第十一章 高能束流焊——【《熔焊方法及设备(第2版)》王宗杰】

若电子束焊机的加速电压 为 U a ,则
pb nm
2eU a m
2n2meUa
2n2e2mUa e
2J mUa J e
2m U a e
式中J为电流密度
(2) 蒸气压强Pv
在高功率密度束流的作用下，熔池小孔底部和前沿的温度可达2700℃， 存在明显的蒸发现象和蒸气压强。蒸气压强力图将熔化的金属向四周排开， 使小孔进一步向工件内部发展。蒸气压强主要取决于熔池的温度，小孔底 部由于束流的直接作用而温度最高。
➢电子束的聚焦
电子束聚焦是依据于电场和磁场对电子的作用。常用的 电子束聚焦方法是静电透镜聚焦和磁透镜聚焦等。其中静电 透镜聚焦分为同心球电极聚焦和类同心球电极聚焦。
图11-7 同心球电极聚焦
1- 阳极 2-阴极
尽管采用同心球电极可以对电子束聚焦，然而， 同心球电极不是可以实现电子束聚焦的唯一电极结构 形式，图11-8是针对5º和10º的半圆锥角而得到的结 果。
11.1.3 高能束流焊形成深宽比大焊缝的机制
1. 小孔形成的机理
当采用较低的功率密度时 ， 高能束流产生的热首先聚集在 待加工焊件的表面，然后经热传导进入材料内部，这时，熔池 温度比较低，对钢件约1600℃，蒸发不明显，因而焊缝宽，熔 深浅（图11-13a ）。这种情况属热传导焊接。当功率密度增加 到一定值而使熔池金属温度达到1900℃左右时 ， 熔化钢材蒸发 而产生的饱和蒸气压力约300Pa ， 在蒸气压力、蒸气反作用力 等的作用下会形成充满蒸气的小孔 （ 图11-13b ） 。随着功率密 度的进一步增加，熔化金属的温度也继续升高，蒸气压力也随 之增大 ， 最终导致产生了针状的、充满金属蒸气的并被熔融金 属包围的小孔。这时 ， 束流亦通过小孔穿入工件内部 （ 图1113c ） 。假如功率密度达到某一极限值时 ， 蒸气压力和蒸发速 率都变得很大 ， 所有熔化金属几乎全部地被蒸气流冲出腔外 （图11-13d）。
11.1 高能束流焊的物理基础
11.1.1 热源功率密度与热过程行为
1. 一些热源的功率密度 表11-1 一些常见热源的功率密度
热源
功率密度(W/cm2)
光 电弧 高能密度束
聚焦的太阳光束 聚焦的氙灯光束
电弧（0.1MPa） 等离子弧
电子束 激光束（0.1MPa）
（1～2）×103 （1～5）×103
目前，大功率连续波激光的功率达几千瓦、几 十千瓦或更高，相应的光束直径d仅为几十毫米， 立体角可达到10-6sr ；脉冲固体激光器的光脉冲持 续时间可压缩至10-12s甚至更短，因而，激光具有极 高的亮度，加之激光的方向性好，发散角小，有良 好的聚焦性，在焦平面处可获得大于106 w/cm2 的 功率密度。
图11-4反射镜聚焦系统
M1-平面反射镜 M2-抛物面反射镜
图11-5 改进型反射镜聚焦
焦深是描述聚焦束斑特性的另一个参数，定义
为焦点束斑直径d增加5%时在焦距方向上的相应变
化范围。 焦深可表示为为:
L 6.5 f d D
式中，f是焦距，D是入射光束直径，d是焦点 处的束斑直径。
图11-6 焦深示意图
(1) 电子的加速
设阳极与阴极间所加电压（常称为加速电压）
Ua=100 kV、加速后电子运动速度为 v、电子的电量为e、
电子的质量为m，则
2eU a
m
在电子束焊机中，加速电压一般为15～150kV 。
(2) 电子束的功率密度
假设聚焦后束斑直径 d = 0.5 mm ，电子束流 Ib=50mA ， Ua 100 k，V 则焦点处的功率密度PD(Power Density)可达 2.510 6 (W。/ cm2这) 说明电子束经加速并适当 聚焦后，可在焦点附近获得很高的功率密度。
图11-18 不同压强下电子束斑点的功率密度分布
实验条件：Ub=60kV；Ib=90mA；Zb=525mm (Zb为电子枪的工作距离)
➢电子束焊的特点
同其它熔焊方法相比较，电子束焊方法的特点主要是： （1）加热功率密度大，焦点处的功率密度可达106~108W/cm2， 比电弧的高100～1000倍。
图11-14 功率密度与熔深的关系
2. 小孔受力分析
小孔维持的过程实际也是受力平衡的过程。小孔受力有两
类：一类倾向形成和维持小孔的力；另一类倾向封闭小孔的力。
（1）束流压强Pb 束流压强对电子束来讲，它是由电子束的冲击力产生的。对激光束来讲，它
则是光子的辐射压强。
p nm 当电子和工件撞击时，若电子b 的动能全部转化，则束流压强Pb 为：
图11-10 典型的磁透镜结构及磁感应强度分布图 图11-11 对磁透镜采用的柱坐标系
Байду номын сангаас
磁透镜聚焦后，在焦点附近，存在着一个束斑变 化不大，功率密度也变化不大的区域，通常称为电子 束流活性区，其长度Lb则称为活性区长度，见图11-12。
图11-12电子束流活性区 Lb-活性区长度 f- 磁透镜焦距 2b-磁透镜孔径 D0-工作距离
• (4)超高功率密度区 功率密度大于109W/cm2，这时的蒸发要比 热传导快得多。高功率的脉冲激光聚焦成很小的束斑时即出现这 种情况，超高功率密度的脉冲激光束可用于打孔，其加工的小孔 精度高，小孔侧壁几乎不受热的影响。
11.1.2 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。光源的 亮度B为：
(4) 液体金属静压强 gh
在环绕着小孔的液体金属内，任一点的静压强与液体的密度和该点距熔
池表面的距离（或该点以上液体金属的高度）h成正比。
(5) 表面张力附加压强Ps 由物理学知，当液面为水平时，表面张力是水平的；当液面是弯曲时，
表面张力对液体金属内部施以附加压强，见图11-15a。液面凸起时，附加 压强Ps指向液体内部，如图11-15b所示，液面凹下时，附加压强指向液 体外部，如图11-15c所示。
(3) 蒸气反作用压强Pr 熔池内的蒸发粒子以一定的速度离开液面时，由于反作用力引起的压
强称为蒸气反作用压强，该压强倾向于加深和维持小孔。蒸气反作用压
强可采用下式计算：
pr
1 (P)2
Q A
式中P/A是功率密度；Q是蒸发1kg被焊金属所需的能量； 是蒸气密度。
由此式可知，蒸气反作用压强除与功率密度和材料性质有关外，还于 环境压力有关，这是因为环境压力的大小对蒸气密度有直接的关系。
• (2)中功率密度区 功率密度范围为3×102~106W/cm2。这时的热 过程以导热为主，材料被加热熔化，几乎没有蒸发，绝大多数电 弧焊的功率密度都在这个范围内。
• (3)高功率密度区 功率密度在106~109W/cm2之间。这时的蒸发 和导热情况主要取决于热源功率和聚焦后的束斑尺寸，蒸发和导 热的相对情形变化很大。若热源功率小，束斑尺寸大，则以导热 为主；若热源功率大，束斑尺寸小，则以蒸发为主，强烈的蒸发 会在熔池中产生小孔，而热传导的作用则是使小孔侧壁充分熔化。
图11-15 弯曲液面的附加压强
如液面为球形，则： ps 2 / R
式中 是表面张力系数； R是球形液面半径。
如液面为圆柱形曲面，则：
ps R
式中R是圆柱曲面的半径
当进行非穿透的深熔焊接时，熔池底部的 表面张力附加压强的作用与束流压强和蒸气 反作用压强相反，欲使小孔填平；当材料厚 度d小于焊缝宽度b且进行穿透焊接时，表面 张力附加压强则试图将熔化金属拉回母材， 促使小孔产生并维持小孔的存在。
第十一章 高能束流焊
• 束流是指沿某一特定方向运动而形成的粒子流。焊 接领域所说的高能束流是指聚焦后功率密度可以达到 105W/cm2以上的束流。通常所说的高能束流焊主要指的 是电子束焊（Electron Beam Welding）和激光焊（Laser Beam Welding），其功率密度比通常的TIG焊或MIG焊的 功率密度要高一个数量级以上。本章将首先介绍高能束 流焊的物理基础，然后分别讲述电子束焊和激光焊的原 理、焊接设备及焊接工艺。
图11-16 薄板穿透焊接时表面张力的作用
1-熔化金属 2-工件
3. 高能束和工件相对运动对熔池和焊缝的影响
当工件和束流二者有相对运动时，随着相对运动速 度的增大，熔化前沿直接处于高能束流下方，而凝固前 沿则向后拖（图11-17a）。由于高能束流的直接作用， 使得前熔化边缘附近的金属温度高，蒸发快，而后熔化 边缘附近的金属温度低，蒸发慢，由此而引起了蒸气压 强差和蒸气反作用压强差，这必然导致前熔化边缘附近 的金属向后熔化边缘附近流动（图11-17b），客观上起 到了对熔池的搅拌作用。液体金属的流动过程，实际也 是传热和传质的过程。在熔化前沿区材料被加热，在凝 固前沿区液体金属热量经热传导而释放，最后形成焊缝。
B P A
式中，A 是光源发光面积， 是法线方向上立体发散角， 是—P 在立体角为 的
空间内发射的功率。
激光束的方向性用光束发射张角一半来表示，称为发散角，可表示为：
4 D
式中， 是激光波长， D是光束直径 。
经聚焦的激光束在焦平面处的束斑直径d为： d f 4 f D
式中 f是聚焦镜焦距 。
•
图11-13 功率密度与小孔的形成
高能束流聚焦后的束斑直径一般都在1mm以 下，作用于工件上的功率密度高，能使材料迅速 熔化、蒸发，产生很大的蒸气压力和蒸气反作用 力，加之电子束或激光束作用时间短，径向的热 传导作用很弱，在蒸气压力和蒸气反作用力等因 素作用下，能排开熔化金属形成小孔，这时高能 束流深入工件内部，束流直接与工件作用，进行 能量的转化，因而能形成深宽比大的焊缝。在其 它因素不变的情况下，功率密度越高，熔深越大， 焊缝的深宽比也越大，功率密度与熔深的关系如 图11-14所示。
图11-8 类同心球电极形状及电子束的会聚
a）θ=5º b)θ=10º
此外，在给定的阳极电压下，还可能会导致不希 望的高压场。一旦Rc/Ra和 的值确定，电极的几何形 状就可确定，电子束的特性亦可确定，见图11-9 。
图11-9 电极的几何形状及电子束的特性
磁透镜是能产生轴对称磁场并对电子束起会聚作用的装 置。实际的磁透镜结构是将线圈放在有间隙的铁芯内，图1110所示是一种典型的磁透镜结构及其磁感应强度分布。图中D 为磁透镜孔径，S为磁极间隙，MN表示垂直于z轴的磁透镜的 中心面，又称主平面。为讨论问题方便起见，建立如图11-11 所示的坐标系。
•
图11-17 束流和工件做相对运动时的熔池
1—熔化区 2—熔化前沿 3—工件 4—高能束流 5—小孔 6—凝固前沿 7—工件运动方向 8—前熔化边缘 9—后熔化边缘
11.2 电子束焊
11.2.1 电子束焊原理、特点及应用
➢电子束焊的工作原理
电子束经聚焦后的束流密度的分布形态与加速电压、束流 大小、聚焦镜焦距、所处的真空环境等密切相关。
3. 高能束流的聚焦
➢激光束的聚焦
目前在激光焊中常用的聚焦系统有三种：透镜聚焦、反射 镜聚焦和改进型的反射镜聚焦。
图11-3 透镜聚焦原理图
1-激光束 2-透镜 3-工件
图11-4是反射镜聚焦系统的原理图。平面反射镜M1用以反 射激光束，聚焦镜M2通常为抛物面反射镜。采用反射镜聚焦 的主要特点是没有色差。改进型的反射镜聚焦反射镜聚焦的改 型，它适用于中空的高阶模光束，光束的功率越高，该聚焦系 统的优点表现得越突出。
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。
1-阴极 2-控制极 3-阳极 4-聚焦线圈 5-偏转线圈 6-真空泵 7-工件
图11-2 高功率密度电子束获取示意图
（2）加热集中，热效率高，焊接接头需要的热输入量小，适 宜于难熔金属及热敏感性强的金属材料，焊后变形小。
1.5×104 (0.5～1)×105
>106 >106
2. 热源功率密度与热过程行为关系
随着热源功率密度的不同，热过程行为发生明显的变化。 概括起来讲，可分为四个区域，见图11-1。
图11-1 热源功率密度与热过程行为的关系
• (1)低功率密度区 功率密度小于3×102W/cm2。这时热传导散失 大量的热，难以实施对金属的焊接。