第五章 高能密度焊方法与原理课件.ppt

焊接成型原理,,,,第五章 高能密度焊方法与原理,电子束焊,激光焊(Laser Beam Welding),等离子弧焊(Plasma Arc Welding),5.1,5.2,5.3,5.1 电子束焊,5.1.1 概述 1.电子束焊(Electron Beam Welding) 电子束焊接（EBW）是一种利用能量密度及扫描路径均可精密控制的电子束作为加热源进行焊接的工艺 2. 分类 根据真空度的不同,电子束焊接可分为： 高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接三种2.电子束焊的特点 (1)焊缝纯洁度高 电子束焊接时，真空室的真空度为1.333(10-210-4)Pa，气氛的有效纯度相当于99.999 987%，其中杂质含量仅为氩弧焊接的1/3 0001/20000这种特性保证了能够焊接锆、铌、钽、钨、钼等金属，避免了焊接过程中金属的氧化及氮化，能获得最佳的焊接质量2)工艺适应性强 焊接热源具有最广宽的调节范围，参数易于精确调节，对焊接结构有广泛的适应性，能最大限度地满足焊接各种金属及合金的需要还可调整阴极加热功率、加速电压、焦点直径、电子束脉冲频率等，使热源对焊件的加热温度与范围得到预期的结果。

3)焊缝深宽比高 电子束斑点尺寸小，功率密度大，可实现高深宽比的焊接，深宽比达60：1，可一次焊透0.1300mm厚度的不锈钢板另外，电子束焊完全避免了电弧焊时电弧的磁偏吹现象，使焊波具有最平滑最光洁的外形 (4)焊接速度快，焊缝物理性能好 电子束焊能量集中，熔化和凝固过程快，能避免晶粒长大，使接头性能改善；高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好5)焊件变形小 焊接时热量集中，使焊件的热影响区减小，焊件在焊后几乎不产生变形 (6)焊接成本低 焊接时不需要价格昂贵的高纯度氩或氦气；使用高压电子束焊接时，电能消耗最小 (7)再现性好 电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制，重复性、再现性好，提高了产品质量的稳定性5.1.2 电子束焊的基本原理,5.1.2 电子束焊的基本原理 1.电子束的产生 电子束是在真空环境中由电子枪产生的图5-1所示为电子束发生原理及加工原理示意图 高压加速装置中电子束发生段由阴极、阳极、聚束极、聚焦透镜、偏转系统及合轴系统等组成真空中的钨阴极被加热到2250左右时会连续发射电子电子在聚束极控制和阳极加速电压作用下从阳极孔中射出，电子束电流为几十毫安到1安，通过设置在阳极后的电磁透镜(聚焦线圈)会聚,得到很小的焦点(其功率密度可达104109Wcm-2)，轰击置于真空或非真空中的焊件时，电子的动能迅速转变为热能，熔化金属，实现焊接过程。

为了控制电子束的运动轨迹，聚焦线圈后面还设置一个偏转线圈2.电子束深熔焊机理 电子束焊时，在几十到几百千伏加速电压的作用下，电子被加速到1/21/3的光速，高速电子流轰击焊件表面时，表层温度可达到104以上，表层金属迅速熔化表层的高温还可向焊件深层传导，由于界面上的传热速度低于内部，因而焊件上的等温线趋向深层前苏联科学院雷卡林教授根据这一传导理论，推算出一个简化的等效公式：,Pd = PI/Rb2 (5-1) Tc = (1/)Pd Rb (5-2) 式中, Pd功率密度； Tc被加热区中心点的温度； Rb电子束加热区的半径； PI 输入功率； 与材料有关的常量 在输人功率不变时，缩小束斑尺寸将使功率密度按平方倍增加，在束斑直径缩得足够小时，功率密度分布曲线变得窄而陡，热传导等温线便向深层扩散，形成窄而深的加热模式大功率焊接中，电子束的功率密度可达108Wcm2以上，高功率密度的电子束轰击焊件，使焊件表面材料熔化并伴随着液态金属的蒸发，材料表面蒸发走的原子的反作用力力图使液态金属表面压凹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，并形成一个通道。

电子束经过通道轰击底部的待熔金属，使通道逐渐向纵深发展，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，并形成小孔可见，形成深熔焊的主要原因是金属蒸气的反作用力它的增加与电子束的功率密度成正比电子束功率密度低于105Wcm2时，金属表面不产生蒸发现象，电子束的穿透能力很小大功率焊接中，电子束的功率密度可达108Wcm2以上，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比 但是，电子束在轰击路途上会与金属蒸气和二次发射的粒子碰撞，造成功率密度下降液态金属在重力和表面张力的作用下对通道有浸灌作用和封口作用从而使通道变窄，甚至被切断，干扰和阻断了电子束对熔池底部待熔金属的轰击所以应设法减轻二次发射和液态金属对电子束通道的干扰5.1.3 电子束焊的焊接参数及其对焊缝成形的影响 电子束焊的主要焊接参数是加速电压Ua、电子束流Ib、聚焦电流If 、焊接速度Vb及工作距离H (1)加速电压Ua 提高加速电压可增加焊缝的熔深，这是由于加速电压升高时，除了电子束功率增大使功率密度增大外，还由于电子光学系统聚焦性能的改善，进一步提高了电子束焦点的功率密度所以当焊接大厚件并要求得到窄而平行的焊缝或电子枪与焊件的距离较大时可提高加速电压。

2)电子束流(简称束流)Ib 束流与加速电压决定着电子束的功率电子束焊中，常常要调整束流值，以满足不同的焊接工艺但当电子束流增加时，电子光学系统的聚焦性能变坏，使电子束焦点的功率密度增加较缓一般是增加束流之后，磁透镜的聚焦电流也要作相应的调整 (3)焊接速度Vb 焊接速度和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、焊缝宽度以及被焊材料熔池行为(冷却、凝固及焊缝熔合线形状)4)聚焦电流If 电子束焊时，电子束的聚焦位置对焊缝形状影响很大相对于焊件而言，焦点位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种根据被焊材料的焊接速度、焊缝接头间隙等决定聚焦位置，进而确定电于束斑点大小 (5)工作距离H 焊件表面与电子枪的工作距离会影响到电子束的聚焦程度，工作距离变小时，电子束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，增加了电子束功率密度但工作距离太小会使过多的金属蒸气进入枪体造成放电，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5.1.4 获得深熔焊的工艺方法,根据小孔效应：高功率密度的电子束轰击焊件，使焊件表面材料熔化并伴随着液态金属的蒸发，材料表面发走的原子的反作用力是力图使液态金属表面压凹，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，并形成一个通道。

电子束经过通道轰击底部的待熔金属，使通道逐渐向纵深发展，如图5.1.4所示电子束焊时小孔形成示意图：,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，并形成小孔小孔和熔池的形貌与焊接参数有关，如图5.1.4（2）所示图 5.1.4（2）相同功率、不同焊接速度下，小孔与熔池的形貌 （CCD摄像结果）（P=3.6KW ，I f =512mA ，I b =60mA）,可见，形成深熔焊的主要原因是金属蒸气的反作用力它的增加与电子束的功率密度成正比实验证明，电子束功率密度低于105W/cm2时，金属表面不产生大量蒸发的现象，电子束的穿透能力很小在大功率焊接中，电子束的功率密度可达108W/cm2以上，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比 但是，电子束在轰击路途上会与金属蒸气和二次发射的粒子碰撞，造成功率密度下降液态金属在重力和表面张力的作用,下对通道有浸灌作用和封口作用，如图5.1.4（b）所示从而使通道变窄，甚至被切断，干扰和阻断了电子束对熔池底部待熔金属的轰击焊接过程中，通道不断地被切断和恢复，达到一个动态平衡 由此可见，为了获得电子束焊的深熔效应，除了要增加电子束的功率密度外，还要设法减轻二次发射和液态金属对电子束通道的干扰。

Contents,5.2 激光焊(Laser Beam Welding),激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点，受到各发达国家的重视，并已应用于航空、航天、汽车制造、电子、轻工等领域5.2.1 激光及激光发生器 激光(Laser)是利用辐射激发光放大原理(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)而产生的一种单色(单频率)、定向性好、干涉性优、能量密度高的光束 光束经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达1013wcm2(109wcm2)的能束，可用作焊接、切割、钻孔及材料表面处理热源激光器 按激光工作物质的状态，激光器可分为固体激光器和气体激光器激光器一般由激光工作物质、激励源、谐振腔、电源、控制和冷却系统、聚光器(固体激光器特有)组成用于焊接、切割等工业加工的激光器主要是002气体激光器及钇铝石榴石(YAG)固体激光器5.2.2 激光焊机理 按激光器输出能量方式的不同，激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）； 按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。

（1）传热焊 采用的激光光斑功率密度小于105Wcm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属,内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形这种焊接机理称为传热焊 （2）深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时(106W/cm2)，金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内(10-810-6s)升高到沸点，使金属熔化和汽化当金属汽化时，所产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，金属蒸气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑(见图5-5)图5-5 激光深熔焊示意图,当光束在小于L底部继续加热汽化时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周这个过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊激光焊过程中还存在着几种特殊效应，影响焊接过程： (1)等离子体 激光焊时，金属被激光加热汽化后，在熔池上方形成高温金属蒸气，蒸气发生电离产生等离子体。

等离子体会引起光的吸收和散射，改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度，从而影响焊接过程2)壁聚焦效应 深熔焊时，当形成小孔以后，激光束将进入小孔当光束与小孔壁相互作用时，入射激光并不能全部被吸收，有一部分将由孔壁反射在小孔内某处重新聚起来，这一现象称为壁聚焦效应壁聚焦效应的产生，可使激光在小孔内部维持较高的功率密度，进一步加热熔化材料小孔效应和壁聚焦效应的出现，能大大地改变激光与物质的相互作用过程，当光束进入小孔后，小孔相当于一个吸光的黑体，使能量的吸收率大大增加3)净化效应 净化效应指CO2激光焊时，焊缝金属有害杂质元素减少或夹杂物减少的现象对于波长10.6um的CO2激光，非金属的吸收率远远大于金属，当非金属和金属同时受到激光照射时，非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而汽化当这些元素固溶在金属基体时，由于这些非金属元素的沸点低，蒸气压高，它们会从熔池中蒸发出来净化效应对改善金属的性能，特别是塑性和韧性，有很大好处5.2.3 激光焊焊接工艺及参数 1.脉冲激光焊焊接工艺及参数 脉冲激光焊有四个主要焊接参数，即：脉冲能量、脉冲宽度、功率密度和离焦量 (1)脉冲能量和脉冲宽度 脉冲能量决定了加热能量大小，它主要影。