高能束流焊接方法学习要点总结

实训成绩批阅教师日期高能束流焊接方法学习要点总结课程名称焊接设备维修实训专业年级焊接1311学号2013118526113学生姓名张华荣指导教师李飞2016年4月13日高能束流焊接方法学习要点总结一．高能束流焊接方法基本概念：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。

（一）电子束焊焊接方法基本概念：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。

（二）激光焊焊接方法基本概念：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。

聚焦的激光束是指：利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束。

（三）激光切割基本概念：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。

（四）等离子弧焊焊焊接方法基本概念：等离子弧焊是以等离子弧为热源的一种高能速流焊接方法。

二．基本原理和分类（一）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。

（二）分类：1.电子束焊接2.激光焊3.激光切割4.等离子弧焊（一）电子束焊工作原理：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。

电子束传送到焊接接头的热量和其熔化金属的效果与束流强度、加速电压、焊接速度、电子束斑点质量，以及被焊接材料的性能等因素有密切的关系。

分类：1.被焊工件所处的环境和真空度可以分为三种：高真空电子束焊、低真空电子束焊、非真空电子束焊。

2.电子束焊按照加速电压状态分类：高压型（大于80 kV）；中压型（40～60 kV）；低压型（小于等于30 kV）。

（二）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。

分类：1.按照激光器输出能量方式的不同来区分，激光焊可以分为：脉冲激光焊，连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）。

2.按照激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为：传热焊，深熔焊。

1）传热焊定义：传热焊又叫热导焊。

传热焊所用采用的激光光斑功率密度较低，（一般情况下，激光的光斑功率密度小于105W/cm2），当激光功率密度介于105W/cm2～106W/cm2的时候，也被认为是传热焊。

2）传热焊过程机理分析：工件吸收激光后，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接的时候，金属材料表面将所吸收的激光转变为热能，使得金属表面温度升高而熔化，但是仅仅达到表面熔化的程度。

然后通过热传导方式，把热能向金属工件内部传递，使得熔化区域逐渐扩大形成熔池。

凝固后形成焊点或者焊缝，熔深轮廓近似半球形。

这种焊接机理称为传热焊。

它类似与TIG 焊等钨极电弧焊原理。

这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。

3）传热焊的主要特点：传热焊激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面反射，光的吸收效率低，焊接熔深浅，焊接速度慢，主要用于厚度小于1mm的薄板以及小零件的焊接加工。

4）深熔焊定义：深熔焊采用的激光光斑功率密度比较高。

当激光光斑的功率度大于等于106W/cm2（通常介于106W/cm2～107W/cm2）的时候，被认为是深熔焊。

（三）激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。

1.激光汽化切割原理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。

2.激光熔化切割原理激光熔化切割时，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。

（3）激光氧气切割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。

（4）激光划片与控制断裂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。

（四）等离子弧焊的基本原理：等离子弧焊和GTAW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。

分类：1.微孔型等离子弧焊2.熔透型等离子弧焊3.微束等离子弧焊4.熔化极等离子弧焊5.热丝等离子弧焊6.脉冲离子弧焊三．工艺特点和应用范围（一）电子束焊接1.主要优点：A电子束穿透能力强，焊缝的深宽比高电子束斑点尺寸小，功率密度大，可以实现高深宽比的焊接（即焊缝深而窄）。

深宽比达到60/1，可以一次焊透0.1mm -300mm的不锈钢板。

焊接厚板时，可以不开坡口实现单道焊，比电弧焊可以节省辅助材料和能源的消耗。

B焊接速度快，焊缝物理性能好能量集中，熔化和凝固速度快，例如焊接厚度为125mm 的铝板，焊接速度达到400mm/min，是氩弧焊的40倍。

能够避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作业时间短，合金元素烧损少，焊缝抗腐蚀性好。

C焊件热变形小功率密度高，输入焊件的热量少，热影响区小，焊件变形小。

对精密加工的工件，可以最后连接工序，焊后工件仍保持足够的精度。

D焊缝纯洁度高真空对焊缝有良好的保护作用，真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧气、氮气等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而高真空电子束焊尤其适合焊接钛以及钛合金等活性材料。

真空电子束焊接常用于焊接真空密封元件，焊接后内部元件保持在真空状态。

E工艺适应性强参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适应性。

F可焊材料多不仅能够焊接金属和异种金属材料的接头，也可以焊接非金属材料，例如陶瓷，石英玻璃等。

G再现性能好电子束焊焊接参数易于实现机械化，自动化控制。

重复性好，再现性好，提高了产品质量的稳定性。

H可简化加工工艺可以将重复的大型整体加焊件分为易于加工的、简单的或者小型部件，用电子束焊为一个整体，减少加工难度，节省材料，简化工艺。

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。

3.电子束焊小孔效应：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。

（二）激光焊接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。