高能束流焊接方法学习要点总结

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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