1、 激光焊和電子束焊接學(xué) 院：材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)：金 屬 材 料 科 學(xué) 與 工 程姓 名：黎 琦學(xué) 號：20100800411激光焊和電子束焊接摘要： 本文通過對特種焊接方法中的激光焊和電子束焊接兩種方法的原理、特點、設(shè)備、工藝及應(yīng)用等方面的簡介，讓大家對特種焊接技術(shù)得到一個完整的認識。在焊接這個領(lǐng)域中，特種焊接技術(shù)是在近年來得到高速的發(fā)展。它不僅給焊接技術(shù)的發(fā)展帶來巨大的推動力，也對許多相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生相當(dāng)深遠的影響關(guān)鍵詞：焊接技術(shù) 發(fā)展 日新月異 1.引言 焊接作為先進制造技術(shù)的重要組成部分在國民經(jīng)濟的發(fā)展和國家建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。焊接技術(shù)的優(yōu)秀成果在航空、核能、船

2、舶、電力、電子、海洋鉆探、高程建筑等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)的進步，焊接已經(jīng)逐漸脫離了單純工藝和技術(shù)的層面而走向科學(xué)的范疇，并且在與其他科學(xué)知識的不斷碰撞和交融中，展現(xiàn)出來旺盛的生命力。新材料的不斷產(chǎn)生、新能源的不斷開發(fā)和新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，對焊接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。由此傳統(tǒng)的焊接技術(shù)以滿足不了工程的應(yīng)用，隨著材料和技術(shù)的發(fā)展，焊接技術(shù)也得到了發(fā)展，越來越多的焊接方法得到應(yīng)用特種焊接。2.激光焊2.1激光焊的基本原理 （1）激光焊接的基本過程使用經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后具有高功率密度的激光束照射到焊接材料表面，利用材料對光能的吸收來對其進行加熱、熔化，再經(jīng)過冷卻結(jié)晶而形成焊接接頭的一

3、種熔化焊過程。（2）激光焊機理按激光器輸出能量的方式不同，激光焊分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊，按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分為傳熱焊和深熔焊。1）激光傳熱焊采用的激光器光斑上的功率密度小于105W時，激光將金屬表面加熱到熔點與沸點之間，焊接時，金屬材料表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽墙饘俦砻鏈囟壬叨刍缓笸ㄟ^熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)逐漸擴大，凝固后形成焊點或焊縫，其熔深輪廓近似為半球形。特點是：激光光斑上的功率密度小，很大一部分光被金屬表面所反射，光的吸收率較低，焊接熔深淺，焊接速度慢。主要用于薄、小零件的焊接加工。2）激光深熔焊當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大時

4、（大于等于106W/cm2）,金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)升高到沸點，是金屬熔化和汽化。當(dāng)金屬汽化時，所產(chǎn)生的金屬蒸汽以一定的速度離開熔池，金屬蒸汽的溢出對熔化的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個附加壓力，使熔池金屬表面向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)生一個凹坑。當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱汽化時，所產(chǎn)生的金屬蒸汽一方面壓迫坑底的液態(tài)金屬是小坑進一步加深，另一方面，向坑外飛出的蒸汽將熔化的的金屬擠向熔池四周。這個過程連續(xù)進行下去，便在液態(tài)金屬中形成一個細長的空洞。當(dāng)光束能力所產(chǎn)生的金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)加深，形成一個深度穩(wěn)定的孔而進行焊接，因此稱之為激光深

5、熔焊。（3）激光焊過程中的幾種效應(yīng)小孔效應(yīng)、等離子體屏蔽效應(yīng)、等離子體的負面效應(yīng)、壁聚焦效應(yīng)、凈化效應(yīng)2.2激光焊接的設(shè)備組成 激光器、光學(xué)系統(tǒng)、激光加工機、輻射參數(shù)傳感器、工藝介質(zhì)輸送系統(tǒng)、工藝參數(shù)傳感器、控制系統(tǒng)、準直用He-Ne激光器其中激光焊接設(shè)備主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、焊接機和控制系統(tǒng)組成。2.3激光焊接的工藝特點按焊接熔池形成的機理區(qū)分，激光焊接有兩種基本模式：熱導(dǎo)焊和深熔焊，前者所用激光功率密度較低（105106Wcm2），工件吸收激光后，僅達到表面熔化，然后依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。后者激光動車密度高（106107Wcm2），工件吸收

6、激光后迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫（圖1）。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深館焊。 深熔焊過程產(chǎn)生的金屬蒸氣和保護氣體，在激光作用下發(fā)生電離，從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體。等離子體對激光有吸收、折射和散射作用，因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通常可輔加側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。小孔的形成和等

7、離子體效應(yīng)，使焊接過程中伴隨著具有特征的聲、光和電荷產(chǎn)生，研究它們與焊接規(guī)范及焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系，和利用這些特征信號對激光焊接過程及質(zhì)量進行監(jiān)控，具有十分重要的理論意義和實用價值。 由于經(jīng)聚焦后的激光束光斑小（0.10.3mm），功率密度高，比電弧焊（5×102104W/cm2）高幾個數(shù)量級，因而激光焊接具有傳統(tǒng)焊接方法無法比擬的顯著優(yōu)點：加熱范圍小，焊縫和熱影響區(qū)窄，接頭性能優(yōu)良；殘余應(yīng)力和焊接變形小，可以實現(xiàn)高精度焊接；可對高熔點、高熱導(dǎo)率，熱敏感材料及非金屬進行焊接；焊接速度快，生產(chǎn)率高；具有高度柔性，易于實現(xiàn)自動化。 激光焊與電子束焊有許多相似之處，但它不需要真空室，不產(chǎn)生X

8、射線，更適合生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。激光焊接實際上已取得了電子束焊接20年前的地位，成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流。2.4激光焊接在工業(yè)中的應(yīng)用情況（1）激光焊接在國外汽車工業(yè)中的應(yīng)用1） 白車身激光焊接汽車工業(yè)中的在線激光焊接大量用在白車身沖壓零件的裝配和連接上。主要應(yīng)用包括車頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釬焊及車架激光焊接。另一項比較重要的車身激光焊接應(yīng)用,是車身結(jié)構(gòu)件（包括車門、車身側(cè)圍框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高車身強度,并可解決一些部位難以實施常規(guī)電阻點焊的難題。2） 不等厚激光拼焊板車身制造采用不等厚激光拼焊板可減輕車身重量、減少零件數(shù)量、提高安全可靠性及降低成本。3） 齒輪

9、及傳動部件焊接20世紀80年代末,克萊斯勒公司的Kokomo分公司購進九臺6kWCO2激光器,用于齒輪激光焊接,生產(chǎn)能力提高40%。90年代初,美國三大汽車公司投入40多臺激光器用于傳動部件焊接。奔馳公司經(jīng)研究利用激光焊接代替電子束焊接,因為前者焊縫熱影響區(qū)小。美國福特汽車公司用4。7kWCO2激光器焊接車輪鋼圈,鋼圈厚1mm,焊接速度為2。5m/min。該公司還采用帶有視覺系統(tǒng)的激光焊接機,將六根軸與鍛壓出來的齒輪焊在一起,成為轎車自動變速器的齒輪架部件,生產(chǎn)率為200件/h。（2） 光纖激光焊在造船及海洋工程方面的應(yīng)用目前,許多輪船都是先制造出許多獨立的局部組件結(jié)構(gòu)單元,再在水中的船臺上一

10、個個進行組裝。采用激光焊技術(shù)制造海洋建筑物局部組件非常合適,因為它結(jié)合了焊接切割自動化技術(shù)與激光技術(shù)。與弧焊方法相比,采用該技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)率。造船中,采用光纖激光技術(shù),可以無需進行焊接邊緣預(yù)處理和焊前或焊后熱處理就能將部件焊接在一起。與弧焊相比,激光焊的焊接接頭窄,熱影響區(qū)小,而且沒有傳統(tǒng)弧焊方法中出現(xiàn)的由于弧吹或電極磨損引起的焊接缺陷。所以,接頭采用光纖激光焊,可以實現(xiàn)新的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計,這在以前是不可能實焊接接頭比弧焊焊接接頭更加經(jīng)濟, 質(zhì)量更好。（3） 激光焊在飛機制造中的應(yīng)用激光束焊具有能量密度高,熱影響區(qū)小,空間位置轉(zhuǎn)換靈活,可在大氣環(huán)境下焊接,焊接變形極小等優(yōu)點。它主要應(yīng)用于飛

11、機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接,以保證氣動面的外形公差。另外在機身附件的裝配中也大量使用了激光束焊接技術(shù),如腹鰭和襟翼的翼盒,結(jié)構(gòu)不再是應(yīng)用內(nèi)肋條骨架支撐結(jié)構(gòu)和外加蒙皮完成,而是應(yīng)用了先進的鈑金成形技術(shù)后,采閑激光焊接技術(shù)在三維空間完成焊接拼合,不僅產(chǎn)品質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高,而且工藝再現(xiàn)性好,減重效果明顯。近年來激光焊也多見于薄壁零件的制造中,如進氣道、波紋管、輸油管道、變截面導(dǎo)管和異型封閉件。這些零件的傳統(tǒng)焊接方法多采用微弧等離子弧焊,或者是小電流鎢極氬弧焊。隨著鈦合金材料的大量使用,即便采用了這些低線能量的焊接技術(shù),仍然由于薄壁材料引起的焊接變形超出公差范圍和焊接缺陷的無法修復(fù)等原因,導(dǎo)

12、致傳統(tǒng)焊接工藝面臨淘汰的命運。激光束焊接配以局部保護措施,非常適合焊接薄壁鈦合金殼體零件4。（4）復(fù)合激光焊的應(yīng)用復(fù)合激光焊技術(shù)結(jié)合了激光焊和傳統(tǒng)氣體保護焊（GMAW）兩者的優(yōu)點,激光焊能在較小的熱輸入量和小的焊接熱影響區(qū)（HAZ）情況下獲得較大的熔深；所附加的氣保焊（GMAW）可以大大擴展接頭根部間隙的大小,改善表面狀態(tài)和雜質(zhì)的允許量；提高根部間隙填充和成形質(zhì)量以及加強對焊接冶金的控制。（5） 激光焊在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光焊是用激光來加熱, 所以它可以穿透透明介質(zhì), 能夠焊到透明介質(zhì)容器的里邊去。這是其他焊接方法難以做到的。這種方法也被利用到醫(yī)學(xué)里邊,比方講我們有些患者視網(wǎng)膜脫落,視網(wǎng)膜是在眼球

13、的后面,視網(wǎng)膜脫落以后眼睛就會失明。現(xiàn)在就用激光的辦法,透過眼球焊到眼球后面,把這個視網(wǎng)膜和眼球焊起來。這個已經(jīng)是很成功的手術(shù)了3.電子束焊接3.1電子束焊接的基本原理電子束焊接的工作原理是:在真空條件下。從電子槍中發(fā)射的電子束在高電壓(通常為20300kV)加速下,通過電磁透鏡聚焦成高能量密度的電子束。當(dāng)電子束轟擊工件時,電子的動能轉(zhuǎn)化為熱能,焊區(qū)的局部溫度可以驟升到6000以上。使工件材料局部熔化實現(xiàn)焊接。3.2 電子束焊接特點由于高能量密度的電子束流集中作用的結(jié)果,使電子束焊接熔池“小孔”形成機理與其他熔化焊有所不同。電子束焊接過程是,高壓加速裝置形成的高功率電子束流,通過磁透鏡會聚,得

14、到很小的焦點(其功率密度可達104109W/cm2),轟擊置于真空或非真空的焊件時,電子的動能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?熔化金屬,實現(xiàn)金屬焊接的目的。電子束焊接的特點可概括如下: (1)電子束斑點直徑小,加熱功率密度大,焊接速度快,熱影響區(qū)小; (2)可獲得深寬比大的焊縫,焊接厚件時可以不開坡口一次成形;(3)多數(shù)構(gòu)件是在真空條件下焊接,焊縫純潔度高; (4)規(guī)范參數(shù)易于調(diào)節(jié),工藝適應(yīng)性強; (5)適于焊接多種金屬材料; (6)焊接熱輸入低,焊接熱變形小。 但是電子束焊接方法也有一些不足,如: (1)電子束焊機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制設(shè)備精度高,所需費用高; (2)焊接前對接頭加工、裝配要求嚴格,以保證接頭位置準

15、確、間隙小而且均勻; (3)真空電子束焊接時,被焊工件尺寸和形狀常常受到工作室的限制,每次裝卸工件要求重新抽真空; (4)冷卻過程中快速凝固,引起焊接缺陷,如氣孔、焊接脆性等; (5)電子束易受雜散電磁場的干擾,影響焊接質(zhì)量; (6)電子束焊接時產(chǎn)生的X射線需要嚴加防護,以保證操作人員的健康和安全。 3.3. 電子束焊接的分類 1）、根據(jù)焊件所處真空度的差異可分為: （1)高真空電子束焊接(真空度為10-410-1Pa):該方法電子散射小,作用在工件上的功率密度高,穿透深度大,焊縫深寬比大,適宜于活性金屬、難熔金屬及質(zhì)量要求高的工件焊接,應(yīng)用最為廣泛。 （2)低真空電子束焊接(真空度為10-1

16、10Pa)。與高真空電子束焊相比,電束較寬,工作距離較大,真空系統(tǒng)簡單,生產(chǎn)效率高,成本低。減弱了焊接時金屬的蒸發(fā)等。 （3)非真空電子束焊接(無真空工作室):在大氣壓力的環(huán)境中焊接,電束散射寬,焊縫較寬、深寬比小,可焊大尺寸的工件。焊接時,束流進入大氣前先經(jīng)過充滿氦的氣室,而后與氦氣一起進入大氣。 2）、根據(jù)電子槍加速電壓又可分為: (1)高壓電子束焊接:加速電壓大于120千伏,束斑直徑小,功率密度大,工作距離長,焊縫的深寬比大,焊縫精密,變形小,適用于單道焊縫的大厚度板材和難熔、熱敏材料的焊接。 (2)中壓電子束焊接:加速電壓范圍為40100千伏,滿足除極薄材料外的一般厚度材料的焊接,可用

17、局部真空室滿足大型件的焊接。 (3) 低壓電子束焊接:加速電壓低于40千伏,功率密度小,工作距離短,焊縫稍寬,畸變稍大,適用于焊縫深寬比小的薄板焊接。 3）、按電子束對材料的加熱機制分 (1)熱傳導(dǎo)焊接:作用在工件表面的功率密度<105W/cm2,電子束轉(zhuǎn)化的熱能通過熱傳導(dǎo)使工件熔化,熔化金屬不產(chǎn)生顯著的蒸發(fā)。 (2)深熔焊接:作用在工件表面的功率密度>105W/cm2,金屬被熔化并伴有強烈的蒸發(fā),形成熔池小孔,電子束穿入小孔內(nèi)部與金屬直接作用,焊縫深寬比大。3.4 電子束焊接的工藝電子束焊接是一種利用電子束作為熱源的焊接工藝。電子束發(fā)生器中的陰極加熱到一定的溫度時逸出電子，電子在

18、高壓電場中被加速，通過電磁透鏡聚焦后，形成能量密集度極高的電子束，當(dāng)電子束轟擊焊接表面時，電子的動能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽购附蛹慕Y(jié)合處的金屬熔融，當(dāng)焊件移動時，在焊件結(jié)合處形成一條連續(xù)的焊縫。對于真空電子束焊機，要焊接的工件置于真空室中，一般裝夾在可直線移動或旋轉(zhuǎn)的工作臺上。焊接過程可通過觀察系統(tǒng)觀察。3.5電子束焊接在工業(yè)上的應(yīng)用: 1）、飛機和航天飛行器 電子束已被用來將鈦鍛件焊接成新型直升機的轉(zhuǎn)翼,現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的機翼箱等。發(fā)動機上一些其他部件如透平罩、壓縮機箱體以及飛機的燃料驅(qū)動系統(tǒng)和著陸起落架等也都采用了電子束焊接。 由于電子束焊接的變形和熱影響區(qū)小,已被用于航天飛機發(fā)動機的裝配焊接,如主燃燒室、熱氣歧管、高(低)壓燃料渦輪泵、高(低)壓氧化劑渦輪泵、燃料預(yù)燃燒室、氧化劑預(yù)燃燒器等間的焊接。 2）、發(fā)電設(shè)備 電子束焊接以其獨有的優(yōu)點正在發(fā)電設(shè)備的制造方面取代傳統(tǒng)的焊接方法。如美國、日本等國家都已使用真空電子束焊接取代埋弧焊工藝焊接汽輪機定子和汽輪機導(dǎo)向葉片。使用埋弧焊需要幾天才能完成的焊接,使用電子束焊接后僅需幾個小時就能完成。 3）、汽車工業(yè) 使用電子束焊接方法焊接汽車后橋,省去了坡口的制作的準備。由于在真空條件下施焊,電子束焊接大大地清除了產(chǎn)生