高能束焊接

两种高能束焊接各自特点和应用及其发展前景

对于现代社会，效率对于工业生产是很重要的。因此对于其应用的科学技术也要求很高。为此，在焊接领域提出了利用高能密度束流作为热源的焊接方法，这就是高能束焊接。目前狗啊能输焊接主要有两种：电子束焊接（EBW）和激光焊接（LBW）。其能量密度必TIG或MIG等弧焊方法高一个数量级以上，通常高于5*105W/cm2。

一、电子束焊接（EBW）

EBW焊接是以汇聚的高能电子束流轰击工件接缝处而产生的热能是材料融合的一种焊接方法。这种焊接方法具有以下优点：

⒈电子束功率密度高，其功率密度可达105-107W/cm2。

⒉焊缝深宽比大。焊缝熔区很深很窄，其深宽比最高可达50：1，焊件变形可以忽略，不少零件可在精加工后焊接，不必进行后续精加工。即使精度要求特别高的零件，焊后精加工留量可以很少，比用常规焊接方法可节省大量精加工工时。可将原整体结构件分解成二件或二件以上工件焊接起来，可以变革原加工工艺，省时、省料、甚至可变革原零、部件的结构的设计使其更合理。

⒊电子束不仅能量密度高而且精确可调、被焊零件的厚度可以薄至0.05mm，厚至300mm（钢）或550mm（铝），不开破口，一次焊透。

⒋焊接在真空中进行，排除了大气中有害气体(如氢和氧等)的影响。可高质量地焊一些活动性材料如钼、铍、铀、铌、钛等及其合金。

⒌可焊接物理常数差别大的材料，如非常薄的与非常厚的零件焊接或二者性质差别大的异种金属焊接，如钢与铜的焊接。

⒍由于电子束能量密度高，焊接速度可以很高，如焊O．8ram 薄钢板，焊接速度可迭200mm／s，焊接2'0 0mm 熔深锰钢，焊速可达300mmlmin。在多工位电子束焊机上焊接汽车配电器(犒一平板焊列配电器凸轮上)其生产率可迭1440件／小时。

⒎由于焊接熔区小，焊接速度高，输入能量比常规焊接方法小得多，因此其热影响区小，有利提高焊接性能。焊接区域邻近温度低，对封装热敏器件如集成电路组件，各类传感器探头的封装极为有利。3

⒏电子束-束焊接参数能够精确控制，焊接参数重复性高，因此焊缝的成形与焊后零件尺寸精度等都能保证重复性。

但是电子束焊接也有一些缺点：

⒈电子束捍机成本昂贵，国际市场价格一般小型机每台在3O万美元以上，而巨型机要千万美元，推广应用受一定限制。

⒉电子束焊接设备涉及高电压、真空、电子光学、各类电源与控制、计算机技术以及精密机械等，技术涉及面广而复杂，对使用人员及维修人员的素质要求高。

⒊电子束与焊缝对中精度要求高，焊前清理、装夹要求严格（间隙<=0.25mm）。

⒋待焊工件的形状和大小受真空室大小的限制，因此应用受到限制。

电子束焊接由于焊接功能强，工艺效果优越所以应用很广，几乎用于所有机械制造部门：汽车、航空航天、原子能、能源、化工、仪表、电机电器、造船、重工业以及一些科研单位，但由于设备价格较贵，在推广上亦受到一定限制。

(1)汽车工业(电子柬焊接应用最广的工业部门，大约占5O％用量) 生产上已有四十余种零件用电子柬焊，如各类齿轮、活门、火花塞、配电器凸轮、喷嘴、带冷却槽活塞、离合器、转矩转换器、后桥等。

(2)原子能工业由于设备用的材料种类多、厚度范围广、精度要求高、零件价格贵、所以采用EBW 是适宜的，如核反应压力容器、核聚变研究用真空室、锻造铝合金核反应堆心盒、重离子加速器真空室(60ram 厚奥氏体不锈锕)、燃料元件锫栅、热交换器与蒸气发生器管路等。

(3)航空、航天工业由于用特殊材料——钛合金、铝合金、高强度合金钢等较多，要求零件重量轻，机械性能好的，所以应用EBW 范围广，如飞机、导弹、宇宙飞船的结构件、飞机的钛合金的机翼大梁、机翼壁板、钛合金机盒与翼盒、发动机转子，燃气轮机导向叶片、宇宙飞船的镀合金门框与蒙皮等等。

(4)重工业它的零件特点是体积大，焊接厚度深，大功率电子束焊可发挥其优势，如焊大型齿轮( 2—4m重，2—18m 吨)齿环与轮毂可用不同材料焊接而成，轧钢板轧辊，低温压力球形容器( 2．16m，壁厚96mm)，潜艇用舱盖，大型铸件内部装嵌一层Monel or Inconel 625以防海水腐蚀，大压型压力容器(高温高压锅炉)及其热交换器等。

(5)石油化工工业铝合金低温液化气压力罐、输油管道、化工用耐腐蚀传输管道与阀门(比电弧焊的焊缝抗蚀能力提高数倍)。

(6)电机电器、仪表工业电机定子、转子、磁极铁心以焊代铆、整流子、大电流软导线焊接、铜钨大功率开关触头、心脏起博器钛台金外壳、各类传感器探头，电机的端盖甩冲压件代替精铸件与定子焊接，用夹具保证定子与转子气隙精度，减化结构，降低零件数1／3，降低加工精度，成本显著降低。

IBW焊接是以激光束作为热源的焊接方法。焊接时，将激光器发射的高功率密度(的激光束聚缩成聚焦光束，用以轰击工件表面，產生热能，熔化工件。这种焊接方法主要特点有：6

（1）激光具有直线性、相干性好的特点。可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。

（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。

（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。

（5）可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。

（6）焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

（7）于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。

（8）接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

（9）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。

（10）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属

（11）可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。

（12）以穿孔式焊接，焊道深宽比一般为5:1，最高可达10:1。7

激光焊接有以上优点，但也存在很多缺点：

（1）焊缝位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。因此也要求待焊工件的装配精度要很高，否则激光束会穿越焊缝。

（2）焊件需使用夹具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。

（3）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。

（4）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。

（5）能量转换效率太低，通常在5～10％，最佳为20％，穿透能力也不及电子束，因此最大可焊厚度受到限制。渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

（6）焊道快速凝固，可能有气孔、裂纹及脆化的顾虑。

（7）设备昂贵。大功率激光设备价格随功率等级提高呈指数增加。

（8）合金元素的挥发焊接过程中一些高挥发性的合金元素(如硫和磷)从熔池中挥发出来，会导致气孔的产生，而且有很可能产生咬边。

基于这些特点，激光焊接有以下领域的应用：

1.制造业应用。激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型P assat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚1 00微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将Y