其他焊接技术简介
其他焊接技术简介
随着计算机、微电子、信息传感、机器人、真空、超声、激光、电子束等技术与焊接技术的结合，出现了多种焊接技术，以满足现代工业高新技术发展的需要。
一、电子束焊
电子束焊是利用加速和聚焦的高速电子流轰击焊件接口处。产生高热能，使金属熔合的一种焊接方法。
1.电子束焊的工作原理
电子束焊工作原理如图 8—21 所示。电子枪的阴极通电加热到高温而发射出大量电子，电子在加速电压的作用下达到0.3~0.7 倍的光速，经电子枪静电透镜和电磁透镜的作用，汇聚成1束能量（动能）极大的电子流。这束电子流以极高的速度撞击焊件的表面，电子的动能转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发;强烈的金属蒸气流将熔化的金属排开，电子束继续撞击深处的固态金属，很快在被焊焊件上"钻"出1个小孔，如图8—22 所示。小孔被周围的液态金属包围，随着电子束与焊件的相对移动。液态金属沿小孔周围脉动地向凝结区过渡，随之冷却、凝固形成深而窄的焊缝。电子束焊的熔池深度不均匀，焊缝有特殊的余高。
2.电子束焊的特点
（1）优点
1）加热功率密度大 焊接用电子束电流为几十至几百毫安，最大可达1 000 mA 以上;加速电压为几十至几百千伏;电子束功率从几十千瓦至100 kW 以上。而电子束焦点直径小于1 mm。所以，电子束焦点处的功率密度可达 10³～10°kW/cm²，比普通电弧功率密度高100～1 000 倍。
2）焊缝深宽比（H/B）大 通常电弧焊的深宽比很难超过2。电子束焊比电弧焊可节约大量填充金属和电能，可实现高深宽比的焊接，深宽比可达60∶1，可一次焊透厚度0.1～300 mm 的不锈钢板。
3）焊接速度快，焊缝热物理性能好 电子束焊的焊接速度快，能量集中，熔化和凝固过程快，热影响区小，焊接变形小。它可用作精加工工件的最后连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。而且能避免晶粒长大，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。
4）焊缝纯度高 真空电子束焊的真空度一般为5×10-4 Pa，适合焊接钛及钛合金等活性材料。
5）焊接工艺参数调节范围广，适应性强 电子束焊接的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好。而且，电子束焊的焊接参数易于实现自动化控制，提高了产品质量的稳定性。
6）可焊材料多 电子束焊不仅能焊接常用金属和异种金属材料，也可焊接非金属材料（如陶瓷、石英玻璃等）。
（2）缺点
1）需要高真空环境 电子束焊必须在真空室内进行，以防止电子散射。电子束焊设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制。
由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到 60 s 以内）。
2）有磁偏移 由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前做去磁处理。
3）X 射线问题X射线辐射在高压下特别强，需对操作人员实施保护。
4）装配、清洁要求高 电子束焊对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。
3.电子束焊分类及应用
（1）按被焊焊件所处环境的真空度分类电子束焊可分为高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。
1）高真空电子束焊 具有良好的真空条件，可以保证对熔池的保护，防止金属元素的氧化和烧损，适用于核燃料储存构件、飞机、火箭燃料冷气系统的容器及密封真空系统部件等的焊接。
2）低真空电子束焊 具有束流密度和功率密度高的特点，适用于生产线上批量大的零件焊接，生产率较高。例如，变速器组合齿轮多采用这种焊接。
3）非真空电子束焊 它能够达到30 mm 的熔深，既不需要真空室，又保留了真空电子束高功率密度的特点，因而在大型焊件的焊接工程上有应用前景。
（2）按加速电压的高低分类.电子束焊机可分高压电子束焊、中压电子束焊和低压电子束焊。
1）高压电子束焊 高压电子束焊一般指加速电压的范围为60～150kV的电子束焊。在相同功率情况下，高压电子束焊接所需的束流小，加速电压高，易于获得直径小、功率密度大的束斑和深宽比大的焊缝。因而，其适用于焊接大厚度板材的单道焊，也适用于焊接那些难熔金属和热敏感性强的材料。高压电子束焊的缺点是;屏蔽焊接时产生X射线比较困难;电子枪的静电部分为防止高压击穿，需要用耐高压的绝缘子。从而使结构复杂而笨重，只能做成固定式。
2）中压电子束焊 中压电子束焊所用加速电压的范围为30～60kV。当电子束的功率超过30 kW时，中压电子束焊机的电子枪能保证束斑的直径小于φ0.4 mm。除极薄材料外，这样的束斑尺寸完全能满足焊接要求。30 kW 的中压电子束焊机焊接的最大钢板厚度可达70 mm左右。中压电子束焊时，其产生的X 射线可以用适当厚度的真空室壁吸收，不需要铅板防护。电子枪极间不要求特殊的绝缘子。因而电子枪可做成固定式和移动式。
3）低压电子束焊 低压电子束焊所用的加速电压低于30 kV。低压电子束焊机不用铅板防护，电子枪可做成小型移动式。其缺点是∶在相同功率情况下，低压电子束的束流大，加速电压低，束流的汇聚比较困难。通常束斑直径很难小于φ1 mm ，其功率限于10 kW 以内，因而低压电子束焊只能焊接薄板。
二、超声波焊
利用超声波的高频振荡能量对焊件进行局部加热和表面清理，然后施加压力实现焊接的方法，称为超声波焊。
1.超声波焊的工作原理
超声波焊时，既不向焊件输送电流，也不向焊件引入高温热量，而是通过上、下声极在 2 个焊件上施加静压力，并通以超声波（图 8—23）。频率很高（超过16 kHz）的超声波产生的弹性振动能量由上声极传输给焊件（下声极是固定的，用于支撑焊件）。焊件在静压力和弹性振动能量的共同作用下，将机械动能转变为焊件间摩擦功，使焊件接触面氧化膜破坏，同时温度升高，产生强烈的塑性变形，最后发生原子间的结合，实现焊件在固态下的连接。
超声波换能系统 （图 8—24）是超声波焊机的核心部分，它是由磁致伸缩换能器（由镍片或铝铁合金片叠制的心子，其上绕有线圈）和变幅杆组成。当给磁致伸缩换能器通以高频交流电时，换能器将高频的电振动转换成同频率的高频机械振动，并通过变幅杆将振幅放大，传到声极直至焊件，形成焊接所要求的强力超声波。
2.超声波焊的特点及应用
（1）它适于焊接高导热率及高导电率的材料。金、银、钼、铜、铝等薄件用一般焊接方法难以或无法焊接，但使用超声波焊则很容易。
（2）由于超声波焊是固相焊接方法，因而对焊件不会引起高温损伤。半导体硅片与金属细丝的精密焊接采用超声波焊接，可大大减少焊接缺陷。
（3）超声波焊的焊点形成主要靠高频机械振动，焊件受热温度远低于其熔点，耗用能量很小，焊件残余应力与变形也小，焊点和热影响区的组织与性能变化极小。
（4）对焊件接触面的清理要求不高，只需去除油污，一般不需清理氧化膜。它可以进行异种金属、金属和非金属、非金属之间的焊接。
三、激光焊
激光焊是 20 世纪 70 年代发展起来的焊接新技术。激光焊是以高能量密度的激光作为热源来熔化焊件进行焊接的方法。
1.激光焊的基本原理
进行激光焊的核心装置是激光器。激光器基本的组成部件有激光体 （红宝石）、泵灯、聚光器、谐振腔、电源及控制系统。
当泵灯通入脉冲电流时，就发出强烈的闪光，经聚光器汇聚集中照射在激光体上，激发了红宝石晶体中的原子（铬），使之发射出红色射线。激发出的红色射线经谐振腔中的全反射镜的多次反射（共振作用），逐渐加强，通过输出窗口发射出的激射光即为激光。激光是波长单一（单色）、方向一致及强度非常高的光束。经过适当的光学系统，将其聚集在直径φ10 μm 的焦点上，其能量密度可达每平方厘米十万瓦，而整个作用过程只有几毫秒。
2.激光焊的特点及应用
（1）特点
1）能准确聚焦微小光束，故加热范围小，焊缝可以极为窄小，残余应力和变形小。
2）辐射能极大，能量极为集中，穿透深度深，可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等;还可以焊接非金属材料，如陶瓷、有机玻璃等。
3）作用时间极短，故焊件不易氧化，不论焊接过程有无气体保护，几乎不影响焊接效果。
（2）应用 激光焊被应用于精密仪器、微型电子工业中的超小型元件及航天技术中特殊材料的焊接。目前激光器的功率一般只有600 W 左右，所以只能焊接薄板材料。
四、扩散焊
扩散焊是在真空或保护气氛中，经过一定的温度和压力的作用，并保持一段时间，使相互紧密接触的焊件表面原子间相互扩散，实现冶金结合的一种焊接方法。
1.扩散焊的基本原理
扩散焊是将2 个相互接触的焊件，加热到0.6～0.8 Tm（ Tm为母材熔点℃）的扩散焊温度，并施加一定的压力（通常扩散压强为0.5 ~50 MPa）、经过较长时间的原子相互扩散而得到牢固的连接。为了防止金属接触面在热循环中被氧化污染。一般在真空或惰性气体中（常用氩气）进行扩散焊接。
2.扩散焊的分类
根据被焊材料的不同特性，扩散焊可采用不加中间层和加中间层2 种形式。
同种材料扩散焊通常不加中间层，焊后接头的成分、组织和母材基本一致。异种材料扩散焊时，如果其结合面上不会形成脆性金属化合物也可用此种方法焊接。如果不加中间层而使扩散焊难以进行或焊接效果较差时，可在被焊材料之间加入一层熔点低、塑性好的纯金属屑（如铜、镍、银等）作为中间层。这种方式可以焊接很多难焊或治金上不相容的异种材料。中间层经过充分扩散后其成分接近母材。中间层厚度一般为几十微米．一般用等离子喷涂、电镀的方法将中间层材料直接涂覆在待焊表面。
3.扩散焊的主要特点与应用
扩散焊的加热温度低，焊接压力小，故接头的显微组织和性能与母材接近或相同，而且焊件变形很小，焊后不需进行机械加工。它常用于制造真空密封、耐热、耐振和不变形接头，在航空航天工业、电子工业和核工业中的某些特种材料、特殊结构的焊接中经常采用对于塑性差或熔点高的同种材料，或者熔焊时会产生脆性金属化合物的异种材料，以及某些金属与陶瓷，扩散焊是唯一可靠的焊接方法。
五、焊接机器人
1.焊接机器人的发展与现状
1962 年，美国先后推出了世界上最早的Unimate 型、Versatra 型工业机器人。到1996 年底，全世界已有大约68 万台工业机器人投入生产应用。其中，大约一半数量的工业机器人是焊接机器人。随着现代高科技的发展和对焊接产品质量、数量要求的不断提高，以焊接机器人为核心的焊接自动化技术得到了长足的发展。
刚性自动化设备都是专用焊接设备，只适用于中批量、大批量产品的自动化生产。焊接机器人突破了焊接设备刚性自动化的传统方式，开拓了柔性自动化的新方式。在小批量产品的焊接生产中，手工焊仍是主要的焊接方式。而焊接机器人的应用，使小批量产品自动化焊接生产成为可能。
（1）焊接机器人的发展阶段 从20 世纪60 年代诞生和发展到现在，焊接机器人大致可分为3 代∶
1）第一代 是基于示教再现工作方式的焊接机器人。其具有操作简便、示教时可修正机械结构带来的误差等特点。即∶ 焊接机器人要完成一项焊接任务时，只需要人给它缴1次示教，随后它即可精确地再现示教的每一步操作。如果机器人去做另1项工作，无须改变任何硬件。只要对它再做1 次示教即可。因此，焊接机器人在焊接生产中得到大量使用。
2）第二代 是基于一定传感信息的离线编程焊接机器人，得益于焊接传感技术和离线编程技术的不断改进。这类焊接机器人现已进入应用研究阶段。
3）第三代是装有多种传感器、接收作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应住智能焊接机器人。由于人工智能技术正在处于研究过程中，第三代焊接机器人正处于试验研究阶段。
随着计算机控制技术的不断进步，焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展。
（2）焊接机器人在国内、外的应用现状 截至2005 年，全世界在役工业机器人约为91.4万台。其中，日本装备的工业机器人总量达到了50 万台以上，成为"机器人王国";其次是美国和德国。在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。
我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个行业。我国焊接机器人经过"七五""九五"攻关计划和"863"计划的支持已经取得了较大进展，建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。据统计，截至2009 年年底，我国已有工业机器人约31400 台。虽然机器人总量达到一定的规模，但与发达国家相比仍然有不少差距。仅从汽车工业每百万名生产工人占有的机器人来讲，我国比几个主要发达工业国家要低很多，仅为90 台。
2.焊接机器人系统组成
焊接机器人要完成焊接作业，必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般由机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统 （专用焊接电源、焊枪或焊钳等）、传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等组成，如图 8—25 所示。
（1）机器人操作机 它是焊接机器人系统的执行机构，由驱动器，传动机构，机器人臂、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置、姿态，并实现其运动。
（2）变位机 它是机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分。其作用是将被焊工件旋转（或平移）到最佳的焊接位置。
（3）机器人控制器 它是整个机器人系统的神经中枢，由计算机硬件、软件和一些专用电路构成。其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。
（4）焊接系统 它是焊接机器人完成作业的核心装备，主要由焊钳（点焊机器人）、焊枪（弧焊机器人）、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是由微处理器及部分外围接口芯片组成的控制系统。它可根据预定的焊接监控程序。完成焊接参数输入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本地计算机及手控盒的通信联系。
（5）传感器 在焊接过程中，尽管机器人操作机、变位机、装夹设备的工具能达到很高的精度，但由于被焊工件存在几何尺寸和位置误差，以及焊接过程中的热输入引起的工件变形，所以传感器仍是焊接过程中（尤其是焊接大厚工件时）不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。
（6）中央控制计算机 它通过串行接口与机器人控制器相连接。中央控制计算机主要用于在同一层次或不同层次的计算机网络通信，同时与传感系统相配合，实现焊接路径和参数的离线编程、焊接专家系统的应用及生产数据的管理
（7）安全设备 它是焊接机器人系统安全运行的重要保障。它主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护。机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停电保护等，可以起到防止机器人伤人或损坏周边设备的作用。在机器人的工作部分还装有各类触觉或接近传感器，可以使机器人在过于接近工件或发生碰撞时发出信号，帮助控制器控制机器人停止工作。
3.焊接机器人的应用
（1）简易弧焊机器人工作站 图8—26 所示为简易弧焊机器人工作站，用于焊接圆罐与碟形顶盖的水平封闭圆形角焊缝。焊缝处于水平位置，工件不必变位。弧焊机器人的焊枪可由机器人带动做圆周运动，完成圆形焊缝的焊接，工件不必自转。这种简易弧焊机器人工作站采用2 个工位，在工作台上装有2个或更多的夹具，可以同时固定2个或2 个以上的工件，即1 个工位上的工件在焊接时其他的工件或者在装卸或者在等待。当焊工将工件装夹完毕，按下操作盘上"准备完毕"的按钮，机器人开始焊接工件。一旦焊完，马上会自动转到已经装好的待焊工件的工位上接着焊接。工位之间用挡光板开，避免弧光及飞溅物对焊工产生伤害。
（2）简易弧焊机器人的编程与控制 简易弧焊机器人的编程 比较简 单。由于没有需要控制的外围设备，因此只要对焊枪的轨迹与姿态进行编程及选定焊接参数就可以了。
1 个圆形焊缝对机器人最少需要示教3 个点（多示教几个点则效果更好）。示教前先把焊丝调节到要求的伸出长度。然后用编程器调出新的编程程序，设定该工件的程序代码，编机械人的运动轨迹开始编程时，先设定机器人的原点位置作为第一输入点。然后，用编需将焊枪用手工控制移到工件接近接口起焊点上方的合适位置作为第二输入点，接着，把枪移到起焊点。使焊丝的端头对准接口，并调好焊枪的姿态，即调好焊枪的行进角和工作角，将该点作为程序的第三输入点。在编程器上按下"起焊"按钮，并设定焊接参数（包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、提前送气时间等）。如果焊丝需要作摆动，还要再按摆动开始" 按钮。并设定摆动参数（包括摆动样式、摆频和摆幅等）。
编程结束后，先让焊接机器人按照程序设定空运行几遍，检查焊枪的姿态和位置是否合适。如果不满意，可反复修改。调试后，就可以进行正式焊接。