激光焊和电子束焊接
学 院：材 料 科 学 与 工 程 学 院
专 业：金 属 材 料 科 学 与 工 程
姓 名：黎 琦
学 号：20100800411
激光焊和电子束焊接
摘要： 本文通过对特种焊接方法中的激光焊和电子束焊接两种方法的原理、特点、设备、工艺及应用等方面的简介，让大家对特种焊接技术得到一个完整的认识。在焊接这个领域中，特种焊接技术是在近年来得到高速的发展。它不仅给焊接技术的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响
关键词：焊接技术 发展
日新月异
1.引言 焊接作为先进制造技术的重要组成部分在国民经济的发展和国家建设中发挥了重要的作用。焊接技术的优秀成果在航空、核能、船舶、电力、电子、海洋钻探、高程建筑等领域得到广泛的应用。 随着科学技术的发展和技术的进步，焊接已经逐渐脱离了单纯工艺和技术的层面而走向科学的范畴，并且在与其他科学知识的不断碰撞和交融中，展现出来旺盛的生命力。新材料的不断产生、新能源的不断开发和新结构的不断涌现，对焊接技术提出了新的挑战。由此传统的焊接技术以满足不了工程的应用，随着材料和技术的发展，焊接技术也得到了发展，越来越多的焊接方法得到应用——特种焊接。
2.激光焊
2.1激光焊的基本原理 （1）激光焊接的基本过程
使用经光学系统聚焦后具有高功率密度的激光束照射到焊接材料表面，利用材料对光能的吸收来对其进行加热、熔化，再经过冷却结晶而形成焊接接头的一种熔化焊过程。 （2）激光焊机理
按激光器输出能量的方式不同，激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊，按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。 1）激光传热焊
采用的激光器光斑上的功率密度小于105W时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，是金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。
特点是：激光光斑上的功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。主要用于薄、小零件的焊接加工。 2）激光深熔焊
当激光光斑上的功率密度足够大时（大于等于106W/cm2）,金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，是金属熔化和汽化。当金属汽化时，所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的溢出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个凹坑。当光束在小孔底部继续加热汽化时，所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底的液态金属是小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的蒸汽将熔化的的金属挤向熔池四周。这个过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的空洞。当光束能力所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊。 （3）激光焊过程中的几种效应
小孔效应、等离子体屏蔽效应、等离子体的负面效应、壁聚焦效应、净化效应
2.2激光焊接的设备组成
激光器、光学系统、激光加工机、辐射参数传感器、工艺介质输送系统、工艺参数传感器、控制系统、准直用He-Ne激光器
其中激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。 2.3激光焊接的工艺特点
按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式：热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W／cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。后者激光动车密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1）。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。
深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。
由于经聚焦后的激光束光斑小（0.1～0.3mm），功率密度高，比电弧焊（5×102～104W/cm2）高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。
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。
2.4激光焊接在工业中的应用情况 （1）激光焊接在国外汽车工业中的应用 1） 白车身激光焊接
汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和连接上。主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。
另一项比较重要的车身激光焊接应用,是车身结构件（包括车门、车身侧围框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高车身强度,并可解决一些部位难以实施常规电阻点焊的难题。 2） 不等厚激光拼焊板
车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本。 3） 齿轮及传动部件焊接
20世纪80年代末,克莱斯勒公司的Kokomo分公司购进九台6kWCO2激光器,用于齿轮激光焊接,生产能力提高40%。90年代初,美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接。奔驰公司经研究利用激光焊接代替电子束焊接,因为前者焊缝热影响区小。美国福特汽车公司用4。7kWCO2激光器焊接车轮钢圈,钢圈厚1mm,焊接速度为2。5m/min。该公司还采用带有视觉系统的激光焊接机,将六根轴与锻压出来的齿轮焊在一起,成为轿车自动变速器的齿轮架部件,生产率为200件/h。
（2） 光纤激光焊在造船及海洋工程方面的应用
目前,许多轮船都是先制造出许多独立的局部组件结构单元,再在水中的船台上一个个进行组装。采用激光焊技术制造海洋建筑物局部组件非常合适,因为它结合了焊接切割自动化技术与激光技术。与弧焊方法相比,采用该技术可以大大提高生产率。
造船中,采用光纤激光技术,可以无需进行焊接边缘预处理和焊前或焊后热处理就能将部件焊接在一起。与弧焊相比,激光焊的焊接接头窄,热影响区小,而且没有传统弧焊方法中出现的由于弧吹或电极磨损引起的焊接缺陷。所以,接头采用光纤激光焊,可以实现新的焊接结构设计,这在以前是不可能实焊接接头比弧焊焊接接头更加经济, 质量更好。
（3） 激光焊在飞机制造中的应用
激光束焊具有能量密度高,热影响区小,空间位置转换灵活,可在大气环境下焊接,焊接变形极小等优点。它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接,以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术,如腹鳍和襟翼的翼盒,结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成,而是应用了先进的钣金成形技术后,采闲激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合,不仅产品质量好,生产效率高,而且工艺再现性好,减重效果明显。
近年来激光焊也多见于薄壁零件的制造中,如进气道、波纹管、输油管道、变截面导管和异型封闭件。这些零件的传统焊接方法多采用微弧等离子弧焊,或者是小电流钨极氩弧焊。随着钛合金材料的大量使用,即便采用了这些低线能量的焊接技术,仍然由于薄壁材料引起的焊接变形超出公差范围和焊接缺陷的无法修复等原因,导致传统焊接工艺面临淘汰的命运。激光束焊接配以局部保护措施,
[4]非常适合焊接薄壁钛合金壳体零件。 （4）复合激光焊的应用
复合激光焊技术结合了激光焊和传统气体保护焊（GMAW）两者的优点,激光焊能在较小的热输入量和小的焊接热影响区（HAZ）情况下获得较大的熔深；所附加的气保焊（GMAW）可以大大扩展接头根部间隙的大小,改善表面状态和杂质的允许量；提高根部间隙填充和成形质量以及加强对焊接冶金的控制。 （5） 激光焊在医学上的应用
激光焊是用激光来加热, 所以它可以穿透透明介质, 能够焊到透明介质容器的里边去。这是其他焊接方法难以做到的。这种方法也被利用到医学里边,比方讲我们有些患者视网膜脱落,视网膜是在眼球的后面,视网膜脱落以后眼睛就会失明。现在就用激光的办法,透过眼球焊到眼球后面,把这个视网膜和眼球焊起来。这个已经是很成功的手术了
3.电子束焊接
3.1电子束焊接的基本原理
电子束焊接的工作原理是:在真空条件下。从电子枪中发射的电子束在高电压(通常为20～300kV)加速下,通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束。当电子束轰击工件时,电子的动能转化为热能,焊区的局部温度可以骤升到6000℃以上。使工件材料局部熔化实现焊接。 3.2 电子束焊接特点
由于高能量密度的电子束流集中作用的结果,使电子束焊接熔池“小孔”形成机理与其他熔化焊有所不同。电子束焊接过程是,高压加速装置形成的高功率电子束流,通过磁透镜会聚,得到很小的焦点(其功率密度可达104~109W/cm2),轰击置于真空或非真空的焊件时,电子的动能迅速转变为热能,熔化金属,实现金属焊接的目的。电子束焊接的特点可概括如下:
(1)电子束斑点直径小,加热功率密度大,焊接速度快,热影响区小;
(2)可获得深宽比大的焊缝,焊接厚件时可以不开坡口一次成形; (3)多数构件是在真空条件下焊接,焊缝纯洁度高;
(4)规范参数易于调节,工艺适应性强;
(5)适于焊接多种金属材料;
(6)焊接热输入低,焊接热变形小。 但是电子束焊接方法也有一些不足,如:
(1)电子束焊机结构复杂,控制设备精度高,所需费用高;
(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,每次装卸工件要求重新抽真空;
(4)冷却过程中快速凝固,引起焊接缺陷,如气孔、焊接脆性等;
(5)电子束易受杂散电磁场的干扰,影响焊接质量;
(6)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。
3.3.电子束焊接的分类
1）、根据焊件所处真空度的差异可分为:
（1)高真空电子束焊接(真空度为10-4～10-1Pa):该方法电子散射小,作用在工件上的功率密度高,穿透深度大,焊缝深
宽比大,适宜于活性金属、难熔金属及质量要求高的工件焊接,应用最为广泛。
（2)低真空电子束焊接(真空度为10-1～10Pa)。与高真空电子束焊相比,电束较宽,工作距离较大,真空系统简单,生产效率高,成本低。减弱了焊接时金属的蒸发等。
（3)非真空电子束焊接(无真空工作室):在大气压力的环境中焊接,电束散射宽,焊缝较宽、深宽比小,可焊大尺寸的工件。焊接时,束流进入大气前先经过充满氦的气室,而后与氦气一起进入大气。
2）、根据电子枪加速电压又可分为:
(1)高压电子束焊接:加速电压大于120千伏,束斑直径小,功率密度大,工作距离长,焊缝的深宽比大,焊缝精密,变形小,适用于单道焊缝的大厚度板材和难熔、热敏材料的焊接。
(2)中压电子束焊接:加速电压范围为40～100千伏,满足除极薄材料外的一般厚度材料的焊接,可用局部真空室满足大型件的焊接。
(3) 低压电子束焊接:加速电压低于40千伏,功率密度小,工作距离短,焊缝稍宽,畸变稍大,适用于焊缝深宽比小的薄板焊接。 3）、按电子束对材料的加热机制分
(1)热传导焊接:作用在工件表面的功率密度
(2)深熔焊接:作用在工件表面的功率密度>105W/cm2,金属被熔化并伴有强烈的蒸发,形成熔池小孔,电子束穿入小孔内部与金属直接作用,焊缝深宽比大。 3.4 电子束焊接的工艺
电子束焊接是一种利用电子束作为热源的焊接工艺。电子束发生器中的阴极加热到一定的温度时逸出电子，电子在高压电场中被加速，通过电磁透镜聚焦后，形成能量密集度极高的电子束，当电子束轰击焊接表面时，电子的动能大部分转变为热能，使焊接件的结合处的金属熔融，当焊件移动时，在焊件结合处形成一条连续的焊缝。对于真空电子束焊机，要焊接的工件置于真空室中，一般装夹在可直线移动或旋转的工作台上。焊接过程可通过观察系统观察。 3.5电子束焊接在工业上的应用:
1）、飞机和航天飞行器
电子束已被用来将钛锻件焊接成新型直升机的转翼,现代战斗机的机翼箱等。发动机上一些其他部件如透平罩、压缩机箱体以及飞机的燃料驱动系统和着陆起落架等也都采用了电子束焊接。
由于电子束焊接的变形和热影响区小,已被用于航天飞机发动机的装配焊接,如主燃烧室、热气歧管、高(低)压燃料涡轮泵、高(低)压氧化剂涡轮泵、燃料预燃烧室、氧化剂预燃烧器等间的焊接。 2）、发电设备
电子束焊接以其独有的优点正在发电设备的制造方面取代传统的焊接方法。如美国、日本等国家都已使用真空电子束焊接取代埋弧焊工艺焊接汽轮机定子和汽轮机导向叶片。使用埋弧焊需要几天才能完成的焊接,使用电子束焊接后仅需几个小时就能完成。 3）、汽车工业
使用电子束焊接方法焊接汽车后桥,省去了坡口的制作的准备。由于在真空条件下施焊,电子束焊接大大地清除了产生气孔、裂纹、夹渣等这些缺陷的可能,强度得到了保证,获得了极佳的经济效益。此外,真空电子束焊接还用来焊接汽车驱动轮、扭矩变换器、行星齿轮支座、飞轮、滑叉等,都取得了前所未有的效果。 4）、电子元器件
随着现代工业对电子线路和元器件的要求越来越高,电子束焊在电子行业发挥着越来越重要的作用。真空电子束用来焊接密封晶体管已取代钎代焊焊接晶体管连接接头。有些电子线路和元器件要求其焊缝在焊完后继续保持在真空密封装置内,焊缝不得有腐蚀性杂质,电子束焊接正是满足这种要求的最有效方法。 5）、机械基础件
电子束也用来焊接有特殊要求的机械基础件,如轴、轴承、齿轮、金属带锯、双金属带等。对于硬度极高的金属的切断,使用电子束,可将高速钢型材焊在柔韧的载体带上。适当选择高速钢型材宽度,使得铣锯齿时,齿间,即断裂危险区位于柔韧性载体带上,这样,就能使高速钢齿尖达到最佳硬度,带锯能在最佳经济效益下实现最大负荷。 6）、核工业产品
电子束焊接最早应用于核工业产品部件,近些年来,在这一领域得到更充分的发展。如:一种核工业多种用途的真空电子束焊机,在离子推进系统中,它应用于难熔、耐蚀金属的焊接和不同金属之间的连接,焊缝无裂纹和泄漏,变形也相当小。 4.结束语
学习特种焊接后，总体感觉这些焊接方法优于传统的焊接方法，适应于要求高，难用一般方法焊接的焊件焊接。广泛的应用于航空航天、石油化工、宇航等领域。由于新材料的不断出现，科技的不断发展，新的焊接方法将不断的出现，日新月异。
