电子束焊及等离子弧焊特点

电子束焊

真空电子束焊接具有以下特点：

●电子束能焊接不同的金属及合金材料,尤其高难熔金属都能焊接

●电子束可以精确的确定焊缝的位置,精度和重复性误差为0% 。

●最大的穿透深度,可达15MM

●最高的深宽比大于10:1。

●焊接直径可达400MM

●电子束焊接，其焊缝化学成份纯净, 焊接接头强度高、质量好。

●电子束焊接所需线能量小，而焊接速度高，因此焊件的热影响区小、焊件变形小，除一般焊接外，还可以对精加工后的零部件进行焊接。

●可焊接异种金属, 如铜和不锈钢、钢与硬质合金、铬和钼、铜铬和铜钨等。

●真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、氮等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而特别适于活泼金属焊接。也常用于电子束焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态

●在真空中进行焊接，焊缝纯净、光洁，呈镜面，无氧化等缺陷。

●电子束能量密度高达108瓦/厘米2，能把焊件金属迅速加热到很高温度，因而能熔化任何难熔金属与合金。熔深大、焊速快，热影响区极小，因此对接头性能影响小，接头基本无变形。

●与普通焊接相比, 其焊接速率更高（尤其对于大厚件的焊接工件）。

等离子弧焊

1.1 等离子弧的产生：

（1）等离子弧的概念：

自由电弧：未受到外界约束的电弧，如一般电弧焊产生的电弧。

等离子弧：受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。

自由电弧弧区内的气体尚未完全电离，能量未高度集中，而等离子弧弧区内的气体完全电离，能量高度集中，能量密度很大，可达10~10W/cm2，电弧温度可高达24000～50000K（一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000～20000K，能量密度在10W/cm2以下）能迅速熔化金属材料，可用来焊接和切割。

（2）等离子弧的产生

等离子弧发生装置如图6-4-1所示。

在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。

①机械压缩效应（作用）——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。

②热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流（离子和电子）往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。

③电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。

电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。

当小直径喷嘴，大的气体流量和增大电流时，等离子焰自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲击力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割金属。反之，若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时，该等离子弧称为“柔性弧”，主要用于焊接。

1.2 等离子弧焊接

1.2.1 基本知识

用等离子弧作为热源进行焊接的方法称为等离子孤焊接。

焊接时离子气（形成离子弧）和保护气（保护熔池和焊缝不受空气的有害作用）均为氩气。

等离子弧焊所用电极一般为钨极（与钨极氩弧焊相同，国内主要采用钍钨极和铈钨极，国外还采用锆钨极和锆极），有时还需填充金属（焊丝）。一般均采用直流正接法（钨棒接负极）。故等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。

1.2.2 等离子弧焊接的分类：

1．小孔型等离子弧焊

小孔型焊又称穿孔、锁孔或穿透焊。利用等离子弧能量密度大、和等离子流力强的特点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的

小孔。被熔化的金属在电弧吸力、液体金属重力与表面张力相互作！用下保持平衡。焊枪前进时，小孔在电弧后方锁闭，形成完全熔透‘的焊缝。

穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。板厚增加：所需能量密度也增加。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，爵因此小孔型等离子弧焊只能在有限板厚内进行。

2.熔透型等离子弧焊

当离子气流量较小、弧抗压缩程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应。焊缝成形原理和钨极氢弧焊类似，此种方法也称熔入型或熔蚀法等离子弧焊。主要用于薄板加单面焊双面成形及厚板的多层焊。

3.微束等离子弧焊

15 ^30A以下的熔入型等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。由于喷嘴的拘束作用和维弧电流的同时存在，使小电流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属薄箔的有效方法。为保证焊接质量，应采用精密的装焊夹具保证装配质量和防止焊接变形。工件表面的清洁程度应给予特别重视。为了便于观察，可采用光学放大观察系统。

1.2.3 等离子弧焊接的特点及应用：特点

（1）微束等离子弧焊可以焊接箔材和薄板。

（2）具有小孔效应，能较好实现单面焊双面自由成形。

（3）等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，10～12mm厚度钢材可不开坡口，能一次焊透双面成形，焊接速度快，生产率高，应力变形小。

（4）设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。应用

广泛用于工业生产，特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接，如钛合金的导弹壳体，飞机上的一些薄壁容器等。

等离子弧的类型

按电源连接方式的不同，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式见图23。

（1）非转移型等离子弧钨极接电源负端，喷嘴接电源正端，等离子弧体产生在钨极与喷嘴之间，在等离子气体压送下，弧柱从喷嘴中喷出，形成等离子焰。

（2）转移型等离子弧钨极接电流负端，焊件接电流正端，等离子弧产生的钨极和焊件之间。因为转移弧能把更多的热量传递给焊件，所以金属焊接、切割几乎都是采用转移型等离子弧。

（3）联合型等离子弧工作时非转移弧和转移弧同时并存，故称为联合型等离子弧。非转移弧起稳定电弧和补充加热的作用，转移弧直接加热焊件，使之熔化进行焊接。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊。转移型等离子弧的产生方法

为建立转移型等离子弧，应将钨极接电源负极，喷嘴和焊件同时接正极，转移型弧示意图见图24。首先接通钨极与喷嘴之间的电路，引燃钨极与喷嘴之间的电弧，接着迅速接通钨极和焊件之间的电路，使电弧转移到钨极和焊件之间直接燃烧，同时切断钨极和喷嘴之间的电路，转移型等离子弧就正式建立。

在正常工作状态下，喷嘴不带电，在开始引燃时产生的等离子弧，只是作为建立转移弧的中间媒介。常用等离子弧焊的基本方法

常用的等离子弧焊基本方法有小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊三种。

（1）小孔型等离子弧焊使用较大的焊接电流，通常为50～500A，转移型弧。施焊时，压缩的等离子焰流速度较快，电弧细长而有力，为熔池前端穿透焊件而形成一个小孔，焰流