其它先進焊接技術(shù)

1、 8.1.1 電子束焊的基本原理 從電子槍中產(chǎn)生的電子束在25300kv的加速電壓下加速到0.30.7倍的光速，經(jīng)過電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，形成的功率密度很高的電子束流得到一個很小的焦點。當(dāng)電子束流撞擊置于真空或非真空的工件表面時，電子的動能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)，實現(xiàn)焊接過程。電子束示意圖電子束示意圖8.1.2 電子束焊的特點 作為電子束焊的熱源，電子束具有如下特點： （1）功率密度高 電子束屬于高能束流，電子束焊接時常用的加速電壓范圍為30150kV，電子束電流為20l000mA，電子束焦點直徑約為011mm，其功率密度可達106Wcm2以上。 （2）精確、快速的可

2、控性 電子作為物質(zhì)基本粒子，具有極小的質(zhì)量（9.110-31kg）和一定的負電荷（1610-19C），電子的荷質(zhì)比高達l761011Ckg，通過電場、磁場對電子束可作快速而精確的控制。這是電子束的一個優(yōu)勢，與同為高能束流的激光相比，后者只能用透鏡和反射鏡控制，速度慢。 1. 焊件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸 焊件的厚度與電子束的加速電壓和功率有關(guān)，一般單道焊接碳鋼厚度可以超過100mm，或厚度超過400mm的鋁板，而不需開坡口和填充金屬；焊薄件的厚度可小于2.5mm，甚至薄到0.025mm；也可焊厚薄相差懸殊的焊件。 真空電子束焊焊件的形狀和尺寸不能超過焊接室容積允許的范圍內(nèi)。非真空電子束焊不受此限制，可

3、以焊接大型焊接結(jié)構(gòu)，但必須保證電子槍底面出口到焊件上表面的距離，一般在1250mm之間。8.1.3 電子束焊的適用范圍 2. 焊接的材料 在真空室內(nèi)進行電子束焊時，除含有大量的高蒸氣壓元素的材料外，一般熔焊能焊的金屬，都可以采用電子束焊。如鐵、銅、鎳、鋁、鈦及其合金等。此外，還能焊接稀有金屬、活性金屬、難熔金屬和非金屬陶瓷等?？梢院附尤埸c、熱導(dǎo)率、溶解度相差很大的異種金屬?？梢院附訜崽幚韽娀蚶渥饔不牟牧希鴮宇^的力學(xué)性能沒有太大的影響。8.1.3 電子束焊的適用范圍 3. 焊接有特殊要求或特殊結(jié)構(gòu)的焊件 可以焊接內(nèi)部需保持真空度的密封件；焊接靠近熱敏元件的焊件；焊接形狀復(fù)雜而且精密的零部

4、件； 可以同時施焊具有兩層或多層接頭的焊件。這種接頭層與層之間可以有幾十毫米的空間間隔。 1. 1. 焊前準(zhǔn)備焊前準(zhǔn)備 (1)(1)工件的準(zhǔn)備和裝夾工件的準(zhǔn)備和裝夾 （2 2）抽真空）抽真空 （3 3）焊前預(yù)熱和焊后熱處理）焊前預(yù)熱和焊后熱處理 2. 2. 焊接接頭設(shè)計焊接接頭設(shè)計 3.3.焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù) 電子束焊的工藝參數(shù)主要有電子束電流電子束焊的工藝參數(shù)主要有電子束電流I Ib b、加熱電、加熱電壓壓UaUa、焊接速度、焊接速度v vb b、聚焦電流、聚焦電流I If f和工作距離和工作距離H H等。等。8.1.4 電子束焊接工藝 1. 加速電壓在電子束焊接中，加速電壓的增加可使

5、熔深加大，但加速電壓的參數(shù)根據(jù)電子槍的類型通常選取某一數(shù)值不變。在保持其他參數(shù)不變的條件下，焊縫橫斷面深寬比與加速電壓成正比。 2. 電子束流 束流與加速電壓一起決定著電子束的功率。在電子束焊接過程中，加速電壓往往不變，所以常常要調(diào)整電子束流值來滿足不同的焊接工藝需要。增加電子束流，熔深和熔寬都會增加。3. 焊接速度 焊接速度太快會使焊縫變窄，熔深減小。8.1.4 電子束焊接工藝 4. 聚焦電流 電子束聚焦?fàn)顟B(tài)對熔深及焊縫成形影響很大。焦點變小可使焊縫變窄，熔深增加。厚板焊接時，應(yīng)使焦點位于工件表面以下0.5-0.75mm的熔深處；薄板焊接時，應(yīng)使焦點位于工件表面。 5. 工作距離 工作距離應(yīng)

6、在設(shè)備最佳范圍內(nèi)。工作距離變小時，電子束的斑點直徑變小，可增加電子束功率密度。但工作距離過小會造成放電現(xiàn)象，因而在不影響電子槍的穩(wěn)定工作的前提下，可以采用盡可能短的工作距離。 對于確定的電子束焊接設(shè)備，加速電壓一般固定不變，必須時也只做較小的調(diào)整。焊接電流和焊接速度是主要調(diào)整的工藝參數(shù)。熱輸入與電子束焊接功率成正比，與焊接速度成反比。利用焊接熱輸入與焊接厚度的對應(yīng)關(guān)系，初步選定焊接工藝參數(shù)，經(jīng)實驗修正后方可作為實際使用的焊接工藝參數(shù)。此外，還應(yīng)考慮焊縫橫斷面、焊縫外形及防止產(chǎn)生焊縫缺陷等因素，綜合選擇和實驗確定焊接工藝參數(shù)。8.1.5 典型材料的電子束焊 1. 鋁和鋁合金 純鋁及非熱處理強化鋁

7、合金如果采用電子束焊接，接頭具有與母材退火狀態(tài)相似的力學(xué)性能。熱處理強化鋁合金進行電子束焊時，可能出現(xiàn)不同程度的裂紋、氣孔等缺陷，但只要工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，可以減少缺陷并保證接頭不會出現(xiàn)退火軟化區(qū)。當(dāng)鋁合金中含有較多強化元素鎂和鋅時，焊接速度慢的電子束焊時會造成這些元素大量蒸發(fā)；若提高焊接速度則焊縫成形惡化，并出現(xiàn)嚴(yán)重氣孔。無鋅的鋁合金宜用高壓，小束流的高速焊。 鋁和鋁合金電子束焊前需要對接縫處進行除油和清除氧化膜處理，焊接過程中應(yīng)控制焊接速度，以防止出現(xiàn)氣孔并能改善焊縫成形。 汽車上常采用了一些鋁合金零件，非真空電子束焊焊接汽車用鋁合金可得到良好的接頭。 2. 鈦和鈦合金 鈦是一種非?；顫姷慕?/p>

8、屬，最常見的焊接缺陷是氫氣孔，所以應(yīng)在良好的真空條件下（1.3310-2Pa）進行焊接，而電子束焊接是所有工業(yè)鈦和鈦合金最理想的焊接方法。采用電子書焊接能有效地避免了有害氣體的污染，而且電子束的能量密度大，焊接速度高，焊縫中不會出現(xiàn)粗大的片狀相，因而焊接接頭的有效系數(shù)可達到100。焊接時為了防止晶粒長大，宜采用高電壓、小束流的工藝參數(shù)。8.1.5 典型材料的電子束焊 在操作電子束焊機時要防止高壓電擊、X射線、可見光輻射以及煙氣等。 無論是低壓型或高壓型的電子束焊機，在運行時都帶有足以致命的高電壓。因此，焊機中一切帶有高電壓的系統(tǒng)，都必須采取有效的安全防護措施。電子束焊接設(shè)備應(yīng)裝置專用地線；設(shè)備

9、外殼應(yīng)用粗銅線接地。在更換陰極組件和維修時，應(yīng)切斷高壓電源，并用放電棒接觸準(zhǔn)備更換的零件，以防電擊。高壓電源和電子槍應(yīng)保證有足夠的絕緣和良好的接地，絕緣試驗電壓應(yīng)為額定電壓的1.5倍。 電子束焊接時會產(chǎn)生有害的金屬蒸氣、煙霧、臭氧及氧化氮等。應(yīng)采用抽氣裝置將真空室排出的抽氣、煙塵等及時排出，以保證真空室內(nèi)和工作場所的有害氣體。含量降低到安全水準(zhǔn)以下，使設(shè)備周圍應(yīng)易于通風(fēng)。 直接觀察熔化金屬發(fā)射的可見光對視力和皮膚有害，因此焊接過程中不允許用肉眼直接觀察熔池，必要時應(yīng)配戴防護眼鏡。 焊接時大量的X射線是由高速運動的電子束與焊件撞擊所產(chǎn)生，在槍體和工作室內(nèi)電子束與氣體分子或金屬蒸氣相撞時，也會產(chǎn)生

10、相當(dāng)數(shù)量的X射線。電子束焊焊接時，大約不超過1%的電子束能量將轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線輻射。我國規(guī)定對無監(jiān)護的工作人員允許的X射線劑量不應(yīng)大于0.25mR/h，對于60kV以下電子束焊機的真空室采用足夠厚度的鋼板就能起防護X射線的作用，加速電壓為60kV以上的焊機應(yīng)附加鉛板進行防護。無論是高壓或是低壓電子束系統(tǒng)都使用鉛玻璃窗口。焊機則安裝在用高密度混凝土建造的X射線屏蔽室內(nèi)。 8.2.1 激光焊概述激光焊概述激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER ）是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，世界上第一臺激 光器問世于1960年，激

11、光焊接是當(dāng)今先進的制造技術(shù)之一。激光焊是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件接縫所產(chǎn)生的能量進行焊接的方法。8.2 8.2 激光焊激光焊圖圖11-5 固體激光器加工簡圖固體激光器加工簡圖1-全反射鏡全反射鏡 2-激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì) 3-激勵能源激勵能源4-部分反射鏡部分反射鏡 5-透鏡透鏡 6-工件工件與常規(guī)焊接方法相比，激光焊有如下特點： l）聚焦后的激光功率密度高達105 -107Wcm2，工件產(chǎn)生的變形極小，熱影響區(qū)也很窄，多以深熔深方式，特別適宜于精密焊接和微細焊接。 2）焊接厚件時可不開坡口一次成形，獲得深寬比大的焊縫。不開坡口單道焊接鋼板的厚度已達50mm。 3）適宜于焊接一般焊接

12、方法難以焊接的材料，如難熔金屬、熱敏感性強的金屬以及熱物理性能差異懸殊、尺寸和體積懸殊工件間的焊接；甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃等。 4）穿過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行焊接，適合于在玻璃的密封容器里焊接鈹合金等劇毒材料。 5）可借助反射鏡使光束達到一般焊接方法無法施焊的部位，YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光（波長1.06um )還可用光纖傳輸，可達性好。 6）激光束不受電磁干擾，無磁偏吹現(xiàn)象存在，適宜于磁性材料焊接7）不需真空室，不產(chǎn)生X射線，觀察及對中方便。 激光焊的不足之處是設(shè)備的一次投資大，特別是高功率連續(xù)激光器的價格昂貴，而且對高反射率的金屬直接進行焊接比較困難。 目前

13、，用于焊接的激光器主要有兩大類，氣體激光器和固體激光器，前者以CO2激光器為代表，后者以YAG激光器為代表。根據(jù)激光的作用方式激光焊接可分為連續(xù)激光焊和脈沖激光焊。隨著設(shè)備性能的不斷提高、結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，對接頭性能和變形要求越來越苛刻，許多傳統(tǒng)的焊接方法己不能滿足要求，因而，激光焊接在許多場合具有不可替代的作用。1.激光焊能源參數(shù) 激光焊是將光能轉(zhuǎn)化為熱能達到熔化工件進行焊接的目的。1）功率密度 激光能作用于固態(tài)金屬表面時，按功率密度不同可產(chǎn)生三種不同加熱狀態(tài)。功率密度較低時僅對表面產(chǎn)生無熔化的加熱，這種狀態(tài)用于表面熱處理或釬焊；功率密度提高時，可產(chǎn)生熱傳導(dǎo)型熔化加熱，用于薄板高速焊及精密點焊

14、；功率密度進一步提高時，則產(chǎn)生熔孔型熔化，激光熱源中心加熱溫度達到金屬的沸點而形成等離子蒸氣，用于深熔焊。由于功率密度很大，所產(chǎn)生的小孔已貫穿整個板厚。在連續(xù)激光焊時，小孔是隨著光束相對于工件而沿焊接方向前進的。金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向方后，重新凝固形成焊縫。 8.2.2 激光焊工藝激光焊工藝 調(diào)節(jié)激光的功率密度，即能實現(xiàn)不同加工工藝的要求。而調(diào)整功率密度的主要方法有：調(diào)節(jié)輸入激光器的能量；調(diào)節(jié)光斑尺寸，即激光束與金屬固體表面交叉面積的大??；改變光模型式，即改變光斑中能量的分布；改變脈沖寬度及前沿的梯度等。2）. 吸收率 激光焊接的熱效應(yīng)取決于工件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。

15、減少激光反射損失的途徑有：采用TEMoo光模；采用衰減式脈沖調(diào)制。開始時高脈沖功率使金屬迅速加熱熔化，降低其反射率，然后就可以在較低的能量輸入下繼續(xù)加熱熔化；用噴涂等方法增加表面粗糙度或形成高吸收率薄膜：用電弧等熱源預(yù)熱，即雙熱源進行焊接；采用光收集式的接頭設(shè)計。8.2.2 激光焊工藝激光焊工藝8.2.2 激光焊工藝激光焊工藝 激光復(fù)合焊接技術(shù)是指將激光與其他焊接方法組合起來的集約式焊接技術(shù)，其優(yōu)點是能充分發(fā)揮每種焊接方法的優(yōu)點并克服某些不足，從而形成一種高效的熱源。例如，由于高功率激光焊設(shè)備的價格較昂貴，當(dāng)對厚板進行深熔、高速焊接時，可將小功率的激光器與常規(guī)的氣體保護焊結(jié)合起來進行復(fù)合焊接，

16、如激光-TIG和激光-MIG等。8.2.3 激光復(fù)合焊技術(shù)激光復(fù)合焊技術(shù)8.2.3 激光復(fù)合焊技術(shù)激光復(fù)合焊技術(shù)1激光一電弧焊 激光焊接復(fù)合技術(shù)中應(yīng)用較多的是激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)，主要目的是有效地利用電弧能量，在較小的激光功率條件下獲得較大的熔深，同時提高激光焊接對接頭間隙的適應(yīng)性，降低激光焊接的裝配精度，實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的焊接過程。激光-TIG復(fù)合焊示意圖激光-MIG復(fù)合焊示意圖 2激光高頻焊 該方法是在高頻焊管的同時，采用激光對熔焊處進行加熱，使待焊件在整個焊縫厚度上的加熱更均勻，有利于進一步提高焊管的質(zhì)量和生產(chǎn)率。 近年來，通過激光一電弧相互復(fù)合而誕生的復(fù)合焊接技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，

17、在航空、軍工等部分復(fù)雜構(gòu)件上的應(yīng)用日益受到重視。目前，激光與不同電弧的復(fù)合焊接技術(shù)已成為激光焊接領(lǐng)域發(fā)展的熱點之一。8.2.3 激光復(fù)合焊技術(shù)激光復(fù)合焊技術(shù)1.鋁合金的激光焊鋁合金的激光焊 鋁合金激光焊常采用深熔焊方式，焊接時的主要困難是它對激光束的高反射率和自身的高導(dǎo)熱性。鋁是熱和電的良導(dǎo)體，高密度的自由電子使它成為光的良好反射體，起始表面反射率超過90%。也就是說，深熔焊必須在小于10%的輸入能量開始，這就需要采用大功率或高性能的激光束來獲得所需的能量密度。而小孔一旦生成，它對光束的吸收率迅速提高，甚至可達90，從而使焊接過程順利進行。8.2.4 8.2.4 典型材料的激光焊典型材料的激光

18、焊由于鋁合金對激光的強烈反射作用，鋁合金激光焊十分困難，必須采用高功率的激光器才能進行焊接。在CO2激光焊和Nd: YAG激光焊的過程中，采用等離子弧與激光復(fù)合焊接不僅能提高焊接速度（可提高兩倍）、減少裂紋，還有助于得到平滑的焊縫。 激光焊的優(yōu)勢和工藝柔性又吸引著科技人員不斷突破鋁合金激光焊的禁區(qū)，有力推動了鋁合金激光焊在飛機、汽車等制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。8.2.4 8.2.4 典型材料的激光焊典型材料的激光焊2. 鈦金的激光焊鈦金的激光焊鈦合金具有高的比強度，良好的塑性及韌性，較高的抗腐蝕性，是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。鈦及鈦合金化學(xué)性能活潑，對氧化很敏感，對由氧氣、氫氣、氮氣和碳原子所引起的間隙脆化也很敏感，所以要特別注意接頭的清潔和氣體保護問題。在進行激光焊時，接頭正反面都必須施加惰性氣體保護，氣體保護范圍須擴大到400500（即保護）。鈦合金對接時，焊前必須把坡口清理干凈，可先用噴砂處理，再用化學(xué)方法清洗。另外，裝配要精確，接頭間隙要嚴(yán)格控制。 8.2.4 8.2.4 典型材料的激