电子束焊、激光焊的原理分类、特点与应用

电子束焊、激光焊的原理分类、特点与应用

电子束焊、激光焊的原理分类、特点与应用

一、电子束焊原理、分类、特点与应用

1.电子束焊的原理

真空电子束焊原理，如图131所示。

在真空中，把电子枪的阴极（灯丝）通电加热到高温，使它

发射出大量电子，通过阴极和阳极之间强电场的加速和电磁透

镜的聚焦，收敛成一束能量极大且十分集中的电子束，电子束

轰击焊件表面，电子能转化为热能，使金属迅速熔化和蒸发。

在高压金属蒸汽的作用下，熔化金属被排开，电子束能继续轰

击深处的固态金属，很快地使焊件表面形成一个锥形的空隙，

这种空隙在电子京的轰击下可以达到相当大的深度。在焊接过

程中，随着电子京与焊件的相对移动，空隙周围的熔化金属就

流入空隙内，冷却后即形成焊缝。

电子束焊时，由于电子在及时到几百千伏电压的作用下被加

速到1/22/3的光速，电子束所获得的能量大大超出它在发射时

的能量，然后将它通过磁场聚焦在很小的面积内，就变成一种

能量密度很高的能源。其电弧功率密度比普通电弧功率高

1001000倍。

2.电子束焊的分类

（1）按焊件所处环境的真空度可分为三类：高真空电子束

焊、低真空电子京焊和非真空电子束焊C

1）高真空电子束焊。高真空电子束焊时将焊件放在真空度

为104101Pa的工作室中完成的。由于具有良好的真空环境，可

以保证对熔池的“保护”，防止金属元素的氧化和烧损。所以

很适用于焊接活泼性金属、难熔金属和质量要求较高的工件。

但是，也存在缺点，如焊件的大小会受到工作室尺寸的限制，

真空系统相对庞杂，抽真空时间长。

2）低真空电子束焊。低真空电子束焊时使电子通过隔离阀

及气阻孔道进入二作室，工作室的真空度保持在lOUOPa,低真

空袋子束焊也具有束流密度和功率密度高的特点。由于只需要

抽到低真空，明显地缩短了抽真空的时间，从而提高了生产效

率。

3）非真空电子束焊。非真空电子束焊也称为大气压电子束

焊。这种焊接方法其电子束仍是在高真空条件下产生的，射到

处于大气压力下的工件上施焊。为了保护焊缝金属不受污染，

减少电子束的散射，束流在进入大气中时先经过充满氮的气

室，然后与氮气一起进入大气中。

在大气压力下，电子束散射强烈，即使将电子枪的工作距离

限制在2050mm,焊缝深宽比最大只能达到5：L目前,非真空电

子束焊接最大熔深为30mm。

这种方法的优点是：不需要真空室，因而可以焊接尺寸大的

工件，生产效率高，扩大了电子束焊接技术的应用范围。

（2）按电子束焊机的加速电压高低可分三类：高压电子束

焊、中压电子束焊和低压电子束焊。

1）高压电子束焊。高压电子束焊一般指加速电压的范围为

60150kvo在相同功率情况下，高压电子束焊所需的束流小，加

速电压高，易于获得直径小、功率密度大的束斑和深宽比大的

焊缝。因而特别适用于大厚度板材的单道焊，也适用于焊接哪

些难熔金属和热敏感性强的材料。缺点是，屏蔽焊接时产生的X

射线比较困难；电子枪的静电部分为防止高压击穿，需要用耐

高压的绝缘子，使结构复杂而笨重，只能做成固定式。

2）中压电子束焊。中压电子蜀汉所用加速电压的范围为

3060kvo当电子束的功率不超过30KW时，中压电子束焊机的电

子枪能保证束斑的直径小于0.4mm,除极薄材料外，这样的束斑

尺寸完全能满足焊接要求。30KHi的中压电子束焊机焊接的最大

钢板厚度可达70mm左右。中压电子束焊时产生的X射线，可以

适当厚度的真空空壁吸收，不需要铅板保护、电子枪极间不要

求特殊的绝缘子，因而电子枪可做成固定型和移动型。

3）低压电子束焊。低压电子束焊所用的加速电压低于

30kvo低压电子束焊机不用铅板保护，电子枪可做小型移动

式。缺点是在相同功率情况下，低于电子束的束流大，加速电

压低，束流的会聚比较困难。通常束斑直径很难达到1mm以

下，其功率限于10kw以内，因而低压电子束焊只能焊接薄板。

3.电子束焊的特点及应用

（1）电子束焊的特点

1）加热功率密度大。焊接用的电子束电流为及时到几百毫

安，最大可达1000mA以上；加速电压为几十到几百千伏；故电

子功率从几十千瓦到lOOkw以上。由于电子的质量小，束流值

不大。所以电子京焦点直径小于1mm。而电子束束斑（或称焦

点）的功率密度高达106108W/cm2,比普通电弧功率密度高

1001000倍。

2）焊^深宽比大。通常电弧焊的深宽比V2,而电子束焊的

深宽比可达50:1.所以，对于平行边焊缝接头，焊后基本上不产

生角变形。对大厚度钢板可进行补开坡口的单焊道。

3）焊缝纯度高。真空电子束焊的真空度一般为10十心比氢

气（Ar99.99%）还要纯净几百倍左右。因此，不存在污染问

题。

4）焊接速度快且焊缝热物理性能好，电子束焊焊接速快，

能量非常集中；熔化和凝固过程快，热影响区小，对精加工的

焊件，焊后仍能保持精度不变。

5）可焊材料多。不仅能焊同种金属和异种金属材料的接

头，也能焊接金属材料，如陶瓷。石英玻璃等。

6）焊接工艺参数调节范围广、适应性强。电子束焊接的工

艺参数能各自单独进行调节，并且调节范围很宽，控制灵活，

电子束焊焊接参数易于实现机械化和自动化控制，使产品质量

相对稳定。

7）电子束焊的缺点是：设备复杂，价格昂贵，使用维护要

求高；对焊接装各要求严格，工件尺寸受真空室大小的限制；

使用时需注意防护X射线。

（2）应用范围。电子束焊接作为一种先进制造技术已广泛

应用于航空航天二业、七尺制造工业和电子及发电等工业。在

其他工业中电子又焊主要用于高压气瓶、核电站反应堆内构件

筒体等。另外.，炼钢炉的铜冷却风口也采用电子束焊。电子束

焊接不仅能焊接除黄铜、铸铁和未作脱氧处理的普通低碳钢以

外的绝大多数金属，还能焊接异种金属；可焊接工件厚度范围

较大，例如，最薄小于0.1mm,最厚超过100mm。并且能焊接采

用常规焊接方法难以施焊的复杂构件，如焊接精密仪器。仪表

或电子工业中的微型器件。同时，散焦电子耍可用于焊前预热

或焊后冷却，还可用做钎焊，切割及表面涂敷的热源。电子束

焊接事在修复领域和新材料焊接中，最有价值的工艺方法之

一，也是未来太空焊接最有前途的热源知空间结构焊接强有力

的工具。

二、激光焊原理、分类、特点与应用

1.激光焊接原理

进行激光焊接的核心装置是激光器，激光器最基本的组成部

件有激光体（红室石）、泵灯、聚光器、谐振腔、电源及控制

系统。

当泵灯通入脉冲电流时，就发出强烈的闪光，经聚光器会聚

集中照射在激光体上，激发了红宝石晶体中的原子（辂），使

之发射出红色射线。激发出的红色射线经谐振腔中的全发射镜

的多次反射（共振作用），逐渐加强，通过输出窗口发射出的

激射光即为激光。

激光是一种单色性高、方向性强、亮度高以及相干性好的光

束（通常称为激光的四大特性）。经过聚焦后把光束聚焦到焦

点上可获得极高的能量密度。利用它与被焊工件相互作用，是

金属发生蒸发、熔化、熔合、结晶、凝固而形成焊缝。

2.激光焊分类

激光焊接按激光发生器输出功率的高低可分为：低功率激为

焊（Vlkw）、中功率激光焊（L510kw）、高功率激光焊（＞

10kw）o

按输出激光波形可分为：脉冲激光焊和连续激光焊。

3,激光焊的特点及应用

（1）特点

1）能准确聚焦微小光束，故加热范围小，焊缝可以极为窄

小，残余应力和变形小。

2）辐射能极大，能量极为集中，穿透深度深，可以焊接一

般焊接方法难以焊接的材料（如高熔点金属等），还以焊接非

金属材料，如陶瓷、有机玻璃等。

3）作用时间吸短，故焊件不易氧化，不论焊接过程有无气

体保护，几乎不影响焊接效果。

（2）应用范围。应用脉冲激光焊接不锈钢、铁镁合金、铁

银钻合金等特殊金属，也可焊接铜、银、金、铝硅丝。特别适

用于焊接微型、精密元件和一些微电子元件；可焊接薄片

（0.1mm左右）、薄膜（几微米至几十微米）、金属丝（直径可

小于0.02mm）；还可用于核反应堆零件的焊接、仪表游丝、