1、焊接技術指南第1頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四1 電子束焊接 1.1 電子束焊的基本原理 從電子槍中產生的電子束在25300kv的加速電壓下加速到0.30.7倍的光速，經過電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，形成的功率密度很高的電子束流得到一個很小的焦點。 當電子束流撞擊置于真空或非真空的工件表面時，電子的動能迅速轉變為熱能，使金屬迅速熔化和蒸發，實現焊接過程。焊接過程參看視頻動畫第2頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四1.2 電子束焊的特點 作為電子束焊的熱源，電子束具有如下特點： （1）功率密度高 電子束屬于高能束流，電子束焊接時常用的加速電

2、壓范圍為30150kV，電子束電流為20l000mA，電子束焦點直徑約為011mm，其功率密度可達106Wcm2以上。 （2）精確、快速的可控性 電子作為物質基本粒子，具有極小的質量（9.110-31kg）和一定的負電荷（1610-19C），電子的荷質比高達l761011Ckg，通過電場、磁場對電子束可作快速而精確的控制。這是電子束的一個優勢，與同為高能束流的激光相比，后者只能用透鏡和反射鏡控制，速度慢。第3頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 1. 焊件的結構形狀和尺寸焊件的厚度與電子束的加速電壓和功率有關，一般單道焊接碳鋼厚度可以超過100mm，或厚度超過400mm的

3、鋁板，而不需開坡口和填充金屬；焊薄件的厚度可小于2.5mm，甚至薄到0.025mm；也可焊厚薄相差懸殊的焊件。 真空電子束焊焊件的形狀和尺寸不能超過焊接室容積允許的范圍內。非真空電子束焊不受此限制，可以焊接大型焊接結構，但必須保證電子槍底面出口到焊件上表面的距離，一般在1250mm之間；單面焊可焊厚度一般很少超過10mm，如果厚度達到25mm以上，需要降低焊接速度，從而增加制造成本。1.3 電子束焊的適用范圍 第4頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 2. 焊接的材料 在真空室內進行電子束焊時，除含有大量的高蒸氣壓元素的材料外，一般熔焊能焊的金屬，都可以采用電子束焊。如鐵

4、、銅、鎳、鋁、鈦及其合金等。此外，還能焊接稀有金屬、活性金屬、難熔金屬和非金屬陶瓷等。可以焊接熔點、熱導率、溶解度相差很大的異種金屬。可以焊接熱處理強化或冷作硬化的材料，而對接頭的力學性能沒有太大的影響。1.3 電子束焊的適用范圍 第5頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 3. 焊接有特殊要求或特殊結構的焊件 可以焊接內部需保持真空度的密封件；焊接靠近熱敏元件的焊件；焊接形狀復雜而且精密的零部件； 可以同時施焊具有兩層或多層接頭的焊件。這種接頭層與層之間可以有幾十毫米的空間間隔。1.3 電子束焊的適用范圍 第6頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 1

5、. 焊前準備 (1)工件的準備和裝夾 （2）抽真空 （3）焊前預熱和焊后熱處理 2. 焊接接頭設計 3.焊接工藝參數 電子束焊的工藝參數主要有電子束電流Ib、加熱電壓Ua、焊接速度vb、聚焦電流If和工作距離H等。1.4 電子束焊接工藝 第7頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 1. 加速電壓 在電子束焊接中，加速電壓的增加可使熔深加大，但加速電壓的參數根據電子槍的類型通常選取某一數值不變。在保持其他參數不變的條件下，焊縫橫斷面深寬比與加速電壓成正比。 2. 電子束流 束流與加速電壓一起決定著電子束的功率。在電子束焊接過程中，加速電壓往往不變，所以常常要調整電子束流值來滿

6、足不同的焊接工藝需要。增加電子束流，熔深和熔寬都會增加。 3. 焊接速度 焊接速度太快會使焊縫變窄，熔深減小。1.4 電子束焊接工藝 第8頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 4. 聚焦電流 電子束聚焦狀態對熔深及焊縫成形影響很大。焦點變小可使焊縫變窄，熔深增加。厚板焊接時，應使焦點位于工件表面以下的熔深處；薄板焊接時，應使焦點位于工件表面。 5. 工作距離 工作距離應在設備最佳范圍內。工作距離變小時，電子束的斑點直徑變小，可增加電子束功率密度。但工作距離過小會造成放電現象，因而在不影響電子槍的穩定工作的前提下，可以采用盡可能短的工作距離。 對于確定的電子束焊接設備，加速

7、電壓一般固定不變，必須時也只做較小的調整。焊接電流和焊接速度是主要調整的工藝參數。熱輸入與電子束焊接功率成正比，與焊接速度成反比。利用焊接熱輸入與焊接厚度的對應關系，初步選定焊接工藝參數，經實驗修正后方可作為實際使用的焊接工藝參數。此外，還應考慮焊縫橫斷面、焊縫外形及防止產生焊縫缺陷等因素，綜合選擇和實驗確定焊接工藝參數。1.4 電子束焊接工藝 第9頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四1.5 典型材料的電子束焊 1. 鋁和鋁合金 純鋁及非熱處理強化鋁合金如果采用電子束焊接，接頭具有與母材退火狀態相似的力學性能。熱處理強化鋁合金進行電子束焊時，可能出現不同程度的裂紋、氣孔等

8、缺陷，但只要工藝參數選擇適當，可以減少缺陷并保證接頭不會出現退火軟化區。當鋁合金中含有較多強化元素鎂和鋅時，焊接速度慢的電子束焊時會造成這些元素大量蒸發；若提高焊接速度則焊縫成形惡化，并出現嚴重氣孔。無鋅的鋁合金宜用高壓，小束流的高速焊。 鋁和鋁合金電子束焊前需要對接縫處進行除油和清除氧化膜處理，焊接過程中應控制焊接速度，以防止出現氣孔并能改善焊縫成形。對厚度小于40mm的鋁板，焊接速度應在60- 120cm/min；對于40mm以上的厚鋁板，焊接速度應在60cm/min以下。 汽車上常采用了一些鋁合金零件，非真空電子束焊焊接汽車用鋁合金可得到良好的接頭。早在60年代，美國就將非真空電子束焊引

9、入了批量汽車零件的生產中，既可降低成本、而且效率高，并可在汽車生產線上連續進行；同時可減輕結構質量，節省燃料及減少廢氣的排放。汽車上儀表板等采用鋁合金焊接結構，接頭形式往往是卷邊的。第10頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 2. 鈦和鈦合金 鈦是一種非?；顫姷慕饘伲畛Ｒ姷暮附尤毕菔菤錃饪?，所以應在良好的真空條件下（1.3310-2Pa）進行焊接，而電子束焊接是所有工業鈦和鈦合金最理想的焊接方法。采用電子書焊接能有效地避免了有害氣體的污染，而且電子束的能量密度大，焊接速度高，焊縫中不會出現粗大的片狀相，因而焊接接頭的有效系數可達到100。焊接時為了防止晶粒長大，宜采用高

10、電壓、小束流的工藝參數。1.5 典型材料的電子束焊 第11頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四1.6 電子束焊的基本操作與安全防護 在操作電子束焊機時要防止高壓電擊、X射線、可見光輻射以及煙氣等。 無論是低壓型或高壓型的電子束焊機，在運行時都帶有足以致命的高電壓。因此，焊機中一切帶有高電壓的系統，都必須采取有效的安全防護措施。電子束焊接設備應裝置專用地線；設備外殼應用粗銅線接地。在更換陰極組件和維修時，應切斷高壓電源，并用放電棒接觸準備更換的零件，以防電擊。高壓電源和電子槍應保證有足夠的絕緣和良好的接地，絕緣試驗電壓應為額定電壓的1.5倍。第12頁，共40頁，2022年，

11、5月20日，14點26分，星期四 電子束焊接時會產生有害的金屬蒸氣、煙霧、臭氧及氧化氮等。應采用抽氣裝置將真空室排出的抽氣、煙塵等及時排出，以保證真空室內和工作場所的有害氣體。含量降低到安全水準以下，使設備周圍應易于通風。 直接觀察熔化金屬發射的可見光對視力和皮膚有害，因此焊接過程中不允許用肉眼直接觀察熔池，必要時應配戴防護眼鏡。 1.6 電子束焊的基本操作與安全防護 第13頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 焊接時大量的X射線是由高速運動的電子束與焊件撞擊所產生，在槍體和工作室內電子束與氣體分子或金屬蒸氣相撞時，也會產生相當數量的X射線。電子束焊焊接時，大約不超過1%

12、的電子束能量將轉變為X射線輻射。我國規定對無監護的工作人員允許的X射線劑量不應大于0.25mR/h，對于60kV以下電子束焊機的真空室采用足夠厚度的鋼板就能起防護X射線的作用，加速電壓為60kV以上的焊機應附加鉛板進行防護。無論是高壓或是低壓電子束系統都使用鉛玻璃窗口。焊機則安裝在用高密度混凝土建造的X射線屏蔽室內。1.6 電子束焊的基本操作與安全防護 第14頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 2.1 激光焊概述 激光是20世紀最偉大的發明之一，世界上第一臺激 光器問世于1960年，激光焊接是當今先進的制造技術之一。激光焊是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件接縫所產生的能量

13、進行焊接的方法。與常規焊接方法相比，激光焊有如下特點： l）聚焦后的激光功率密度高達105 -107Wcm2，工件產生的變形極小，熱影響區也很窄，多以深熔深方式，特別適宜于精密焊接和微細焊接。 2）焊接厚件時可不開坡口一次成形，獲得深寬比大的焊縫。不開坡口單道焊接鋼板的厚度已達50mm。 2 激光焊第15頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 3）適宜于焊接一般焊接方法難以焊接的材料，如難熔金屬、熱敏感性強的金屬以及熱物理性能差異懸殊、尺寸和體積懸殊工件間的焊接；甚至可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃等。 4）穿過透明介質對密閉容器內的工件進行焊接，適合于在玻璃的密封

14、容器里焊接鈹合金等劇毒材料。 5）可借助反射鏡使光束達到一般焊接方法無法施焊的部位，YAG激光（波長1.06um )還可用光纖傳輸，可達性好。 2.1 激光焊概述第16頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 6）激光束不受電磁干擾，無磁偏吹現象存在，適宜于磁性材料焊接。 7）不需真空室，不產生X射線，觀察及對中方便。 激光焊的不足之處是設備的一次投資大，特別是高功率連續激光器的價格昂貴，而且對高反射率的金屬直接進行焊接比較困難。 目前，用于焊接的激光器主要有兩大類，氣體激光器和固體激光器，前者以CO2激光器為代表，后者以YAG激光器為代表。根據激光的作用方式激光焊接可分為連

15、續激光焊和脈沖激光焊。隨著設備性能的不斷提高、結構的日益復雜，對接頭性能和變形要求越來越苛刻，許多傳統的焊接方法己不能滿足要求，因而，激光焊接在許多場合具有不可替代的作用。2.1 激光焊概述第17頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 1.激光焊能源參數 激光焊是將光能轉化為熱能達到熔化工件進行焊接的目的。 1）功率密度 激光能作用于固態金屬表面時，按功率密度不同可產生三種不同加熱狀態。功率密度較低時僅對表面產生無熔化的加熱，這種狀態用于表面熱處理或釬焊；功率密度提高時，可產生熱傳導型熔化加熱，用于薄板高速焊及精密點焊；功率密度進一步提高時，則產生熔孔型熔化，激光熱源中心加

16、熱溫度達到金屬的沸點而形成等離子蒸氣，用于深熔焊。由于功率密度很大，所產生的小孔已貫穿整個板厚。在連續激光焊時，小孔是隨著光束相對于工件而沿焊接方向前進的。金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向方后，重新凝固形成焊縫。 2.2 激光焊工藝第18頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 調節激光的功率密度，即能實現不同加工工藝的要求。而調整功率密度的主要方法有：調節輸入激光器的能量；調節光斑尺寸，即激光束與金屬固體表面交叉面積的大?。桓淖児饽Ｐ褪剑锤淖児獍咧心芰康姆植?；改變脈沖寬度及前沿的梯度等。 2. 吸收率 激光焊接的熱效應取決于工件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。減少激

17、光反射損失的途徑有：采用TEMoo光模；采用衰減式脈沖調制。開始時高脈沖功率使金屬迅速加熱熔化，降低其反射率，然后就可以在較低的能量輸入下繼續加熱熔化；用噴涂等方法增加表面粗糙度或形成高吸收率薄膜：用電弧等熱源預熱，即雙熱源進行焊接；采用光收集式的接頭設計。2.2 激光焊工藝第19頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 3. 聚焦和離焦量 （1）聚焦 焊接或切割厚度較大的材料時，為獲得較大的焦點深度，宜選用焦距較長的透鏡。對各種厚度的被焊材料及不同接頭都存在一個最佳焦距。 （2）離焦量 離焦量是工件表面離激光焦點的距離。工件表面在焦點以內時為負離焦，與焦點的距離為負離焦量。

18、反之為正離焦。離焦量不僅影響工件表面激光光斑的大小，而且影響光束的入射方向，因而對熔深和焊縫形狀有較大的影響。 2.2 激光焊工藝第20頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 激光復合焊接技術是指將激光與其他焊接方法組合起來的集約式焊接技術，其優點是能充分發揮每種焊接方法的優點并克服某些不足，從而形成一種高效的熱源。例如，由于高功率激光焊設備的價格較昂貴，當對厚板進行深熔、高速焊接時，可將小功率的激光器與常規的氣體保護焊結合起來進行復合焊接，如激光-TIG和激光-MIG等。2.3 激光復合焊技術第21頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四2.3 激光復合

19、焊技術 1激光一電弧焊 激光焊接復合技術中應用較多的是激光-電弧復合焊接技術，主要目的是有效地利用電弧能量，在較小的激光功率條件下獲得較大的熔深，同時提高激光焊接對接頭間隙的適應性，降低激光焊接的裝配精度，實現高效率、高質量的焊接過程。激光-TIG復合焊示意圖激光-MIG復合焊示意圖第22頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 2激光高頻焊 該方法是在高頻焊管的同時，采用激光對熔焊處進行加熱，使待焊件在整個焊縫厚度上的加熱更均勻，有利于進一步提高焊管的質量和生產率。 近年來，通過激光一電弧相互復合而誕生的復合焊接技術獲得了長足的發展，在航空、軍工等部分復雜構件上的應用日益受

20、到重視。目前，激光與不同電弧的復合焊接技術已成為激光焊接領域發展的熱點之一。2.3 激光復合焊技術第23頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 1.鋁合金的激光焊 鋁合金激光焊常采用深熔焊方式，焊接時的主要困難是它對激光束的高反射率和自身的高導熱性。鋁是熱和電的良導體，高密度的自由電子使它成為光的良好反射體，起始表面反射率超過90%。也就是說，深熔焊必須在小于10%的輸入能量開始，這就需要采用大功率或高性能的激光束來獲得所需的能量密度。而小孔一旦生成，它對光束的吸收率迅速提高，甚至可達90，從而使焊接過程順利進行。2.4 典型材料的激光焊第24頁，共40頁，2022年，5月

21、20日，14點26分，星期四 1.鋁合金的激光焊 由于鋁合金對激光的強烈反射作用，鋁合金激光焊十分困難，必須采用高功率的激光器才能進行焊接。在CO2激光焊和Nd: YAG激光焊的過程中，采用等離子弧與激光復合焊接不僅能提高焊接速度（可提高兩倍）、減少裂紋，還有助于得到平滑的焊縫。 激光焊的優勢和工藝柔性又吸引著科技人員不斷突破鋁合金激光焊的禁區，有力推動了鋁合金激光焊在飛機、汽車等制造領域中的應用。2.4 典型材料的激光焊第25頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 2. 鈦金的激光焊 鈦合金具有高的比強度，良好的塑性及韌性，較高的抗腐蝕性，是一種優良的結構材料。鈦及鈦合金

22、化學性能活潑，對氧化很敏感，對由氧氣、氫氣、氮氣和碳原子所引起的間隙脆化也很敏感，所以要特別注意接頭的清潔和氣體保護問題。 在進行激光焊時，接頭正反面都必須施加惰性氣體保護，氣體保護范圍須擴大到400500（即保護）。鈦合金對接時，焊前必須把坡口清理干凈，可先用噴砂處理，再用化學方法清洗。另外，裝配要精確，接頭間隙要嚴格控制。 2.4 典型材料的激光焊第26頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 鈦合金采用激光焊接可得到滿意的結果。Ti-6A1-4V是用量最大的鈦合金，廣泛用于航空航天制造。對1mm厚的Ti-6Al-4V板材采用4.7kW的CO2激光輸出功率，焊接速度可超過

23、15m/min。檢測結果表明，焊接接頭致密、無裂紋、氣孔和夾雜物。接頭的屈服強度、抗拉強度與母材相當，塑性不降低。在適當的焊接參數下，Ti-6A1-4V合金接頭具有與母材同等的彎曲疲勞性能。鈦合金激光焊時，焊接速度一般較高（80100m/h），焊接熔深大致為1mm/kW。激光焊焊接高溫鈦合金，也可以獲得強度和塑性良好的接頭。2.4 典型材料的激光焊第27頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是基于摩擦焊技術的基本原理，由英國焊接研究所（TWI）于1991年發明的一種新型固相連接技術。與常規摩擦焊相比，其不

24、受軸類零件的限制，可進行板材的對接、搭接、角接及全位置焊接。被譽為“繼激光焊后又一次革命性的焊接技術”。3.攪拌摩擦焊第28頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 與傳統的熔化焊方法相比，攪拌摩擦焊接頭不會產生與熔化有關的如裂紋、氣孔及合金元素的燒損等焊接缺陷；焊接過程中不需要填充材料和保護氣體，使得以往通過傳統熔焊方法無法實現焊接的材料通過攪拌摩擦焊技術得以實現連接；焊接前無須進行復雜的預處理，焊接后殘余應力和變形小；焊接時無弧光輻射、煙塵和飛濺，噪音低；因而，攪拌摩擦焊是一種經濟、高效、高質量的“綠色”焊接技術。3.攪拌摩擦焊第29頁，共40頁，2022年，5月20日，

25、14點26分，星期四 3.1. 攪拌摩擦焊焊接過程 在進行攪拌摩擦焊接時，首先將焊件牢牢地固定在工作平臺上，然后，攪拌焊頭高速旋轉并將攪拌焊針插入焊件的接縫處，直至攪拌焊頭的肩部與焊件表面緊密接觸，攪拌焊針高速旋轉與其周圍母材摩擦產生的熱量和攪拌焊頭的肩部與焊件表面摩擦產生的熱量共同作用，使接縫處材料溫度升高而軟化。3.攪拌摩擦焊第30頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四3.攪拌摩擦焊 同時，攪拌焊頭邊旋轉邊沿著接縫與焊件作相對運動，攪拌焊頭前面的材料發生強烈的塑性變形。隨著攪拌焊頭向前移動，前沿高度塑性變形的材料被擠壓到攪拌焊頭的背后。在攪拌頭軸肩與焊件表層摩擦產熱和鍛

26、壓共同作用下，形成致密的固相連接接頭。 攪拌摩擦焊接過程參見視頻資料。攪拌摩擦焊接過程示意圖 第31頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 3.2 攪拌摩擦焊的熱輸入與焊接參數 在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌焊針高速旋轉并插入焊件，隨即在焊接壓力的作用下，軸肩與焊件表面接觸，于是在軸肩與焊件材料上表面及攪拌針與接合面間產生大量的摩擦熱，同時，攪拌針附近材料發生塑性變形和流體流動從而導致形變產熱，其中摩擦熱是焊接產熱的主體。隨著攪拌焊頭沿焊縫方向行走，這些熱量對焊縫及焊縫附近的母材施以熱循環作用，導致材料中沉淀相的溶解、焊縫和熱影響區發生較大程度的軟化。第32頁，共40頁，202

27、2年，5月20日，14點26分，星期四 目前，還不能對攪拌摩擦焊的產熱進行精確計算，產熱機制的解釋和計算方法有很多種，因此，加強攪拌摩擦焊的基礎理論研究，盡快建立合適的傳熱模型，從理論上預測材料在一定的焊接參數下所經歷的熱過程，對優化焊接參數、獲得優質的焊接接頭具有重要作用。 攪拌摩擦焊接參數主要包括焊接速度（攪拌焊頭沿焊縫方向的行走速度）、攪拌焊頭轉速、焊接壓力、攪拌頭傾角、攪拌頭插入速度和保持時間等。 第33頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 3.3 鋁合金的攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊發明初期主要解決鋁合金薄板的焊接問題，隨著攪拌摩擦焊焊接工具的開發和工藝技術的發展，目

28、前，攪拌摩擦焊可以焊接所有系列的鋁合金材料，包括那些難于用熔化焊方法連接的高強鋁合金材料，如2xxx(Al-Cu)系列、7xxx(Al-Zn)系列鋁合金，也可用于不同種類鋁合金材料的連接，如5xxx（AlMg）與6xxx(AlMgSi)系列鋁合金鋁合金的焊接。在材料的厚度上，攪拌摩擦焊單道焊可以實現厚度為0.4100mm鋁合金材料的焊接；雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。第34頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 采用攪拌摩擦焊接鋁合金，接頭力學性能高于采用熔化焊接。通過研究焊接速度、攪拌頭轉速、軸向壓力、攪拌頭仰角等參數對接頭性能的影響規律，并進行參數優化，可以找到

29、最佳的焊接參數匹配區間。當以這個區間內的參數進行FSW時，可以獲得最佳性能的FSW接頭。 3.4 鈦合金的焊接 攪拌摩擦焊在鈦合金焊接中的應用也日趨廣泛，采用攪拌摩擦焊技術焊接鈦合金Ti-6 Al-4 V，可以得到高質量的焊縫，且焊接速度快、成本低、效益好、操作簡單。第35頁，共40頁，2022年，5月20日，14點26分，星期四 3.5 銅合金的焊接 攪拌摩擦焊接銅合金，可以消除熔化焊時的焊縫成形差、熱裂傾向大、難于熔合、未焊透、表面成形差等外觀缺陷、焊縫及熱影響區熱裂紋、氣孔等內部缺陷。當選用尺寸合適的錐形螺紋形攪拌針時，焊縫成形良好；而選用圓柱形攪拌針時，焊縫容易產生缺陷。這說明螺紋形攪拌針的螺紋槽能改善熱塑性材料的流動，從而有利于形成致密的焊縫。 在1997年瑞典SKB公司和英國焊接研究所對50毫米厚銅合金核燃料貯箱的攪拌摩擦焊制