《焊接技术基础》课件-第5章其他焊接方法及切割方法

第5章

其他焊接方法及切割方法第5章

其他焊接方法及切割方法5.1等离子弧焊接与切割5.1.1等离子弧焊的原理及特点1等离子弧目前，焊接领域中应用的等离子弧实际上是一种压缩电弧，是由钨极气体保护电弧发展而来的。钨极气体保护电弧常被称为自由电弧，它燃烧于惰性气体保护下的钨极与焊件之间，其周围没有约束，当电弧电流增大时，弧柱直径也伴随增大，二者不能独立地进行调节，因此自由电弧弧柱的电流密度、温度和能量密度的增大均受到一定限制。第5章

其他焊接方法及切割方法实验证明，借助水冷铜喷嘴的外部拘束作用，使弧柱的横截面受到限制而不能自由扩大时，就可使电弧的温度、能量密度和等离子体流速都显著增大。这种用外部拘束作用使弧柱受到压缩的电弧就是通常所称的等离子弧。1—钨极；2—进气管；3—进水管；4—出水管；5—喷嘴；6—等离子弧；7—焊件；8—高频振荡器第5章

其他焊接方法及切割方法2等离子弧的形成目前广泛采用的压缩电弧的方法是将钨极缩入喷嘴内部，并且在水冷喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，强迫电弧通过喷嘴孔道，以形成高温、高能量密度的等离子弧，其受到下述三种压缩作用：（1）机械压缩效应

（2）热收缩效应（3）电磁收缩效应第5章

其他焊接方法及切割方法等离子弧的特点1．温度高、能量高度集中

2．电弧挺度好、燃烧稳定

3．等离子弧的能量分布均衡4．具有很强的机械冲刷力

5．等离子弧的静特性曲线仍接近于U形第5章

其他焊接方法及切割方法5.1.2常用等离子弧焊工艺1等离子弧焊的基本方法（1）穿孔型等离子弧焊（2）熔入型等离子弧焊接（3）微束等离子弧焊接第5章

其他焊接方法及切割方法2等离子弧焊的工艺特点1）熔透能力强。2）容易得到均匀的焊缝成形。3）稳定性好，可以焊接超薄件。4）可减少钨极烧损和防止焊缝金属夹钨。第5章

其他焊接方法及切割方法3等离子弧焊工艺与参数（1）接头及坡口形式（2）焊接参数的选择1）喷嘴孔径2）焊接电流3）离子气种类及流量4）焊接速度5）喷嘴高度6）保护气成分及流量保护气体流量应根据焊接电流及等离子气流量来选择。第5章

其他焊接方法及切割方法5.1.3等离子切割的原理及特点1、等离子弧切割原理

氧气切割主要是靠氧与部分金属的化合燃烧和氧气流的吹力，使燃烧的金属氧化物熔渣脱离基体而形成切口，而等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是以高温、高速的等离子弧为热源，将被切割件局部熔化，并利用压缩的高速气流的机械冲刷力，将已熔化的金属或非金属吹走而形成狭窄切口的过程。第5章

其他焊接方法及切割方法2．等离子弧切割特点（1）等离子弧切割的优点：1、切割速度快，生产率高

2、切口质量好3、应用面广第5章

其他焊接方法及切割方法（2）等离子弧切割的缺点：1、设备比氧乙炔气割复杂、投资较大2、电源的空载电压较高，危险较大3、气割时产生的气体会影响人体健康，操作时应通风4、需要防弧光辐射、防噪声、防高频等。第5章

其他焊接方法及切割方法5.1.4等离子切割工艺参数1切割工艺参数的选择（1）空载电压（2）切割电流和切割电压（3）切割速度（4）离子气的种类和流量（5）喷嘴孔径（6）喷嘴高度第5章

其他焊接方法及切割方法2．提高切割质量的途径（1）切口宽度和平直度（2）切口毛刺的消除（3）避免产生双弧（4）大厚度工件的切割第5章

其他焊接方法及切割方法为保证大厚度工件的切口质量，应采取下列工艺措施：1）适当提高切割功率2）适当增大离子气流量

3）采用电流递增或分级转弧第5章

其他焊接方法及切割方法5.2激光焊接与切割5.2.1激光产生机理及特点1激光的产生机理自发辐射

2.受激吸收（简称吸收）

3.受激辐射、激光

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其他焊接方法及切割方法2激光的特点（一）能量密度极大（二）亮度极高

（三）颜色极纯

（四）定向发光

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其他焊接方法及切割方法5.2.2激光焊接方法及设备１激光焊接机理激光焊接按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机。激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。第5章

其他焊接方法及切割方法激光器产生激光束，通过聚焦系统聚焦在焊件上，光能转化为热能，使金属熔化形成焊接接头。激光焊有点焊和缝焊两种。点焊采用脉冲激光器，主要焊接0.5mm以下的金属薄板和金属丝，缝焊需用大功率CO2连续激光器。第5章

其他焊接方法及切割方法２激光焊接的主要特性与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：1、激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输，适用于微型零部件及其它焊接方法难以达到的部位的焊接，还能通过透明材料进行焊接。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。3、能量密度高，可实现高速焊接，热影响区和焊接变形都很小，特别适用于热敏感材料的焊接。4、激光不受电磁场的影响，不产生X射线，无需真空保护，可以用于大型结构的焊接。第5章

其他焊接方法及切割方法5、可直接焊接绝缘导体，而不必预先剥掉绝缘层；也能焊接物理性能差别较大的异种材料。6、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。7、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。8、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。9、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。10、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。第5章

其他焊接方法及切割方法激光焊的主要缺点是：①设备昂贵，能量转化率低（5%～20%）②对焊件接口加工、组装、定位要求均很高，目前主要用于电子工业和仪表工业中的微型器件的焊接，以及硅钢片、镀锌钢板等的焊接第5章

其他焊接方法及切割方法3激光焊接的工艺参数1、功率密度2、激光脉冲波形3、激光脉冲宽度第5章

其他焊接方法及切割方法4激光焊接工艺方法1、片与片间的焊接。2、丝与丝的焊接。3、金属丝与块状元件的焊接。4、不同金属的焊接。第5章

其他焊接方法及切割方法5典型激光焊接方法及设备(1)激光钎焊有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。第5章

其他焊接方法及切割方法采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点：1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行软钎焊。2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。5、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。第5章

其他焊接方法及切割方法(2)激光深熔焊1、冶金过程及工艺理论。激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。2、影响因素。对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收率，焊接速度，保护气体，透镜焦长，焦点位置，激光束位置，焊接起始和终止点的激光功率渐升、渐降控制。第5章

其他焊接方法及切割方法3、激光深熔焊的特征及优点。特征：（1）高的深宽比。（2）最小热输入。（3）高致密性。（4）强固焊缝。（5）精确控制。（6）非接触，大气焊接过程。第5章

其他焊接方法及切割方法优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。（2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。（3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强，综合性能高。（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。另外，激光焊接的动转费用也比较低，可以降低生产成本。（5）容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效的控制。第5章

其他焊接方法及切割方法4、激光深熔焊设备。激光深熔焊通常选用连续波CO2激光器，这类激光器能维持足够高的输出功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。就激光器本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束的装置。如果把它导向和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性，使之能更好的适应自动化过程。第5章

其他焊接方法及切割方法5.2.3激光切割主要方式及技术1激光切割机理激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。激光切割的主要方法有：汽化切割、氧化熔化切割、熔化切割及控制断裂切割。第5章

其他焊接方法及切割方法（1）汽化切割在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通过这种汽化切割方法切割成形的。

汽化切割过程中，蒸汽随身带走熔化质点和冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程中，大约40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被气流驱除的。

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其他焊接方法及切割方法（2）氧化熔化切割熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。（3）熔化切割当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞。一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。

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其他焊接方法及切割方法（4）控制断裂切割对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为控制断裂切割。这种切割过程主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。

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其他焊接方法及切割方法2激光切割特点激光切割的主要特性：1、激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工。2、激光切割的切缝窄，工作变形小。3、激光切割具有广泛的适应性和灵活性。第5章

其他焊接方法及切割方法(1)氧-可燃体(如乙炔)切割。这种方法主要用于切割低碳钢，由于它热输入影响大，切割速度低，很少被用来切割20mm以下要求尺寸精确的材料。(2)等离子切割。切割速度明显快于氧乙炔切割，但切割质量较差，切边顶部呈圆头状，切边明显起波浪形，还要防止电弧产生的紫外线辐射。它稍优于激光切割之处在于适合切割较厚钢板和对光束反射率高的铝合金等。(3)模冲。大量生产零件用模冲方法成本低，生产周期短。但它对设计上的变化的适应性很差，新的模具需要长时间设计，造价高，对中、小规模的生产来说，激光切割的特点就会充分显示。另外，激光程控切割便于工件紧密编排，节省材料，而模冲则需要每个工作周围预留材料。第5章

其他焊接方法及切割方法(4)复杂零件分段冲切。一般情况下，冲床经常要冲切比模具尺寸大很多的工件，有些工作还很复杂，这就导致切边呈许多小贝壳状刃口，需要第二次预备性加工整修。另外冲头会形成比激光切割宽很多的切口中，产生大量铁屑。(5)锯切。切割薄金属，其速度明显比激光切割慢，而且激光作为一个灵活的无接触，仿形切割工具，可从材料的任何一点开始切向任何方向切割。这一点，锯切是难以做到的。(6)电加工。一般，有利用电腐蚀或熔解效应的电火花和电化学加工两种方法，用于坚硬材料的精细加工，切口粗糙度较好，但切割速度要比激光切割速度慢几个数量级。(7)水切割。可切割许多金属材料，但费用较高。第5章

其他焊接方法及切割方法3激光切割的工艺分析(1)辅助切割路径的设置(2)打孔点位置的确定(3)激光束半径补偿和空行程处理第5章

其他焊接方法及切割方法5.4碳弧气刨5.4.1碳弧气刨的原理及特点1碳弧气刨的原理碳弧气刨是利用碳棒与工件间经通电后产生电弧，使工件局部熔化，同时用压缩空气将熔化金属吹掉，从而在工件表面刨削出沟槽的金属表面加工方法（沟槽沿工件厚度逐层刨削至工件厚度，则呈现为切割现象）其工件原理如图所示：第5章

其他焊接方法及切割方法2碳弧气刨的特点（1）与风铲或砂轮加工沟槽相比，效率高，噪音低，空间位置的可操作性强，劳动强度低。（2）碳弧气刨与气割的原理完全不一样，故而不但适用于低合金钢的气刨与切割，而且还适用于高合金钢、有色金属及其合金的气刨与切割，（3）在对封底焊进行碳弧气刨挑焊根时，易发现细小缺陷，并可以克服风铲由于位置狭窄而无法使用的缺点。第5章

其他焊接方法及切割方法（4）在清除焊缝或铸件缺陷时，在电弧下可清楚地观察到缺的形状和深度，有利于缺陷的根除，且刨削面光洁铮亮。（5）采用自动碳弧气刨时，刨槽的精度高、稳定性好，刨槽平滑均匀，刨削速度可达手工刨削速度的五倍，而且碳棒消耗量也少。此外，碳弧气刨也有一些缺点：如气刨时烟雾较大、噪音较大、粉尘污染和弧光辐射强，操作不当易引起槽道增碳，焊后焊缝中易产生气孔和裂纹。第5章

其他焊接方法及切割方法5.4.2碳弧气刨的设备碳弧气刨设备由电源、气刨枪、碳棒、电缆气管和空气压缩机组成：第5章

其他焊接方法及切割方法5.4.3

碳弧气刨与切割工艺１碳棒碳弧气刨用的碳棒又称碳焊条、碳电极或碳精棒。碳棒有直流圆形碳棒、直流半圆形碳棒、直流圆形空心碳棒、直流矩形碳棒、直流连接式圆形碳棒及交流圆形有芯碳棒等形式（所有碳棒外层镀铜0.3-0.4mm）。圆形碳棒主要用于焊缝清根，开坡口，清理焊缝缺陷等。矩形（扁）碳棒主要用于刨除焊件上的残留的焊疤，临时焊缝，焊缝余高或焊瘤，也可作为切割之用。第5章

其他焊接方法及切割方法２碳弧气刨的工艺特点碳弧气刨过程中，因急