焊接方法與設備-高能束焊.ppt

2019/6/30,1,高能束焊接,等離子弧焊接 電子束焊 激光焊,2019/6/30,2,焊接熱源的最小加熱面積、最大功率密度和溫度,2019/6/30,3,等離子弧焊接,定義：借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用，獲得高能量密度的等離子弧進行焊接的方法（PAW）。,2019/6/30,4,等離子弧焊接,2019/6/30,5,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的形成,等離子弧定義：通過外部拘束使自由電弧的弧柱被強烈壓縮所形成的電弧。,2019/6/30,6,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的形成,自由電弧,2019/6/30,7,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的形成,拘束電弧 壓縮電弧,2019/6/30,8,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的形成,2019/6/30,9,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的形成,三種壓縮機制： 機械（前提）：利用水冷噴嘴孔道限制弧柱直徑，來提高弧柱的能量密度和溫度。 熱（主要原因）：由于水冷噴嘴溫度較低，從而在噴嘴內壁建立起一層冷氣膜，迫使弧柱導電斷面進一步減小，電流密度進一步提高。弧柱這種收縮謂之“熱收縮”，也可稱為“熱壓縮”。 電磁（必然存在）：弧柱電流本身產生的磁場對弧柱有壓縮作用(即磁收縮效應)，電流密度越大，磁收縮作用越強。,2019/6/30,10,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的類型,按電源連接方式分為非轉移型、轉移型和聯(lián)合型。,焊接中最常用的類型？,2019/6/30,11,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的形成,等離子弧的影響因素 電流 噴嘴孔徑尺寸 等離子氣種類及流量（H2、N2、Ar）,2019/6/30,12,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的特性,2019/6/30,13,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的特性,TIG:10000-24000K 104w/cm2 PAW:24000-50000K 105w/cm2,2019/6/30,14,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的特性,TIG:斑點熱量是焊接的主導能量 弧柱的傳導輻射對于焊接是次要能量 PAW:弧柱高速高溫等離子體通過接觸傳導與輻射可能成為焊接的主要能量 斑點熱量降為次要能量,2019/6/30,15,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的特性,挺度好、沖擊力大,面積變化20%,2019/6/30,16,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的基本方法,(1)小孔型等離子弧 小孔型焊又稱鼻孔、鎖孔或穿透焊，它是利用等離子能量密度大和等離子流力大的特點，將工件安全熔透并產生一個貫穿工件的小孔。被熔化的金屬在電弧吹力、液體金屬重力與表面張力相互作用下保持平衡。焊槍前進時，小孔在電弧后方鎖閉，形成完全焊透的焊縫。,按焊縫成形原理分，等離子弧焊有三種基本方法：小孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊和微速等離子弧焊。,2019/6/30,17,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的基本方法,(2)熔透型等離子弧焊 當離子氣流量較小、弧柱壓縮強度較弱時，這種等離子弧在焊接過程中只熔化工件而不產生小孔效應。焊縫成形原理和鎢氬弧焊相似。其主要用于薄板單面焊雙面成形及厚板的多層焊。 (3)微束等離子弧焊 30A以下熔透型焊接通常稱為微束等離子弧焊。采用小孔徑壓縮噴嘴(0612mm)及聯(lián)合型弧。它又稱針狀等離子弧。焊接電流小至1A以下仍有較好的穩(wěn)定性。,2019/6/30,18,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -等離子弧的適用范圍,等離子弧焊與鎢極氬弧焊一樣，可手工焊也可自動焊，可填加焊絲或不填加焊絲。等離子焊可以焊接碳鋼、不銹鋼、銅合金、鎳合金以及鈦合金等。不開坡口對接能一次焊透的厚度，見表。,2019/6/30,19,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -雙弧現(xiàn)象及防止,在采用轉移弧時，由于某些原因，有時除了在鎢極和工件之間燃燒的等離子弧外，還會另外產生一個在鎢極噴嘴工件之間燃燒的串列電弧，這種現(xiàn)象謂之雙弧,2019/6/30,20,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -雙弧現(xiàn)象及防止,危害： 破壞穩(wěn)定性、破壞接頭質量 降低功率、影響穿透力 危害噴嘴,2019/6/30,21,第一節(jié) 等離子弧的形成及特性 -雙弧現(xiàn)象及防止,防止措施： 正確選擇電流 氣體成分及流量 噴嘴尺寸、形狀 鎢極內縮長度、對中 噴嘴冷卻 距離焊件的距離 送氣方式的改進 清理噴嘴,2019/6/30,22,定義：利用加速和聚焦電子束轟擊置于真空或非真空中焊件所生的熱能進行焊接的方法稱為電子束焊。(EBW),高能束焊接 -電子束焊的定義,2019/6/30,23,（1）功率密度高 電子束焊接時常用的加速電壓范圍為30150kV，電子束電流201000mA，電子束焦點直徑約為0.11mm，這樣，電子束功率密度可達106W/cm2以上。 （2）精確、快速的可控性 作為物質基本粒子的電子具有極小的質量（9.110-31kg）和一定的負電荷（1.610-19C），電子的荷質比高達1.7610-11C/kg,通過電場、磁場對電子束可作快速而精確的控制。電子束的這一特點明顯地優(yōu)于激光束，后者只能用透境和反射鏡控制，速度慢。,高能束焊接 -電子束的特點,2019/6/30,24,1）電子束穿透能力強，焊縫深寬比大。目前，電子束焊縫的深寬比可達到60:1。焊接厚板時可以不開坡口實現(xiàn)單道焊，比電弧焊可以節(jié)省輔助材料和能源的消耗。 2）焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接變形小。對精加工的工件可用作最后連接工序，焊后工件仍保持足夠高的精度。,高能束焊接 -電子束焊的優(yōu)點-1,2019/6/30,25,高能束焊接 -電子束焊的優(yōu)點-2,3）真空電子束焊接不僅可以防止熔化金屬受到氧、氮等有害氣體的污染，而且有利于焊縫金屬的除氣和凈化，因而特別適于活潑金屬的焊接。也常用電子束焊接真空密封元件，焊后元件內部保持在真空狀態(tài)。 4）電子束在真空中可以傳到較遠的位置上進行焊接，因而也可以焊接難以接近部位的接縫。 5）通過控制電子束的偏移，可以實現(xiàn)復雜接縫的自動焊接?？梢酝ㄟ^電子束掃描熔池來消除缺陷，提高接頭質量。,2019/6/30,26,高能束焊接 -電子束焊的缺點,1）設備比較復雜、費用比較昂貴。 2）焊接前對接頭加工、裝配要求嚴格，以保證接頭位置準確、間隙小而且均勻。 3）真空電子束焊接時，被焊工件尺寸和形狀常常受到工作室的限制。 4）電子束易受雜散電磁場的干擾，影響焊接質量。 5）電子束焊接時產生的X射線需要嚴加防護以保證操作人員的健康和安全。,2019/6/30,27,高能束焊接 -電子束焊的設備,Electron Beam Welding precision components- technician operating 3KW, 12 inch cubed chamber Electron Beam Welder,2019/6/30,28,高能束焊接 -電子束焊的設備,真空電子束焊接上海交大焊接研究所,2019/6/30,29,高能束焊接 -電子束焊的工作原理,電子束是從電子槍中產生的。通常電子是以熱發(fā)射或場致發(fā)射的方式從發(fā)射體（陰極）逸出。在25300kV的加速電壓的作用下，電子被加速到0.30.7倍的光速，具有一定的動能，經電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，電子會聚成功率密度很高的電子束。 這種電子束撞擊到工作表面，電子的動能就轉變?yōu)闊崮?，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)。在高壓金屬蒸氣的作用下熔化的金屬被排開，電子束就能繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬，很快在被焊工件上“鉆”出一個鎖形小孔，小孔的周圍被液態(tài)金屬包圍。隨著電子束與工件的相對移動，液態(tài)金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻、凝固形成了焊縫。,2019/6/30,30,高能束焊接 -電子束焊的工作原理,2019/6/30,31,高能束焊接 -電子束焊的工作原理,2019/6/30,32,高能束焊接 -電子束焊的工作原理,2019/6/30,33,高能束焊接 -電子束焊的分類,按被焊工件所處的環(huán)境的真空度可分為三種：高真空電子束焊，低真空電子束焊和非真空電子束焊。 高真空電子束焊是在10-410-1Pa的壓強下進行的。良好的真空條件，可以保證對熔池的“保護”防止金屬元素的氧化和燒損，適用于活性金屬、難熔金屬和質量要求高的工件的焊接。 低真空電子束焊是在10-110Pa的壓強下進行的。壓強為4Pa時束流密度及其相應的功率密度的最大值與高真空的最大值相差很小。因此，低真空電子束焊也具有束流密度和功率密度高的特點。由于只需抽到低真空，明顯地縮短了抽真空時間，提高了生產率，適用于批量大的零件的焊接和在生產線上使用。例如：變速器組合齒輪多采用低真空電子束焊接。,2019/6/30,34,高能束焊接 -電子束焊的分類,在非真空電子束焊機中，電子束仍是在高真空條件下產生的，然后穿過一組光闌、氣阻和若干級預真空小室，射到處于大氣壓力下的工件上。在壓強增加到715Pa時，由于散射，電子束功率密度明顯下降。在大氣壓下，電子束散射更加強烈。即使將電子槍的工作距離限制在2050mm，焊縫深寬比最大也只能達到5:1。目前，非真空電子束焊接能夠達到的最大熔深為30mm。這種方法的優(yōu)點是不需真空室，因而可以焊接尺寸大的工件,生產率較高。近年來，移動式真空室或局部真空電子束焊接方法，既保留了真空電子束高功率密度的優(yōu)點，又不需要真空室，因而在大型工件的焊接工程上有應用前景。,2019/6/30,35,高能束焊接 -電子束焊,電子束焊可焊接所有的金屬材料和某些異種金屬接頭,從箔片至板材均可一道焊成，鋼板可焊厚度達100毫米,鋁板達150毫米，銅板可達25毫米。碳鋼在真空中焊接時，由于鋼中原含有的氣體會釋放出來，焊縫金屬容易產生微氣孔。,2019/6/30,36,高能束焊接 -激光焊,激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高校精密焊接方法。（LBW）,2019/6/30,37,高能束焊接 -激光焊,2019/6/30,38,激光束基本特性,單色性好、方向性好、亮度高、相干性好。 1、單色性 激光中單色性最好的是氣體激光器產生的激光。 He-Ne激光器產生的632.8nm譜線，線寬只有10-9nm。 普通光源中單色性最好的用來作為長度基準器的氪燈(Kr86)，其譜線寬度為4.710-3nm。 激光的單色性比一般光要高出106107倍以上 .,自然光由波場范圍較寬的光構成，激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性。 單色性決定物質對激光能量的吸收和精細聚焦的可能性； CO2：10.6m CO： 5.4m YAG：1.06m 準分子：0.24m；,2019/6/30,39,2、方向性好、亮度高 從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為方向性。 激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等于10-310-5弧度。 激光通過直徑為D的孔徑時，由于衍射會產生一定發(fā)散：,激光的方向性帶來兩個結果： 光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。 一個具有10mW功率的He-Ne激光器可產生比太陽高幾千倍的亮度，可在屏幕上形成面積很小但照度很大的光斑。,2019/6/30,40,3、相干性好 以適當方法將統(tǒng)一光源發(fā)出的光分成兩束，再 使兩束光重 合便產生明暗相間的條紋，這就是 光的干涉。 自然光由無數(shù)的原子與分子發(fā)射，產生波長各不相同的雜亂光，合成后不能形成整齊有序的大振幅光波。 激光的相位在時間上是保持不變的，合成后能形成相位整齊、規(guī)則有序的大振幅光波。,2019/6/30,41,高能束焊接 -激光焊,優(yōu)點 能量集中、熱影響區(qū)小、應力變形小 深寬比大 適應性強 可達性好、易傳輸 不受電磁干擾 不用真空室、無射線,2019/6/30,42,遠距離焊接系統(tǒng)原理,2019/6/30,43,激光焊接的主要問題： 設備貴 反射問題 組裝定位 合金元素的揮發(fā) 焊接過程中一些高揮發(fā)性的合金元素(如硫和磷)從熔池中揮發(fā)出來，會導致氣孔的產生，而且有很可能產生咬邊。 冷卻速度非?？?材料的含碳量成為一個非常重要的影響參數(shù)，對材料的脆化、微裂紋及疲勞強度都會有影響。,2019/6/30,44,一、激光焊接原理,熱導焊接 深熔焊接 熱導焊焊縫 深熔焊焊縫,激光焊接原理及應用,2019/6/30,45,二、激光深熔焊的焊接原理,激光深熔焊幾何特征 1 激光束 2 焊接熔池 3 小孔 4 焊縫寬度 5 熔池深度,激光深熔焊腔內液體金屬的流動 1 激光束 2 小孔后部流動區(qū) 3 小孔內流動區(qū),小孔內激光的吸收過程 1 激光束 2 等離子體 3 熔池后部熔化區(qū) 4 焊件運動方向,2019/6/30,46,高能束焊接 -激光焊,原理 自由輻射 受激吸收 受激輻射 條件 粒子集居數(shù)反轉（粒子數(shù)反轉）,2019/6/30,47,高能束焊接 -激光焊,激光的形成過程 工作物質 激勵、受激輻射 自激振蕩增益 外界能量注入（泵浦） 光學諧振腔,2019/6/30,48,高能束焊接 -激光焊,2019/6/30,49,CO2激光的產生,1. 激光束 2. 切向排風機 3. 氣流方向 4. 熱交換器 5. 后鏡 6. 折疊鏡 7. 高頻電極 8. 輸出鏡 9. 輸出窗口,CO2激光器系統(tǒng),一般氣流的流動速度較慢,將熱量從放電腔中帶走。,2019/6/30,50,YAG激光的產生,根據(jù)工作物質分類： 紅寶石：激活離子Cr3+，波長：694.3nm，三能級； Nd:YAG：激活離子：Nd，波長：1.06m，四能級； 釹玻璃： 激活離子：Nd，波長:1.06m，四能級 脈沖寬度：100500ns，頻率：幾百62kHz。,2019/6/30,51,Y