焊接方法与设备-高能束焊.ppt

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1、2023/11/3,1,高能束焊接,等离子弧焊接电子束焊激光焊,2023/11/3,2,焊接热源的最小加热面积、最大功率密度和温度,2023/11/3,3,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）。,2023/11/3,4,等离子弧焊接,2023/11/3,5,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。,2023/11/3,6,第一节 等离子弧的形成及特性-等离子弧的形成,自由电弧,2023/11/3,7,第一节 等离子弧的形成及特性-等离子弧的形成,拘束电弧 压缩电

2、弧,2023/11/3,8,第一节 等离子弧的形成及特性-等离子弧的形成,2023/11/3,9,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。,2023/11/3,10,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

3、、转移型和联合型。,焊接中最常用的类型？,2023/11/3,11,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）,2023/11/3,12,第一节 等离子弧的形成及特性-等离子弧的特性,2023/11/3,13,第一节 等离子弧的形成及特性-等离子弧的特性,TIG:10000-24000K 104w/cm2PAW:24000-50000K 105w/cm2,2023/11/3,14,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

4、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,2023/11/3,15,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%,2023/11/3,16,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

5、。,2023/11/3,17,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(0612mm)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。,2023/11/3,18,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

6、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。,2023/11/3,19,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,2023/11/3,20,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,2023/11/3,21,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

7、进清理喷嘴,2023/11/3,22,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,2023/11/3,23,（1）功率密度高 电子束焊接时常用的加速电压范围为30150kV，电子束电流201000mA，电子束焦点直径约为0.11mm，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（9.110-31kg）和一定的负电荷（1.610-19C），电子的荷质比高达1.7610-11C/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

8、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,2023/11/3,24,1）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-1,2023/11/3,25,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，

9、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。,2023/11/3,26,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。,2023/11/3,27,高能束焊接-电子束焊的设

10、备,Electron Beam Welding precision components-technician operating 3KW,12 inch cubed chamber Electron Beam Welder,2023/11/3,28,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,2023/11/3,29,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25300kV的加速电压的作用下，电子被加速到0.30.7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

11、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。,2023/11/3,30,高能束焊接-电子束焊的工作原理,2023/11/3,31,高能束焊接-电子束焊的工作原理,2023/11/3,32,高能束焊接-电子束焊的工作原理,2023/11/3,33,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

12、束焊和非真空电子束焊。高真空电子束焊是在10-410-1Pa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10-110Pa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。,2023/11/3,34,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

13、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715Pa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2050mm，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。,2023/11/3,35,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

14、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。,2023/11/3,36,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）,2023/11/3,37,高能束焊接-激光焊,2023/11/3,38,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)

15、，其谱线宽度为4.710-3nm。激光的单色性比一般光要高出106107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；CO2：10.6m CO：5.4m YAG：1.06m 准分子：0.24m；,2023/11/3,39,2、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10-310-5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

16、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。,2023/11/3,40,3、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。,2023/11/3,41,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,2023/11/3,42,远距离焊接系统原理,2023/11/3,43,激光焊接的主要问

17、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。,2023/11/3,44,一、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,2023/11/3,45,二、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

18、等离子体3 熔池后部熔化区4 焊件运动方向,2023/11/3,46,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）,2023/11/3,47,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,2023/11/3,48,高能束焊接-激光焊,2023/11/3,49,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.高频电极8.输出镜9.输出窗口,CO2激光器系统,一般气流的流动速度较慢,将热量从放电腔中带走。,2023/11/3,50,YAG激光的产生,根据工作物质

19、分类：红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级；钕玻璃：激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级 脉冲宽度：100500ns，频率：几百62kHz。,2023/11/3,51,YAG激光的产生,灯泵浦Nd:YAG激光器,大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径710mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50800W。,2023/11/3,52,灯泵浦Nd:YAG体激光器,将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高功率的激光束，每个独立的棒可通过透镜引导并规则

20、的排列起来。目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。输出4kW功率。,1kW的脉冲Nd:YAG激光器,YAG激光的产生,2023/11/3,53,YAG激光焊接设备,3kw YAG激光机器人/数控加工系统上海交大,2023/11/3,54,激光TIG复合,旁轴激光与TIG复合,双束激光与TIG同轴复合 多电极TIG与激光同轴复合,2023/11/3,55,激光MIG复合,利用填丝提高熔深、改善焊缝成型和接头性能。对间隙、错边、对中的适应性更好，可焊接厚板。适合焊接铝合金、镁合金、铜合金材料,2023/11/3,56,激光等离子弧复合,加热区更窄，对外界敏感更小，引燃性好。密度更大，弧长更长。可旁轴复合，也可同轴复合。适合薄板对接、高速焊、镀锌板、铝合金焊接。,环状电极同轴复合,空心电极同轴复合,2023/11/3,57,激光双电弧复合,能量输入比普通激光MIG复合减少，熔深增大。焊接速度更高，焊接过程更稳定。相互之间位置的排布非常重要。尤其适合焊接厚板。,激光双MIG复合,