第十一章 高能束流焊——【《熔焊方法及设备(第2版)》王宗杰】
第三章 母材的熔化和焊缝成形——【《熔焊方法及设备(第2版)》王宗杰】
•
此外，熔池金属由于各处成分和温度的不均
匀性，各处表面张力大小也不同，这样形成沿表面
方向的表面张力梯度dσ/dr（σ－表面张力系数，r-
熔池半径）,这种表面张力梯度将促使液体金属流
动。
图3-9 熔池金属流动与表面张力梯度的关系(dσ／dr>0) 图3-10 熔池金属流动与表面张力梯度的关系(dσ／dr<0)
3.3.3.焊接电弧力
•
焊接电流流入焊接熔池时，由于斑点面积较
小，电流密度较大，因而斑点处的压力较大，而熔
池表面内的其它处的电流密度较小、压力也较小。
图3-2熔池结晶过程示意图
3.1.2 焊缝形状尺寸
• 焊缝的形状一般是指焊缝横截面的形状，通常 用焊缝熔深H、焊缝熔宽B和焊缝余高h来描述。其 中，焊缝熔深H是指母材熔化的深度；焊缝熔宽B 是两焊趾之间的距离；焊缝余高h是焊缝横截面上 焊趾连线之上的那部分焊缝金属的最大高度。此 外，还常用焊缝成形系数φ（φ＝B/H）和余高系 数Ψ（Ψ＝B/h）来表征焊缝成形的特点。图3-3是 对接接头和角接接头的焊缝形状和各参数的意义。
略有增加。
•
气体保护熔化极氩弧焊，焊接电流增加，
焊缝熔深增加。若焊接电流过大、电流密度过
高时，容易出现指状熔深，尤其焊铝时较明显。
2. 电弧电压对焊缝成形的影响
• 在其它条件一定的条件下，提高电弧电压，电弧 功率相应增加，焊件输入的热有所增加。但是电弧 电压增加是通过增加电弧长度实现的，电弧长度增 加使得电弧热源半径增大，电弧散热增加，输入焊 件的能量密度减小，因此熔深略有减小而熔宽增大。 同时由于焊接电流不变，焊丝的送丝速度和焊丝熔 化速度不变，使得焊缝余高减小。
高能束流焊接方法学习要点总结
等离子弧切割
此法是将混合气体通过高频电弧。气体可以是空气， 也可以是氢气、氩气和氮气的混合气体。高频电弧使一 些气体"分解"或离子化，成为基本的原子粒子，从而产 生"等离子"。然后，电弧跳跃到不锈钢工件上，高压气 体把等离子从割炬烧嘴吹出，出口速度为每秒800~1000 米(约3马赫)。这样，结合等离子中的各种气体恢复到 正常状态时所释放的高能量产生2700℃的高温。该温度 几乎是不锈钢熔点的两倍。从而使不锈钢快速熔化，熔 化的金属由喷出的高压气流吹走。因此，需要用排烟和 除渣设备。
高能束流焊接基本概念
高能束流焊接是指以激光束、电子束、等离子 体为热源，对金属、非金属材料进行焊接的精细加 工工艺。 注：（1）高能束流焊接的功率密度（Power Density） 达到105W/cm2以上。 （2）高能束流是由单一的电子、光子、电子和 离子，或者二种以上的粒子组合而成。
基本原理和分类
TIG焊和等离子弧焊：
TLG焊，钨极承载电流能力较差，过大的电流 会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池 而引起夹钨。因此，熔敷速度小、熔深浅、生产率 低。而等离子弧焊枪的钨极内缩在喷嘴之内，电极 不可能与工件相接触，因而没有焊缝夹钨的问题。
影响焊接质量的工艺参数：
电子束焊接 激光焊接
等离子弧焊
目前在激光焊中常用的聚集系统有三种：透镜聚集、反射镜聚集和改进型的。
2）电子束的聚集 电子束聚集是依据于电场和磁场对电子的作用。常用的电子束聚集方法是静电透 镜聚集好磁透镜聚集等。其中静电透镜聚集分别为同心球电极聚集。
2.分类：
（1）电子束焊 （2）激光焊 （3）激光切割 （4）等离子弧焊
基本概念
等离子弧焊接的原理：
第十一章 高能束流焊——【《熔焊方法及设备(第2版)》王宗杰】
若电子束焊机的加速电压 为 U a ,则
pb nm
2eU a m
2n2meUa
2n2e2mUa e
2J mUa J e
2m U a e
式中J为电流密度
(2) 蒸气压强Pv
在高功率密度束流的作用下，熔池小孔底部和前沿的温度可达2700℃， 存在明显的蒸发现象和蒸气压强。蒸气压强力图将熔化的金属向四周排开， 使小孔进一步向工件内部发展。蒸气压强主要取决于熔池的温度，小孔底 部由于束流的直接作用而温度最高。
➢电子束的聚焦
电子束聚焦是依据于电场和磁场对电子的作用。常用的 电子束聚焦方法是静电透镜聚焦和磁透镜聚焦等。其中静电 透镜聚焦分为同心球电极聚焦和类同心球电极聚焦。
图11-7 同心球电极聚焦
1- 阳极 2-阴极
尽管采用同心球电极可以对电子束聚焦，然而， 同心球电极不是可以实现电子束聚焦的唯一电极结构 形式，图11-8是针对5º和10º的半圆锥角而得到的结 果。
11.1.3 高能束流焊形成深宽比大焊缝的机制
1. 小孔形成的机理
当采用较低的功率密度时 ， 高能束流产生的热首先聚集在 待加工焊件的表面，然后经热传导进入材料内部，这时，熔池 温度比较低，对钢件约1600℃，蒸发不明显，因而焊缝宽，熔 深浅（图11-13a ）。这种情况属热传导焊接。当功率密度增加 到一定值而使熔池金属温度达到1900℃左右时 ， 熔化钢材蒸发 而产生的饱和蒸气压力约300Pa ， 在蒸气压力、蒸气反作用力 等的作用下会形成充满蒸气的小孔 （ 图11-13b ） 。随着功率密 度的进一步增加，熔化金属的温度也继续升高，蒸气压力也随 之增大 ， 最终导致产生了针状的、充满金属蒸气的并被熔融金 属包围的小孔。这时 ， 束流亦通过小孔穿入工件内部 （ 图1113c ） 。假如功率密度达到某一极限值时 ， 蒸气压力和蒸发速 率都变得很大 ， 所有熔化金属几乎全部地被蒸气流冲出腔外 （图11-13d）。
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术（EBW）是一种先进的焊接方法，它利用高速电子束来熔化和连接金属材料。
这种焊接技术具有高能量密度、高焊接速度、优质的焊接效果和适用于各种金属材料等优点，因此在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。
本文将从高能束焊接技术的发展历程和原理、应用领域、优势和挑战等方面进行介绍。
一、高能束焊接技术的发展历程和原理高能束焊接技术最早是在20世纪50年代发展起来的，最初是用于核工业和航天航空领域。
1958年，美国杜邦公司开发出了第一台商用的电子束焊接机，这标志着电子束焊接技术开始走向工业化生产。
高能束焊接技术通过电子枪产生高速电子束，电子束击中工件表面时，产生的能量将工件表面瞬间加热到熔化温度，然后通过电子束辐照区域产生高温熔池，从而实现熔化和连接金属材料的目的。
高能束焊接技术的原理是利用高速电子束的能量瞬间加热金属材料，使其熔化并形成熔池，然后利用合适的焊接工艺来实现金属材料的连接。
与传统的焊接方法相比，高能束焊接技术具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小、热输入低等优点，因此可以实现高质量的焊接效果。
二、高能束焊接技术的应用领域高能束焊接技术在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，高能束焊接技术被广泛应用于飞机结构件、发动机零部件、航天器壳体等关键部件的焊接，以提高焊接质量和生产效率。
在汽车制造领域，高能束焊接技术通常应用于汽车车身焊接、汽车零部件焊接等工艺环节，以提高焊接强度和减少成本。
在核工业领域，高能束焊接技术被用于核反应堆压力容器、核燃料元件等核设备的焊接，以保证核设备的安全可靠性。
在电子行业领域，高能束焊接技术通常应用于电子器件的微细焊接和包装，以提高器件的性能和可靠性。
高能束焊接技术相对传统焊接方法有很多优势，主要包括以下几点：1. 高能量密度：高能束焊接技术的能量密度很高，可以实现瞬间加热和快速熔化金属材料，从而提高焊接速度和效率。
第四章 电弧焊自动控制基础——【《熔焊方法及设备(第2版)》王宗杰】
下三种：
• (1)行程转换 即按预定的空间距离进行程序转换。常用于全位置 环缝焊时的过程参数的分段转换、环缝焊到终点时自动停止、焊 枪自动返回等。常用行程开关来实现。
• (2)时间转换 即按预定的时间间隔进行程序转换。例如，保护气
提前给送和滞后停止、焊丝返烧熄弧等即属此类。可以使用延时 继电器或延时电路来实现。
线分别表示保护气体流量、冷却水流量和焊接速
度随时间的变化。也可将这些曲线放到一个坐标
图中。
图4-1 熔化极气体保护焊程序循环图示例
4.1.2电弧焊程序自动控制转换的类型和实现方法
• 1.程序自动控制转换的类型
•
除了需接受必要的外部人工操作指令（如启动、停止、急
停）以外，电弧焊的程序转换都应自动地实现。其转换方式有以
逻辑组合有“或”、“与”、“非”三种，复
杂一些的程序控制系统可以由它们复合而成。 其中，逻辑“或”组合实例如图4－2a所示，只
要气流预检开关S1、提前送气继电器K1的触点 和滞后停气时间继电器KT1的触点中有一个接通， 电磁气阀YV就可以接通。图4－2b是逻辑“与”
组合实例，不考虑空载接通开关S2，只有当中 间继电器K1的触点和时间继电器KT2的触点都接 通时，才能使继电器K2工作。
可以改变延时时间。该电路的缺点是延时精度易受网压波动 的影响。
高能束流焊接技术的最新进展
而窄的焊缝 ， 焊速 高、 热输入低 ， 但投资高 ， 对工件制备精度要求 子立焊是关注点之一。
高， 对铝等材料的适应性差 。从能量观点看 ， 激光电弧复合对焊 ３ 国内高能束流焊接现状 在 国 内 ， 能 束 流 焊接 越 来 越 引 起 更 多相 关 人 士 诸 如 焊 接 、 高 接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应 ， 一是较高的能量
密度 导致 了较高的焊接速度 ； 二是两热源相互作用的叠加效应 。 物理 、 激光 、 材料、 机床 、 计算机等工作者的关 注。国内在设备水 与 但在工艺研究上 ， 水平则较为接近 ， 甚 Ｇ Ａ 激 光加丝和激光电弧 复合三种方法焊接 时线能量 、 Ｍ 、 焊缝断 平上 ， 国外有一定差距 ， 面以及能量利用率 的比较。Ｌ ｓｒＴ Ｇ Ｈ ｂｉ 可显著增加焊速 ， 至在某些方面还有 自己的特色。 ａｅ－ Ｉ ｙｒ ｄ
０ ｍｍ的不锈钢 ， 深宽比达 ７ ：。 日、 、 ０１ 俄 德开展 了双枪及填丝 机多用。 ） ２ 采用一台激光机可进行多工位 （ 可达 ６ ） 个 加工 。 ） ３光 ２ ０ 纤长度最长可达 ６ ｍ。 ） ０ ４ 开放式 的控制接 口。 ） ５ 具有远距离诊断 电子束焊接技术的研 究。法 国研制成功的双金属和三金属薄带
１ 激光焊接的最新进展
方法由于表面的清理作用强和加丝 的合金化作用效果 为好。 １ 激光熔覆 。激光熔覆与其它表直 流板条式 （ Ｃ Ｓａ ）Ｏ 激光器 ； ） ． １ ） Ｄ ｌｂ Ｃ ２ 二极 快、 热输人少 ， 变形极小 ； 结合强度高 ； 稀释率低 ； 改性层厚度可 管泵浦的 Ｙ Ｇ激光器 ； ） Ｏ激光器 ；） Ａ ３Ｃ ４ 半导体 激光器 ； ） ５ 准分 精确控制 ， 定域性好、 可达性好 、 生产效率高。
高能束焊接
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：⒈电子束功率密度高，其功率密度可达105-107W/cm2。
⒉焊缝深宽比大。
焊缝熔区很深很窄，其深宽比最高可达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。
⒊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。
⒋焊接在真空中进行，排除了大气中有害气体(如氢和氧等)的影响。
可高质量地焊一些活动性材料如钼、铍、铀、铌、钛等及其合金。
⒌可焊接物理常数差别大的材料，如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。
⒍由于电子束能量密度高，焊接速度可以很高，如焊O．8ram 薄钢板，焊接速度可迭200mm／s，焊接2'0 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。
⒎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。
《熔焊方法及设备(第2版)》习题参考答案
《熔焊方法及设备（第2版）》复习思考题答案第1章焊接电弧1.解释下列名词：焊接电弧、热电离、场致电离、光电离、热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射、热阴极型电极、冷阴极型电极。
答：焊接电弧：由焊接电源供给能量，在具有一定电压的两电极之间或电极与母材之间的气体介质中产生的强烈而持久的自持放电现象。
热电离：气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。
其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。
场致电离：当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。
光电离：中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。
热发射：金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。
场致发射：当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为场致发射。
光发射：当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称粒子碰撞发射：高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。
热阴极型电极：当使用钨（沸点为5950K）、碳（沸点为4200K）等材料作阴极时，其熔点和沸点很高，阴极可以被加热到很高的温度（可达3500K以上），电弧的阴极区的电子可以主要依靠阴极热发射来提供，这种电弧通常称为“热阴极电弧”，电极被称为“热阴极型电极”。
冷阴极型电极：当使用钢（沸点为3008K）、铜（沸点为2868K）、铝（沸点为2770K）等材料作阴极时，其熔点和沸点较低，阴极温度不可能很高，热发射不能提供足够的电子，必须依靠其它方式来补充导电所需要的电子，这种电弧通常称为“冷阴极电弧”，电极被称为“冷阴极型电极”。
2.试述电弧中带电粒子的产生方式。
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式中，A 是光源发光面积， 是法线方向上立体发散角， 是—P 在立体角为 的
空间内发射的功率。
激光束的方向性用光束发射张角一半来表示，称为发散角，可表示为：
4 D
式中， 是激光波长， D是光束直径 。
经聚焦的激光束在焦平面处的束斑直径d为： d f 4 f D
式中 f是聚焦镜焦距 。
11.1 高能束流焊的物理基础
11.1.1 热源功率密度与热过程行为
1. 一些热源的功率密度 表11-1 一些常见热源的功率密度
热源
功率密度(W/cm2)
光 电弧 高能密度束
聚焦的太阳光束 聚焦的氙灯光束
电弧（0.1MPa） 等离子弧
电子束 激光束（0.1MPa）
（1～2）×103 （1～5）×103
3. 高能束流的聚焦
➢激光束的聚焦
目前在激光焊中常用的聚焦系统有三种：透镜聚焦、反射 镜聚焦和改进型的反射镜聚焦。
图11-3 透镜聚焦原理图
1-激光束 2-透镜 3-工件
图11-4是反射镜聚焦系统的原理图。平面反射镜M1用以反 射激光束，聚焦镜M2通常为抛物面反射镜。采用反射镜聚焦 的主要特点是没有色差。改进型的反射镜聚焦反射镜聚焦的改 型，它适用于中空的高阶模光束，光束的功率越高，该聚焦系 统的优点表现得越突出。
图11-8 类同心球电极形状及电子束的会聚
a）θ=5º b)θ=10º
此外，在给定的阳极电压下，还可能会导致不希 望的高压场。一旦Rc/Ra和 的值确定，电极的几何形 状就可确定，电子束的特性亦可确定，见图11-9 。
图11-9 电极的几何形状及电子束的特性
磁透镜是能产生轴对称磁场并对电子束起会聚作用的装 置。实际的磁透镜结构是将线圈放在有间隙的铁芯内，图1110所示是一种典型的磁透镜结构及其磁感应强度分布。图中D 为磁透镜孔径，S为磁极间隙，MN表示垂直于z轴的磁透镜的 中心面，又称主平面。为讨论问题方便起见，建立如图11-11 所示的坐标系。
第十一章 高能束流焊
• 束流是指沿某一特定方向运动而形成的粒子流。焊 接领域所说的高能束流是指聚焦后功率密度可以达到 105W/cm2以上的束流。通常所说的高能束流焊主要指的 是电子束焊（Electron Beam Welding）和激光焊（Laser Beam Welding），其功率密度比通常的TIG焊或MIG焊的 功率密度要高一个数量级以上。本章将首先介绍高能束 流焊的物理基础，然后分别讲述电子束焊和激光焊的原 理、焊接设备及焊接工艺。
图11-4反射镜聚焦系统
M1-平面反射镜 M2-抛物面反射镜
图11-5 改进型反射镜聚焦
焦深是描述聚焦束斑特性的另一个参数，定义
为焦点束斑直径d增加5%时在焦距方向上的相应变
化范围。 焦深可表示为为:
L 6.5 f d D
式中，f是焦距，D是入射光束直径，d是焦点 处的束斑直径。
图11-6 焦深示意图
2.高功率密度电子束的获取
阴极用以发射电子，阳极相对阴极施加高电压以加速电子，控制极用来控制 电子束流的强度，聚焦线圈对电子束进行会聚，偏转线圈可使束流产生偏转以 满足加工的需要。
1-阴极 2-控制极 3-阳极 4-聚焦线圈 5-偏转线圈 6-真空泵 7-工件
图11-2 高功率密度电子束获取示意图
பைடு நூலகம்
(1) 电子的加速
设阳极与阴极间所加电压（常称为加速电压）
Ua=100 kV、加速后电子运动速度为 v、电子的电量为e、
电子的质量为m，则
2eU a
m
在电子束焊机中，加速电压一般为15～150kV 。
(2) 电子束的功率密度
假设聚焦后束斑直径 d = 0.5 mm ，电子束流 Ib=50mA ， Ua 100 k，V 则焦点处的功率密度PD(Power Density)可达 2.510 6 (W。/ cm2这) 说明电子束经加速并适当 聚焦后，可在焦点附近获得很高的功率密度。
• (4)超高功率密度区 功率密度大于109W/cm2，这时的蒸发要比 热传导快得多。高功率的脉冲激光聚焦成很小的束斑时即出现这 种情况，超高功率密度的脉冲激光束可用于打孔，其加工的小孔 精度高，小孔侧壁几乎不受热的影响。
11.1.2 获得高能束流的基本原理
1. 高功率密度激光束的获取
激光器通过谐振腔的方向选择、频率选择以及谐振腔和工作物质共同形成的反 馈放大作用，使输出的激光具有良好的方向性、单色性以及很高的亮度。光源的 亮度B为：
➢电子束的聚焦
电子束聚焦是依据于电场和磁场对电子的作用。常用的 电子束聚焦方法是静电透镜聚焦和磁透镜聚焦等。其中静电 透镜聚焦分为同心球电极聚焦和类同心球电极聚焦。
图11-7 同心球电极聚焦
1- 阳极 2-阴极
尽管采用同心球电极可以对电子束聚焦，然而， 同心球电极不是可以实现电子束聚焦的唯一电极结构 形式，图11-8是针对5º和10º的半圆锥角而得到的结 果。
• (2)中功率密度区 功率密度范围为3×102~106W/cm2。这时的热 过程以导热为主，材料被加热熔化，几乎没有蒸发，绝大多数电 弧焊的功率密度都在这个范围内。
• (3)高功率密度区 功率密度在106~109W/cm2之间。这时的蒸发 和导热情况主要取决于热源功率和聚焦后的束斑尺寸，蒸发和导 热的相对情形变化很大。若热源功率小，束斑尺寸大，则以导热 为主；若热源功率大，束斑尺寸小，则以蒸发为主，强烈的蒸发 会在熔池中产生小孔，而热传导的作用则是使小孔侧壁充分熔化。
目前，大功率连续波激光的功率达几千瓦、几 十千瓦或更高，相应的光束直径d仅为几十毫米， 立体角可达到10-6sr ；脉冲固体激光器的光脉冲持 续时间可压缩至10-12s甚至更短，因而，激光具有极 高的亮度，加之激光的方向性好，发散角小，有良 好的聚焦性，在焦平面处可获得大于106 w/cm2 的 功率密度。
1.5×104 (0.5～1)×105
>106 >106
2. 热源功率密度与热过程行为关系
随着热源功率密度的不同，热过程行为发生明显的变化。 概括起来讲，可分为四个区域，见图11-1。
图11-1 热源功率密度与热过程行为的关系
• (1)低功率密度区 功率密度小于3×102W/cm2。这时热传导散失 大量的热，难以实施对金属的焊接。