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§4.3少、无切削的焊接与切割技术4.3.1等离子弧焊接和切割4.3.2电子束焊接4.3.3激光焊接与切割4.3.4超声波焊接4.3.5扩散焊4.3.6水射流切割4.3.1等离子弧焊接和切割1.等离子弧的产生产生的原理与焊接用电弧基本相同。电弧是一种稳定的气体放电形式，是电流通过气体的现象。通常情况下，气体是良好的绝缘体。在外加能量作用下，气体中一些原子放出电子而变成正离子——电离。决定气体电离度的主要因素是温度。在30000K时，各种气体几乎都变成离子，处于完全电离状态。处于完全电离状态的气体便是所谓的“等离子体”。这种气体完全由带电粒子组成，具有很强的导电能力，呈现出明显的电磁性能，但其整体却保持着电中性。4.3.1等离子弧焊接和切割等离子弧发生原理示意图等离子弧发生装置的原理（1）热压缩效应：电弧通过喷嘴孔道在钨极和被切割金属之间燃烧；弧柱受冷气流及水冷喷嘴孔道壁的冷却作用；促使电弧的弧柱导电截面缩小，电流密度增加；整个弧柱的能量集中在中心区域；冷却气体的这种作用被称为“热压缩效应”。在已缩小的截面上通过同样的电流，须提高供给电压。这时，弧柱的电场强度会提高，其值在很大程度上反映了电弧所受到的压缩程度。（2）磁收缩效应：等离子弧电流达到相当数值时，弧柱电流产生的磁场对弧柱截面积进一步压缩；这种作用称为“磁收缩效应”；自由燃烧电弧也存在磁收缩效应；等离子弧有较高的电流密度，而且以热收缩做前提，所以磁收缩效应更强；（3）机械收缩效应：喷嘴孔道的孔径对弧柱产生强制压缩作用；电弧周围的压缩气流或水流也对弧柱产生强制压缩作用；这种对电弧的压缩被称为“机械收缩效应”。三种压缩效应的压力与等离子弧内部的热扩散作用达到平衡——形成高速高温等离子流，从喷嘴孔喷出——等离子流遇到低温金属便复合成原子或分子并放出能量，使金属温度迅速升高而熔化；当等离子弧速度很高、冲击力很大时，为“刚性弧”，主要用于切割金属；反之，速度较小、温度较低时，称为“柔性弧”，主要用于焊接。2.等离子弧焊接指利用等离子弧作为热源进行焊接的一种熔焊方法。焊接实质：是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。一般均采用直流正接法。焊接设备：等离子焊机主要应用于国防工业和尖端工业技术中，焊接一些难熔、易氧化、热敏感性强的材料，如钨、镍、钛及其合金等，也用于要求较高的一般钢材和非铁合金。应用①可以焊接箔材和薄板；②可实现单面焊双面成形；③焊接速度快，生产率高；④应力、变形小；⑤设备比较复杂，气体耗量大，⑥只宜于室内焊接，灵活性不及钨极氩弧焊。特点焊接时离子气（形成等离子弧）和保护气均为氩气。图4.3.2等离子焊接图4.3.4等离子焊机图4.3.3等离子切割机便携式数控火焰等离子切割机切割视频（上海兆展）_标清.avi3.等离子弧切割指利用能量密度高的高温高速等离子流，将切割金属局部熔化并随即吹除，形成整齐切口的切割方法。常用于切割不锈钢、铝、铜、钛、铸铁及钨、锆等难熔金属，也可用于切割花岗石、碳化硅、混凝土等非金属材料。应用①切割厚度大（可达150～200mm）；②质量高，效率高（比氧气切割高1～3倍）；③可切割各种材料；特点等离子切割设备：等离子切割机分类：可分为真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊，其中真空电子束焊目前应用最广。焊接原理：电子束经聚焦和加速，然后撞击工件，动能转化为热能的一种熔焊方法。特点：质量好；速度快，变形小；节能、节料；适应性强。设备造价高，工件尺寸受真空室限制；工件的焊前准备要求很高。应用：适用于厚板件、微型器件、真空密封件、精密零件和异种材料等的焊接，可用于堆焊和钎焊。广泛应用于原子能、航空航天技术等工业部门和机械制造工业。4.3.2电子束焊接电子束焊接是利用加速和聚焦的电子束轰击工件所产生的热能而进行焊接的一种方法。图4.3.5电子束焊接电子束焊原理示意电子束焊接_标清.avi4.3.3激光焊接与切割1.激光焊接指以聚焦的激光束作为能源轰击工件所产生的热量进行焊接的一种熔焊方法。激光焊接设备：激光焊接机激光焊接示意图热量集中，变形小，可焊接精密零件；焊接质量高；可实现远距离焊接；焊接适应性强。但设备较复杂、功率较小且能量转化率低，对工件要求较高。特点激光焊接_标清.avi图4.3.6激光切割机图4.3.7激光焊接机2.激光切割指利用激光光束将材料加热到熔化、升华或燃烧，并通过气体射流将熔融金属、蒸发物或氧化物从切缝中吹掉以形成切口的一种切割方法。设备为激光切割机。激光焊接的应用特别适合于精密结构件及热敏感件的焊接，如继电器外壳、薄壁管、阴极射线管和齿轮组件等。割缝细小，可进行精密切割；切割质量好，速度快，效率高，成本低；环境污染很小。但切割厚度受限制。特点可切割各类材料，其中切割金属材料时采用大功率激光器，切割非金属材料时采用小功率激光器。应用激光切割图4.3.8激光切割产品图4.3.94.3.4超声波焊接超声波焊是利用超声波的高频振荡能，对工件接头进行局部加热和表面清理，同时施加压力实现焊接的一种压焊方法。设备为超声波焊机。主要用于小型薄件的焊接，广泛用于电子工业和航空航天等领域。应用焊接质量好；能耗少，变形小，无飞溅，无弧光；适应性强；焊前表面准备工作简便。但工件厚度受限制，且只限于搭接接头的焊接。特点工件在静压力和弹性振动能量的共同作用下，通过摩擦、温升和变形，使金属原子实现接合，形成焊缝。焊接原理超声波焊接超声波焊机图4.3.10图4.3.11超声波焊接电热地毯_标清.avi应用行业：铝塑复合管生产；太阳能热水器（热交换器管板焊接）；热器具（发热管铝-铜焊接）；铝波纹板加工等。超声波焊接应用图4.3.124.3.5扩散焊扩散焊是将两被焊工件紧压在一起，置于真空或保护气氛中加热，使两焊接表面微观凸凹不平处产生塑性变形达到紧密接触，再经保温，原子相互扩散而形成牢固的冶金连接的一种焊接方法。主要适用于精密零件和异种材料的焊接，如发动机喷管，飞机蒙皮，复合金属板、钻头与钻杆的焊接等。应用劳动条件好；焊接质量好，应力、变形小，焊后无需加工和清理；适应性强。但工件尺寸受限制，生产效率低，设备投资大，焊接成本高。特点扩散焊原理示意扩散焊_标清.avi4.3.6水射流切割水射流切割是指利用高压水(200～400MPa)喷射工件进行切割的一种方法，如图4.3.14所示。设备为水射流切割机应用：可以切割金属、玻璃、陶瓷、塑料等几乎所有的材料，没有热变形，割缝整洁，切割质量高。图4.3.13水射流切割示意图Flow动态水刀(水切割)技术介绍_标清.avi图4.3.14水射流切割图4.3.15水射流切割机小结1、等离子弧焊、电子束焊接和激光焊接都是（）焊接方法，而超声波焊接是一种（）焊接方法。2、焊接方法适用范围等离子弧焊接电子束焊接激光焊接超声波焊接扩散焊4.4常用工程材料的焊接4.4.1常用金属材料的焊接1.非合金钢的焊接2.低合金钢的焊接3.不锈钢的焊接4.铸铁的焊接5.非铁金属及合金的焊接4.4.2非金属材料的焊接1.塑料的焊接2.陶瓷的焊接4.4.1常用金属材料的焊接1.非合金钢的焊接（1）低碳非合金钢的焊接：焊接性良好焊接时，一般不需要预热和其它特殊的工艺措施。但低温下焊接厚度大于50mm的工件时，应采用大电流、多层焊，同时适当预热或焊后热处理；电渣焊焊后应进行正火处理等等。可采用所有的焊接方法。采用熔焊时，焊接材料可根据等强度原则，选择焊条或焊丝。焊接工艺广泛用于一般的工程结构和强度要求不高的机器零件。应用（2）中碳非合金钢的焊接较差，焊接接头易产生淬硬组织和裂纹。焊接性图4.4.1中碳钢焊接接头1.焊前预热150-250℃；如45钢。2.选用低氢型焊条或碱度较高的焊剂；如J607、J557。3.使用细焊条、小电流、开坡口、低焊速和多层焊；4.焊后立即进行热处理（去应力退火或高温回火）；不能预热的工件可采用奥氏体不锈钢焊条，A407，以避免淬硬。常用焊接方法为焊条电弧焊，厚件可应用电渣焊。焊接工艺常用于综合力学性能要求较高的构件。应用（3）高碳非合金钢的焊接一般不用于制造焊接结构，仅对损坏的机件进行焊补。应用焊接时，多采用焊条电弧焊或气焊方法；采用更高的预热温度（250～350℃）和更严格的工艺措施；选用塑性好的碱性焊条或不锈钢焊条。如，J707，J697、J507或A407。焊接工艺更差，焊接接头易产生淬硬组织和裂纹。焊接性2.低合金结构钢的焊接（1）强度级别低（бs＜400MPa）的焊接良好。焊接性其焊接工艺和焊接材料的选择同低碳非合金钢相似。焊接工艺广泛用于较重要的焊接结构。应用（2）强度级别较高（бs＞400MPa）的焊接焊接性较差，有一定的淬硬和冷裂倾向。需采取预热和后热措施；采用碱性焊条或碱度较高的焊剂；焊接方法同（1）；焊后常需进行去应力退火或高温回火。焊接工艺用于在低温或动载下工作的较重要的焊接结构。应用1Cr18Ni91Cr18Ni9Ti00Cr18Ni113.不锈钢的焊接（重点介绍奥氏体不锈钢的焊接）1）奥氏体不锈钢的焊接：具有较好的焊接性，但易出现焊缝的热裂倾向和焊接接头的晶间腐蚀倾向。焊接性图4.4.3奥氏体不锈钢接头的晶间腐蚀a--焊缝晶间腐蚀b--敏化区腐蚀c--刀蚀一般熔焊方法均可，其中氩弧焊最好；焊材与母材相配套的不锈钢焊条或焊丝；为防止和减少接头处的晶间腐蚀：1.采用超低碳的焊材和母材，00Cr18Ni11-A0022.采用含有Ti、Nb等元素的焊材和母材；1Cr18Ni9Ti–A132、A137；3.采用小电流、短弧快速焊、焊条不摆动；4.双面焊时后焊与腐蚀介质接触的工作面；图4.4.4工作焊缝后焊对于耐蚀性要求较高的重要结构，焊后要进行高温固溶处理。焊接工艺广泛用于石油、化工、动力、航空、医药、仪表等部门的焊接结构中。应用2）马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的焊接：焊接时，应采取焊前预热焊后热处理等工艺，焊接材料选择与母材同质或奥氏体不锈钢焊条；常用的焊接方法为焊条电弧焊和氩弧焊。焊接工艺均较差。易出现裂纹和脆化现象。焊接性1Cr13-G202，焊前预热250～350℃,焊后700～730℃回火；或用A102不预热。1Cr17-G302，焊前预热120～200℃,焊后780～800℃回火、空冷；或用A102,A302不预热。4.铸铁的焊接差，易出现白口组织、焊接裂纹。焊接性铸铁件的焊补方法参见表4.4.1。图4.4.5灰口铸铁焊接接头组织变化图应用缺陷和零件修复，零件焊接。补焊方法焊接材料的选用焊缝特点焊条电弧焊同质Z208、Z248强度、硬度、颜色与母材相近，可加工异质Z100、Z116、Z308、Z408、Z607、J507、强度、硬度、颜色与母材不同，加工性较差气焊热焊铸铁焊丝强度、硬度、颜色与母材相同，可加工加热减应区法钎焊黄铜焊丝强度、硬度、颜色与母材不同，可加工工艺同质：大电流，长弧。连续焊异质：短段、断续、分短焊，较小电流熔浅，每段锤击消应力，退火焊道前段软。表4.4.1铸铁件的焊补方法5.非铁金属及合金的焊接（1）铝及铝合金的焊接工业纯铝和热处理不可强化的变形铝合金的焊接性较好，而热处理可强化的变形铝合金和铸造铝合金的焊接性较差。铝及铝合金焊接时易出现未熔合、夹渣、气孔、变形、裂纹、焊穿以及合金元素烧损较严重等问题。焊接性常用的焊接方法有氩弧焊、电阻焊、钎焊和气焊等，其中氩弧焊最佳。焊前严格清理工件表面，去除工件表面杂质；对厚度超过5~8㎜的工件，应进行预热；焊后严格清理接头处的焊剂和焊渣。焊接工艺用于航空、机械制造、电工及化学等工业的焊接结构中。应用焊接铝、及其合金时，应采用交流电源或直流反接，因为反接或工件处于负极半周时，质量较大的氩离子撞击熔池表面，使熔池表面极易形成的高熔点氧化膜破碎有利于焊接熔合和保证质量，此现象称为“阴极破碎”（也叫阴极雾化）作用。（2）铜及铜合金的焊接可采用氩弧焊、气焊、埋弧焊和钎焊等焊接方法。其中氩弧焊最好，尤其焊接紫铜和青铜时；气焊适于焊接黄铜；埋弧焊适用焊接厚度较大的紫铜板，焊条电弧焊易产生缺陷，尽量少用。熔焊时焊丝成分一般应与母材