高能束焊接

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1、两种高能束焊接各自特点和应用及其发展前景对于现代社会，效率对于工业生产是很重要的。因此对于其应用的科学技术 也要求很高。为此，在焊接领域提出了利用高能密度束流作为热源的焊接方法， 这就是高能束焊接。目前狗啊能输焊接主要有两种：电子束焊接（EBW）和激光 焊接（LBW）。其能量密度必TIG或MIG等弧焊方法高一个数量级以上，通常高 于 5*105W/cm2。一、电子束焊接（EBW）EBW 焊接是以汇聚的高能电子束流轰击工件接缝处而产生的热能是材料融 合的一种焊接方法。这种焊接方法具有以下优点：1电子束功率密度高，其功率密度可达105-107W/cm2。2焊缝深宽比大。焊缝熔区很深很窄，其深宽比最

2、高可达50： 1,焊件变形 可以忽略，不少零件可在精加工后焊接，不必进行后续精加工。即使精度要求特 别高的零件，焊后精加工留量可以很少，比用常规焊接方法可节省大量精加工工 时。可将原整体结构件分解成二件或二件以上工件焊接起来， 可以变革原加工 工艺， 省时、省料、甚至可变革原零、部件的结构的设计使其更合理。3.电子束不仅能量密度高而且精确可调、被焊零件的厚度可以薄至0.05mm, 厚至300mm （钢）或550mm （铝），不开破口，一次焊透。4焊接在真空中进行，排除了大气中有害气体（如氢和氧等啲影响。可高质 量地焊一些活动性材料如钼、铍、铀、铌、钛等及其合金。5可焊接物理常数差别大的材料，如

3、非常薄的与非常厚的零件焊接或二者 性质差别大的异种金属焊接， 如钢与铜的焊接。6由于电子束能量密度高，焊接速度可以很高，如焊0. 8ram薄钢板，焊 接速度可迭200mm / s，焊接20 0mm熔深锰钢，焊速可达300mmlmin。在多 工位电子束焊机上焊接汽车配电器 （犒一平板焊列配电器凸轮上 ）其生产率可迭 1440 件/小时。7由于焊接熔区小，焊接速度高，输入能量比常规焊接方法小得多，因此 其热影响区小，有利提高焊接性能。焊接区域邻近温度低，对封装热敏器件如集 成电路组件，各类传感器探头的封装极为有利。 38电子束-束焊接参数能够精确控制，焊接参数重复性高，因此焊缝的成形 与焊后零件尺

4、寸精度等都能保证重复性。但是电子束焊接也有一些缺点：1电子束捍机成本昂贵， 国际市场价格一般小型机每台在 3O 万美元以上， 而巨型机要千万美元， 推广应用受一定限制。2电子束焊接设备涉及高电压、真空、电子光学、各类电源与控制、计算机 技术以及精密机械等，技术涉及面广而复杂，对使用人员及维修人员的素质要求3.电子束与焊缝对中精度要求高，焊前清理、装夹要求严格（间隙=0.25mm）。4待焊工件的形状和大小受真空室大小的限制，因此应用受到限制。 电子束焊接由于焊接功能强，工艺效果优越所以应用很广，几乎用于所有 机械制造部门： 汽车、航空航天、原子能、能源、化工、仪表、电机电器、造 船、重工业以及一

5、些科研单位，但由于设备价格较贵，在推广上亦受到一定限制。（1）汽车工业（电子柬焊接应用最广的工业部门， 大约占 5O 用量） 生产 上已有四十余种零件用电子柬焊，如各类齿轮、活门、火花塞、配电器凸轮、喷 嘴、带冷却槽活塞、离合器、转矩转换器、后桥等。（2）原子能工业由于设备用的材料种类多、厚度范围广、精度要求高、零件 价格贵、所以采用 EBW 是适宜的， 如核反应压力容器、核聚变研究用真空室、 锻造铝合金核反应堆心盒、重离子加速器真空室（60ram厚奥氏体不锈锕）、燃料 元件锫栅、热交换器与蒸气发生器管路等。（3）航空、航天工业由于用特殊材料钛合金、铝合金、高强度合金钢等 较多，要求零件重量轻

6、，机械性能好的， 所以应用 EBW 范围广， 如飞机、导 弹、宇宙飞船的结构件、飞机的钛合金的机翼大梁、机翼壁板、钛合金机盒与翼 盒、发动机转子，燃气轮机导向叶片、宇宙飞船的镀合金门框与蒙皮等等。（4）重工业它的零件特点是体积大，焊接厚度深，大功率电子束焊可发挥其 优势，如焊大型齿轮（24m重，218m吨）齿环与轮毂可用不同材料焊接而 成，轧钢板轧辊，低温压力球形容器（2.16m，壁厚96mm）,潜艇用舱盖，大 型铸件内部装嵌一层Monel or Inconel 625以防海水腐蚀，大压型压力容器（高 温高压锅炉）及其热交换器等。（5）石油化工工业铝合金低温液化气压力罐、输油管道、化工用耐腐蚀

7、传输 管道与阀门（比电弧焊的焊缝抗蚀能力提高数倍）。（6）电机电器、仪表工业电机定子、转子、磁极铁心以焊代铆、整流子、大 电流软导线焊接、铜钨大功率开关触头、心脏起博器钛台金外壳、各类传感器探 头，电机的端盖甩冲压件代替精铸件与定子焊接，用夹具保证定子与转子气隙 精度，减化结构， 降低零件数13，降低加工精度，成本显著降低。IBW焊接是以激光束作为热源的焊接方法。焊接时，将激光器发射的高功率 密度（的激光束聚缩成聚焦光束，用以轰击工件表面，產生热能，熔化工件。这 种焊接方法主要特点有：6（1）激光具有直线性、相干性好的特点。可将入热量降到最低的需要量， 热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致

8、的变形亦最低。（2）32mm 板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接 所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接 制程，机具的耗损及变形接可降至最低。（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之 距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间 限制而无法发挥。（5）可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位， 可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。（6）焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。（7）于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制

9、。（8）接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。（9）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊 件。（10）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属（11）可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活 性。尤其是近几年来，在 YAG 激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊 接技术获得了更为广泛的推广和应用。（12）以穿孔式焊接，焊道深宽比一般为 5:1，最高可达 10:1。7 激光焊接有以上优点，但也存在很多缺点：（1）焊缝位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。因此也要求待焊 工件的装配精度要很高，否则激光束会穿越焊缝。（2）焊件需使用夹具时

10、，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊 点对准。（3）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改 变。（4）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池 周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。（5）能量转换效率太低，通常在510%，最佳为20%,穿透能力也不及 电子束，因此最大可焊厚度受到限制。渗透厚度远超过19mm的工件，生产线 上不适合使用激光焊接。（6）焊道快速凝固，可能有气孔、裂纹及脆化的顾虑。（ 7）设备昂贵。大功率激光设备价格随功率等级提高呈指数增加。（8）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

11、导致气孔的产生，而且有很可能产生咬边。基于这些特点，激光焊接有以下领域的应用：1. 制造业应用。激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据 统计， 2000 年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过 100 条，年产轿车 构件拼焊坯板 7000 万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型 P assat ， Buick ，Audi 等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以 CO2 激光焊代 替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚 1 00 微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的 YAG 激光焊 得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发

12、了将 YAG 激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等，在国内苏宝蓉等还进 行了齿轮。2、粉末冶金领域。随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料 特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料 具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业 中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零 件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年 代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金 材料的应用开辟了新的前景，如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方 法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适

13、应高温及强度 要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温 性能。3、汽车工业。20 世纪 80 年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产， 而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的 成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早 在 20 世纪 80 年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接， 90 年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管 起步较晚，但发展很快。4、电子工业。激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广 泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在 集成电路和

14、半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件 研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极 灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在 0.05-0.1mm ， 采用传统焊接方法难以解决， TIG 焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素 多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。5、生物医学。生物组织的激光焊接始于 20 世纪 70 年代， Klink 等及 j ain13 用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多 研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接 神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能

15、恢复以 及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等 基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传 统的缝合方法比较， 激光焊接具有吻合速度快， 愈合过程中没有异物反应， 保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将 在以后的生物医学中得到更广泛的应用。6、其他领域。在其他行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料 焊接中国内进行了许多研究，如对 BT20 钛合金、 HEl30 合金、 Li-ion 电池 等激光焊接，德国玻璃机械制造商 GlamacoCoswig 公司与 IFW 接合技术 与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃

16、的激光焊接新技术。 2二、两种高能束焊接在各领域的发展前景1. 电子束焊接一直以来,电子束焊接在航空、航天工业中的应用居多,主要应用于飞机重 要承力件和发动机转子部件的焊接上。同时,电子束焊接技术作为柔性很好的工 艺方法,不仅在发动机制造领域中得到了广泛应用,在涡轮叶片及热端部件修理 领域也有其广阔的市场。另外,电子束焊接在电子、仪表和生物医药工业上也起 到了独特的作用。由于在这些工业中,有很多零件对焊接质量要求相当高。电子 束焊接技术可以解决电子和仪表工业中许多精密零件的焊接难题,例如封装焊接 高熔点金属焊接、集中加热焊接、穿透焊接等,其焊缝质量高,工件变形小,焊接 效率也高。凭借EBW能量

17、密度高，加热和冷却速度快的特点，采用该焊接技术可以 很好地解决异种材料焊接中出现的两种材料冶金不相容和性能差异问题,因此异 种材料的电子束焊接已经越来越得到人们的重视，尤其是厚大异种材料的焊接、 金属和非金属材料的焊接等。特别是在航空发动机、精密仪器、刀具刃具制造方 面有广泛的应用前景。今后电子束焊接的发展趋势可以概括为:(1) 继续扩大在航空航天工业中的应用范围，并在修复领域发挥作用；(2) 焊接设备将趋向多功能化和柔性化；(3) 非真空电子束焊接的研究和应用将日益成为热点；+-(4) 在厚大件和批量生产中继续发挥其独特优势；(5) 电子束焊接将成为空间结构焊接的强有力工具。52. 激光焊接

18、 目前，在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日 本、瑞士和美国等国。横流连续CO2激光加工设备的输出功率可达20kW，脉冲 Nd : YAG激光器的最大平均输出功率也已达到4kW ,并且实现了纳秒级的脉冲宽 度。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达80mm，最小为0. 05mm，大部分材料 的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方 向发展，具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料，激光焊接工艺将逐步占据焊 接领域的主要位置，并取代一些传统落后的焊接方法。激光焊接技术在迅猛发展 的同时，也面临着一些新的课题，其中包括:高功率低模式激光器的开发及在焊接 中的应用;纳秒级短脉冲高峰值功率激光焊接过程中激光与材料的作用机制;超 薄板材激光焊接工艺的优化与接头性能的检测;激光焊接时声、光、电信号的反 馈控制;激光焊接过程中等离子体的产生对焊接质量的影响等等。激光焊接技术 面临的这些新的挑战，有待于从事激光焊接的研究人员进行深入的探讨，同时，这 些新问题的提出也预示着激光焊接技术正向着更加深化的方向发展。1参考文献： 1王家淳.激光焊接技术的发展与展望2张文毓.激光焊接技术的研究现状与应用3周广德.电子束焊接技术的特点与应用4佟欣.激光焊接的特性及应用领域5陈芙蓉,霍立兴,张玉凤.电子束焊接技术在工业中的应用与 发展6 7