高能束流焊接技術(shù)的最新進展

1、高能束流焊接技術(shù)的最新進展    高能束流焊接的功率密度（Power Density）達到105W/cm2以上。    束流由單一的電子、光子、電子和離子或二種以上的粒子組合而成。屬于高功率密度的熱源有： 等離子弧、電子束、激光束及復合熱源  激光束+Arc（TIG、MIG、Plasma）。    當前高能束流焊接被關(guān)注的主要領(lǐng)域是：高能束流設備的大型化功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化。新型設備的研制，諸如，脈沖工作方式以及短波長激光器等。設備的智能化

2、以及加工的柔性化。束流品質(zhì)的提高及診斷。束流、工件、工藝介質(zhì)相互作用機制的研究。束流的復合。新材料的焊接。應用領(lǐng)域的擴展。    1、激光焊接的最新進展    1.1  新型激光器    （1）直流板條式（DC Slab）CO2激光器、（2） 二極管泵浦的YAG激光器、（3）CO激光器、（4）半導體激光器、（5）準分子激光器。    1.2  激光器功率的大型化、脈沖方式以及高質(zhì)量的光束模式  &

3、#160; 以美國PRC公司為例，幾年前，用于切割的CO2激光器功率主要是15002000W，而近期的主導產(chǎn)品是40006000W，6000W可切割的不銹鋼厚度、碳鋼厚度分別為35 mm和40 mm.    1.3  設備的智能化及加工的柔性化    尤其是對YAG激光，由于可用光纖傳輸，給加工帶來了極大的方便。    其主要特點是：一機多用。采用一臺激光機可進行多工位（可達6個）加工。光纖長度最長可達60m.開放式的控制接口。具有遠距離診斷功能。

4、0;   1.4  束流的復合    最主要的是激光電弧復合。深熔焊接時，熔池上方產(chǎn)生等離子體，復合加工時，激光產(chǎn)生的等離子體有利于電弧的穩(wěn)定；復合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料諸如鋁合金、雙相鋼等的焊接性；可增加焊接的穩(wěn)定性和可靠性；通常，激光加絲焊是很敏感的，通過與電弧的復合，則變的容易而可靠。    激光電弧復合主要是激光與TIG、Plasma以及GMA.通過激光與電弧的相互影響，可克服每一種方法自身的不足，進而產(chǎn)生良好的復合效應。  &#

5、160; GMA 成本低，使用填絲，適用性強，缺點是熔深淺、焊速低、工件承受熱載荷大。激光焊可形成深而窄的焊縫，焊速高、熱輸入低，但投資高，對工件制備精度要求高，對鋁等材料的適應性差。Laser-GMA的復合效應表現(xiàn)在：電弧增加了對間隙的橋接性，其原因有二：一是填充焊絲，二是電弧加熱范圍較寬；電弧功率決定焊縫頂部寬度；激光產(chǎn)生的等離子體減小了電弧引燃和維持的阻力，使電弧更穩(wěn)定；激光功率決定了焊縫的深度；更進一步講，復合導致了效率增加以及焊接適應性的增強。    從能量觀點看，激光電弧復合對焊接效率的提高十分顯著。這主要基于兩種效應，一是較高的能

6、量密度導致了較高的焊接速度；二是兩熱源相互作用的疊加效應。    GMA、激光加絲和激光電弧復合三種方法焊接時線能量、焊縫斷面以及能量利用率的比較。    Laser -TIG Hybrid可顯著增加焊速，約為TIG焊接時的2倍；鎢極燒損也大大減小，壽命增加；坡口夾角亦減小焊縫面積與激光焊時相近。阿亨大學弗朗和費激光技術(shù)學院研制了一種激光雙弧復合焊接，與激光單弧復合焊相比，焊接速度可增加約1/3，線能量減小25%.    英國Conventry大學現(xiàn)代連接中心亦有Laser-

7、plasma復合焊接的報導。其優(yōu)點是：提高焊接速度和熔深；由于電弧加熱，金屬溫度升高，降低了金屬對激光的反射率，增加了對光能的吸收。在小功率CO2激光試驗基礎上，還要在12 000W CO2 激光以及光纖傳輸?shù)?kW YAG激光器上進行，并為機器人進行PALW打基礎。    1.5  激光、工件與保護氣體相互作用的研究    1.6  鋁合金的激光焊接    鋁合金由于比強度高、抗腐蝕性好而得以廣泛應用。CO2激光焊接鋁合金的困難主要在于高的反射率以及導熱

8、性好，難以達到蒸發(fā)溫度、難于誘導小孔的形成（尤其是對Mg含量比較小時）以及容易產(chǎn)生氣孔。提高吸收率的措施除了表面化學改性（如陽極氧化）、表面鍍層、表面涂層等外，也有用激光TIG、激光MIG的報道，其中MIG DC electrode position方法由于表面的清理作用強和加絲的合金化作用效果為好。    最近，比利時的L Cretteur和法國的S Marya對6061鋁合金進行了混合氣和焊劑的CO2激光焊。在給定的試驗條件下表明：70%He+30%Ar、氣流方向與焊接方向相反時效果為好；針對穿透焊接時焊縫背面容易產(chǎn)生下垂缺陷，采用75% LiF+2

9、5%LiCl的焊劑，起到了祛除氧化、改善熔化金屬與背面母材的接合，使背面焊縫具有“上翹”效應，在較寬的參數(shù)區(qū)間內(nèi)形成了規(guī)整的焊道。對6061鋁合金的焊接表明，焊縫強度可達到母材的90%.    1.7  激光熔覆    激光熔覆與其它表面改性方法相比，加熱速度快、熱輸入少，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、可達性好、生產(chǎn)效率高。    激光熔覆除用于民品外，英、美等國也已用于航空機發(fā)動機Ni基渦輪葉片的耐熱、耐磨層的熔覆及修復。

10、0;   2、電子束焊接和等離子弧焊接的最新進展    國外電子束焊接發(fā)展可歸結(jié)為：超高能密度裝置研制、設備智能化柔性化、電子束流特性診斷、束流與物質(zhì)作用機制研究以及非真空電子束焊設備及工藝的研究等。    在日本，加速電壓600kV、功率300kW的超高壓電子束焊機已問世，一次可焊200 mm的不銹鋼，深寬比達70：1.    日、俄、德開展了雙槍及填絲電子束焊技術(shù)的研究。在對大厚度板第一次焊接的基礎上，通過第二次填絲來彌補頂部下凹或咬邊缺陷；日本采用雙搶實現(xiàn)了薄板的超高速焊接，反面無飛濺，成形良好。法國研制成功的雙金屬和三金屬薄帶材電子束焊接機也頗引人關(guān)注。    關(guān)于非真空電子束焊接，德國實現(xiàn)了母材為Al Mg0.4 Si1.2的旋轉(zhuǎn)件的填絲焊接，加絲材料為AlMg4.5Mn，送絲速度35m/min，焊接速度高達60m/min.該研究在斯圖加特大學的25kW電子束焊機上完成。