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1、高能束流焊接方法学习要点总结 在各种焊接方法中，近年来特种焊接技术所占的比例也在发生着变化，其应用范围正在扩大。在熔焊方法中，气焊的比例减小明显，电弧焊仍然是主角，而高能束流焊接技术（如电子束、激光束、等离子等）的比重在不断增大。电焊技术由于多以搭接的接头形式应用，缩小了应用范围。固态焊(如扩散焊、超塑成形/扩散连接、摩擦焊等）则以其独具的优势在高科技产品迅猛发展的年代显现出生机。高能束流焊接基本概念 高能束流焊接是指以激光束、电子束、等离子体为热源，对金属、非金属材料进行焊接的精细加工工艺。注：（1）高能束流焊接的功率密度（Power Density）达到105W/cm2以上。（2）高能束流
2、是由单一的电子、光子、电子和离子，或者二种以上的粒子组合而成。基本原理和分类1.获得高能束流的基本原理（1）高功率密度激光束的获取激光器通过谐振腔的方向选择、频率选择以及谐振腔和工作物质共同形成的反馈放大作用，使输出的激光具有良好的方向性、单色性以及很高的亮度。（2）高功率密度电子束的获取 阴极用以发射电子，阳极相对阴极施加高电压以加速电子，控制极用来控制电子束流的强度，聚焦线圈对电子束进行会聚，偏转线圈可使束流产生偏转以满足加工的需要。（3）高能束流的聚焦1）激光束的聚集目前在激光焊中常用的聚集系统有三种：透镜聚集、反射镜聚集和改进型的。2）电子束的聚集 电子束聚集是依据于电场和磁场对电子的
3、作用。常用的电子束聚集方法是静电透镜聚集好磁透镜聚集等。其中静电透镜聚集分别为同心球电极聚集。2.分类：（1）电子束焊（2）激光焊 （3）激光切割 （4）等离子弧焊电子束焊是利用会聚的高速电子轰击工作件接缝处所产生的热能，使金属熔合的一种焊接方法。电子束焊激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效而且精密的焊接方法。它是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量而进行焊接的。激光焊激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割等离子弧焊是以等离子弧为热源的一种高能速流焊接
4、方法。等离子弧焊基本概念电子束焊接的原理：电子束是从电子枪中产生的。通常电子是以热发射或者场致发射的方式从发射级（阴极）逸出的。在25300V的加速电压的作用下，电子被加速到0.30.7倍光速，具有一定的动能，经过电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，电子会聚成功率密度很高的电子束。这种电子束撞击到工件表面，电子的动能就转变为热能，使金属迅速溶化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属。很快在被焊工件上“钻”出一个锁形小孔。小孔的周围被液态金属包围。随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿着小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却凝固形成了焊缝。激光焊接的原理：光子轰
5、击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子，这些原始激发能经过一定过程在转化为热能。等离子弧焊接的原理：等离子弧焊和钨极氩弧焊在很多方面是十分类似的，如果钨极与工件之间的电弧被压缩或断面面积减小，则其温度上升，因为压缩后仍导致通同样大小的电流。这种被压缩的电弧称为
6、等离子体，等离子体是物质的第四状态。等离子有两种类型，转移型等离子弧和非转移型等离子弧。非转移型等离子弧电流通过喷嘴流到喷嘴内部的钨极，然后再回到电源，非转移型电弧主要用于等离子喷涂，还用于加热非金属部件。转移型等离子弧的电流从工件穿过喷嘴上的小孔进入钨极，然后再回到电源。电子束焊接的特点：（1）主要优点：A电子束穿透能力强，焊缝的深宽比高B焊接速度快，焊缝物理性能好C焊件热变形小 D焊缝纯洁度高 E工艺适应性强 F可焊材料多 G再现性能好H可简化加工工艺（2）缺点：设备比较复杂，费用比较昂贵、焊接前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确、间隙小，而且均匀、真空电子束焊接时，被焊工件尺寸
7、和形状常受到工作室的限制、电子束容易受到杂散电磁场的干扰，影响焊接质量、电子束焊接时，产生的射线需要严加防护，以确保工作人员的健康和安全。电子束焊接的小孔效应：电子束焊小孔的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。基本过程解释如下：A高功率密度的电子束轰击焊件，使得焊件表面材料熔化并且伴随着液态金属的蒸发。B材料表面蒸发走的原子的反作用使液态金属表面向下凹陷。C随着电子束功率密度的增加，金属蒸气量增多，液面被压凹的程度也增大，并且形成一个通道。D电子束经过通道轰击底部的待焊金属，使通道逐渐向纵深发展。E液态金属的表面张力和流体静压力是力图拉平液面的，在达到力的平衡状态时，通道的发展才停止，并且形成
8、小孔。F小孔和熔迟的形貌与焊接参数有关。激光焊接的特点：A功率密度高。由于激光束的频谱宽度窄，经过会聚后的光斑直径可以小到0.01mm，功率密度可以达到109W/cm2，可以焊接0.1 50mm厚的工件。B脉冲激光焊加热时间短、焊点小、热影响区小。C激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。激光焊接已成为高能束焊接技术发展的主流。缺点是激光焊接一些高反射率的金属还比较困难，另外设备投资大。D激光能够反射、透射、能够在空间传播相当长的距离而衰减很小，激光焊能够远距离焊接，或者对难以接近的部位进行焊接，能够透过玻璃等其他透明物体进行焊接。E激光不受电磁场
9、的影响。F激光的电光转换效率低（约为0.1%0.3%）。工件的加工和组装精度要求高，夹具要求精密，因此焊接成本高。G一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可以用于焊接，又可以用于切割、合金化和热处理，一机多用。激光焊接的优点：能量密度高，可聚焦，深穿透，高效率，高精度，适应性强等。分析比较气体激光和固体激光的特点：等离子弧焊接的特点：（1）优点：1)熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透8-10mm厚的不锈钢板；2)焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于电弧的形态接近圆柱形，且挺直度好，弧长变化时对加热斑点的面积影响很小，易获得均匀的焊缝形状3)钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能
10、与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象；4)等离子电弧的电离度较高，电流较小时仍很稳定，可焊接微型精密零件；5)可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形。（2）缺点：1)可焊厚度有限，一般在25mm以下；2)焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很低；3)焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高。与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性：能量密度高（大于105W/cm2）；焊接速度高（一般可以达510m/min）；热影响区窄（仅为焊缝宽度10%20%）；热流输入少、工件变形小；易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；非接触加工、无后续加工
11、。对比：电子束焊接的优点是相当突出的：电子束的能量转换效率非常高（80%90%），可以研制出很高功率的大型焊接设备（在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世）；电子束焊接的焊缝很细，其深宽比很容易达到101，甚至是201（最新报道显示：日本在焊接200 mm厚不锈钢时，深宽比达701）；电子束的可控性更好，甚至可以在工件内部形成曲线孔径；电子束对不同材料、特殊材料的焊接更容易。当然，电子束的缺点也十分明显：需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制（非真空环境的电子束焊，是重要的研究方向）；由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍
12、（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到60s以内）；有磁偏移：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理；X射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护；对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30s以内）。因此，激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。TIG焊和等离子弧焊：TLG焊，钨极承载
13、电流能力较差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池而引起夹钨。因此，熔敷速度小、熔深浅、生产率低。而等离子弧焊枪的钨极内缩在喷嘴之内，电极不可能与工件相接触，因而没有焊缝夹钨的问题。加速电压(Ua)电子束流(Ib)聚焦电流(If )焊接速度(Vb)工作距离(H)电子束焊接脉冲能量脉冲宽度功率密度离焦量激光焊接焊接电流焊接速度喷嘴离工件的距离等离子气及流量引弧及收弧接头形式及装配要求等离子弧焊影响焊接质量的工艺参数：制造业应用粉末冶金领域汽车工业电子工业生物医学激光焊航空与航天领域汽车工业领域动力与原子能电子与医疗电子束焊航天航空军工技术尖端工业技术等离子弧焊应用领域对比：利用
14、高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。激光汽化切割激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等)，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，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属的切割，如不锈钢、
15、钛、铝及其合金等。激光熔化切割激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。激光氧气切割激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一
16、般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。激光划片与控制断裂激光切割的基本原理和分类等离子弧切割 此法是将混合气体通过高频电弧。气体可以是空气，也可以是氢气、氩气和氮气的混合气体。高频电弧使一些气体分解或离子化，成为基本的原子粒子，从而产生等离子。然后，电弧跳跃到不锈钢工件上，高压气体把等离子从割炬烧嘴吹出，出口速度为每秒8001000米(约3马赫)。这样，结合等离子中的各种气体恢复到正常状态时所释放的高能量产生2700的高温。该温度几乎是不锈钢熔点的两倍。从而使不锈钢快速熔化，熔化的金属由喷出的高压气流吹走。
17、因此，需要用排烟和除渣设备。等离子切割与激光切割工艺比较：等离子切割可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料切割。等离子切割以中厚板切割为主，以260A的等离子电源为例，最大切割厚度可达60mm。等离子切割切割速度快、切割狭窄、切口平整，热影响区小，工件变形小，运行成本低，具有显著的节能及经济效果，其缺点是断面垂直度有0.51.5倾斜角，切割断面硬化。激光切割以中薄板为主，以4000w激光为例，最大可切25mm左右普通碳钢。激光切割机除用于切割碳钢、不锈钢、铝合金等材料外，还可用于切割各种髙熔点材料、耐热铝合金和超硬铝合金等特种金属材料，也可切割半导体材料、非金属材料以及复合材料。激光因
18、其具有几乎无发散的方向性，具有极高的发光强度，激光切割速度快、加工精度高、切缝狭窄、切口光滑、热影响区小、切割板材变形小，切割表面无损伤，一般不需后续加工。当前高能束流焊接被关注的主要领域是：(1)高能束流设备的大型化功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）(2)新型设备的研制，诸如，脉冲工作方式以及短波长激光器等。(3)设备的智能化以及加工的柔性化。(4)束流品质的提高及诊断。(5)束流、工件、工艺介质作用机制的研究。(6)束流的复合。(7)新材料的焊接。(8)应用领域的扩展。结束语：高能束流加工技术在能量、时间和空间方面可选择范围宽，并可精确、协调控制。在特种材料制造、特殊精度制造、复杂形状制造、激纳制造和跨尺度制造方面具有独特优势。复合制造技术是高能束流加工技术发展的重要趋势之一，具有单一制造技术无法实现的优势。高能束流加工技术在难加工材料、复杂结构件加工、微纳加工、高性能表面防护层制备、大厚度和窄间隙焊接、高精度制造领域起的作用越来越大。随着我国航空工业的发展，高能束流加工技术必将贡献更大的力量。