1、1焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術第第1111章章 Advanced welding & related Tech 第三講 金屬連接成形工藝2重點重點:1) 激光焊激光焊2) 波控焊接波控焊接3) 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊4) 機器人焊接機器人焊接5) 熱切割和噴涂熱切割和噴涂第第1111章章: : 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術Advanced welding & related Tech. 第三講 金屬連接成形工藝3I. I. 高能密束焊接高能密束焊接一、激光焊接一、激光焊接 高高能密束作用于焊接件的連接處能密束作用于焊接件的連接處；光光-熱轉熱轉換提供焊接所

2、需的熱源；換提供焊接所需的熱源；1) 激光束激光束 Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation 第第1111章章: : 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術4(1) 激光束性質激光束性質v單色性單色性-for Inspection & Com.v方向性方向性-for Remote laser Processing & Inspectionv高亮度和高能量密度高亮度和高能量密度第第1111章章: : 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術5單色性單色性 單色性常用比值單色性常用比值 / 來表征，其中來表征，其

3、中 和和 是輻射波的中心頻率和波長，是輻射波的中心頻率和波長， 、是譜是譜 線的線寬線的線寬.原有單色性最好的光源是氪原有單色性最好的光源是氪86燈，其燈，其/ 比值為比值為10-6量量級。級。 激光器發出的全部光輻射只集中在很小的頻率范激光器發出的全部光輻射只集中在很小的頻率范圍內，其單色性很高。因為工作粒子反轉和激光振蕩圍內，其單色性很高。因為工作粒子反轉和激光振蕩只能發生在數目有限的高低能級之間，只有少數幾個只能發生在數目有限的高低能級之間，只有少數幾個振蕩頻率振蕩頻率(不同的縱模不同的縱模)能維持振蕩，并且每個振蕩頻率能維持振蕩，并且每個振蕩頻率的振蕩寬度遠比整個熒光譜線寬度小得多。用

4、選模技的振蕩寬度遠比整個熒光譜線寬度小得多。用選模技術可使激光器實現單頻振蕩，穩頻激光器的輸出單色術可使激光器實現單頻振蕩，穩頻激光器的輸出單色性性 達到達到10-10-10-13量級，比氪量級，比氪86燈的單色性要高燈的單色性要高幾萬到幾千萬倍。幾萬到幾千萬倍。 第第11章章: 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術6n減少透鏡的色散效應n/，/ ，1Mhz-1GHzn原有單色性最好的氪86燈： /106n選模穩頻的激光器： /10101013RedYellowGreenBlueVioletWhite LightLaser BeamMONOCHROMATICLaser Safety Tra

5、ining Laser Institute of America 第第11章章: 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術7高方向性高方向性v激光束的方向性好亦即光線的發散度小，激光束的方向性好亦即光線的發散度小，是因為從諧振腔發出的只能是反射鏡多次是因為從諧振腔發出的只能是反射鏡多次反射后無法顯著偏離諧振腔軸線的光波。反射后無法顯著偏離諧振腔軸線的光波。v q q 2.24 /D 典型典型 q q 1mrad1mradv方向性越好方向性越好 可傳播越長的距離，獲得可傳播越長的距離，獲得越小的焦斑，越高的功率密度。越小的焦斑，越高的功率密度。v工業激光器工業激光器 q q 5 mrad 5 m

6、rad 第第11章章: 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術8高亮度高亮度v激光束也和其他光束一樣，可以通過凸鏡或金屬激光束也和其他光束一樣，可以通過凸鏡或金屬反射鏡加以聚焦。經聚焦后，可以將激光的巨大反射鏡加以聚焦。經聚焦后，可以將激光的巨大能量聚焦到直徑為光波波長量級的光斑上，形成能量聚焦到直徑為光波波長量級的光斑上，形成極高的能量密度，例如可產生極高的能量密度，例如可產生1061013W/cm2的的功率密度。功率密度。 lBP/SW/cm2.Srl太陽光的亮度：太陽光的亮度：2103 W/cm2.Srl氣體激光器的亮度：氣體激光器的亮度： 108 W/cm2Srl固體激光器的亮度：固

7、體激光器的亮度： 1011 W/cm2Sr 第第11章章: 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術9 第第1111章章: : 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術10(2) 激光束模式激光束模式 YAG (yttrium aluminum garnet)Solid Laser;CO2 Gas Laser; Fiber Laser etc Pulsed & Continueced橫模橫模- 沿垂直傳播方向的橫截面內的光場強沿垂直傳播方向的橫截面內的光場強 度分布度分布 TEMmn.第11章: 焊接新技術及相關技術11v橫模通常用如下符號橫模通常用如下符號TEMmnq標記。標記。TE

8、M表示橫表示橫電磁波，電磁波，m代表光斑在代表光斑在X方向節線的數目，方向節線的數目，n代表代表在在y方向節線的數目，方向節線的數目，q代表在代表在z方向節線的數目，方向節線的數目，由于由于q值很大，一般可省略。如上圖其中值很大，一般可省略。如上圖其中TEM00表表示在示在X， y方向都沒有節線的光斑，稱為基橫模，方向都沒有節線的光斑，稱為基橫模，簡稱簡稱基模基模。除基模以外的橫模均稱。除基模以外的橫模均稱高階橫模高階橫模。TEMl0模代表模代表X方向有一節線，方向有一節線，y方向無節線；方向無節線； TEM02模代表模代表X方向無節線，方向無節線，y方向有一節線；方向有一節線；TEM11模代

9、表模代表X，Y方向各有一節線，依此類推，方向各有一節線，依此類推，一般一般 mn均小于均小于10。 第第11章章: 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術12Several TEM modes with Gaussian energy intensity.Laser Beam PatternLaser Beam Pattern 第第1111章章: : 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術132) 2) 激光焊原理激光焊原理(1) 激光傳熱焊激光傳熱焊 Energy Density less then 105W/cm2 The same as Fusion Welding. 第第1111章

10、章: : 焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術14(2) 激光深熔焊激光深熔焊 Energy Density large then 106W/cm2 Key Hole Laser WeldingPenetration/ width=12:1 第第11章章: 焊接新技術及相關技術15v1-laser beamv2-fusion poolv3-key holev4-weld widthFig.13-2 Deep penetration laser Welding 第第11章章: 焊接新技術及相關技術16Kyungson Ki, Pravansu S Mohanty,Jyotirmoy Mazu

11、mder 第第11章章:焊接新技術及相關技術17n深熔焊（deep penetration welding） 106107w/cm2 深寬比12：1n特點特點 ： 焊縫深寬比大； HAZ小； 凈化作用。 第第11章章: 焊接新技術及相關技術18 第第11章章: 焊接新技術及相關技術19 (1) 能量密度能量密度 激光功率激光功率能量密度能量密度焊接熔深焊接熔深 . For CO2 Gas Laser welding: 焊縫深度焊縫深度(in mm) 激光功率激光功率(in kilowatt)3) 3) 激光焊技術參數激光焊技術參數 第第11章章: 焊接新技術及相關技術20d(P)0.7304不

12、銹鋼 第第11章章: 焊接新技術及相關技術21(2) (2) 焦距和離焦量焦距和離焦量v d0f f d0 Energy density But f b0 F: -1-2mm ,or F-1/3 第第11章章: 焊接新技術及相關技術22離焦量及其對焊縫的影響離焦量及其對焊縫的影響 第第11章章: 焊接新技術及相關技術23(3) 焊接速度焊接速度Welding speed weld penetration Match with Power and 第第11章章: 焊接新技術及相關技術24Laser welding film: 第第11章章: 焊接新技術及相關技術25二、電子束焊接二、電子束焊接E

13、lectron Beam Weldingv利用加速和聚焦的利用加速和聚焦的高能電子束流轟擊高能電子束流轟擊焊件接縫，將動能焊件接縫，將動能轉化為熱能，使焊轉化為熱能，使焊件加熱熔化的一種件加熱熔化的一種熔化焊方法。熔化焊方法。Electron beam welding principle 第第11章章: 焊接新技術及相關技術261) 電子束焊接原理電子束焊接原理 從電子槍中產生的電子束在從電子槍中產生的電子束在25300kv的的加速電壓下加速到加速電壓下加速到0.30.7倍的光速，經過倍的光速，經過電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，形成電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，形成的功率密度很高的電子

14、束流得到一個很小的的功率密度很高的電子束流得到一個很小的焦點。焦點。 當電子束流撞擊置于真空或非真空的工件當電子束流撞擊置于真空或非真空的工件表面時，電子的動能迅速轉變為熱能，使金表面時，電子的動能迅速轉變為熱能，使金屬迅速熔化和蒸發，實現焊接過程屬迅速熔化和蒸發，實現焊接過程. 第第11章章: 焊接新技術及相關技術27Vacuum EBW system 第第11章章:焊接新技術及相關技術28 第第11章章:焊接新技術及相關技術29 第第11章章:焊接新技術及相關技術302 2）電子束焊接的特征）電子束焊接的特征v 能量密度高能量密度高，電子束焊接時常用的加速電壓范圍，電子束焊接時常用的加速電

15、壓范圍 為為30150kV，電子束電流為，電子束電流為20l000mA，電子束，電子束 焦點直徑約為焦點直徑約為0.11mm，其功率密度可達，其功率密度可達106W cm2以上。以上。焊縫尺寸與位置精確可控焊縫尺寸與位置精確可控; v 由于熔池窄小由于熔池窄小, EBW 焊縫焊縫HAZ窄小窄小;v 焊縫金屬具有優良的物理焊縫金屬具有優良的物理-力學性能力學性能;v 變形小變形小;v 難焊金屬難焊金屬,異種金屬焊接的有效方法異種金屬焊接的有效方法. v 真空條件真空條件 第第11章章:焊接新技術及相關技術31Fig. The longitudinal and transverse macrose

16、ctions of the weld closen region in electron beam welding of 150 mm thick steel. 第第11章章:焊接新技術及相關技術32 EBW的真空是理想的純化焊縫金屬的的真空是理想的純化焊縫金屬的惰性保護氣氛惰性保護氣氛 . 電子束焊控制簡單電子束焊控制簡單,易于實現焊接過程易于實現焊接過程的全自動化的全自動化. 第第11章章:焊接新技術及相關技術33v真空電子束焊真空電子束焊: 666 10-4Pav低真空電子束焊低真空電子束焊: 1-13Pav非真空非真空: 與氦同時進入大氣中焊接與氦同時進入大氣中焊接 第第11章章:焊接

17、新技術及相關技術焊接新技術及相關技術34KL -134 electron beam welding machine with “sliding” gun 第第11章章:焊接新技術及相關技術電子束焊設備35 第第11章章:焊接新技術及相關技術電子束焊設備36 第第11章章:焊接新技術及相關技術電子束焊設備37vEBW 的局限的局限: 設備昂貴設備昂貴; 受真空室尺寸限制受真空室尺寸限制; 抽真空費時抽真空費時; 焊前準備費用大焊前準備費用大; 焊接過程中產生焊接過程中產生X-射線射線; 快速凝固容易導致一些材料的開裂快速凝固容易導致一些材料的開裂;vEBW 缺陷缺陷Undercutting; P

18、orosity;Cracking;Underfill;Lack of fusion; Shrinkage voids; Missed joints 第第11章章:焊接新技術及相關技術383 3）電子束焊的控制參數）電子束焊的控制參數v電子束電流電子束電流 束流與加速電壓一起決定著電子束的功率。在電子束焊接過程中，加速電壓往往不變，所以常常要調整電子束流值來滿足不同的焊接工藝需要。增加電子束流，熔深和熔寬都會增加。v加速電壓加速電壓 在電子束焊接中，加速電壓的增加可使熔深加大，但加速電壓的參數根據電子槍的類型通常選取某一數值不變。在保持其他參數不變的條件下，焊縫橫斷面深寬比與加速電壓成正比。v焊

19、接速度焊接速度 焊接速度太快會使焊縫變窄，熔深減小。 第第11章章:焊接新技術及相關技術39v 聚焦電流聚焦電流 電子束聚焦狀態對熔深及焊縫成形影響很大。焦點變小可使焊縫變窄，熔深增加。厚板焊接時，應使焦點位于工件表面以下0.5-0.75mm的熔深處；薄板焊接時，應使焦點位于工件表面。v 工作距離工作距離 工作距離應在設備最佳范圍內。工作距離變小時，電子束的斑點直徑變小，可增加電子束功率密度。但工作距離過小會造成放電現象，因而在不影響電子槍的穩定工作的前提下，可以采用盡可能短的工作距離。v 對于確定的電子束焊接設備，加速電壓一般固定不變，必須時也只做較小的調整。焊接電流和焊接速度是主要調整的工

20、藝參數。熱輸入與電子束焊接功率成正比，與焊接速度成反比。利用焊接熱輸入與焊接厚度的對應關系，初步選定焊接工藝參數，經實驗修正后方可作為實際使用的焊接工藝參數。此外，還應考慮焊縫橫斷面、焊縫外形及防止產生焊縫缺陷等因素，綜合選擇和實驗確定焊接工藝參數。 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術404）電子束焊的應用）電子束焊的應用 第第11章章:焊接新技術及相關技術41 第第11章章:焊接新技術及相關技術電子束焊接在汽車行業中的應用電子束焊接在汽車行業中的應用對液壓成型的凸輪軸進行電子束焊接，然后研磨在自動無級變速裝置中，電子束焊接 行星齒輪和驅動齒輪行星齒輪架和驅動齒輪的焊接電子

21、束焊接的摩托車鑄鋁輪箍42電子束焊接在鐵路交通中的應用電子束焊接在鐵路交通中的應用標準鐵軌分叉處的電子束焊接在火車鋁制部件上的電子束焊接 ，焊深40 mm 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術43 第第11章章:焊接新技術及相關技術電子束焊接在航空航天中的應用電子束焊接在航空航天中的應用衛星燃料箱衛星軌道推進器上用的錐形噴口在火箭上的錐形噴口，調壓器或燃料推進器上大量應用電子束焊接技術44 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術45用電子束焊接義肢上的小齒輪或行星齒輪在固定斷裂的骨頭上使用骨釘，它經過電子束焊接和退火處理可以將各種鉆頭焊接在柔性曲軸上，然后用于

22、骨頭的鉆孔電子束焊接在醫療行業中的應用電子束焊接在醫療行業中的應用 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術46銅/鋼，焊深30 mm鋼，焊深150 mm 鋁，焊深40 mm銅， 焊深35 mm 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術47電子束焊接高靈敏部件電子束焊接高靈敏部件高靈敏部件的焊接，例如閥或傳感器 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術48 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術用電子束焊接的壓鑄鋁熱交換器用電子束焊接的壓鑄鋁熱交換器49用電子束焊接汽車減震器，包括用電子束焊接汽車減震器，包括 12條焊縫和條焊縫和電子束

23、蝕刻標記電子束蝕刻標記 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術50 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術51II. 波形控制焊接技術波形控制焊接技術1.1.短路期間波形控制短路期間波形控制 Short circuit waveform control適用于適用于:CO2焊焊和熔化極氣體和熔化極氣體保護焊保護焊(GMAW) 第第11章章:焊接新技術及相關技術飛濺影片52 2. 表面張力過渡波形控制表面張力過渡波形控制 Surface Tension Transfer (STT) Welding1. The electrode approaches the wor

24、k piece with the amps and volts maintaining steady levels.2. As the electrode shorts, the voltage drops dramatically and the amperes begin to rise. The next two steps differentiate conventional GMAW from STT because of STTs precise control of the waveform.3. The electrode has come in contact (shorte

25、d) with the work piece and is depositing the filler metal. At this point, the voltage is approximately zero, and the amperes have increased immensely.4. The increase in amperes causes the filler metal to separate from the rest of the electrode in a violent and unpredictable manner, producing greater

26、 spatter and smoke than STT.5. After the separation between the weld deposit and the welding wire, the voltage and amperes decrease back to their preset levels.6. Repeats the process as in step one. 第第11章章:焊接新技術及相關技術5354 第第11章章:焊接新技術及相關技術 2. 表面張力過渡波形控制表面張力過渡波形控制 Surface Tension Transfer (STT) Weldin

27、gT0-T1. STT produces a uniform molten ball and maintains it until the “ball” shorts to the puddle.T1-T2. When the “ball” shorts to the puddle, the current is reduced to a low level allowing the molten ball to wet into the puddle.T2-T3. Automatically, a precision PINCH CURRENT waveform is applied to

28、the short. During this time, special circuitry determines that the short is about to break and reduces the current to avoid the spatter producing “explosion”.T3-T4. STT circuitry re-establishes the welding arc at a low current level.T5-T7. STT circuitry senses that the arc is re-stablished, and auto

29、matically appliesPEAK CURRENT, which sets the proper arc length. Following PEAK CURRENT,internal circuitry automatically switches to the BACKGROUND CURRENT,which serves as a fine heat control.BACKGROUNDCURRENTPINCHCURRENTPEAKCURRENTTAIL-OUTSPEED55vSTT,源于美國林肯公司源于美國林肯公司,利用波形控制利用波形控制技術在整個焊接過程中精確而迅速地技術在

30、整個焊接過程中精確而迅速地控制焊接電流控制焊接電流.獨特的技術既不是恒流獨特的技術既不是恒流也不是恒壓也不是恒壓.而是電源根據電弧的瞬時而是電源根據電弧的瞬時熱需求自動調整焊接電流熱需求自動調整焊接電流. 第第11章章:焊接新技術及相關技術56STT 方法的優點方法的優點vSTT方法采用了具有波形控制的高頻逆變技術方法采用了具有波形控制的高頻逆變技術改進了改進了MIG的短路過渡工藝能夠得到高質量的短路過渡工藝能夠得到高質量的焊縫且減少了煙塵和飛濺的焊縫且減少了煙塵和飛濺.vSTT方法克服了其他工藝的問題且利用了其優方法克服了其他工藝的問題且利用了其優點點.v可能比可能比GTAW的打底焊的效率提

31、高的打底焊的效率提高3-4倍倍,具有具有低的熱輸出和熔透率高低的熱輸出和熔透率高. 第第11章章:焊接新技術及相關技術57 第第11章章:焊接新技術及相關技術58 第第11章章:焊接新技術及相關技術59 第第11章章:焊接新技術及相關技術60v 攪拌摩擦焊（攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding），簡稱，簡稱FSW是基于摩擦焊技術的基本原理，由英國焊接研究所是基于摩擦焊技術的基本原理，由英國焊接研究所（TWITWI）于）于19911991年發明的一種新型固相連接技術。年發明的一種新型固相連接技術。與常規摩擦焊相比，其不受軸類零件的限制，可進與常規摩擦焊相比，其不受軸類零件的限制

32、，可進行板材的對接、搭接、角接及全位置焊接。被譽為行板材的對接、搭接、角接及全位置焊接。被譽為“繼激光焊后又一次革命性的焊接技術繼激光焊后又一次革命性的焊接技術”。. .攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術61與傳統的熔化焊方法相比與傳統的熔化焊方法相比: :v生產成本低生產成本低。 不用填充材料，也不用保護氣體；厚焊不用填充材料，也不用保護氣體；厚焊件邊緣不用加工坡口；不必進行去除氧化膜處理（只需要件邊緣不用加工坡口；不必進行去除氧化膜處理（只需要去除油污即可）；不苛求裝配精度，也不需要事先打底焊去除油污即可）；不苛求裝配精度，也不需要事先打底焊。v接

33、頭質量高接頭質量高。 可以得到等強度接頭，塑性降低很少甚可以得到等強度接頭，塑性降低很少甚者不降低；屬于固態焊接，接頭是在塑性狀態下受擠壓完者不降低；屬于固態焊接，接頭是在塑性狀態下受擠壓完成的，避免了熔焊時熔池凝固過程中產生裂紋、氣孔等缺成的，避免了熔焊時熔池凝固過程中產生裂紋、氣孔等缺陷；解決了熔焊方法不能焊接的一些鋁合金的高質量連接陷；解決了熔焊方法不能焊接的一些鋁合金的高質量連接問題，如對航天領域中裂紋敏感性強的高強鋁合金的焊接問題，如對航天領域中裂紋敏感性強的高強鋁合金的焊接。8.3.8.3.攪拌摩擦攪拌摩擦焊焊 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術v安全環保型的連

34、接技術安全環保型的連接技術。 整個焊接過程中無熔化、無整個焊接過程中無熔化、無飛濺、無煙塵、無輻射、無噪聲、無污染等有害物質。飛濺、無煙塵、無輻射、無噪聲、無污染等有害物質。v廣泛的工藝適用性廣泛的工藝適用性。 不受是否軸類零件的限制，可實現不受是否軸類零件的限制，可實現多種形式，不同位置的焊接，可進行平板的對接和搭接，可焊接直焊多種形式，不同位置的焊接，可進行平板的對接和搭接，可焊接直焊縫、角焊縫及環焊縫，可進行大型框架結構、大型筒體制造及大型平縫、角焊縫及環焊縫，可進行大型框架結構、大型筒體制造及大型平板對接等。由于不受重力的影響，可以進行仰焊。板對接等。由于不受重力的影響，可以進行仰焊。

35、v便于機械化、自動化操作。質量比較穩定便于機械化、自動化操作。質量比較穩定，重復性高。，重復性高。 v焊接后結構的殘余應力和變形小，更適合焊接后結構的殘余應力和變形小，更適合于薄板焊接于薄板焊接。攪拌摩擦焊焊接過程中加熱溫度低，焊接不易攪拌摩擦焊焊接過程中加熱溫度低，焊接不易變形，這對較薄鋁合金結構（如船艙板、小板拼成大板）的焊接極為變形，這對較薄鋁合金結構（如船艙板、小板拼成大板）的焊接極為有利。有利。62631. 1. 攪拌摩擦焊焊接原理攪拌摩擦焊焊接原理8.3.8.3.攪拌摩擦攪拌摩擦焊焊 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術攪拌摩擦焊接過程示意圖攪拌摩擦焊接過程示意圖

36、 648.3.8.3.攪拌摩擦攪拌摩擦焊焊 攪拌焊頭邊旋轉邊沿著接縫與焊件作相對運動，攪拌焊頭前面的材料發生強烈的塑性變形。隨著攪拌焊頭向前移動，前沿高度塑性變形的材料被擠壓到攪拌焊頭的背后。在攪拌頭軸肩與焊件表層摩擦產熱和鍛壓共同作用下，形成致密的固相連接接頭。 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術v分為四個區域：分為四個區域：v A區為母材區在最外邊，無熱影響也無變形的影響；區為母材區在最外邊，無熱影響也無變形的影響；v B區為熱影響區，沒有受到變形的影響，但受到了從焊接區為熱影響區，沒有受到變形的影響，但受到了從焊接區傳導過來的熱量影響；區傳導過來的熱量影響；v C區為

37、變形熱影響區，該區受到了塑性變形的影響，也受區為變形熱影響區，該區受到了塑性變形的影響，也受到了焊接溫度的影響；到了焊接溫度的影響；v D區為焊核，是兩塊焊件的共有部分區為焊核，是兩塊焊件的共有部分.65攪拌摩擦焊焊縫組織攪拌摩擦焊焊縫組織2. 攪拌摩擦焊的技術接參數攪拌摩擦焊的技術接參數2.1 攪拌摩擦焊接頭形式攪拌摩擦焊接頭形式6667 2. 2. 攪拌摩擦焊的技術接參數攪拌摩擦焊的技術接參數2.2 2.2 焊接參數焊接參數v 攪拌摩擦焊接參數主要包括焊接速度（攪拌焊頭沿攪拌摩擦焊接參數主要包括焊接速度（攪拌焊頭沿焊縫方向的行走速度）、攪拌焊頭轉速、焊接壓力焊縫方向的行走速度）、攪拌焊頭轉

38、速、焊接壓力、攪拌頭傾角、攪拌頭插入速度和保持時間等。、攪拌頭傾角、攪拌頭插入速度和保持時間等。v 焊接速度一定，焊接攪拌頭旋轉速度提高，焊核區焊接速度一定，焊接攪拌頭旋轉速度提高，焊核區越來越大，層狀結構更加穩定，接頭性能更好。越來越大，層狀結構更加穩定，接頭性能更好。v 攪拌頭旋轉速度一定，隨著焊接速度減小，焊件兩攪拌頭旋轉速度一定，隨著焊接速度減小，焊件兩側的材料流動更加均勻，接頭外形更好。側的材料流動更加均勻，接頭外形更好。8.3.8.3.攪拌摩擦攪拌摩擦焊焊 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術v(1)焊接速度焊接速度V v從焊接熱輸入可知，當轉速為定值且焊接速度較

39、從焊接熱輸入可知，當轉速為定值且焊接速度較低時，攪拌頭低時，攪拌頭/焊件界面的整體摩擦熱輸入較高。焊件界面的整體摩擦熱輸入較高。如果焊接速度過高，使塑性軟化材料填充攪拌針如果焊接速度過高，使塑性軟化材料填充攪拌針行走所形成的空腔的能力變弱，軟化材料填充空行走所形成的空腔的能力變弱，軟化材料填充空腔能力不足，焊縫內容易形成一條狹長且平行于腔能力不足，焊縫內容易形成一條狹長且平行于焊接方向的隧道溝，導致接頭強度降低。焊接方向的隧道溝，導致接頭強度降低。 6869a) DP 980, 1200 rev min-1, 3.3 mm s-1; b) DP 980, 1200 rev min-1, 17.

40、0 mm s-1Weld zone in DP 980Material C Mn P S Si Cr DP 980 0.150 1.440 0.011 0.007 0.320 0.020焊接速度對焊接速度對顯微組織的顯微組織的影響影響 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術a.大量馬氏體b.馬氏體和大塊貝氏體或魏氏體第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術v(2)攪拌頭轉速攪拌頭轉速n v旋轉速度較低時，焊接熱輸入較低，攪拌頭前后旋轉速度較低時，焊接熱輸入較低，攪拌頭前后不能形成足夠的軟化材料填充攪拌頭后方所形成不能形成足夠的軟化材料填充攪拌頭后方所形成的空腔，焊

41、縫內易形成孔洞缺陷或攪拌頭的后邊的空腔，焊縫內易形成孔洞缺陷或攪拌頭的后邊有一條溝槽，不能形成良好的焊縫，從而弱化接有一條溝槽，不能形成良好的焊縫，從而弱化接頭強度。頭強度。v在一定范圍內隨著攪拌頭轉速的提高，焊接峰值在一定范圍內隨著攪拌頭轉速的提高，焊接峰值溫度升高，熱輸入增加，有利于提高軟化材料填溫度升高，熱輸入增加，有利于提高軟化材料填充空腔的能力，避免接頭內缺陷的形成，充空腔的能力，避免接頭內缺陷的形成，v當轉速提高到一定值時，焊縫外觀良好，內部孔當轉速提高到一定值時，焊縫外觀良好，內部孔洞也逐漸消失。洞也逐漸消失。707126mm,母材2.0mm, 400rev min-110.0

42、mm, 800rev min-1Fe0.016C0.48Si0.49Mn0.023P0.001S17.78Ni19.82Cr6.13Mo0.20N0.63Cu旋轉速度對顯微組織的影響 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術72 a) DP 590, 800 rev min-1; b) DP 590, 1200 rev min-1Micrographs of weld zone for two different tool speeds: feedrate was same in both cases (17 mm s-1); magnification was 2500 第第1

43、1章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術a) a large amount of primary ferrite with grain boundary carbides and bainite.b)martensite, primary ferrite, and possibly other low transformation temperature products such as bainite.v（3）焊接壓力）焊接壓力P v 攪拌頭與被焊焊件表面之間的接觸狀態對焊縫的成形也有攪拌頭與被焊焊件表面之間的接觸狀態對焊縫的成形也有較大的影響。當壓緊力不足時，表面熱塑性金屬較大的影

44、響。當壓緊力不足時，表面熱塑性金屬“上浮上浮”，溢出焊接表面，焊縫底部在冷卻后會由于金屬的，溢出焊接表面，焊縫底部在冷卻后會由于金屬的“上浮上浮”而形成孔洞。而形成孔洞。v 當壓緊力過大時，軸肩與焊件表面摩擦力增大，摩擦熱將當壓緊力過大時，軸肩與焊件表面摩擦力增大，摩擦熱將使軸肩發生使軸肩發生“粘頭粘頭”現象，使焊縫表面出現飛邊、毛刺等現象，使焊縫表面出現飛邊、毛刺等缺陷。缺陷。v 攪拌摩擦焊壓力適中時，焊核呈規則橢圓狀，接頭區域有攪拌摩擦焊壓力適中時，焊核呈規則橢圓狀，接頭區域有明顯分區，焊縫底部完全焊透。焊接時攪拌針首先從前面明顯分區，焊縫底部完全焊透。焊接時攪拌針首先從前面帶動材料往回撤

45、面旋轉，經過回撤面側一次或多次旋轉后帶動材料往回撤面旋轉，經過回撤面側一次或多次旋轉后沉積。沉積。73v（4）攪拌頭傾角）攪拌頭傾角v攪拌頭傾角是指攪拌頭與焊接工件法線的夾角，攪拌頭傾角是指攪拌頭與焊接工件法線的夾角，表示攪拌頭向后傾斜的程度，攪拌頭向后傾斜的表示攪拌頭向后傾斜的程度，攪拌頭向后傾斜的目的是對焊縫施加壓力。目的是對焊縫施加壓力。v傾角主要是通過改變接頭致密性、軟化材料填充傾角主要是通過改變接頭致密性、軟化材料填充能力、熱循環和殘余應力來影響接頭性能。傾角能力、熱循環和殘余應力來影響接頭性能。傾角較小，則軸肩壓入量不足，軸肩下方軟化材料填較小，則軸肩壓入量不足，軸肩下方軟化材料填

46、充空腔的能力較弱，焊核區充空腔的能力較弱，焊核區/熱熱-機影響區界面處機影響區界面處易形成孔洞缺陷，導致焊接接頭強度降低。傾角易形成孔洞缺陷，導致焊接接頭強度降低。傾角增大，則攪拌頭軸肩與焊件的摩擦力增大，焊接增大，則攪拌頭軸肩與焊件的摩擦力增大，焊接熱作用程度增大。熱作用程度增大。74v（5）攪拌頭插入速度和保持時間）攪拌頭插入速度和保持時間v攪拌摩擦焊接過程起始插入速度不可過快，否則攪拌摩擦焊接過程起始插入速度不可過快，否則容易造成攪拌頭折損。但過慢則造成生產率低下容易造成攪拌頭折損。但過慢則造成生產率低下。選擇適當的插入速度非常重要。插入速度的快。選擇適當的插入速度非常重要。插入速度的快

47、慢最終決定焊接起始階段預熱溫度是否足夠，以慢最終決定焊接起始階段預熱溫度是否足夠，以便產生足夠的塑性變形和流體流動。而保持時間便產生足夠的塑性變形和流體流動。而保持時間一般為一般為1015s,過短則產生塑性材料不足，過長容過短則產生塑性材料不足，過長容易造成局部過熱和生產率的下降。易造成局部過熱和生產率的下降。v攪拌頭的形狀直接決定了攪拌摩擦焊過程的產熱攪拌頭的形狀直接決定了攪拌摩擦焊過程的產熱及焊縫金屬的塑性流動，最終影響焊縫的成形及及焊縫金屬的塑性流動，最終影響焊縫的成形及焊縫性能。焊縫性能。7576v3.3.攪拌摩擦焊焊頭攪拌摩擦焊焊頭 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關

48、技術774 4攪拌摩擦焊的應用攪拌摩擦焊的應用8.3.8.3.攪拌摩擦攪拌摩擦焊焊 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術784 4攪拌摩擦焊的應用攪拌摩擦焊的應用8.3.8.3.攪拌摩擦攪拌摩擦焊焊 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術79 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術80攪拌摩擦焊視頻 第第11章章:焊接新技術及相關技術焊接新技術及相關技術81 機器人焊接技術機器人焊接技術 Robot welding v 焊接機器人焊接機器人 Welding robotv工業機器人被認為是焊接自動化最有前途工業機器人被認為是焊接自動化最有前途的工

49、具的工具.v焊接機器人在制造業中獲得廣泛的使用焊接機器人在制造業中獲得廣泛的使用.v它是柔性制造技術它是柔性制造技術;v高質量的焊接性能高質量的焊接性能;v極大改善勞動條件極大改善勞動條件. 第第11章章:焊接新技術及相關技術82 Robot welding 1) 1) 點焊機器人點焊機器人 Spot welding robots廣泛應用于汽車制造等行業。汽車焊點廣泛應用于汽車制造等行業。汽車焊點4000-5000點。點。在生產線上，通過傳感器將車型信息通知機器在生產線上，通過傳感器將車型信息通知機器人的控制器，選擇預存的程序執行任務。人的控制器，選擇預存的程序執行任務。可將機器人系統與可將機

50、器人系統與CAD/CAM技術結合，大大提技術結合，大大提高生產效率。高生產效率。 第第11章章:焊接新技術及相關技術83v2) 弧焊機器人弧焊機器人 Arc welding robotsv弧焊是工業中機器人應用最廣泛的領域之弧焊是工業中機器人應用最廣泛的領域之一一. vMIG焊機器人起始于焊機器人起始于 1970s.v系統由系統由6部分組成部分組成:焊槍焊槍;液壓驅動的夾緊裝液壓驅動的夾緊裝置置;自驅動的機械裝置自驅動的機械裝置;集成控制器集成控制器;焊接電焊接電源源. 第第11章章:焊接新技術及相關技術84 第第11章章: 焊接新技術及相關技術8586v弧焊機器人順序控制弧焊機器人順序控制v

51、使用焊接順序控制來決定不同焊縫的焊接順序使用焊接順序控制來決定不同焊縫的焊接順序，其要考慮焊接質量和生產率，其要考慮焊接質量和生產率.。v設置目標函數并發展了有效焊接順序算法優化設置目標函數并發展了有效焊接順序算法優化包括焊縫數包括焊縫數,焊接層數和焊接機器人的焊接參焊接層數和焊接機器人的焊接參數。數。 第第11章章: 焊接新技術及相關技術87v機器人焊接程序是非常費時的工序機器人焊接程序是非常費時的工序;v在機器人技術和焊接工藝兩者都需要堅實的在機器人技術和焊接工藝兩者都需要堅實的專門技術專門技術;v機器人弧焊程序中所作的努力集中在離線編機器人弧焊程序中所作的努力集中在離線編程程,包括規劃包

52、括規劃,模擬模擬,修改和在遙控計算機再寫修改和在遙控計算機再寫程序程序. 第第11章章: 焊接新技術及相關技術88弧焊機器人順序控制的特點弧焊機器人順序控制的特點v對焊接順序主要關心的是生產率以及優良對焊接順序主要關心的是生產率以及優良的焊接質量。的焊接質量。v因此因此,在質量和生產率之間需要折中妥協。在質量和生產率之間需要折中妥協。v為了改善焊接可靠性，在厚板制造的結構為了改善焊接可靠性，在厚板制造的結構中和鋁合金結構中使用多道焊。中和鋁合金結構中使用多道焊。v使用多道焊能夠減少脆性斷裂和拉伸殘余使用多道焊能夠減少脆性斷裂和拉伸殘余應力。應力。 第第11章章 : 焊接新技術及相關技術89v典

53、型的工藝規劃包括焊接順序，多道焊規典型的工藝規劃包括焊接順序，多道焊規劃，碰撞空程規劃，和含有焊接次序，劃，碰撞空程規劃，和含有焊接次序，機器人和位置運動規劃，焊縫跟蹤以及機機器人和位置運動規劃，焊縫跟蹤以及機器人手臂和工件位置校準的焊接操作規劃。器人手臂和工件位置校準的焊接操作規劃。 第第11章章: 焊接新技術及相關技術90Classification of welding operations 第第11章章: 焊接新技術及相關技術91Operation Example 第第11章章: 焊接新技術及相關技術92摩托車車架摩托車車架弧焊機器人焊接影片弧焊機器人焊接影片 第第11章章: 焊接新技

54、術及相關技術93 相關技術相關技術 Related technology1. Thermal cutting1) Air-Carbon-Arc CuttingAir-carbon-arc cutting and gouging severs or removes metal by melting it with the heat of an arc struck between a carbon-graphite electrode and the base metal. A stream of compressed air, usually at 80-100 PSI, blows the

55、molten metal out of the kerf or groove. 第第11章章: 焊接新技術及相關技術94 2) Mixed gas cuttingvTwo-tube attachments mix oxygen and gas in the larger bottom tube; the mixed gas flows through the tube, enters the torch head, and leaves from the tip. vPortable manual oxyacetylene equipment comprises oxygen and fuel

56、 gases stored under pressure in steel cylinders fitted with regulators and flexible hoses that lead to a torch assembly. 第第11章章: 焊接新技術及相關技術95vGas cutting removes metal by melting it with the heat of an oxyfuel flamevA stream of compressed air, usually at 80-100 PSI, blows the molten metal out of the

57、 kerf or groove.voxyfuel cutting can use multiple cutting torches for accurate, high-quality, large-volume cutting. vTravel carriages cut straight, contoured or beveled edges. The cutting torch on a mechanized setup mounts to a motor-driven carriage that adjusts for torch height and travel speed. 第第

58、11章章: 焊接新技術及相關技術96 第第11章章: 焊接新技術及相關技術973)Plasma-Arc CuttingvOne of the popular methods to cut galvanized steel is plasma-arc cutting (PAC) unique in its ability to make fast, clean cuts. vCompared to oxyfuel cutting, PAC cuts materials four to five times faster. vThe fast travel speed and the narrow

59、, localized heating of the metal produces little or no distortion. 第第11章章: 焊接新技術及相關技術983)Plasma-Arc Cutting The small heat-affected zone (HAz) from PAC minimizes any changes in the zinc coating, maintaining the corrosion resistance of the coating.vThe PAC process starts making cuts without preheatin

60、g, reducing throughput time and minimizing cutting time when making interrupted cuts, such as on metal grating or mesh. vThis method applies to parts with complicated geometries or with many surfaces. vThe kerf of a typical PAc cut is 1.5 to 2 times the orifice diameter. 第第11章章: 焊接新技術及相關技術99vPlasma-arc cutting requir