07焊接方法与设备-高能束焊摘要课件.ppt

1、n等离子弧焊接等离子弧焊接n电子束焊电子束焊n激光焊激光焊焊接热源的最小加热面积、最大功焊接热源的最小加热面积、最大功率密度和温度率密度和温度n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.自由电弧电极电极等离子气等离子气保护气保护气拘束喷嘴拘束喷嘴气室气室保护气喷嘴保护气喷嘴工件工件小孔小孔焊缝金属焊缝金属焊接方向焊接方向 拘束电弧 压缩电弧 焊接中最焊接中最常用的类常用的类型？型？面积变化20%等离子弧焊与钨极氩弧焊一样等离子弧焊与钨极氩弧焊一样,可手工焊也可手工焊也可自动焊可自动焊,可填加焊丝或不填加焊丝可填加焊丝或不填加焊丝.等离子焊可等离子焊可以焊

2、接碳钢、不锈钢、铜合金、镍合金以及钛以焊接碳钢、不锈钢、铜合金、镍合金以及钛合金等合金等.不开坡口对接能一次焊透的厚度不开坡口对接能一次焊透的厚度,见表见表.在采用转移弧时在采用转移弧时,由由于某些原因于某些原因,有时除有时除了在钨极和工件之间了在钨极和工件之间燃烧的等离子弧外燃烧的等离子弧外,还会另外产生一个在还会另外产生一个在钨极喷嘴工件之钨极喷嘴工件之间燃烧的串列电弧间燃烧的串列电弧,这种现象谓之双弧这种现象谓之双弧Electron Beam Welding precision components-technician operating 3KW,12 inch cubed chamb

3、er Electron Beam Welder真空电子束焊接上海交大焊接研究所电子束是从电子枪中产生的电子束是从电子枪中产生的.通常电子是以热发射或场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致发射的方式从发射体阴极逸出.在在25300kV的加的加速电压的作用下速电压的作用下,电子被加速到电子被加速到0.30.7倍的光速倍的光速,具有一具有一定的动能定的动能,经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用,电子会电子会聚成功率密度很高的电子束聚成功率密度很高的电子束.这种电子束撞击到工作表面这种电子束撞击到工作表面,电子的动能就转变为热能电子的动能就转变为热能,使

4、金属迅速熔化和蒸发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在高压金属蒸气的作用下熔化的金属被排开属被排开,电子束就能继续撞击深处的固态金属电子束就能继续撞击深处的固态金属,很快在被很快在被焊工件上焊工件上钻钻出一个锁形小孔出一个锁形小孔,小孔的周围被液态金属包围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液态金属沿小孔周围流向熔池后部池后部,逐渐冷却、凝固形成了焊缝逐渐冷却、凝固形成了焊缝.按被焊工件所处的环境的真空度可分为三种：高真空电按被焊工件所处的环境的真空度可分为三种：高真空电子束焊子束焊,低真空电子束焊和非真空电

5、子束焊低真空电子束焊和非真空电子束焊.高真空电子束焊是在高真空电子束焊是在10-410-1Pa的压强下进行的压强下进行的的.良好的真空条件良好的真空条件,可以保证对熔池的可以保证对熔池的保护保护防止金属元防止金属元素的氧化和烧损素的氧化和烧损,适用于活性金属、难熔金属和质量要求适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接高的工件的焊接.低真空电子束焊是在低真空电子束焊是在10-110Pa的压强下进行的的压强下进行的.压强为压强为4Pa时束流密度及其相应的功率密度的最大值与高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真空的最大值相差很小.因此因此,低真空电子束焊也具有束流低

6、真空电子束焊也具有束流密度和功率密度高的特点密度和功率密度高的特点.由于只需抽到低真空由于只需抽到低真空,明显地缩明显地缩短了抽真空时间短了抽真空时间,提高了生产率提高了生产率,适用于批量大的零件的焊适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用接和在生产线上使用.例如：变速器组合齿轮多采用低真例如：变速器组合齿轮多采用低真空电子束焊接空电子束焊接.在非真空电子束焊机中在非真空电子束焊机中,电子束仍是在高真空条件电子束仍是在高真空条件下产生的下产生的,然后穿过一组光阑、气阻和若干级预真空小然后穿过一组光阑、气阻和若干级预真空小室室,射到处于大气压力下的工件上射到处于大气压力下的工件上.在压强增加到在

7、压强增加到715Pa时时,由于散射由于散射,电子束功率密度明显下降电子束功率密度明显下降.在大气压在大气压下下,电子束散射更加强烈电子束散射更加强烈.即使将电子枪的工作距离限制即使将电子枪的工作距离限制在在2050mm,焊缝深宽比最大也只能达到焊缝深宽比最大也只能达到5:1.目前目前,非非真空电子束焊接能够达到的最大熔深为真空电子束焊接能够达到的最大熔深为30mm.这种方这种方法的优点是不需真空室法的优点是不需真空室,因而可以焊接尺寸大的工件因而可以焊接尺寸大的工件,生生产率较高产率较高.近年来近年来,移动式真空室或局部真空电子束焊接移动式真空室或局部真空电子束焊接方法方法,既保留了真空电子束

8、高功率密度的优点既保留了真空电子束高功率密度的优点,又不需要又不需要真空室真空室,因而在大型工件的焊接工程上有应用前景因而在大型工件的焊接工程上有应用前景.电子束焊可焊接所有的金属材料和某些电子束焊可焊接所有的金属材料和某些异种金属接头异种金属接头,从箔片至板材均可一道焊从箔片至板材均可一道焊成成,钢板可焊厚度达钢板可焊厚度达100毫米毫米,铝板达铝板达150毫米毫米,铜板可达铜板可达25毫米毫米.碳钢在真空中焊碳钢在真空中焊接时接时,由于钢中原含有的气体会释放出来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焊缝金属容易产生微气孔.激光束基本特性激光束基本特性 单色性好、方向性好、亮

9、度高、相干性好单色性好、方向性好、亮度高、相干性好.1、单色性、单色性 激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光激光.He-Ne激光器产生的激光器产生的632.8nm谱线谱线,线宽只有线宽只有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普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯,其谱线宽度为其谱线宽度为4.710-3nm.激光的单色性比一般光要高出激光的单色性比一般光要高出106107倍以上倍以上.自然光由波场范围较宽的光构成自然光由波场范围较宽的光构成,激激光的谱线展宽极小光的谱线展宽极小,具有很好的单色性具有很好的单色性.单色性决定物

10、质对激光能量的吸收单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；和精细聚焦的可能性；CO2：10.6m CO：5.4m YAG：1.06m 准分子：准分子：0.24m；激光自然光波长能量2、方向性好、亮度高、方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度成为从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性方向性.激光器输出的光束发散角度很小激光器输出的光束发散角度很小,可以小于或等于可以小于或等于10-310-5弧度弧度.激光通过直径为激光通过直径为D的孔径时的孔径时,由于衍射会产生一定发散：由于衍射会产生一定发散：激光的方向性带来两个结果：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

11、光的照度大光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大.一个具有一个具有10mW功率的功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千激光器可产生比太阳高几千倍的亮度倍的亮度,可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑.3、相干性好、相干性好 以适当方法将统一光源发出的光分成两以适当方法将统一光源发出的光分成两束束,再再 使两束光重使两束光重 合便产生明暗相间的条合便产生明暗相间的条纹纹,这就是这就是 光的干涉光的干涉.自然光由无数的原子与分子发射自然光由无数的原子与分子发射,产生波长各不相产生波长各不相同的杂乱光同的杂乱光,合成后不能形成整齐有序的大振幅光波合成后不能形成

12、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激光的相位在时间上是保持不变的,合成后能形成合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波相位整齐、规则有序的大振幅光波.远距离焊接系统原理远距离焊接系统原理激光焊接的主要问题：激光焊接的主要问题：设备贵设备贵反射问题反射问题组装定位组装定位合金元素的挥发合金元素的挥发 焊接过程中一些高挥发性的合金元素焊接过程中一些高挥发性的合金元素从熔池中挥发出来从熔池中挥发出来,会导致气孔的产生会导致气孔的产生,而且有很可能产而且有很可能产生咬边生咬边.冷却速度非常快冷却速度非常快 材料的含碳量成为一个非常重要的影响参材料的含碳量成为一个非常重要的影响参数数

13、,对材料的脆化、微裂纹及疲劳强度都会有影响对材料的脆化、微裂纹及疲劳强度都会有影响.一、激光焊接原理一、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激光焊接原理及应用二、激光深熔焊的焊接原理二、激光深熔焊的焊接原理激光深熔焊几何特征激光深熔焊几何特征1 激光束激光束 2 焊接熔池焊接熔池 3 小孔小孔 4 焊缝宽度焊缝宽度 5 熔池深度熔池深度激光深熔焊腔内激光深熔焊腔内液体金属的流动液体金属的流动1 激光束激光束 2 小孔后部流动区小孔后部流动区 3 小孔内流动区小孔内流动区 小孔内激光的吸收过程小孔内激光的吸收过程1 激光束激光束 2 等离子体等离子体3 熔

14、池后部熔化区熔池后部熔化区4 焊件运动方向焊件运动方向 激光的形成过程激光的形成过程 工作物质工作物质 激励、受激辐射激励、受激辐射 自激振荡自激振荡增益增益 外界能量注入泵浦外界能量注入泵浦 光学谐振腔光学谐振腔 CO2激光的产生激光的产生1.激光束激光束2.切向排风机切向排风机3.气流方向气流方向4.热交换器热交换器5.后镜后镜6.折叠镜折叠镜7.高频电极高频电极8.输出镜输出镜9.输出窗口输出窗口CO2激光器系统激光器系统 一般气流的流动速度较慢一般气流的流动速度较慢,将热量从放电腔中带走将热量从放电腔中带走.YAG激光的产生激光的产生根据工作物质分类：根据工作物质分类：红宝石：激活离子

15、红宝石：激活离子Cr3+,波长：波长：694.3nm,三能级；三能级；Nd:YAG：激活离子：激活离子：Nd,波长：波长：1.06m,四能级；四能级；钕玻璃：钕玻璃：激活离子：激活离子：Nd,波长波长:1.06m,四能级四能级 脉冲宽度：脉冲宽度：100500ns,频率：几百频率：几百62kHz.YAG激光的产生激光的产生灯泵浦灯泵浦Nd:YAG激光器激光器 大功率激光器中大功率激光器中,典型的典型的Nd:YAGNd:YAG棒一般是长棒一般是长150mm,150mm,直径直径710mm.710mm.泵浦泵浦过程中激光棒发热过程中激光棒发热,限制了每个棒的最大输出功率限制了每个棒的最大输出功率.

16、单棒单棒Nd:YAGNd:YAG激光器的激光器的功率范围约为功率范围约为50800W.50800W.灯泵浦灯泵浦Nd:YAG体激光器体激光器 将几个将几个Nd:YAGNd:YAG棒串联起来可获得高棒串联起来可获得高功率的激光束功率的激光束,每个独立的棒可通过透每个独立的棒可通过透镜引导并规则的排列起来镜引导并规则的排列起来.目前的目前的Nd:YAGNd:YAG激光器系统多达激光器系统多达8 8个个腔腔.输出输出4kW4kW功率功率.1kW的脉冲的脉冲Nd:YAG激光器激光器YAG激光的产生激光的产生3kw YAG激光机器人激光机器人/数控加工系统上海交大数控加工系统上海交大 激光激光TIGTI

17、G复合复合electrodearclaser beam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laser beam 1lensarclaser beam 2激光激光MIGMIG复合复合利用填丝提高熔深、改善焊缝成型和接头性能利用填丝提高熔深、改善焊缝成型和接头性能.对间隙、错边、对中的适应性更好对间隙、错边、对中的适应性更好,可焊接厚板可焊接厚板.适合焊接铝合金、镁合金、铜合金材料适合焊接铝合金、镁合金、铜合金材料激光等离子弧复合激光等离子弧复合加热区更窄加热区更窄,对外界敏感更小对外界敏感更小,引燃性好引燃性好.密度更大密度更大,弧长更长弧长更长.可旁轴复合

18、可旁轴复合,也可同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Laser beamPlasma torchPlasma arcWorkpieceLaser beamPlasma torchPlasma arcWorkpiece空心电极同轴复合激光双电弧复合激光双电弧复合能量输入比普通激光能量输入比普通激光MIGMIG复合减少复合减少,熔深增大熔深增大.焊接速度更高焊接速度更高,焊接过程更稳定焊接过程更稳定.相互之间位置的排布非常重要相互之间位置的排布非常重要.尤其适合焊接厚板尤其适合焊接厚板.激光双激光双MIGMIG复合复合