高能束流焊接方法学习要点总结(共19页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上实训成绩批阅教师日 期高能束流焊接方法学习要点总结课程名称 焊接设备维修实训 专业年级 焊接1311 学 号 13 学生姓名 张华荣 指导教师 李飞 2016年 4月 13日专心-专注-专业高能束流焊接方法学习要点总结 一高能束流焊接方法基本概念：高能束流焊接是指以激光束、电子束、等离子体为热源，对金属、非金属材料进行焊接的精细加工工艺。注：（1）高能束流焊接的功率密度（Power Density）达到105W/cm2以上。 （2）高能束流是由单一的电子、光子、电子和离子，或者二种以上的粒子组合而成。（一）电子束焊焊接方法基本概念：电子束焊是利用会聚的高速电子轰击工作

2、件接缝处所产生的热能，使金属熔合的一种焊接方法。 （二）激光焊焊接方法基本概念：利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效而且精密的焊接方法。它是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量而进行焊接的。聚焦的激光束是指：利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束。（三）激光切割基本概念：激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。（四）等离子弧焊焊焊接方法基本概念：等离子弧焊是以等离子弧为热源的一种高能速流焊接方法。二基本原理和分类（一）获得高能束流的基本原理：1.高功率密度激光束的获取

3、激光器通过谐振腔的方向选择、频率选择以及谐振腔和工作物质共同形成的反馈放大作用，使输出的激光具有良好的方向性、单色性以及很高的亮度。2.高功率密度电子束的获取 阴极用以发射电子，阳极相对阴极施加高电压以加速电子，控制极用来控制电子束流的强度，聚焦线圈对电子束进行会聚，偏转线圈可使束流产生偏转以满足加工的需要。3.高能束流的聚焦（1）激光束的聚集目前在激光焊中常用的聚集系统有三种：透镜聚集、反射镜聚集和改进型的。（2）电子束的聚集 电子束聚集是依据于电场和磁场对电子的作用。常用的电子束聚集方法是静电透镜聚集好磁透镜聚集等。其中静电透镜聚集分别为同心球电极聚集。（二）分类：1.电子束焊接2.激光焊

4、3.激光切割4.等离子弧焊（一）电子束焊工作原理：电子束是从电子枪中产生的。通常电子是以热发射或者场致发射的方式从发射级（阴极）逸出的。在25300V的加速电压的作用下，电子被加速到0.30.7倍光速，具有一定的动能，经过电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，电子会聚成功率密度很高的电子束。这种电子束撞击到工件表面，电子的动能就转变为热能，使金属迅速溶化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属。很快在被焊工件上“钻”出一个锁形小孔。小孔的周围被液态金属包围。随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿着小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却凝固形成了焊缝。电子束传送到焊

5、接接头的热量和其熔化金属的效果与束流强度、加速电压、焊接速度、电子束斑点质量，以及被焊接材料的性能等因素有密切的关系。分类：1.被焊工件所处的环境和真空度可以分为三种：高真空电子束焊、低真空电子束焊、非真空电子束焊。 2.电子束焊按照加速电压状态分类： 高压型（大于80 kV）；中压型（4060 kV）；低压型（小于等于30 kV）。（二）激光焊接的原理：光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的

6、步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子，这些原始激发能经过一定过程在转化为热能。分类：1.按照激光器输出能量方式的不同来区分，激光焊可以分为：脉冲激光焊，连续激光焊（包括高频脉冲连续激光焊）。 2.按照激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为：传热焊，深熔焊。1）传热焊定义：传热焊又叫热导焊。传热焊所用采用的激光光斑功率密度较低，（一般情况下，激光的光斑功率密度小于105W/cm2），当激光功率密度介于105W/cm2106W/cm2的时候，也被认为是传热焊。2）传热焊过程机理分析：工件

7、吸收激光后，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接的时候，金属材料表面将所吸收的激光转变为热能，使得金属表面温度升高而熔化，但是仅仅达到表面熔化的程度。然后通过热传导方式，把热能向金属工件内部传递，使得熔化区域逐渐扩大形成熔池。凝固后形成焊点或者焊缝，熔深轮廓近似半球形。这种焊接机理称为传热焊。它类似与TIG 焊等钨极电弧焊原理。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。 3）传热焊的主要特点：传热焊激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面反射，光的吸收效率低，焊接熔深浅，焊接速度慢，主要用于厚度小于1mm的薄板以及小零件的焊接加工。 4）深熔焊定义：深熔焊采用的激光光斑功率密度比较高。当激光光斑

8、的功率度大于等于106W/cm2（通常介于106W/cm2107W/cm2）的时候，被认为是深熔焊。（三）激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。1.激光汽化切割原理利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。2.激光熔化切割原理激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的

9、喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等)，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。（3）激光氧气切割激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割

10、。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。（4）激光划片与控制断裂激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。（4） 等离子弧焊的基本原理：等离子弧焊和GTAW焊在很多方面是十分类似的，如果钨极与工件之间的电弧被压缩或断面面积减小，则其温度上升，因为压缩后仍导致通同样大小的电流。这种被压缩的电弧称为等离子体，等离子体是物质的第四状态。等离子有两种

11、类型，转移型等离子弧和非转移型等离子弧。非转移型等离子弧电流通过喷嘴流到喷嘴内部的钨极，然后再回到电源，非转移型电弧主要用于等离子喷涂，还用于加热非金属部件。转移型等离子弧的电流从工件穿过喷嘴上的小孔进入钨极，然后再回到电源。分类：1.微孔型等离子弧焊2.熔透型等离子弧焊3.微束等离子弧焊4.熔化极等离子弧焊5.热丝等离子弧焊6.脉冲离子弧焊三工艺特点和应用范围（一）电子束焊接1.主要优点：A电子束穿透能力强，焊缝的深宽比高 电子束斑点尺寸小，功率密度大，可以实现高深宽比的焊接（即焊缝深而窄）。深宽比达到60/1，可以一次焊透0.1mm -300mm的不锈钢板。焊接厚板时，可以不开坡口实现单道

12、焊，比电弧焊可以节省辅助材料和能源的消耗。 B焊接速度快，焊缝物理性能好 能量集中，熔化和凝固速度快，例如焊接厚度为125mm的铝板，焊接速度达到400mm/min，是氩弧焊的40倍。能够避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作业时间短，合金元素烧损少，焊缝抗腐蚀性好。C焊件热变形小 功率密度高，输入焊件的热量少，热影响区小，焊件变形小。对精密加工的工件，可以最后连接工序，焊后工件仍保持足够的精度。 D焊缝纯洁度高 真空对焊缝有良好的保护作用，真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧气、氮气等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而高真空电子束焊尤其适合焊接钛以及钛合金等活性材料。真空

13、电子束焊接常用于焊接真空密封元件，焊接后内部元件保持在真空状态。 E工艺适应性强 参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适应性。F可焊材料多 不仅能够焊接金属和异种金属材料的接头，也可以焊接非金属材料，例如陶瓷，石英玻璃等。 G再现性能好 电子束焊焊接参数易于实现机械化，自动化控制。重复性好，再现性好，提高了产品质量的稳定性。 H可简化加工工艺 可以将重复的大型整体加焊件分为易于加工的、简单的或者小型部件，用电子束焊为一个整体，减少加工难度，节省材料，简化工艺。2.缺点：设备比较复杂，费用比较昂贵、焊接前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确、间隙小，而且均匀、真空电子束焊接时，

14、被焊工件尺寸和形状常受到工作室的限制、电子束容易受到杂散电磁场的干扰，影响焊接质量、电子束焊接时，产生的射线需要严加防护，以确保工作人员的健康和安全。3.电子束焊小孔效应：电子束焊小孔的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。基本过程解释如下： A高功率密度的电子束轰击焊件，使得焊件表面材料熔化并且伴随着液态金属的蒸发。 B材料表面蒸发走的原子的反作用使液态金属表面向下凹陷。 C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，并且形成一个通道。 D电子束经过通道轰击底部的待焊金属，使通道逐渐向纵深发展。 E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

15、的发展才停止，并且形成小孔。 F小孔和熔迟的形貌与焊接参数有关。（二）激光焊接A功率密度高。由于激光束的频谱宽度窄，经过会聚后的光斑直径可以小到0.01mm，功率密度可以达到109W/cm2，可以焊接0.1 50mm厚的工件。 B脉冲激光焊加热时间短、焊点小、热影响区小。 C激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。激光焊接已成为高能束焊接技术发展的主流。缺点是激光焊接一些高反射率的金属还比较困难，另外设备投资大。 D激光能够反射、透射、能够在空间传播相当长的距离而衰减很小，激光焊能够远距离焊接，或者对难以接近的部位进行焊接，能够透过玻璃等其他透明物

16、体进行焊接。 E激光不受电磁场的影响。 F激光的电光转换效率低（约为0.1 % 0.3 %）。工件的加工和组装精度要求高，夹具要求精密，因此焊接成本高。 G一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可以用于焊接，又可以用于切割、合金化和热处理，一机多用。 激光焊接的优点 ：能量密度高，可聚焦，深穿透，高效率，高精度，适应性强等。（3） 等离子弧焊接1.优点：（1）熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透8-10mm厚的不锈钢板； （2）焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于电弧的形态接近圆柱形，且挺直度好，弧长变化时对加热斑点的面积影响很小，易获得均匀的焊缝形状。（3）钨极缩在水冷

17、铜喷嘴内部，不可能与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象； （4）等离子电弧的电离度较高，电流较小时仍很稳定，可焊接微型精密零件； （5）可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形。2.缺点： （1）可焊厚度有限，一般在25mm以下； （2）焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很低；（3）焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高。 3.微束等离子弧具有以下特点： A小电流时，电弧仍能保持稳定。 B焊件变形量和热影响区均比钨极氩弧焊小。 C电弧呈细长的圆柱状，弧长的变化对工件加热状态的影响较小，因此它对喷嘴至工件间距离变化的敏感性较小，焊接质量稳定。 D设

18、备简单，焊枪小巧，易于操作和实现自动化。4.应用可用钨极氩弧焊焊接的金属，比如不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、镍、铜、蒙耐尔合金等，均可用等离子弧焊焊接。这种焊接方法可用于航天、航空、核能、电子、造船及其它工业部门中。（4） 激光切割1. 特点（1）切割质量好由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。1） 激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。2） 切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。3）材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近

19、材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。 （2）切割效率高由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。（3） 切割速度快用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。（4）非接触式切割激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨

20、损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。（5） 切割材料的种类多与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。采用CO2激光器，2.激光切割技术具有以下优点：第一，精度高：定位精度005mm，重复定位精度002mm。第二，切缝窄：激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度，材料很陕加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切

21、缝。切口宽度一般为010-020ram。第三，切割面光滑：切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ral25；A内。第四，速度快：切割速度可达lOmmin，最大定位速度可达70mmn，比线切割的速度快很多。第五，切割质量好：无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。第六，不损伤工件：激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。第七，不受被切材料的硬度影响：激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。第八，不受工件外形的影响：激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其他异型材

22、。第九，可以对非金属进行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、纺织品和有机玻璃等。第十，节约模具投资：激光加工不需模具，没有模具消耗，无须修理模具，节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，尤其适合大件产品的加工。十一，节省材料：采用电脑编程，可以把不同外形的产品进行整张板材料套裁，最大限度地提高材料的利用率。十二，缩短了新产品制造周期：新产品试制，数量小，结构不确定、随时会改动，根本不能出模具，激光切割机大大缩短了新产品制造周期，减少了模具投入。（3）缺点激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激

23、光切割设备费用高，一次性投资大。4.应用范围大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷

24、隔热瓦等。激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%12%，提高功效3倍以上。与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性： 能量密度高（大于105W/cm2）； 焊接速度高（一般可以达510m/min）； 热影响区窄（仅为焊缝宽度10%20%）； 热流输入少、工件变形小； 易实现自动控制、可在线检测焊缝质量； 非接触加工、无后续加工。对比：电子束焊接的优点是相当突出的： 电子束的能量转换效率非常高（80%90%），可以

25、研制出很高功率的大型焊接设备（在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世）； 电子束焊接的焊缝很细，其深宽比很容易达到101，甚至是201（最新报道显示：日本在焊接200 mm厚不锈钢时，深宽比达701）； 电子束的可控性更好，甚至可以在工件内部形成曲线孔径； 电子束对不同材料、特殊材料的焊接更容易。 当然，电子束的缺点也十分明显： 需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制（非真空环境的电子束焊，是重要的研究方向）； 由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到60s以内）； 有磁偏移

26、：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理； X射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护； 对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30s以内）。因此，激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。TIG焊和等离子弧焊：TLG焊，钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池

27、而引起夹钨。因此，熔敷速度小、熔深浅、生产率低。而等离子弧焊枪的钨极内缩在喷嘴之内，电极不可能与工件相接触，因而没有焊缝夹钨的问题。等离子切割与激光切割工艺比较：等离子切割可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料切割。等离子切割以中厚板切割为主，以260A的等离子电源为例，最大切割厚度可达60mm。等离子切割切割速度快、切割狭窄、切口平整，热影响区小，工件变形小，运行成本低，具有显著的节能及经济效果，其缺点是断面垂直度有0.5°1.5°倾斜角，切割断面硬化。激光切割以中薄板为主，以4000w激光为例，最大可切25mm左右普通碳钢。激光切割机除用于切割碳钢、不锈钢、铝合

28、金等材料外，还可用于切割各种髙熔点材料、耐热铝合金和超硬铝合金等特种金属材料，也可切割半导体材料、非金属材料以及复合材料。激光因其具有几乎无发散的方向性，具有极高的发光强度，激光切割速度快、加工精度高、切缝狭窄、切口光滑、热影响区小、切割板材变形小，切割表面无损伤，一般不需后续加工。特点用途适用性产品示例穿透性重型结构的焊接一次可焊透300mm核装置、压力容器、反应堆潜艇、飞行器、运载火箭、空间站、航天飞机、重武器、坦克、火炮、厚壁件精密控制、聚集点微电子与精密器件制造-超大规模集成元器件、结点、航天（空、海仪表、模盒、精密陀螺、核燃料棒封装高能密度、高速扫描特殊功能结构件制造扫描速度动力装置

29、封严、高温耐磨涂层、沉积层、切割、气模冷却层板结构、小孔结构、高温部件全方位加工特殊环境加工制造-太空及微重力条件、真空、冲气、水下及高压条件高速加热、快速冷却新型材料制备、特殊及异种材料连接速率105K/s超高纯材料冶炼、超细材料、非金属复合材料、陶瓷、表面改性、合成、非晶态、快速成形、立体制造四. 影响焊接质量的工艺参数：（1） 电子束焊接加速电压 (Ua )，电子束流 ( Ib )，聚焦电流 ( If )，焊接速度 (Vb )，工作距离 ( H )。（2） 脉冲激光焊接有4个主要参数：脉冲能量，脉冲宽度，功率密度，离焦量。（三）等离子弧焊接1.焊接电流2.焊接速度3.喷嘴离工件的距离4.

30、等离子气及流量5.引弧及收弧6.接头形式及装配要求（四）激光切割 1.切割表面粗糙度Rz2.切口挂渣尺寸3.切边垂直度和斜度u4.切割边缘圆角尺寸r5.条纹后拖量n6.平面度F对比:焊接工艺精度变形热影响焊链质量深宽比使用条件电子束焊精密小小好20：1需要真空激光焊精密小很小好10:1可选保护气体五.焊接方法（系统）设备与装置组成和性能指标（一）电子束焊接1.真空电子束焊机由以下7部分组成：A电子枪；B. 工作真空室；C. 工作台；D. 高压电源；E. 控制及调整系统；F. 真空系统；G.焊接夹具。2.电子束焊实现过程：电子束轰击工作件时，动能转变为热能。由高压加速装置形成的高功率电子束流，通

31、过磁透镜会聚后，得到很小的焦点（其功率密度可以达到104 W/cm2 109 W/cm2），轰击置于真空或者非真空中的焊件，电子的动能迅速转变为热能，熔化金属，实现焊接过程。 3.电子枪分为二极枪和三极枪两种，现代电子束焊机多采用三级电子枪。 二极枪：二极枪是由阴极、聚束极、和阳极组成的电极系统。聚束极与阴极等电位。在一定的加速电压下，通过调节阴极温度来改变阴极发射的电子流，从而调节电子束流的大小。三极枪：三极枪的电极系统由阴极、偏压电极、阳极组成。阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。偏压电极相对于阴极呈负电位，通过调节其负电位的大小和改变偏压电极形状、位置，可以调节电

32、子束流的大小和改变电子束的形状。（二）激光焊接1.激光焊设备组成 激光焊接设备由以下设备组成：工作平台，激光器，光束检测系统，焊接过程检测系统，导光聚焦系统，计算机控制系统 。2.激光器的组成 激光器一般由以下这些部件组成：（1）激光工作物质：必须是一个具有若干能级的粒子系统并且具备压稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。（2）激励源：即泵浦源，给激光物质提供能量，使之处于非平衡状态，形成粒子数反转（3）谐振腔：机制给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈，并且限制光束的方向和频率。 （4）电源：为激励源提供能源。 （5）控制和冷却系统：保证激光器能够稳定、正常可靠工作。 （6）聚光器：固

33、体激光器特有，使光泵浦的光能最大限度地照射在激光工作物质上。3.按照激光工作物质的状态，激光器可以分为：固体激光器和气体激光器，提高泵浦光的利用率。 5.固体激光器根据不同的用途，有不同的工作方式，一般可以分为三种：（1）脉冲激光器单次发射，每个激光脉冲的宽度为零点几毫秒至几十毫秒，每完成一次任务仅有一个脉冲。（2）重复频率激光器这种激光器每秒可以产生几个到几十个脉冲，每完成一个任务需要几个脉冲。（3）连续激光器可以长时间稳定的输出激光连续使用。 6.CO2激光器工作气体的主要成分是CO2 (Carbon Dioxide)、N2 （Nitrogen）和He（Helium）。 CO2激光器具有以

34、下特点：A输出功率大，国外有100kW的CO2激光焊机。高功率激光焊接设备主要应用于冶金加工和汽车制造等相关产业。 B输出功率范围大，最小输出功率为数毫瓦，最大可输出功率几百kW。 C能量转换率高，大大的高于固体激光器。理论转换功率为40%，实际应用中光电转换效率为15%。 D CO2激光波长为10.6m的红外激光，属于红外线。可以在空气中传播很远而衰减很小。7. 激光焊过程中的几种效应：等离子体效应，壁聚焦效应，净化效应。（三）等离子弧焊接等离子弧焊接设备由焊接电源、等离子弧发生器（焊枪）、控制电路、供气回路及供水回路等组成。自动等离子弧焊接设备还包括焊接小车或其它自动工装。1.弧焊电源 等

35、离子弧焊接设备一般采用具有垂直外特性或陡降外特性的电源，以防止焊接电流因弧长的变化而变化，获得均匀稳定的熔深及焊缝外形尺寸。一般不采用交流电源，只采用直流电源，并采用正极性接法。与钨极氩弧焊相比，等离子焊所需的电源空载电压较高。2.控制系统 控制系统的作用是控制焊接设备的各个部分按照预定的程序进入、退出工作状态。整个设备的控制电路通常由高频发生器控制电路、送丝电机拖动电路、焊接小车或专用工装控制电路以及程控电路等组成。程控电路控制等离子气预通时间、等离子气流递增时间、保护气预通时间、高频引弧及电弧转移、焊件预热时间、电流衰减熄弧、延迟停气等。3.供气系统 等离子弧焊接设备的气路系统较复杂。由等

36、离子气路、正面保护气路及反面保护气路等组成，而等离子气路还必须能够进行衰减控制。为此，等离子气路一般采用两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现等离子气的衰减控制。4. 水路系统 由于等离子弧的温度在C以上，为了防止烧坏喷嘴并增加对电弧的压缩作用，必须对电极及喷嘴进行有效的水冷却。冷却水的流量不得小于3 L/min-1，水压不小于0.15-0.2MPa。水路中应设有水压开关，在水压达不到要求时，切断供电回路。5.焊枪 等离子弧焊枪是等离子弧发生器，对等离子弧的性能及焊接过程的稳定性起着决定性作用。主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却套等组成。最关键的部件为喷嘴及电极。

37、（四）激光切割激光切割机系统一般由激光发生器、（外）光束传输组件、工作台（机床）、微机数控柜、冷却器和计算机（硬件和软件）等部分组成。1.机床主机部分：激光切割机机床部分，实现X、Y、Z轴的运动的机械部分，包括切割工作平台。用于安放被切割工件，并能按照控制程序正确而精准的进行移动，通常由伺服电机驱动。2.激光发生器：产生激光光源的装置。对于激光切割的用途而言，除了少数场合采用YAG固体激光器外，绝大部分采用电-光转换效率较高并能输出较高功率的CO2气体激光器。由于激光切割对光束质量要求很高，所以不是所有的激光器都能用作切割的。高斯模式适用于小于1500W、低阶模二氧化碳激光器100W-3000

38、W、多模3000W以上。3.外光路：折射反射镜，用于将激光导向所需要的方向。为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要保护罩加以保护，并通入洁净的正压保护气体以保护镜片不受污染。一套性能良好的透镜会将一无发散角的光束聚焦成无限小的光斑。一般用5.0英寸焦距的透镜。7.5英寸透镜仅用于>12mm厚材。4.数控系统：控制机床实现X、Y、Z轴的运动，同时也控制激光器的输出功率。5.稳压电源：连接在激光器，数控机床与电力供应系统之间。主要起防止外电网干扰的作用。6.切割头：主要包括腔体、聚焦透镜座、聚焦镜、电容式传感器和辅助气体喷嘴等零件。切割头驱动装置用于按照程序驱动切割头沿Z轴方向运动，由伺服电机和丝杆或齿轮等传动件组成。7.操作台：用于控制整个切割装置的工作过程。8.冷水机组：用于冷却激光发生器。激光器是