第十一章 高能束流焊——【《熔焊方法及设备(第2版)》王宗杰】

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
• (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。
Байду номын сангаас
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：
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
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11-8 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。
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。
➢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 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
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。
(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。
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)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。
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 。