焊接新技术
电子束焊
一、电子束焊的基本原理
电子束焊是一种高能束流焊接方法。一定功率的电子束经电子透镜聚焦后，其功率密度可以提高到106 W/cm2以上，是目前已实际应用的各种焊接热源之首。
电子束传送到焊接接头的热量和其熔化金属的效果与束流强度、加速电压、焊接速度、电子束斑点质量以及被焊材料的热物理性能等因素有密切的关系。
二、电子束焊的特点
1．电子束焊的优点
（1）电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。通常电弧焊的深宽比很难超过2：1，而电子束焊的深宽比可达到60：1以上，可一次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。
（2）焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。电子束焊速度一般在1m/mm以上。电子束焊缝热影响区很小。由于热输人低，控制了焊接区晶粒长大和变形，使焊接接头性能得到改善。由于焊接变形小，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尺寸精度。
（3）焊缝纯度高，接头质量好。真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受氢、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，也常用于焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。
（4）再现性好，工艺适应性强。电子束焊的焊接参数可独立地在很宽的范围内调节，易于实现机械化、自动化控制，重复性、再现性好，提高了产品质量的稳定性。通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接缝的自动焊接；电子束在真空中可以传到较远（约500mm）的位臵上进行焊接，因而也可以焊接难以接近部位的接缝。对焊接结构具有广泛的适应性。
（5）可焊材料多。电子束焊不仅能焊接金属和异种金属材料的接头，也可焊非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。真空电子束焊的真空度一般为5×10Pa，尤其适合焊接钛及钛合金等活性材料。
2．电子束焊的缺点：
（1）设备比较复杂，投资大，费用较昂贵。
（2） 电子束焊要求接头位臵准确，间隙小而且均匀，因而，焊接前对接头加工、装配要求严格。
（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。
-4
（5）电子束焊接时产生的X射线，操作人员需要严加防护。
表1-1归纳了与其他传统焊接工艺方法相比较，电子束焊所具有的优点。 三、电子束焊的适用范围
由于电子束焊具有焊接深度大，焊缝性能好，焊接变形小，焊接精度高，并具有较高的生产率的特点，能够焊接难熔合金和难焊材料，因此，在航空、航天、汽车、压力容器、电力及电子等工业领域中得到了广泛地应用。目前，电子束焊可应用于下述材料和结构：
1．可焊接的材料
在真空室内进行电子束焊时，除含有大量的高蒸气压元素的材料外，一般熔焊能焊的金属，都可以采用电子束焊，如铁、铜、镍、铝、钛及其合金等。此外，还能焊接稀有金属、活性金属、难熔金属和非金属陶瓷等。可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料，接头的力学性能不发生变化。
2．焊件的结构形状和尺寸
可焊接材料的厚度与电子束的加速电压和功率有关，可以单道焊接厚度超过100mm的碳钢，或厚度超过400mm的铝板，不需开坡口和填充金属；焊薄件的厚度可小于2.5mm，甚至薄到0.025mm；也可焊厚薄相差悬殊的焊件。
真空电子束焊焊件的形状和尺寸必须控制在焊接室容积允许的范围内；非真空电子束焊不受此限制，可以焊接大型焊接结构，但必须保证电子枪底面出口到焊件上表面的距离，一般在12～50mm之间；其可焊厚度单面焊时一般很少超过10mm。
四、电子束焊工艺
（一） 焊前准备及接头设计
1．接合面的加工与清理
电子束焊接头属于无坡口对接形式，装配零件时应力求使零件紧密接触。电子束焊要求接合面经过机械加工，其表面粗糙度由被焊材料、接头设计而定，在1.5~25um间选定。宽焊缝比窄焊缝对接合面要求可放宽。一般电子束焊接不用添加填充金属；只有在焊接异种金属或合金时，又确有必要时才使用填充金属。
2．零件装配
零件装配时力求紧密接触，接缝间隙应尽可能小而均匀，并使接合面保持平行。间隙的具体数值与焊件厚度、接头形势和焊接方法有关。
工件的装夹方法与钨极氩弧焊相似，只是夹具的刚性和夹紧力比钨极氩弧焊时的要小，不需要水冷，但要求制造精确，因为电子束焊要求装配和对中极为严格。非真空电子束焊可用一般焊接变位机械，其定位、夹紧都较为简便。在某些情况下可用定位焊缝代替夹具。
夹具和工作台的零部件最好使用非磁性材料来制造，以免电子束发生磁偏转。若工件和夹具是磁性材料时，焊前应去磁。用磁强计测量工件剩磁，一般剩磁强度应低
于（0.5~3）?10-4T。
3．抽真空
现代电子束焊机的抽真空程序是自动进行的，可以保证各种真空机组和阀门正确地按顺序进行，避免由于人为的误操作而发生事故。真空室需经常清洁，尽量减少真空室暴露在大气中的时间，仔细清除被焊工件上的油污并按期更换真空泵油。保持真空室的清洁和干燥是保证抽真空速度的重要环节。
4．焊前预热和焊后热处理
对需要预热的工件，根据一定的形状、尺寸及所需要的预热温度，选择一定的加热方法（如气焊枪、加热炉、感应加热、红外线辐射加热等），在工件装入真空室前进行。如果工件较小，加热引起的变形不会影响工件质量时，可在真空室内用散焦电子束来进行预热。
工件可在真空室内或从真空室取出后进行焊后热处理。 （二）电子束焊工艺参数及其选择
电子束焊的基本工艺参数是加速电压、电子束电流、焊接速度、聚焦电流和工作距离等。这些参数直接影响到熔深和焊缝的几何形状。
1. 加速电压 2. 电子束电流
电子束电流（简称束流）与加速电压一起决定着电子束焊的功率，是影响较大的一个参数。增加电子束电流，热输入增大，熔深和熔宽都会增加。在电子束焊中，由于加速电压基本不变，所以为满足不同的焊接工艺需要，常常要调整电子束电流值。这些调整包括以下几方面：
3. 焊接速度
焊接速度也是电子束焊接的一个基本工艺参数，其影响焊缝的熔深、焊缝宽度以及被焊材料的熔池行为（冷却、凝固及焊缝熔合线形状）。通常随着焊接速度的增大，焊缝宽度变窄，熔深减小。
4．
聚焦电流
电子束聚焦状态对焊缝的熔深及其成形影响较大。焦点变小可使焊缝变窄，熔深增加。根据被焊材料的焊接速度、接头间隙等决定聚焦位臵，进而确定电子束斑点大小。厚板焊接时，应使焦点位于工件表面以下0.5~0.75mm的熔深处；薄板焊接时，应使焦点位于工件表面。
5．工作距离
工作距离应在设备最佳范围内。工作距离变小时，电子束的斑点直径变小，电子束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，增加了电子束功率密度。但工作距离过小会使过多的金属蒸气进人枪体中造成放电现象，因而在不影响电子枪的稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。
五、 电子束焊工艺技术 （一）薄板的焊接
电子束焊可用于焊接板厚在0.03~2.5mm的零件，这些零件多用于仪表、压力或真空密封接头、膜盒、封接结构等构件中。
薄板导热性差，电子束焊接时局部加热强烈。为防止过热、应采用夹具。图1-16示出薄板膜盒零件及其装配焊接夹具，夹具材料为紫铜。对极薄工件可考虑使用脉冲电子束流。
电子束功率密度高，易于实现厚度相差很大的接头的焊接。焊接时薄板应与厚板紧贴，适当调节电子束焦点位臵，使接头两侧均匀熔化。
（二）厚板的焊接
目前，电子束焊可以一次焊透300mm厚的钢板。焊道的深宽比可高达60：1。当被焊钢板厚度在60mm以上时，应将电子枪水平放臵进行横焊，以利于焊缝成形。电子束焦点位臵对于熔深影响很大，在给定的电子束功率下，将电子束焦点调节在工件表面以下熔深的50%~75%，电子束的穿透能力最好。根据实践经验，焊前将电子束焦点调节在板材表面以下板厚的1/3处，可以发挥电子束的熔透效力并使焊缝成形良好。表1-5示出真空度对电子束焊熔深的影响，厚板焊接时应保持良好的真空度。
激光焊
一、激光焊原理
激光是指激光活性物质（工作物质）受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0. 01 mm、功率密度高达106～l0l2W/cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。
激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。
二、 激光焊的特点：
与常规电弧焊方法相比，激光焊具有以下特点：
1．聚焦后的激光束功率密度可达10 ~10W／cm，甚至更高，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深熔焊和高速焊，特别适于精密焊接和微细焊接。
2．可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可不开坡口一次成形。激光焊的深宽比目前已超过12:1。
3．适宜于焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的金属以及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬殊工件间的焊接；甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。
4．可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位；YAG激光和半导体激光可通过光导纤维传输，可达性好。
5．可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可用于臵于玻璃密封容器内的铍合金等剧毒材料的焊接。
6．激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。 与此同时，激光焊接也存在以下缺点： 1．激光焊难以焊接反射率较高的金属； 2．对焊件加工、组装、定位要求相对较高； 3．设备一次性投资大；
三 激光焊的应用
自20世纪60年代美国采用红宝石激光器在钻石上打孔以来，激光加工技术经过几十年的发展，已成为现代工业生产中的一项常用技术。20世纪70年代，高功率（数千瓦）CO2激光器的出现，开辟了激光应用于焊接的新纪元。近年来，激光焊在车辆制造、钢铁、能源、宇航、电子等行业得到了日益广泛的应用。实践证明，采用激光焊，不仅生产率高于传统的焊接方法，而且焊接质量也得到了显著的提高。
四、激光焊工艺
（一）、激光焊的能源特性
激光焊接是将光能转化为热能达到熔化工件进行焊接的目的。为了更好地应用需掌
5
7
2