[科普中國]-高能束流焊接

介紹

高能束流焊接是利用高能束粒子攜帶的能量作為熱源熔化被焊材料形成焊縫的。根據(jù)攜帶能量的粒子不同，分為激光束、電子束和離子束焊，其特點是能量集中，能量密度高，熔深大，熔寬小，熱影響區(qū)窄，焊接精度較高，能焊很薄的零件，也能焊較厚的零件。對于難熔材料、活潑性金屬、要求高質(zhì)量件的焊接，均取得了良好的效果。電子束、激光束焊接設(shè)備較復(fù)雜，費用較高，限制了使用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。2

分類電子束焊利用經(jīng)加速和聚焦的電子束轟擊焊件接縫處所產(chǎn)生的熱能使金屬熔合的一種焊接方法。如圖所示，從陰極發(fā)射的電子，受陰極與陽極間高壓電場的加速，通過帶孔的陽極，再經(jīng)聚焦線圈會聚成截面積小（直徑為0.2～1 mm）、功率密度高 （≥1.5×10W /cm2）的電子束。當(dāng)電子束撞擊焊件時，其動能大部分轉(zhuǎn)化成熱能，使焊件金屬熔化成熔池。隨著電子束的移動，熔池冷凝成焊縫。電子束的移動可由移動電子槍（電極和聚焦線圈等的組合件）或焊件來實現(xiàn);在小范圍內(nèi)可由偏轉(zhuǎn)線圈所產(chǎn)生的磁場來實現(xiàn)。加速電壓在30～200 kV范圍內(nèi)。為保護(hù)電極不受氧化，電極區(qū)必須保持壓力不大于1×10-2Pa的高真空。工作室的壓力常高于電子槍室的壓力，兩者間有減少漏氣的設(shè)施。工作室一般另配真空泵抽氣。

激光焊接以聚焦的高能量密度的激光作為熱源對金屬進(jìn)行熔化形成焊接接頭的一種焊接方法。激光焊可用于焊接碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、高溫合金、鋁、鎂、鈦、鎳等有色金屬和合金。另外，還可用于某些異種金屬，如鎢與鎳，不銹鋼與鉭等，以及某些非金屬材料，如陶瓷、石英、玻璃塑料等的焊接。

激光是利用輻射激光放大原理產(chǎn)生的一種單色、方向性強(qiáng)、光亮度大的光束，經(jīng)透射或反射鏡聚焦后功率密度可達(dá)10W/m。按照激光束橫斷面上功率密度的分布情況，激光又有單模、多模之分。激光的幾種低階模的光斑花樣如圖1所示。模式與光束的聚焦特性密切相關(guān)，模式越低，聚焦后的光點越小，功率密度愈大。焊接一般要求激光器輸出單模。多模適合于堆焊、合金化和熱處理。

激光焊接設(shè)備主要由激光器、光學(xué)偏轉(zhuǎn)聚焦系統(tǒng)、光束檢測儀、工作臺（或?qū)Ｓ煤笝C(jī)）和控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。用于焊接的激光器主要分為固體激光器和氣體激光器兩類。固體激光器有紅寶石激光器、釹玻璃激光器和YAG激光器（釔鋁石榴激光器）。氣體激光器主要是CO2氣體激光器。

等離子弧焊接利用電弧等離子體作為熱源的電弧焊。如圖3所示，工作氣體用來保護(hù)電極并產(chǎn)生電弧等離子體，從噴嘴外側(cè)噴出的保護(hù)氣體用來保護(hù)焊接區(qū)。焊接時，電弧由高頻振蕩器在電極與噴嘴間引發(fā)，有時也可由電極與噴嘴的接觸短路引發(fā)并轉(zhuǎn)移到電極與焊件之間（有時在電極與噴嘴間仍保留有電?。ｋ姌O與焊件間的弧柱經(jīng)噴嘴的機(jī)械壓縮、氣流的熱壓縮和電流的磁壓縮，形成一個截面小、電流密度大、電離度高的弧柱。與弧柱接觸處的焊件金屬迅速被熔化形成熔池。隨著弧柱的移動，熔池冷凝成為焊縫。電極一般用鎢極，在某些情況下用水冷銅電極，工作氣體用氬、氬與氫或氬與氦的混合氣體。保護(hù)氣體一般用氬。

優(yōu)點與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，高能束流焊接技術(shù)具有諸優(yōu)勢：

（1）功率密度高。高能束流斑點尺寸小，功率密度大。焊接束流的功率密度通常達(dá)105～108W/cm2，而一般常規(guī)電弧焊的功率密度為102～104W/cm2。

（2）焊縫深寬比高。高能束流可實現(xiàn)高深寬比（即焊縫深而窄）的焊接，其中電子束深寬比達(dá)60∶1，可一次焊透0.1～300mm厚度的不銹鋼板，激光焊的深寬比也達(dá)到20∶1。

（3）焊接速度快。高能束流的高能量密度使得焊接加熱集中，焊接熔化和凝固過程快、效率高，如利用電子束焊接厚125mm的鋁板，焊接速度達(dá)4m/min，是氬弧焊的40倍，1mm厚薄板激光焊接速度可達(dá)到20m/min。

（4）焊件熱變形小，焊縫性能好。高能束流功率密度高，使得焊接熱輸入量少、焊件變形小、焊后加工量小，有利于降低制造成本，且能避免焊接接頭組織晶粒長大，使接頭性能改善；高溫作用時間短、合金元素?zé)龘p少，能有效改善焊縫抗蝕性能。

（5）焊縫純潔度高。真空對焊縫有良好的保護(hù)作用，高真空電子束焊尤其適合焊接鈦及鈦合金等活性材料。

（6）工藝適應(yīng)性強(qiáng)。焊接參數(shù)易于精確調(diào)節(jié)，焊接頭便于偏轉(zhuǎn)，焊接位置的可達(dá)性好，對焊接結(jié)構(gòu)的焊接適應(yīng)性優(yōu)于常規(guī)電弧焊，不僅可應(yīng)用于對接接頭、搭接接頭，而且特別適合于T形接頭焊接。

（7）可焊材料多。適合于難焊材料焊接，不僅能焊金屬和異種金屬材料接頭，也可焊非金屬材料（如陶瓷、石英玻璃等）