电子束焊和激光焊 教案

第一单元电子束焊(EBW)
一、教学目的和要求
概括了解电子束焊的概念、原理、优缺点及发展情况。

二、教学学时安排
4学时
三、教学方法
多媒体教学、讲授法、模拟演示法、案例分析法
四、教学重点
原理、优缺点。

五、教学内容
知识模块一电子束焊概述
电子束焊（Electronic Beam Welding，EBW）是指在真空或非真空环境中，利用汇聚的高速电子流轰击焊件接缝处所产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。

1948年德国科学家发现电子束可以用来加工材料，1951年对红宝石打孔和图案刻蚀；1954年法国科学家探索了真空电子束法（焊接活泼金属），1958年第一台工业用电子束焊机出售给美国西屋公司。

几十年来，电子束焊创造了巨大的经济及社会效益。

应用领域:
航空与航天：飞行器构件；喷气发动机构件。

动力与原子能：压力容器；气轮机喷管隔板；核反应堆的芯子与真空容器。

电子与医疗：继电器壳体；压力传感器；心脏起搏器壳体。

电机与仪表：电机定子、转子的叠片；膜盒。

汽车工业：变速齿轮；同步器与齿轮；点火分配器；短轴与车轴；后桥。

其他方面：双金属锯条、热敏元件、冷却器、轴承环、滚刀。

能力知识点1电子束焊接的基本原理
能力知识点2 电子束焊的特点及分类
一、电子束焊的特点
1、优点
功率密度高：Pmax=100kW, Pd= 106～108w/cm2
焊缝深宽比大：60:1, t=0.1～300mm
焊接速度快: HAZ小，变形小；焊缝组织性能好
焊缝纯度高：真空
适用性强：参数可调范围大，可以实现复杂接缝的自动焊接；焊接难以接近部位的焊缝。

可焊材料多：金属、非金属等
再现性好：易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。

可简化加工工艺：可将复杂的或大型整体结构件分为易于加工、简单或小型部件，用电子束焊将其焊接为一个整体，减少加工难度，节省材料，简化工艺。

2．电子束焊的缺点
（1）设备复杂，一次性投资大，费用较昂贵；
（2）电子束焊要求接头位置准确，间隙小而且均匀，焊前对接头加工、装配要求严格；
（3）真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到工作室的限制；
（4）电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量；
（5）电子束焊接时产生X射线，需要操作人员严加防护。

二、电子束焊的分类
高真空
低真空
非真空
局部真空
能力知识点3 电子束焊的适用范围
国外发展现状
大功率电子枪的开发
日本大阪大学研制600kW、300kW的超高压电子束热源装置，一次焊200mm不锈钢时，深宽比达70:1。

双枪电子束及填丝电子束焊接技术
大厚板采用二次焊，一次是获得均匀的焊缝，二次用填丝弥补顶部下凹或咬边缺陷
复合式电子束加工设备的研制
俄罗斯研究了多功能电子束加工设备，既能实现电子束焊，也能实现钎焊、局部热处理或表面强化等功能
非真空电子束焊工艺
英国焊接研究所采用非真空电子束焊焊接铜制核废料罐，德国阿亨焊接研究所也在开展大功率非真空电子束焊设备及工艺的研究
美国波音公司正致力于将飞机制造生产线上的电子束、超声波、激光和实时照相检测等技术进行结合
国内发展现状
电子束焊设备
中压设备比较成熟（P<10kW，V<70kV），高压设备需进口，1992年航空工艺研究所研制第一台高压电子束焊机 (P=15kW，V=150kV )，达到80年代世界先进水平。

电子束焊接工艺
多种材料，如铝合金、钛合金、不锈钢、超强钢高温合金等;
应用元件，高压气瓶、核电站反应堆内构件筒体、汽车齿轮、电子传感器等;
综合知识模块二电子束焊设备
能力知识点1
焊机的组成
电子枪
高压电源
真空系统和真空室
工作台及焊接夹具
控制及调整系统
电子束焊机应用现状
综合知识模块三电子束焊工艺
能力知识点1 焊前准备及接头设计
一、焊前准备
加工与清理：Ra＝1.5～25um，待焊表面酸洗去锈、丙酮去油
接头装配：一般采用无间隙、无坡口对接，间隙随板厚的增加可稍微加大
精确定位：严格要求装配和对中
退磁处理：磁性金属（工件和夹具），避免电子束发生偏转
抽真空
焊前预热
对需要预热的工件，根据一定的形状、尺寸及所需要的预热温度，选择适宜的加热方法，如气焊枪、加热炉、感应加热、红外线辐射加热等，在工件装入真空室前进行预热。

如果工件较小，加热引起的变形不会影响工件质量时，可在真空室内用散焦电子束来进行预热。

二、焊接接头设计
对接，最常用的接头形式
角接头，注意接头的焊合
T形接头，注意板的厚度，较厚时采用双面焊
搭接接头，常用于厚1.6mm以下
端接接头，厚板采用大功率深熔焊
能力知识点2 电子束焊主要焊接参数及其选择
加速电压，取决于电子枪，与深宽比成正比。

电子束电流，决定功率，注意环缝起始与收尾处的变化；焊件厚度变化，大厚件时，电子束流减小。

焊接速度，决定熔深和熔宽
聚焦电流，焦点位置，厚板采用下焦点，薄板焦点位于工件表面
工作距离，越小，光斑直径小，功率密度增加。

直径保证稳定工作的前提下，尽可能缩短工作距离。

能力知识点3 电子束焊技术要点
一、薄板的焊接
电子束焊可用于焊接板厚在0.03～2.5mm的零件。

薄板导热性差，电子束焊接时局部加热强烈。

为防止过热，可采用夹具。

对极薄工件可考虑使用脉冲电子束流。

电子束功率密度高，易于实现厚度相差很大的接头焊接。

二、厚板的焊接
电子束焊可以一次焊透300mm厚的钢板。

焊道的深宽比可高达60：1。

当被焊钢板厚度在60mm以上时，应将电子枪水平放置进行横焊，以利于焊缝成形。

三、填充金属
从实际操作角度看，电子束焊接中加填充金属不如常规焊接方法简便，应尽量不用。

为使焊缝成分满足工件使用要求、改善焊缝冶金焊接性、弥补不良装配、修补焊缝缺陷或修复磨损报废零件时，使用填充金属防止出现缺陷。

填充金属可根据需要制成丝材、带材、颗粒或粉末状，可将其喷涂或堆焊在接头处，也可利用在接头处加工预留凸边作为填充材料。

第二单元激光焊（Laser welding）
六、教学目的和要求
概括了解激光焊的概念、原理、优缺点及发展情况。

七、教学学时安排
4学时
八、教学方法
多媒体教学、讲授法、模拟演示法、案例分析法
九、教学重点
原理、优缺点。

十、教学内容
1960年美国科学家研制成功世界上第一台红宝石激光器。

1964相继发明CO2激光器和YAG激光器，激光焊是二十世纪70年代发展起来的焊接技术。

经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01 mm、功率密度高达106～
l0l2W/cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。

激光的特点
1．亮度高
激光是世界上最亮的光．CO2激光的亮度比太阳亮8个数量级，而高功率钕玻璃激光则比太阳亮l6个数量级。

2．方向性好
激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小，接近于理想的平行光。

3．单色性好
激光为单色光
综合知识模块一激光焊概述
激光焊（Laser Beam Welding，LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。

能力知识点1 原理、分类及特点
激光焊的热效应取决于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。

金属对激光的吸收率，主要与激光波长、金属的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。

金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随着电阻率的增加而增大。

金属表面越粗糙，对激光的吸收率越高。

为增大激光吸收率，可对金属表面进行喷砂处理；或应用机械或化学方法对金属表面进行涂层，都可有效增大金属对激光的吸收率。

传热焊
由于激光光斑的功率密度小于106 W/cm2，焊接时，焊件表面将所吸收的激光能转变为热能后，其表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区迅速扩大，随后冷却凝固形成焊点或焊缝，其熔池形状近似为半球形。

这种焊接机理称为传热焊，焊接过程类似于钨极氩弧焊。

特点：
激光光斑的功率密度小，很大一部分激光被金属表面所反射，激光的吸收率较低，熔深浅、焊点小，主要用于厚度小于lmm的薄板、小零件的精密焊接加工。

深熔焊
激光光斑的功率密度大于106 W/cm2，金属表面在激光束的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内（10-6～10-8s）升高到沸点，使金属熔化和汽化。

形成一个深度稳定的孔而实现焊接，因此称之为激光深熔焊。

激光焊的特点
优点：
1．聚焦后的激光束功率密度可达105 ～107W／cm2，甚至更高，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深熔焊和高速焊，特别适于精密焊接和微细焊接。

2．可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12:1，焊接厚件时可不开坡口一次成型。

3．适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的材料以及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬殊的工件间焊接；也可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。

4．可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位；YAG激光和半导体激光可通过光导纤维传输，可达性好，特别适合于微型零件和远距离的焊接。

5．可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可焊接置于玻璃密封容器内的铍合金等剧毒材料。

6．激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。

缺点：
1．激光焊难以焊接反射率较高的金属；
2．对焊件加工、组装、定位要求相对较高；
3．设备一次性投资大。

综合知识模块二激光焊设备与焊接工艺
能力知识点1 激光焊设备
组成：激光器、光束传输和聚焦系统、光束检测器、电源、气源、工作台、控制装置等
设备的选用
微型、精密件——小功率
中厚件焊接——大功率
点焊、打孔——脉冲
连续焊缝——连续或高频脉冲
能力知识点2 激光焊工艺
一、激光焊的能源特性
1．功率密度
调节激光的功率密度，即能实现不同加工工艺的要求。

调整功率密度的主要方法有：
①调节输入激光器的能量；
②调节光斑尺寸，即激光束与金属固体表面交叉面积的大小；
③改变光模形式，即改变光斑中能量的分布；
④改变脉冲宽度及前沿的梯度等。

2．吸收率
光亮的金属表面对激光有很强的反射作用
温度提高时，反射率降低。

在熔点以上，金属气化，形成小孔以后，对光束的吸收率将急剧增加。

使用活性气体也能增加材料对激光的吸收率。

在保护气体氦中添加10%的氧，可使熔深增加一倍。

3．离焦量
离焦量是工件表面离激光焦点的距离。

工件表面在焦点以内时为负离焦，与焦点的距离为负离焦量。

反之为正离焦。

二、脉冲激光焊工艺
脉冲激光焊时，每个激光脉冲在焊件上形成一个焊点。

焊件是由点焊或由点焊搭接成的缝焊方式实现连接的。

由于其加热斑点很小，主要用于微型、精密元件和一些微电子元件的焊接。

三、连续CO2激光焊工艺
激光安全与防护
激光的危害
焊接和切割中所用激光器输出功率或能量非常高，激光设备中又有数千伏至数万伏的高压激励电源，能对人体造成伤害。

激光安全防护的重点对象是眼睛和皮肤。

此外，也应注意防止火灾和电击等，否则将导致人身伤亡或其他一些危害极大的事故。

一、对眼睛的伤害
1．受激光直接照射，会由于激光的加热效应引起烧伤，可瞬间使人致盲，危险最大，后果最严重。

即使是数毫瓦的He-Ne激光，虽然功率小，但由于人眼的光学
聚焦作用，也会引起眼底组织的损伤。

2．在激光加工时由于工件表面对激光的反射，也会造成伤害。

强反射的危险程度与直接照射相差无几，而漫反射光会对眼睛造成慢性损伤，造成视力下降的结果。

因此在激光加工时，人眼是应该重点保护的对象。

二、对皮肤的伤害
皮肤受到激光的直射会造成烧伤，特别是聚焦后激光功率密度十分大，伤害力更大，会造成严重烧伤。

长时间受紫外、红外光漫反射的影响，可能导致皮肤老化、炎症和皮癌等病变。

三、其他方面
激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾。

激光焊时，材料受激烈加热而蒸发、汽化，产生各种有毒的金属烟尘。

高功率激光加热时形成的等离子云会产生臭氧，对人体也有一定损害。

长时间在激光环境中工作，会产生疲劳的感觉等。

同时激光器中还存在着数千至数万伏特的高压，存在着电击的危险。

一、一般防护
1．在激光加工设备上应设有明显的危险警告标志和信号，如“激光危险”、“高压危险”等。

设备应有各种安全保护装置。

2．激光光路系统应尽可能全封闭。

例如让激光在金属管中传递，以防直接照射的发生。

激光光路如不能全封闭，则要求激光从人的高度以上通过，使光束避开眼，头等重要器官。

激光加工工作台应用玻璃等屏蔽，防止反射光。

3．激光加工场地也应设有安全标志，并采用预防栅栏、隔墙，屏风等，防止无关人员误入危险区。

二、人身防护
1．激光器现场操作和加工工作人员必须配备激光防护眼镜，穿白色工作服，以减少漫反射的影响；
2．只允许有经验的工作人员对激光器进行操作和进行激光加工。

3．焊接区应配备有效的通风或排风装置。