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冷焊机的原理是利用充电电容,以10-3~10-1秒的周期,10-6~10-5的短时间放电。电极材料与模具接触部位会被加热到8000~10000摄氏度,等离子化状态的熔融金属以冶金的方式过渡到工件的表面。由于与母材之间产生了合金化作用,向工件内部扩散,熔渗,形成了扩散层,得到了高强度的结合。


实现冷焊的原理是放电时间与下一次放电间隔时间相比较短,机器有足够的相对停止时间,热量会通过模具基本体扩散到外界,因此模具的被加工部位不会有热量聚集。虽然模具的升温几乎停留在室温,可是由于瞬时融化的原因,电极尖端的温度可以到达10000摄氏度左右。焊条瞬间产生金属熔融,过渡到母材金属的接触部位,同时由于等离子电弧的高温作用,表层深处开成像生了根一样的强固的扩散层,呈现出高结合性,不会脱落。



由于冷焊区别于传统意义的焊接,冷焊机的硬度、粘附力和强度特别高,几乎没有收缩率,能可靠的防止许多化学作用、物理应力和机械应力等,人们又称其为“液体金属”。采用合理的工艺,选择适当的化学粘合材料将同种材料或异种材料连接在一起,实现连接、密封、固持、功能涂层,是冷焊当前的主要应用之一。 


冷焊可以用来对大部分金属以及其他各种原材料进行相互连接、固定焊接和密封,硬化后和金属一样能锉、刨、磨、铣、抛光、车、喷丸等,能用各种刀具进行加工。对于修复旧设备,减少制造过程的废次品,具有重要意义。

再者某些材料的连接用一般的焊接法时,由于焊接时温度高,不仅有损材料的强度,而且还容易变形,特别对薄型材料就更成问题。但这些问题对冷焊来说是不存在的,因为冷焊是在常温下进行,同时接头的应力能比较均匀地分布在全部胶面上,从而改善了金属由于焊、铆、螺栓连接所引起的上述部分问题,提高了疲劳寿命。 

现在随着冷焊技术应用的成熟,高分子复合材料类冷焊应用较为稳定广泛,其中较具权威的有美国美嘉华高分子复合材料冷焊技术。其可以很好避免热应力变形,同时材料良好的附着抗压、抗腐蚀等综合性能,可以较大限度地满足各种设备部件的使用,从而在控制成本的投入下有效保证生产。 

冷焊技术常用的一个方面,便是焊接铸铁件。在焊接工艺中,直接用碳钢焊条补焊铸铁件,其困难有三:一是母体金属碳质向焊缝扩散,在迅速冷却中成为白口铁或高碳钢;二是由于在冷却后母材与焊缝间残存巨大内应力。


因此,若不采取特殊工艺措施,施焊中或焊后会随即开裂。即使侥幸成功,也难于作用下一步的切削加工。用冷焊技术便可解决上述问题。焊后工件焊缝强度高于母材,可切削加工。 



焊前首先要清理工件,去除油污,查明裂纹和破损形态。为此可用气焊枪或喷灯加热,再用钢丝刷清理,细微裂纹须用四氯化碳洗净后细心检查。在裂纹端头开孔止裂,再沿裂纹开孔。

清理做好后,需要焊熔敷打底层。首先在焊槽坡口两侧分别熔敷第一层,这一层应薄而均匀,完全覆盖坡口,使以后各层不再接触母体金属。为此,选用尽可能小的电流:交流60~80安,直流略小一点,焊条直径2.5毫米。小于5毫米的薄件,用1.6毫米焊条。为了防止产生热应力,要掌握“继续、分散、低温起焊”的原则。每段以15~25毫米为宜,每次起焊温度要低于60度,并及时撞击。 

清理渣、瘤之后,在打底层上面堆焊第二、三、四层。方法也如打底层一样,但应注意勿再触及母体金属。两侧坡口填充到只剩下3~4毫米缝隙,即可盖面合缝。 

整个焊缝由打底、充填、盖面三种层次组成,各起不同作用。打底层直接与母体金属接触,大量的碳素扩散到这一层,使得本来为低碳钢的焊条材料变成高碳钢,冷却后形成以网状渗碳体为主、夹有马氏体、屈氏体和残余奥氏体的结构,在与母体金属之间的界面上,还会出现一层0.07~0.34毫米的白口铁。

这并非是一个理想的结构,但它在母体金属与焊缝之间形成一堵“墙”,有效地阻挡住碳素再向其后各层扩散,而且,这一层又很薄,他减少了母材成分在焊缝中的融合比,这正是获得成功的关键点。 

填充层除作为焊料之外,另一个重要作用是对 底层作多次反复的退火。金相分析表明:第一层熔敷打底所产生的界面白口铁,在其后作了第二层充填时,已缩减为0.2毫米以下,呈不连续薄片填第三层之后,白口铁进一步缩减到0.0毫米以下,原先白口铁界面只残存极少量不连续薄片,其余均以转化为网状渗碳体+马氏体+残余奥氏体;第三、四层均为低碳钢正火组织:铁素体+索氏体,母材过热区则是片状石墨+回火屈氏体或回火索氏体。 

盖面层的作用是最后的封闭裂缝,它也起着对以前各层焊料的退火作用。由于离母材金属已远,焊料成分不受母体干扰,保持了应有的强度和塑性。此时,所有各层已经多次退火,残余白口铁几乎全部转化,对切削加工已无影响。 

为了防止热应力的破坏作用,采取了相应措施:焊前开透孔,开通槽底使两边金属完全分离,这样在施焊过程的大多数时间里,母体金属可自由涨缩,不致产生过高应力;后期盖面时的热应力主要有塑性盖面层承受,其次,施焊中的气体、熔渣极易排出,再加上分段、断续、低温起焊、锤击等常规措施,均可使热应力的破坏作用减到最低限度。 


2019年10月15日

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“液体金属”——冷焊机

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