电子束焊接、激光焊接、搅拌摩擦焊先进焊接技术

拓展项目先进焊接技术 教学目标 1 了解电子束焊接 激光焊接 搅拌摩擦焊的原理 工艺特点及应用范围 2 能够制定焊接工艺 熟悉基本操作方法与安全防护 3 了解焊接机器人控制的基本原理 典型弧焊机器人离线编程仿真系统的组成及功能 1电子束焊接 1 1电子束焊的基本原理从电子枪中产生的电子束在25 300kv的加速电压下加速到0 3 0 7倍的光速 经过电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用 形成的功率密度很高的电子束流得到一个很小的焦点 当电子束流撞击置于真空或非真空的工件表面时 电子的动能迅速转变为热能 使金属迅速熔化和蒸发 实现焊接过程 焊接过程参看视频动画 1 2电子束焊的特点 作为电子束焊的热源 电子束具有如下特点 1 功率密度高电子束属于高能束流 电子束焊接时常用的加速电压范围为30 150kV 电子束电流为20 l000mA 电子束焦点直径约为0 1 1mm 其功率密度可达106W cm2以上 2 精确 快速的可控性电子作为物质基本粒子 具有极小的质量 9 1 10 31kg 和一定的负电荷 1 6 10 19C 电子的荷质比高达l 76 1011C kg 通过电场 磁场对电子束可作快速而精确的控制 这是电子束的一个优势 与同为高能束流的激光相比 后者只能用透镜和反射镜控制 速度慢 1 焊件的结构形状和尺寸焊件的厚度与电子束的加速电压和功率有关 一般单道焊接碳钢厚度可以超过100mm 或厚度超过400mm的铝板 而不需开坡口和填充金属 焊薄件的厚度可小于2 5mm 甚至薄到0 025mm 也可焊厚薄相差悬殊的焊件 真空电子束焊焊件的形状和尺寸不能超过焊接室容积允许的范围内 非真空电子束焊不受此限制 可以焊接大型焊接结构 但必须保证电子枪底面出口到焊件上表面的距离 一般在12 50mm之间 单面焊可焊厚度一般很少超过10mm 如果厚度达到25mm以上 需要降低焊接速度 从而增加制造成本 1 3电子束焊的适用范围 2 焊接的材料在真空室内进行电子束焊时 除含有大量的高蒸气压元素的材料外 一般熔焊能焊的金属 都可以采用电子束焊 如铁 铜 镍 铝 钛及其合金等 此外 还能焊接稀有金属 活性金属 难熔金属和非金属陶瓷等 可以焊接熔点 热导率 溶解度相差很大的异种金属 可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料 而对接头的力学性能没有太大的影响 1 3电子束焊的适用范围 3 焊接有特殊要求或特殊结构的焊件可以焊接内部需保持真空度的密封件 焊接靠近热敏元件的焊件 焊接形状复杂而且精密的零部件 可以同时施焊具有两层或多层接头的焊件 这种接头层与层之间可以有几十毫米的空间间隔 1 3电子束焊的适用范围 1 焊前准备 1 工件的准备和装夹 2 抽真空 3 焊前预热和焊后热处理2 焊接接头设计3 焊接工艺参数电子束焊的工艺参数主要有电子束电流Ib 加热电压Ua 焊接速度vb 聚焦电流If和工作距离H等 1 4电子束焊接工艺 1 加速电压在电子束焊接中 加速电压的增加可使熔深加大 但加速电压的参数根据电子枪的类型通常选取某一数值不变 在保持其他参数不变的条件下 焊缝横断面深宽比与加速电压成正比 2 电子束流束流与加速电压一起决定着电子束的功率 在电子束焊接过程中 加速电压往往不变 所以常常要调整电子束流值来满足不同的焊接工艺需要 增加电子束流 熔深和熔宽都会增加 3 焊接速度焊接速度太快会使焊缝变窄 熔深减小 1 4电子束焊接工艺 4 聚焦电流电子束聚焦状态对熔深及焊缝成形影响很大 焦点变小可使焊缝变窄 熔深增加 厚板焊接时 应使焦点位于工件表面以下0 5 0 75mm的熔深处 薄板焊接时 应使焦点位于工件表面 5 工作距离工作距离应在设备最佳范围内 工作距离变小时 电子束的斑点直径变小 可增加电子束功率密度 但工作距离过小会造成放电现象 因而在不影响电子枪的稳定工作的前提下 可以采用尽可能短的工作距离 对于确定的电子束焊接设备 加速电压一般固定不变 必须时也只做较小的调整 焊接电流和焊接速度是主要调整的工艺参数 热输入与电子束焊接功率成正比 与焊接速度成反比 利用焊接热输入与焊接厚度的对应关系 初步选定焊接工艺参数 经实验修正后方可作为实际使用的焊接工艺参数 此外 还应考虑焊缝横断面 焊缝外形及防止产生焊缝缺陷等因素 综合选择和实验确定焊接工艺参数 1 4电子束焊接工艺 1 5典型材料的电子束焊 1 铝和铝合金纯铝及非热处理强化铝合金如果采用电子束焊接 接头具有与母材退火状态相似的力学性能 热处理强化铝合金进行电子束焊时 可能出现不同程度的裂纹 气孔等缺陷 但只要工艺参数选择适当 可以减少缺陷并保证接头不会出现退火软化区 当铝合金中含有较多强化元素镁和锌时 焊接速度慢的电子束焊时会造成这些元素大量蒸发 若提高焊接速度则焊缝成形恶化 并出现严重气孔 无锌的铝合金宜用高压 小束流的高速焊 铝和铝合金电子束焊前需要对接缝处进行除油和清除氧化膜处理 焊接过程中应控制焊接速度 以防止出现气孔并能改善焊缝成形 对厚度小于40mm的铝板 焊接速度应在60 120cm min 对于40mm以上的厚铝板 焊接速度应在60cm min以下 汽车上常采用了一些铝合金零件 非真空电子束焊焊接汽车用铝合金可得到良好的接头 早在60年代 美国就将非真空电子束焊引入了批量汽车零件的生产中 既可降低成本 而且效率高 并可在汽车生产线上连续进行 同时可减轻结构质量 节省燃料及减少废气的排放 汽车上仪表板等采用铝合金焊接结构 接头形式往往是卷边的 2 钛和钛合金钛是一种非常活泼的金属 最常见的焊接缺陷是氢气孔 所以应在良好的真空条件下 1 33 10 2Pa 进行焊接 而电子束焊接是所有工业钛和钛合金最理想的焊接方法 采用电子书焊接能有效地避免了有害气体的污染 而且电子束的能量密度大 焊接速度高 焊缝中不会出现粗大的片状 相 因而焊接接头的有效系数可达到100 焊接时为了防止晶粒长大 宜采用高电压 小束流的工艺参数 1 5典型材料的电子束焊 1 6电子束焊的基本操作与安全防护 在操作电子束焊机时要防止高压电击 X射线 可见光辐射以及烟气等 无论是低压型或高压型的电子束焊机 在运行时都带有足以致命的高电压 因此 焊机中一切带有高电压的系统 都必须采取有效的安全防护措施 电子束焊接设备应装置专用地线 设备外壳应用粗铜线接地 在更换阴极组件和维修时 应切断高压电源 并用放电棒接触准备更换的零件 以防电击 高压电源和电子枪应保证有足够的绝缘和良好的接地 绝缘试验电压应为额定电压的1 5倍 电子束焊接时会产生有害的金属蒸气 烟雾 臭氧及氧化氮等 应采用抽气装置将真空室排出的抽气 烟尘等及时排出 以保证真空室内和工作场所的有害气体 含量降低到安全水准以下 使设备周围应易于通风 直接观察熔化金属发射的可见光对视力和皮肤有害 因此焊接过程中不允许用肉眼直接观察熔池 必要时应配戴防护眼镜 1 6电子束焊的基本操作与安全防护 焊接时大量的X射线是由高速运动的电子束与焊件撞击所产生 在枪体和工作室内电子束与气体分子或金属蒸气相撞时 也会产生相当数量的X射线 电子束焊焊接时 大约不超过1 的电子束能量将转变为X射线辐射 我国规定对无监护的工作人员允许的X射线剂量不应大于0 25mR h 对于60kV以下电子束焊机的真空室采用足够厚度的钢板就能起防护X射线的作用 加速电压为60kV以上的焊机应附加铅板进行防护 无论是高压或是低压电子束系统都使用铅玻璃窗口 焊机则安装在用高密度混凝土建造的X射线屏蔽室内 1 6电子束焊的基本操作与安全防护 2 1激光焊概述激光是20世纪最伟大的发明之一 世界上第一台激光器问世于1960年 激光焊接是当今先进的制造技术之一 激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件接缝所产生的能量进行焊接的方法 与常规焊接方法相比 激光焊有如下特点 l 聚焦后的激光功率密度高达105 107W cm2 工件产生的变形极小 热影响区也很窄 多以深熔深方式 特别适宜于精密焊接和微细焊接 2 焊接厚件时可不开坡口一次成形 获得深宽比大的焊缝 不开坡口单道焊接钢板的厚度已达50mm 2激光焊 3 适宜于焊接一般焊接方法难以焊接的材料 如难熔金属 热敏感性强的金属以及热物理性能差异悬殊 尺寸和体积悬殊工件间的焊接 甚至可用于非金属材料的焊接 如陶瓷 有机玻璃等 4 穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接 适合于在玻璃的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料 5 可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位 YAG激光 波长1 06um 还可用光纤传输 可达性好 2 1激光焊概述 6 激光束不受电磁干扰 无磁偏吹现象存在 适宜于磁性材料焊接 7 不需真空室 不产生X射线 观察及对中方便 激光焊的不足之处是设备的一次投资大 特别是高功率连续激光器的价格昂贵 而且对高反射率的金属直接进行焊接比较困难 目前 用于焊接的激光器主要有两大类 气体激光器和固体激光器 前者以CO2激光器为代表 后者以YAG激光器为代表 根据激光的作用方式激光焊接可分为连续激光焊和脉冲激光焊 随着设备性能的不断提高 结构的日益复杂 对接头性能和变形要求越来越苛刻 许多传统的焊接方法己不能满足要求 因而 激光焊接在许多场合具有不可替代的作用 2 1激光焊概述 1 激光焊能源参数激光焊是将光能转化为热能达到熔化工件进行焊接的目的 1 功率密度激光能作用于固态金属表面时 按功率密度不同可产生三种不同加热状态 功率密度较低时仅对表面产生无熔化的加热 这种状态用于表面热处理或钎焊 功率密度提高时 可产生热传导型熔化加热 用于薄板高速焊及精密点焊 功率密度进一步提高时 则产生熔孔型熔化 激光热源中心加热温度达到金属的沸点而形成等离子蒸气 用于深熔焊 由于功率密度很大 所产生的小孔已贯穿整个板厚 在连续激光焊时 小孔是随着光束相对于工件而沿焊接方向前进的 金属在小孔前方熔化 绕过小孔流向方后 重新凝固形成焊缝 2 2激光焊工艺 调节激光的功率密度 即能实现不同加工工艺的要求 而调整功率密度的主要方法有 调节输入激光器的能量 调节光斑尺寸 即激光束与金属固体表面交叉面积的大小 改变光模型式 即改变光斑中能量的分布 改变脉冲宽度及前沿的梯度等 2 吸收率激光焊接的热效应取决于工件吸收光束能量的程度 常用吸收率来表征 减少激光反射损失的途径有 采用TEMoo光模 采用衰减式脉冲调制 开始时高脉冲功率使金属迅速加热熔化 降低其反射率 然后就可以在较低的能量输入下继续加热熔化 用喷涂等方法增加表面粗糙度或形成高吸收率薄膜 用电弧等热源预热 即双热源进行焊接 采用光收集式的接头设计 2 2激光焊工艺 3 聚焦和离焦量 1 聚焦焊接或切割厚度较大的材料时 为获得较大的焦点深度 宜选用焦距较长的透镜 对各种厚度的被焊材料及不同接头都存在一个最佳焦距 2 离焦量离焦量是工件表面离激光焦点的距离 工件表面在焦点以内时为负离焦 与焦点的距离为负离焦量 反之为正离焦 离焦量不仅影响工件表面激光光斑的大小 而且影响光束的入射方向 因而对熔深和焊缝形状有较大的影响 2 2激光焊工艺 激光复合焊接技术是指将激光与其他焊接方法组合起来的集约式焊接技术 其优点是能充分发挥每种焊接方法的优点并克服某些不足 从而形成一种高效的热源 例如 由于高功率激光焊设备的价格较昂贵 当对厚板进行深熔 高速焊接时 可将小功率的激光器与常规的气体保护焊结合起来进行复合焊接 如激光 TIG和激光 MIG等 2 3激光复合焊技术 2 3激光复合焊技术 1 激光一电弧焊激光焊接复合技术中应用较多的是激光 电弧复合焊接技术 主要目的是有效地利用电弧能量 在较小的激光功率条件下获得较大的熔深 同时提高激光焊接对接头间隙的适应性 降低激光焊接的装配精度 实现高效率 高质量的焊接过程 激光 TIG复合焊示意图 激光 MIG复合焊示意图 2 激光 高频焊该方法是在高频焊管的同时 采用激光对熔焊处进行加热 使待焊件在整个焊缝厚度上的加热更均匀 有利于进一步提高焊管的质量和生产率 近年来 通过激光一电弧相互复合而诞生的复合焊接技术获得了长足的发展 在航空 军工等部分复杂构件上的应用日益受到重视 目前 激光与不同电弧的复合焊接技术已成为激光焊接领域发展的热点之一 2 3激光复合焊技术 1 铝合金的激光焊铝合金激光焊常采用深熔焊方式 焊接时的主要困难是它对激光束的高反射率和自身的高导热性 铝是热和电的良导体 高密度的自由电子使它成为光的良好反射体 起始表面反射率超过90 也就是说 深熔焊必须在小于10 的输入能量开始 这就需要采用大功率或高性能的激光束来获得所需的能量密度 而小孔一旦生成 它对光束的吸收率迅速提高 甚至可达90 从而使焊接过程顺利进行 2 4典型材料的激光焊 1 铝合金的激光焊由于铝合金对激光的强烈反射作用 铝合金激光焊十分困难 必须采用高功率的激光器才能进行焊接 在CO2激光焊和Nd YAG激光焊的过程中 采用等离子弧与激光复合焊接不仅能提高焊接速度 可提高两倍 减少裂纹 还有助于得到平滑的焊缝 激光焊的优势和工艺柔性又吸引着科技人员不断突破铝合金激光焊的禁区 有力推动了铝合金激光焊在飞机 汽车等制造领域中的应用 2 4典型材料的激光焊 2 钛金的激光焊钛合金具有高的比强度 良好的塑性及韧性 较高的抗腐蚀性 是一种优良的结构材料 钛及钛合金化学性能活泼 对氧化很敏感 对由氧气 氢气 氮气和碳原子所引起的间隙脆化也很敏感 所以要特别注意接头的清洁和气体保护问题 在进行激光焊时 接头正反面都必须施加惰性气体保护 气体保护范围须扩大到400 500 即保护 钛合金对接时 焊前必须把坡口清理干净 可先用喷砂处理 再用化学方法清洗 另外 装配要精确 接头间隙要严格控制 2 4典型材料的激光焊 钛合金采用激光焊接可得到满意的结果 Ti 6A1 4V是用量最大的钛合金 广泛用于航空航天制造 对1mm厚的Ti 6Al 4V板材采用4 7kW的CO2激光输出功率 焊接速度可超过15m min 检测结果表明 焊接接头致密 无裂纹 气孔和夹杂物 接头的屈服强度 抗拉强度与母材相当 塑性不降低 在适当的焊接参数下 Ti 6A1 4V合金接头具有与母材同等的弯曲疲劳性能 钛合金激光焊时 焊接速度一般较高 80 100m h 焊接熔深大致为1mm kW 激光焊焊接高温钛合金 也可以获得强度和塑性良好的接头 2 4典型材料的激光焊 搅拌摩擦焊 FrictionStirWelding 简称FSW 是基于摩擦焊技术的基本原理 由英国焊接研究所 TWI 于1991年发明的一种新型固相连接技术 与常规摩擦焊相比 其不受轴类零件的限制 可进行板材的对接 搭接 角接及全位置焊接 被誉为 继激光焊后又一次革命性的焊接技术 3 搅拌摩擦焊 与传统的熔化焊方法相比 搅拌摩擦焊接头不会产生与熔化有关的如裂纹 气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷 焊接过程中不需要填充材料和保护气体 使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现连接 焊接前无须进行复杂的预处理 焊接后残余应力和变形小 焊接时无弧光辐射 烟尘和飞溅 噪音低 因而 搅拌摩擦焊是一种经济 高效 高质量的 绿色 焊接技术 3 搅拌摩擦焊 3 1 搅拌摩擦焊焊接过程在进行搅拌摩擦焊接时 首先将焊件牢牢地固定在工作平台上 然后 搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊针插入焊件的接缝处 直至搅拌焊头的肩部与焊件表面紧密接触 搅拌焊针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用 使接缝处材料温度升高而软化 3 搅拌摩擦焊 3 搅拌摩擦焊 同时 搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动 搅拌焊头前面的材料发生强烈的塑性变形 随着搅拌焊头向前移动 前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后 在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下 形成致密的固相连接接头 搅拌摩擦焊接过程参见视频资料 搅拌摩擦焊接过程示意图 3 2搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数在搅拌摩擦焊接过程中 搅拌焊针高速旋转并插入焊件 随即在焊接压力的作用下 轴肩与焊件表面接触 于是在轴肩与焊件材料上表面及搅拌针与接合面间产生大量的摩擦热 同时 搅拌针附近材料发生塑性变形和流体流动从而导致形变产热 其中摩擦热是焊接产热的主体 随着搅拌焊头沿焊缝方向行走 这些热量对焊缝及焊缝附近的母材施以热循环作用 导致材料中沉淀相的溶解 焊缝和热影响区发生较大程度的软化 目前 还不能对搅拌摩擦焊的产热进行精确计算 产热机制的解释和计算方法有很多种 因此 加强搅拌摩擦焊的基础理论研究 尽快建立合适的传热模型 从理论上预测材料在一定的焊接参数下所经历的热过程 对优化焊接参数 获得优质的焊接接头具有重要作用 搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度 搅拌焊头沿焊缝方向的行走速度 搅拌焊头转速 焊接压力 搅拌头倾角 搅拌头插入速度和保持时间等 3 3铝合金的搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊发明初期主要解决铝合金薄板的焊接问题 随着搅拌摩擦焊焊接工具的开发和工艺技术的发展 目前 搅拌摩擦焊可以焊接所有系列的铝合金材料 包括那些难于用熔化焊方法连接的高强铝合金材料 如2xxx Al Cu 系列 7xxx Al Zn 系列铝合金 也可用于不同种类铝合金材料的连接 如5xxx Al Mg 与6xxx Al Mg Si 系列铝合金铝合金的焊接 在材料的厚度上 搅拌摩擦焊单道焊可以实现厚度为0 4 100mm铝合金材料的焊接 双道焊可以焊接180mm厚的对接板材 采用搅拌摩擦焊接铝合金 接头力学性能高于采用熔化焊接 通过研究焊接速度 搅拌头转速 轴向压力 搅拌头仰角等参数对接头性能的影响规律 并进行参数优化 可以找到最佳的焊接参数匹配区间 当以这个区间内的参数进行FSW时 可以获得最佳性能的FSW接头 3 4钛合金的焊接搅拌摩擦焊在钛合金焊接中的应用也日趋广泛 采用搅拌摩擦焊技术焊接钛合金Ti 6Al 4V 可以得到高质量的焊缝 且焊接速度快 成本低 效益好 操作简单 3 5铜合金的焊接搅拌摩擦焊接铜合金 可以消除熔化焊时的焊缝成形差 热裂倾向大 难于熔合 未焊透 表面成形差等外观缺陷 焊缝及热影响区热裂纹 气孔等内部缺陷 当选用尺寸合适的锥形螺纹形搅拌针时 焊缝成形良好 而选用圆柱形搅拌针时 焊缝容易产生缺