高能束流焊接方法.docx
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高能束流焊接方法
高能束流焊接方法
（一）激光焊
1.高能焊概念：
高能焊接是指以激光束、电子束、等离子体为热源，对金属、非金属材料进行焊接的精细加工工艺。
高能束流焊接的功率密度（PowerDensity）达到105W/cm2以上。
2.高能束流是由单一的电子、光子、电子和离子，或者二种以上的粒子组合而成。
3.激光焊概念：
激光焊是高能焊的一种。
是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效而且精密的焊接方法。
它是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量而进行焊接的，聚焦的激光束是指：
利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束。
3.激光焊特点：
（1）功率密度高。
由于激光束的频谱宽度窄，经过会聚后的光斑直径可以小到0.01mm，功率密度可以达到109W/cm2，可以焊接~50mm厚的工件。
（2）脉冲激光焊加热时间短、焊点小、热影响区小。
（3）激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。
激光焊接已成为高能束焊接技术发展的主流。
缺点是激光焊接一些高反射率的金属还比较困难，另外设备投资大。
（4）激光能够反射、透射、能够在空间传播相当长的距离而衰减很小，激光焊能够远距离焊接，或者对难以接近的部位进行焊接，能够透过玻璃等其他透明物体进行焊接。
（5）激光不受电磁场的影响。
（6）激光的电光转换效率低（约为%~%）。
工件的加工和组装精度要求高，夹具要求精密，因此焊接成本高。
（7）一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可以用于焊接，又可以用于切割、合金化和热处理，一机多用。
4激光焊接的优点
激光焊接具有以下优点：
能量密度高，可聚焦，深穿透，高效率，高精度，适应性强等。
5激光焊设备组成
激光焊接设备由以下设备组成：
工作平台，激光器，光束检测系统，焊接过程检测系统，导光聚焦系统，计算机控制系统
6激光器的组成
激光器一般由以下这些部件组成：
（1）激光工作物质：
必须是一个具有若干能级的粒子系统并且具备压稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。
（2）激励源：
即泵浦源，给激光物质提供能量，使之处于非平衡状态，形成粒子数反转。
（3）谐振腔：
机制给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈，并且限制光束的方向和频率。
（4）电源：
为激励源提供能源。
（5）控制和冷却系统：
保证激光器能够稳定、正常可靠工作。
（6）聚光器：
固体激光器特有，使光泵浦的光能最大限度地照射在激光工作物质上
7.按照激光工作物质的状态，激光器可以分为：
固体激光器和气体激光器，提高泵浦光的利用率。
8.固体激光器根据不同的用途，有不同的工作方式，一般可以分为三种：
（1）脉冲激光器——单次发射，每个激光脉冲的宽度为零点几毫秒至几十毫秒，每完成一次任务仅有一个脉冲。
（2）重复频率激光器——这种激光器每秒可以产生几个到几十个脉冲，每完成一个任务需要几个脉冲。
（3）连续激光器——可以长时间稳定的输出激光连续使用。
激光器工作气体的主要成分是CO2（CarbonDioxide）、N2（Nitrogen）和He（Helium）。
激光器具有以下特点：
（1）输出功率大，国外有100kW的CO2激光焊机。
高功率激光焊接设备主要应用于冶金加工和汽车制造等相关产业。
（2）输出功率范围大，最小输出功率为数毫瓦，最大可输出功率几百kW。
（3）能量转换率高，大大的高于固体激光器。
理论转换功率为40%，实际应用中光电转换效率为15%。
（4）CO2激光波长为μm的红外激光，属于红外线。
可以在空气中传播很远而衰减很小。
11.激光焊的分类
按照激光器输出能量方式的不同来区分，激光焊可以分为：
脉冲激光焊，连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）。
按照激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为：
传热焊，深熔焊。
12．传热焊定义：
传热焊又叫热导焊。
传热焊所用采用的激光光斑功率密度较低，（一般情况下，激光的光斑功率密度小于105W/cm2），当激光功率密度介于105W/cm2～106W/cm2的时候，也被认为是传热焊。
13.传热焊过程机理分析：
工件吸收激光后，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接的时候，金属材料表面将所吸收的激光转变为热能，使得金属表面温度升高而熔化，但是仅仅达到表面熔化的程度。
然后通过热传导方式，把热能向金属工件内部传递，使得熔化区域逐渐扩大形成熔池。
凝固后形成焊点或者焊缝，熔深轮廓近似半球形。
这种焊接机理称为传热焊。
它类似与TIG焊等钨极电弧焊原理。
这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。
14．传热焊的主要特点：
传热焊激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面反射，光的吸收效率低，焊接熔深浅，焊接速度慢，主要用于厚度小于1mm的薄板以及小零件的焊接加工。
15.深熔焊定义：
深熔焊采用的激光光斑功率密度比较高。
当激光光斑的功率度大于等于106W/cm2（通常介于106W/cm2～107W/cm2）的时候，被认为是深熔焊。
17．激光焊过程中的几种效应：
等离子体效应，壁聚焦效应，净化效应。
18.脉冲激光焊的焊接参数
脉冲激光焊有4个主要参数：
脉冲能量，脉冲宽度，功率密度，离焦量。
19.分析比较气体激光和固体激光的特点：
21．什么是激光-电弧复合焊接？
将激光束和电弧通过一定方式的组合后，作为复合热源来实现焊接的过程。
22.激光+电弧作为一种复合热源，激光和电弧组合方式如下：
A.激光束+TIG
B.激光束+GMAW（熔化极气保焊）包括有：
a.激光束+MIG
b.激光束+MAG
C.激光束+Plasma.
23.激光-电弧复合焊（按照激光和电弧主辅关系分类）
包括三种主要的方法：
A.电弧加强激光焊接.B.激光辅助电弧焊接.C.电弧激光顺序焊接
20.理解下图意义.注意结合实际分析.
20.根据波长与吸收率的关系图，试分析论述焊接铝合金时应该选取的激光器材类型。
图为吸收率与波长关系
24.激光-电弧复合焊接有以下特点：
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（1）可降低工件装配要求，间隙适应性好。
（2）复合焊接利用电弧的复合作用，在保证大熔深的同时适当增加熔池宽度，降低凝固速度，有利于减小气孔倾向。
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（3）可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。
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（4）电弧对等离子体有稀释作用，可减小对激光的屏蔽效应，同时激光对电弧有引导和聚焦作用，使焊接过程稳定性提高。
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（5）利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能。
对焊接特种材料或异种材料有重要意义。
25.激光—电弧复合的布置方式：
旁轴式；同轴式
1.旁轴式----激光和电弧不在同一轴线上。
2.同轴式----激光和电弧在同一轴线上，同轴复合可以在工件表面提供对称热源,焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。
26.激光焊接也存在着一定的局限性：
A、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显着偏移。
这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄，若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。
B、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。
27.复合焊、激光焊、电弧焊焊缝比较（分析）
28.铝；铝合金的激光焊
铝及其合金对输入能量强度和焊接参数很敏感。
要获得无缺陷的接头，必须仔细选择焊接参数，并且对等离子体进行良好的控制。
铝合金激光焊时，用8kW的激光功率可以焊透12.7mm厚的材料，焊透率大致为kW。
形成粒子数反转的方法中最常见的是：
光泵浦和电激励。
（二）、电子束焊接
1.电子束焊概念：
电子束焊是利用会聚的高速电子轰击工作件接缝处所产生的热能，使金属熔合的一种焊接方法。
2.电子束焊实现过程：
电子束轰击工作件时，动能转变为热能。
由高压加速装置形成的高功率电子束流，通过磁透镜会聚后，得到很小的焦点（其功率密度可以达到104W/cm2~109W/cm2），轰击置于真空或者非真空中的焊件，电子的动能迅速转变为热能，熔化金属，实现焊接过程。
3.电子枪分为二极枪和三极枪两种，现代电子束焊机多采用三级电子枪。
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二极枪：
二极枪是由阴极、聚束极、和阳极组成的电极系统。
聚束极与阴极等电位。
在一定的加速电压下，通过调节阴极温度来改变阴极发射的电子流，从而调节电子束流的大小。
三极枪：
三极枪的电极系统由阴极、偏压电极、阳极组成。
阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。
偏压电极相对于阴极呈负电位，通过调节其负电位的大小和改变偏压电极形状、位置，可以调节电子束流的大小和改变电子束的形状。
4.电子束焊的分类：
电子束焊的分类方法很多。
被焊工件所处的环境和真空度可以分为三种：
高真空电子束焊、低真空电子束焊、非真空电子束焊。
5.电子束焊按照加速电压状态分类：
高压型（大于80kV）；中压型（40～60kV）；低压型（小于等于30kV）。
6.真空电子束焊机由以下7部分组成：
A电子枪；B.工作真空室；C.工作台；D.高压电源；E.控制及调整系统；F.真空系统；G.焊接夹具。
7.电子束焊的主要焊接参数有以下：
加速电压（Ua），电子束流（Ib），聚焦电流（If），焊接速度（Vb），工作距离（H）。
8.电子束焊接主要优点：
A电子束穿透能力强，焊缝的深宽比高
电子束斑点尺寸小，功率密度大，可以实现高深宽比的焊接（即焊缝深而窄）。
深宽比达到60/1，可以一次焊透0.1mm-300mm的不锈钢板。
焊接厚板时，可以不开坡口实现单道焊，比电弧焊可以节省辅助材料和能源的消耗。
B焊接速度快，焊缝物理性能好
能量集中，熔化和凝固速度快，例如焊接厚度为125mm的铝板，焊接速度达到400mm/min，是氩弧焊的40倍。
能够避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作业时间短，合金元素烧损少，焊缝抗腐蚀性好。
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2.焊件热变形小
功率密度高，输入焊件的热量少，热影响区小，焊件变形小。
对精密加工的工件，可以最后连接工序，焊后工件仍保持足够的精度。
D焊缝纯洁度高
真空对焊缝有良好的保护作用，真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧气、氮气等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而高真空电子束焊尤其适合焊接钛以及钛合金等活性材料。
真空电子束焊接常用于焊接真空密封元件，焊接后内部元件保持在真空状态。
E工艺适应性强
参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适应性。
F可焊材料多
不仅能够焊接金属和异种金属材料的接头，也可以焊接非金属材料，例如陶瓷，石英玻璃等。
G再现性能好
电子束焊焊接参数易于实现机械化，自动化控制。
重复性好，再现性好，提高了产品质量的稳定性。
H可简化加工工艺
可以将重复的大型整体加焊件分为易于加工的、简单的或者小型部件，用电子束焊为一个整体，减少加工难度，节省材料，简化工艺。
9.电子束焊工作原理：
电子束是从电子枪中产生的。
通常电子是以热发射或者场致发射的方式从发射级（阴极）逸出的。
在25~300V的加速电压的作用下，电子被加速到~倍光速，具有一定的动能，经过电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，电子会聚成功率密度很高的电子束。
这种电子束撞击到工件表面，电子的动能就转变为热能，使金属迅速溶化和蒸发。
在高压金属蒸气的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属。
很快在被焊工件上“钻”出一个锁形小孔。
小孔的周围被液态金属包围。
随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿着小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却凝固形成了焊缝。
电子束传送到焊接接头的热量和其熔化金属的效果与束流强度、加速电压、焊接速度、电子束斑点质量，以及被焊接材料的性能等因素有密切的关系。
11.电子束焊接的特点,优点,缺点.
特点:
1.功率密度高;2.精确、快速的可控制性
缺点：
设备比较复杂，费用比较昂贵、焊接前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确、间隙小，而且均匀、真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常受到工作室的限制、电子束容易受到杂散电磁场的干扰，影响焊接质量、电子束焊接时，产生的射线需要严加防护，以确保工作人员的健康和安全。
10.电子束焊小孔效应：
电子束焊小孔的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。
基本过程解释如下：
A高功率密度的电子束轰击焊件，使得焊件表面材料熔化并且伴随着液态金属的蒸发。
B材料表面蒸发走的原子的反作用使液态金属表面向下凹陷。
C随着电子束功率密度的增加，金属蒸气量增多，液面被压凹的程度也增大，并且形成一个通道。
D电子束经过通道轰击底部的待焊金属，使通道逐渐向纵深发展。
E液态金属的表面张力和流体静压力是力图拉平液面的，在达到力的平衡状态时，通道的发展才停止，并且形成小孔。
F小孔和熔迟的形貌与焊接参数有关。
（三）等离子弧焊
1.等离子弧：
等离子弧是电弧的一种特殊形式，是一种压缩电弧。
它是借助水冷喷嘴的外部拘束，使电弧的弧柱区横截面受到限制，使电弧的温度、能量密度、电离度和它的流速都显着增大。
这种用外部拘束条件使弧柱受到压缩的电弧，就是通常所称的等离子弧。
2.等离子弧是通过以下三种压缩作用而获得的：
机械压缩效应，热压缩效应（热收缩效应），电磁压缩效应：
（磁收缩效应）。
3.等离子弧的类型：
按照电源供电方式的不同，等离子弧可以分为：
转移型、非转移型、联合型三种。
4.等离子焊接概念
等离子弧焊是以等离子弧为热源的一种高能速流焊接方法。
它具有以下特点：
能量集中，穿透力强，焊接速度快，焊接变形小，接头强度高，可以不开坡口，一次焊双面成型。
5.等离子焊接特点
等离子弧具有能量密度高、射流速度大、等离子流力强的特点，在焊接过程中等离子弧穿透被焊工件形成小孔，一次焊接实现单面焊双面成形。
适于中厚度（2?
20mm）的高强钢、钛合金、铝合金等国防工业中常用金属材料。
等离子弧焊接的接头内部缺陷率低、焊件变形小、焊接效率高，采用等离子焊接技术，无需添加金属即可获得与母材相同的焊缝。
（不全,自己总结）
6.等离子弧焊基本方法
按照焊缝成形原理，等离子弧焊有三种基本方法：
小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、微束等离子弧焊。
7.微束等离子弧具有以下特点：
A小电流时，电弧仍能保持稳定。
B焊件变形量和热影响区均比钨极氩弧焊小。
C电弧呈细长的圆柱状，弧长的变化对工件加热状态的影响较小，因此它对喷嘴至工件间距离变化的敏感性较小，焊接质量稳定。
D设备简单，焊枪小巧，易于操作和实现自动化。
8.等离子弧切割工作原理
等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割工艺方法。
它是利用高速、高温、高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并且借助内部的或者外部的高速气流或者水流将熔化材料排开，直至等离子气流束穿透背面而形成割口。
等离子弧柱的温度高，远远超过所有金属、以及非金属的熔点。
因此，等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料，因而比氧化切割方法的适用范围大的多，能够切割绝大部分金属和非金属材料。
9.等离子弧切割最常见的气体为氩气、氮气、氮加氩的混合气体、氮加氢的混合气体、氩加氢的混合气体等。
可以依据被切割材料、及各种工艺条件，而选择使用以上的气体。
10.等离子弧焊常见的缺陷有；咬边、气孔等。
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