先进焊接技术.ppt

形式往往是卷边的。
1.5 典型材料的电子束焊
2. 钛和钛合金 钛是一种非常活泼的金属，最常见的焊接缺陷是氢 气孔，所以应在良好的真空条件下（<1.33×10-2Pa）进 行焊接，而电子束焊接是所有工业钛和钛合金最理想的 焊接方法。采用电子书焊接能有效地避免了有害气体的 污染，而且电子束的能量密度大，焊接速度高，焊缝中 不会出现粗大的片状α相，因而焊接接头的有效系数可 达到100％。焊接时为了防止晶粒长大，宜采用高电压、 小束流的工艺参数。
2.1 激光焊概述
3）适宜于焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如难 熔金属、热敏感性强的金属以及热物理性能差异悬 殊、尺寸和体积悬殊工件间的焊接；甚至可用于非 金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。 4）穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，适 合于在玻璃的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料。 5）可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊 的部位，YAG激光（波长1.06um )还可用光纤传输， 可达性好。
1.3 电子束焊的适用范围
1. 焊件的结构形状和尺寸
焊件的厚度与电子束的加速电压和功率有关，一般单道焊接碳 钢厚度可以超过100mm，或厚度超过400mm的铝板，而不需开坡 口和填充金属；焊薄件的厚度可小于2.5mm，甚至薄到0.025mm； 也可焊厚薄相差悬殊的焊件。
真空电子束焊焊件的形状和尺寸不能超过焊接室容积允许
光的作用方式激光焊接可分为连续激光焊和脉冲激光焊。随着设备性
能的不断提高、结构的日益复杂，对接头性能和变形要求越来越苛刻，
许多传统的焊接方法己不能满足要求，因而，激光焊接在许多场合具
有不可替代的作用。
2.2 激光焊工艺
1.激光焊能源参数
激光焊是将光能转化为热能达到熔化工件进行焊接的目的。
1）功率密度
2 激光焊
2.1 激光焊概述 激光是20世纪最伟大的发明之一，世界上第一台激 光器 问世于1960年，激光焊接是当今先进的制造技术之一。激光焊 是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件接缝所产生的能量进行 焊接的方法。与常规焊接方法相比，激光焊有如下特点： l）聚焦后的激光功率密度高达105 -107W／cm2，工件产 生的变形极小，热影响区也很窄，多以深熔深方式，特别适 宜于精密焊接和微细焊接。 2）焊接厚件时可不开坡口一次成形，获得深宽比大的焊 缝。不开坡口单道焊接钢板的厚度已达50mm。
60cm/min以下。
汽车上常采用了一些铝合金零件，非真空电子束焊焊接汽车用铝合金可
得到良好的接头。早在60年代，美国就将非真空电子束焊引入了批量汽车零件的生
产中，既可降低成本、而且效率高，并可在汽车生产线上连续进行；同时可减轻结
构质量，节省燃料及减少废气的排放。汽车上仪表板等采用铝合金焊接结构，接头
成这些元素大量蒸发；若提高焊接速度则焊缝成形恶化，并出现严重气孔。无锌的
铝合金宜用高压，小束流的高速焊。
铝和铝合金电子束焊前需要对接缝处进行除油和清除氧化膜处理，焊接
过程中应控制焊接速度，以防止出现气孔并能改善焊缝成形。对厚度小于40mm的铝
板，焊接速度应在60- 120cm/min；对于40mm以上的厚铝板，焊接速度应在
2.2 激光焊工艺
3. 聚焦和离焦量 （1）聚焦
焊接或切割厚度较大的材料时，为获得较大的焦点深度，宜选 用焦距较长的透镜。对各种厚度的被焊材料及不同接头都存在一个 最佳焦距。
（2）离焦量 离焦量是工件表面离激光焦点的距离。工件表面在焦点以内时
为负离焦，与焦点的距离为负离焦量。反之为正离焦。离焦量不仅 影响工件表面激光光斑的大小，而且影响光束的入射方向，因而对 熔深和焊缝形状有较大的影响。
1.6 电子束焊的基本操作与安全防护
• 焊接时大量的X射线是由高速运动的电子束与焊件撞击所 产生，在枪体和工作室内电子束与气体分子或金属蒸气相撞 时，也会产生相当数量的X射线。电子束焊焊接时，大约不 超过1%的电子束能量将转变为X射线辐射。我国规定对无监 护的工作人员允许的X射线剂量不应大于0.25mR/h，对于60kV 以下电子束焊机的真空室采用足够厚度的钢板就能起防护X 射线的作用，加速电压为60kV以上的焊机应附加铅板进行防 护。无论是高压或是低压电子束系统都使用铅玻璃窗口。焊 机则安装在用高密度混凝土建造的X射线屏蔽室内。
2.1 激光焊概述
6）激光束不受电磁干扰，无磁偏吹现象存在，适宜于磁性
材料焊接。
7）不需真空室，不产生X射线，观察及对中方便。
激光焊的不足之处是设备的一次投资大，特别是高功率连续
激光器的价格昂贵，而且对高反射率的金属直接进行焊接比较困难。
目前，用于焊接的激光器主要有两大类，气体激光器和固体
激光器，前者以CO2激光器为代表，后者以YAG激光器为代表。根据激
焊缝缺陷等因素，综合选择和实验确定焊接工艺参数。
1.5 典型材料的电子束焊
1. 铝和铝合金
纯铝及非热处理强化铝合金如果采用电子束焊接，接头具有与母材退火
状态相似的力学性能。热处理强化铝合金进行电子束焊时，可能出现不同程度的裂
纹、气孔等缺陷，但只要工艺参数选择适当，可以减少缺陷并保证接头不会出现退
火软化区。当铝合金中含有较多强化元素镁和锌时，焊接速度慢的电子束焊时会造
（3）焊前预热和焊后热处理
2. 焊接接头设计
3.焊接工艺参数
电子束焊的工艺参数主要有电子束电流Ib、加热
电压Ua、焊接速度vb、聚焦电流If和工作距离H等。
1.4 电子束焊接工艺
1. 加速电压
在电子束焊接中，加速电压的增加可使熔深
加大，但加速电压的参数根据电子枪的类型通常选
取某一数值不变。在保持其他参数不变的条件下，
的范围内。非真空电子束焊不受此限制，可以焊接大型焊接结
构，但必须保证电子枪底面出口到焊件上表面的距离，一般在
12~50mm之间；单面焊可焊厚度一般很少超过10mm，如果厚度
达到25mm以上，需要降低焊接速度，从而增加制造成本。
1.3 电子束焊的适用范围
2. 焊接的材料 在真空室内进行电子束焊时，除含有大量的高蒸 气压元素的材料外，一般熔焊能焊的金属，都可以采 用电子束焊。如铁、铜、镍、铝、钛及其合金等。此 外，还能焊接稀有金属、活性金属、难熔金属和非金 属陶瓷等。可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大 的异种金属。可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料， 而对接头的力学性能没有太大的影响。
当电子束流撞击置于真空或非
真空的工件表面时，电子的动能迅
速转变为热能，使金属迅速熔化和
蒸发，实现焊接过程。
焊接过程参看视频动画
1.2 电子束焊的特点
作为电子束焊的热源，电子束具有如下特点：
（1）功率密度高 电子束属于高能束流，电子束焊接时常用的加速电压范围为 30~150kV，电子束电流为20~l000mA，电子束焦点直径约为 0．1~1mm，其功率密度可达106W／cm2以上。 （2）精确、快速的可控性 电子作为物质基本粒子，具有极小的质量（9.1×10-31kg）和 一定的负电荷（1．6×10-19C），电子的荷质比高达l．76×1011C ／kg，通过电场、磁场对电子束可作快速而精确的控制。这是电子 束的一个优势，与同为高能束流的激光相比，后者只能用透镜和反 射镜控制，速度慢。
离。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
对于确定的电子束焊接设备，加速电压一般固定不变，必须时也只
做较小的调整。焊接电流和焊接速度是主要调整的工艺参数。热输入与
电子束焊接功率成正比，与焊接速度成反比。利用焊接热输入与焊接厚
度的对应关系，初步选定焊接工艺参数，经实验修正后方可作为实际使
用的焊接工艺参数。此外，还应考虑焊缝横断面、焊缝外形及防止产生
2.3 激光复合焊技术
1．激光一电弧焊
激光焊接复合技术中应用较多的是激光-电弧复合焊
接技术，主要目的是有效地利用电弧能量，在较小的激光功
率条件下获得较大的熔深，同时提高激光焊接对接头间隙的
2.3 激光复合焊技术
激光复合焊接技术是指将激光与其他焊接方法组合
起来的集约式焊接技术，其优点是能充分发挥每种焊接方
法的优点并克服某些不足，从而形成一种高效的热源。例
如，由于高功率激光焊设备的价格较昂贵，当对厚板进行
深熔、高速焊接时，可将小功率的激光器与常规的气体保
护焊结合起来进行复合焊接，如激光-TIG和激光-MIG等。
拓展项目 先进焊接技术
教学目标：
1. 了解电子束焊接、激光焊接、搅拌摩擦焊的原理、 工艺特点及应用范围；
2. 能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与安全防护。 3. 了解焊接机器人控制的基本原理，典型弧焊机器人离
线编程仿真系统的组成及功能。
1 电子束焊接
1.1 电子束焊的基本原理
从电子枪中产生的电子束在 25~300kv的加速电压下加速到0.3~0.7 倍的光速，经过电子枪中静电透镜 和电磁透镜的作用，形成的功率密 度很高的电子束流得到一个很小的 焦点。
激光能作用于固态金属表面时，按功率密度不同可产生
三种不同加热状态。功率密度较低时仅对表面产生无熔化的加热，
这种状态用于表面热处理或钎焊；功率密度提高时，可产生热传导
型熔化加热，用于薄板高速焊及精密点焊；功率密度进一步提高时，
则产生熔孔型熔化，激光热源中心加热温度达到金属的沸点而形成
等离子蒸气，用于深熔焊。由于功率密度很大，所产生的小孔已贯
1.6 电子束焊的基本操作与安全防护
在操作电子束焊机时要防止高压电击、X射线、可见 光辐射以及烟气等。
无论是低压型或高压型的电子束焊机，在运行时都 带有足以致命的高电压。因此，焊机中一切带有高电压 的系统，都必须采取有效的安全防护措施。电子束焊接 设备应装置专用地线；设备外壳应用粗铜线接地。在更 换阴极组件和维修时，应切断高压电源，并用放电棒接 触准备更换的零件，以防电击。高压电源和电子枪应保 证有足够的绝缘和良好的接地，绝缘试验电压应为额定 电压的1.5倍。