学习特种焊接有感新版多篇

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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 ……此处隐藏7409个字……附近的材料热塑化，热塑化的金属在搅拌头的旋转摩擦作用下，逐渐由前部向后部转移，当搅拌头向前移动时，在搅拌头轴肩的挤压，锻造作用下，形成致密的固相扩散连结接头；优：焊接变形小；焊接金属力学性能好；工作环境好；搅拌头属于非消耗性材料；操作简单；氧化皮可以自动去除；设备结构简单，易于实现自动焊接和机器人焊接；可用于焊接裂纹敏感性较高的材料。

3、搅拌头的接头形式有哪些？特点是什么？搅拌头材料如何选择？

三槽锥形螺纹和锥形螺纹

特点：减小焊接压力；使塑性流动更加容易；螺纹产生向下的力；增大搅拌针和塑化材料的接触面积。

选择：①热强行：在焊接温度下，搅拌头应具有较好的力学性能。②耐磨性：搅拌头应能够承受焊接初始压入阶段以及焊接过程中的材料磨损，并且在规定焊接时间内和焊接长度内保持搅拌头的初始形状。③耐冲击性：在室温或工作温度下搅拌头应具有抵抗焊接初始压入和焊接冲击的能力。④合适的热传导性：搅拌头的热传导能力应该比被焊工件差，否则大量的摩擦热将通过搅拌头传导损失，而不是用于被焊接材料。⑤不存在危险性：搅拌头作为一种焊接工具，会经常与操作者接触，所以不应该有辐射性。⑥易加工性：搅拌头材料应该容易被加工成复杂形状

4、摩擦焊接头的设计原则及接头形式？ 对于传统连续驱动摩擦焊，至少有一个是圆形截面②为了夹持方便，牢固，保证焊接过程不失稳，应尽量避免设计薄管，薄板接头③一般倾斜接头应与中心线成30°~45°的斜面④对锻压温度或热导率相差较大的材料，为了使两个零件的锻压和顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸⑤对大截面接头，为了降低摩擦加热时的转矩和功率峰值，采用端面侧角的办法可使焊接时接触面积逐渐增加⑥如果限制飞边流出，应预留飞边槽⑦采用中心部位凸起的接头，可有效地避免中心未焊透⑧摩擦焊应避免渗碳﹑渗氮等⑨为了防止由于轴向力引起的工作滑退，通常在工件后面设置挡块⑩工件伸出夹头外的尺寸要适

当，被焊工件应尽可能有相同的伸出长度 5.为什么钢的激光焊接接头有良好的韧①焊接功率：所需的功率随工件的厚度和性、强度和抗裂性？ 硬度的增加而增加 ①激光焊接焊缝细﹑热影响区窄②从接②振动频率：焊薄件时宜选取高的谐振频头的硬度和显微组织的分布来看，激光焊率，功率愈小选择的频率愈高，大功率焊有较高的硬度和较陡的硬度梯度，这表明机一般选择16到20kHz的较低的谐振频可能有较大的应力集中出现③激光焊热率③振幅：超声波焊机的振幅约在5到影响区的组织主要为马氏体，这时由于它25μm的范围内，随着材料厚度硬度提高的焊接速度高|﹑热输入小④合金钢激光所需振幅值亦相应增大，但有上限④静压焊时，焊缝中的有害杂质元素大大减少，力：其选择取决于材料厚度、硬度、接头产生了净化效应，提高了接头的韧性 形式和使用的超声功率⑤焊接时间：随材6.激光焊接﹑切割时应采取哪些个人防料性质、厚度及其他工艺参数而定。护措施？ 13.钢轨焊接工艺流程：a准备工作。焊接①激光防护眼镜②激光防护面罩③激光前将焊接工具、封箱砂、待焊钢轨准备好。防护手套④激光防护服 仔细检查钢轨进行焊前清理，两段钢轨接7.激光有哪些危害？ 头对直。B焊接工作。装卡砂型、坩埚装①对眼睛的危害：当眼睛受到过量照射时，料及放置坩埚支架、预热、点火浇注。c视网膜会烧伤，引起视力下降，甚至会烧整修工作。先推瘤后打磨。D钢轨焊接质坏色素上皮和邻近的光感视杆细胞核视量检测。锥细胞，导致视力丧失②对皮肤的危害：当脉冲激光的能量密度接近几焦每平方厘米或连续激光的功率密度达到0.5w／㎝²时，皮肤就有可能遭到严重的损伤③火灾：激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾④电击：激光焊中还存在着数千伏至万伏的高压，存在电击的危险⑤有害气体：激光焊时材料受到加热而蒸发、气化，产生各种有毒的金属烟尘，对人体有一定伤害 7.电子束焊的主要工艺参数有哪些、对焊接质量有什么影响、如何正确选择焊接工艺参数？ ①加速电压：在相同的功率、不同的加速电压下，所得焊缝深度和形状是不同的。提高加速电压可增加焊缝的深度。当焊接大厚度并要求得到窄而平行的焊缝或电子枪与焊件的距离较大时可提高加速电压。②电子束流：与加速电压一起决定电子束焊的功率。焊环缝时，要控制束流的递增、递减；焊接各种不同厚度的材料时，要改变束流；焊接大厚件时，焊接电流需逐渐减小。③聚焦电流：有上焦点、下焦点和表面焦点。焦点位置对焊缝形状影响很大。当焊件厚度大于10mm时，通常采用下焦点焊，且焦点在焊缝熔深的30%处；当焊件厚度大于50mm时，焦点在焊缝熔深的50~75%之间更合适。④焊接速度：和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、焊缝宽度以及被焊材料的熔池行为。增加焊接速度会，焊缝变窄，熔深减小。⑤工作距离影响电子束的聚焦程度。在不影响电子枪稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。8.电子束焊安全防护有哪些方面，防护措施是什么？ 防护高压电击的措施：①保证高压电源和电子枪有足够的绝缘，耐压实验应为额定电压的1.5倍②设备外壳应接地良好，采用专用地线，设备外壳用截面积大于12㎜²的粗铜线接地，接地电阻应小于3Ω③更换阴极组件或维修时，应切断高压电源，并用接地良好的放电棒接触准备更换的零件或需要维修的地方，放完电后才可以操作④电子束焊机应安装电压报警或其他电子联动装置，以便在出现故障时自动断电⑤焊工操作时应戴耐高压的绝缘手套，穿绝缘鞋；X射线的防护：①加速电压低于60kv的焊机，一般靠焊机外壳的钢板厚度来防护②加速电压高压60kv的焊机，外壳应附加足够厚度加铅板加强防护③电子束焊机在高压电压下运行，观察窗应选用铅玻璃，厚度可按相应的铅当量选择 9.扩散焊的中间层有哪些作用、应如何选择？ 中间层的作用：①改善表面接触，以降低对待焊接表面制备的要求和降低焊接所需压力②改善扩散条件，加速扩散过程，以降低加热温度和缩短焊接时间③改善冶金反应，避免或将少金属间形成脆性化合物和不希望存在的共晶组织④避免和减少焊接热应力或扩散孔洞等缺陷。如何选择：中间层材料可以是纯金属，也可以是含有能活化扩散的或能降低熔点的元素，而成分与母材相似的合金。中间层的厚度要适当，宜薄不宜厚，一般有1μm到数百微米。10.扩散焊的接头形式有哪些？为什么？ 按被焊材料不同有四种组合：同种材料、同种材料带中间夹层、不同材料、不同材料带中间夹层。同类材料组合的扩散焊过程是建立在被焊材料原子自扩散的基础上的；而不同材料的组合，除自扩散外，还充分利用了某些元素，特别是某些容易扩散元素的异类材料扩散和反应扩散的规模而大大加速扩散过程。如果焊接过程中，中间层发生熔化，就变成过渡液相扩散焊，从而又大大加速了扩散焊接过程。10.对中间层材料的性能有何要求？ ①材料塑性好，易变形②含有容易向基体扩散的或能降低中间层熔点的元素，如硼、铍硅等③不与母材金属产生不良的冶金反应，如不产生脆性化合物层或对性能产生不良影响的共晶组织④不会在接头上引起电化学腐蚀 11.超声波焊接的接头必须是搭接接头，焊缝的形状分：点焊、缝焊、环焊和线焊 12.超声波焊接的工艺参数、如何选择？

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