焊接方法与设备高能束焊

焊接方法与设备高能束焊2023/7/151第1页，课件共54页，创作于2023年2月焊接热源的最小加热面积、最大功率密度和温度热源最小加热面积/cm2最大功率密度/Wcm-2温度乙炔火焰10-22×1033200℃金属极电弧10-31046000KTIG10-31.5

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1048000K埋弧焊10-32

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1046400K电渣焊10-31042000KMIG10-4104~105CO2焊等离子10-51.5

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10518000K电子束10-7107~109激光10-82023/7/152第2页，课件共54页，创作于2023年2月等离子弧焊接定义：借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得高能量密度的等离子弧进行焊接的方法（PAW）。2023/7/153第3页，课件共54页，创作于2023年2月等离子弧焊接2023/7/154第4页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的形成等离子弧定义：通过外部拘束使自由电弧的弧柱被强烈压缩所形成的电弧。2023/7/155第5页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的形成自由电弧2023/7/156第6页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-----------------等离子弧的形成电极等离子气保护气拘束喷嘴气室保护气喷嘴工件小孔焊缝金属焊接方向拘束电弧压缩电弧2023/7/157第7页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-----------------等离子弧的形成2023/7/158第8页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的形成三种压缩机制：机械（前提）：利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，来提高弧柱的能量密度和温度。热（主要原因）：由于水冷喷嘴温度较低，从而在喷嘴内壁建立起一层冷气膜，迫使弧柱导电断面进一步减小，电流密度进一步提高。弧柱这种收缩谓之“热收缩”，也可称为“热压缩”。电磁（必然存在）：弧柱电流本身产生的磁场对弧柱有压缩作用(即磁收缩效应)，电流密度越大，磁收缩作用越强。2023/7/159第9页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的类型按电源连接方式分为非转移型、转移型和联合型。

焊接中最常用的类型？2023/7/1510第10页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的形成等离子弧的影响因素电流喷嘴孔径尺寸等离子气种类及流量（H2、N2、Ar）2023/7/1511第11页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的特性2023/7/1512第12页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的特性TIG:10000-24000K104w/cm2PAW:24000-50000K

105w/cm22023/7/1513第13页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的特性TIG:斑点热量是焊接的主导能量弧柱的传导辐射对于焊接是次要能量PAW:弧柱高速高温等离子体通过接触传导与辐射可能成为焊接的主要能量斑点热量降为次要能量2023/7/1514第14页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------等离子弧的特性挺度好、冲击力大面积变化20%2023/7/1515第15页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-----------等离子弧的基本方法(1)小孔型等离子弧小孔型焊又称鼻孔、锁孔或穿透焊，它是利用等离子能量密度大和等离子流力大的特点，将工件安全熔透并产生一个贯穿工件的小孔。被熔化的金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力相互作用下保持平衡。焊枪前进时，小孔在电弧后方锁闭，形成完全焊透的焊缝。按焊缝成形原理分，等离子弧焊有三种基本方法：小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微速等离子弧焊。2023/7/1516第16页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-----------等离子弧的基本方法

(2)熔透型等离子弧焊当离子气流量较小、弧柱压缩强度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应。焊缝成形原理和钨氩弧焊相似。其主要用于薄板单面焊双面成形及厚板的多层焊。

(3)微束等离子弧焊

30A以下熔透型焊接通常称为微束等离子弧焊。采用小孔径压缩喷嘴(Φ0．6～Φ1．2mm)及联合型弧。它又称针状等离子弧。焊接电流小至1A以下仍有较好的稳定性。2023/7/1517第17页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-----------等离子弧的适用范围等离子弧焊与钨极氩弧焊一样，可手工焊也可自动焊，可填加焊丝或不填加焊丝。等离子焊可以焊接碳钢、不锈钢、铜合金、镍合金以及钛合金等。不开坡口对接能一次焊透的厚度，见表。2023/7/1518第18页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------双弧现象及防止在采用转移弧时，由于某些原因，有时除了在钨极和工件之间燃烧的等离子弧外，还会另外产生一个在钨极－喷嘴－工件之间燃烧的串列电弧，这种现象谓之双弧2023/7/1519第19页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------双弧现象及防止危害：破坏稳定性、破坏接头质量降低功率、影响穿透力危害喷嘴2023/7/1520第20页，课件共54页，创作于2023年2月第一节等离子弧的形成及特性

-------------双弧现象及防止防止措施：正确选择电流气体成分及流量喷嘴尺寸、形状钨极内缩长度、对中喷嘴冷却距离焊件的距离送气方式的改进清理喷嘴2023/7/1521第21页，课件共54页，创作于2023年2月定义：利用加速和聚焦电子束轰击置于真空或非真空中焊件所生的热能进行焊接的方法称为电子束焊。(EBW)

高能束焊接

-------------电子束焊的定义2023/7/1522第22页，课件共54页，创作于2023年2月

（1）功率密度高

电子束焊接时常用的加速电压范围为30～150kV，电子束电流20～1000mA，电子束焦点直径约为0.1～1mm，这样，电子束功率密度可达106W/cm2以上。

（2）精确、快速的可控性作为物质基本粒子的电子具有极小的质量（9.1×10-31kg）和一定的负电荷（1.6×10-19C），电子的荷质比高达1.76×10-11C/kg,通过电场、磁场对电子束可作快速而精确的控制。电子束的这一特点明显地优于激光束，后者只能用透境和反射镜控制，速度慢。高能束焊接

-------------电子束的特点2023/7/1523第23页，课件共54页，创作于2023年2月1）电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。目前，电子束焊缝的深宽比可达到60:1。焊接厚板时可以不开坡口实现单道焊，比电弧焊可以节省辅助材料和能源的消耗。

2）焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后连接工序，焊后工件仍保持足够高的精度。高能束焊接

-------------电子束焊的优点-12023/7/1524第24页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------电子束焊的优点-2

3）真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、氮等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而特别适于活泼金属的焊接。也常用电子束焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。

4）电子束在真空中可以传到较远的位置上进行焊接，因而也可以焊接难以接近部位的接缝。

5）通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接缝的自动焊接。可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。2023/7/1525第25页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------电子束焊的缺点1）设备比较复杂、费用比较昂贵。

2）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。

3）真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到工作室的限制。

4）电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量。

5）电子束焊接时产生的X射线需要严加防护以保证操作人员的健康和安全。2023/7/1526第26页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------电子束焊的设备ElectronBeamWeldingprecisioncomponents-technicianoperating3KW,12inchcubedchamberElectronBeamWelder2023/7/1527第27页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------电子束焊的设备真空电子束焊接－上海交大焊接研究所2023/7/1528第28页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-----------电子束焊的工作原理

电子束是从电子枪中产生的。通常电子是以热发射或场致发射的方式从发射体（阴极）逸出。在25～300kV的加速电压的作用下，电子被加速到0.3～0.7倍的光速，具有一定的动能，经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作表面，电子的动能就转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发。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，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却、凝固形成了焊缝。2023/7/1529第29页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-----------电子束焊的工作原理2023/7/1530第30页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-----------电子束焊的工作原理2023/7/1531第31页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-----------电子束焊的工作原理2023/7/1532第32页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------电子束焊的分类按被焊工件所处的环境的真空度可分为三种：高真空电子束焊，低真空电子束焊和非真空电子束焊。

高真空电子束焊是在10-4～10-1Pa的压强下进行的。良好的真空条件，可以保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

低真空电子束焊是在10-1～10Pa的压强下进行的。压强为4Pa时束流密度及其相应的功率密度的最大值与高真空的最大值相差很小。因此，低真空电子束焊也具有束流密度和功率密度高的特点。由于只需抽到低真空，明显地缩短了抽真空时间，提高了生产率，适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。例如：变速器组合齿轮多采用低真空电子束焊接。2023/7/1533第33页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------电子束焊的分类在非真空电子束焊机中，电子束仍是在高真空条件下产生的，然后穿过一组光阑、气阻和若干级预真空小室，射到处于大气压力下的工件上。在压强增加到7～15Pa时，由于散射，电子束功率密度明显下降。在大气压下，电子束散射更加强烈。即使将电子枪的工作距离限制在20～50mm，焊缝深宽比最大也只能达到5:1。目前，非真空电子束焊接能够达到的最大熔深为30mm。这种方法的优点是不需真空室，因而可以焊接尺寸大的工件,生产率较高。近年来，移动式真空室或局部真空电子束焊接方法，既保留了真空电子束高功率密度的优点，又不需要真空室，因而在大型工件的焊接工程上有应用前景。2023/7/1534第34页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------电子束焊电子束焊可焊接所有的金属材料和某些异种金属接头,从箔片至板材均可一道焊成，钢板可焊厚度达100毫米,铝板达150毫米，铜板可达25毫米。碳钢在真空中焊接时，由于钢中原含有的气体会释放出来，焊缝金属容易产生微气孔。2023/7/1535第35页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------激光焊激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高校精密焊接方法。（LBW）2023/7/1536第36页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------激光焊2023/7/1537第37页，课件共54页，创作于2023年2月激光束基本特性

单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、单色性

激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。

He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，线宽只有10-9nm。普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)，其谱线宽度为4.7×10-3nm。激光的单色性比一般光要高出106～107倍以上.自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；CO2：10.6μmCO：5.4μmYAG：1.06μm准分子：0.24μm；激光自然光波长能量2023/7/1538第38页，课件共54页，创作于2023年2月2、方向性好、亮度高从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3~10-5弧度。激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：激光的方向性带来两个结果：

光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。

一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。2023/7/1539第39页，课件共54页，创作于2023年2月3、相干性好以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再使两束光重合便产生明暗相间的条纹，这就是光的干涉。自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。

激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。

2023/7/1540第40页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------激光焊优点能量集中、热影响区小、应力变形小深宽比大适应性强可达性好、易传输不受电磁干扰不用真空室、无射线2023/7/1541第41页，课件共54页，创作于2023年2月远距离焊接系统原理2023/7/1542第42页，课件共54页，创作于2023年2月激光焊接的主要问题：设备贵反射问题组装定位合金元素的挥发焊接过程中一些高挥发性的合金元素(如硫和磷)从熔池中挥发出来，会导致气孔的产生，而且有很可能产生咬边。冷却速度非常快材料的含碳量成为一个非常重要的影响参数，对材料的脆化、微裂纹及疲劳强度都会有影响。2023/7/1543第43页，课件共54页，创作于2023年2月一、激光焊接原理

热导焊接深熔焊接热导焊焊缝深熔焊焊缝

激光焊接原理及应用2023/7/1544第44页，课件共54页，创作于2023年2月二、激光深熔焊的焊接原理激光深熔焊几何特征1激光束2焊接熔池3小孔4焊缝宽度5熔池深度激光深熔焊腔内液体金属的流动1激光束2小孔后部流动区3小孔内流动区

小孔内激光的吸收过程1激光束2等离子体3熔池后部熔化区4焊件运动方向2023/7/1545第45页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------激光焊原理自由辐射受激吸收受激辐射条件粒子集居数反转（粒子数反转）2023/7/1546第46页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------激光焊激光的形成过程

工作物质激励、受激辐射自激振荡增益外界能量注入（泵浦）光学谐振腔

2023/7/1547第47页，课件共54页，创作于2023年2月高能束焊接

-------------激光焊2023/7/1548第48页，课件共54页，创作于2023年2月CO2激光的产生1.激光束2.切向排风机

3.气流方向4.热交换器

5.后镜6.折叠镜

7.高频电