其它先进焊接技术课件

其它现今焊接技术简介18.1电子束焊接8.1.1电子束焊的基本原理

从电子枪中产生的电子束在25~300kv的加速电压下加速到0.3~0.7倍的光速，经过电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，形成的功率密度很高的电子束流得到一个很小的焦点。当电子束流撞击置于真空或非真空的工件表面时，电子的动能迅速转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发，实现焊接过程。电子束示意图28.1.2电子束焊的特点作为电子束焊的热源，电子束具有如下特点：（1）功率密度高电子束属于高能束流，电子束焊接时常用的加速电压范围为30~150kV，电子束电流为20~l000mA，电子束焦点直径约为0．1~1mm，其功率密度可达106W／cm2以上。（2）精确、快速的可控性电子作为物质基本粒子，具有极小的质量（9.1×10-31kg）和一定的负电荷（1．6×10-19C），电子的荷质比高达l．76×1011C／kg，通过电场、磁场对电子束可作快速而精确的控制。这是电子束的一个优势，与同为高能束流的激光相比，后者只能用透镜和反射镜控制，速度慢。32.焊接的材料在真空室内进行电子束焊时，除含有大量的高蒸气压元素的材料外，一般熔焊能焊的金属，都可以采用电子束焊。如铁、铜、镍、铝、钛及其合金等。此外，还能焊接稀有金属、活性金属、难熔金属和非金属陶瓷等。可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料，而对接头的力学性能没有太大的影响。8.1.3电子束焊的适用范围

3.焊接有特殊要求或特殊结构的焊件可以焊接内部需保持真空度的密封件；焊接靠近热敏元件的焊件；焊接形状复杂而且精密的零部件；可以同时施焊具有两层或多层接头的焊件。这种接头层与层之间可以有几十毫米的空间间隔。5

1.焊前准备(1)工件的准备和装夹（2）抽真空（3）焊前预热和焊后热处理2.焊接接头设计3.焊接工艺参数电子束焊的工艺参数主要有电子束电流Ib、加热电压Ua、焊接速度vb、聚焦电流If和工作距离H等。8.1.4电子束焊接工艺

61.加速电压在电子束焊接中，加速电压的增加可使熔深加大，但加速电压的参数根据电子枪的类型通常选取某一数值不变。在保持其他参数不变的条件下，焊缝横断面深宽比与加速电压成正比。2.电子束流束流与加速电压一起决定着电子束的功率。在电子束焊接过程中，加速电压往往不变，所以常常要调整电子束流值来满足不同的焊接工艺需要。增加电子束流，熔深和熔宽都会增加。3.焊接速度焊接速度太快会使焊缝变窄，熔深减小。8.1.4电子束焊接工艺74.聚焦电流电子束聚焦状态对熔深及焊缝成形影响很大。焦点变小可使焊缝变窄，熔深增加。厚板焊接时，应使焦点位于工件表面以下0.5-0.75mm的熔深处；薄板焊接时，应使焦点位于工件表面。5.工作距离工作距离应在设备最佳范围内。工作距离变小时，电子束的斑点直径变小，可增加电子束功率密度。但工作距离过小会造成放电现象，因而在不影响电子枪的稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。对于确定的电子束焊接设备，加速电压一般固定不变，必须时也只做较小的调整。焊接电流和焊接速度是主要调整的工艺参数。热输入与电子束焊接功率成正比，与焊接速度成反比。利用焊接热输入与焊接厚度的对应关系，初步选定焊接工艺参数，经实验修正后方可作为实际使用的焊接工艺参数。此外，还应考虑焊缝横断面、焊缝外形及防止产生焊缝缺陷等因素，综合选择和实验确定焊接工艺参数。8

2.钛和钛合金钛是一种非常活泼的金属，最常见的焊接缺陷是氢气孔，所以应在良好的真空条件下（<1.33×10-2Pa）进行焊接，而电子束焊接是所有工业钛和钛合金最理想的焊接方法。采用电子书焊接能有效地避免了有害气体的污染，而且电子束的能量密度大，焊接速度高，焊缝中不会出现粗大的片状α相，因而焊接接头的有效系数可达到100％。焊接时为了防止晶粒长大，宜采用高电压、小束流的工艺参数。8.1.5典型材料的电子束焊10电子束焊接时会产生有害的金属蒸气、烟雾、臭氧及氧化氮等。应采用抽气装置将真空室排出的抽气、烟尘等及时排出，以保证真空室内和工作场所的有害气体。含量降低到安全水准以下，使设备周围应易于通风。直接观察熔化金属发射的可见光对视力和皮肤有害，因此焊接过程中不允许用肉眼直接观察熔池，必要时应配戴防护眼镜。

8.1.6电子束焊的基本操作与安全防护

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8.2.1激光焊概述激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation－－－LASER）是20世纪最伟大的发明之一，世界上第一台激光器问世于1960年，激光焊接是当今先进的制造技术之一。激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件接缝所产生的能量进行焊接的方法。8.2激光焊图11-5固体激光器加工简图1-全反射镜2-激光工作物质3-激励能源4-部分反射镜5-透镜6-工件15与常规焊接方法相比，激光焊有如下特点：l）聚焦后的激光功率密度高达105-107W／cm2，工件产生的变形极小，热影响区也很窄，多以深熔深方式，特别适宜于精密焊接和微细焊接。2）焊接厚件时可不开坡口一次成形，获得深宽比大的焊缝。不开坡口单道焊接钢板的厚度已达50mm。3）适宜于焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的金属以及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬殊工件间的焊接；甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。4）穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，适合于在玻璃的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料。5）可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位，YAG（掺钕钇铝石榴石）激光（波长1.06um)还可用光纤传输，可达性好。

166）激光束不受电磁干扰，无磁偏吹现象存在，适宜于磁性材料焊接7）不需真空室，不产生X射线，观察及对中方便。激光焊的不足之处是设备的一次投资大，特别是高功率连续激光器的价格昂贵，而且对高反射率的金属直接进行焊接比较困难。目前，用于焊接的激光器主要有两大类，气体激光器和固体激光器，前者以CO2激光器为代表，后者以YAG激光器为代表。根据激光的作用方式激光焊接可分为连续激光焊和脉冲激光焊。随着设备性能的不断提高、结构的日益复杂，对接头性能和变形要求越来越苛刻，许多传统的焊接方法己不能满足要求，因而，激光焊接在许多场合具有不可替代的作用。171.激光焊能源参数激光焊是将光能转化为热能达到熔化工件进行焊接的目的。1）功率密度激光能作用于固态金属表面时，按功率密度不同可产生三种不同加热状态。功率密度较低时仅对表面产生无熔化的加热，这种状态用于表面热处理或钎焊；功率密度提高时，可产生热传导型熔化加热，用于薄板高速焊及精密点焊；功率密度进一步提高时，则产生熔孔型熔化，激光热源中心加热温度达到金属的沸点而形成等离子蒸气，用于深熔焊。由于功率密度很大，所产生的小孔已贯穿整个板厚。在连续激光焊时，小孔是随着光束相对于工件而沿焊接方向前进的。金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向方后，重新凝固形成焊缝。

8.2.2激光焊工艺183）.聚焦和离焦

（1）聚焦

焊接或切割厚度较大的材料时，为获得较大的焦点深度，宜选用焦距较长的透镜。对各种厚度的被焊材料及不同接头都存在一个最佳焦距。

（2）离焦量

离焦量是工件表面离激光焦点的距离。工件表面在焦点以内时为负离焦，与焦点的距离为负离焦量。反之为正离焦。离焦量不仅影响工件表面激光光斑的大小，而且影响光束的入射方向，因而对熔深和焊缝形状有较大的影响。

8.2.2激光焊工艺20

激光复合焊接技术是指将激光与其他焊接方法组合起来的集约式焊接技术，其优点是能充分发挥每种焊接方法的优点并克服某些不足，从而形成一种高效的热源。例如，由于高功率激光焊设备的价格较昂贵，当对厚板进行深熔、高速焊接时，可将小功率的激光器与常规的气体保护焊结合起来进行复合焊接，如激光-TIG和激光-MIG等。8.2.3激光复合焊技术212．激光—高频焊该方法是在高频焊管的同时，采用激光对熔焊处进行加热，使待焊件在整个焊缝厚度上的加热更均匀，有利于进一步提高焊管的质量和生产率。近年来，通过激光一电弧相互复合而诞生的复合焊接技术获得了长足的发展，在航空、军工等部分复杂构件上的应用日益受到重视。目前，激光与不同电弧的复合焊接技术已成为激光焊接领域发展的热点之一。8.2.3激光复合焊技术231.铝合金的激光焊铝合金激光焊常采用深熔焊方式，焊接时的主要困难是它对激光束的高反射率和自身的高导热性。铝是热和电的良导体，高密度的自由电子使它成为光的良好反射体，起始表面反射率超过90%。也就是说，深熔焊必须在小于10%的输入能量开始，这就需要采用大功率或高性能的激光束来获得所需的能量密度。而小孔一旦生成，它对光束的吸收率迅速提高，甚至可达90％，从而使焊接过程顺利进行。8.2.4典型材料的激光焊242.钛金的激光焊钛合金具有高的比强度，良好的塑性及韧性，较高的抗腐蚀性，是一种优良的结构材料。钛及钛合金化学性能活泼，对氧化很敏感，对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化也很敏感，所以要特别注意接头的清洁和气体保护问题。在进行激光焊时，接头正反面都必须施加惰性气体保护，气体保护范围须扩大到400～500℃（即保护）。钛合金对接时，焊前必须把坡口清理干净，可先用喷砂处理，再用化学方法清洗。另外，装配要精确，接头间隙要严格控制。

8.2.4典型材料的激光焊26钛合金采用激光焊接可得到满意的结果。Ti-6A1-4V是用量最大的钛合金，广泛用于航空航天制造。对1