高能束流焊接方法學(xué)習(xí)要點(diǎn)總結(jié)

1、高能束流焊接方法學(xué)習(xí)要點(diǎn)總結(jié) 焊接1311 張華榮 2013118526113 在各種焊接方法中，近年來特種焊接 技術(shù)所占的比例也在發(fā)生著變化，其應(yīng)用 范圍正在擴(kuò)大。在熔焊方法中，氣焊的比 例減小明顯，電弧焊仍然是主角，而高能 束流焊接技術(shù)（如電子束、激光束、等離 子等）的比重在不斷增大。電焊技術(shù)由于 多以搭接的接頭形式應(yīng)用，縮小了應(yīng)用范 圍。固態(tài)焊(如擴(kuò)散焊、超塑成形/擴(kuò)散連 接、摩擦焊等）則以其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)在高科 技產(chǎn)品迅猛發(fā)展的年代顯現(xiàn)出生機(jī)。 高能束流焊接基本概念 高能束流焊接是指以激光束、電子束、等離子 體為熱源，對(duì)金屬、非金屬材料進(jìn)行焊接的精細(xì)加 工工藝。 注：（1）高能束流焊接的功

2、率密度（Power Density） 達(dá)到105W/cm2以上。 （2）高能束流是由單一的電子、光子、電子和 離子，或者二種以上的粒子組合而成。 基本原理和分類 1.獲得高能束流的基本原理 （1）高功率密度激光束的獲取 激光器通過諧振腔的方向選擇、頻率選擇以及諧振腔和工作物質(zhì)共同形成的反饋放 大作用，使輸出的激光具有良好的方向性、單色性以及很高的亮度。 （2）高功率密度電子束的獲取 陰極用以發(fā)射電子，陽(yáng)極相對(duì)陰極施加高電壓以加速電子，控制極用來控制電子 束流的強(qiáng)度，聚焦線圈對(duì)電子束進(jìn)行會(huì)聚，偏轉(zhuǎn)線圈可使束流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)以滿足加工 的需要。 （3）高能束流的聚焦 1）激光束的聚集 目前在激光焊中常用

3、的聚集系統(tǒng)有三種：透鏡聚集、反射鏡聚集和改進(jìn)型的。 2）電子束的聚集 電子束聚集是依據(jù)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子的作用。常用的電子束聚集方法是靜電透 鏡聚集好磁透鏡聚集等。其中靜電透鏡聚集分別為同心球電極聚集。 2.分類： （1）電子束焊 （2）激光焊 （3）激光切割 （4）等離子弧焊 電子束焊是利用 會(huì)聚的高速電子 轟擊工作件接縫 處所產(chǎn)生的熱能， 使金屬熔合的一 種焊接方法。 電子束焊 激光焊是利用高 能量密度的激光 束作為熱源的一 種高效而且精密 的焊接方法。它 是以聚焦的激光 束作為能源轟擊 焊件所產(chǎn)生的熱 量而進(jìn)行焊接的。 激光焊 激光切割是利用 經(jīng)聚焦的高功率 密度激光束照射 工件，使被照

4、射 的材料迅速熔化、 汽化、燒蝕或達(dá) 到燃點(diǎn)，同時(shí)借 助與光束同軸的 高速氣流吹除熔 融物質(zhì)，從而實(shí) 現(xiàn)將工件割開。 激光切割 等離子弧焊是以 等離子弧為熱源 的一種高能速流 焊接方法。 等離子弧焊 基本概念 電子束焊接的原理： 電子束是從電子槍中產(chǎn)生的。通常電子是以熱發(fā)射或者場(chǎng) 致發(fā)射的方式從發(fā)射級(jí)（陰極）逸出的。在25300V的加速電 壓的作用下，電子被加速到0.30.7倍光速，具有一定的動(dòng)能， 經(jīng)過電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，電子會(huì)聚成功率密 度很高的電子束。 這種電子束撞擊到工件表面，電子的動(dòng)能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?使金屬迅速溶化和蒸發(fā)。在高壓金屬蒸氣的作用下，熔化的金 屬被排開，電子

5、束就能繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬。很快在被焊 工件上“鉆”出一個(gè)鎖形小孔。小孔的周圍被液態(tài)金屬包圍。 隨著電子束與工件的相對(duì)移動(dòng)，液態(tài)金屬沿著小孔周圍流向熔 池后部，逐漸冷卻凝固形成了焊縫。 激光焊接的原理： 光子轟擊金屬表面形成蒸汽，蒸發(fā)的金屬可防止剩 余能量被金屬反射掉。如果被焊金屬有良好的導(dǎo)熱性能， 則會(huì)得到較大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和 吸收，本質(zhì)上是光波的電磁場(chǎng)與材料相互作用的結(jié)果。 激光光波入射材料時(shí)，材料中的帶電粒子依著光波電矢 量的步調(diào)振動(dòng)，使光子的輻射能變成了電子的動(dòng)能。物 質(zhì)吸收激光后，首先產(chǎn)生的是某些質(zhì)點(diǎn)的過量能量，如 自由電子的動(dòng)能，束縛電子的激發(fā)能或者還有過量的

6、聲 子，這些原始激發(fā)能經(jīng)過一定過程在轉(zhuǎn)化為熱能。 等離子弧焊接的原理： 等離子弧焊和鎢極氬弧焊在很多方面是十分 類似的，如果鎢極與工件之間的電弧被壓縮或斷 面面積減小，則其溫度上升，因?yàn)閴嚎s后仍導(dǎo)致 通同樣大小的電流。這種被壓縮的電弧稱為等離 子體，等離子體是物質(zhì)的第四狀態(tài)。等離子有兩 種類型，轉(zhuǎn)移型等離子弧和非轉(zhuǎn)移型等離子弧。 非轉(zhuǎn)移型等離子弧電流通過噴嘴流到噴嘴內(nèi)部的 鎢極，然后再回到電源，非轉(zhuǎn)移型電弧主要用于 等離子噴涂，還用于加熱非金屬部件。轉(zhuǎn)移型等 離子弧的電流從工件穿過噴嘴上的小孔進(jìn)入鎢極， 然后再回到電源。 電子束焊接的特點(diǎn)： （1）主要優(yōu)點(diǎn)： A電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫的深寬比高

7、 B焊接速度快，焊縫物理性能好 C焊件熱變形小 D焊縫純潔度高 E工藝適應(yīng)性強(qiáng) F可焊材料多 G再現(xiàn)性能好 H可簡(jiǎn)化加工工藝 （2）缺點(diǎn)：設(shè)備比較復(fù)雜，費(fèi)用比較昂貴、焊接前對(duì)接頭加工、裝配要 求嚴(yán)格，以保證接頭位置準(zhǔn)確、間隙小，而且均勻、真空電子束焊接時(shí)， 被焊工件尺寸和形狀常受到工作室的限制、電子束容易受到雜散電磁場(chǎng) 的干擾，影響焊接質(zhì)量、電子束焊接時(shí)，產(chǎn)生的射線需要嚴(yán)加防護(hù)，以 確保工作人員的健康和安全。 電子束焊接的小孔效應(yīng)： 電子束焊小孔的形成是一個(gè)復(fù)雜的高溫流體動(dòng)力學(xué)過程?；具^程解釋如下： A高功率密度的電子束轟擊焊件，使得焊件表面材料熔化并且伴隨著液態(tài)金 屬的蒸發(fā)。 B材料表面蒸

8、發(fā)走的原子的反作用使液態(tài)金屬表面向下凹陷。 C隨著電子束功率密度的增加，金屬蒸氣量增多，液面被壓凹的程度也增大， 并且形成一個(gè)通道。 D電子束經(jīng)過通道轟擊底部的待焊金屬，使通道逐漸向縱深發(fā)展。 E液態(tài)金屬的表面張力和流體靜壓力是力圖拉平液面的，在達(dá)到力的平衡狀 態(tài)時(shí)，通道的發(fā)展才停止，并且形成小孔。 F小孔和熔遲的形貌與焊接參數(shù)有關(guān)。 激光焊接的特點(diǎn)： A功率密度高。由于激光束的頻譜寬度窄，經(jīng)過會(huì)聚后的光斑直徑可以小到 0.01mm，功率密度可以達(dá)到109W/cm2，可以焊接0.1 50mm厚的工件。 B脈沖激光焊加熱時(shí)間短、焊點(diǎn)小、熱影響區(qū)小。 C激光焊與電子束焊有許多相似之處，但它不需要真

9、空室，不產(chǎn)生X射線，更適 合生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。激光焊接已成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流。缺點(diǎn)是激光 焊接一些高反射率的金屬還比較困難，另外設(shè)備投資大。 D激光能夠反射、透射、能夠在空間傳播相當(dāng)長(zhǎng)的距離而衰減很小，激光焊能 夠遠(yuǎn)距離焊接，或者對(duì)難以接近的部位進(jìn)行焊接，能夠透過玻璃等其他透明物 體進(jìn)行焊接。 E激光不受電磁場(chǎng)的影響。 F激光的電光轉(zhuǎn)換效率低（約為0.1 % 0.3 %）。工件的加工和組裝精度要求 高，夾具要求精密，因此焊接成本高。 G一臺(tái)激光器可供多個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行不同的工作，既可以用于焊接，又可以用于 切割、合金化和熱處理，一機(jī)多用。 激光焊接的優(yōu)點(diǎn) ：能量密度高，可聚焦，深穿透，高效率

10、，高精度，適應(yīng)性 強(qiáng)等。 分析比較氣體激光和固體激光的特點(diǎn)： 等離子弧焊接的特點(diǎn)： （1）優(yōu)點(diǎn)： 1) 熔透能力強(qiáng)，在不開坡口、不加填充焊絲的情況下可一次焊透8-10mm厚的不銹鋼 板； 2) 焊縫質(zhì)量對(duì)弧長(zhǎng)的變化不敏感，這是由于電弧的形態(tài)接近圓柱形，且挺直度好， 弧長(zhǎng)變化時(shí)對(duì)加熱斑點(diǎn)的面積影響很小，易獲得均勻的焊縫形狀 3)鎢極縮在水冷銅噴嘴內(nèi)部，不可能與工件接觸，因此可避免焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象； 4)等離子電弧的電離度較高，電流較小時(shí)仍很穩(wěn)定，可焊接微型精密零件； 5)可產(chǎn)生穩(wěn)定的小孔效應(yīng)，通過小孔效應(yīng)，正面施焊時(shí)可獲得良好的單面焊雙面成形。 （2）缺點(diǎn)： 1)可焊厚度有限，一般在25mm

11、以下； 2)焊槍及控制線路較復(fù)雜，噴嘴的使用壽命很低； 3)焊接參數(shù)較多，對(duì)焊接操作人員的技術(shù)水平要求較高。 與傳統(tǒng)焊接技術(shù)比較，激光焊接與電子 束焊接都具有更多優(yōu)異的特性： 能量密度高（大于105W/cm2）； 焊接速度高（一般可以達(dá)510m/min）； 熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度10%20%）； 熱流輸入少、工件變形小； 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、可在線檢測(cè)焊縫質(zhì)量； 非接觸加工、無(wú)后續(xù)加工。 對(duì)比： 電子束焊接的優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)突出的： 電子束的能量轉(zhuǎn)換效率非常高（80%90%），可以研制出很高功率的大型焊接設(shè)備（在日本， 加速電壓600kV、功率300kW的超高壓電子束焊機(jī)已問世）； 電子束焊接的焊縫很

12、細(xì)，其深寬比很容易達(dá)到101，甚至是201（最新報(bào)道顯示：日本在 焊接200 mm厚不銹鋼時(shí)，深寬比達(dá)701）； 電子束的可控性更好，甚至可以在工件內(nèi)部形成曲線孔徑； 電子束對(duì)不同材料、特殊材料的焊接更容易。 當(dāng)然，電子束的缺點(diǎn)也十分明顯： 需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制（非真空環(huán) 境的電子束焊，是重要的研究方向）； 由于真空室的存在，抽真空成為影響循環(huán)時(shí)間的主要障礙（目前用于齒輪焊接的單臺(tái)電子束 設(shè)備循環(huán)時(shí)間很難做到60s以內(nèi)）； 有磁偏移：由于電子帶電，會(huì)受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理； X射線問題：X射線在高壓下特別強(qiáng)，需對(duì)操作人員

13、實(shí)施保護(hù)； 對(duì)工件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，同時(shí)工件表面清潔的要求也較高。 相比較于電子束焊，激光焊接的優(yōu)點(diǎn)是：激 光焊不需真空室和對(duì)工件焊前進(jìn)行去磁處理，它 可在大氣中進(jìn)行，也沒有防X射線問題，所以可在 生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機(jī)操作，也可焊接磁性材料。另外， 激光焊接的循環(huán)時(shí)間大大低于電子束焊接（很容 易做到30s以內(nèi)）。因此，激光焊接實(shí)際上已取得 了電子束焊接20年前的地位，成為高能束焊接技 術(shù)發(fā)展的主流。 TIG焊和等離子弧焊： TLG焊，鎢極承載電流能力較差，過大的電流 會(huì)引起鎢極的熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進(jìn)入熔池 而引起夾鎢。因此，熔敷速度小、熔深淺、生產(chǎn)率 低。而等離子弧焊槍的鎢極內(nèi)縮在噴嘴之內(nèi)，電極

14、 不可能與工件相接觸，因而沒有焊縫夾鎢的問題。 加速電壓 (Ua ) 電子束流 ( Ib ) 聚焦電流( If ) 焊接速度 (Vb ) 工作距離 ( H ) 電子束焊接 脈沖能量 脈沖寬度 功率密度 離焦量 激光焊接 焊接電流 焊接速度 噴嘴離工件的距離 等離子氣及流量 引弧及收弧 接頭形式及裝配要求 等離子弧焊 影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)： 制造業(yè)應(yīng)用 粉末冶金領(lǐng)域 汽車工業(yè) 電子工業(yè) 生物醫(yī)學(xué) 激光焊 航空與航天領(lǐng)域 汽車工業(yè)領(lǐng)域 動(dòng)力與原子能 電子與醫(yī)療 電子束焊 航天航空 軍工技術(shù) 尖端工業(yè)技術(shù) 等離子弧焊 應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ龋?利用高能量密度的激光束 加熱工件，使溫度迅速上 升，在非常短的時(shí)

15、間內(nèi)達(dá) 到材料的沸點(diǎn)，材料開始 汽化，形成蒸氣。這些蒸 氣的噴出速度很大，在蒸 氣噴出的同時(shí)，在材料上 形成切口。材料的汽化熱 一般很大，所以激光汽化 切割時(shí)需要很大的功率和 功率密度。 激光汽化切割多用于極薄 金屬材料和非金屬材料 (如紙、布、木材、塑料 和橡皮等)的切割。 激光汽化切割 激光熔化切割時(shí)，用激光 加熱使金屬材料熔化，然 后通過與光束同軸的噴嘴 噴吹非氧化性氣體(Ar、 He、N等)，依靠氣體的強(qiáng) 大壓力使液態(tài)金屬排出， 形成切口。激光熔化切割 不需要使金屬完全汽化， 所需能量只有汽化切割的 1/10。 激光熔化切割主要用于一 些不易氧化的材料或活性 金屬的切割，如不銹鋼、 鈦

16、、鋁及其合金等。 激光熔化切割 激光氧氣切割原理類似于 氧乙炔切割。它是用激光 作為預(yù)熱熱源，用氧氣等 活性氣體作為切割氣體。 噴吹出的氣體一方面與切 割金屬作用，發(fā)生氧化反 應(yīng)，放出大量的氧化熱; 另一方面把熔融的氧化物 和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出， 在金屬中形成切口。由于 切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn) 生了大量的熱，所以激光 氧氣切割所需要的能量只 是熔化切割的1/2，而切 割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光汽化 切割和熔化切割。 激光氧氣切割主要用于碳 鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等 易氧化的金屬材料。 激光氧氣切割 激光劃片是利用高能 量密度的激光在脆性 材料的表面進(jìn)行掃描， 使材料受熱蒸發(fā)出一 條小槽，然后施加一 定的

17、壓力，脆性材料 就會(huì)沿小槽處裂開。 激光劃片用的激光器 一般為Q開關(guān)激光器和 CO2激光器。 控制斷裂是利用激光 刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭 的溫度分布，在脆性 材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng) 力，使材料沿小槽斷 開。 激光劃片與 控制斷裂 激光切割的基本原理和分類 等離子弧切割 此法是將混合氣體通過高頻電弧。氣體可以是空氣， 也可以是氫氣、氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。高頻電弧使一 些氣體分解或離子化，成為基本的原子粒子，從而產(chǎn) 生等離子。然后，電弧跳躍到不銹鋼工件上，高壓氣 體把等離子從割炬燒嘴吹出，出口速度為每秒8001000 米(約3馬赫)。這樣，結(jié)合等離子中的各種氣體恢復(fù)到 正常狀態(tài)時(shí)所釋放的高能量產(chǎn)生2700

18、的高溫。該溫度 幾乎是不銹鋼熔點(diǎn)的兩倍。從而使不銹鋼快速熔化，熔 化的金屬由噴出的高壓氣流吹走。因此，需要用排煙和 除渣設(shè)備。 等離子切割與激光切割工藝比較： 等離子切割可用于不銹鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材料切割。等 離子切割以中厚板切割為主，以260A的等離子電源為例，最大切割厚度可達(dá) 60mm。等離子切割切割速度快、切割狹窄、切口平整，熱影響區(qū)小，工件變形 小，運(yùn)行成本低，具有顯著的節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效果，其缺點(diǎn)是斷面垂直度有 0.51.5傾斜角，切割斷面硬化。 激光切割以中薄板為主，以4000w激光為例，最大可切25mm左右普通碳鋼。 激光切割機(jī)除用于切割碳鋼、不銹鋼、鋁合金等材料外，還可用于切割各種髙 熔點(diǎn)材料、耐熱鋁合金和超硬鋁合金等特種金屬材料，也可切割半導(dǎo)體材料、 非金屬材料以及復(fù)合材料。激光因其具有幾乎無(wú)發(fā)散的方向性，具有極高的發(fā) 光強(qiáng)度，激光切割速度快、加工精度高、切縫狹窄、切口光滑、熱影響區(qū)小、 切割板材變形小，切割表面無(wú)損傷，一般不需后續(xù)加工。 當(dāng)前高能束流焊接被關(guān)注的主要領(lǐng)域是： (1)高能束流設(shè)備的大型化功率大型化及可加工零件（乃至零件集成） (2)新型設(shè)備的研制，諸如，脈沖工作方式以及短波長(zhǎng)激光器等。 (3)設(shè)備的智能化以及加工的柔性化。 (