高能束流焊接技术的最新进展

1、高能束流焊接技术的最新进展    高能束流焊接的功率密度（Power Density）达到105W/cm2以上。    束流由单一的电子、光子、电子和离子或二种以上的粒子组合而成。属于高功率密度的热源有： 等离子弧、电子束、激光束及复合热源  激光束+Arc（TIG、MIG、Plasma）。    当前高能束流焊接被关注的主要领域是：高能束流设备的大型化功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化。新型设备的研制，诸如，脉冲工作方式以及短波长激光器等。设备的智能化

2、以及加工的柔性化。束流品质的提高及诊断。束流、工件、工艺介质相互作用机制的研究。束流的复合。新材料的焊接。应用领域的扩展。    1、激光焊接的最新进展    1.1  新型激光器    （1）直流板条式（DC Slab）CO2激光器、（2） 二极管泵浦的YAG激光器、（3）CO激光器、（4）半导体激光器、（5）准分子激光器。    1.2  激光器功率的大型化、脉冲方式以及高质量的光束模式  &

3、#160; 以美国PRC公司为例，几年前，用于切割的CO2激光器功率主要是15002000W，而近期的主导产品是40006000W，6000W可切割的不锈钢厚度、碳钢厚度分别为35 mm和40 mm.    1.3  设备的智能化及加工的柔性化    尤其是对YAG激光，由于可用光纤传输，给加工带来了极大的方便。    其主要特点是：一机多用。采用一台激光机可进行多工位（可达6个）加工。光纤长度最长可达60m.开放式的控制接口。具有远距离诊断功能。

4、0;   1.4  束流的复合    最主要的是激光电弧复合。深熔焊接时，熔池上方产生等离子体，复合加工时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感的，通过与电弧的复合，则变的容易而可靠。    激光电弧复合主要是激光与TIG、Plasma以及GMA.通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。  &#

5、160; GMA 成本低，使用填丝，适用性强，缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊速高、热输入低，但投资高，对工件制备精度要求高，对铝等材料的适应性差。Laser-GMA的复合效应表现在：电弧增加了对间隙的桥接性，其原因有二：一是填充焊丝，二是电弧加热范围较宽；电弧功率决定焊缝顶部宽度；激光产生的等离子体减小了电弧引燃和维持的阻力，使电弧更稳定；激光功率决定了焊缝的深度；更进一步讲，复合导致了效率增加以及焊接适应性的增强。    从能量观点看，激光电弧复合对焊接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应，一是较高的能

6、量密度导致了较高的焊接速度；二是两热源相互作用的叠加效应。    GMA、激光加丝和激光电弧复合三种方法焊接时线能量、焊缝断面以及能量利用率的比较。    Laser -TIG Hybrid可显著增加焊速，约为TIG焊接时的2倍；钨极烧损也大大减小，寿命增加；坡口夹角亦减小焊缝面积与激光焊时相近。阿亨大学弗朗和费激光技术学院研制了一种激光双弧复合焊接，与激光单弧复合焊相比，焊接速度可增加约1/3，线能量减小25%.    英国Conventry大学现代连接中心亦有Laser-

7、plasma复合焊接的报导。其优点是：提高焊接速度和熔深；由于电弧加热，金属温度升高，降低了金属对激光的反射率，增加了对光能的吸收。在小功率CO2激光试验基础上，还要在12 000W CO2 激光以及光纤传输的2kW YAG激光器上进行，并为机器人进行PALW打基础。    1.5  激光、工件与保护气体相互作用的研究    1.6  铝合金的激光焊接    铝合金由于比强度高、抗腐蚀性好而得以广泛应用。CO2激光焊接铝合金的困难主要在于高的反射率以及导热

8、性好，难以达到蒸发温度、难于诱导小孔的形成（尤其是对Mg含量比较小时）以及容易产生气孔。提高吸收率的措施除了表面化学改性（如阳极氧化）、表面镀层、表面涂层等外，也有用激光TIG、激光MIG的报道，其中MIG DC electrode position方法由于表面的清理作用强和加丝的合金化作用效果为好。    最近，比利时的L Cretteur和法国的S Marya对6061铝合金进行了混合气和焊剂的CO2激光焊。在给定的试验条件下表明：70%He+30%Ar、气流方向与焊接方向相反时效果为好；针对穿透焊接时焊缝背面容易产生下垂缺陷，采用75% LiF+2

9、5%LiCl的焊剂，起到了祛除氧化、改善熔化金属与背面母材的接合，使背面焊缝具有“上翘”效应，在较宽的参数区间内形成了规整的焊道。对6061铝合金的焊接表明，焊缝强度可达到母材的90%.    1.7  激光熔覆    激光熔覆与其它表面改性方法相比，加热速度快、热输入少，变形极小；结合强度高；稀释率低；改性层厚度可精确控制，定域性好、可达性好、生产效率高。    激光熔覆除用于民品外，英、美等国也已用于航空机发动机Ni基涡轮叶片的耐热、耐磨层的熔覆及修复。

10、0;   2、电子束焊接和等离子弧焊接的最新进展    国外电子束焊接发展可归结为：超高能密度装置研制、设备智能化柔性化、电子束流特性诊断、束流与物质作用机制研究以及非真空电子束焊设备及工艺的研究等。    在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世，一次可焊200 mm的不锈钢，深宽比达70：1.    日、俄、德开展了双枪及填丝电子束焊技术的研究。在对大厚度板第一次焊接的基础上，通过第二次填丝来弥补顶部下凹或咬边缺陷；日本采用双抢实现了薄板的超高速焊接，反面无飞溅，成形良好。法国研制成功的双金属和三金属薄带材电子束焊接机也颇引人关注。    关于非真空电子束焊接，德国实现了母材为Al Mg0.4 Si1.2的旋转件的填丝焊接，加丝材料为AlMg4.5Mn，送丝速度35m/min，焊接速度高达60m/min.该研究在斯图加特大学的25kW电子束焊机上完成。