高能束流焊接方法学习要点总结

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、 钛、铝及其合金等。
激光焊接的原理：
光子轰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。
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。
等离子弧焊是以 等离子弧为热源 的一种Leabharlann Baidu能速流 焊接方法。
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25~300V的加速电 压的作用下，电子被加速到0.3~0.7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。
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5~10m/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。
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
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。
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
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 )
脉冲能量 脉冲宽度 功率密度 离焦量
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
应用领域对比：
激光焊 电子束焊 等离子弧焊
制造业应用 粉末冶金领域 汽车工业 电子工业 生物医学
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。
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10∶1，甚至是20∶1（最新报道显示：日本在 焊接200 mm厚不锈钢时，深宽比达70∶1）； □ 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（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。
电子束焊 激光焊 激光切割 等离子弧焊
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。
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。
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800~1000 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。因此，需要用排烟和 除渣设备。
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。
高能束流焊接方法学习要点总结
焊接1311 张华荣 2013118526113
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。
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。
TIG焊和等离子弧焊：
TLG焊，钨极承载电流能力较差，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。
影响焊接质量的工艺参数：
电子束焊接 激光焊接
等离子弧焊
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
基本概念
航空与航天领域 汽车工业领域 动力与原子能 电子与医疗
航天航空 军工技术 尖端工业技术
激光切割的基本原理和分类
激光汽化切割
激光熔化切割
激光氧气切割
激光划片与 控制断裂
利用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。