高能束流焊接方法

高能束流焊接方法

（一）激光焊

1. 高能焊概念：

高能焊接是指以激光束、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。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。

3.激光焊概念：

激光焊是高能焊的一种。是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。

3.激光焊特点：

（1）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。

（2）脉冲激光焊加热时间短、焊点小、热影响区小。

（3）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。

（4）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。

（5）激光不受电磁场的影响。

（6）激光的电光转换效率低（约为0.1 % ~ 0.3 %）。工件的加工和组装精度要求高，夹具要求精密，因此焊接成本高。

（7）一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可以用于焊接，又可以用于切割、合金化和热处理，一机多用。

4激光焊接的优点

激光焊接具有以下优点：能量密度高，可聚焦，深穿透，高效率，高精度，适应性强等。5激光焊设备组成

激光焊接设备由以下设备组成：工作平台，激光器，光束检测系统，焊接过程检测系统，导光聚焦系统，计算机控制系统

6激光器的组成

激光器一般由以下这些部件组成：

（1）激光工作物质：必须是一个具有若干能级的粒子系统并且具备压稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。

（2）激励源：即泵浦源，给激光物质提供能量，使之处于非平衡状态，形成粒子数反转。（3）谐振腔：机制给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈，并且限制光束的方向和频率。

（4）电源：为激励源提供能源。

（5）控制和冷却系统：保证激光器能够稳定、正常可靠工作。

（6）聚光器：固体激光器特有，使光泵浦的光能最大限度地照射在激光工作物质上

7.按照激光工作物质的状态，激光器可以分为：固体激光器和气体激光器，提高泵浦光的利用率。

8. 固体激光器根据不同的用途，有不同的工作方式，一般可以分为三种：（1）脉冲激光器——单次发射，每个激光脉冲的宽度为零点几毫秒至几十毫秒，每完成一次任务仅有一个脉冲。（2）重复频率激光器——这种激光器每秒可以产生几个到几十个脉冲，每完成一个任务需要几个脉冲。（3）连续激光器——可以长时间稳定的输出激光连续使用。

9.CO2激光器工作气体的主要成分是CO2 (Carbon Dioxide)、N2（Nitrogen）和He（Helium）。

10.CO2激光器具有以下特点：

（1）输出功率大，国外有100kW的CO2激光焊机。高功率激光焊接设备主要应用于冶金加工和汽车制造等相关产业。

（2）输出功率范围大，最小输出功率为数毫瓦，最大可输出功率几百kW。

（3）能量转换率高，大大的高于固体激光器。理论转换功率为40%，实际应用中光电转换效率为15%。

（4）CO2激光波长为10.6μm的红外激光，属于红外线。可以在空气中传播很远而衰减很小。

11.激光焊的分类

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）。

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。

12．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。

13.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。

14．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。

15. 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。

17．激光焊过程中的几种效应：等离子体效应，壁聚焦效应，净化效应。

18.脉冲激光焊的焊接参数

脉冲激光焊有4个主要参数：脉冲能量，脉冲宽度，功率密度，离焦量。

19.分析比较气体激光和固体激光的特点：

21．什么是激光-电弧复合焊接？

将激光束和电弧通过一定方式的组合后，作为复合热源来实现焊接的过程。

22. 激光+电弧作为一种复合热源，激光和电弧组合方式如下：

A.激光束+ TIG

B.激光束+ GMAW （熔化极气保焊）包括有：a. 激光束+ MIG b. 激光束+ MAG

C.激光束+ Plasma.

23.激光-电弧复合焊（按照激光和电弧主辅关系分类）包括三种主要的方法：电弧加强激

光焊接. B.激光辅助电弧焊接. C.电弧激光顺序焊接

20. 理解下图意义.注意结合实际分析.