高能束流焊接技術以高能量密度束流為熱源與材料作用，從而實現材料焊接。。高能束流可由單一的電子、光子和離子或兩種以上的粒子組合而成。用在焊接領域的高能束流主要是等離子弧、電子束和雷射束。
基本介紹
- 中文名：高能束流焊接
- 外文名：high-energy density beam welding
- 熱源：電子束、雷射、離子束
- 功能：材料焊接
- 優點：功率密度高，焊縫深寬比高等
- 領域：焊接技術
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介紹
高能束流焊接是利用高能束粒子攜帶的能量作為熱源熔化被焊材料形成焊縫的。根據攜帶能量的粒子不同，分為雷射束、電子束和離子束焊，其特點是能量集中，能量密度高，熔深大，熔寬小，熱影響區窄，焊接精度較高，能焊很薄的零件，也能焊較厚的零件。對於難熔材料、活潑性金屬、要求高質量件的焊接，均取得了良好的效果。電子束、雷射束焊接設備較複雜，費用較高，限制了使用範圍的進一步擴展。
分類
電子束焊
利用經加速和聚焦的電子束轟擊焊件接縫處所產生的熱能使金屬熔合的一種焊接方法。如圖所示，從陰極發射的電子，受陰極與陽極間高壓電場的加速，通過帶孔的陽極，再經聚焦線圈會聚成截面積小（直徑為0.2～1 mm）、功率密度高 （≥1.5×10W /cm2）的電子束。當電子束撞擊焊件時，其動能大部分轉化成熱能，使焊件金屬熔化成熔池。隨著電子束的移動，熔池冷凝成焊縫。電子束的移動可由移動電子槍（電極和聚焦線圈等的組合件）或焊件來實現;在小範圍內可由偏轉線圈所產生的磁場來實現。加速電壓在30～200 kV範圍內。為保護電極不受氧化，電極區必須保持壓力不大於1×10-2Pa的高真空。工作室的壓力常高於電子槍室的壓力，兩者間有減少漏氣的設施。工作室一般另配真空泵抽氣。
雷射焊接
以聚焦的高能量密度的雷射作為熱源對金屬進行熔化形成焊接接頭的一種焊接方法。雷射焊可用於焊接碳鋼、低合金鋼、不鏽鋼、高溫合金、鋁、鎂、鈦、鎳等有色金屬和合金。另外，還可用於某些異種金屬，如鎢與鎳，不鏽鋼與鉭等，以及某些非金屬材料，如陶瓷、石英、玻璃塑膠等的焊接。
雷射是利用輻射雷射放大原理產生的一種單色、方向性強、光亮度大的光束，經透射或反射鏡聚焦後功率密度可達10W/m。按照雷射束橫斷面上功率密度的分布情況，雷射又有單模、多模之分。雷射的幾種低階模的光斑花樣如圖1所示。模式與光束的聚焦特性密切相關，模式越低，聚焦後的光點越小，功率密度愈大。焊接一般要求雷射器輸出單模。多模適合於堆焊、合金化和熱處理。
雷射焊接設備主要由雷射器、光學偏轉聚焦系統、光束檢測儀、工作檯（或專用焊機）和控制系統組成，如圖2所示。用於焊接的雷射器主要分為固體雷射器和氣體雷射器兩類。固體雷射器有紅寶石雷射器、釹玻璃雷射器和YAG雷射器（釔鋁石榴雷射器）。氣體雷射器主要是CO2氣體雷射器。
等離子弧焊接
利用電弧電漿作為熱源的電弧焊。如圖3所示，工作氣體用來保護電極並產生電弧電漿，從噴嘴外側噴出的保護氣體用來保護焊接區。焊接時，電弧由高頻振盪器在電極與噴嘴間引發，有時也可由電極與噴嘴的接觸短路引發並轉移到電極與焊件之間（有時在電極與噴嘴間仍保留有電弧）。電極與焊件間的弧柱經噴嘴的機械壓縮、氣流的熱壓縮和電流的磁壓縮，形成一個截面小、電流密度大、電離度高的弧柱。與弧柱接觸處的焊件金屬迅速被熔化形成熔池。隨著弧柱的移動，熔池冷凝成為焊縫。電極一般用鎢極，在某些情況下用水冷銅電極，工作氣體用氬、氬與氫或氬與氦的混合氣體。保護氣體一般用氬。
優點
與傳統焊接技術相比，高能束流焊接技術具有諸優勢：
（1）功率密度高。高能束流斑點尺寸小，功率密度大。焊接束流的功率密度通常達105～108W/cm2，而一般常規電弧焊的功率密度為102～104W/cm2。
（2）焊縫深寬比高。高能束流可實現高深寬比（即焊縫深而窄）的焊接，其中電子束深寬比達60∶1，可一次焊透0.1～300mm厚度的不鏽鋼板，雷射焊的深寬比也達到20∶1。
（3）焊接速度快。高能束流的高能量密度使得焊接加熱集中，焊接熔化和凝固過程快、效率高，如利用電子束焊接厚125mm的鋁板，焊接速度達4m/min，是氬弧焊的40倍，1mm厚薄板雷射焊接速度可達到20m/min。
（4）焊件熱變形小，焊縫性能好。高能束流功率密度高，使得焊接熱輸入量少、焊件變形小、焊後加工量小，有利於降低製造成本，且能避免焊接接頭組織晶粒長大，使接頭性能改善；高溫作用時間短、合金元素燒損少，能有效改善焊縫抗蝕性能。
（5）焊縫純潔度高。真空對焊縫有良好的保護作用，高真空電子束焊尤其適合焊接鈦及鈦合金等活性材料。
（6）工藝適應性強。焊接參數易於精確調節，焊接頭便於偏轉，焊接位置的可達性好，對焊接結構的焊接適應性優於常規電弧焊，不僅可套用於對接接頭、搭接接頭，而且特別適合於T形接頭焊接。
（7）可焊材料多。適合於難焊材料焊接，不僅能焊金屬和異種金屬材料接頭，也可焊非金屬材料（如陶瓷、石英玻璃等）
