接金屬的電子束流，需要通過電磁線圈對其進行聚焦，聚焦線圈可以是一級，也可以是兩級。(5)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：在焊接和加工過程中，往往需要電子束具有掃描功能，因此通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來控制電子束進行偏擺。(6)合軸系統(tǒng)：電子束經(jīng)過靜電透鏡、電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)以及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)后，由于電磁透鏡對中心和邊緣區(qū)域的電子束會聚能力不同，會產(chǎn)生不能聚焦一點的漫射圓斑，從而造成球差。透鏡的磁場軸向不對稱、電子的能量不同也會使電子束分散，在通過電磁透鏡時產(chǎn)生像差，使電子束形成的束流斑點不符合要求。因此有時需要加上一套合軸系統(tǒng)，來控制束流斑點的品質(zhì)及保證對中、合軸線圈既可放在靜電透鏡上部，也可放在其下部。二、電子束焊接原理電子束是由高壓加速裝置產(chǎn)生的高能束流，經(jīng)過加速和會聚的高能電子束流具有極高的能量密度。在電子束焊中，利用高壓加速裝置形成高功率電子束流，定向高速運動的電子束撞擊置于真空或非真空中的工件表面后，在很小的焦點范圍內(nèi)會將部分電子的動能迅速轉(zhuǎn)化成熱能(見圖3-18)，焦點處的最高溫度達5930℃左右，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)。在高壓金屬蒸氣的作用下，熔化的金屬被排開，電子束就能繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬，從而實現(xiàn)焊接過程。電子束撞擊到工件表面時，電子動能轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，形成深熔型焊接。形成深熔焊的主要原因是金屬蒸氣的反作用力。電子束功率密度低于105W/cm2時，金屬表面不產(chǎn)生大量蒸發(fā)現(xiàn)象，電子束的穿透能力很小。在大功率焊接中，電子束的功率密度達106W/cm2以上，足以獲得很強的穿透效應(yīng)和很大的深寬比。三、電子束焊分類1．按焊件所處環(huán)境分類1)高真空電子束焊高真空電子束焊接是在高真空(10-4～10-1Pa)工作室中進行。良好的高真空環(huán)境可以保證對熔池的“保護”，防止金屬元素的氧化和燒損，適用于活潑性金屬、難熔性金屬和質(zhì)量要求高的焊接。2)低真空電子束焊低真空電子束焊接是在低真空(10-1～10Pa)工作室內(nèi)進行，電子槍仍在高真空條件下工作。適用于批量大的零件的焊接和在生產(chǎn)線上使用。3)非真空電子束焊非真空電子束焊焊機沒有真空工作室，電子束仍是在高真空條件下產(chǎn)生，然后通過一組光闌、氣阻通道和若干級真空小室，引入到處于大氣壓力下的環(huán)境中對工件進行焊接。非真空電子束各真空室采用獨立的抽真空系統(tǒng)，以便在電子和大氣間形成壓力依次增大的真空梯度。這種方法的優(yōu)點是不需要真空室，工件尺寸不受限制，可以焊接尺寸大的工件，生產(chǎn)效率高。4)局部真空型近年來，新發(fā)展的移動式真空室或局部真空電子束焊接方法既保留了真空電子束焊高功率的優(yōu)點，又不需要真空室，因而在大型工件的焊接上有應(yīng)用前景。2．按電子束加速電壓分類1)高壓電子束焊接高壓電子束焊接的電子槍的加速電壓在120kV以上，易于獲得直徑小、功率密度大的束斑和深寬比大的焊縫。2)中壓電子束焊接中壓電子束焊接的加速電壓在40～100kV之間，電子槍可以做成固定式和移動式。3)低壓電子束焊接低壓電子束焊接的加速電壓低于40kV。在相同功率的條件下，束流會聚困難，束斑直徑一般難以達到1mm以下，功率密度小，適于薄板焊接?！?知識點2電子束焊的特點及應(yīng)用一、電子束焊的特點電子束焊的優(yōu)點具體如下：(1)功率密度大，熱量集中。(2)電子束穿透能力強，焊縫深寬比(H/B)大。電子束焊對不同材料的熔透情況如圖3-19所示，與普通焊接方法的對比如圖3-20所示。(3)焊接速度快，焊縫熱物理性能好。(4)焊縫純度高。(5)焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣，適應(yīng)性強。(6)可焊材料多。電子束焊的缺點具體如下：(1)電子束焊一般必須在真空條件中進行，設(shè)備復(fù)雜，價格高，使用維護要求高。(2)焊接裝備要求高，焊接件尺寸受真空室大小的限制。(3)焊接前對接頭加工、裝配要求嚴格，以保證接頭位置準(zhǔn)確、間隙小。(4)需對電子束焊接時所產(chǎn)生的X射線嚴加防護，以保證操作人員健康和安全。(5)電子束易受到雜散電磁場的干擾，影響焊接質(zhì)量。二、電子束焊的應(yīng)用電子束焊接的應(yīng)用見表3-8?！?知識點3電子束焊設(shè)備一、電子束焊設(shè)備的組成在實際應(yīng)用中，真空電子束焊機通常由電子槍、高壓電源、控制及監(jiān)測系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、工作臺以及輔助裝置等幾大部分組成(見圖3-23)。二、電子束焊設(shè)備的選擇與應(yīng)用國外生產(chǎn)的電子束焊設(shè)備的品種較多，真空電子束設(shè)備已商品化，我國真空電子束焊機的研制自20世紀(jì)80年代以來也取得較大進展。目前，中等功率的真空電子束焊機已形成了系列，一些焊接設(shè)備采用了微機控制等先進技術(shù)，圖3-25為微機控制電子束焊機外觀照片。1．電子束焊設(shè)備的選擇選用電子束焊設(shè)備時，應(yīng)綜合考慮被焊材料、板厚、形狀、產(chǎn)品批量等因素，一般來說，焊接化學(xué)性能活潑的金屬(如W、Mo、Nb、Ti等)及其合金應(yīng)選用高真空焊機，焊接易蒸發(fā)的金屬及其合金應(yīng)選用低真空焊機；厚大工件選用高壓型焊機，中等厚度工件選用中壓型焊機；成批生產(chǎn)的選用專用焊機，品種多，批量小或單件生產(chǎn)則選用通用型焊機。2．電子束設(shè)備的操作與安全防護1)啟動在真空室的工件安裝就緒后，關(guān)閉真空室門，然后接通冷卻水，閉合總電源開關(guān)。按真空系統(tǒng)的操作順序啟動機械泵和擴散泵，待真空室內(nèi)的真空度達到預(yù)定值時，便可進入實施階段。2)焊接將電子槍的供電電源接通，逐漸升高加速電壓，使之達到所需的數(shù)值。然后相應(yīng)地調(diào)節(jié)燈絲電流和轟擊電壓，使有適當(dāng)小的電子束流射出，在工件上看到電子束焦點，再調(diào)節(jié)聚焦電流，使電子束的焦點達到最佳狀態(tài)。假如焦點偏離接縫，可調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)線圈電流或?qū)㈦娮訕寵M向移動，使其對中。此時調(diào)節(jié)轟擊電源，使電子束流達到預(yù)定數(shù)值，按下啟動按鈕，工件按預(yù)定速度移動，進入正常焊接過程。3)停止焊接結(jié)束時，必須先逐漸減小偏轉(zhuǎn)電壓使電子束焦點離開焊縫，然后把加速電壓降低到零點，并把燈絲電源及傳動裝置的電源降低到零值，此后再切斷高壓電源、聚焦偏轉(zhuǎn)電源盒傳動裝置電源，這樣就完成了一次焊接。4)安全防護安全防護主要指高壓防護和射線防護兩個方面?！?知識點4電子束焊工藝一、電子束焊工藝參數(shù)的選擇電子束焊的主要焊接參數(shù)有：加速電壓、電子束流、聚焦電流、焊接速度和工作距離。1．加速電壓在相同功率、不同的加速電壓下，所得焊縫深度和形狀是不同的。2．電子束流(簡稱束流)電子束流與加速電壓一起決定著電子束的功率，增加電子束電流，熔深和熔寬都會增加。3．焊接速度焊接速度和電子束功率一起決定著焊縫的熔深、焊縫寬度以及被焊材料熔池行為。增加焊接速度會使焊縫變窄，熔深減小。4．聚焦電流電子束焊時，相對于焊件表面而言，電子束的聚焦位置有上焦點、下焦點和表面焦點三種，焦點位置對焊縫形狀影響很大。根據(jù)被焊材料的焊接速度、焊縫接頭間隙等決定焦距位置，進而確定電子束斑點大小。5．工作距離焊件表面與電子槍的工作距離會影響到電子束的聚焦程度，工作距離變小時，電子束的壓縮比增大，使電子束斑點直徑變小，增加了電子束功率密度。但工作距離太小會使過多的金屬蒸氣進入槍體造成放電，因而在不影響電子槍穩(wěn)定工作的前提下，可以采用盡可能短的工作距離。二、深熔焊的工藝方法電子束焊的最大優(yōu)點是具有深穿透效應(yīng)，如圖3-26所示，為了保證獲得深穿透效應(yīng)，除了合理選擇電子束焊工藝參數(shù)外，還可以采取如下的一些工藝措施：1．電子束水平入射焊當(dāng)焊接熔深超過100?mm時，采用電子束水平入射、側(cè)向焊接方法進行焊接。因為水平入射側(cè)向焊接時，液態(tài)金屬在重力作用下會流向偏離電子束轟擊路徑的方向，其對小孔通道的封堵作用降低，此時的焊接方向可以是自下而上或是橫向水平施焊。2．脈沖電子束焊在同樣功率下，采用脈沖電子束焊，可有效地增加熔深。因為脈沖電子束的峰值功率比直流電子束高很多，可使焊縫獲得高得多的峰值溫度，金屬蒸發(fā)速率會高出一個數(shù)量級。另外，脈沖焊可產(chǎn)生更多的金屬蒸氣，使反作用力增加，小孔效應(yīng)增加。3．變焦電子束焊極高的功率密度是獲得深熔焊的基本條件。電子束功率密度最高的區(qū)域在其焦點上，在焊接大厚度焊件時，可使焦點位置隨著焊件的熔化速度變化而改變，始終以最大功率密度的電子束來轟擊待焊金屬。4．焊前預(yù)熱或預(yù)置坡口焊件在焊前被預(yù)熱，可減少焊接時熱量沿焊縫橫向的熱傳導(dǎo)損失，有利于增加熔深。對有些高強度鋼進行焊前預(yù)熱，還可以減少焊后裂紋傾向。深熔焊時，會有一定量的金屬堆積在焊縫表面，如果預(yù)開坡口，則這些金屬會填充坡口，相當(dāng)于增加了熔深。另外，如果結(jié)構(gòu)允許，盡量采用穿透焊，因為液態(tài)金屬的一部分可以在焊件的下表面流出，減少熔化金屬在接頭表面的堆積，減少液態(tài)金屬的封閉效應(yīng)，增加熔深，減少焊根缺陷。項目三激光焊★?知識點1激光焊的原理及分類激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一項新興的技術(shù)。激光焊接的基本原理是利用激光器產(chǎn)生激光光束，激光光束經(jīng)聚焦后可達105W/cm2以上的能量密度，當(dāng)作用于焊件接縫處時，焊件將吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能，溫度可達5000K至數(shù)萬K，使金屬快速熔化以進行焊接。激光焊接現(xiàn)場如圖3-27所示。激光焊接具有能量密度高、可聚焦、深穿透、高效率、高精度等優(yōu)點。隨著激光轉(zhuǎn)換能量效率的提高，這種焊接方法在航空航天、電子、汽車制造、核動力等領(lǐng)域中應(yīng)用更加廣泛，并且日益受到重視。但由于激光焊設(shè)備復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換率低，因而在推廣使用上受到限制。一、激光的產(chǎn)生原理激光工作物質(zhì)受到外部能量的激勵，從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，在兩能級的粒子系統(tǒng)中，處于較低能級上的粒子通過種種途徑被抽運到較高能級上，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，處于高能級上的粒子有自發(fā)向低能級躍遷的趨勢。當(dāng)粒子開始向低能級躍遷時，發(fā)出一個光子，這些自發(fā)輻射的光子作為外來光激發(fā)其他粒子(其頻率滿足普朗克公式)，引起其他粒子受激輻射和受激吸收。因粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的新光子與激勵光子完全一樣，這兩個光子又作為激勵光子，從而又產(chǎn)生兩個與前面激勵光子完全一樣的新光子……這種過程不斷發(fā)生，就出現(xiàn)光的雪崩式放大。二、激光焊原理激光焊本質(zhì)上是將激光的光能轉(zhuǎn)化為焊接所需的熱能。激光照射到被焊材料的表面，與其發(fā)生作用，部分被反射，部分進入材料內(nèi)部被吸收，光子轟擊金屬表面形成蒸氣，蒸發(fā)的金屬可防止剩余能量被金屬反射掉。激光在金屬表面被吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?dǎo)致金屬表面溫度升高，再傳向內(nèi)部，如圖3-28所示。激光加工時，材料吸收的光能向熱能的轉(zhuǎn)換是在極短的時間內(nèi)完成的。在這個時間內(nèi)，熱能僅僅局限于材料的激光輻射區(qū)。而后通過熱傳導(dǎo)，由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。三、激光焊分類1．按激光器輸出能量方式分類1)脈沖激光焊脈沖激光焊激光以脈沖方式輸出，能量是斷續(xù)的，焊接后形成一個個圓形焊點。2)連續(xù)激光焊連續(xù)激光焊(包括高頻脈沖連續(xù)激光焊)的激光以連續(xù)方式輸出，能量是連續(xù)的，在焊接過程中形成一條連續(xù)焊縫。2．按激光聚焦后光斑上功率密度的不同分類1)傳熱熔化焊如圖3-29所示，傳熱焊所用激光功率密度較低(105～106W/cm2)，焊接吸收激光后，金屬材料表面將所吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽す鈱⒔饘俦砻婕訜岬饺埸c與沸點之間，僅達到表面熔化，然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量，使熔化區(qū)逐漸擴大，形成熔池，其熔池輪廓近似為半球體。這種焊接模式熔深淺，熔寬比較小，類似于TIG焊過程。2)深熔焊(鎖孔焊)如圖3-30所示，這種方式要求激光能量密度高(106～107W/cm2)，金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)升高到沸點。工件吸收激光后迅速熔化乃至汽化，金屬蒸氣以一定速度離開熔池。金屬蒸氣逸出對熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生反向壓力，使熔池金屬表面形成凹陷。熔化的金屬在蒸氣壓力作用下形成小孔，激光束可直照孔底，當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱汽化時，所產(chǎn)生的金屬蒸氣一方面壓迫孔底的液態(tài)金屬，使小孔進一步加深；另一方面蒸氣將熔化的金屬擠向熔池四周，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時，前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫?！?知識點2激光焊的特點及應(yīng)用一、激光焊的特點激光焊是以高能量密度的激光束作為熱源，對金屬進行熔化以形成接頭的熔焊方法。采用激光焊后，不僅焊接質(zhì)量會得到顯著提高，而且生產(chǎn)率亦高于傳統(tǒng)的焊接方法。與一般焊接方法相比，激光焊具有以下特點：(1)聚焦后的激光具有很高的功率密度(105～107W/cm2或更高)，加熱速度快，可以實現(xiàn)深熔焊和高速焊。另外，由于激光加熱范圍小(<1mm)，焊接熱影響區(qū)窄，殘余應(yīng)力和變形小。(2)一臺激光器可供多個工作臺進行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和熱處理，一機多用。(3)可焊接用常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，焊后無需熱處理，適合焊接熱敏感材料。(4)激光能在空間傳播相當(dāng)遠的距離而衰減很小，可進行遠距離或一些難以接近部位的焊接，YAG激光和半導(dǎo)體激光可以通過光導(dǎo)纖維、棱鏡等光學(xué)方法彎曲傳輸、偏轉(zhuǎn)、聚焦，特別適合于微型零件、難以接近部位的焊接。(5)與電子束焊相比，激光焊最大的優(yōu)點是不需要真空室，不產(chǎn)生X射線，同時光束不受電磁場影響。對于一些產(chǎn)生有毒氣體和物質(zhì)的材料，由于激光可穿過透明物質(zhì)，可以將其置于玻璃制成的密封容器中進行激光焊。它的缺點在于以下幾點：(1)激光器價格昂貴，設(shè)備(特別是高功率連續(xù)激光器)一次性投資比其他方法大。(2)激光器的電光轉(zhuǎn)換及整體運行效率較低。(3)對焊件加工、組裝、定位的要求均很高。(4)焊接一些高反射率的金屬還比較困難。二、激光焊的應(yīng)用激光焊的部分應(yīng)用實例如表3-9所示。近年來，激光焊在汽車、能源、鋼鐵、船舶、電子、航空航天等行業(yè)得到了日益廣泛的應(yīng)用?！?知識點3激光焊的設(shè)備焊接領(lǐng)域目前主要采用兩種激光器：YAG固體激光器和CO2激光器。一、YAG固體激光器YAG固體激光器如圖3-33所示，示意圖如圖3-34所示。YAG激光器輸出激光的。波長較短，有利于激光的聚焦和光纖傳輸，也有利于金屬表面的吸收，但YAG激光器能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，器件總效率為2%～3%。另外，YAG激光器一般輸出多模光束，模式不規(guī)則，發(fā)散角大。二、CO2激光器CO2激光器工作介質(zhì)為CO2氣體，CO2激光器是目前工業(yè)應(yīng)用中數(shù)量最大、應(yīng)用最廣泛的一種激光器。這兩種激光器的特點對比見表3-10?！?知識點4激光焊工藝一、脈沖激光焊工藝參數(shù)脈沖激光焊有四個主要的焊接參數(shù)：脈沖能量、脈沖寬度、功率密度和離焦量。1．脈沖能量和脈沖寬度脈沖能量決定了加熱能量的大小，主要影響金屬的熔化量。脈沖寬度決定焊接時的加熱時間，它影響熔深及熱影響區(qū)寬度。脈沖能量是一定的，對于不同材料，各自存在一個最佳脈沖寬度，此時焊接熔深最大。2．功率密度激光焊的功率密度決定焊接過程和焊接機理。功率密度較小時，焊接以傳熱焊的方式進行，焊點的直徑和熔深由熱傳導(dǎo)決定。當(dāng)激光斑點的功率密度達到一定值后，形成深熔焊點，這時金屬有少量蒸發(fā)，并不影響焊點形成。但功率密度過大后，金屬蒸發(fā)劇烈，導(dǎo)致汽化金屬過多，難以形成牢固焊點。3．離焦量離焦量是指焊接時焊件表面離聚焦激光束最小斑點的距離，它不僅影響焊件表面激光束光斑大小，而且影響光束的入射方向。改變離焦量，可以改變加熱斑點的大小和入射狀況。二、連續(xù)激光焊工藝參數(shù)1．激光功率通常激光功率是指激光器的輸出功率，沒有考慮導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)所引起的損失。2．焊接速度在一定的激光功率下，提高焊接速度，會使熱輸入下降，焊接熔深減小。3．光斑直徑光斑直徑是指照射到焊件表面的光斑尺寸大小。在激光器結(jié)構(gòu)一定的情況下，照射到焊件表面的光斑大小取決于透鏡的焦距和離焦量。焊接時為獲得深熔焊縫，要求激光光斑上的功率密度要高。4．離焦量離焦量是指焊接時焊件表面離聚焦激光束最小斑點的距離，當(dāng)此光斑在工件表面上方時，離焦量為正；反之，為負。離焦量不僅影響焊接表面的激光光斑大小，而且影響光束的入射方向。改變離焦量，可以改變加熱斑點的大小和入射狀況，因而對焊接熔深、熔寬和焊縫橫截面形狀有較大影響。5．保護氣體激光焊采用保護氣體有兩個作用，其一是保護焊縫金屬不受有害氣體的侵襲，防止氧化污染，提高接頭的性能；其二是抑制焊接過程中的等離子體，這直接與光能的吸收和焊接機理有關(guān)。不同的保護氣體，其作用效果不同?！?知識點5激光焊新技術(shù)一、激光復(fù)合焊技術(shù)激光焊的熱影響區(qū)非常窄，焊縫的熔深寬比很高，具有較高的焊接速度，但由于焦點直徑很小，所以對焊縫的橋接能力很差。激光-MIG復(fù)合焊的原理示意圖如圖3-35所示，相應(yīng)的設(shè)備如圖3-36所示。激光電弧復(fù)合焊是一種全新的焊接方法。嚴格地說，激光電弧復(fù)合焊結(jié)合了兩種傳統(tǒng)焊接方法各自的優(yōu)點，獲得了最佳的焊接效果。首先，激光電弧復(fù)合焊具有最佳的熔深與熔寬組合，焊縫搭橋能力較強。而熔化極氣體保護焊的焊縫較寬但熔深較小，激光焊接的焊縫熔深大但熔寬較小，焊縫形貌如圖3-37所示。同時，激光電弧復(fù)合焊接具有高的焊接速度與焊接熱效率。在激光電弧復(fù)合焊過程中，激光束與電弧同時作用在焊縫區(qū)域并相互作用，由此而獲得了以下焊接效果：最大的焊接速度與最佳的焊縫成形；焊接過程穩(wěn)定且在高速焊時無飛濺；更好的焊縫搭橋能力，更小的變形，以及更少的焊后處理；更少的裝配時間。二、填充焊絲激光焊激光焊接一般不填充焊絲，但對焊件裝配間隙要求很高，實際生產(chǎn)中有時很難保證，因而限制了其應(yīng)用范圍。采用填絲激光焊，可大大降低對裝配間隙的要求。此外，填充焊絲還可以調(diào)整化學(xué)成分或進行厚板多層焊。三、光束旋轉(zhuǎn)激光焊使用激光束旋轉(zhuǎn)進行焊接的方法，可大大降低焊接裝配以及光束對中的要求。四、激光焊與攪拌摩擦焊的復(fù)合激光輔助攪拌摩擦焊(LAFSW)是最新推出的焊接技術(shù)。由于在攪拌摩擦焊中需要較大的壓力和夾緊力，導(dǎo)致了攪拌摩擦焊設(shè)備笨重、昂貴、攪拌頭磨損率高。為了解決上述問題，采用激光作為輔助能源加熱工件，在降低焊接成本的同時實現(xiàn)了設(shè)備的輕型化。其原理是預(yù)先在攪拌頭前方對焊縫部位利用激光束進行加熱軟化，減少對后期攪拌摩擦焊摩擦熱量的輸入要求，從而降低對夾緊力和摩擦力的要求?！?知識點6激光的其他應(yīng)用一、激光切割激光切割是以高能量密度的激光作為“切割刀具”的異種材料加工方法。激光切割在工業(yè)、國防等領(lǐng)域獲得了極為成功的應(yīng)用，可實現(xiàn)各種金屬和非金屬板材及眾多復(fù)雜零件的加工(圖3-38)，是應(yīng)用最廣泛的一種激光加工技術(shù)，激光切割多數(shù)使用CO2激光器。1．激光切割的特點及應(yīng)用(1)切割質(zhì)量好。(2)可切割多種材料。(3)加工柔性好，切割效率高。2．激光切割方法分類根據(jù)激光在切割過程中的作用，將激光切割分為汽化切割、熔化切割、氣體反應(yīng)切割(氧氣切割)、劃片和控制斷裂四種。3．激光切割的工藝參數(shù)影響激光切割的主要參數(shù)有：激光功率、氣體流量及壓力、光學(xué)系統(tǒng)的焦距及焦深、光斑直徑、氣體噴嘴形狀、切割速度等。二、激光快速成型快速成型技術(shù)(簡稱RP技術(shù))是通過材料添加的方式快速將CAD模型直接轉(zhuǎn)換為實體模型，不需要傳統(tǒng)模具?？焖俪尚图夹g(shù)能夠?qū)?fù)雜的三維加工分解成簡單的二維加工組合，徹底改變了成型制造技術(shù)的設(shè)計思想。其過程包括三維模型的構(gòu)造、三維模型的近似處理、三維模型的切片處理、截面輪廓的制造和截面輪廓的疊合、制件后處理等。RP技術(shù)集成了機械工程、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、光化學(xué)、激光技術(shù)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果，能自動而迅速地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定結(jié)構(gòu)功能的原型或直接制造成零件，如圖3-40所示。三、激光表面處理技術(shù)激光表面處理技術(shù)是利用激光加工的特點發(fā)展起來的一種新工藝。它包括：激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化等加工手段。激光相變硬化是激光淬火的結(jié)果，是應(yīng)用最早、最成熟的激光表面處理技術(shù)。激光相變硬化的技術(shù)特點有：空冷淬硬，淬硬層質(zhì)量好，激光淬硬層厚度均勻，硬度比常規(guī)淬火高15%以上；工件變形??；工藝簡單，適用面廣。目前，激光相變硬化的預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用最多的方法有磷化法和涂料法。激光熔覆是利用激光的能量在金屬材料上熔凝耐磨、耐腐蝕的高級、超高級金屬層或金屬陶瓷層。激光熔覆有如能量密度大、加熱速度快、工件變形小等優(yōu)點。激光合金化是利用激光的能量將特定的合金元素熔入到基體的表面金屬中，最后在基體金屬上形成新的合金層。四、激光標(biāo)記激光標(biāo)記技術(shù)是利用激光器產(chǎn)生的激光束的迅速移動，在被加工表面形成刻痕的技術(shù)，在許多電子元器件和其他部件的標(biāo)識中得到了廣泛的應(yīng)用，它具有清晰、分辨率高、保持時間長的優(yōu)點。項目四超聲波焊★?知識點1超聲波焊原理及分類超聲波焊接是利用超聲波(頻率超過16kHz)的機械振動能量來連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及金屬陶瓷等的特殊焊接方法。金屬超聲波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件引入高溫?zé)嵩?，只是在靜壓力下將彈性振動能量轉(zhuǎn)化為工件間的摩擦功、形變能及隨后的有限溫升。接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化的情況下實現(xiàn)的，因而是一種固態(tài)焊接。一、超聲波焊接的基本原理超聲波焊接是利用超聲波的高頻振蕩能對焊件接頭進行加熱和表面清理，同時施加壓力以實現(xiàn)焊接的一種壓焊方法。1．基本原理超聲波焊接的基本原理如圖3-43所示，焊接所需的能量—超聲波的彈性振動，是通過一系列能量轉(zhuǎn)換及傳遞環(huán)節(jié)而獲得的。焊接時，焊接被夾持在上聲極7和下聲極9之間，通過上聲極向焊件輸入超聲波的彈性振動能量，同時向焊件施加壓力，通過下聲極支持焊件。2．接頭形成過程1)振動摩擦階段超聲波初期，由于上聲極的超聲振動使其與上焊件表面之間產(chǎn)生摩擦而造成暫時的連接，然后直接將超聲振動能傳遞到焊件間的接觸表面上，在此產(chǎn)生劇烈的相對摩擦，由初期個別凸點之間的摩擦擴大到面摩擦，同時破壞、排擠和分散表面的氧化膜及其他附著物。2)溫度升高階段在隨后的超聲波往復(fù)摩擦過程中，接觸表面溫度升高，金屬的變形抗力下降，在靜壓力和彈性機械振動引起的應(yīng)力的共同作用下，焊件間接觸表面的塑性流動不斷進行，使已被破碎的氧化膜繼續(xù)分散甚至深入被焊材料內(nèi)部，促使純凈面的原子無限接近到原子能發(fā)生引力作用的范圍內(nèi)，出現(xiàn)原子擴散及相互結(jié)合，形成共同的晶?；虺霈F(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。3)固相結(jié)合階段隨著摩擦過程的進行，微觀接觸面積越來越大，接觸部分的塑性變形也不斷增加，出現(xiàn)焊件表面間的機械咬合。隨后，焊件間將產(chǎn)生不斷的咬合和不斷的破壞，直至咬合點數(shù)增加，咬合面積擴大。二、超聲波焊接的分類按照超聲波彈性振動傳入焊件的方向不同，超聲波焊接的基本類型可分成兩類：一類是振動能由切向傳遞到焊件表面而使焊接界面之間產(chǎn)生相對摩擦，適于金屬材料的焊接；另一類是振動能由垂直于焊件表面的方向傳入焊件，主要用于塑料焊接，如圖3-44所示?！?知識點2超聲波焊的特點及應(yīng)用一、超聲波焊的特點超聲波焊的特點具體如下：(1)可焊接材料范圍廣，可用于金屬與金屬間的焊接、金屬與非金屬以及塑料等異種材料間的焊接。(2)特別適用于金屬箔片、細絲以及微型期間的焊接。(3)焊件不熔化，焊接溫度相對較低。焊件變形小，焊縫金屬的物理性能和力學(xué)性能不發(fā)生宏觀變化，焊接接頭的靜載強度和疲勞強度都比電阻焊接頭強度高，且穩(wěn)定性好。(4)被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小，因此對焊件表面清潔度要求不高，甚至可以焊接有油漆或塑料薄膜的金屬。(5)與電阻點焊相比，耗電功率低。(6)操作簡便、焊接速度快、生產(chǎn)效率高。(7)超聲波焊接的主要缺點是受現(xiàn)有超聲波焊接設(shè)備功率的限制，因而與上聲極接觸的工件厚度只能是相當(dāng)薄的尺寸范圍，目前僅限于焊接絲、箔、片等細薄件。此外，它只限于搭接接頭，對于對接接頭還無法應(yīng)用。另外，由于缺乏精確的檢測方法和設(shè)備，在實際生產(chǎn)中還難以實現(xiàn)大批量機械化生產(chǎn)。二、超聲波焊的應(yīng)用目前，應(yīng)用超聲波焊接的多半是鋁、金、銅等較軟的材料，但也逐漸擴大到鐵、鎢、鈦等金屬的焊接，以及應(yīng)用其他方法難以解決的某些材料的連接。特別是近幾年來出現(xiàn)了高功率、大輸出的超聲波發(fā)生器，使其應(yīng)用范圍進一步得以擴大。塑料的連接也是超聲波焊接技術(shù)能發(fā)揮作用的廣闊領(lǐng)域，超聲波可對硬聚氯乙烯塑料、聚乙烯及聚氯乙炔尼龍和有機玻璃等進行焊接?！?知識點3超聲波焊設(shè)備根據(jù)被焊件的接頭形式，超聲波焊接分為點焊機、縫焊機、環(huán)焊機和線焊機四種類型。超聲波焊機通常是由超聲波發(fā)生器、聲學(xué)系統(tǒng)、加壓機構(gòu)和程序控制裝置等組成。典型的超聲波點焊機如圖3-47所示?！?知識點4超聲波焊工藝一、超聲波焊接的一般要求一個高質(zhì)量的焊點要求有高的強度和合格的表面質(zhì)量，除了表面不能有明顯的擠壓坑和焊點邊緣的凸肩以外，還應(yīng)注意觀察和上聲極接觸處的焊點表面狀態(tài)。例如硬鋁合金焊點表面為灰色時，說明焊點質(zhì)量較好，而光亮表面說明焊點強度不高，只是上焊件產(chǎn)生局部塑性變形而已。此外，焊點不允許有裂紋或界面不熔合，尺寸應(yīng)滿足要求等。超聲波焊接時，對焊件表面不需要進行嚴格的清理，因為超聲波本身對焊件表面層有破碎清理作用，同時，在焊接區(qū)材料的塑性流動過程中會促使它們在一定范圍內(nèi)呈彌散狀分布，對焊接質(zhì)量的影響較小。焊接接頭設(shè)計和焊點位置均與電阻焊有所不同，在應(yīng)用超聲波焊接時對上述尺寸的影響很小。二、超聲波焊接的參數(shù)1．接頭設(shè)計超聲波焊接時，要求焊點強度必須達到一定的要求，需要設(shè)計出一種合理的焊點結(jié)構(gòu)，同時還要保持外形盡可能美觀。由于焊接過程中母材不發(fā)生熔化，焊點未受到過大的壓力，也沒有電流分流問題，因此可以較為自由地設(shè)計焊點的點距、邊距和行距等參數(shù)。對焊點與板材邊緣的距離沒有限制，可以沿邊緣布置焊點。在超聲波焊的接頭設(shè)計中，應(yīng)注意控制焊件的諧振問題。當(dāng)上聲極向焊件引入超聲振動時，如果焊件沿振動方向的自振頻率與引入的超低振動頻率相等或相近，就有可能引起焊件的諧振，其結(jié)果往往造成已焊焊點的脫落。解決方法就是改變焊件與聲學(xué)系統(tǒng)振動方向的相對位置，或者改變焊接的自振頻率。2．焊件表面準(zhǔn)備超聲波焊接時，對焊件表面不需要嚴格清理，因為超聲波本身對焊件表面層有破碎清理作用。但如果焊件表面被嚴重氧化或已有腐蝕層，通常采用機械磨削或化學(xué)腐蝕方法清除。3．上聲極的選用上聲極所選用的材料、斷面形狀和表面狀況等會影響到焊點的強度和穩(wěn)定性。實際生產(chǎn)中，要求上聲極的材料具有盡可能大的摩擦因數(shù)以及足夠的硬度和耐磨性，同時，上聲極與焊件的垂直度對焊點質(zhì)量會造成較大的影響，隨著上聲極垂直偏離，接頭強度將急劇下降。4．焊接參數(shù)的選擇1)超聲振動頻率所謂振動頻率，在工藝上有兩方面的含義，包括諧振頻率的數(shù)值和精度。諧振頻率的選擇以焊件的厚度及物理性能為依據(jù)，一般控制在15～75kHz之間。在焊接薄件時，通常選用比較高的頻率，提高振動頻率可以相應(yīng)降低振幅，可減少薄件因交變應(yīng)力而引起的焊點的疲勞破壞可能性。通常，功率愈小，頻率愈高。而在焊接厚件或焊接硬度及屈服強度都比較低的材料時，宜選用較低的振動。隨著頻率的提高，高頻振蕩能的損耗將增大，因此大功率超聲波點焊機宜選用較低的諧振頻率，一般在15～20kHz。2)振幅振幅決定著摩擦功的大小，關(guān)系著焊接區(qū)表面氧化膜的去除程度、結(jié)合面摩擦生熱的情況、塑性變形范圍的大小以及材料塑性流動的狀況等，因此根據(jù)被焊材料的性質(zhì)及其厚度來正確選擇振幅值是獲得良好的接頭質(zhì)量的前提。在超聲波焊接中，振幅一般在5～25μm之間。較低的振幅適合于硬度較低或較薄的焊件，所以小功率超聲波點焊機其頻率較高而振幅較低。隨著材料硬度及厚度的加大，所選用的振幅相應(yīng)也要提高。當(dāng)振幅值過大，焊點強度反而下降。因為振幅過大，由上聲極傳遞到焊件的振動剪力超過了它們之間的摩擦力。在這種情況下，聲極將與工件之間發(fā)生相對的滑動摩擦現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量的熱塑性變形。上聲極埋入焊件使焊件截面減小，降低了接頭強度。3)靜壓力它將通過聲極使超聲振動有效地傳遞給焊件。當(dāng)靜壓力過低時，由于超聲波幾乎沒有被傳遞到焊件，不足以在焊件之間產(chǎn)生一定的摩擦功，超聲波能量幾乎全部損耗在上聲極與焊件之間的表面滑動，因此不可能形成連接；當(dāng)靜壓力過大時，振動能量不能得到合理運用，過大的靜壓力會使摩擦力過大，造成焊件之間的相對摩擦運動減弱，甚至?xí)拐穹兴档?，焊件間的連接面積不再增加，從而降低接頭強度。4)焊接功率焊接功率取決于焊件的厚度δ和材料的硬度H，一般來說，所需的超聲波焊接功率隨焊件厚度和硬度的增加而增加。5)焊接時間焊接時間是指超聲波能量輸入焊件的時間。焊點的形成有一個最小焊接時間，小于該時間則不足以破壞金屬表面氧化膜，進而無法焊接。通常隨焊接時間的延長，接頭強度增加，然后逐漸趨于穩(wěn)定值。但當(dāng)焊接時間過長時反而使得焊點強度下降，因為焊件受熱加劇，塑性區(qū)擴大，引起焊點表面和內(nèi)部的疲勞裂紋，從而降低接頭強度。項目五電渣焊★?知識點1電渣焊的原理電渣焊又稱為熔渣焊，是一種在一次行程中焊接厚斷面的電焊方法。這種方法可焊接的金屬厚度和質(zhì)量在理論上是無限制的。電渣焊是利用電流通過液態(tài)熔渣所產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化，待其凝固后形成金屬原子間牢固連接的一種焊接方法。電渣焊主要有絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊等，其中絲極電渣焊的應(yīng)用最普遍。絲極電渣焊的工作原理如圖3-49所示?！?知識點2電渣焊的特點電渣焊與一般電弧焊相比較，有以下主要特點：(1)焊接熱源不是電弧，而是電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱。(2)焊接接頭易過熱，組織粗大。(3)焊接易淬硬鋼無需預(yù)熱。(4)可以一次焊接很厚的工件?！?知識點3電渣焊設(shè)備電渣焊設(shè)備主要由電源、機頭、滑塊或擋塊、控制系統(tǒng)等組成，如圖3-50所示。這里主要介紹絲極電渣焊的設(shè)備。絲極電渣焊設(shè)備由焊接電源、機械機構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。其中，機械機構(gòu)為焊接執(zhí)行機構(gòu)，包括機頭、水冷成形滑塊、行走機構(gòu)、焊絲盤等?！?知識點4電渣焊分類及工藝一、絲極電渣焊絲極電渣焊采用焊絲作為電極，焊絲通過導(dǎo)電嘴送入渣池，導(dǎo)電嘴和焊接機頭隨金屬熔池的上升同步向上提升，如圖3-51所示。二、熔嘴電渣焊熔嘴電渣焊焊接時，電極固定在接頭間隙中的熔嘴和從熔嘴孔道中不斷向熔池中送進的焊絲同時熔化，成為焊縫金屬的一部分。焊絲通過熔嘴上的導(dǎo)絲管送入渣池，熔嘴固定在裝配間隙中并與工件絕緣。由于熔嘴固定在裝配間隙中不用送進，故可制成與焊口斷面相似的形狀，可做成各種曲線或曲面形狀，也可采用多個熔嘴。熔嘴電渣焊適合于大截面結(jié)構(gòu)，曲線及曲面焊縫的焊接。熔嘴電渣焊的操作方便可靠，設(shè)備也比較簡單，但要有適當(dāng)?shù)乃徒z機構(gòu)。熔嘴電渣焊示意圖如圖3-52所示。三、管極電渣焊管極電渣焊的示意圖如圖3-53所示。管極電渣焊有如下特點：(1)管極外面涂有絕緣藥皮，用于縮小裝配間隙，熔化后可補充熔渣?？珊喕b配過程，提高焊接速度和生產(chǎn)率。(2)通過藥皮可對焊縫滲合金、細化晶粒、改善焊縫機械性能，特別是提高焊縫的抗熱裂性能。(3)管極可按照斷面的形狀進行彎曲，因此，可用此方法進行變斷面及45°角以內(nèi)的傾斜位置的焊接。四、板極電渣焊板極電渣焊是采用金屬板條為電極，焊接時板極經(jīng)送進機構(gòu)不斷地向熔池中送進。根據(jù)被焊件的厚度，可采用一塊或數(shù)塊金屬板進行焊接。因板極寬度大，焊接厚度大的工件時不像絲極要做橫向擺動，另外，板極的斷面大，電阻小，剛度大，所以伸出長度可以很大，這就可免去從側(cè)面伸入裝配間隙的導(dǎo)電嘴、電極矯直機構(gòu)、機頭爬行機構(gòu)和冷卻滑塊裝置等，使板極電渣焊的設(shè)備大為簡化。板極電渣焊的示意圖如圖3-54所示?！?知識點6電渣焊常見缺陷及改善焊接質(zhì)量的途徑一、常見缺陷1．裂紋電渣焊的熱裂紋可以位于焊縫中心對接處的薄弱面上，也可以位于晶界上，通常不伸展到焊縫的表面。由于裂紋隱藏在內(nèi)部，需采用無損探傷或破壞性試驗才能判斷。電渣焊的裂紋一旦產(chǎn)生，返修就比較困難，它是焊接接頭中最危險的缺陷，必須注意預(yù)防。裂紋的形成與焊縫中雜質(zhì)的偏析和脆弱面的形成有關(guān)，也和結(jié)晶時的應(yīng)力狀態(tài)和拘束度等有關(guān)。為了防止產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)限制焊縫中碳、硫和磷等元素的含量，應(yīng)該選用好的母材和優(yōu)質(zhì)的電極材料，并選擇合適的焊接規(guī)范，使形狀系數(shù)比較大，也就是金屬熔池寬而淺一些。此外，對結(jié)構(gòu)和接頭的形式都應(yīng)設(shè)計合理，避免出現(xiàn)剛性很大的焊縫，要選擇合理的裝配焊接順序。2．氣孔由于電渣焊焊縫表面首先凝固，氣孔也不伸展到表面上。電渣焊的熔池存在時間長且上面有渣池覆蓋，冷卻速度緩慢，有利于熔池中氣體逸出，故電渣焊時產(chǎn)生氣孔的可能性遠比電弧焊時小。電渣焊焊縫中的氣孔通常是氫氣孔和一氧化碳氣孔，生長方向與結(jié)晶方向一致。為了防止產(chǎn)生氣孔，應(yīng)防止銅滑塊的冷卻水漏入熔池，焊件邊緣和電極表面要消除油污和鐵銹，焊劑要烘干，石棉泥不宜太潮濕，焊接材料應(yīng)含有適當(dāng)?shù)拿撗踉亍?．夾渣當(dāng)電渣焊規(guī)范變動較大或電渣過程不穩(wěn)定時，會使母材熔深突然減小，從而該處的熔渣不易浮出而滯留在該處，形成夾渣。熔嘴電渣焊時，當(dāng)由玻璃絲制成的絕緣塊熔入渣池過多而使熔渣黏度增加時，也易引起夾渣。4．未焊透當(dāng)電渣焊過程及焊絲送進不穩(wěn)定，電壓波動大，大量漏渣，電極與工件短路或起弧，焊劑導(dǎo)電性過大或焊接規(guī)范不當(dāng)，會使渣池?zé)峁β什蛔慊驘峁β恃毓ぜ穸确植疾蛔愣a(chǎn)生未焊透。在未焊透處往往都夾有薄層焊渣。要防止產(chǎn)生這種缺陷，應(yīng)使電渣過程穩(wěn)定，規(guī)范選擇合適而且穩(wěn)定。二、改善焊接質(zhì)量的途徑由于電渣焊時線能量大，在高溫停留時間長，熱影響區(qū)寬和晶粒粗大，導(dǎo)致接頭的沖擊韌性較低。為了提高沖擊韌性，通常在焊后進行正火和回火熱處理。另外，也可以選取減小間隙，加填充金屬盒提高焊接速度等措施。焊縫成分可通過選擇適當(dāng)成分的焊絲和調(diào)整熔合比來改變，也可加入細化晶粒的合金元素等來改善焊縫的質(zhì)量。項目六擴散焊★?知識點1擴散焊的原理及分類一、擴散焊的原理擴散焊是利用焊接界面區(qū)原子相互充分擴散來實現(xiàn)可靠連接的固相焊接方法。保證擴散焊接頭質(zhì)量的主要因素是焊接界面區(qū)原子相互充分擴散。溫度和壓力的主要作用是使焊接表面微觀凸起處產(chǎn)生塑性變形，增大緊密接觸的面積，激活原子，促進相互擴散。加壓、加熱和加擴散層都是為了保證和促進擴散過程。在擴散焊中為加速焊接過程和降低對焊接表面制備質(zhì)量的要求，常在兩焊接表面中間加一層很薄的、容易變形的、可促進擴散的材料，即中間擴散層。有時，中間擴散層與母材通過固態(tài)擴散形成少量液相，填充縫隙而形成接頭，這就是瞬時液相擴散焊。擴散焊通過界面原子間的相互作用形成接頭，原子間的相互擴散是實現(xiàn)連接的基礎(chǔ)，擴散現(xiàn)象如圖3-55所示。1．材料界面的吸附與活化在外界壓力的作用下，被連接界面靠近到距離2～4?nm時，形成物理吸附。即使是經(jīng)過仔細加工的表面，其微觀仍有一定的不平度，在外力的作用下，被連接表面的微觀凸起部位形成微區(qū)塑性變形，被連接表面的局部區(qū)域達到物理吸附，這一階段被稱為物理接觸形成階段。隨著擴散時間延長，被連接表面的微觀凸起變形量增加，物理接觸面積進一步增大，在接觸界面的某些點形成了活化中心，在這個區(qū)域可以進行局部化學(xué)反應(yīng)。此時被連接表面的局部區(qū)域形成原子間相互作用，當(dāng)原子間距達到0.1～0.3?nm時，則形成原子間相互作用的反應(yīng)區(qū)域會達到局部化學(xué)結(jié)合。對于晶體材料，位錯在表面上的出口處及晶界可以作為反應(yīng)源的發(fā)生地，在界面上完成由物理吸附到化學(xué)結(jié)合的過渡。在金屬材料擴散焊時會形成金屬鍵，而當(dāng)金屬與非金屬連接時，此過程將形成離子鍵與共價鍵。隨著時間的延長，局部的活化區(qū)域沿整個界面擴展，局部表面形成黏合與結(jié)合，最終導(dǎo)致整個結(jié)合面出現(xiàn)原子間的結(jié)合。僅是結(jié)合面的黏合還不能稱為固態(tài)連接過程的最終階段，還必須向結(jié)合面兩側(cè)擴散或在結(jié)合區(qū)域內(nèi)完成組織變化和物理化學(xué)反應(yīng)。隨著連接材料界面結(jié)合區(qū)中再結(jié)晶形成共同的晶粒，接頭區(qū)由于應(yīng)變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力將得到松弛，使結(jié)合金屬的性能得到改善。異種金屬擴散焊界面附近可以生成無限固溶體、有限固溶體、金屬間化合物或共析組織的過渡區(qū)。當(dāng)金屬與非金屬擴散焊時，可以在連接界面區(qū)形成尖晶石、硅酸鹽、鋁酸鹽及其他熱力學(xué)反應(yīng)新相。如果結(jié)合材料在焊接區(qū)形成脆性層，必須用改變擴散焊參數(shù)的方法加以控制與限制。2．固體中的擴散擴散是指相互接觸的物質(zhì)由于熱運動而發(fā)生的相互滲透，擴散向著濃度(化學(xué)位梯度)減小的方向進行，使粒子在其占有的空間均勻分布，它可以是自身原子的擴散，也可以是外來物質(zhì)形成的異質(zhì)擴散。擴散界面如圖3-56所示。在對異種金屬或不同成分的合金進行擴散焊時，由于不同元素的擴散系數(shù)不一樣，造成通過界面的物質(zhì)流不一樣，使某物質(zhì)向一個方向運動，最終會形成界面的移動。造成這種現(xiàn)象的原因是由于不同元素的擴散速度不一樣。在所有的情況下，若兩種不同金屬相互接觸，則結(jié)合界面移向熔點低的金屬一側(cè)。當(dāng)非均勻擴散時，界面也非均勻地運動，從而出現(xiàn)空洞。擴散焊時施加一定的壓力，使所加的壓強超過低熔點金屬在擴散焊溫度下的屈服強度，則有利于對擴散焊空洞的消除。工程中實際應(yīng)用的材料都存在著大量的缺陷，很多材料甚至處于非平衡狀態(tài)，組織缺陷對擴散的影響十分顯著。實際上，在許多情況下，組織缺陷決定了擴散的機制和速度。材料的晶粒越細，即材料一定體積中的晶界長度越長，則沿晶界擴散的現(xiàn)象越明顯。沿晶界的擴散與晶體的擴散不一樣。原子首先沿晶界快速運動，而后再從邊界進入晶粒內(nèi)部，在晶界上的擴散路徑與一般擴散不一樣，晶界擴散原子的平均擴散距離與時間的四次方根成正比。沿金屬表面的擴散與該表面的結(jié)構(gòu)有關(guān)。實際晶體表面是不均勻的，表面存在著不少微觀凸起，有時表面形成機械加工硬化，這使表面層位錯密度很高，再加上異種金屬連接時不同種材料原子間的吸附與化學(xué)作用，使表面原子有很大的活性。對表面、邊界和體積擴散試驗的研究結(jié)果表明，表面擴散的激活能在三種形式的擴散中是最小的，即表面擴散快得多。異種材料連接時，界面將進行化學(xué)反應(yīng)。首先在局部形成反應(yīng)源，而后向整個連接界面上擴展，當(dāng)整個界面都形成反應(yīng)時，能形成良好的擴散連接。產(chǎn)生局部化學(xué)反應(yīng)的萌生源與工藝參數(shù)，如溫度、壓力和時間有密切關(guān)系。擴散焊時壓力對化學(xué)反應(yīng)源有決定性的影響，壓力越大，反應(yīng)源的擴散程度越大；溫度和時間也會影響反應(yīng)源的擴散程度，但對反應(yīng)數(shù)量的影響不大。固態(tài)物質(zhì)之間的反應(yīng)只能在界面上進行。向活性區(qū)輸送原始反應(yīng)物，其局部化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進行是反應(yīng)區(qū)擴大的條件之一。二、擴散焊的分類擴散焊是一種正在不斷發(fā)展的焊接技術(shù)，有關(guān)其分類、機理、設(shè)備和工藝都在不斷完善和向前發(fā)展。1．同種材料擴散焊同種材料擴散焊通常指不加中間層的兩個同種金屬直接接觸的擴散連接。這種類型的擴散焊一般要求待焊表面制備質(zhì)量較高，焊接時要求施加較大的壓力，焊后接頭的成分、組織與母材基本一致。2．異種材料擴散焊異種材料擴散焊是指兩種不同的金屬、合金或金屬與陶瓷、石墨等非金屬材料的擴散焊接。異種金屬的化學(xué)成分、物理性能等有顯著差異，兩種材料的熔點、線膨脹系數(shù)、電磁性、氧化性等差異越大，擴散焊難度越大。因兩種材料擴散系數(shù)不同，可能導(dǎo)致擴散接頭中形成顯微孔洞，在擴散結(jié)合面上由于冶金反應(yīng)產(chǎn)生的低熔點共晶體或脆性金屬間化合物，容易使界面處產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂。3．共晶反應(yīng)擴散焊共晶反應(yīng)擴散焊是利用在某一溫度下待焊異種金屬之間會形成低熔點共晶體的特點來加速擴散焊過程的方法。在被焊材料之間加入一層金屬或合金(稱為中間層)，這樣就可以焊接相當(dāng)難焊的或冶金上不相容的異種材料，也可以焊接熔點很高的同種材料。4．瞬間液相擴散焊瞬間液相擴散焊是指在擴散焊過程中，接縫區(qū)短時出現(xiàn)微量液相的擴散焊方法。在擴散焊過程中，中間層與母材發(fā)生共晶反應(yīng)，形成一層極薄的液相薄膜，此液膜填充整個接頭間隙后再使之等溫凝固并進行均勻化擴散處理，從而獲得均勻的擴散焊接頭。5．超塑性成形擴散焊超塑性成形擴散焊工藝的特點是：擴散焊壓力較低，與成形壓力相匹配；擴散焊時間較長，可長達數(shù)小時。在高溫下具有超塑性的金屬材料，可以在高溫下用較低的壓力實現(xiàn)成形和連接。采用此方法的條件之一是材料的超塑性成形溫度與擴散焊溫度接近，常在低真空下完成。在超塑性狀態(tài)下進行擴散焊有助于提高焊接質(zhì)量，這種方法在航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。★?知識點2擴散焊的焊接過程分析一、固態(tài)擴散焊接過程(1)第一階段：變形-接觸階段。不管如何精心加工的表面，它在微觀上總是凹凸不平的，只不過程度不同而已。將這樣的表面裝配在一起，如不施加任何壓力，緊密接觸的部分很少，不超過總面積的1%。因此，只有通過焊接開始的第一階段的加熱加壓，使微觀凸起處產(chǎn)生塑性變形，緊密接觸的表面積才不斷增大，原子相互擴散并交換電子，從而形成金屬鍵連接。由于開始時承受擴散焊壓力只局限于占總面積極少部分凸起的點上，因而不必有太大壓力即可使這些凸起處的應(yīng)力達到很高的數(shù)值，進而超過材料的屈服極限并發(fā)生塑性變形。但隨著塑性變形的發(fā)展，接觸面積迅速增大，一般可達焊接表面的40%～75%，所受壓應(yīng)力迅速減小，塑性變形因而停止。以后主要靠蠕變，使緊密接觸面積繼續(xù)增加，最后達到90%～95%。剩下的5%左右未能達到緊密接觸面積，逐漸演變成界面孔洞，大部分在第二、第三階段逐漸消除。個別大的孔洞會殘留在焊縫內(nèi)。(2)第二階段：擴散-界面推移階段。達到緊密接觸后，由于變形引起的晶格畸變、位錯、空位等各種缺陷使得界面原子處于激活狀態(tài)，擴散遷移十分迅速，很快就形成以金屬鍵為主要形式的接頭。但此時接頭強度不高，必須繼續(xù)保溫擴散一定時間，使擴散層達到一定深度。再經(jīng)過回復(fù)、再結(jié)晶及晶界推移，使第一階段的金屬鍵連接變成牢固的冶金連接，這個階段大約需要延續(xù)幾分鐘到幾十分鐘。對于一些要求不是特別嚴格的接頭，可不再步入第三階段即可使用，從而提高生產(chǎn)率。(3)第三階段：界面和孔洞消失階段。通過繼續(xù)擴散，進一步加強已形成的連接，消除界面孔洞，使接頭組織與成分均勻。在這個階段主要是體積擴散，速度比較慢，通常需要幾十分鐘到幾十個小時才能讓晶粒穿過界面生長，原始界面消失。由于需要時間很長，第三階段一般難以進行到底，如果在焊接溫度下保溫擴散引起母材晶粒長大，致接頭強度下降，則可在較低的溫度下進行擴散。二、瞬時液相擴散焊接過程瞬時液相擴散焊是在中間擴散夾層的基礎(chǔ)上，為解決彌散強化的高溫合金及纖維強化復(fù)合材料等新型材料的焊接研制的。其具體過程(如圖3-58所示)特征如下：(1)第一階段：液相生成。首先，將擴散層材料夾在焊接面之間，施加一定壓力(約0.4MPa)，然后在無氧化或無污染的條件下加熱，母材與夾層材料之間發(fā)生相互擴散，形成少量的液相。隨著擴散進行，液相層厚度逐漸增大。(2)第二階段：等溫凝固。當(dāng)液相充分形成并填充整個焊縫后，應(yīng)立即開始保溫，進行充分的擴散。隨著擴散進行，中間液相層的成分發(fā)生變化，其熔點升高，在等溫條件下發(fā)生凝固過程，最后形成接頭。(3)第三階段：接頭均勻化。等溫凝固結(jié)束后，再通過擴散進行均勻化，就形成了瞬時液相擴散焊的接頭?！?知識點3擴散焊的特點及應(yīng)用擴散連接與熔焊、釬焊方法相比，在某些方面具有明顯的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)焊接溫度一般是母材熔化溫度的0.4～0.8倍，對母材的性能影響小，內(nèi)應(yīng)力及變形很小，接頭強度高，適合于熔化焊難于焊接或易受到嚴重損害的材料。(2)可焊接各種不同種類的材料，包括金屬與非金屬等冶金、物理性能差別極大的材料。(3)可焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、封閉型焊縫以及結(jié)構(gòu)形狀相差懸殊，尺寸精度要求很高的各種工件。(4)擴散焊顯微接頭的組織和性能與母材接近或相同，不存在各種熔化焊缺陷，也不存在具有過熱組織的熱影響區(qū)；工藝參數(shù)易于控制，在批量生產(chǎn)時接頭質(zhì)量穩(wěn)定。(5)可以進行內(nèi)部及多點、大面積構(gòu)件的連接，以及電弧可達性不好或用熔焊方法不能實現(xiàn)的連接，可焊接其他焊接方法難于焊接的材料。(6)擴散連接是一種高精密的連接方法，用這種方法連接后，工件不變形，可以實現(xiàn)機械加工后的精密裝配連接，從而獲得較大的經(jīng)濟效益。(7)對于塑性差或熔點高的同種材料，或?qū)τ诓换ト芑蛟谌酆笗r會產(chǎn)生脆性金屬間化合物的異種材料，擴散焊是一種可靠的方法。擴散焊也有自己的缺點，具體如下：(1)對零件被連接表面的制備和裝配要求較高。(2)加熱時間長，生產(chǎn)效率低。在某些情況下會產(chǎn)生一些晶粒過度長大等副作用。(3)設(shè)備一次性投資較大，且被連接工件的尺寸受到設(shè)備的限制。擴散焊技術(shù)作為一種比較成熟的技術(shù)，以其特有的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能以及其他技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)展中的纖維增強復(fù)合材料將依賴它作為重要連接手段。未來的空間站或太空實驗室的真空環(huán)境亦是發(fā)展和應(yīng)用擴散焊的重要場所。但由于擴散焊要求焊接表面十分平整、光滑，并能均勻加壓，所以適用范圍受到限制。一些新材料采用傳統(tǒng)的熔焊方法很難實現(xiàn)可靠地連接。一些特殊的高性能構(gòu)件的制造，往往要求把性能差別較大的異種材料連接在一起，而運用傳統(tǒng)的熔焊方法是難以實現(xiàn)的。為了滿足上述種種要求，作為固相連接方法之一的擴散焊日益受到人們的重視?！?知識點4擴散焊設(shè)備一、擴散焊設(shè)備的分類1．按照真空度分類根據(jù)工作空間所能達到的真空度或極限真空度，可以把擴散焊設(shè)備分為四類，即低真空度、中真空度、高真空度焊機和低壓、高壓保護氣體擴散焊機。根據(jù)焊件在真空中所處的情況，可分為焊件全部處在真空中的焊機和局部真空焊機。局部真空擴散焊機對焊接區(qū)域進行保護，主要用來焊接大型工件。2．按照熱源類型和加熱方式分類擴散焊時，熱源的選擇取決于焊接溫度、工件的結(jié)構(gòu)形狀及大小。根據(jù)擴散焊時所應(yīng)用的加熱熱源和加熱方式，可以把焊機分為感應(yīng)加熱、輻射加熱、接觸加熱、電子束加熱、輝光放電加熱、激光加熱等。實際應(yīng)用最廣的是高頻感應(yīng)加熱和電阻輻射加熱兩種方式。3．其他分類方法根據(jù)真空室的數(shù)量，可以將擴散焊設(shè)備分為單室和多室兩大類；根據(jù)真空焊接的工位數(shù)，又可分為單工位和多工位焊機；根據(jù)自動化程度，可分為手動、半自動和自動程序控制三類。二、擴散焊設(shè)備的組成擴散焊設(shè)備一般包括加熱系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、保護系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。1．加熱系統(tǒng)加熱方式分為感應(yīng)加熱、輻射加熱、接觸加熱等。擴散焊常采用感應(yīng)加熱或電阻加熱方法對焊件進行局部或整體加熱。高頻感應(yīng)擴散焊接設(shè)備采用高頻電源加熱，工作頻率為60～500?kHz，由于集膚效應(yīng)的作用，該頻率區(qū)間的設(shè)備只能加熱較小的工件。對于較大或較厚的工件，為了縮短感應(yīng)加熱時間，最好選用500～1000Hz的低頻焊接設(shè)備。在焊接非導(dǎo)電的陶瓷等材料時，應(yīng)采用間接加熱的方法，可在工件與感應(yīng)線圈之間加圓筒狀石墨導(dǎo)體，利用石墨導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量進行焊接加熱。電阻加熱真空擴散焊設(shè)備采用電阻輻射加熱，加熱體可選用鎢、鉬或石墨等材料。真空室中應(yīng)有耐高溫材料圍成的均勻加熱區(qū)，以便保持溫度均勻。2．加壓系統(tǒng)為了使被焊件之間達到緊密接觸，擴散焊時要施加一定的壓力。高溫下材料的屈服強度降低，為避免焊件的整體變形，加壓只是使接觸面產(chǎn)生微觀的局部變形。對于一般的金屬材料，擴散焊所施加的壓力較小，壓力范圍為1～100MPa。對于陶瓷、高溫合金等難變形，或加工表面粗糙度值較大的材料，當(dāng)擴散焊溫度較低時，才采用較高的壓力。加壓系統(tǒng)分為液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、熱膨脹加壓等。在自動控制壓力的擴散焊設(shè)備上一般裝有壓力傳感器，以實現(xiàn)對壓力的測量和控制。目前大多數(shù)擴散焊設(shè)備采用液壓和機械加壓系統(tǒng)。3．保護系統(tǒng)目前擴散焊設(shè)備一般采用真空保護。真空系統(tǒng)通常由擴散泵和機械泵組成。機械泵能達到1.33×10-3Pa的真空度，加擴散泵后可以達到1.33×10-4～1.33×10-6Pa的真空度，幾乎可以滿足所有要求。真空室的大小應(yīng)根據(jù)焊件的尺寸確定，真空室越大，要達到和保持一定的真空度對所需真空系統(tǒng)要求越高。真空室中應(yīng)有由耐高溫材料圍成的均勻加熱區(qū)，以保持設(shè)定的溫度。真空室外殼需要冷卻。4．控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)溫度、壓力、真空度及時間的控制，少數(shù)設(shè)備還可以實現(xiàn)位移測量及控制。溫度測量采用鎳鉻-鎳鋁、鎢-銠、鉑-鉑銠等熱電偶，測量范圍為20～2300℃，控制精度范圍為±(5～10)℃。壓力的測量與控制通常是通過壓力傳感器進行的?？刂葡到y(tǒng)多采用計算機編程自動控制，可以實現(xiàn)焊接參數(shù)顯示、存儲、打印等功能。三、典型擴散焊設(shè)備目前生產(chǎn)中使用的擴散焊設(shè)備種類較多，現(xiàn)介紹幾種常用的擴散焊設(shè)備。1．電阻輻射加熱真空擴散焊設(shè)備電子輻射加熱真空擴散焊機是目前最常用的擴散焊接設(shè)備，結(jié)構(gòu)原理如圖3-59所示。真空室內(nèi)的壓頭或平臺要承受高溫和一定的壓力，因而常用鉬或其他耐熱、耐壓材料制成。加壓系統(tǒng)一般采用液壓方式，小型焊機也可采用機械加壓方式。加壓系統(tǒng)應(yīng)保證壓力均勻可調(diào)且可靠性高。2．感應(yīng)加熱擴散焊設(shè)備感應(yīng)加熱擴散焊機示意圖如圖3-61所示，由高頻電源和感應(yīng)線圈構(gòu)成加熱系統(tǒng)，機械泵、擴散泵和真空室構(gòu)成真空系統(tǒng)。對于非導(dǎo)電材料，如陶瓷等，可以采用高頻加熱石墨等導(dǎo)體，然后把工件放在石墨管中進行間接輻射加熱。3．超塑成形-擴散焊接設(shè)備此類設(shè)備是由壓力機和專用加熱設(shè)備組成，可分為兩大類：一類是由普通液壓機與專門設(shè)計的加熱平臺構(gòu)成，加熱平臺由陶瓷耐火材料制成，安裝于壓力機的金屬臺面上，超塑成形-擴散用模具及工件置于兩陶瓷平臺之間，可以將待焊接零件密封在真空容器內(nèi)進行加熱。另一類是壓力機的金屬平臺置于加熱設(shè)備內(nèi)，如圖3-62所示，其平臺由耐高溫的合金制成，為加速升溫，平臺內(nèi)亦可安裝加熱元件。這種設(shè)備有一套金屬抽真空供氣系統(tǒng)，用單臺機械泵抽真空，利用反復(fù)抽真空-充氫的方式來降低待焊表面及周圍氣氛中的氧分壓，高壓氫氣經(jīng)氣體調(diào)壓閥，向裝有工件的模腔內(nèi)或袋式毛坯內(nèi)供氣，以獲得均勻可調(diào)的擴散焊壓力和超塑成形壓力。4．熱等靜壓擴散焊設(shè)備近年來，為了制備致密性高的陶瓷及精密形狀的構(gòu)件，熱等靜壓設(shè)備逐漸引起行業(yè)的重視。在高溫施焊的同時，對工件施加很高的壓力，以增加致密性或獲得所需要的構(gòu)件形狀，一般采用全方位加壓，壓力最高可達200?MPa。該設(shè)備可用于粉末冶金、鑄件缺陷的愈合、復(fù)合材料制備、陶瓷燒結(jié)及精密復(fù)雜構(gòu)件的擴散焊等?！?知識點5擴散焊工藝參數(shù)溫度、壓力、保溫擴散時間、表面狀態(tài)、保護方法、母材及中間擴散夾層的冶金性能等參數(shù)，是影響擴散焊過程及接頭質(zhì)量的主要因素。一、溫度材料在加熱過程的變化都要直接或間接地影響到擴散焊接過程及接頭質(zhì)量。金屬的塑性變形能力愈好，焊接表面達到緊密接觸所需的壓力愈小。從這兩方面考慮，似乎焊接溫度愈高愈好。但是，加熱溫度受到材料的冶金特性方面的限制，如再結(jié)晶、低熔點共晶體和金屬化合物的生成。因此，不同材料組合的焊接溫度應(yīng)根據(jù)具體情況來選定。溫度只能在一定范圍內(nèi)提高接頭的強度，過高反而使接頭強度下降。這是由于隨著溫度的增高，母材晶粒迅速長大及其他變化的結(jié)果。二、壓力施加壓力的主要作用是使結(jié)合面微觀凸起部分產(chǎn)生塑性變形，達到緊密接觸，同時加速界面區(qū)擴散，加速再結(jié)晶過程。如果壓力過低，表面塑性變形不足，會導(dǎo)致表面形成物理接觸過程進行不徹底，界面上殘留的孔洞過多且過大；較大的壓力可以產(chǎn)生較大的表層塑性變形，還可以使表層再結(jié)晶溫度降低，加速晶界遷移。高的壓力有助于擴散微孔的收縮和消除，也可以減少或防止異種金屬擴散焊時的擴散孔洞。在其他參數(shù)固定時，采用較高的壓力能產(chǎn)生較好的接頭。但壓力過大會導(dǎo)致焊接變形，同時，高壓力需要成本較高的設(shè)備和更精確的控制。從經(jīng)濟效益考慮，應(yīng)選擇較低壓力。三、保溫時間保溫時間是指被連接焊件在焊接溫度下保持的時間，擴散焊所需的保溫時間與溫度、壓力、中間擴散層厚度和對接頭成分及組織均勻化的要求密切相關(guān)。保溫時間太短，擴散焊接頭達不到穩(wěn)定的結(jié)合強度。但高溫、高壓持續(xù)時間過長，對擴散焊連接接頭質(zhì)量起不到進一步提高的作用，反而會使母材的晶粒長大。一般情況下，原子擴散走過的平均距離與擴散時間的平方根成正比，即拋物線定律。因此，要求接頭成分均勻化的程度越高，保溫時間就將以平方的速度增長。四、焊件表面狀態(tài)連接表面的粗糙度和平面度是影響擴散連接質(zhì)量的重要因素。因此，焊接表面狀態(tài)對焊接過程及接頭質(zhì)量有很大的影響。焊前必須對表面進行認真準(zhǔn)備，包括：機械加工、磨平、甚至拋光，還要清洗去油、去除氧化膜等。經(jīng)過拋光的表面在微觀上凹凸不平，最大可達到50?nm。表面制備質(zhì)量愈低，凹凸不平愈嚴重，界面孔洞就會愈大。因此，焊接表面的制備是一個十分重要的問題。表面制備與清洗方法很多，主要有：機械加工、化學(xué)侵蝕與剝離、真空烘烤、輝光放電、超聲波清洗和去油清洗