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1、第十章其它焊接方法,第一节电渣焊(ESW),一、定义 电渣焊（Electroslag Welding）利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热为热源的熔化焊接方法。,三、电渣焊的特点 优点：可不开坡口焊厚大件且效率高、成本低；焊缝成分易调整且少气孔和夹渣 缺点：接头冲击韧性低；不适用于薄板和短缝；若中途停顿，则恢复焊接麻烦。,二、电渣焊的过程（P197）焊前准备造渣焊接收尾,四、电渣焊的应用,材料：碳素钢、合金钢、铸铁（冒口补焊）接头形式：对接、角接板厚及焊接位置：厚大件垂直 位置立焊 结构：厚壁板对接及梁、柱等,丝极电渣焊（electroslag welding with wire electro
2、de）,五、电渣焊的分类,适合于环焊缝焊接和高碳钢、合金钢对接及形接头的焊接，常用于焊接厚度为40-50mm和焊缝较长的工件（一般的对接焊 缝、形焊缝中较少用）,用焊丝作电极，送丝机 构随渣池一起提升；厚板可用多根焊丝并加摆动；工艺、设备及操作较复杂；焊后易产生角变形。,特点：,适用范围：,板极电渣焊(electroslag welding with plate electrode）,特点:用板条作电极;可用多板极(无须摆动);板极送进设备高大且板件/工件容易短路(板极一般不应超 过焊缝长度的4-5倍);操作复杂。,应用:焊材的来源灵活，尤适于不宜拉拔成焊丝的合金钢材料的焊接和堆焊；设备、工艺
3、简单。较适用于大断面短焊缝的焊接，目前多用于模具钢的堆焊、轧辊的堆焊等(一般不用于普通材料的焊接)。,特点：以焊丝和熔嘴作填充材料（焊丝作电极）；可以采用多个熔嘴(固定不摆动)；填充效率高；设备简单、操作方便；可以焊接不规则形 状的焊缝。,熔嘴电渣焊（electroslag welding with onsumable nozzle）,应用：对接焊缝和形焊缝的主要焊接方法，用于梁体等复杂结构的焊接和大截面结构的焊接，同时应用于曲线及曲面焊缝（如船舶的艉柱等）的焊接。,管极电渣焊（electroslag welding with tube electrode）,熔嘴电渣焊的特殊形式,特点：以焊丝
4、和管状熔嘴作电极；管极外表可涂涂料（药皮）；可缩小装配间隙，节省焊材、提高效率；可通过涂料向焊缝掺合金。,应用：多用于中等厚度（约2060mm）的工件及曲线焊缝的焊接,电渣焊设备组成（如图）,第二节螺柱焊,定义：将金属螺柱或类似的其他金属紧固件焊到工件上的 方法统称螺柱焊（78）。,可以通过电阻焊、摩擦焊、爆炸焊等多种焊接方法实现螺柱焊接。实际生产中应用较多的是电弧法螺柱焊(Stud arc welding)。,与普通的电弧焊相比，螺柱焊焊接时间短(通常小于秒)、对母热输入小，因此焊缝和热影响区小，焊件变形小、生产率高。熔深浅，焊接过程不会对工件背面造成损害，焊后无须清理。与螺纹拧入的螺柱相比
5、所需母材厚度小，因而节省材料，还可以减少连接部件所需的机械加工，成本低。易于将螺柱与薄件连接且焊接带（镀）涂层的工件时易于保证质量。,一、螺柱焊的特点、应用和分类,螺柱焊的特点,与其它焊接方法相比，可使紧固件之间的间距达到最小，对于需防渗漏的螺柱连接，容易保证密封性要求。与焊条电弧焊相比，所用设备轻便且便于操作，焊接过程简单。易于全位置焊接。对于易淬硬金属，容易在焊缝和热影响区形成淬硬组织，接头延性较差。,螺柱焊是焊接紧固件的一种快速方法，不仅效率高，而且可以通过专用设备对接头质量进行有效的控制，能够得到全断面熔合的焊接接头，保证接头良好的导电性、导热性和接头强度，在紧固件固定于工件上可以代替
6、铆接或钻孔螺丝紧固、焊条电弧焊、电阻焊、钎焊等。它可以焊接低碳钢、低合金钢、不锈钢、有色金属以及带镀（涂）层的金属等，广泛应用于汽车、仪表、造船、机车、航空、机械、锅炉、化工设备、变压器及大型建筑结构等行业。,定义：螺柱焊的应用,电弧法螺柱焊根据所用焊接电源和接头形成过程的差别通常可分为电弧螺柱焊（也称作标准螺柱焊）、电容储能螺柱焊（也称作电容放电螺柱焊）以及短周期螺柱焊（也称作短时间螺柱焊）三种基本形式。,电弧螺柱焊一般用直流电源；几乎可焊各种尺寸和形式的螺柱，包括软钢、不锈钢和铝，但螺柱应有为（螺柱）焊接而专门设计的尖端；用于大于5mm的螺柱及焊厚重的板材，而且需要用陶瓷套圈，但受接头清理
7、状况的影响较小；同样的连接强度的前提下消耗更少的（熔化）金属。电容放电螺柱焊是一种半自动的电弧焊方法，可在几个毫秒内把小型螺柱（小于等于8mm）焊到特别薄的板材上而无变形、烧穿或变色；可以焊接异种金属。,螺柱焊的分类,电弧螺柱焊焊接过程：将待焊螺柱装入焊枪夹头，并将陶瓷保护圈装入瓷圈夹头中。首先在螺柱与工件间引燃电弧，使螺柱端面和相应的工件表面被加热到熔化状态，达到适宜的温度时，将螺柱挤压到熔池中，使两者融合形成焊缝。电弧螺柱焊靠预先加在螺柱引弧端的焊剂或陶瓷圈来保护熔融金属。电弧螺柱焊的电弧放电是持续而稳定的电弧过程，焊接电流不经过调制，焊接过程中焊接电流基本上是恒定的，其电源一般是普通的直
8、流或逆变电源。,电弧螺柱焊的焊接设备由焊接电源、控制系统和焊枪三大部分组成。常用下降外特性直流电源，但电源容量比焊条电弧焊电源要大得多，同时要求有较高的空载电压。小直径螺柱焊也可以采用焊条电弧焊的电源。焊枪是螺柱焊设备的执行机构，有手提式与固定式。手提式使用较为普遍与方便，固定式是为特定产品专门设计且固定在支架上，在一定工位上完成螺柱焊接。两种焊枪的工作原理相同。,电容储能螺柱焊电容储能螺柱焊的供电电源是电容器组。电容器在螺柱端部与工件表面间的放电过程是不稳定的电弧过程，电弧电压和电流每瞬时都在变化，焊接过程是不可控的。根据引弧方式，电容储能螺柱焊可以分为预接触式、预留间隙式及拉弧式三种方法。
9、1预接触式 预接触式也叫接触引弧式。这种方法必须在螺柱法兰端部预加工出一个凸台。其过程如下图。,2、预留间隙式 预留间隙式也叫直冲式。这种方法使用的螺柱与预接触式电容储能螺柱焊所使用的螺柱形状相同，均带法兰凸台，但在电容器组储存的能量特别大的条件下(100kf)也可以焊法兰端部为168的近似平头钉。其过程如下图：,3拉弧式 拉弧式电容储能螺柱焊原理与电弧螺柱焊相似，但焊接时的电弧由先导电弧与焊接电弧两部分组成。先导电弧由整流电源供电，焊接电弧由电容器组供电，所以这种方法既可以归类于电容储能螺柱焊又可归类于短周期螺柱焊，焊接过程同预接触式电容储能螺柱焊相似。其过程如下图：,拉弧式螺柱焊,短周期螺
10、柱焊 短周期螺柱焊可看作普通电弧螺柱焊的一种特殊形式,但因为二者焊接接头形成的本质不同，所以单独分类成一种方法。焊接过程也是由短路提升焊接一落钉一有电顶锻等几个过程组成，但焊接时间只有电弧螺柱焊的十分之一到几十分之一，所以叫短周期或短时间螺柱焊。短周期螺柱焊中作为热源的电弧是稳定燃烧的，不像电容储能螺柱焊的电弧瞬时都在变化，但电弧电流经过了波形调制。,短周期螺柱焊的焊接过程如下:螺柱落下，与工件定位短路。启动焊枪开关，螺柱与工件间通电。螺柱提升，引燃小电弧，清扫螺柱端部与工件表面。延时数十毫秒后大电流自动接通，焊接电弧产生，使工件形成熔池、螺柱端部形成熔化层。螺柱端部侵入熔池，电弧熄灭，同时焊
11、枪的电磁铁释放弹簧压力作用在螺柱上。整个焊接过程不超过100ms。,短周期螺柱焊有以下几个特点：和电容储能螺柱焊一样，焊接过程不用采取像普通电弧螺柱焊所用的陶瓷环及氩气等保护措施。螺柱不用经特殊加工成锥形或凸起，可以焊平头钉，但10，这一点也同电容储能螺柱焊相同。比拉弧式电容储能螺柱焊更容易实现自动化，焊接质量稳定性更好，特别是在焊接镀有较厚金属层的钢板时(如镀锌层厚1525m)，因为焊接电弧燃烧时间可控性好。,短周期螺柱焊最容易实现自动化，所以其成套设备包括电源、控制装置、送料机及焊枪，其中电源一控制箱通常装在同一箱体内。短周期螺柱焊电源可以是整流器、电容器组，也可以是逆变器。一般情况下是两
12、个电源并联，分别为先导电弧及焊接电弧供电，只有以逆变器作电源时可以用同一电源，经调制为电弧分别提供先导电流与焊接电流。,五、螺柱焊方法的选择 电弧螺柱焊、电容储能螺柱焊以及短周期螺柱焊三类焊接方法既有共同的又分别有各自最佳的应用范围，其中比较难选择的是电容储能螺柱焊的三种方法，即预接触式、(预留间隙式)和拉弧法。选择焊接方法时考虑的依据主要有：a、被焊工件厚度，b、材质，c、紧固件的尺寸。(1)螺柱直径大于8mm的一般是受力接头，适合用电弧螺柱焊方法。虽然电弧螺柱焊可以焊直径约在325mm之间的螺柱，但8mm以下采用其他方法如电容储能螺柱焊或短周期螺柱焊更为合适。,(2)螺柱直径和工件厚度有一
13、定的合适比例关系。对电弧螺柱焊，这一比例为34，对电容储能螺柱焊和短周期螺柱焊这个比例可以达到810，所以板厚3mm以下最好采用电容储能螺柱焊或短周期螺柱焊，而不宜采用电弧螺柱焊,虽然电弧螺柱焊也勉强可以焊23mm的钢板。(3)对于碳钢、不锈钢及铝合金，电弧螺柱焊、电容储能螺柱焊及短周期螺柱焊都可以选用，但对铝合金、铜及涂层钢板薄板或异种金属材料螺柱焊最好选用电容储能螺柱焊。,根据以上原则，如果确定采用电容储能螺柱焊，则电容储能螺柱焊的三种焊接方法可按以下原则选择：a、预接触式焊接法仅适用于移动式设备，而且主要用于焊接碳钢和把碳钢螺柱焊到镀层钢板上。b、(预留间隙式)焊接法可用于手提式或固定式
14、设备，用于焊接碳钢、不锈钢及铝合金。和拉弧式焊接法一样，它还可以焊异种金属材料，但焊铝过程中不必用惰性气体保护。c、拉弧式焊接法所焊材料和设备与预留间隙式相同，但螺柱可以不需特制凸起。这种方法最适于带自动送料系统的批量焊接,焊铝时需要惰性气体保护。d、对薄板(1.0mm以下)要求接头背面没有凸痕的，采用预留间隙式或预接触式。,螺柱焊可参看、http:/、http:/、http:/。,第三节高能束焊,高能束焊通常指功率密度达到105 Wcm2以上的焊接方法，其束流由电子、光子、离子或二种以上的粒子组合而成，属于此类高功率密度的热源有：等离子弧、电子束、激光束以及复合热源如激光束+电弧等。本节介绍
15、电子束焊和激光焊这两种高能束焊方法。,一、电子束焊,电子束焊的原理,电子束焊是把高速运动的电子流会聚成束，轰击工件接缝处，把机械能转变为热能，使被焊金属熔化形成焊缝的一种熔化焊方法。,基于电子束的上述特征，电子束焊接具有下列主要特点：优点(1)焊缝深宽比大电子束的穿透能力很强，焊缝的深宽比可达到50:1甚至更高，因此，电子束焊接时可以不开坡口实现大厚度单道焊接，与电弧焊相比可以节省辅助材料和能源消耗数十倍(2)焊接速度快，热影响区小、焊接变形小 电子束焊接速度一般在lm/min以上，焊缝热影响区很小，有时甚至几乎不存在。焊接热输入小以及可获得近似平行焊缝的特点使电子束焊接的变形很小。对于精加工
16、的工件，电子束焊可用作最后的连接工序，焊后仍保持足够高的精度，无须再作加工而直接装配使用。,(3)焊缝质量高 真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而特别适于活泼金属和高纯度金属的焊接，也常用于焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。(4)适应性强电子束焊的各个规范参数能方便地独立调节且调节范围很宽，可以焊接各种金属以及复合材料如陶瓷等；既可以焊接厚板也可以焊接薄板。(5)焊接可达性好 电子束在真空中可以传到较远的位置上进行焊接，因而能够焊接一般焊接方法难以接近的部位。(6)通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接缝的自动焊接，也可以通过电子
17、束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。,缺点：(1)设备比较复杂，价格昂贵。(2)焊前对接头加工、装配要求严格，必须保证接头位置准确、间隙小而均匀。(3)真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常受到真空室的限制。(4)电子束易受杂散电磁场干扰，影响焊接质量。(5)电子束焊接时会产生X射线，需要严加防护以确保操作人员的健康和安全。,当电子束的功率不超过30 kW时，中压电子束焊机的电子枪能保证束斑的直径小于0.4 mm。除极薄的材料外，这样的束斑尺寸完全能满足焊接要求。30 kW的中压电子束焊机可焊接的最大钢板厚度可达70 mm左右，中压电子束焊接时产生的X射线完全能由适当厚度的钢制真空室壁所吸收，
18、不需要采用铅板防护；电子枪极间不要求特殊的绝缘子，所以电子枪可以做成固定式或移动式。,低压电子束焊机不需要采取铅板的特别防护，也不存在电子枪间跳高压的危险，所以设备简单，电子枪可做成小型移动式的。其缺点是在相同功率的情况下，低压电子束的束流大、加速电压低，束流的会聚较困难，通常低压电子束的束斑直径难于达到1mm以下，其功率也仅限于10 kW以内，所以低压电子束焊接只适宜于焊缝深宽比要求不高的薄板材料的焊接。,按被焊工件所处环境的真空度可分为三种：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。高真空电子束焊是在l0-4l0-1Pa的压强下进行的。良好的真空条件可以保证对熔池的“保护”，防止金属
19、元素的氧化和烧损，适用于活泼金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接，是目前电子束焊接应用最广的一种方法，但也存在诸如被焊工件的大小受工作室尺寸的限制、真空系统复杂、抽真空时间长等缺点，既降低了生产率也增加了焊接的成本。,低真空电子束焊是使电子束通过隔离阀及气阻孔道进入在10-110Pa压强下的工作室进行的，低真空电子束焊接熔池周围的污染程度不超过12ppm，仍比焊接用的氩气要纯洁；一定压强时的低真空电子束流密度及其相应的功率密度的最大值与高真空的最大值相差很小，因此，低真空电子束虽然有些散射，但只要适当提高束流的加速电压，基本上仍然保持束流密度和功率密度高的特点。由于只需抽到低真空，所以适用于
20、大批量零件的焊接和在生产线上使用。,非真空电子束焊接亦称为大气压电子束焊接。在非真空电子束焊接中，电子束仍然在高真空条件下产生，然后引入到大气压力的环境中对工件进行施焊，但由于气体压强增加，电子束会产生散射，其功率密度明显下降。这种焊接方法的最大优点是摆脱了工作室的限制，因而扩大了电子束焊接的应用范围，并推动这一技术向更高阶段的自动化方向发展。目前，非真空电子束焊接已开始在工业中应用，如用于薄板高速(15m/min)焊接，特别是不等厚接头的焊接。当前世界上建立的最大的非真空焊接工作站的容积达到300m3，电子枪在工作室内运动，在工业电视和焊缝跟踪系统的帮助下进行焊接。,（2）应用 随着电子束焊
21、接工艺及设备的发展，特别是近10年来工业生产中对高精度、高质量连接技术需求的不断扩大，电子束焊接在航空、航天、核、能源工业、电子、兵器、汽车制造、纺织、机械等许多工业领域已经获得了广泛应用。在能源工业中，各种压缩机转子、鼓筒轴、叶轮组件、仪表膜盒等；在核能工业中，反应堆壳体、送料控制系统部件、热交换器等；在飞机制造业中，发动机机座、转子部件、起落架等；在化工和金属结构制造业中，高压容器壳体等；在汽车制造业中，齿轮组合体、后桥、传动箱体等；在仪器制造业中，各种膜片、继电器外壳、异种金属的接头等都成功地应用了电子束焊。,另外，电子束焊还是一种适合于在太空进行的焊接方法，早在1984年，人类已在太空
22、环境中利用一种手工电子束焊枪进行了焊接试验。电子束焊将成为太空环境中焊接人造天体的一种重要的焊接方法。,激光的特性(1)亮度高 激光束可以通过光学系统汇聚成面积很小的斑点（1mm），所以其亮度要比普通光源高百万倍，有些脉冲激光器的光脉冲持续时间还可压缩至10-910-12s甚至更短，这样亮度甚至比太阳还亮16个数量级。(2)方向性好激光的发散角很小，可以达到0.1mrad甚至更小，接近于理想的平行光。(3)单色性强 单色性是指激光的频率宽度很窄，或者说波长的变化范围很小，激光的单色性比普通光源好万倍以上。,二、激光焊,(4)相干性好 相干性是指在不同的空间点上以及不同的时刻光波场相位的相关性。
23、激光上述的四个特性可以使激光能量在空间和时间上高度集中，因而是进行焊接和切割的理想热源。,激光焊的不足之处是设备的一次性投资大；对高反射率的金属直接进行焊接比较困难；可焊接的工件厚度尚比电子束焊的小；对工件加工、组装、定位要求高；激光器的电光转换及整体运行效率低。,由于以上特性，激光焊具有如下特点：(1)聚焦后的功率密度可达105107Wcm2甚至更高，加热集中，温度高、热影响区窄，因而工件产生的应力和变形极小，特别适宜于精密焊接和微小零件的焊接。(2)可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可不开坡口一次成形，激光焊缝的深宽比目前已达12:1，不开坡口单道焊接的厚度已达50mm；焊接速度高。(3)适
24、宜于难熔金属、热敏感性强的金属以及热物理性能相差悬殊、尺寸和体积悬殊工件的焊接，甚至可以焊接陶瓷、有机玻璃等非金属材料。()能透射、反射，有的还可以用光纤传输，在空间远距离传播而衰减很小，可焊接一般焊接方法难以施焊的部位和对密闭容器内的工件进行焊接。,()激光束不受电磁干扰，无磁偏吹现象，适宜于焊接磁性材料。()与电子束焊接相比，不需要真空室，不产生X射线，观察及对中方便。()一台激光器可以完成多种工作，既可焊接，还可以打孔、切割、合金化和热处理等。,连续激光焊时，激光连续稳定地输出，焊缝成形主要由激光功率及焊速确定。连续激光焊在激光器输出功率较低时，光的反射损失较大，为减少光能反射损失，通常
25、要对被焊材料表面进行适当的处理（如黑化）。高功率激光焊时，熔池表面还会形成金属蒸汽的等离子云，使激光束能量的反射损失显著增大、熔深减小，必须采用脉冲调制或气流吹除的办法来排除这一影响，保证焊接过程的顺利进行。连续激光焊可以使用大功率的钇铝石榴石激光器，但用得最多的还是CO2激光器，因为CO2激光器的效率更高，功率更大，而且因为是连续稳定地输出，因而可以进行从薄板精密焊到50mm厚板深熔焊等各种焊接。,根据实际作用在工件上的功率密度，激光焊接还可分为热传导焊接(功率密度105W/cm2)和深熔焊接(功率密度105W/Cm2)。热传导焊接时，工件表面温度不超过材料的沸点，工件吸收的光能转变为热能后
26、，通过热传导将工件熔化，无小孔效应发生，焊接过程与非熔化极电弧焊相似，熔地形状近似为半球形。深熔焊接时，金属表面在光束作用下，温度迅速上升到沸点，金属迅速蒸发形成的蒸汽压力、反冲力等能克服熔融金属的表面张力以及液体的静压力等而形成小孔，激光束可直接深入材料内部，所以也叫小孔型或穿孔型焊接，光斑的功率密度更高时，所产生的小孔能贯穿整个板厚，因而能获得深宽比大的焊缝。图为激光深熔焊接示意图。,(1)激光一电弧焊 由于母材处于固态时对激光的吸收率很低，而熔化后可高 达50100%。采用激光一电弧焊复合焊接法时，电弧先将母材熔化，紧接着用激光照射，从而提高母材对激光的吸收率，可 有效地利用激光能量；同
27、时还可稳定电弧，增加母材熔深，使 焊接速度可成倍提高。,目前，激光焊接复合技术主要有以下几种形式：,(2)激光一高频焊 它是在采用高频焊管的同时，采用激光对尖劈（形 角会合处）进行加热，从而使尖劈在整个厚度上的加热 更均匀，这样有利于进一步提高焊管的生产率和质量。,(3)激光压焊 对薄钢带进行激光熔焊时，如果焊接速度大于30m/min时，往往容易出现缺陷，而采用激光压焊方法时，两待焊的薄钢带通过导槽形成60张角，经聚焦的激光束照射到两薄带之间，在上下两压辊的作用下，两钢带在未熔化前被压焊在一起，其结果不仅焊缝强度很好，而且焊接速度可以达到240m/min，是原来的8倍。,第四节摩擦焊,摩擦焊是
28、在压力作用下，通过待焊界面的摩擦使界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性变形与流动，通过界面上的扩散及再结晶而实现连接的固态焊接方法。,在压力作用下，待焊界面通过相对运动进行摩擦，机械能转变为热能。对于给定的材料，在足够的摩擦压力和足够的相对运动速度条件下，被焊材料的温度不断上升。随着摩擦过程的进行，工件产生一定的塑性变形量，在适当时刻停止工件间的相对运动，同时施加较大的顶锻力并维持一定的时间，即可实现材料间的固相连接。,摩擦焊原理,一、摩擦焊的原理和特点,以连续驱动摩擦焊为例，其焊接过程可分为如下六个阶段：(1)初始摩擦阶段 由于焊接表面凹凸
29、不平，加上存在氧化膜、锈、油、灰尘以及吸附的气体等杂质，所以初始摩探阶段的摩擦系数很小。随着摩擦压力的逐渐增加，摩擦加热功率也逐渐增加，凹凸不平互相压入的表面产生塑性变形和机械挖掘现象。(2)不稳定摩擦阶段 摩擦破坏了待焊表面的原始状态，使未受污染的材质互相接触，实际接触面积增大，材料的塑性、韧性有较大的提高，摩擦系数增大、摩擦加热功率提高。加热达到峰值后，由于界面区的温度进一步升高使塑性增加和强度下降，加热功率又迅速降低。这个阶段摩擦变形量开始增大并以飞边的形式出现。,(3)稳定摩擦阶段 在这个阶段，材料的摩擦系数很小，摩擦加热功率稳定在较低的水平。变形层在压力的作用下，不断从摩擦表面挤出，
30、摩擦变形量不断增大，飞边增大同时被附近高温区的材料所补充而处于动态平衡之中。,(4)停车阶段 在此阶段，伴随工件间相对运动的减慢和停止，摩擦扭矩增大，界面附近的高温材料被大量挤出，变形量亦随之增大，具有顶锻的特点。,(5)纯顶锻阶段 从工件停止相对运动到顶锻力上升到最大值所对应的阶段。顶锻压力、顶锻速度和顶锻变形量对焊接质量具有关键性的影响。,(6)顶锻维持阶段 顶锻压力达到最大值到压力开始撤除所对应的阶段。从停车阶段开始到顶锻维持阶段结束，变形层和高温区的部分金属被不断地挤出，焊缝金属产生变形、扩散以及再结晶，最终形成结合牢固的接头。,(1)接头质量高 摩擦焊属于固相焊接，正常情况下接合面不
31、发生熔化，焊合区金属为锻造组织，不会产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷；压力与扭矩的力学冶金效应使得晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，不仅接头质量高，而且延性好。,摩擦焊的特点,优点：,(2)适合异种材料的连接 对于通常难以焊接的金属材料组合如铝一钢、铝一铜、钛一铜等都可进行焊接。一般来说,凡是可以进行锻造的金属材料都可以进行摩擦焊接，摩擦焊还可以焊接非金属材料，甚至曾通过普通车床成功地对木材进行过焊接。,(3)生产效率高、质量稳定 如发动机排气门双头自动摩擦焊的生产率可达8001200件小时；外径127mm、内径95mm的石油钻杆与接头的焊接，连续驱动摩擦焊仅需十几秒，如采用惯性摩擦焊，所需时
32、间更短，也曾经产生过用摩擦焊焊接200万件汽车后桥无一废品的记录。此外，摩擦焊还具有节能省电；环境清洁，劳动条件好；设备操作简单，易实现机械化、自动化等优点。,(1)对非圆形截面焊接较困难，设备复杂；对盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹持固定，施焊也很困难。(2)焊机的一次性投资较大，大批量生产时才能降低生产成本。,但也存在如下的缺点与局限性：,摩擦焊的具体形式有很多，分类的方法也各种各样（参见P 图的摩擦焊分类图）。通常根据工件相对摩擦运动的轨迹,将摩擦焊分为旋转式和轨道式两大类。旋转式摩擦焊主要用于焊接接头部分具有圆形截面的工件,根据焊接过程中将机械能输入工件的方式，旋转式摩擦焊又分为连续驱
33、动摩擦焊和惯性摩擦焊。轨道式摩擦焊用于焊接非圆形截面的工件。除此之外，摩擦焊还可以从焊接时的界面温度、所采取的工艺措施等方面进行分类。,二、摩擦焊的分类与应用,摩擦焊的分类,目前，摩擦焊已在各种工具、轴瓦、阀门、石油钻杆、电机与电力设备、工程机械、交通运输工具以至于航空、航天设备制造等方面获得了越来越广泛的应用。,首先，两待焊工件分别固定在旋转夹具（通常轴向固定）和移动夹具内。工件被夹紧后，移动夹具夹持工件向旋转端移动，旋转端工件开始旋转，待两边工件接触后开始摩擦加热，此后则可进行摩擦时间控制或摩擦缩短量(又称摩擦变形量)控制，当控制量达到设定值时停止旋转并开始顶锻，通常施加较大的顶锻力并维持
34、一定时间以便接头牢固连接，最后夹具松开、退出，取出工件，焊接结束。,三、典型摩擦焊介绍,连续驱动摩擦焊,典型的连续驱动摩擦焊过程如图所示。,图是惯性摩擦焊示意图。工件的旋转端被夹持在飞轮里,焊接过程开始时，首先将飞轮和工件的旋转端加速到一定的转速，然后飞轮与主电动机脱开，同时，工件的移动端向前移动，两工件接触后开始摩擦加热。在摩擦加热过程中，飞轮受摩擦扭矩的制动作用，转速逐渐降低，当转速为零时，焊接过程结束。这种方法在焊接大截面工件时可以降低主轴电机的功率。,惯性摩擦焊,轨道摩擦焊分为线性轨道摩擦焊和环形轨道摩擦焊。图10-29是线性轨道摩擦焊示意图，在焊接过程中，摩擦副中的一侧工件被往复机构
35、驱动相对于另一侧被夹紧的工件表面作相对运动，其主要优点是不管工件是否对称，均可进行焊接，如可焊接方形、圆形、多边形截面的金属或塑料工件，配以合适的工夹具，它还可以焊接更加不规则的构件如叶片与涡轮等。图10-30为环形轨道摩擦焊的示意图，其特点是两待焊工件均不作绕自身轴线的旋转，仅其中一个工件绕另外一个工件转动，主要用于焊接非圆截面工件。,轨道摩擦焊,搅拌摩擦焊是英国在1991年发明的一项焊接新技术，近年来发展非常迅速，我国于2002年引进了其专利并开展了技术开发和生产应用。搅拌摩擦焊可以完成铝、铜等材料的对接、搭接、形接头的焊接，与传统的氩弧焊相比有很多独特的优点，尤其在制造成本、性能及环境方
36、面显示出巨大的优越性，它的出现使铝合金等有色金属的连接技术产生了革命性的进步，目前已在航空、航天、船舶、高速列车等的轻型结构上得到成功的应用并正在不断扩大其应用范围。,第五节高频焊,高频焊利用流经工件连接面的高频电流所产生的电阻热作为热源，使工件待焊区表层被加热到熔化或塑性状态，同时通过施加(或不加)顶锻力，使工件达到金属间结合的一种焊接方法。,高频焊是一种固相电阻焊方法（除高频熔化焊外），既与普通电阻焊相类似，又存在着许多重要的差别。,一、高频焊的原理、特点、分类和应用,高频焊的原理高频焊的基础在于它应用了高频电流的两大效应：集肤效应和邻近效应。,(1)集肤效应 集肤效应是指当导体通以交流电
37、流时，导体断面上会出现电流分布不均匀，电流密度由导体中心向表面逐渐增加，大部分电流仅沿导体表层流动的一种物理现象。集肤效应通常用电流的穿透深度来度量。导体的电阻率越低、磁导率越大、电流的频率越高，其穿透深度越小，亦即电流的集肤效应越显著。,另外，由于导体的磁导率和电阻率会随温度而变化，所以电流的穿透深度即使在材料、电流频率相同的前提下，还会随温度的变化而发生变化。,(2)邻近效应 邻近效应就是当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。如图所示，当高频电流由A处导入金属板后，它不象低频电流那样电流会沿最短的路径流到B处(图a)，而是
38、会沿着与导线相邻的金属板边缘流动到B处（导线与金属板互为邻近导体）(图b)，这样的路径虽然距离更长，但其上电流密度却最高。,原因：感抗在高频电路阻抗中所占的分量大，具有决定性的作用。对高频电流而言，导线与金属板边缘间相当于构成了往复导体，其间形成的感抗小，而电流总是趋向于走感抗最小的路径。邻近效应随频率的增加和随邻近导体之间距离的减小而加强，从而使电流的集中与加热程度更加显著。,由以上可见，借助高频电流的集肤效应可以使高频电能量集中于工件的表层，而利用邻近效应，又可控制高频电流流动路线的位置和范围。当要求高频电流集中于工件的某一部位时，只要将导体与工件构成电流回路并使导体靠近工件上的这一部位，
39、使它们相互之间构成邻近导体，就能实现这个要求（右下图）。,用邻近导体控制高频电流流动的路线HF高频电源 1工件 2触头接触位置3电流路线 4邻近导体,高频焊就是根据工件结构的具体形式和特殊要求，主要运用集肤效应和邻近效应，使工件待焊处的表层金属得以快速加热而实现焊接。,高频焊通常使用的电流频率范围为300450kHz，有时也使用低至10kHz的频率；能使用比普通电阻焊小得多的电流(能量耗损也小得多)使焊接区达到焊接温度，从而可使用比较小的电极触头和触头压力，并能极大地提高焊接速度和焊接效率。,高频焊时，通过闪光过程、挤压作用，可以有效地清除接头上的氧化物和其它杂质，所以焊前对待焊部位可不进用焊
40、剂而且只有在焊接如钛等与氧和氮反应非常快的一类金属时，才需用惰性气体进行保护。,、高频焊的特点及分类与其他焊接方法相比，高频焊具有以下一些特点：,优点,(1)焊接速度高 由于电流能够高度集中于焊接区，加热速度极快，在高速焊接时不会产生“跳焊”现象，因此焊速可高达150m/min以上。(2)热影响区小 因焊速高，工件自冷作用强，不仅热影响区小，而且还不易发生氧化，从而可获得具有良好组织与性能的焊缝。(3)焊前可不清除工件待焊处表面氧化膜及污物，因此减少了工序，有助于提高生产效率。(4)能焊接的金属种类广、产品的形状规格多不但能焊接碳钢、合金钢，而且还能焊接不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金，以及镍、
41、钛、铬等金属。用高频焊生产的型材和管材其尺寸规格远比普通轧制或挤压法的多，而且可制造出异种材料的结构件。主要在于电源的高压部分对人身与设备的安全有威胁，因而对绝缘的要求高；另外，回路中振荡管等元件的工作寿命较短，而且维修费用较高。,缺点,高频焊的分类：（1）、根据高频电能导入方式，可分为接触高频焊和感应高频焊。（2）、根据焊接时接头加热、加压状态的不同，可分为高频闪光焊、高频锻压焊和高频熔化焊。（3）、根据焊接所得焊缝长度的不同，可分为高频连续缝焊、高频短缝对接焊和高频熔点焊等。,高频焊是一种专业化较强的焊接方法，它主要在管材制造方面获得了广泛的应用，除能制造各种材料的有缝管、异型管、散热片管
42、、螺旋散热片管、电缆套管等管材外，还能生产各种断面的型材或双金属板和一些机械产品，如汽车轮圈、汽车车箱板、工具钢与碳钢组成的双金属锯条等。,高频焊的应用：,二、典型高频焊方法介绍,、高频焊制管,管材纵缝接触高频焊接原理图HF高频电源的 T管坯运动方向 1工件2挤压辊轮 3阻抗器 4触头接触位置,(1)、接触高频焊制管,带材由成形机组制成大致管形后，在挤压辊轮挤压下，使接头两边会合成V形会合角。高频电流借助置于会合角两侧的一对滑动触头导入，由一个触头经会合点传回到另一触头，从而在会合角两边的表层形成往复回路，产生邻近效应，使两边的电流密度增大，使会合角两边特别是会合点附近表层加热到焊接温度或熔化
43、温度，并引起会合点到焊合点中的一段区域产生连续的闪光。挤压辊轮除将管坯两边挤到一起，挤出两边的氧化物、杂质和熔化金属外，还将管坯周长挤去一定的挤压量，并在接头两面间产生强烈的顶锻，使金属牢固地结合在一起。最后机组后边的刨刀将挤出的氧化物及墩粗部分切除，再用定径和校直装置将管子定径并校直。,(2)、感应高频焊制管,管材纵缝感应高频烛接原理图HF高频电源 T管坯运动方向 I1焊接电流I2无效电流 1管坯 2挤太辊轮3阴抗器 4感应圈,感应高频焊制管与接触高频焊制管的主要区别是向V形会合角的两侧管坯导入电流的方法不是用直接导电的触头，而是采用套于其上的感应圈(也称感应器)。当感应圈中通入高频电流时，
44、管坯中所产生的感应电流的一部分（焊接电流）由管坯一边的外周表面经会合点后又回到另一边的外周表面，形成往复回路，产生邻近效应，焊接电流高度集中于会合面上，使管坯边缘迅速被加热到焊接温度甚至熔化，会合点到焊合点的一段区间内产生连续闪光。最后，经过挤压实现管子纵缝的连续焊接。感应电流的另一部分从管坯的外周流向管坯的内周表面形成循环流动，由于此部分电流只使管坯背面加热而对形成焊缝没有贡献，故称为无效电流。为减小无效电流，需在管坯内安放阻抗器以增加管内壁的阻抗，以减小无效电流，降低电能损耗。,、薄壁管搭接纵缝高频焊,薄臂管搭接纵缝高频焊接示意图HF高频电源 T管坯运动方向1管坯 2触头位置 3阻抗器4挤
45、压辊轮 F挤压力,用高频焊制造薄壁管时，挤压辊轮、挤压管坯易产生错边，很难形成对接焊缝。要焊接这类薄壁管材，采用的办法是将管坯边缘搭接，同时把辊轮挤压处作为顶点，则管坯接合处仍然能形成V形会合角，在其上安放触头，接通高频电源，随着管坯连续送进并在内外辊轮挤压下，就可实现薄壁管搭接纵缝的焊接。用这种办法生产薄壁管，焊速可高达150m/min，不仅可焊接低碳钢而且能焊接不锈钢、铝及铝合金、铜及黄铜等管材，应用于手电筒坯料、罐头筒、散热器用管等薄壁管件的生产。,、螺旋管高频焊,管材螺旋接缝高频焊示意图a)对接螺旋转 b）搭接螺旋缝HF高频电源 1成品管 2心轴,将管坯连续地送入成形轧机，使之绕心轴螺
46、旋弯曲成圆筒状，并使接缝边缘形成对接（用于厚壁管）或搭接（用于薄壁管）的同时构成合适的V形会合角，然后再用接触高频焊法对接缝进行连续焊接。为避免对接端面加热不均匀，通常将接头两边加工，使对接的两边形成6070角的坡口。搭接缝的搭接量随管坯厚度不同而不同。,用200kW的高频电源可制造壁厚为614mm、直径达1024mm的大直径螺旋管，焊接速度可达3090m/min。螺旋管比纵缝管承载能力大，多用于输送石油、天然气等重要场合。,4、管子的高频对焊管子高频对焊的原理如下图。将两段待连接的管子固定在夹头中，并使之相互接触；感应圈套在管子接头处的外围。当感应圈内通入高频电流时，接头处便产生感应电流，使
47、两端头很快加热到焊接温度(不熔化)，然后施加顶锻压力，完成焊接。,这种方法的特点是接头内侧没有毛刺，只呈缓慢的凸起状，对流体的阻力小，因而常被用于重要结构如锅炉钢管的焊接。接头加热温度有时可能不均匀，但采用管坯相对感应圈转动的办法就可以克服。应用于高压锅炉管制造，可焊接壁厚小于10mm、直径25320mm的管子，其焊接时间为1060s。,管子高频对焊原理图HF高频电源 1管子 2夹头 3感应圈 4过桥 5感应圈,5、板(带)材的高频对焊可采用高频对焊的办法连接宽度较短的板材或带材，其原理如图9-59所示。将两待焊的带材或板坯端头放于铜制的条形座上，加以轻微压力使之相互接触，同时将邻近导体置于接
48、缝上方，将其一端与条形座相连，另一端与条形座的另一端分别和高频电源相连接。当高频电流通过时，接缝区便在邻近效应作用下迅速被加热到焊接温度(不熔化)，随即在顶锻压力作用下连接为一体。,通过合理地选择频率，可以调节电流的穿透深度，使接缝沿厚度方向刚好能够均匀地加热。此法比普通电阻闪光对焊具有焊速高、顶锻量小、材料消耗少、接头毛刺小、无火花喷溅等优点，所以它很适用于连接带卷终端和制造冲压件所需的带材与板坯，也可用于直接生产零件，例如焊接汽车轮圈坯等。,板（带）材高频对焊原理图HF高频电源 F压力 1工件 2邻近导体3条形座 4接缝 5电流路线,6、结构型材纵缝的高频焊接用高频焊制造H形结构型材的过程及机组如下图所示。首先将翼板上弯或下弯，使其与腹板形成V形会合角，然后用滑动触头导入高频电流，加热会合角部分，最后再连续通过挤压辊轮进行挤压和焊接。,用高频焊制造结构型村的过程及机组1开卷机和校平机 2翼板 3腹板 4翼板送料器 5腹板镦粗机6翼板预弯机 7焊接工位 8冷却区 9矫直机 10飞锯11成品输送区 12表面缺陷清除工位 13触头位置T送料方向 HF高频电源,高频焊是高效率地生产型材的一种好方法，用它可以制造T形、H形等多种型材，特别是用它可以制造厚度相差很大、形状很不对称和由不同材料组成的型材，而使用普通热轧法则很难轧制或无法轧制。,有关高频焊管的更多了解，可参见：http:/,
