高能束
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是一种在高强度能束的照射下，将材料进行加工和熔化的过程。
该技术已经得到广泛应用，特别是在航空航天、汽车制造等高端制造领域，成为了关键的加工和制造技术之一。
高能束焊接技术起源于20世纪60年代，经过多年的发展和改进，现已成为了一种成熟的先进焊接技术。
其中，激光束焊接和电子束焊接是两种最具代表性的高能束焊接技术。
激光束焊接是利用激光束对工件进行加热，并在加热后的工件表面上产生高温区域，从而使工件熔化并进行焊接的一种现代焊接技术。
激光束的热源集中性强，加热速度快、能量密度高，适用于对材料进行精密加工和高质量焊接的场合。
电子束焊接则是利用电子束的高速动能将工件加热并融化的过程。
由于电子束具有极高的焦耳效应和热效应，可以快速完成材料加工。
此外，电子束焊接的高度集中性可以实现高精度和高效率的焊接。
高能束焊接技术已经广泛应用于航空航天、汽车制造、电子元器件、冶金、机械制造等诸多领域，成为了现代工业的关键制造技术之一。
航空航天制造领域是高能束焊接技术的重要应用领域之一。
在航空航天领域，除了传统的金属材料之外，还涉及到大量的复合材料和高温合金材料的加工和焊接工艺。
激光束和电子束因其高精度、高效率的特性，在航空航天制造中得到了广泛的应用，大大提高了产品质量和生产效率。
汽车制造领域也是高能束焊接技术的典型应用领域之一。
在汽车制造中，传统的熔化焊接技术容易使焊点出现热裂纹、变形等缺陷，会直接影响汽车的安全性和质量。
而高能束焊接技术可以克服这些问题，提高焊接质量和生产效率。
电子元器件的制造和维修也是高能束焊接技术的应用领域之一。
利用激光束进行精密焊接，可以大幅提高电子产品的精度和可靠性。
同时，电子束焊接技术还可以实现电子产品的可靠修补和维护。
冶金和机械制造领域中的金属材料焊接也是高能束焊接技术的应用领域之一。
电子束焊接技术在冶金领域应用广泛，可以实现对大型件的高精度加工和焊接。
机械制造领域中，高能束焊接技术可以提高机械零部件的质量和使用寿命，为制造业的发展做出了重要贡献。
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随着工业自动化和信息化的进一步发展，高能束焊接技术显现出越来越重要的作用。
高能束焊接技术是一种利用能量浓度极高的能流对工件进行加热和熔化，进而实现焊接的技术，它的出现不仅改变了传统焊接方式的过程和结果，也为航空、国防、汽车、电子、冶金等各个领域带来革命性变革。
高能束焊接技术的发展历程可以追溯到20世纪初。
最早的高能束焊接技术应用于X射线管的制造中，然而，由于这种技术受制于物理和材料的限制，所以应用有限。
后来，随着激光技术的引入，高能束焊接技术得以迎来新的发展机遇。
激光是一种能量密度非常高的光束，它具有能量集中、方向性好、调节精度高等优点，成为高能束焊接技术的主要载体。
在激光技术的发展驱动下，高能束焊接技术得以不断优化和完善。
至今，高能束焊接技术已经成为现代工业中最重要的焊接技术之一，包括了激光焊接、电子束焊接、离子束焊接等多种焊接方式。
其中，激光焊接是应用最广泛的高能束焊接技术。
激光高能束能够产生高密度的光束能量，使工件受热的区域快速升温并达到熔化状态。
在这个过程中，激光束对工件的热影响区域非常小，实现了材料局部加热和快速冷却，从而提高了工件的焊接质量和生产效率。
高能束焊接技术的应用范围非常广泛。
在航空航天、汽车制造、电子、国防等一些高端领域，高能束焊接技术得到广泛应用。
在航空领域中，高能束焊接技术被广泛用于飞机、发动机、导弹等各种部件的制造。
在汽车制造中，高能束焊接技术被广泛应用于车身、底盘等工件的制造。
在电子领域中，高能束焊接技术则被广泛应用于集成电路芯片等微小部件的制造。
需要指出的是，尽管高能束焊接技术带来了无限商机，但它仍有一些局限性。
首先，高能束焊接技术对材料的选择较为严格，只能应用于一些特定材料的焊接，对于易氧化材料或高反射性材料等难焊接材料的加工难度相对较大；其次，高能束焊接设备的成本较高，需要对设备进行高起点的投资；最后，高能束焊接技术的专业知识对于工人的要求非常高，需要具备一定的技术水平。
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。
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是一种现代焊接技术，它采用高能束作为焊接热源，利用高能束的集中能量和高能流密度，将焊接接头迅速加热至熔化温度并实现焊接。
高能束焊接技术包括激光焊接、电子束焊接和等离子焊接等多种形式。
这些焊接技术具有高能量浓度、热输入集中、加热速度快、熔深大、焊接变形小等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
高能束焊接技术的发展可追溯到20世纪40年代。
当时，电子束焊接技术首次应用于军事工业领域。
随着激光技术和等离子技术的发展，高能束焊接技术的应用范围逐渐扩大。
高能束焊接技术在航空航天领域中的应用十分广泛。
航空航天器的结构件往往需要具备高强度和高精度的特点，而高能束焊接技术能够满足这些要求。
激光焊接技术被应用于喷气发动机涡轮叶片的制造，能够提高制品的性能并保证焊接接头的质量。
电子束焊接技术被广泛应用于轻型航空航天器的生产，能够实现高效率、高质量的焊接，提高产品的可靠性。
在汽车制造领域，高能束焊接技术也发挥了重要作用。
汽车的表面涂层和涂漆往往会影响到其外观和耐腐蚀性能，而高能束焊接技术能够在不破坏基材的情况下，有效地去除涂层。
高能束焊接技术还可以用于汽车零部件的焊接，提高产品的质量和可靠性。
电子设备制造领域也是高能束焊接技术的主要应用领域之一。
电子器件往往需要高精度和高可靠性的连接，而高能束焊接技术能够实现精确的焊接和微小尺寸的焊接接头。
激光焊接技术被广泛应用于集成电路的封装和电子组装的焊接。
高能束焊接技术的发展和应用为现代工业生产带来了许多优势。
它能够实现高效率、高质量的焊接，提高产品的性能和可靠性。
随着科技的不断进步和创新，高能束焊接技术还将继续发展，并在更多领域得到应用。
第9章 高能束焊接
2.2 真空电子束焊设备
由电子枪、工作真空室、高压电源、控制及调整系统、真空系 统、工作台以及辅助装置等几大部分组成，如图9-4所示。
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图9-4 真空电子束焊设备的组成示意图 1-阴极 2-聚束极 3-阳极 4-光学观察系统 5-聚焦线圈 6-偏转线圈 7-聚焦电源 8-偏转电源 9-真空工作室 10-工作台及传动系统 11-工作室真空系统 12-真空控制及监测系统 13-电子枪真空系统 14-高压电源 15-束流控制器 16-阴极加热控制器 17-电气控制系统
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真空系统一般分为两部分：电子枪抽真空系统和工作室抽真空 系统。 低真空泵 该系统中大多使用三种类型的真空泵 油扩散泵 涡轮分子泵 真空系统还需要真空阀门及密封措施，以保证真空室的气压稳 定；真空程度的测量则利用适用于不同压力范围的真空计。 4.工作台和辅助装置 工作台、夹具、转台对于在焊接过程中保持电子束与接缝的位 置准确、焊接速度稳定、焊缝位置的重复精度都是非常重要的。
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应用
电子束焊接可应用于下述材料和场合： 1）除含锌高的材料(如黄铜)、低级铸铁和未脱氧处理的普通低 碳钢外，绝大多数金属及合金都可用电子束焊接，按焊接性 由易到难的顺序排列为鉭、铌、钛、铂族、镍基合金、钛基 合金、铜、钼、钨、铍、铝及镁。 2）可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。 3）对不开坡口焊厚大工件，焊接变形很小；能焊接可达性差的 焊缝。 4）可用于焊接质量要求高，在真空中使用的器件，或用于焊接 内部要求真空的密封器件；焊接精密仪器、仪表或电子工业 中的微型器件。 5）散焦电子束可用于焊前预热或焊后冷却，还可用作钎焊热源。 6）在外太空等极端条件下的焊接，可能是其潜在的应用领域。
特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
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木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
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N2
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《高能束加工》课件
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
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。
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一、分别简述离子束、电子束、激光束的定义及产生原理，并作示意图。
离子束定义：离子束以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子
产生原理：
在离子源中，通过气体放电产生等离子体。
从宏观上看，等离子体是电中性的，即离子总电荷数与电子总电荷数基本相当。
等离子体中的离子由引出电极引出，进入质量分析器。
不同质量数或不同电荷数的离子经质量分析，分离出同一种类带有同样电荷的离子进入加速段。
加速系统将离子加速到所要求的能量，注入处于靶室中样品上。
电子束定义：电子束在真空汇集成束。
可采用静电场聚焦,磁场聚焦等方法
产生原理：
电子经过汇集成束。
具有高能量密度。
它是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压（25-300kV）加速电场作用下被加速至很高的速度（0.3-0.7倍光速），经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。
激光定义：激光束是利用原子受激辐射的原理，使工作物质受激发而产生的一种单色性高、方向性强、光亮度的光束。
产生原理：
a受激吸收、：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量，跃迁到较高能级。
b.自发辐射：粒子自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。
c受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。
二、论述激光与材料的相互作用、金属材料对激光的吸收、光致等离子体。
金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，激光辐照材料表面时，在不同的功率密度下，材料表面区域将发生各种不同的变化，包括表面温度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及产生光致等离子体等。
而且材料表面区域物理状态的变化极大地影响材料对激光的吸收。
随功率密度与作用时间的增加，金属材料将会发生固态加热、表层熔化、形成稀薄等离子体、形成匙孔及致密等离子体等物态变化。
就材料对激光的吸收而言，材料的汽化是一个分界限。
当材料没有发生汽化时，不论出于固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化；而一旦材料出现汽化并形成等离子体和匙孔，材料对激光的吸收则会突然发生变化。
当功率密度大于汽化阈值，反射率突然降至很低值，材料对激光的吸收剧增。
焊接过程中由于激光辐照金属材料汽化而产生的等离子体，称为光致等离子体。
三、分别阐述激光焊接的种类及影响因素。
激光热传导焊接和激光深熔焊接
确保焊接的质量，一方面须采用光束质量和功率输出稳定性好的激光器和采用高质量、高稳定性的光学元件组成其导光聚焦系统，并经常维护，防止污染，保持清洁，并适当对工件进行预处理；另一方面要针对不同的加工材料分别设定不同的激光加工参数，选择合适的激光功率密度和光束模式、焊接速度、脉冲波形和宽带、离焦量和保护气体等，发展激光焊接过程实时监测与控制方法，以优化参数，监视到达工件的激光功率和离焦量等的变化，实现闭环控制，提高激光焊接质量的可靠件和稳定性。
四、电子束表面改性适用于那些基体材料，并举例说明
电子束表面硬化：利用电子束轰击金属工件表面，使表面被加热到相变温度以上，高速冷却产生马氏体相变强化。
比较适合于碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化。
电子束表面熔凝：用高能量密度的电子束轰击工件表面，使表面产生局部的重新熔化，并在冷基体的作用下快速凝固，从而使组织细化，实现硬度和韧性的最佳结合。
最适用于铸铁、高碳合金钢。
电子束表面合金化：预先将具有特殊性能的合金粉末涂敷在基体金属表面上，再用电子束轰击加热，使特殊的合金粉末熔融在基体材料的表面上，从而在工件表面形成一层具有耐磨耐蚀耐热等性能的新合金表面层。
电子束熔覆：按需要在基体材料表面预先涂敷一层特殊性能的合金粉，并用电子束加热将其熔化，在基体表面形成具有某些特性的覆层。
电子束表面改性技术在真空条件下进行，污染小，材料不易氧化，因此特别适用于易氧化的金属、贵金属以及半导体材料的处理。
高碳高合金钢碳钢、中碳低合金钢、铸铁等材料的表面强化
五、钛合金及铝合金的高能束表面改性方法有哪些？举例说明
激光束电子束离子束
激光束1激光相变硬化2激光表面合金化与激光熔覆3激光熔凝4激光冲击硬化与激光磁畴控制
电子束主要包括电子束表面硬化、电子束表面合金化、电子束表面熔覆、电子束表面熔凝、电子束表面非晶化
离子束1离子注入表面改性技术2离子束辅助沉积3离子束混合及离子束反冲注入
六、激光钎焊特点？适合哪些材料的焊接？
1)热影响区小，可在热敏元件附近进行软钎焊
2)非接触式加热，熔化带宽，可在电路板双面进行焊接
3)重复操作稳定性好，焊剂对焊接工具污染小，激光照射时间和输出功率易于控制，成品率高
4)激光易于实现分光，能实现多点同时钎焊
5)可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好
6)聚焦性好，易于实现的自动化
激光软钎焊主要用于印刷电路板电子元器件的连接；激光硬钎焊主要用于结构钢和镀锌钢板的连接等，对有色金属银、铜、镍、金、铝等有良好的焊接效果。
七、阐述激光加工过程监测有哪些手段，各自的特点，举例说明。
1、对等离子体信号监测，可通过PCS传感器用来测量等离子体的温度，采用光电二极管检测连续激光焊接等离子体在控制和未控制情况下的动态行为；
2、对熔池和小孔的监测，采用CCD摄像机来监测焊接过程中的熔池和小孔，采用主动视觉传感技术研究熔池和小孔的动态行为，采用同轴成像信号采集光路，利用CCD摄像机所采集的小孔同轴视觉图像实现了熔透判断、焊缝质量分析和对接间隙的监测；
3、对熔深的监测，通过分析激光焊接过程中的PCS、AS和可见光等信号,用线性分类器对三种信号的频谱特征进行处理,实现了完全熔透和未完全熔透两种焊接状态的自动识别。