焊機

無氧焊機
2000度無氧焊機

焊接的種類及原理
焊接是一種使用「熱」與「電」將兩塊金屬連接的過程，而焊接的金屬種類也會影響焊接的結果及技術需求；
如同許多專業技能一樣，焊接技術也是有不同的難易等級，本次我們會提出最常見的焊接種類介紹、原理教學及技巧分析。

備註：無論何時、何地在做焊接時，都應該完整穿上合適的安全裝備，包括焊接頭盔、焊接手套、焊接圍裙及適當的衣服。

ㄧ、先了解焊接用的氣體（Shielding gases）
大多的情況下，焊接最常運用在「鋼」，但鋁、銅和其他金屬也可以使用焊接技術進行連結，而不同類型的焊接所要求焊工所使用的保護氣體也不大相同，主要會使用氦氣、氬氣，其原因是以上都為惰性氣體，可以耐極高的溫度而不解離，用來焊接時保護與隔絕空氣用途。

而在有使用惰性氣體焊接，能夠避免焊接物有氧化情況發生，並幫助及確保焊接的金屬在焊接過程中沒有其他污染物，而使得焊接結果更為堅固、安全且擁有更乾淨的外觀。



二、了解一些專有名詞
在做焊接時，形成要被連接的接縫，稱為「焊縫」。
焊縫的兩側在焊接時會受到焊接熱作用，而發生組織和性能變化，這一區域被稱為「熱影響區」。

焊接時因工件材料、焊接材料及焊接電流等的不同，焊接後可能在焊縫和熱影響區產生過熱、脆化、淬硬或軟化現象，也使焊件性能下降、影響焊接性；
因此焊接前需要先了解及調整焊接條件，包括在焊接前對焊件介面處進行預熱、焊時保溫和焊後熱處理，都可能改善焊件的焊接品質。

因此，要做出好的焊接及技術，除了要有耐心的練習之外，熟悉各種焊接知識及原理也是相當重要的！



三、焊接種類
就目前已知的金屬焊接方法及種類就高達50種以上，而通常所有焊接方式大多會分為熔焊、壓焊和釺焊這三大類。

1. 熔焊
熔焊（英文：Fusion welding），又被稱為「融化焊」；
顧名思義是一種在焊接過程中，將工件介面加熱到「熔化」的狀態，在不加任何壓力下，直接完成焊接的一種方式；
在做熔焊的時候，將熱源使待焊接的兩工件介面處加熱熔化來形成「熔池」，而熔池會隨著熱源向前方移動，最後冷卻形成連續焊縫而將兩工件連接成為一體。

特色：
在進行熔焊的過程中，如果空氣與高溫的熔池直接接觸，空氣中的氧氣就會氧化金屬，與物件合金元素合成；
而若是大氣中的氮、水蒸汽等進入熔池，會在之後的冷卻過程中，在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，影響焊縫的品質。

因此為了提高焊接品質，通常會使用氣體來保護電弧焊，用氬、二氧化碳等氣體來隔絕大氣中的其他元素，以保護焊接時的電弧和熔池率；

又如鋼材在焊接時，在焊條的藥皮中加入對氧親和力大的「鈦鐵粉」進行去氧，就可以保護焊條中的有益元素錳、矽免於氧化而進入熔池，冷卻之後就能獲得優質的焊縫成果。



2. 壓焊
壓焊（英文：Pressure welding），顧名思義就是透過壓力，在有加壓的條件下，使兩個工件在本來的固態下，實現其原子之間的結合，因此又被稱為「固態焊接」；
而壓焊常用於電阻對焊的壓焊工藝，當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而使得溫度上升，當加熱至「塑性狀態」時，在該軸向壓力作用下連接成為一體。

而不同的壓焊方法，其共同特點是在焊接過程中施加壓力的同時而不加其他填充材料，壓焊方法像是「擴散焊、高頻焊、冷壓焊等」都是沒有熔化的過程就完成焊接的，也沒有如同熔焊般造成有益合金元素燒損，以及有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化了整個焊接過程，也改善了焊接上的安全及衛生條件。

另外，由於加熱的溫度比熔焊低，且加熱時間短，因此熱影響的區域也較小，因此許多較難以用熔焊進行焊接的材料，往往可以通過壓焊焊成與母材同等強度的優質接頭。



3. 釺焊
釺焊，又區分成硬釺焊（英文：Brazing）及軟釺焊（英文：Soldering），是一種運用相當廣和的焊接方式，主要是使用比本身工件熔點還要低的金屬材料作為「釺料」，將工件與釺料加熱到「高於釺料熔點，但低於工件熔點的溫度」，利用該液態釺料潤濕工件，填充兩介面間隙並與工件實現原子間的相互擴散來實現的焊接方式。



金屬焊接方法
- 手工電弧焊
是利用焊條與工件間產生的電弧熱，將工件熔化而進行焊接的。
特點是：設備簡單焊接靈活。
缺點是：人為因素對焊接質量的影響較大



- 氬弧焊
利用氬氣作為保護性介質的電弧焊方法。
其特點是：焊縫金屬純凈、變形小、焊接質量好。
缺點是：氬氣比較貴



- 二氧化碳保護焊
以CO2氣體作為保護性介質的電弧焊方法。
其特點是：生產率高（是手弧焊的1~3倍）。
成本低（是手弧焊的40%）。
焊接熱影響區和變形小。
缺點是：氧化、飛濺嚴重，氣孔傾向大，焊縫成形差。



- 埋弧焊
是指電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法。
埋弧自動焊是埋弧焊的一種自動化焊接方法。
其特點是：生產效率高，節省金屬材料，焊接質量好。
缺點是：只能在水平位置焊接。
難以完成鋁、鈦等強氧化性金屬及合金的焊接。



- 電阻焊
利用電流通過焊件及其接觸處所產生的電阻熱，將焊件局部加熱到塑性或熔化狀態，然後在壓力下形成焊接接頭的焊接方法。
其特點：自動化程度高，效率高，可焊接異種金屬。
缺點：設備投入大，僅適用於強度要求不高的焊接部位。



- 摩擦焊
利用母材之間或焊材與母材的相對運動，加熱摩擦面融合金屬的焊接方法。
其特點是：可焊接異種金屬、速度快、融合面質量好。
缺點是：設備投入大，使用局限性大。



- 摩擦焊
利用母材之間或焊材與母材的相對運動，加熱摩擦面融合金屬的焊接方法。
其特點是：可焊接異種金屬、速度快、融合面質量好。
缺點是：設備投入大，使用局限性大。



- 釺焊
是將釺料熔化，利用液態釺料濕潤母材，填充接頭間隙並與母材相互擴散，冷凝後實現連接的焊接方法。
分硬釺焊和軟釺焊。
主要焊接精密、微型、複雜、多焊縫異種金屬的焊接。



- 電渣焊
利用電流通過液態熔渣時產生的電阻熱，同時加熱熔化焊絲和金屬母材的焊接方法。
特點是：焊接厚度大、生產效率高、焊接質量好。
不易產生夾渣、氣孔等缺陷。



- 電子束焊
是利用高速運動的電子撞擊工件時，將動能轉化為熱能將焊縫熔化進行的熔化焊方法。
其特點是：保護效果好，焊縫質量高，穿透能力強，可焊接厚大截面工件和難熔金屬。
缺點是：焊成本高，主要用於微電子器件焊裝、導彈外殼的焊接、核電站鍋爐汽包和精度要求高的齒輪等的焊接。
。



激光焊接：利用光學系統將激光聚焦成微小光斑，使其能量密度高，從而使材料熔化焊接。
激光焊分為脈衝和連續激光焊。
其特點是：高能高速焊，無焊接變形。
靈活性大。
生產率高，材料不易氧化。
缺點是：設備複雜，目前主要用於薄板和微型件的焊接

自製電焊機
我们知道，18650电池或其他电池组，包括特斯拉汽车的电池组，其工业化焊接过程中一般要用到点焊机（Spot Welder）。
点焊机，顾名思义，就是在某个点或局部地区进行电气焊接。
点焊机原理众多，比如电弧点焊或电阻点焊。
当然，网上有很多产品，价格从几百元到几千元不等。
点焊机样子如下图：


焊接效果如下图：


查了查资料，发现原理其实挺简单的。
作为能让女生眼前一亮的EE必备技能——电焊，必须要熟练掌握。
他的焊接原理一句话概括就是：在某个点处通过很大但很短的脉冲电流，使得局部金属熔融相接。


（图片来源：Yokodai.JP Personal Spot Welder PRINCIPLE OF SPOT WELDING）

图中电流集中于两个点处，所以局部会非常红热，加上外部压接的压力，金属片就很容易的和电池电极融合，在相应的部位形成焊点：


上图是说AC焊接比DC焊接更牢靠，但原理似乎不太对（电流反着流效果应该是一样的）。

好了，下面开始DIY。

首先，我家里有一个坏了的微波炉。
拆开，把上面的变压器拆下来：


这是别人的图，因为我拆的时候忘了照了，就先用了。
这是一个升压变压器，一次侧220V（或110V），二次侧升压至2000V，额定容量是1000VA。
用电锯锯掉二次侧绕组：


换粗导线，缠绕3圈，就是下面这样了。
一次侧接110V后，二次侧的输出是2V（交流有效值）


上面那个方块是一个固态继电器，用Arduino控制一次侧开断。
其电路图如下：


不同的是我用Arduino代替了图中的Timer，这样我就可以自己设定脉冲电流的宽度和个数了。

完成图：


焊接电极网上也有卖，可惜一次卖10根，一共二十刀，我觉得不划算，所以就自己用Dremel加工铜条做了两个：


然后为了对比电极，又做了 一些其他形状、不同粗细的：



正好原来做EV的师兄留下来好多坏电池，让我先练练手：


我需要调节的变量有这么几个：焊接压力（用手控制），电极，脉冲个数，脉冲宽度，脉冲间隔。

反复试验，发现双脉冲效果最好，第一个脉冲100毫秒，然后断开300毫秒，第二个脉冲250毫秒。

输出电流理论最大值500A（1000VA/2V），但是实际值肯定小于此值，估计在200A左右（实际焊接电流和电极材料，电池电极材料，焊接压力，电极形状都有关系）。

镍片厚度0.15mm以上建议就不要用普通镍片了，而要用这种镍片：


这种镍片虽然厚，中间却有条缝，确保了电流90%通过下层电池电极从而形成焊点，否则电流将大部分留过镍片，自然焊不牢靠啦。
如果你要焊接成特斯拉的电池组形状：


那么需要其他形状的电极：


就是把金属丝压接到电极表面。
当然自己DIY可以，但是工业上是用更高级的方法，比如：

这种接头自带内嵌式导线，可以像缝纫机一样啪啪啪啪，就好了。


整个点焊机我就买了一个固态继电器，5美元，其他都是从垃圾堆里刨出来的，所以基本不要钱……