了解先进焊接技术与方法

任务描述

1.了解真空电子束焊的原理、特点及应用。

2.了解激光焊的原理、特点及应用；了解激光切割的特点及应用。

3.了解焊接机器人及其应用；了解弧焊机器人的构造及安全操作方法。

任务分析

本任务主要是使学生了解真空电子束焊、激光焊、激光切割与焊接机器人等先进的焊接方法与技术，并通过参观激光焊生产现场来加深对激光焊的理解，从而拓宽焊接专业知识。

相关知识

一、真空电子束焊

1.真空电子束焊的原理

电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件时所产生的热能进行焊接的方法。真空电子束焊是电子束焊的一种，是目前发展较成熟的一种先进焊接工艺。

真空电子束焊的原理如图9-27所示。电子的产生、加速和会聚成束是由电子枪完成的。电子枪的阴极通电加热到高温而发射出大量电子，电子在强电场的作用下被加速到很高的速度（0.3～0.7倍光速），经电子枪静电透镜和电磁透镜的作用，会聚成一束能量（动能）极大的电子束。

图9-27 真空电子束焊的原理

当高速电子束撞到工件表面时，电子的动能就转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，很快在被焊工件上“钻”出一个深熔的小孔。小孔的周围被液态金属包围。随着电子束与工件相对运动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部并逐渐冷却，凝固形成深宽比很大的焊缝，如图9-28所示。

图9-28 电子束焊焊缝的形成原理

a）接头局部熔化、蒸发 b）电子束“钻”入母材 c）电子束穿透工件 d）电子束后方形成焊缝

2.真空电子束焊的特点及应用

真空电子束焊与其他焊接方法相比，具有以下优点：

（1）功率密度很高 电子束的功率密度很高，为电弧的5000～10000倍，所以热效率高，焊接速度快。另外，真空电子束焊时的电子束电流很小，工件的热影响区和变形量极小，因此可对精加工后的工件进行焊接。

（2）焊缝深宽比大 通常焊条电弧焊的焊缝深宽比约为1∶1.5，埋弧焊的约为1∶1.3，而电子束焊的可达20∶1。因此，真空电子束焊时基本上不会使工件产生角变形，适宜于厚度较大钢板不开坡口的单道焊，比电弧焊节省材料并降低能量消耗。

（3）焊缝金属纯度高 真空电子束焊是在真空度很高的真空室中进行的，在焊接过程中熔池金属不存在污染和氧化问题。因此，真空电子束焊特别适于焊接化学性质活泼、纯度高和易被大气污染的金属。

（4）可焊材料多 真空电子束焊能焊接其他焊接工艺难于或根本不能焊接的形状复杂的工件，也能焊接特种金属、难熔金属和某些非金属材料，如铝、钛、锆、钽、钼、钨、高合金钢、不锈钢及高硼硅酸耐热玻璃等，还适用于异种金属以及金属与非金属间的焊接及热处理后的工件焊接与缺陷的修补。

真空电子束焊的主要缺点是设备复杂，成本高，使用维护较困难，对接头装配质量要求严格，需要进行X射线防护等。

目前，真空电子束焊已在核、航空、航天、机械、电子等工业上获得了广泛应用。

知识卡：

电子束焊时有四种潜在危险：电击、X射线辐射、烟气和可见光辐射。无论是设备设计还是设备安装及运行，都需采取防护措施及有关安全操作事项。

二、激光焊与激光切割

激光是受激发射光，是利用辐射激发光放大原理，使工作物质受激发而产生一种单色性高、方向性好及亮度大的光，经透镜或反射镜高度聚焦后，供给焊接、切割或材料表面处理等所需的高功率密度热源。激光焊是利用聚焦的激光束轰击工件时所产生的热量进行焊接的方法。

1.激光焊

（1）激光焊的工作原理 激光焊利用高能量的激光束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，如图9-29所示。

图9-29 激光辐射金属材料时的几个物理状态

a）固态加热 b）表层熔化 c）形成稀薄等离子体 d）形成匙孔及致密等离子体

（2）激光焊的特点及应用 激光焊具有以下优点：

1）高功率密度。激光聚焦后的光斑直径可小到0.01mm，具有很高的功率密度（高达10¹³W/m²），多以深熔方式进行焊接。

2）激光加热范围小。在相同功率和工件厚度的情况下，激光焊的焊接速度较其他焊接方法的高。

3）焊接输入能量少。激光焊的焊缝和热影响区窄，焊接残余应力和变形小，可以焊接精密零件和结构，焊后不必矫正和机械加工。

4）激光能反射、透射，可以通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转或聚焦。只要焊缝在视线之内，激光焊就可以进行远距离焊接或对一些难以接近的部位进行焊接。由于激光能穿透玻璃等透明体，因此激光焊适合于在玻璃的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料。

5）焊接范围广。激光焊可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料（如高熔点金属）甚至可用于非金属材料（如陶瓷、有机玻璃等）的焊接。

6）焊接安全性高。与电子束焊相比，激光焊不需要真空室，不产生X射线，光束不受电磁场作用，可焊工件厚度小。

激光焊的不足之处是：设备较复杂并且一次性投资大，焊接高反射率的金属比较困难。

激光焊由于具有上述特点，因此被用于仪器、生物医学、微型电子工业中的超小型元件和航天工业中特殊材料的焊接。激光焊还可以焊接同种或异种材料，如铅、铜、银、不锈钢、镍、锆、铌，以及难熔金属钽、钼、钨等。

（3）激光焊设备 激光焊设备主要由激光器、光束传输和聚焦系统、焊枪、工作台、电源及控制装置、气源和水源、操作盘和数控装置等组成，如图9-30所示。

图9-30 激光焊设备及连接示意图

生产中常用的激光焊设备有连续激光焊机（见图9-31a）和激光点焊机（见图9-31b）。

图9-31 激光焊机类型

a）连续激光焊机 b）激光点焊机

2.激光切割

（1）激光切割的原理 用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹做相对运动，从而形成一定形状的切口，如图9-32所示。

（2）激光切割的特点与应用 与氧乙炔焰切割相比，激光切割具有精度高、切口窄、切割速度快、母材的热影响区小、材料变形量小及切割质量好等优点，因此可以进行材料的精密切割。此外，激光切割可以切割氧乙炔焰难以切割的金属，如不锈钢、钛及钛合金、铝及铝合金、铜及铝合金、锆及锆合金等。一些非金属材料（如木材、纸、布、塑料、橡胶以及岩石、混凝土等）也可以采用激光切割。激光切割现已广泛应用于航空、航天、工程机械、食品、电器等工业。

图9-32 激光切割实例

三、焊接机器人

1.焊接机器人的发展与应用

焊接机器人是工业机器人中的一种，是能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的焊接操作机。采用焊接机器人代替手工操作或一般机械操作已成为现代焊接生产的一个发展方向。

焊接机器人是20世纪60年代后期迅速发展起来的，目前在工业发达国家已进入实际应用阶段。焊接机器人可以应用在电弧焊、电阻焊、切割以及类似工艺方法中，适用于产品的自动化生产。

我国焊接机器人的发展起步较晚，但20世纪80年代以来进展较快。1985年研制成功了华宇Ⅰ型弧焊机器人；1987年研制成功了上海1号、2号弧焊机器人及华宇Ⅱ型点焊机器人；1989年以国产机器人为主的汽车焊接生产线投入生产，标志着我国焊接机器人进入实用阶段。据统计，2005年底我国大约有2500台以上的点焊机器人和弧焊机器人用于实际生产。

2.焊接机器人的特点

焊接机器人的主要优点如下：

1）操作稳定，可以提高焊接质量，且能保证焊接质量的均一性。当采用焊接机器人焊接时，焊缝质量受人工因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量稳定。

2）提高了生产率，一天可24h连续生产。

3）改善了工人劳动条件，可在有害环境下长期工作。当采用焊接机器人焊接时，操作人员可远离焊接电弧、飞溅及有害烟尘等，并且降低了劳动强度。

4）缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。焊接机器人可以通过修改程序来适应不同工件的生产。

5）可实现小批量产品焊接自动化。

3.焊接机器人的组成及分类

焊接机器人主要由机器人本体、控制装置、焊接电源、焊接装置（焊枪、送丝装置、供气装置、点焊夹头）及辅助系统（变位机）组成，如图9-33所示。

图9-33 焊接机器人设备的构成

a）机器人本体 b）控制装置 c）示教器 d）焊接电源

目前在焊接生产中使用的主要是点焊机器人、弧焊机器人、切割机器人和喷涂机器人。下面以点焊机器人和弧焊机器人为例进行说明。

（1）点焊机器人 点焊机器人目前已广泛应用于汽车制造业，如汽车车身、汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等的焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用，如图9-34所示。(www.xing528.com)

图9-34 点焊机器人

电阻点焊对所用的机器人要求不是很高，因为电阻点焊只需点位控制，对焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。点焊机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提高工作效率。

（2）弧焊机器人 弧焊机器人（见图9-33a）主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制装置（硬件及软件）组成，而焊接装备（以弧焊为例）则由焊接电源（包括其控制系统）、送丝机、焊枪（钳）等部分组成。智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。弧焊机器人的基本组成如图9-35所示。

图9-35 弧焊机器人的基本组成

1—线控开关 2—示教盒 3—焊枪 4—送丝软管 5—机器人 6—送丝机 7—导丝软管 8—焊丝盘 9—气瓶 10—控制装置 11—焊机

由于弧焊过程比电阻点焊过程要复杂得多，焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制，因此，弧焊机器人应尽量选用6轴机器人。

弧焊机器人普遍采用示教方式工作，即通过示教盒的操作将其引导到始点，然后用按键确定位置、运动方式、摆动方式、焊枪姿态及各焊接参数，并确定周围设备的运动速度等。此外，对焊接操作的各阶段（引弧、施焊、熄弧等）要通过示教盒给定。示教完毕，机器人控制系统进入程序编辑状态，在焊接程序生成后即可进行焊接。

弧焊机器人多采用气体保护焊方法（MAG、MIG、TIG）。晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等焊接电源都可以装到机器人上用作弧焊电源。

知识卡：

在弧焊机器人的工作周期中，电弧时间所占的比例较大，因此在选择焊接电源时，一般应按持续率100%来确定电源的容量。

任务准备

1）联系激光焊的生产现场。

2）组织参观学习，布置参观任务。

3）做好个人防护：使用激光防护眼镜、防护面罩、防护手套及防护服。

任务实施

1）了解激光焊设备的组成。

2）了解激光焊的焊接操作过程。

检查评议

参观激光焊生产现场评分表见表9-16。

表9-16 参观激光焊生产现场评分表

问题防治

1.淬火裂纹

产生原因：在碳含量较高的情况下（就碳钢来说）冷却过快。

防止措施：焊前和焊后及时进行热处理（比如用散焦的激光），降低焊接速度，改善机构，避免收缩约束。

2.液化裂纹

产生原因：低熔点的共晶在晶界处和冷却收缩应力的作用下快速凝固。

防止措施：通过改变焊接速度和焊缝表面形状来减少焊接残余应力，例如用径向焊缝代替轴向圆形焊缝，改善结构，避免收缩约束，在焊接过程中加入特殊材料来影响熔池的冶金性质。

3.孔穴

产生原因：焊缝接口被污染；元素蒸发；熔池凝固过快，使微元素和合金元素不完善脱气，蒸气孔稳定。

防止措施：清理焊缝接口，降低焊接过程中的温度。

4.未熔合

产生原因：光束未对准，造成焊缝不完全熔化或者焊缝宽度不够；填充材料的位置错误或者焊缝宽度不足，导致焊接接头侧边不完全熔透。

防止措施：检查和矫正激光束，检查光束跟踪设备（如果有），检查工件和夹具的公差，检查机器人和定位装置的程序，检查并且矫正填充材料的位置；增加焊缝宽度。

5.咬边

产生原因：激光能量不足，焊接速度过大，焦点设置不当，设备存在故障。

防止措施：选择适当的焊接参数，排除故障，并且调整设备。

扩展知识

激光的安全防护

激光具有很高的功率密度和能量，其亮度比太阳光、电弧光要高数十个数量级，而且激光设备中有数千伏至数万伏的高压励磁电源，这些都能对人体造成伤害，必须加以防护。

1.对激光设备的安全防护

1）电器系统外罩的所有维修门应有适当的互锁装罝，并且外罩应有相应措施，以便在进入维修门之前使电容器组放电。设备应进行良好的接地。

2）在设备上应设有明显的危险警告标志或信号，如“激光危险”和“高压危险”等字样。

3）激光光路系统尽可能全封闭（如使激光在金属管中传递），以防止其对人体直接照射，若不可能全封闭，则将光路设于较高位置，使光束避开人的头部等重要器官，从高处通过。

4）激光加工工作台应采用玻璃等防护装置，以防止反射光。

5）激光加工场地应设安全标志，并设置栅栏、隔墙、屏风等，防止无关人员误入危险区。

2.对人身的保护

1）现场操作人员必须配备激光防护眼镜。

2）操作人员应穿白色工作服，以减少漫反射的影响。

3）只允许有经验的工作人员进行操作。

4）焊接区应配备有效的通风或排风装置。

考证要点

一、填空题

1.利用____和____的电子束轰击置于真空或非真空中的工件所产生的热能进行焊接的方法称为电子束焊。

2.影响真空电子束焊焊缝成形的因素有：____、____、____、____、工作距离、焊接速度、真空度。

3.激光焊按焊接激光器输出功率的大小分为低功率____、中功率____和高功率____三类。

4.焊接机器人主要分为____和____。

5.激光焊焊接速度影响焊接____和____。

二、判断题

1.当高速电子束撞到工件表面时，电子的热能就转变为动能，使金属迅速熔化和蒸发。 （ ）

2.真空电子束焊的接头形式多为开坡口对接接头和锁边形状的对接接头。 （ ）

3.激光器是产生受激辐射光的器件，是激光设备的核心部分。 （ ）

4.激光束聚焦后的光斑大小与透镜焦长成反比。 （ ）

5.电阻点焊对所用的机器人的要求不是很高。 （ ）

三、简答题

1.电子束焊的特点有哪些？

2.激光焊的特点有哪些？

3.简述焊接机器人的优点及其应用意义。

[1]Q295在GB/T1591—2008中已废除。

[2]GB/T 6208—1995已废止，但无替代标准，在此仅供参考。