0 第4章 高能束焊

第4章高能束焊接（high energy beam welding）：Plasma AW、LBW、EBW （旧称：Radiant-energy welding；P. T. Houldcroft. Welding process technology. Cambridge University Press. 1977.）

●主要内容：

第1节：概述----（知识点：power/wenergy density; 本课程教学目的：焊接方法的优选与创新）

第2节：Plasma Arc Welding （PAW；PBW）

知识点：（1）压缩电弧的方法；（2）压缩电弧的优点/目的；（3）焊接工艺方面的特殊性

第3节：Laser Beam Weding （LBW）---（强调：两种焊接模式，尤其是Keyhole welding mode）

第4节：Electron Beam Welding （EBW）---强调：Keyhole welding mode / “vaporizing” the workpiece

●教学要求：

（1）高能束焊接的优点

（2）等离子弧（Plasma jet）的获得及焊接中加热特点

（3）各高能束焊工艺应用方面的特殊性（材质、板厚、加热方面---气化）（针对超薄、超厚、超高要求情况）

●问题的提出：焊接难点：2009-10-16

（1）超薄（精密）、超厚板（高效）的焊接？

（2）高要求（如要求精密、无污染、晶粒长大较轻）件的焊接？

-→普通电弧焊无法胜任情况下，便考虑尝试采用高能束（high energy beam welding）焊接！！！第1节概述

强调：能量密度（power density；W/mm2（剑桥）；在焊接中的重要性、提高方法）及高能束焊的优点

引言：“三束”，均属熔焊

●强调本课程目的：优选与开发（创新）新的焊接方法（先进、经济、优质、精密）

1.1 热源功率密度（power density）在焊接中的重要性：

举例说明: （台湾，Second Ed.Welding Metallurgy, 2003）

电吹风（1.5KW加热1.6mm厚SS板，加热区直径达50mm，T缓慢↑但不能熔化母材；1.5KWTIG电弧可行成直径6mm加热区，可获得熔池）→气焊→弧焊→高能束焊（high energy beam welding）→功率密度大的优点：在较“小的热输入”下便可达到所需“熔深”（…）---建立初步概念

→有哪些焊接方法？如何提高功率密度？应用于焊接有哪些特点？如何应用于焊接？注意问题？

●提示：高能束（1~10KW/mm）可将金属加热至气化状态----New！

附：Table 4-2: 常见金属材料沸点（Boiling Point）：[郑远谋，2007，P930~933]

1.2 加热热源种类及提高能量密度方法

电弧：特殊设计的焊炬压缩电弧，得到的高电离度压缩电弧称等离子弧---一种TIG的改进电弧。

问题：如何设计等离子焊炬来实现压缩电弧的目的？---知识点1

激光束：利用光镜聚焦

电子束：利用电磁场聚焦

1.3 HEB welding 的优点----均得益于“加热范围小”这一核心优势/ 知识点2

冶金方面：热输入小（much lower total heat input），防晶粒长大

变形方面：变形小（little distortion）-----精密焊接

成形方面：熔池窄而深（深/宽比可达：3~10）

效率方面：熔深大（Single pass: PAW—2.5~6.4mm铝板；见Kou S ; LBW—10mm; EBW—50~100mm）；焊速高

例：用15KWCO2激光在20mm/s焊速下可一次性焊透13mm厚钢板（A633；Kou S，台湾）

第2节等离子弧焊（Plasma arc welding，PAW）

核心要点提示：强调概念-----压缩电弧（constricted arc）

2.1 TIG的缺点与等离子弧的优点

●电弧分类：

→可见与否：明弧+ 埋弧；

→压缩与否：自由（开放, open；非压缩电弧，non-constricted arc）+ 压缩电弧（典型代表：等离子弧）

●TIG的优/缺点(Advantages and disadvantages)

优点：无熔滴过渡及其引起的飞溅；电弧燃烧稳定；保护效果好（现成惰性气体；比空气重25%），适宜材质范围广；尤为适于焊薄板（小电流下电弧稳定）---（略：讲）

缺点：电弧发散，熔池浅而宽；厚板焊接效率低；W极许用电流低（可否不增大电流数值也可增大熔深？）

难点：对于TIG单一增大电弧电流，熔宽成比例地增加，而熔深并不能成比例地增加。

原因：I↑→弧柱截面↑→熔深增加甚微（详：写）

●改进途径：适于厚板的高效TIG工艺

技术路线之一：开坡口（groove）情况下如何提高熔覆效率？：焊材（焊丝）方面；具体方法：冷丝→热丝：Hot wire TIG；主要用于厚板钢材；热丝电源：低电压，大电流

技术路线之二：不开坡口情况下如何增大熔深？---更为理想

途径之1：电源方面：VPTIG；MIG/MAG

途径之2：优化熔池对流方向：促使高温区液态金属优先向熔池下部流动

具体方法：加入焊材Active flux-TIG（涂敷活性焊剂氧化物；70~300ppm [O] ---适于SS，增大电弧下高温液态金属的表面张力）---（略）

具体方法之1：焊材方面：Active flux-TIG方面（氟化物F-1---适于Ti材）

设问：还有无新方法？

具体方法之2：焊炬方面：设计改进---PAW