压力焊技术新发展

HEATS 发表于 2010-9-12 16:07:19

压力焊（Pressure Welding），焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法，主要由电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、爆炸焊、冷压焊、旋弧焊和磁力脉冲焊等组成。 0 引言 压力焊是焊接科学技术的重要组成之一，广泛应用于航空、航天、能源、电子、车辆及轻工等部门。统计资料表明，用压力焊完成的焊接量，每年约占世界总焊接量的1/3，并有继续增加的趋势。为了适应新材料、新工艺、新产品在工业上开发应用的需要，近年来，国内外在压力焊焊接接头形成理论、焊接质量监控技术、焊接新工艺及新设备的开发和新材料焊接等方面作了大量工作。 鉴于压力焊专委会在焊接学会中的分工，本文仅就电阻焊和摩擦焊技术的新发展作一综述。 1 电阻焊技术新发展 电阻焊（Resistance Welding），工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，主要由点焊、对焊、缝焊和高频焊等组成。电阻焊是一种焊接质量稳定，生产效率高，易于实现机械化、自动化的连接方法。 1.1 电阻焊接头形成理论研究进展 电阻焊接头形成理论研究为电阻焊新材料、新工艺、新设备、接头质量监控技术等发展创造了条件。因此，它不仅具有较高的学术理论意义，也有很大的工程实用价值。 1．1．1点焊熔核孕育处理 国内学者赵熹华等人，在国家自然科学基金和美国GM基金资助下对多种难焊金属材料（铝合金、弹簧钢等）开展了“点焊熔核孕育处理理论与方法”的研究，现已取得如下成果： （1）首次获得了全部凝固组织为等轴晶的点焊熔核（图1b）。 （2）首次使全部为柱状晶的点焊熔核贴合面处出现等轴晶区（图2b）。 （3）扩大熔核等轴晶区，缩小熔核柱状晶区，使凝固组织晶粒显著细化。
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（a）未经孕育处理（柱状晶+等轴晶）（b）经过孕育处理（等轴晶） 图1 LY12CZ铝合金点焊熔核
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（a）经孕育处理（柱状晶组织及贴合面）（b）经过孕育处理（贴合面处的等轴晶组织） 图2 65Mn弹簧钢点焊熔核
研究结果表明，孕育处理可显著提高点焊接头力学性能，尤其是疲劳强度。这就为点焊质量监控技术开辟了一条新路，从“质”的方面根本改善了点焊接头质量。 1．1．2电阻焊过程的数值模拟 数值模拟技术可灵活地对电阻焊过程中的各种影响因素进行研究，帮助人们进行一些不可能通过试验而完成的研究和分析，从而为电阻焊研究提供理论上的指导。其中点焊接头形成过程的数值模拟研究一直是该领域科学研究发展的重要趋势。目前的研究主要集中在点焊过程中的热、电、力行为，即根据物理学中描述热、电、力问题的基本方程，通过对方程中参数变化和边界条件进行假设，建立点焊过程的数学模型，进而用数值方法对点焊过程的温度场、电流场、电势场和应力、应变场进行求解，用以研究点焊过程机理。近期研究进展见表1。 
表1 点焊过程数值模拟研究进展
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1．1．3新型工业材料焊接性研究 新型工业材料—镀锌钢板和铝合金等在汽车工业中获得了大量应用，但由于其物理性能上的特殊性，其点焊焊接性很差，尤其是点焊过程中电极的磨损和沾污，严重影响了连续点焊生产。而小焊点和粘焊等缺陷又使点焊接头力学性能和可靠性没有保障，尤其是铝合金更为严重。因此，必须对这些材料的点焊焊接性作进一步深入细致的研究。 镀锌钢板焊接性研究主要集中在以下方面： （1）镀层涂复方法（电镀锌、热镀锌、热镀Zn—Fe合金）及镀层厚度影响。 （2）镀层与电极头之间相互影响，法国学者T. Dupuy对电极端部损坏作了专题研究。 （3）熔核结晶形态、缺陷产生机理、力学性能等与点焊参数的关系等。 （4）以信息和控制新技术对点焊工艺和过程进行模拟和预测。 铝合金板焊接性研究主要集中在以下方面： （1）电极粘结和喷溅产生机理及解决措施。例如，铝合金点焊中飞溅的小波分析研究；在铝合金板两面分别镀不同厚度的铬酸盐层，改变接触电阻大小的效果研究等。 （2）铝合金电阻点焊过程的数值模拟及能量分析等。 （3）铝合金点焊工艺设计及质量控制的智能化研究。 1.2 电阻焊质量控制技术 保证电阻焊接头质量，提高其可靠性的核心就是在生产过程中运用先进的手段和设备实施质量控制。特别是由于点焊工艺运用的广泛性、重要性和具有代表性，点焊质量控制技术始终是电阻焊领域研究的前沿和热点。 众所周知，点焊过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程，具有形核过程时间极短，处于封闭状态无法观测，特征信号提取困难等自身特点。这就造成焊点质量参数（熔核直径、强度等）无法直接测量，只能通过一些点焊过程参数（焊接电流、电极间电压、动态电阻、能量、热膨胀电极位移、声发射、红外辐射和超声波等）进行间接的推断，这就极大影响了点焊质量监控的准确性和可靠性。经过较长时间的探索和实践，研究者已获得如下共识：发展多参量综合监测技术是提高点焊质量监控精度的有效途径，即充分利用监测信息，采用合理的建模手段，建立合理的多元非线性监测模型并使该模型能在较宽条件内提供准确、可靠的点焊质量信息，是质量控制技术关键。研究表明，利用神经元网络理论、模糊逻辑理论、数值模拟技术及专家系统等可望解决真正的点焊质量直接控制，将点焊质量控制技术的研究推向一个新高度。 1．2．1基于模糊分类理论的点焊质量等级评判 德国学者Burmeister认为，电阻点焊过程是一个分类过程，是不能用公式来清晰描述。只有通过监测点焊过程参数的一些最大值或最小值来进行片面描述，这样就可以从过程的函数描述转换为过程的分类描述，并用现有的专家知识来建立分类等级。目前，已有用模糊分类的方法来评估焊接电流引起的过程信号（电极位移特征量、电极加速度特征量）和焊点质量变化的报道。并指出模糊分类虽然适用于描述点焊过程的复杂性和非线性，可以用于焊点质量的等级评估，但只能给出焊点质量参数的大致范围，而且评价的准确性难以避免地受到专家知识等众多人为因素的影响。 1．2．2基于回归分析理论的点焊质量多参数监测方法 铝合金点焊焊接性较差，应用又日益广泛，迫切需要解决其质量监控问题。英国学者M. HAO等人研制了一种铝合金点焊多参数监控系统，该系统可采集点焊过程和识别较宽范围过程现象的特征量，并利用回归分析的方法估测焊点的熔核直径和拉伸强度，试验表明，回归模型的估测值有足够的准确性。 1．2．3基于神经元网络理论的点焊质量多参量综合监测 国内学者张忠典等人运用神经元网络理论，研究了低碳钢动态电阻与焊点质量之间的模型关系，建立了点焊质量模糊综合评判模型，实现了低碳钢点焊质量的多参量综合监测。实验表明，即使在恶劣的生产条件下，该系统也能实时、准确地监测点焊质量，确定合理的质量等级，满足实时监测及焊后评估的要求。 1．2．4基于数值计算的熔核直径在线自适应控制 日本学者西口公之等人研发的该方法需在焊前预先输入被焊件及其材质的机械与热物理参数，焊接时每隔一定时间间隔检测焊接电流与电极间电压，按照热传导数学模型计算出温度场分布情况，从而实时推算出熔核的生长情况，并据此反馈控制焊接电流以改变焊接区温度上升斜率。通过合理调控各时间段温度上升斜率，确保熔核长大过程及结束前达到要求的直径。实际生产使用证明，本技术能较好的解决镀锌钢板的点焊质量。缺点是该方法需进行大量在线计算，必须采用高性能计算机，使设备投资增加。 目前，用数值模拟方法模拟铝合金点焊过程热—电—力学过程，预测点焊熔核的生长、电极磨损和裂纹形成情况等的研究正在进行，并取得一定进展。 同时，把模糊控制(FLC) 和人工神经网络(ANN) 建模相结合，所研究出的点焊智能控制系统正受到国内外学者和企业的重视。 1.3 电阻焊新工艺 1．3．1随机多脉冲回火热处理点焊 该工艺可解决焊接性较差的可淬硬钢等的接头脆性和焊接质量不稳定。 其工艺特点如下： （1）采用增大的电极压力（为相同板厚低碳钢点焊时的1.5~1.7倍），调制焊接电流脉冲（即使用热量递增控制以减轻或避免内喷溅）以防止点焊接头宏观缺陷（缩松、缩孔、裂纹）的产生。 （2）采用随机多脉冲回火热处理（回火脉冲次数n≥3），以防止点焊接头显微组织缺陷（硬脆马氏体、过烧组织）的出现，以及准确控制点焊接头组织及其分布特征，使接头高应力区获得完全回火处理。 据报道，该工艺比通常采用的双脉冲点焊工艺，可显著提高接头强度和疲劳性能。 1．3．2精密脉冲电阻对焊 该工艺可解决形位尺寸要求严格，焊接性差和接头性能有特殊要求的精细零件对焊。 其工艺特点如下： （1）采用调制焊接压力（通过由直流电磁铁为核心的电磁加压机构实现），使顶锻开始时间和顶锻力准确、及时。 （2）采用调制电流脉冲（焊接脉冲+后热处理脉冲，后热处理脉冲可为单脉冲、双脉冲及多脉冲）。 （3）调制焊接压力与调制电流脉冲可适当配合，组成最佳精密脉冲对焊焊接循环，如图3所示。
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图3 TiNi记忆合金精密脉冲对焊原理
据报道，该工艺可较好实现记忆合金（TiNi）、可淬硬合金以及热物理性质相差较大的异种金属的对焊。 1．3．3导热电阻缝焊 导热电阻缝焊（Conductive Heat Resistance Seam Welding）是利用普通通用电阻焊机，通过铁的电阻热的传导，进行铝材的焊接，具有如下优点：无热裂纹缺陷；与电弧焊或其它电阻焊方法相比具有较少的内部气孔；高的焊接速度（高于普通电阻缝焊和电弧焊，低于激光焊）；中等装备成本；不需填充金属或保护气体。
1.4 电阻焊新设备 次级整流电阻焊机和逆变式电阻焊机是当今世界电阻焊机发展的主要方向；随着现代控制理论与电子元器件发展，其技术是关键（低电压大电流给次级整流带来难度；控制的可靠性和精确性要求更高等）已基本解决。目前，逆变式电阻焊机是优先发展的热点。据统计，日本的Miyachi、Seiwa，欧洲的Messer、Tecna，北美的TJ Snow，韩国的Taesung，中国的天津七○七所等已有容量300KVA以下的该类焊机产品。图4为逆变式电阻焊机原理图。 
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图4 逆变式电阻焊机原理示意图
逆变式电阻焊机具有以下特点： （1）响应速度快，控制精度高。由于采用较高的逆变频率（500~2000Hz），时间调节和反馈控制周期在1ms（1000Hz）以内，大大提高了焊接电流控制精度。 （2）体积小，重量轻。由于采用中频的工作频率，在相同的功率输出时焊接变压器体积和重量明显减小，据报道，采用逆变式的一体式焊钳其重量可减轻50%。 （3）三相负载平衡，功率因数高，节能。 （4）工艺优势明显。焊接电流为脉动直流（且波纹度小），无交流过零不加热工件的缺点，热量集中能焊接各种材料。同时，电极寿命获得延长。 目前，逆变式电阻焊机要继续深入研究的主要问题是： （1）大功率开关元件的不断更新。IGBT（双极型隔离栅晶体管）是发展大功率逆变式电阻焊机的首选开关元件，其单管额定电流可达300A，集射极耐压高达1200V，可以采用逻辑电平直接驱动，实现了元件驱动的电压控制。 （2）大功率整流二极管的不断更新。由于次级整流元件的接入增加了焊机的功率损耗（约占整台焊机输出功率的28%），虽然采用肖特基二极管会得到改善，但仍存在输出功率受到限制及其冷却系统增加焊机体积和重量的问题。 （3）主电路拓扑结构的不断发展。应用于逆变焊接电源的主电路使用过以下拓朴结构，推輓.式逆变电路、全桥式逆变电路、半桥式逆变电路、单端式逆变电路等。各逆变电路都有自己的优缺点，要根据实际应用条件而定。 （4）逆变电路控制方式的不断改进。控制方式改进主要体现在逆变电路中功率开关管是以何种模式开断的，即硬开关和软开关。近年来，脉宽调制软开关技术（SPWM）成为逆变控制系统的研究热点，它综合了传统的脉宽调制技术和谐振技术的优点，仅在功率器件换流瞬间，应用谐振原理，实现零电压或零电流转换，而在其余大部分时间采用恒频脉宽调制方法，完成对电流输出电压或电流的控制，因此，开关器件所受的电流或电压应力少。 逆变式电阻焊机特别适宜于机器人焊接和精密焊接。近年来，针对次级整流电阻焊机和逆变式电阻焊机均需要对焊接电流进行次级整流，就必然会存在因次级整流元件而带来的一系列问题，国内学者王清在对三相低频电阻焊机深入研究的基础上，开发了无次级整流直流电阻焊新技术，并研制出一台以工业控制计算机（IPC）为控制核心，以IGBT为功率开关元件，采用分段斩波控制方法的逆变式无次级整流直流电阻焊机样机，工作原理见图5。试验表明，该机具有良好的点焊工艺性能。 
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图5 逆变式无次级整流直流电阻焊机电路原理图
1.5新型点焊机器人 点焊机器人通常由操作机、控制器和点焊钳等组成，现代点焊机器人特点是： （1）采用逆变一体式点焊钳，大大降低了机器人抓重。具有控制精度高、响应速度快、节能、焊接工艺性能好等显著优点。 （2）采用新型电极驱动机构。近年出现的伺服式点焊钳（枪），用伺服马达作位置反馈，当机器人运行时，机器人控制伺服钳作为其辅助轴之一，可实现电极加压软接触及电极压力实时调节，在与焊接电流最佳配合后，显著提高了点焊质量和消除喷溅。例如这种MOTOMAN点焊机器人已在日本、美国和欧洲获得应用。 （3）自动快速更换多种焊钳技术。机器人带有焊钳储存库，可根据焊装部位的不同要求或焊装产品的变更，自动从储存库抓换所需焊钳（图6），增加了机器人的柔性。 （4）配备自动化的质量和产量控制系统，例如：机器人三维激光视觉系统，数字摄像控制系统，射线质量检测系统等，有利于焊接质量的集中管理和控制。 （5）新型的离线示教机器人，可借助CAD/CAM获取焊件构造、焊接条件和机器人机构等信息，进行离线示教，示教时间短，焊接质量稳定。 
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图6 可自动更换焊钳的点焊机器人
2 摩擦焊技术新发展 摩擦焊（Friction Welding），是在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法，主要由连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、三体摩擦焊和摩擦堆焊等组成。摩擦焊是一种优质、高效、节能、无污染的固相连接方法。 2.1 搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW） FSW是英国焊接研究所（TWI）1991年推出的一项专利技术，其原理见图7。即焊接开始时，高速旋转的搅拌头上的特形指棒钻入工件的接缝处，造成其与工件摩擦生热，使被焊金属成塑性状态并搅拌金属形成一个旋转空腔，旋转空腔随摩擦头向前移，被挤出的塑性金属填入先前形成的空腔，冷却后即形成致密的焊缝。在整个焊接过程中，空腔的产生与填满连续进行，焊缝区金属经历着被挤压、摩擦生热、塑性变形、转移、扩散以及再结晶等。 
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(a) 搅拌摩擦焊原理 (b) 搅拌头上的特形指棒 (c) 焊接现场 图7 搅拌摩擦焊（FSW）
搅拌摩擦焊的优点： （1）可焊接板材及多种接头形式（对接、角接、搭接和T形接头等），可进行不同位置（平焊、立焊、仰焊和俯焊等）焊接。 （2）可用于焊接熔焊时有一定难度的材料，如铝合金、钛合金及铜铝、钢铝、钢铜、热固性塑料/热塑性塑料等异种材料。同时，也可焊接厚度变化材料、多层材料。锻造与铸造材料之间的焊接等。 （3）焊缝质量高，接头中不发生热裂纹、气孔等缺陷，接头力学性能优异。例如，与氩弧焊相比焊接2×××系列铝合金，其接头强度提高15%~20%，延伸率提高100%，断裂韧度提高30%。同时，焊接变形小，甚至长焊缝变形也不大，残余应力很低。 （4）焊接成本低。焊前准备要求低，允许接缝有薄氧化膜及附着杂质；不需焊后处理；无需填充材料和保护气体等； （5）焊接过程无熔化、无飞溅、无烟尘、低噪声，是一环保型的节能连接技术。 搅拌摩擦焊的缺点主要是，施焊时焊件需刚性固定，需要有背垫，焊缝尾部有匙孔等，这些使FSW的工艺柔性受到限制。 鉴于FSW具有诸多显著的优点，近年来该技术及其工程应用的开发进展很快，英国TWI、美国爱迪生焊接研究所（EWI）、德国Stuttgart大学、瑞典ESAB公司、中国的北京航空工艺研究所等均作了大量工作，主要集中在： （1）建立FSW模型。例如，英国剑桥大学的H.R.Shercliff、美国EWI的Z.Feng等开发了一种模拟FSW热过程的加热模型，利用该模型可以快速准确地计算出焊接工艺参数，更好地了解该工艺的加热和接合机理；国内学者汪建华等人提出了一个基于三维热弹塑性有限元分析的传热和力学计算模型，利用该模型可以了解FSW过程中温度场，并首次预测了焊后的残余应力和变形。 （2）改变搅拌头形状和材质，以适应不同材料焊接的需要。 （3）发展复杂接头形式的FSW技术，通过旋转工件、采用数控式机器人以用于环状焊缝、非线性焊缝和三维焊缝。 （4）发展轻质镁合金，以及镁合金与铝合金的焊接技术，开发在汽车行业的应用。 搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）是FSW中的特定形式，是针对汽车铝结构车身的连接而进行开发研究的。FSSW装置安装在机器人臂上，施焊时由机器人臂移到要焊部位，夹紧臂下降夹紧要焊的板，然后搅拌头下降进行焊接，焊接结束后松开夹紧臂，整个装置由机器人臂移到新的点焊位置，工作过程和完成的焊点如图8所示。
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图8 搅拌摩擦点焊（FSSW） (左)FSSW装置（上）FSSW焊点外观（下）FSSW焊点横截面
FSSW焊点实际上有一段长度L（L=πD2/d+2.5mm，D是该板材电阻点焊时焊点直径，d是特形指棒直径），试验表明，AA6061-T4板材的FSSW焊点表面光滑，内部无缺陷，有较好的静载和动载强度。 2.2 线性摩擦焊（Linear Friction Welding, LFW） LFW焊接过程如图9所示：摩擦副中的一侧工件被一对往复机构驱动着相对于另一侧被夹紧的工件表面作相对运动，并在其轴向施加压力下，随着摩擦运动的进行，摩擦表面被清理并产生摩擦热，摩擦表面的金属逐渐达粘塑性状态并产生变形，形成飞边。然后，停止往复运动并施加顶锻力，完成焊接。
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图9 线性摩擦焊示意图
线性摩擦焊的优点： （1）可焊接方形、圆形、多边形截面的金属或塑料工件。配合合适的工夹具还可焊接更不规则的构件，如叶片与涡轮盘的焊接（图10）。 （2）固态焊接，金属不熔化和热影响区窄；低应力和小变形，高完整性；焊缝的结构强度与弹性性能与基体金属相同。 
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图10 LFW焊接的整体叶盘图11 LinFricTM型线性摩擦焊机
（3）焊接过程可完全机械和自动控制，可靠性高（图11）。因此，可实现一次焊接多零件，亦可用于生产线上。 目前，已用LFW焊接不锈钢、铝、钛和镍合金，甚至金属间化合物（ —TiAl）以及异种金属。剑桥焊接研究所已经在研究采用LFW技术制造整体叶轮，并实现航空发动机轮毂与发动机体的整体焊接。西北工业大学开展了整体叶盘LFW焊接过程中温度场、应力场的计算机数值模拟及焊接过程的拟实分析与验证实验等工作。

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