哈工大-材料-高效焊接方法

1、高效焊接方法第一章一、窄间隙焊接日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会：板厚大于30mm以上，以小于板厚的间隙进行焊接，一般而言板厚小于 200mm时，间隙小于20mm，板厚超过200mm时，间隙小于30mm。对于 常规厚板(30 mm 左右)坡口尺寸 8mm 以下为窄间隙， 5mm 以下为超窄间隙。注意： 窄间隙焊接不是一种常规意义上的焊接方法，而是一种焊接方式，是利用了现有的弧焊方法 的一种特别技术。多种焊接方法都可用窄间隙焊接 (NG： Narrow Gap) ： NG-SAW ：考虑脱渣，已成熟，但不适于全位置焊； NG-GMAW ( MAG、CO2):适于全位置焊，但要解决飞溅

2、和；侧壁熔合问题(特别是横焊时) ，工艺规范区间较窄。NG-TIG ：焊缝质量好，但效率低，主要用于不锈钢等特殊材料或进行打底焊；NG-MAW 和窄间隙电渣焊：应用较少；NG-GMAW 药芯焊丝：小规范下短路过渡，飞溅小，成形好，但清渣困难，研究热点值得关注； 特殊的窄间隙焊接：激光焊接、电子束焊接。窄间隙焊接的特征：(1) 多数采用I形坡口或坡口角度很小(0. 5 -7 )的U、V形坡口；( 2) 多层焊接；(3) 自上而下的各层焊道数目相同 (通常为 1 或 2道)；( 4) 采用小或中等线能量进行焊接。二、窄间隙焊接的优点和不足窄间隙焊接的优点：( 1) 坡口断面积小：减少焊接时间，填充

3、材料少，能耗低，降低成本，效率高；( 2) 焊接线能量小： HAZ 区小，组织细小，改善接头韧性，机械性能优良，焊接残余应力变形小。窄间隙焊接的不足：( 1) 在狭窄坡口内的气、丝、水、电的导入困难，焊枪复杂，加工精度高、难度大，通用性不强；( 2) 由于电弧轴向与侧壁夹角很小，容易导致侧壁未熔合，这是窄间隙焊接关键问题( 3) 焊丝对中要求高，对中不好，几乎不能进行焊接( 4) 窄间隙焊缝往往由几十层焊道形成，一层有缺陷，返修很困难( 5) 焊接规范区间较窄，焊接过程抗干扰性差，飞溅对焊接过程影响严重；( 6) 在侧壁的拘束下容易产生热裂纹，尤其是第一道焊缝产生的几率最大我国目前主要是应用粗

4、丝大电流 NG-SAW ， NG-GMAW 等因为：( 1) 埋弧焊对焊丝在坡口内作用位置的不敏感，工艺规范区间宽，粗丝大电流，侧壁熔合好，工艺 可靠性高，无飞溅；( 2) NG-SAW 焊接设备的可靠性和产品化程度较高，国内也可自主开发；( 3) NG-GMAW 侧壁熔合问题一直未得到有效解决；三、直流正接窄间隙 GMAW 焊接简介直流正接电弧非常稳定， 焊接时， 坡口侧壁也产生电弧， 熔合较好， 熔滴过渡由滴状变为喷射过渡， 形成凹形焊缝，成型良好，结晶裂纹倾向小，焊丝熔化速度快，生产率比反极性提高50。直流正极性窄间隙焊接，可以进行常规焊接，也可以利用焊丝刚度较大的特点，仅将焊丝深入到窄

5、 间隙中去，而导电嘴并不深入到窄间隙中去，但近适用于 40mm 以下低合金钢，且仅适用于平焊。焊接 时为保持稳定，导电嘴应随焊道升高而升高(干伸长不变) ，而气体喷嘴必须保持高度，保证保护效果。正极性窄间隙焊接最佳规范参数很窄，也不适用盖面焊道。直流反接在侧壁产生电弧时焊接将无法进行： 电弧自身调节作用丧失 。这也是窄间隙焊接对焊丝对中要求高的原因。四、 各种 NG-GMAW 焊接方式的优缺点：麻花形焊丝、折曲式送丝 ：导电嘴易磨损，焊丝材质太硬或焊丝本身如果存在死结，会造成焊丝 的不规则摆动，容易引起未融合及缺陷；偏心低速旋转 ：导电嘴磨损大，传动齿轮容易磨损而造成转动失稳，电极接入困难；

6、双丝或多丝 ： 焊枪特殊，坡口间隙大；旋转射流过渡 ：工艺区间小，难以控制； 磁控电弧摆动 ：只适用于 NG-TIG ；电弧高速旋转 ：焊枪相对简单小巧，工艺性好，是一种比较好的方式， 但焊丝对保护气的扰动较 大，需两重保护气。五、两种常用的窄间隙焊接形式：焊钢(1) 细丝小电流窄间隙焊接：低热输入窄间隙焊接，焊丝直径0.91.2mm，单根焊丝线能量小于6KJ/cm ，为提高生产率多用双丝或多丝焊接，焊丝间距 300mm 以上。适用于大厚度高强钢、高 合金钢、及热敏感材料。(2) 粗丝大电流窄间隙焊接：高热输入窄间隙焊接，焊丝直径 2.54.8mm，可进一步提高生产率， 但电流过大易产生“梨形

7、熔深”导致裂纹，多采用脉冲电流或直流正极性焊接法。六、超窄间隙焊接简介坡口间隙 5mm 以下，当间隙小于 4mm 时侧壁熔合问题不突出。优点： 坡口面积更小，单道焊接，效率更高，线能量更低，热影响区小(1mm)存在问题： 气、水、电的导入；侧壁打弧问题。解决： 侧壁贴焊剂片法；使用特殊电源。七、思考题1. 请用电弧自身固有的调节机制说明为什么窄间隙焊接时对焊丝对中要求非常高？2. 总结窄间隙焊接的特点，并与常规焊接进行比较。3. 窄间隙焊接存在的主要问题有哪些？怎样解决？第二章 活性剂焊接( Active Flux welding )一、什么是活性剂和活性剂焊接活性剂 ( Actived fl

8、ux )：一般指对焊接熔深、熔宽、效率等有明显影响效果的化合物或混合化合物。 活性剂焊接： 在焊接前工件表面涂敷一层活性剂或在焊接过程中添加活性剂的焊接方法。 最早由前苏联(现乌克兰)巴顿焊接研究所于20 世纪 60 年代提出，主要用于焊接钛合金，称之为“焊剂层上氩弧焊 ”， 20 世纪 70 年代发展了以氧化物和氟化物为主要成分的焊剂，用于不锈钢的焊接， 在直边坡口情况下不添加焊丝，可单道可焊透8-10m m,但当时人们并不了解其作用机理。目前常用的活性剂焊接主要是 TIG 焊接 Actived flux-TIG ，简称 A-TIG ，还可用于等离子焊接 A-PAW 等。常规 TIG 焊的特

9、点：焊接母材广：不锈钢、高强钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜-镍合金。TIG 焊工艺特点：电弧稳定、惰性气体保护、焊接参数控制、成形美观、难焊金属的焊接。常规 TIG 焊存在的问题：( 1 ) 焊接效率低,熔深小,厚板焊接需要开坡口并多层焊,影响批产能力等；( 2) 容易出现未焊透或背面成形不均匀,影响结构强度；( 3) 气孔倾向性较大。A-TIG 焊接的优点：( 1) 增大熔深(可达普通 TIG 焊的 300 ),在焊接参数不变的情况下,与常规 TIG 焊相比,提高 熔深增加值一倍以上,而且不增加正面焊缝宽度；对中等厚度的材料,不开坡口能够一次焊透；(2) 减小熔宽、减小残余应力、变形；(3

10、) 减少焊接准备时间、坡口角度、焊道层数，提高生产效率，节省能源(对于薄板可以提高焊接 速度或减小焊接电流)；(4) 消减气孔、提高焊接接头力学性能。注意：并非所有的活性剂的作用都是正面的，有的活性剂可能对增大熔深没什么作用，有的可能会 减小熔深，有的可能对焊缝成型影响不良。二、活性剂的成份(钢、钛合金为例)A-TIG焊的关键因素在于活性剂成分的选配。目前常用的活性剂成分主要有 氧化物、氯化物和氟化物，对于不同的材料，其适用的活性剂成分不同。由于这种技术的重要性，活性剂的成分和配方在 PWI、NJC和EWI等都有专利限制，公开出版物上很少报道。目前国内外开发并使用的活性齐件要有三种类型：氧化物

11、、氟化物和氯化物。但卤化物的毒性大， 不利于推广和应用。目前国外焊接不锈钢、碳钢等所使用的活性剂以氧化物为主。而对于钛合金材料的焊接，由于氧化物在高温下分解出的游离态的氧对母材有氧化作用，仍以卤化 物为主。常用的活性剂组分：SiO2 TiO 2、C2O3、CaCl2 TiO、Ti 2O3 NiO ;NaCl、AIF3、CaF2、NaF。注意：现代的活性剂多是几种化合物的混合物，很少再应用单一成分活性剂。注意：活性剂粉末的颗粒度为微米级，需要用球磨机进行磨制，粗的颗粒度活性效果差。三、活性剂的使用方法手工刷涂法最简单、最常用；机械喷涂法一一适于自动焊接； 压力气雾罐喷涂一一使用方便； 活性剂药芯

12、焊丝或药皮焊条一一发展方向。四、活性剂对焊接的影响 I 214 S 4?CC4ll呻 quaility of Hum*)3145 ccoliina quRndlv Of AukmEEl 包舟 UDf-CJPmdcoaiJHg qii|ity jf Huk i.m制号-EEfiiKUrif qii*ii|ifjr of iluKquamin- ef (lux (rag.rmI D1.0JA毗 J J.O 1.5 2A JJ 3JuonfliCy iv刊11耳宅即申七肝Q. I 4 fi t L4 g J4 M utiting. quaiYiih fid fliu.他郭皿即b)DoathiE qu

13、anlitjof fliDt (jngflcm*(1) 活性剂涂敷量较小时，熔深随涂敷量的增加而增大，其中SiO2增加最为明显。(2) 涂敷量对熔深的影响曲线都有一个饱和点，超过此点熔深增加缓慢或变化不大。(3) 所有的单一成分活性剂都没有达到全熔透。五、活性剂消减气孔的技术和机理(TC4)在熔池金属中，与钛反应生成的 TiF4是在熔池内部消除氢气孔的真正物质。在电弧气 氛中，生成不溶于熔融钛、扩散系数低的HF，是消除氢气孔倾向的重要原因。CaF2(l) + H2O + Ti(s) = Ca(g)+ TiO(s) + 2HF ；CaF2(l) + H2O = CaO(s)+ 2HF；2NaF(

14、l) + H2O + Ti(s) = 2Na(g) + TiO(s) + 2HF; 铝合金、钛合金焊接气孔消减技术：通过试验分析和反应动力学计算，证明了活性剂消除氢气孔主要是熔池的冶金作用。加入合适的活 性剂可以显著消除气孔。熔池中与氢作用消除气孔的是冶金反应生成的TiF4,反应生成不溶于液态金属的 HF气体逸出熔池，从而消除了氢气孔的倾向。六、活性剂增加焊接熔深作用机理主流观点：阳极斑点收缩观点日本； 电弧收缩观点乌克兰； 等离子收缩观点哈工大； 表面张力观点美国； 其他观点：阳离子 -电子复合。阳极斑点观点： 在熔池中添加硫化物、氯化物和氧化物后，熔池阳极斑点出现明显的收缩，同时产 生较大

15、的熔深。基本观点：添加活性剂后，熔池产生的金属蒸汽受到抑制，由于金属粒子更容易被电离，在金属蒸 汽减少的情况下，只能形成较小范围的阳极斑点，电弧导电通道紧缩，在激活了熔池内部电磁对流的同 时，熔池表面的等离子对流受到减弱，从而形成较大的熔深。这种解释对非金属化合物型的活性剂较有 说服力，但对金属化合物却不适用。还有人认为，在阳极区存在一个类似中空的负离子分布空间，由于受到前向收缩力的作用而压缩、 强迫阴极区的电子流向阳极运动， 从而使得阳极势能大大减弱， 最终大幅度提高了阳极区电流密度。 (本 段为了解内容)实际研究中，负离子分布空间未能得到证实，而阳极斑点的变化确实可以观测到，说明后者更有说

16、 服力和合理性，但不能对负离子说证伪。电弧收缩观点：基本观点： A-TIG 焊中活性剂在高温电弧作用下蒸发，以原子形态包围在电弧周边区域，由于电 弧周边区域温度较低，活性剂蒸发原子捕捉该区域中的电子形成负离子并散失到周围空间。这一方面， 使得使电弧中的电子数呈现减少的趋势，电弧导电性能减弱；另一方面，尽管负离子带的电荷和电子一 样多，但它的质量比电子大的多，速度慢得多，不能有效承担传递电荷的任务；导致电场强度E 减小，根据最小电压原理，电弧有自动使 E 维持最小的倾向，结果导致电弧自动产生收缩，电弧电压增加，热 量集中，电弧力集中，从而使焊接熔深增加。另外，由于化合物是多原子分子，在电弧热的作

17、用下发生 热解离，热解离是吸热的过程，根据最小电压原理，也会使电弧收缩。判断焊接电弧收缩与否最为明确和有说服力的办法是考察电弧电压的变化和直接观察电弧形态。同一电弧在相同的焊接电流、电弧长度及保护气氛的情况下，如果电弧电压增加，无疑是某种其它原因使 电弧产生了收缩。TiO2 活性剂， 电弧电压基本保持无活性剂涂敷的水平。 其它活性剂电弧电压都有所增加， 其中 SiO2 活性剂增加量最大， 达到 3V 左右。此外， 当 SiO2 活性剂的涂敷量较少时， 电弧电压增加程度相应减小。 这说明A-TIG焊接中Si02活性剂对电弧具有压缩作用， 而TiO2活性剂对电弧没有压缩作用。TiO?和SiO? 两

18、种活性剂对增加焊道熔深有着类似的作用效果，但就增加焊接熔深的机理而言是存在差别的。实验发现电弧电压随着活性剂涂敷量的增加而增加，当涂敷量较小时，增加速度比较快，当涂敷量 达到一定值时，电弧电压不再增加，有一个饱和值。活性剂主要影响阳极压降，这是因为活性剂的加入 使阳极斑点发生收缩。阳极斑点收缩和电弧收缩是电弧电压提高的主要原因。但考察电弧电压，必须考虑去除其它因素造成的弧长影响：在电弧收缩状态下，由于电弧力更为集 中，熔池表面会产生更大的凹陷，实际电弧长度是增加的，在此情况下所测得的电弧电压值判断电弧的 收缩就具有不明确性。另外，SiO?作用下电弧具有明显的弧尾后拖现象，导电通道变长，也是电压

19、增大的一个原因。等离子体收缩观点： (哈工大提出) 通过实验观察发现，活性剂的加入使电弧发生了膨胀，而内部一小束明显变亮，比无活性剂的整体电弧小。 A-TIG 焊电弧内部变亮部分正是决定导电面积的区域，也是熔化母材的能量来源，认为这就是 等离子体。所谓的电弧收缩只是等离子体收缩，而不是整体电弧收缩。表面张力观点：基本观点： 熔池液态金属流动状态对形成的熔深起到了很大的作用，普通的焊接金属熔化状态下其 表面张力具有负的温度系数， 这种情况下， 熔池表面形成由中心向周边的表面张力流， 得到的熔深较浅； 当熔池金属中存在某种微量元素或接触活性气氛时， 熔池液态金属的表面张力数值降低并且转变为正的 温

20、度系数，从而使熔池金属的流动直接传向熔池底部，对熔池底部的加热效率提高，从而形成了更大的 熔深。其他：阳离子 -电子复合观点（了解内容） 电弧的中心偏下的部分， 阳离子和电子产生复合， 电弧等离子体将在电场与复合过程的作用下向电 弧轴线中下部收缩，在电流不变的条件下，电流密度增加。阳离子的复合作用会使等离子体中的大量电子消失，破坏等离子体的电中性平衡， 这会促使更多的 氩原子电离以恢复等离子体的电中性，即氩电弧的电离度将增加。根据 SaHa 公式，在压力和电离电位 不变的条件下，电离度的增加将使得电弧温度增加。由于电弧体积的减小和电弧温度的增加，电弧的压力大大增加，从而使熔深增加。活性剂实际作

21、用机理：实验发现， 低碳钢 A-TIG 焊接中活性剂的影响都可以用电弧收缩理论和表面张力理论来解释。 但是 不同种活性剂对电弧收缩和表面张力的影响是有差别的。活性剂 SiO 2对二者的影响都很大，这体现在涂敷SiO2 以后焊缝的熔深增加熔宽减小得很明显。活性剂 NaF 对焊缝熔深增加的作用明显，但对熔宽影响不大，这说明 NaF 对熔池表面张力影响较大，对 电弧收缩的影响不明显。在焊接中活性剂 TiO2、C2O3和CaF2的表现更为复杂。这三种活性剂对焊缝影响的共同特点是：在增加焊缝熔深的同时，增加了熔宽。焊缝熔宽的增加一定不是电弧收缩的影响。它 们对表面张力的影响更为显著， 对电弧收缩几乎没有

22、影响。 分析这几种现象可知， 在 A-TIG 焊中活性剂 对表面张力的影响是普遍存在的，而对电弧收缩的影响是有选择性的。活性剂的这种现象还可以从化学角度考虑。特别是对于TiO2和62O3。与SiO2相比它们对电弧收缩的影响小但是它们的活化效果却优于SiO2。可能是进入熔池内的活性剂微粒在降低液态金属的粘度和表面张力的同时， 对熔池金属进行了合金化， 使熔点降低， 这样就更有利于金属的熔化， 增加了焊缝熔深， 提高了焊缝金属的熔敷率。 （本段为了解内容）SiO2 等活性剂熔深增加是阳极斑点收缩、等离子体收缩和表面张力系数变化综合作用引起的，而TiO 2 等活性剂只是引起表面张力系数的变化。正是由

23、于各种活性剂的作用机理不同，作用效果也不一样，现在多采用混合型活性剂。第三章激光 -MIG 复合焊，利用 MIG 的指向性来改善焊接适应性，增加熔融金属的润湿性，同时由于能够 比较稳定地填丝，可以较容易的改善焊缝金属的微观组织以及接头的力学性能，而且由于激光对电弧的 吸引和压缩作用，整个焊接过程会更加稳定。焊接时，热输入相对较小，焊缝以及热影响区都比较窄， 焊后的变形和焊接残余应力也较小。通过调整电弧电流、高度、角度、电弧与激光束之间的距离、激光的规范和焊接速度以及激光气流 的大小，可以得到质量较好的焊缝。这是由于采用激光加电弧作为焊接热源时，二者之间相互作用，一 方面电弧强化激光，稀释等离子

24、体，预热工件以提高金属对激光的吸收率；另一方面激光可使弧柱的电 阻减小，场强降低，增加电弧的稳定性。一、工艺特点：（1）高效节能，利用电弧增强激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器；（2）增加熔深，获得优质焊接接头，性能提高；（ 3） 在焊接薄件时可进行高速焊；（4）调节两种热源参数，可改善焊缝成形，热影响区小；（5）可以减少母材端面接口的精度要求；（ 6） 过程稳定性。二、MIG TIG 双面双弧焊接：大电流 MIG 焊存在两个难以解决的问题：一是当焊接电流增大时，焊丝熔化量相应增加，熔池中 熔化金属量增多，阻碍了电弧对母材的直接加热及机械力的作用，熔深的增加受到了限制。二是焊接过 程中

25、 MIG 电弧燃烧不稳，易产生旋转射流过渡，这对 MIG 单面焊双面成形的闭环控制产生不利影响。针对这些问题，提出了 单电源 TIG MIG 串联电弧焊接 方法，采用一台平特性电源供电，电源的 正负极分别接在 MIG 焊枪的导电嘴和 TIG 焊枪的钨极上，分别在 MIG 焊丝与工件、钨极与工件之间 形成 MIG 和 TIG 电弧。注意 ：工件不接电源。MIG-TIG 双面双弧焊通过在工件两侧同时燃烧两个电弧， 提高热源的能量密度系数， 对待焊部位进 行集中加热，增大焊缝熔深，提高焊接效率，获得一次焊接双面同时成形的焊接效果。具有以下优点：（ 1） 热输入小，能够显著增加熔深，提高焊接生产效率；

26、（2）减小热影响区和焊接变形（正反面抵消） ；（3）极大地提高焊接电弧的穿透能力，可以实现中厚度板一次对接成形而无需开坡口；（4）焊缝成形良好，焊接过程稳定，飞溅少，正面余高相对单面MIG 焊小。在 TIG 焊的反面也有余高，成形较好。焊缝完全熔透，保护好没有气孔及其他缺陷；（ 5） 工件不接焊接电源，电流流向一定，电弧磁偏吹方向恒定，焊接中抗干扰能力增加，也为外加 磁场控制单面焊双面成形及焊缝熔透控制提供了有利条件。不足：焊接工艺参数可调节的范围比较窄。对焊接速度和焊接电流的变化非常敏感，保证熔透的最 佳焊接参数范围相对较窄。对于双面焊要求焊枪严格对中，而且背面也需要有放置焊枪的空间，因而焊

27、 接位置的可达性比较差，这在一定程度上限制了该工艺的应用。三、 单面多丝焊：（1）双丝单弧填丝焊： 此法在单丝焊基础上同时插入另一丝到熔池，插入丝接电源分流作用，以预 热焊丝和形成推弧力。这种焊接方法生产效率可提高一倍以上，节约电能一半以上，可以达到提高焊接 速度、并降低了熔池温度，冷却速度增加，减少变形、减小过热和热影响区宽度，可焊丝掺合金。（2）双丝双弧焊： 此法与 （1）相似，但插入丝接另一电源，形成在一个熔池中相互分离的两个电弧， 此生产效率可提高一倍以上，节约电能，可提高焊接速度和一次成型质量。（3）分离双丝双弧焊： 此法与 （2）相似，但不共熔池，小电流电弧在前起形成浅熔深和起预热

28、作用， 大电流电弧在后起不增加熔深和起提高生产率及对第一层重熔和热处理作用。（4）双丝三弧焊： 此法与 （2）相似，但两丝之间有第三电弧，其方法是将两丝距离拉近到能形成第三 电弧，三个弧可用一台三相交流电弧焊机或两台单相交流电弧焊机并联供电。节约电能，提高效率，便 于控制熔敷率（5 ）双丝独立单弧焊： 此法只有一台焊机，连接两丝形成独立单弧，工件不通电，其目的在于使基体 金属熔化量小，实用于高碳及高合金钢堆焊。四、单面双丝双弧埋弧焊：双细丝双弧焊接技术具有 高效节能、接头力学性能好 等优点。采用双细丝双弧埋弧焊接工艺，可以 改善焊接热循环和接头的组织状况，保证接头较高的力学性能要求，并且调整焊

29、缝成分方便，生产效率 高。当焊丝间距较小时， 2 个电弧具有共同的电弧空间，这时前端电弧起着预热及造成熔深的作用，后 端电弧起提高生产率的作用；当间距较大时，这时前端电弧有造成熔深和预热的作用，后端电弧有提高 生产率、延缓焊缝冷却速度和后热处理前一层焊缝的作用。前种方式易于通过焊丝匹配调整焊缝成分， 达到调节接头组织与性能的目的。双细丝双弧埋弧焊除具有熔化系数大、电流可调范围宽、节约电能、焊接质量好等优点外， 还具有 以下特点：（1） 生产效率高。由于 2 个电源供给 2 个电弧焊接，其生产率比单丝单弧焊接提高 1 倍。厚板焊接 时，双细丝双弧焊接可以开小坡口，生产率可进一步提高。（2） 焊接

30、裂纹倾向小。一般针对厚板或含碳及合金元素较多的材料的焊接，需要首先进行预热以减少裂纹倾向，增加了生产的工序和操作者的劳动强度，提高了生产成本。而采用双细丝双弧焊接 方法，由于其前端电弧的预热作用和后端电弧的后热作用，材料焊接的裂纹倾向要小得多，减少 了生产过程中预热和层间温度的控制环节。（3）焊缝机械性能好。 由于采用粗丝大电流焊接桥梁钢时， 有时会出现强度高、 冲击韧性低的结果，超过了有关桥梁生产的标准。由于双弧技术的焊接接头可以形成有利的窄长温度场和双峰值热循环， 降低了熔池的最高温度， 减少了接头的过程程度和接头 HAZ 区的宽度， 故采用双细丝双弧焊 接技术可以明显的降强保韧，从而提高

31、了接头的韧性，改善了焊缝的组织与性能。（4）焊缝成分可以适当调整。采用不同的焊丝匹配，进行焊缝渗合金，可以满足不同的焊缝性能要 求。在桥梁焊接中，研究一种新型的专用焊接材料需要进行较大的投入，采用双弧焊接技术可以 增加常规焊接材料的适用性。在机车车辆结构中，可采用双丝焊接技术进行含碳量较高的车轮轮 缘的堆焊修复。注意： 简单的两台焊接电源并联是不能形成稳定的双丝焊极过程的，要达到好的焊接效果，必须使 用微机控制的数字化的逆变电源，并带有双机通讯功能。Max 法： 单面单弧填丝焊，利用熔池多余的的热量熔化另一根焊丝，并利用大电流提高焊接速度。 由于填充焊丝吸收了熔池热量使得热影响区变窄，变形减小

32、，填充焊丝不产生电弧，飞溅少，焊缝成型 改善。由于主焊丝和填充丝电流方向相反，在电磁力作用下电弧被吹向前方。这种方法熔化效率和焊接速度大约为普通 MIG 焊接的 2 倍。不仅可以用于厚板焊接，也可用于薄 板焊接。焊接厚板铝合金时，在大电流下也不产生起皱现象。Twin arc 法的不足： 一是如果电源和送丝系统不够稳定，则各电弧的电流和电压会不等，这样可 能会造成电弧失去自调节能力，另外，各焊丝上燃烧的电弧之间存在强烈的电磁力，会造成电弧不稳， 飞溅大，焊缝成形不好，失去多丝焊意义。为解决这一问题，采用了电流相位控制的脉冲焊接方式，电 弧在三个焊丝上轮流燃烧，可以保证电弧的挺直性，使焊接过程稳定

33、，另外，通过调节各焊丝之间的位 置关系及其与焊接方向的夹角，可以改变能量分布，保持熔池平静，从而减小产生咬边、驼峰等成形缺 陷的倾向。双丝焊的优点：（ 1） 每根焊丝的规范参数可单独设定，材质、直径可不同；（2） 使用范围广，可以焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、铝等各种金属材料；（3）两根焊丝互为加热充分利用电弧的能量，实现较大的熔敷率，大大提高熔敷效率和焊接速度；（4）焊接 2-3mm 薄板时，焊接速度可达 6m/min ，焊接 8mm 以上厚板时，熔敷效率可达 24kg/h ， 每根焊丝的送丝速度可达 30m /min ；（5）熔池里有充足的熔融金属和母材充分熔合，因此焊缝成形美观（6）在熔敷

34、效率增加时， 保持较低的热输入， 焊接变形小；（单丝焊和双丝焊的热输入分别为 8KJ/cm 和 12KJ/cm ）（7）电弧稳定，熔滴过渡受控，飞溅小；（ 8） 双丝焊熔池中的液态金属过热度小，合金元素烧损较少；（9）一前一后两个电弧，大大加长了熔池的尺寸，高温停留时间变长，冷却速度变慢，熔池中的气体有充足的时间析出， 气孔倾向极低； 同时由于第二脉冲和后丝电弧的搅拌作用， 使气孔倾向 明显降低；（10）与其他快速熔焊技术比较，无需特殊的气体（He）,耗气量少；（11）TANDEM 双丝焊时，双丝峰值电流周期性变化引起的熔池液体强烈的搅拌作用，细化了 焊缝组织,提高了焊缝的强度和塑性。焊缝成型

35、美观,熔透性好,焊接变形小。（ 12 ） 成本低。 双丝焊的不足：（ 1 ） 由于具有很高的焊接速度,同时由于焊枪较大, 所以这种焊接只能在机器人和自动焊接上可以 实现；（ 2） 适用于大、长、直焊缝,使用灵活性受到限制。（ 3） 双丝焊热输入较单丝焊接大,焊缝组织晶粒相对较大,沿晶界和枝晶间分布的共晶组织连续性 增加,焊缝金属强度和塑性有所降低,但在合适的工艺规范下,能够满足焊接接头性能的要求。 要解决这个问题,可采用附加脉冲、摆动焊接等方法。（ 4） 同步模式,两个电弧同时达到最大值,有利于形成较大的熔深,但飞溅较大,一般很少采用；（ 5） 交替模式, 电弧的相互作用力只有普通焊接时的四分

36、之一甚至更低,对熔滴过渡的影响较小, 特别适合于铝合金等轻金属的焊接 ,能显著减少焊接飞溅；（ 6） 随机模式,既能显著降低电弧的作用力,减少飞溅,又能实现较大的熔深,焊接钢铁等较重的 金属时可以获得更快的焊接速度。（ 7） 双丝 MIG 焊焊接过程中两根焊丝同时向接头输入热量,而先凝固的焊缝金属在随后的焊接热循环作用下发生了 “自时效 ”，即焊接过程中不断输入的热量对先前凝固的金属进行了一次较强的 时效处理。当输入的热量达到一定值时接头就处于峰时效或过时效态。第四章热丝焊的优点1) 保留了电弧稳定、焊缝性能优良、无飞溅等2) 能完全独立控制电弧和热丝，熔敷率可控；3) SAW 焊时， 使用热

37、丝， 可使熔敷速度增加4) 热丝 TIG 焊时焊丝在被送入熔池前加热到 比冷丝焊提高 3-5 倍，焊接效率大大提高，与TIG 焊的所有优点 ；50%-100% ，稀释率低， 可获得质量优良的焊接接头；300-500 C,从电弧吸取的能量少，从而使熔敷效率MIG 焊接相仿；5) 热丝焊是熔化预热后的填充金属，总的线能量输入减少了，这有利于限制焊接变形；6) 焊缝成型美观，均匀，无气孔、未焊透等缺陷。焊接高性能材料常因焊丝表面沾染氢气而产生气孔，热丝焊时焊丝温度高，其表面水份及沾污物被去除，氢气孔大大减少；7) 熔池过热度低，合金元素烧损少；8) 可用最低线能量来增加金属熔敷的能力，这在焊接调质钢

38、时尤为重要， 因其熔敷率由于线能量的限制而受到限制。加入热丝，单焊丝的熔敷速度可从50%提高到 100%以上，而线能量仅由 10%增至 20%；同常规 TIG 焊不同，由于焊丝温度高，采用后方送丝，焊丝的送进角度较大，热丝电流的电磁力， 使电弧向前倾，其产生的圆周磁场对熔池有搅拌作用，打乱枝晶生长方向，改善焊缝性能。热丝加热电源应选用恒流源，目的一是提高热丝效率，二是尽可能减小热丝加热电流所产生的磁场 对电弧的磁偏吹作用。 (电阻加热时，在工件和焊丝之间存在一条与主焊接回路相邻的热丝电流回路， 在热丝电流回路所形成的磁场中，焊接电弧必然受到一个磁场力的作用而偏离原来的方向，产生磁偏 吹)。热丝

39、加热电源的空载电压不能取得过高， 否则热丝与工件接触处会引燃电弧，这将破坏稳定的热丝 加热过程。二、电阻加热热丝焊接的不足(1) 通病：适用于TIG、SAW、PAW、激光焊接等，不适用于 MIG。( 2) 采用电阻热加热焊丝，焊丝温度的精确控制较难，热丝速度较慢。( 3) 磁偏吹在热丝 TIG 焊中， 对焊缝形状和电弧的准确定位产生不利的影响。 大热丝电流会引 起严重的电弧干扰。可采用串联双热丝焊，焊丝中电流呈相反方向，致使各磁场相互起抵销作用， 这样消除了电弧干扰，但设备工艺复杂。(4) 从Pr=I 2 p Ls / S可以看出，该方法多用细丝，不适用于铝、铜等低电阻率合金，电阻加热 效率低

40、，焊丝达不到合适的温度。三、高频感应加热高频感应加热原理： 采用高频感应加热设备， 借助高频交变的电磁场， 在焊丝上形成高密度的涡流， 从而加热焊丝。涡流在导体中的分布规律： 导体表面的涡流最大，越深入导体内部的涡流越小，这种现象称之为集 肤效应。感生涡流的集肤深度与电源频率和材料的导磁率有关，当其它条件相同时，电流频率越高则集 肤效应表现的越剧烈。交流电沿导线截面分布的特性不但与导线材料的磁导系数和电导系数有关，也与沿导线通过的电流的频率有关。当所有其它条件不变时，感应系数决定于频率。由于中高频感应加热设备的频率是随着电流变化而变化的，因此在不同的电流大小下，其频率是不同的，涡流集肤深度也是

41、不同的。四、决定加热的主要因素热丝半径 R 对加热电流的影响最大， R 增加时，单位长度的电阻值减小，为使热丝得到充分的热， 必须提高加热电流，从焦耳 -楞次定律可知，当电流一定时，电阻发热量与电阻成正比，而电与导电面 积成反比， 即电阻发热量与导电面积成反比， 与半径的平方成反比， 所以半径 R 的变化将引起电流值的 较大变化。例如： V=13m/min ， L=40mm 时， R 从 0.6mm 变为 0.8mm 时，加热电流由 319A 增加到 565A。 干伸长 L 的影响： 当 R 、V 一定时， L 增大 I 则减少，这主要是因为 L 增大后，加热时间增加的原 因， L 对电流的影

42、响随热丝半径 R 的增加而增大，干伸长变化时， R 越大，其电流变化的幅度越大。例如：如当 V=13m/min 时，对于 R=0.6mm 的热丝， L 由 40mm 变化到 50mm 时电流从 319A 下降 到 285A ，变化量为 34A 当 R=0.8mm 时，电流从 883A 下降到 791A ，变化量为 92A ，尽管如此，电流 的相对变化却几乎相等，前者为 10.65%，后者为 10.42% 。送丝速度 V 的影响： 当 R 、L 一定时， 随送丝速度 V 的增加亦即热丝进入熔池的时间变短， 此时应 增加加热电流， 这样才能保证热丝加热充分 计算结果表明：随 V 的增加，电流的改变

43、量变小例如 =0.8mm ，L=40mm ，当 V 从 7m/min 增加到 8m/min 时，电流值由 417A 增加到 445A ，vI=28A 当 V 从 14m/min 增加到 15m/min 时，电流值由 587A 增加到 607A ，vI=20A五、高频感应加热热丝焊的优缺点 ?热丝效率高，加热速度快，可以消除传统电阻加热热丝TIG 焊中的电弧磁偏吹现象。?运用高频感应加热焊丝，可通过对高频输出电流的控制来控制焊丝温度。 ?可以通过改变输出振荡频率，控制感应加热的深度，高频加热可以更好地消除焊丝表面吸附的水 分对焊缝的不利影响。?节能，工作环境清洁，并且容易实现自动化和机械化。?适

44、用于各种金属材质的焊丝。缺点 ：长时间接触高频对人身体健康不利。六、电弧热丝焊优点： ?简单，成本低（电阻热丝设备 20 余万） ?热丝效率很高?利用阴极清理作用，去掉铝焊丝氧化膜 ?没有磁偏吹，没有高频?适用于所有材质的焊丝，特别是有色金属 ?热丝电流很小，能耗低不足 ：有微弱弧光第五章一、 MIG 钎焊 采用低熔点的铜基焊丝钎料，控制焊接热输人量最低，母材不熔化，焊丝迅速熔化并渗透于焊缝间 隙中，形成钎焊接头。减小了工件热影响区及焊缝背面锌的蒸发，焊缝具有良好的耐腐蚀性。适用于镀 锌、镀锡、 涂铝、 渗铝等有镀层的板材。 MIG 钎焊还用来焊接非镀层板 （如合金钢、 非合金钢、 不锈钢、

45、铜），同样能获得良好的接头。传统的 MAG 焊焊镀锌板产生大量的锌蒸汽，损害操作人员的身体健康。用电弧钎焊焊接，热输人 量低，焊接烟尘和飞溅大大降低，改善了 MIG 工作环境。MIG 钎焊同 MAG 焊一样，可以进行各种类型接头及全位置接，即使在立向下、立向上和仰焊的情 况下，也能获得令人满意的效果。焊接速度同样可以达到 MAG 焊的速度 （100cm/min） ，生产效率显著提 高。MIG 电弧钎焊的优点： ?母材不熔化，飞溅很少； ?镀锌层烧损少，焊后腐蚀保护效果好； ?焊缝金属硬度较低，便于抛光打磨等机械加工； ?热输入小，焊接变形小；?焊接速度快；节能高效；?由于氩气流对电弧具有压缩作

46、用，热量较集中，加热升温速度快，钎焊接头在高温停留时间短， 母材金属不易产生晶粒长大并使热影响区变窄，其组织与性能变化也较小；?焊缝成形美观漂亮，强度较高；?近缝区可受到阴极保护。MIG 钎焊焊接材料及工艺：适用于 MIG 电弧钎焊焊接镀层及非镀层薄板结构的铜基焊丝有多种， 包括 CuSi3， CuA18 ，CuSiMn ，CuA18Ni , CuSn 及 CuSn6 等。常用的有以下两种：硅青铜焊丝 CuSi3(S211)材料熔点：1027 C,焊丝$ 0.8mm ,$ 1.0mm，该焊丝熔敷金属的表面张力小，流动性好，湿润性强，可以满足小间隙的接头要求；焊缝无气孔、未熔合、裂缝等焊接缺陷。

47、焊 缝抗拉强度309 MPa，焊缝外观呈现凹形，熔合区圆滑过渡，焊缝平整美观。焊缝硬度低，焊后机加 工容易。铝青铜焊丝CuAl8 (5214)材料熔点：1046 C，焊丝$ 1.0mm，直流反接能够清除铝的表面氧化膜， 焊缝内外质量好，外形美观。该焊丝适于涂铝、渗铝层及非镀层薄板的MIG 钎焊。另外，A207M焊丝也可以用来焊接镀锌板，焊丝中含1%的Mn,主要是提高焊缝的硬度，焊后焊缝加工相对困难些。这种焊丝主要用在焊后无需处理的场合。熔滴过渡：厚的镀锌层(15卩m以上)在焊接时会产生大量锌蒸汽，影响焊接的稳定性。因此最好采用短弧的短 路过渡或喷射过渡,短弧长可使电弧更加稳定。但对焊接电源及其

48、控制品性就有很严格的要求。焊接电源：为了尽量减少镀锌的挥发,必须采用低能量的 MIG 电弧焊,这就要求电源在低功率下能提供特别 稳定的电弧。如果有很灵敏的弧长反馈控制,就可在很低的基值电流下保持稳定的短弧。当焊丝干伸长发生变化时不应该产生飞溅,要求在干伸长发生变化的过程中,确保控制熔滴过渡形式为 “一脉一滴 ”。参数众多,一元化调节。MIG 钎焊钎缝过程及冶金特点电弧钎焊时,焊丝 (即钎料 )在电弧高温作用下发生熔化,随即穿越弧柱,滴淌在被电弧辐射加热到 一定温度的固态母材表面,此时液态熔滴为了形成致密的钎缝金属,必须能较好地满足与固态母材间有 较小的界面张力,以利于液体钎料能迅速在母材表面润

49、湿铺展,与普通钎焊不同的是此时液态熔滴的热 场并不象普通炉内钎焊那样为一均匀的稳态热场,而是一随时间变化与电弧相对位置有关的非稳态热 场, 由于界面张力是一个受温度影响的物理参量,在电弧钎焊条件下,温度分布的不均匀性必然带来 液态钎料在不同的时间及不同的位置铺展行为的差异,从而影响钎缝的最终形成。电弧钎焊与炉内整体加热钎焊有明显的差别,其液-固界面温度的不均匀性使液态钎料不象炉内整体加热钎焊那样沿钎缝流布及铺展, 而仅在电弧加热温度超过钎料熔点范围内、电弧活性斑点高温蒸发 及斑点雾化去膜范围内铺展。由于电弧钎焊液态存在时间极短, 在液态钎料中被排挤到固 -液界面的 Si、Mn 很快凝固而与固态

50、母 材间的扩散来不及充分进行,从而在界面形成一富Si、Mn 偏析富集过渡带。经分析 Si 以 Fe2Si 相存在而 Mn 以固溶体存在,这对对钎缝与基体金属结合有影响。这与炉中钎焊有很大不同。炉中钎焊,由于有足够的液态保温时间,活性元素在固态中的扩散尚能充分进行。 由此看来,电弧钎焊对钎料中活性元素需作慎重选择,否则会适得其反。二、 CMT 冷金属过渡焊接技术Fronius 公司在 2004 年欧洲板材技术博览会上展示,是一种无焊渣飞溅的新型焊接工艺技术。 冷金属过渡,指的是数字控制方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控。其中的换向送丝系统由前、 后两套协同工作的焊丝输送机构组成,从而使焊丝的输送

51、过程呈间断的送丝。后送丝机构按照恒定的送 丝速度向前送丝,前送丝机构则按照控制系统的指令以 70Hz 的频率控制着脉冲式的电焊丝输送。CMT 是焊接史上的里程碑。第一次将送丝与熔滴过渡过程进行数字化协调。数字式焊接控制系统 感知电弧生成的开始时间,自动降低焊接电流,直到电弧熄灭,并调节中脉冲式的焊丝输送,这种脉冲 式焊丝输送有效改善了焊丝熔滴的过渡。在熔滴从焊丝上滴落之后,数字控制系统再次提高焊接电流, 并进一步将焊丝向前送出。之后,重新生成焊接电弧,开始新一轮的焊接过程。或者说系统监测到一个 短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，使熔滴在无电流 状态下过

52、渡（ 70Hz ）。 CMT 技术电弧自身输入热量的过程很短，短路发生时，电弧即熄灭，热输入量 迅速地减少。整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。这种 ?冷 -热?之间的交替变化不仅大大降低 了焊接热的产生，并减少了焊接热在被焊接件中的传导。除此之外，还可实现多种功能：可正确的设置 熔滴的参数，实现更好的焊缝厚度过渡，并具有很高的焊接速度且不产生任何飞溅。该设备极大的提高 了焊接的生产能力，并可有效保证被焊件的焊接质量。 CMT 使得 MIG 焊接薄板变得容易。可以实现 0.3mm 以上超薄板的 MIG 焊接。特 点：?低至极限的热输入量。 当短路电流产生， 焊丝即停止前进并自动地回抽， 过渡是

53、在无电流状态下进 行的。不用背衬就可焊接薄板和超薄板（可达0.3 mm），焊接变形小。?无飞溅焊接。 短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离。 从而使得熔滴过渡无飞溅。 不需要 焊后清理?CMT 焊弧长控制精确，电弧更稳定。普通 MIG 焊弧长控制是通过电压反馈方式， 容易受到焊接速 度改变和工件表面平整度的影响。而 CMT 方法则不然。电弧长度控制是机械方式的，它采用闭环控制 和监测焊丝回抽长度， 即电弧长度。 在导电嘴离工件的距离或焊接速度改变情况下， 电弧长度是一致的。 其结果是 CMT 电弧更稳定，即使在焊接速度快的前提下同样不会出现断弧。?焊缝成形均匀一致，焊缝的熔深一致，焊缝质

54、量重复精度高。普通MIG 焊在焊接过程中，焊丝伸出长度改变时，焊接电流会增加或减少。而 CMT 焊丝伸出长度改变时，仅仅改变送丝速度，不会改变 焊接电流，从而实现恒定的熔深，加上弧长非常恒定，焊缝成形非常均匀一致?可以实现碳钢与铝板的异种连接 ?良好的搭桥能力，低的简隙装配要求，可以实现不同厚度材料的焊接。?具有更快的焊接速度。 1 mm 铝板对接可达到 250 cm/min ， CMT 钎焊电镀锌板可达到 150 cm/min三、CMT 和脉冲混合过渡技术：CMT 技术提供一个最低能量的平台， fronius 公司在此基础上，将 CMT 过渡和脉冲过渡进行混合， 交替过渡。 如一个 CMT

55、熔滴过渡后， 过渡方式转为 1 个或几个脉冲过渡。 通过这种方式使得 MIG/MAG 焊的热输入量可以自由增加，以达到理想的焊缝背面成形也可提高薄板的焊接速度。这种“pulsmix混合过渡方式同样保持高度电弧稳定性和低的飞溅。 pulsmix 混合过渡焊缝截面随着脉冲数量增加，熔深也 在增加。四、气保护药芯焊丝气保护药芯焊丝最早由实心焊丝气体保护焊发展而来，药芯中一般加入造渣剂、脱氧剂、稳弧剂、 合金粉末等。多用 CO2 或 CO2Ar 混合气体保护，不用担心 N、O 侵入，气体与药芯双重保护，能够 获得高强、高韧性、成形美观的焊缝。这种焊丝克服了 CO2 实心焊丝焊接飞溅大、和大电流全位置焊

56、接的困难，生产率高（可达MAW5倍）、工艺性好，适用电源种类宽（适用于各种特性电源） ，可对熔敷金属的化学成分进行便利的调整。不足 ：焊丝制造复杂，焊丝软，送丝机构特殊。 气保护药芯焊丝的研究已经比较成熟。药芯渣系的影响：渣系：钛型（酸性） 、钛钙型（中性） 、钙型（碱性） 。 钛型（氧化钛系列）工艺性最好，飞溅很少，过渡颗粒细小，适于全位置焊，焊缝扩散氢含量低， 但由于不能过度脱氧（否则难于控制扩散氢含量） ，焊缝抗裂性能一般，冲击韧性较低。该型焊丝通过下列反应脱氧：TiO2+4/3AI = 7/3AI 203+Ti ; TiO2+Si = SiO2+Ti但钛型药芯焊丝也会向焊缝中过渡Ti，

57、若钛的量过多，将会聚集于晶界，与C、N形成化合物削弱晶界而致脆。钛钙型：电弧稳定，熔滴成颗粒状过渡，飞溅稍多，焊缝抗裂性和韧性较好，焊缝成形一般。 钙型：焊缝抗裂性和韧性优秀，熔滴成较大颗粒状过渡，飞溅多，但电弧稳定性和工艺性较差，烟 尘多，多用于重要结构。金属粉型：一般是在钛型基础上添加金属粉末，提高效率，特点与钛型类似。自保护药芯焊丝优点 ： 1.高效：熔敷速度快，自保护药芯焊丝电弧焊中，电弧在钢皮上燃烧 ，导致截面积相对于实心焊丝和焊条小 ，电流密度增大 ，熔敷速度加快 ，通常自保护药芯焊丝熔敷速度比实心焊丝和手工焊高出 15%；2.不用气瓶、气管，焊把轻巧，焊接灵活3.抗风能力优于 CO2 焊，可在4 级风下焊接。 4. 低成本：自保护药芯焊丝堆焊可节省20%的熔敷金属；此外自保护药芯焊丝堆焊无需焊剂和保护气体 ，减少了辅助材料的费用 ，并具有较低的稀释率