第9章 高能束焊接

1、 高能量密度焊 高能量密度焊 熱源 圖9-1熱源功率密度與焊接的關系 高能束焊接的焊縫成形特點 圖9-2功率密度對熔深的影響 高能束焊接的焊縫成形特點 圖9-3傳熱焊和深熔焊示意圖 a)傳熱焊b)深熔焊 由于電子束、激光、等離子弧電子束、激光、等離子弧三種束流 的能量密度特別高，所以將電子束焊、激光 焊、等離子弧焊統(tǒng)稱為高能量密度焊高能量密度焊。 一、電子束焊一、電子束焊 是利用電子槍產生的電子束流，在強電 場的作用下以極高的速度撞擊待焊焊件表面 ，并把部分動能轉化為熱能使焊件熔化而形 成焊縫的一種工藝方法。 （一）電子束焊的特點、分類及應用（一）電子束焊的特點、分類及應用 1 1、電子束焊的

2、特點、電子束焊的特點 電子束焊與其它焊接方法相比，具有以下特點特點 ： （1）加熱的能量密度高； （2）焊縫熔深與熔寬比（即深寬比）大； （3）焊縫金屬純度高； （4）工藝參數(shù)調節(jié)范圍廣，適應性強。 2、電子束焊的分類及應用、電子束焊的分類及應用 (1) 按真空度分：高真空、低真空、非真空 三種電子束焊。 (2) 按加速電壓分： 在電子槍中，用以加速電子運動的陰極與 陽極之間的電壓稱加速電壓。 按電子束焊機的加速電壓的高低可分為高 壓、中壓、低壓三種電子束焊。 （二）真空電子束焊接（二）真空電子束焊接 1 1、真空電子束焊接的原理、真空電子束焊接的原理 真空電子束焊設備 圖9-4真空電子束焊設

3、備的組成示意圖 1陰極2聚束極3陽極4光學觀察系統(tǒng)5聚焦線圈6偏轉線圈 7聚焦電源8偏轉電源9真空工作室10工作臺及傳動系統(tǒng) 11工作室真空系統(tǒng)12真空控制及監(jiān)測系統(tǒng)13電子槍真空系統(tǒng) 14高壓電源15陰極加熱控制器16束流控制器17電氣控制系統(tǒng) 2、焊接工藝參數(shù)對焊縫形狀的影響、焊接工藝參數(shù)對焊縫形狀的影響 真空電子束焊的工藝參數(shù)主要包括加速 電壓、轟擊偏壓、電子束電流、聚焦電流工 作距離、焊接速度及真空度等。 3、真空電子束焊接技術、真空電子束焊接技術 電子束焊的應用 1)除含鋅高的材料(如黃銅)、低級鑄鐵和未脫氧處理的普通低碳鋼外， 絕大多數(shù)金屬及合金都可用電子束焊接，按焊接性由易到難的

4、順序 排列為鉭、鈮、鈦、鉑族、鎳基合金、鈦基合金、銅、鉬、鎢、鈹、 鋁及鎂。 2)可以焊接熔點、熱導率、溶解度相差很大的異種金屬。 3)對不開坡口焊厚大工件，焊接變形很?。荒芎附涌蛇_性差的焊縫。 4)可用于焊接質量要求高，在真空中使用的器件，或用于焊接內部 要求真空的密封器件；焊接精密儀器、儀表或電子工業(yè)中的微型器 件。 5)散焦電子束可用于焊前預熱或焊后冷卻，還可用作釬焊熱源。 6)在外太空等極端條件下的焊接，可能是其潛在的應用領域。 電子束在其他加工中的應用 電子束表面改性 電子束打孔 電子束氣相沉積 電子束表面改性 (1)電子束表面淬火電子束直接轟擊需要硬化的焊件表面(0.12.0m m

5、深度)，使表面溫度迅速上升，當達到焊件材料的相變溫度以上時， 持續(xù)加熱一定時間，然后突然切斷電子束流，焊件表面溫度急速下 降，產生淬火組織。 (2)電子束表面回火/退火用電子束加熱材料到一定深度，然后冷卻， 控制馬氏體的轉變，實現(xiàn)表面回火/退火。 (3)電子束表面重熔用電子束加熱焊件表面(0.10.3mm深度)，使其 達到焊件的熔化溫度以上，切斷電子束流后，通過自冷卻使得熔化 的表面金屬快速凝固(急速冷卻，甚至可形成非晶態(tài)表層組織)，從而 改變了表層成分的微觀結構和組織。 電子束表面改性 (4)電子束表面合金化用電子束加熱材料表層和輔助材料(可事先沉 積在表面或在電子束處理過程同時加上)，達到

6、基體材料和輔助材料 熔化點溫度以上，隨后通過自淬火，改變表層化學成分和微觀組織 結構的變化。 (5)電子束表面涂層用電子束加熱焊件材料表面及輔加材料至熔化 溫度以上，待焊件表層材料和輔加材料完全轉化成液相，隨后快速 冷卻，在焊件表層形成化學成分、微觀結構、組織形狀均不同的涂 層，涂層與基體牢固結合。 電子束打孔 電子束打孔是一種特殊的熱加工工藝，電子束能量密度 需大于108W/cm2。脈沖電子束打孔時，每個電子束脈 沖打一個孔，脈沖寬度一般只有幾毫秒。電子束可以對 最堅硬的材料進行打孔，可打垂直孔也可打傾斜一定角 度的斜孔，打孔的速度可達每秒幾個到3000個，是一種 效率極高的“鉆”孔工藝。電

7、子束打孔可得到0.051.1 mm 的孔徑，孔深可達10mm。幾乎所有金屬包括各種 難熔、高強度和非導電材料，如陶瓷、玻璃甚至人造革 等均可使用電子束打孔。它是一種不受材料硬度限制和 沒有磨損的加工工藝，影響深度和公差的主要因素是材 料的熱物理性能。國外在電子束打孔工藝上最有成效的 工業(yè)應用是航空發(fā)動機的燃氣輪機上的葉片、混合板和 消音器。 電子束氣相沉積 圖9-12EB-PVD制備熱障涂層的工作原理 二、激光焊二、激光焊 （一）激光焊及其特點（一）激光焊及其特點 激光：激光：即受激發(fā)射光(Laser-Light amplification by stimulated emission of

8、radiation) ，是利用輻射激發(fā)光放大原理，使工作物質受激 而產生一種單色性高、方向性好及亮度大的光， 經透鏡或反射鏡高度聚焦后，供給焊接、切割或 材料表面處理等所需的高功率密度熱源。 激光的產生及特性 圖9-13激光的特性 激光焊的特點 1)聚焦后的激光具有很高的功率(105107W/cm2或更高)，焊接可以 以深熔方式進行；與電弧焊相比，在相同功率和焊接厚度條件下， 焊接速度高；由于激光加熱范圍小(直徑1mm)，所以焊接熱影響區(qū) 小，激光焊殘余應力和變形小。 2)可焊接一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔點金屬等，甚至可 用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃等。 3)激光能反射、透射

9、，能在空間傳播相當距離而衰減很小，可進行 遠距離或一些難以接近部位的焊接。 4)一臺激光器可供多個工作臺進行不同的工作，既可用于焊接，又 可用于切割、合金化和熱處理，一機多用。 5)與電子束焊相比，激光焊最大的優(yōu)點是不需要真空室，不產生X射 線，同時光束不受電磁場影響；但焊接厚度比電子束焊小。 激光焊：激光焊：是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊 件接縫所產生的熱量進行焊接的方法。 與一般焊接方法相比，激光焊的特點特點： 1) 聚焦后的激光，其光斑直徑可小到0.01mm，具有 很高的功率密度，焊接多以深熔方式進行。 2) 激光加熱范圍小(1mm)，在相同功率和焊件厚 度條件下，其焊接速度高。板愈薄，

10、焊速愈高， 達10m/min以上。 3) 焊接輸入能量少，故焊縫和熱影響區(qū)窄，焊接殘 余應力和變形小，可以焊接精密零件和結構，焊 后不必矯正和機械加工。 4) 激光能反射、透射，能在空間傳播相當距離而衰 減很小。因此，可以通過光導纖維、棱鏡等光學 方法彎曲傳輸、偏轉或聚焦。只要焊縫在視線之 內，就可以進行遠距離或一些難以接近部位的焊 接。由于激光能穿透玻璃等透明體，適合于在玻 璃的密封容器里焊接鈹合金等劇毒材料。 5) 可以焊接一般焊接方法難以焊接的材料，如高 熔點金屬，甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶 瓷、有機玻璃等。 6) 一臺激光器可供多個工作臺進行不同的工作， 既可以用于焊接，又可以用

11、于切割或打孔，還可 以進行合金化和熱處理，一機多用。 7) 與電子束焊相比，激光焊不需要真空室，不產 生X射線，光束不受電磁場作用。其可焊厚度比 電子束小。 8) 激光的電光轉換及整體運行效率都很低。此外， 激光會被光滑金屬表面部分反射或折射，影響能 量向工件傳輸。所以焊接一些高反射率的金屬還 比較困難。 9) 設備投資大，特別是高功率連續(xù)激光器的價格昂 貴。此外，對待焊零件的加工和組裝精度要求高 ；工夾具也必須精密。只有高生產率才能顯示其 經濟性。 激光焊的缺點 1)焊接一些高反射率的金屬還比較困難。 2)設備(特別是高功率連續(xù)激光器)一次性投 資比其他方法大。 3)對焊件加工、組裝、定位要

12、求均很高。 4)激光器的電光轉換及整體運行效率較低。 激光焊的應用 圖9-14激光釬焊焊接的電子元器件管腳 連續(xù)激光焊的焊接參數(shù) 圖9-15不同保護氣體對激光焊等離子體的影 響 a)Heb)Arc)d)C （二）激光焊的分類（二）激光焊的分類 按輸出功率分有：低功率(1kW)、中功率 (1.510kW)和高功率(10kW)三類。 按激光器的工作方式分有： v 脈沖激光焊（焊接時形成一個個圓形焊點） v 連續(xù)激光焊（在焊接過程中形成一條連續(xù)焊縫） （三）激光焊設備（三）激光焊設備 激光焊設備主要由：激光器、光束傳輸和聚 焦系統(tǒng)、焊槍、工作臺、電源及控制裝置、氣源 和水源、操作盤和數(shù)控裝置等組成。

13、 激光器：激光器： 是產生受激輻射光并放大的器件，是激光設備的核心 部分。 根據(jù)激光器中工作物質的形態(tài)分有： 固體激光器固體激光器 流體激光器流體激光器 氣體激光器氣體激光器 焊接與切割用的主要是： 固體激光器固體激光器 CO2氣體激光器氣體激光器 光束傳輸和聚焦系統(tǒng)又稱外部光學系統(tǒng)，是用來把光 束傳輸并聚焦在工件上，在其端部安裝提供保護或輔助氣 流的焊槍或割槍。 激光焊設備的選擇與應用 圖9-16典型的Nd:YAG激光器結構示意圖 (1)固體激光器 固體激光器主要由激光工作物質(紅寶石、YAG或釹玻璃棒)、聚 光器、諧振腔(全反鏡和輸出窗口)、泵燈、電源及控制設備組成。 (2)CO2氣體激光

14、器 1)封閉式或半封閉式CO2激光器。 2)橫流式CO2激光器。 圖9-17橫流式C激光器結構示意圖 3)軸流式CO2激光器。 (2)CO2氣體激光器 圖9-18直流激勵快速軸流式激光器的基本結構 1激光束2輸出鏡3氣體出口4激勵放電5直流電極6折疊鏡7氣體入口8 后鏡 （四）激光焊工藝（四）激光焊工藝 激光焊可焊接的焊件厚度，能從幾微米到 幾十毫米，其熔深與熔寬之比可達10：1。 按激光器工作方式分為： 脈沖激光焊脈沖激光焊 連續(xù)激光焊連續(xù)激光焊 激光焊的新技術 1.激光-電弧復合焊技術 2.填充焊絲激光焊 3.光束旋轉激光焊 4.激光焊與攪拌摩擦焊的復合 激光-電弧復合焊技術 圖9-19激

15、光復合焊的原理示意圖 2.填充焊絲激光焊 激光焊接一般不填充焊絲，但對焊件裝配間隙要求很高，實際生 產中有時很難保證，限制了其應用范圍。采用填絲激光焊，可大 大降低對裝配間隙的要求。例如板厚2mm的鋁合金板，如不采用 填充焊絲，板材間隙必須為零才能獲得良好的成形，如采用?1.6 mm的焊絲做為填充金屬，即使間隙增至1.0mm，也可保證焊縫 良好的成形。 此外，填充焊絲還可以調整化學成分或進行厚板多層焊。 3.光束旋轉激光焊 使激光束旋轉進行焊接的方法，可大大降低焊件裝配以及光束對 中的要求。例如在2mm厚高強合金鋼板對接時，容許對縫裝配間 隙從0.14mm增大到0.25mm；而對4mm厚的板，

16、則從0.23mm增 大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對準允許誤差從0.25mm增 加至0.5mm。 4.激光焊與攪拌摩擦焊的復合 激光輔助攪拌摩擦焊(LAFSW)是最新推出的焊接技術。在攪拌摩 擦焊中需要較大的壓緊力和夾緊力，導致了攪拌摩擦焊設備笨重、 昂貴、攪拌頭磨損率高的問題，為了解決上述問題，采用激光作 為輔助能源加熱焊件，降低焊接成本的同時實現(xiàn)設備的小型化。 其原理是預先在攪拌頭前方對焊縫部位利用激光束進行加熱軟化， 減少對后期攪拌摩擦焊摩擦熱量的輸入要求，從而降低對夾緊力 和摩擦力的要求。 其他激光加工工藝 1.激光切割 2.激光快速成形 3.激光表面處理技術 4.激光氣相沉積

17、 5.激光切削與打孔 6.激光標記 1.激光切割 圖9-21激光切割的零件 (1)激光切割的特點及應用 2.激光快速成形 圖9-22激光快速成形生產的零件 3.激光表面處理技術 激光表面處理技術是利用激光加工的特點發(fā)展起來的一種新工藝。它包括激 光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化等各種加工手段。 激光相變硬化是激光淬火的結果，是應用最早、最成熟的激光表面處理技術。 激光相變硬化的技術特點有：空冷淬硬，淬硬層質量好，硬度比常規(guī)淬火高1 5以上；工件變形??；工藝簡單，適用面廣。目前激光相變硬化的預處理技 術應用最多的方法有磷化法和涂料法。 激光熔覆是利用激光的能量，在金屬材料上熔凝耐磨、耐腐蝕的高級、超高 級金屬層或金屬陶瓷層。激光熔覆層與基體金屬表面為冶金結合，但是對基 體金屬的熔化應盡可能少。與傳統(tǒng)的表面熔覆法相比，激光熔覆有許多突出 的優(yōu)點，如：能量密度大、加熱速度快、工件變形小等。 4.激光氣相沉積 激光氣相沉積是激光加工技術引人注目的研究熱點之一。其基本 原理是：將激光束照射于真空室中的靶材表面，加熱靶材并使其 以氣相的