先進激光焊接和電子束焊接技術(shù)發(fā)展和其應(yīng)用

1、咼能束焊接論文先進激光焊接與電子束焊接技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用姓名: 班級: 學(xué)號: 日期:先進激光焊接與電子束焊接技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用摘要：介紹激光焊接與電子束焊接技術(shù)的發(fā)展歷史，闡明這兩種焊接的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀及未來的發(fā)展前景，論述這兩種焊接工藝的特點及需進一步研究與探討的問題，將激光焊接（LBW）與電子束焊接（EBW）進行分析，指出這兩種焊接工藝的優(yōu)勢所在及其存在的問題。關(guān)鍵詞：激光焊接電子束焊接發(fā)展與應(yīng)用、八刖言焊接，作為現(xiàn)代重要的加工技術(shù)之一，自1882年出現(xiàn)碳孤焊開始，迄今己經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷程，為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展及技術(shù)進步的需要，先后產(chǎn)生了埋弧焊、電阻焊、電渣悍及各種氣體保護焊等一系列新的

2、焊接方法。進入20世紀(jì)50年代后，隨著焊接新工藝和新能源的開發(fā)研究，等離子弧切割與焊接、真空電子束焊接及激光焊接等高能束技術(shù)也陸續(xù)應(yīng) 用到各工業(yè)部門，使焊接技術(shù)達(dá)到了一個新的水平。特別是近年來，各種尖端工業(yè)的發(fā)展需求，不斷提出了具有特殊性能材料的焊接問題，如高強鋼、超高強鋼、特種耐熱耐腐蝕鋼、 高強不銹鋼、特種合金及金屬間化合物、復(fù)合材料、難熔金屬及異種材料焊接等等。激光焊接技術(shù)與其它熔化焊相比獨具的深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫質(zhì)量高，無氣孔，可精確控制，聚焦光點小，定位精度高，易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。電子 束焊接具有其它熔焊方法難以比擬的優(yōu)勢和特殊功能：其焊接能量密

3、度極高，容易實現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接、焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接殘余變形小、焊接工藝參數(shù) 容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等。這兩個焊接方法在各種加工制造業(yè)中得到了高度重視。1激光焊接技術(shù)激光焊接是一種新型的熔化焊接方式，是利用原子受激輻射的原理，使工作物質(zhì)（激光材料）受激而產(chǎn)生的一種單色性好、方向性強、強度很高的激光束。聚焦后的激光束最高能 量密度可達(dá)1013w/cm2，在千分之幾秒甚至更短時間內(nèi)將光能轉(zhuǎn)換成熱能，溫度可達(dá)一萬攝 氏度以上，利用這種高能量的激光脈沖對材料進行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴散，將材料熔化后形成特定熔池，從而達(dá)到焊接的目的。

4、激光焊接主要針對薄壁材料、精密零件的焊接，可實現(xiàn)點焊、對接焊、疊焊、密封焊等。激光焊接中應(yīng)用的激光器主要有兩大類，一類是固體激光器，又稱Nd: YAG激光器。Nd（欽）是一種稀土族元素，YAG弋表憶鋁拓榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。Nd: YAG激光器波長為1.06mm,主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。另一類是氣體激光器， 又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為 10. 6mm的紅外激光，可以連續(xù)工作并 輸出很高的功率，標(biāo)準(zhǔn)激光功率在25千瓦之間。1.1激光焊接的種類激光焊接分為脈沖激

5、光焊接和連續(xù)激光焊接兩大類。脈沖激光焊特別適用于對電子工業(yè)和儀表工業(yè)微形件的焊接，可以實現(xiàn)薄片（0.2mm以上）、薄膜（幾微米到幾十微米）、絲與絲（直徑0. 02 2mm密封縫焊和異種金屬、異種材料的焊接，如集成電路外引線和內(nèi)引線（硅 片上蒸鍍有的鋁膜和厚鋁箔間 ）的焊接，微波器件中速調(diào)管的擔(dān)片和鑰片的焊接，零點幾毫 米不銹鋼、銅、鎳、擔(dān)等金屬絲的對接、重迭、十字接、T字接，密封性微型繼電器、石英晶體器件外殼和航空儀表零件的焊接等。連續(xù)激光焊接主要使用 CO2大功率氣體激光器，適合于從薄板精密焊到50mn厚板深穿入焊的各種焊接。1.2激光焊接的特點激光焊接與傳統(tǒng)的熔焊工藝相比，具有的優(yōu)勢主要集

6、中在以下幾個方面：(1) 能量密度大且放出極其迅速，在高速加工中能避免熱損傷和焊接變形，可進行精密 零件、熱敏感性材料加工。(2) 被焊材料不易氧化，可以在大氣中焊接，不需要氣體保護或真空環(huán)境。(3) 激光可對絕緣材料直接焊接，對異種金屬材料焊接比較容易，甚至能把金屬與非金 屬焊接在一起。(4) 激光焊接裝置不需要與被焊接工件接觸。激光束可用反射鏡或偏轉(zhuǎn)棱鏡將其在任何方向上彎曲或聚焦，還可用光導(dǎo)纖維將其引到難以接近的部位進行焊接。激光還可以穿過透明材料進行聚焦，因此可以焊接一般方法難以接近的接頭或無法安置的接焊點，如真空管中電極的焊接。(5)激光束不會帶來任何磨損，且能長時間穩(wěn)定工作。激光焊接

7、的不足主要表現(xiàn)在以下兩點：(1) 要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因為激光 聚焦后光斑尺寸小， 焊縫窄。如工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺陷。(2)激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資比較大。2激光焊接在加工生產(chǎn)中的應(yīng)用激光焊接最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是汽車、為例，激光焊接己實現(xiàn)規(guī)?；?， 統(tǒng)計，在歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國家中，有 要以激光焊接和激光切割為主， 開始重視這種先進的焊接技術(shù)，航空航天、船舶等加工中的焊接制造。并且己出現(xiàn)了相關(guān)的自動生產(chǎn)線和焊接機器人。50% 70%勺汽車零部件是用激光加工來完成的。以汽車制造 據(jù)有關(guān)資料 其中主激光焊接在汽車工

8、業(yè)中己成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。我國汽車工業(yè)界也如率先使用激光焊接技術(shù)的上海大眾，新近上市的多功能轎41米。汽車工業(yè)中，激光技術(shù)主要用于車身車的車身上，使用激光焊接技術(shù)的總長度達(dá)到 拼焊、焊接和零件焊接。激光用于車身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起， 再進行沖壓，這樣制成的面板結(jié)構(gòu)能達(dá)到最合理的金屬組合。 加工。激光焊接加速了用車身沖壓零件代替鍛造零件的進程。 寬度和一些加強部件，還可以壓縮車身結(jié)構(gòu)件本身的體積。 左右。而且激光焊接技術(shù)能保證焊點連接達(dá)到分子層面的接合， 撞安全性，同時有效降低了車內(nèi)噪聲。激光拼焊是在車身設(shè)計制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計和性能要求，通過激光截剪和拼裝

9、技術(shù)完成車身某一部位的制造，例如前檔風(fēng)玻璃框架、 車身底板、中立柱等。激光拼焊具有減少零件和模具數(shù)量、減少點焊數(shù)目、然后 由于很少變形，也省去了二次 采用激光焊接，可以減少搭接 僅此一項車身的重量可減少50kg有效提高了車身的剛度和碰選擇不同規(guī)格的鋼板, 車門內(nèi)板、優(yōu)化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好處。而激光焊接主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接， 例如頂蓋與側(cè)面車身的焊接，傳統(tǒng)焊接方法的電阻點焊己經(jīng)逐漸被激光焊接所代替。用激光焊接技術(shù)，工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了板材使用量也提高了車體的剛度，目前己經(jīng)被世界上部分生產(chǎn)高檔轎車的大汽車制造商和領(lǐng)先的配件供應(yīng)商所采用。飛

10、機制造中，它主要應(yīng)用于飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長析的焊接，以保證氣動面的外形公差。另外在機身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術(shù)，如腹鰭和襟翼的翼盒， 結(jié)構(gòu)不再是應(yīng)用內(nèi)肋條骨架支撐結(jié)構(gòu)和外加蒙皮完成，而是應(yīng)用了先進的飯金成形技術(shù)后， 采用激光焊接技術(shù)在三維空間完成焊接拼合，不僅產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，而且工藝再現(xiàn)性好，減重效果明顯。珠寶首飾行業(yè)中，激光焊接可滿足美觀性及不同材質(zhì)間焊接，己被廣泛用于金銀首飾補孔、點焊砂眼、焊鑲口等。激光焊接中的熔覆技術(shù)己成為模具修補的主要技術(shù)，航空業(yè)界用此技術(shù)進行航空發(fā)動機Ni基渦輪葉片耐熱、耐磨層的修復(fù)。激光熔覆與其它表面改性方法相比，加熱速度快、熱 輸入

11、少，變形極小，結(jié)合強度高，稀釋率低，改性層厚度可精確控制，定域性好、可達(dá)性好、生產(chǎn)效率高。其它諸如手機電池、電子元件、傳感器、鐘表、精密機械、通信等行業(yè)都己引入了激光 焊接技術(shù)。激光焊接由于設(shè)備投入較高，目前只是在高附加值的領(lǐng)域里應(yīng)用較多，即使在這些領(lǐng)域里，激光焊接長期以來也并沒有被充分利用。不過隨著新的激光焊接技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)，激光焊接正在逐漸擠進長期以來一直被傳統(tǒng)焊接技術(shù)所占據(jù)的“領(lǐng)地”。3激光焊接技術(shù)的發(fā)展前景與面臨的挑戰(zhàn)目前，在激光焊接技術(shù)研究與應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先水平的國家有德國、日本、瑞士和美國等國。橫流連續(xù) CO2激光加工設(shè)備的輸出功率可達(dá)20kW脈沖Nd: YAG激光器的最大平

12、均輸出功率也己達(dá)到 4kW并且實現(xiàn)了納秒級的脈沖寬度。激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)的材料厚度 最大己達(dá)80mm最小為0.05mm,大部分材料的激光焊接質(zhì)量均超過傳統(tǒng)焊接工藝。激光焊 接技術(shù)正朝著低成本、高質(zhì)量的方向發(fā)展，具有很大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景?？梢灶A(yù)料，激 光焊接工藝將逐步占據(jù)焊接領(lǐng)域的主要位置，并取代一些傳統(tǒng)落后的焊接方法。激光焊接技術(shù)在迅猛發(fā)展的同時，也面臨著一些新的課題，其中包括：高功率低模式激;激光焊接時聲、光、電信號的反饋控 激光焊接技術(shù)面臨的這些新的同時，這些新問題的提出也預(yù)示著光器的開發(fā)及在焊接中的應(yīng)用；納秒級短脈沖高峰值功率激光焊接過程中激光與材料的作用 機制；超薄板材激光焊接工藝的

13、優(yōu)化與接頭性能的檢測 制;激光焊接過程中等離子體的產(chǎn)生對焊接質(zhì)量的影響等等。 挑戰(zhàn)，有待于從事激光焊接的研究人員進行深入的探討， 激光焊接技術(shù)正向著更加深化的方向發(fā)展。4電子束焊接方法電子束焊接（EBW）是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽極間的高壓（25 300KV）加速電場作用下被拉出，并加速到很高的速度（0.3 0.7倍光速），經(jīng)一級或二級磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當(dāng)其撞擊在工件接縫處時，其動能轉(zhuǎn)換為熱能，使材料迅速熔化而達(dá)到焊接的目的。 其實，高速電子在金屬中的穿透能力非常弱，如在100KV加速電壓下僅能穿透0.025mm=但電子束焊接中之所以能一次焊透甚至達(dá)數(shù)百毫米，這是因

14、為焊接過程 中一部分材料迅速蒸發(fā)， 其氣流強大的反作用力將熔融的底面金屬液體向四周排開，露出新的底面，電子束繼續(xù)作用，過程連續(xù)不斷進行，最后形成一深而窄的焊縫?！靶】住毙纬蓹C理與 低真空焊接和非 通過磁透鏡會聚， 電子的4.1電子束焊接的特征由于高能量密度的電子束流集中作用的結(jié)果，使得電子束焊接熔池其他熔化焊有所不同。根據(jù)真空度的不同，電子束焊接可分為高真空焊接、 真空焊接三種。電子束焊接過程是，高壓加速裝置形成的高功率電子束流， 得到很小的焦點（其功率密度可達(dá)104 109w/cm），轟擊置于真空或非真空的焊件時， 動能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，熔化金屬，實現(xiàn)金屬焊接的目的。電子束焊接的特點可概括如下

15、（1）電子束斑點直徑小，加熱功率密度大，焊接速度快，焊縫寬度狹窄，熱影響區(qū)小， 特別適宜于精密焊接和微型焊接；（2 ）可獲得深寬比大的焊縫，焊接厚件時可以不開坡口一次成形；（3 ）多數(shù)構(gòu)件是在真空條件下焊接，焊縫純潔度局；（4）規(guī)范參數(shù)易于調(diào)節(jié)，工藝適應(yīng)性強。焊接工藝參數(shù)的重復(fù)性和再現(xiàn)性好；（5）適于焊接多種金屬材料；（6）焊接熱輸入低，焊接熱變形小。當(dāng)然電子束焊接方法也有一些不足，如：（1）電子束焊機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制設(shè)備精度高，所需費用高；（2） 冷卻過程中快速凝固，引起焊接缺陷，如氣孔、焊接脆性等；（3）工件大小受真空室尺寸的限制，每次裝卸工件要求重新抽真空。 5電子束焊接在工業(yè)上的應(yīng)用電子

16、束焊接正廣泛應(yīng)用于各種構(gòu)件，如結(jié)構(gòu)鋼、Ti合金、Al合金、厚大截面的不銹鋼和異種材料的焊接。近年來，在對各種材料電子束焊接可焊性和接頭性能研究方面均獲得了 可喜的進展。在焊接大厚件方面，電子束一直具有得天獨厚的優(yōu)勢。特別是在能源、重工業(yè) 及航空工業(yè)中發(fā)展迅速。如在核工業(yè)大型核反應(yīng)堆環(huán)形真空槽和線圈隔板的電子束焊接中， 其最大焊接深度達(dá) 150 mm電子束焊接發(fā)揮其深熔焊的特點可一次焊透厚達(dá)150-200mm的鋼板，且焊后不再加工就可投入使用。又如在日本PWF蒸汽發(fā)電機的安裝和改造中采用的就是主要應(yīng)用于飛機重要承力件和 F-22戰(zhàn)斗機機身段上，由電子束焊接 同時，電子束焊接技術(shù)作為柔性很好的 在

17、渦輪葉片及熱端部件修理領(lǐng)域也有電子束焊接，他們采用無缺陷的焊接程序和步驟，成功地實現(xiàn)了不銹鋼厚板的電子束焊接。一直以來，電子束焊接在航空、 航天工業(yè)中的應(yīng)用居多， 發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件的焊接上。例如，在美國近年發(fā)展的 的Ti合金焊縫長度達(dá) 87.6 mm厚度為6.4-25 mm 工藝方法，不僅在發(fā)動機制造領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用， 其廣闊的市場。另外，電子束焊接在電子、儀表和生物醫(yī)藥工業(yè)上也起到了獨特的作用。由于在這些工 業(yè)中，有許多零件對焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高。電子束焊接技術(shù)可以解決電子和儀表工業(yè)中許多Cu 一 Be合金、Ti合金、不銹鋼以采用該焊接技術(shù)可以很好地解決異種因此異種材料的電子束焊接己經(jīng)越金屬

18、和非金屬材料的焊接等。特別是在精密零件的焊接難題，例如封裝焊接、高熔點金屬焊接、集中加熱焊接、穿透焊接等，其焊 縫質(zhì)量高，工件變形小，焊接效率也高。在生物醫(yī)藥業(yè)中對焊縫清潔度的要求很高，采用電 子束焊接可以輕松實現(xiàn)上述行業(yè)中各種材料的焊接，如 及陶瓷與金屬的焊接等。憑借EBB能量密度高，加熱和冷卻速度快的特點， 材料焊接中出現(xiàn)的兩種材料冶金不相容和性能差異問題， 來越得到人們的重視，尤其是厚大異種材料的焊接、 航空發(fā)動機、精密儀器、刀具刃具制造方面有廣泛的應(yīng)用前景。CNC控制提高設(shè)備國內(nèi)外電子束焊600KV 300KW的超為了使電子束焊接技術(shù)獲得更進一步的應(yīng)用和發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者正從以下幾方面著

19、手進行研究，即完善超高能密度電子束熱源裝置；掌握電子束品質(zhì)過計算機及柔性以擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，隨著電子束焊接設(shè)備的不斷改進和更新， 接技術(shù)及其應(yīng)用也有了長足的發(fā)展，主要內(nèi)容包括：日本大阪大學(xué)研制了200mm厚不銹鋼時，深寬比達(dá) 70: 1。歐共體采用德國阿亨大 80mm圓筒壓力容器電 找出了減少和消除圓環(huán)焊 得到了反面無飛濺的 取得了良好的社會和高壓電子束熱源裝置，一次焊學(xué)研制的DIA BEAM系統(tǒng)，對電子束特性進行了定量研究，對大型壁厚 子束焊的環(huán)縫起焊收尾搭接處，通過電子束焦點及焊接過程分析，縫收尾處缺陷的方法。 日本采用填絲雙槍電子束薄板超高速焊接技術(shù)， 良好焊縫。近年英國焊接研究所采用非真空電子束焊接銅制核廢料罐，經(jīng)濟效益。國內(nèi)有北京航空工藝所在1992年研制成功了 ZD150-15A高壓電子束焊機，并用此機完成了多種航空航天發(fā)動機零部件的焊接，以及導(dǎo)彈殼體、汽車變截面軸、石油鉆頭等多種軍民品。6電子束焊接的發(fā)展趨勢綜上所述，國內(nèi)外開展電子束焊接技術(shù)研究的廣度和深度在不斷的加大，己經(jīng)在焊接理論和工藝實踐上取得了積極的研究成果。但由于電子束焊接過程中電子束與金屬間的深穿快速物理化學(xué)冶金作用，以及當(dāng)前研究分析手段上的局限性，使得焊接機理的本質(zhì)研究有待進一步深入。基于電子束焊接異種材料的優(yōu)越性