特种焊接技术

预览：特种焊接技术是指除焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等传统焊接方法之外的非常规焊接方法，主要包含电子束焊、激光焊等先进的高能束流焊接方法及扩散焊、摩擦焊、高频焊、超声波焊、爆炸焊、变形焊等固相焊接方法。

高能束流焊是指利用高能量密度的束流，高能束流功率密度在10～10W/cm2范围内。

高能束流焊接被誉为21世纪最具有发展前景的焊接技术。

1、（1）电子束焊（EBW）是指在真空或非真空环境中，利用汇聚的高速电子流轰击焊件接缝处所产生的热能，使被焊金属融合的一种焊接方法。

电子束焊由一般熔焊方法的“热导焊”转变为“穿孔焊”。

（2）优点：焊缝深宽比大；焊接速度快、焊缝组织性能好；焊接变形小；焊缝纯度高、接头质量好；工艺适应性强；可焊材料多；再现性好；可简化加工工艺。

缺点：设备复杂，一次性投资大，费用较昂贵；电子束焊要求接头位置准确，间隙小而且均匀，焊前对接头加工、装配要求严格、真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状受到工作室的限制、容易受杂散电磁场干扰，影响焊接质量、焊接是产生X射线，需要操作人员严格防护。

电子束焊的分类：高真空电子束焊、低真空电子束焊、非真空电子束焊。

高真空电子束焊的真空度为10～10Pa，低真空的真空度为10～10Pa，非真空在真空条件（≤10Pa）下产生的。

电子束焊的应用：一般熔焊能焊的金属都可以采用电子束焊，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。

也可焊接物理性能差异较大的异种金属。

焊接厚板时无需开坡口和填充金属，亦可焊厚度相差悬殊的焊件，可以焊接内部需保持真空度的密封件、靠近热敏元件的焊件、形状复杂且精密的零部件，也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间隔几十毫米。

（3）电子枪高压型60～150kv，电子束焊机中用以产生电子并使之汇聚成电子束的装置称为电子枪。

电子枪是电子束焊的核心部件，主要有阴极、阳极、栅极和聚焦线圈组成，电子枪有二级枪和三级枪之分，现在多采用三级电子枪。

（4）电子束焊的常用接头：对接、角接、T形接、搭接和端接。

（5）电子束焊的主要焊接参数及选择：加速电压（影响熔深）、电子束电流、焊接速度、聚焦电流和工作距离。

这些参数直接影响到焊缝的熔深和几何形状。

（6）长空洞及焊缝中裂纹都是深熔透电子束焊接时所特有的缺陷，降低焊接速度，改进材质有利于消除此类缺陷。

2、（1）激光焊（LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。

与传统焊接方法比较具有能量密度高、穿透力强、精度高、适用性强等优点。

（2）特点：①激光束功率密度高，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，容易实现深熔焊和高速焊，适用于精密焊接和微细焊接。

②焊缝熔深比大。

③适应于常规焊接方法难以焊接的材料、如难熔金属、热敏感性强的材料以及热物理性能、尺寸和体积差异悬殊的工件间焊接，也用于非金属材料的焊接。

④可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位。

⑤可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如焊接置于玻璃密封容器内的合金等剧毒材料。

⑥激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。

缺点：①激光焊难以焊接反射率较高的材料。

②对焊件加工、组装、定位要求相对较高。

③设备一次性投资较大。

（3）按激光对工件的作用方式，激光焊可分为脉冲激光焊和连续激光焊。

根据实际作用在工件上的功率密度，激光焊分为传热焊、深熔焊。

数千瓦的高功率CO2激光器的出现，开辟了激光应用于焊接的新纪元。

激光焊设备主要有激光器、光束传输、聚焦系统、焊枪、工作台、电源控制装置、气源、水源、操作盘、数控装置等组成。

激光器是产生受激辐射光并将其放大的装置，是激光焊接设备的核心部分。

根据激光器中工作物质的形态分为固体、液体和气体激光器。

（4）脉冲激光焊时，每个激光脉冲在焊件上形成一个焊点。

焊件是由点焊或由点焊搭接成的缝焊方式实现连接的。

由于其加热斑点很小，主要用于微型、精密元件、一些微电子元件的焊接。

（5）连续激光焊的焊接参数：激光功率、焊接速度、光斑直径、离焦量、保护气体。

激光—压力复合焊特点：接头强度高、焊接速度快、生产效率高。

3、（1）扩散焊（DFW）是将紧密接触的焊件置于真空或保护气氛中，并在一定温度和压力下保持一段时间，使接触界面间原子相互扩散而实现可靠连接的一种固相焊接方法。

尤其是对于熔焊方法难以焊接的材料，扩散焊具有明显的优势。

（2）特点：①可以在不降低被焊材料性能的情况下焊接几乎所有的金属或非金属，特别适合于熔焊和其他焊接方法难以焊接的材料。

适应新能好，焊接可靠。

②接头质量好，其显微组织与母材接近或相同，在焊缝中不存在熔焊缺陷、过热组织和热影响区。

焊接参数易于精确控制，在批量生产时接头质量和性能稳定。

③焊件精度高、变形小，焊件整体塑性变形很小，焊后的工件一般不再进行机械加工。

④可以焊接大断面工件。

⑤可以焊接结构复杂、接头不易接近以及厚薄相差较大的工件，能对组装件中许多接头同时实施焊接。

缺点：①焊件表面的制备和装配质量较高，特别对接合表面要求严格。

②焊接热循环时间长，生产率低。

③设备一次性投资大，且焊接工件的尺寸受到设备的限制，无法进行连续式批量生产。

中间层材料特点：①容易发生塑性变形，含有加速扩散的元素，如Be、B、Si。

②与母材的物理化学性能接近，且不与母材发生不良冶金反应，如产生脆性相与共晶相。

③不会在结合处引起电化学腐蚀。

（3）中间层的选用：可采用箔、粉末、镀层、离子喷射和喷涂层等多种形式。

（4）阻焊剂具有的性能：①熔点或软化点应高于焊接温度。

②具有较好的高温化学稳定性，在高温下不与焊件、夹具或压头发生化学反应。

③不释放有害气体污染附近的待焊接表面，不破坏保护气氛或真空度。

（5）扩散焊焊接参数：焊接温度、焊接压力、保持时间、气氛环境。

焊接温度：提高加热温度还会造成母材软化，扩散焊温度大都在0.6~0.8Tm（Tm为母材的熔点，异种材料焊接时Tm为熔点较低一侧母材的熔点），最适合的温度一般取接近0.7 Tm。

而一般情况下压力为10~30MPa。

（6）扩散焊接设备一般包括：加热系统、加压系统、保护系统、控制系统。

常采用感应加热或电阻加热方法对焊件进行局部或整体加热。

高频感应扩散焊焊接设备采用高频电源加热。

扩散焊所施加的压力范围为1~100MPa。

正负离焦：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。

4、（1）摩擦焊（FW）是利用焊件接触的端面相对运动中相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种固相焊接方法。

（2）摩擦焊的分类：一是根据焊件的相对运动形式分类；二是按焊接过程的工艺特点分类。

（3）常规摩擦焊方法：连续驱动摩擦焊（最常用）、惯性摩擦焊（又称储能焊焊前先将飞轮、主轴系统和旋转架头上的焊件加速到预定的转速，然后，主轴电动机和飞轮脱开或断电。

同时，另一个焊件向前移动、接触并施加轴向压力，开始摩擦加热过程）、相位摩擦焊、径向摩擦焊、摩擦堆焊、线性摩擦焊、嵌入式摩擦焊、超塑性摩擦焊、第三体摩擦焊。

（4）摩擦焊特点：①焊接质量好且稳定；②适焊材料范围广；③焊接时间短，生产率高；④焊件尺寸精度高、成本低；⑤机械化、自动化程度高；⑥焊机功率小、节能、无污染。

（5）传统摩擦焊焊接过程的一个周期可分为摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。

摩擦加热过程又可分为四个阶段：①初始摩擦阶段；②不稳定摩擦阶段；③稳定摩擦阶段；④停车阶段；顶锻焊接过程也可分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。

（6）连续驱动摩擦焊焊接参数：①转速与摩擦压力；②摩擦时间；③摩擦变形量；④停车时间；⑤顶锻压力。

（7）搅拌摩擦焊的焊接过程及特点：搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊接热源的一种固相焊接方法，但与常规摩擦焊有所不同。

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且软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，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。

在搅拌焊头与焊件表面摩擦生热和锻压共同作用下，形成致密牢固的固相焊接接头。

特点（优点）：①焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊接，因而其接头不会产生熔焊缺陷和脆化现象。

焊缝性能接近母材，力学性能优异。

适合焊接非铁金属及其合金以及钢铁材料、复合材料等，也可用于异种材料的焊接。

②不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝、可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等。

③质量稳定，重复性高。

④焊接时无需填充材料、保护气体，焊前无需对焊件表面预处理，焊接过程中无需施加保护措施，厚大焊件边缘不用加工坡口，简化焊接工序。

焊接铝合金不用去氧化膜，只需去除油污即可。

⑤能量密度高、热输入速度快，焊接变形小，焊后残余应力小，焊件的尺寸精度高。

⑥不产生弧光辐射、烟尘和飞溅、噪音低，环保。

被称为绿色焊接方法。

（8）搅拌摩擦焊接头形式：对接、角接、搭接、T形接头。

用于全位置焊接，如立焊、横焊、仰焊、环行轨道自动焊等。

（9）参数选择：焊接速度、搅拌焊头旋转速度、焊接压力、搅拌焊头结构参数、搅拌焊头插入速度和保持时间等。

激光焊和电子束焊的比较。

电子束焊接技术起源于20世纪50年代，10年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用也随即展开。

电子束与激光加工同属于高能密度束流加工技术，应用的领域大体相同，其能量密度在同一段数量级远高于其他热源。

与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性：能量密度高（大于105W/cm2）；焊接速度高（一般可以达到5~10m/min）；热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%~20%）；热流输入少、工件变形小；易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；非接触加工、无后续加工。

相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。

另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30s以内）但是，受到技术进步的局限，激光焊还存在一定的缺点：激光的能量转换效率较低，常用的CO2激光器能量转换效率不足20%，最新的光纤激光器转换效率也没有超过30%；能量转换效率低造成在生产线中应用大功率激光焊接的经济性很差，目前实用的激光焊接设备功率大多小于20kW，可焊接的深度一般很少超过10 mm；随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到50000h，这大大降低了激光焊接设备的使用成本。

但是，要想获得理想的焊接质量，保护气体是不可少的，这也造成加工成本的增加；激光焊接的深宽比小于电子束焊，一般在10∶1以内（在齿轮激光焊接中，焊缝的深度一般在4~6 mm，故这个深宽比还比较适用），不适合大厚度工件的焊接；激光焊接对于铝合金材料及其他高反射率材料的焊接还存在一些技术难点，必须通过填丝等辅助手段，才能达到较理想的焊接效果。