4.第四章-先进连接技术与理论.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 先进连接技术理论及应用,4.1,激光焊接,4.2,电子束焊接,4.3,摩擦焊接技术,4.4,扩散连接技术,汽车一厂车身车间,POLO,底盘,焊接,知识回顾,焊接方法定义及其分类,焊接成形的基本原理,焊接缺陷与及其检验方法,焊接,：,通过加热、加压或两者并用，用或不用填充材料，借助于金属原子的扩散和结合，使分离的材料牢固地连接在一起的加工方法。,实质,：,利用加热或加压，或两者并用的手段，借助原子间的扩散和结合，使分离的金属牢固地连接起来。,焊接方法定义及其分类,焊接的特点,与铆接等其他加工方法相比，优点为：,具有减轻结构重量，节省材料；,生产效率高，易实现机械化和自动化；,接头密封性好，力学性能高；,工作过程中无噪音等。,不足：,会引起焊接接头组织、性能的变化，同时焊件还会产生较大的应力和变形。,焊接分类,熔焊,:,将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝实现连接的焊接方法。如焊条电弧焊、气焊等。,压焊,:,必须对焊件施加压力（加热或不加热）以实现连接的焊接方法。如电阻焊等。,钎焊,:,采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件接合处和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。,焊接的应用,金属结构件,汽车、船舶、建筑结构、自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道等；,机器部件,重型机械的机架、底座、箱体、轴、齿轮、刀具等。,1,熔焊的冶金原理,熔焊三要素,热源,能量要集中，温度要高，以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。,填充金属,要保证焊缝填满并添加有益的合金元素，以达到力学性能等使用性能的要求，主要有焊芯和焊丝。,焊接成形的基本原理,对熔池的保护方式,（,a,）渣保护 （,b,）气保护 （,c),渣,气保护,2,焊接接头的组织和性能,焊接热循环曲线,焊接时，热源沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热，故在焊接过程中，焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的过程。,焊接接头,由焊缝、熔合区、热影响区三部分组成的。,1-,焊缝；,2-,熔合区；,3-,热影响区；,4-,母材,焊缝,指在焊接接头横截面上由熔池金属形成的区域。,熔合区,也称半熔化区，是指位于熔合线两侧的一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。,热影响区,指焊缝附近的母材因焊接热作用而发生组织或性能变化的区域。,3,焊接应力和焊接变形,焊接应力,焊接时一般采用集中热源对焊件进行局部加热，因此，焊接过程中工件不均匀的加热和冷却以及存在刚性约束是产生焊接应力与变形的根本原因，焊后使焊缝及其附近区域的纵向受拉应力，远离焊缝区域受压应力。,平板对接焊接应力的产生,焊接变形,常见焊接变形基本形式,（,a,）收缩变形,(b),角变形,(c),弯曲变形,(d),扭曲变形,(e),波浪变形,减少焊接应力与变形的工艺措施,反变形法,(a),焊前未反变形,(b),焊前反变形,刚性固定法,(a),刚性固定,(b),定位焊点固定焊件,合理选择焊接顺序,常用焊接变形矫正方法,(a),机械矫正,(b),火焰矫正,焊接缺陷与及其检验方法,焊接缺陷,在焊接生产过程中，由于焊接结构设计、焊接工艺参数、焊前准备和操作方法等不当，往往会产生各种焊接缺陷。,焊接接头的不完整性称焊接缺陷，常见焊接缺陷如图所示。,焊接检验方法,外观检验,用以判断焊接接头的外表质量。,密封性检验,检查有无漏水、漏油和漏气等现象的试验。,耐压检验,可以检查受压元件中焊接接头穿透性缺陷和结构的强度，并附有降低焊接应力的作用。,渗透探伤,利用带有荧光染料或红色染料的渗透剂的渗透作用，显示缺陷痕迹的无损检验方法。,磁粉探伤,只适用于磁性材料制作的薄壁工件和导管，能很好地发现表面裂纹、一定深度和一定大小的未焊透。,超声波检验,可探测大厚度工件。,射线探伤,4.1,激光焊接,激光加工技术及其分类,激光的产生及其特性,激光焊工艺,激光焊设备,典型材料的激光焊,4.1.1,激光加工技术及其分类,1.,激光技术发展简史,1960,年,:,梅曼（,T.MAIMAN),第一台红宝石激光器,;,1961,年,:,德诺凡,(,俄,),第一台气体激光器,(He-Ne);,1962,年,:,第一台半导体激光器,;,1964,年,:,帕特尔,(C.Patel),第一台,CO,2,激光器,;,1965,年,:,贝尔实验室 第一台,YAG,激光器,;,1971,年,:,第一台商用,1kW,的,CO,2,激光器,;,19711980,年,:,开展激光切割、焊接、表面处理等激,光加工技术的研究与开发。,2.,激光加工技术分类,激光切割,激光焊接,激光表面处理（,相变硬化、合金化、表面涂敷）,激光雕刻,打孔,刻蚀,激光加工技术在汽车中的应用,4.1.2,激光的产生及其特性,1.,激光的产生,激光（,laser,：,light amplification by stimulated emission of radiation,），含义即通过受激辐射实现光的放大。,物质发光两种方式：自发辐射、受激辐射。,处于高能级上的粒子有自发向低能级跃迁的趋势。,自发辐射：粒子从高能级自发向低能级跃迁而发射光子，该过程不受外界影响自发进行。,受激辐射：处于高能级上的粒子受外界入射光子的激励相低能级跃迁而发射光子，所产生的光子在频率、方向、相位、偏振等方面与入射光子完全一致，是一种光的放大过程。,而受激辐射产生的加倍数量的光子又可作为激励光子，再去产生受激辐射，这个过程继续，就会出现光的雪崩式放大。,激光器即利用内部谐振腔的作用，将某一方向的受激辐射产生的光反复放大，最后输出一束一定方向的强光，其中的光子在频率、方向、相位、偏振等方向是一致的，即为激光。,激光的产生过程,工作物质,激励、受激辐射 自激振荡增益,外界能量注入 光学谐振腔,增益 损失，产生激光输出,2,、激光的特性：,单色性好、方向性好、亮度高、相干性好,。,1,、单色性,激光的单色性比一般光高出,106,107,倍以上。,自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。,单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性。,CO,2,激光波长：,10.6m,CO,激光波长,：,5.4m,YAG,激光波长,：,1.06m,准分子,激光波长,：,0.24m,；,2,、,方向性好、亮度高,从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。,激光器输出的光束,发散角度很小,，可以小于或等于,10,-3,10,-5,弧度。,激光的,方向性,带来两个结果：,光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大,。,3,、,相干性好,以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再使两束光重 合便产生明暗相间的条纹，这就是光的干涉。,自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成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，合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。,总结：,激光的发散角很小，接近平行光，单色性好，频率单一，经聚焦后可形成很小的光斑，最小光斑直径可以与激光波长的数量级相当；激光具有高亮度，使聚焦后光斑上的功率密度可达到,10,5,10,7,W/cm,2,或者更高。因此其非常适合作为焊接加工热源。,光束参数积与激光功率决定加工范围,4.1.3,激光焊工艺,一、激光焊概念、分类及其特点,二、,激光与材料相互作用,三、激光焊焊接过程中的几种效应,四、激光深熔焊的工艺参数,五、激光焊接的接头设计,一、激光焊及其特点、应用,1.,激光焊的定义,以高能量密度的激光作为热源，对金属进行熔化形成焊接接头的焊接方法。,2.,激光焊的分类,1,）按激光器输出能量方式的不同，激光焊接可分为脉冲激光焊和连续激光焊。,脉冲激光焊：激光以脉冲方式输出，能量是断续的，焊接后形成一个个圆形焊点。,连续激光焊：激光机联系方式输出，能量是连续的，在焊接过程中形成一条连续焊缝。,2,）根据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。,传热,焊 传热焊焊缝,传热焊（热导焊）：所用激光功率密度较低（,10,5,10,6,W/cm,2,），焊接时焊件吸收激光后，金属表面将吸收的光能转变为热能，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，仅达到表面熔化。依靠热传导方式向焊件内部传递热量，使熔化区逐渐扩大，形成熔池，熔池轮廓近似为半球形。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。,功率密度小，光吸收率低，焊接速度慢，适合薄板和小焊件的生产。,深熔焊接 深熔焊焊缝,深熔焊（锁孔焊）：所用激光功率密度较大（,10,6,10,7,W/cm,2,），焊接时金属在激光的照射下迅速加热，金属表面温度在极短时间内升高到沸点。焊接吸收激光后迅速熔化乃至汽化，产生金属蒸汽，进而产生小孔效应，焊缝熔深大，深宽比也大。,能量密度高、焊接变形小、热影响区小。,除微薄零件，一般应选用深熔焊。,激光深熔焊的几何特征、熔池流动,激光深熔焊小孔的形成及腔内液体金属的流动,1,激光束,2,小孔后部流动区,3,小孔内流动区,熔池流动示意图,1,激光束,2,等离子体,3,熔池后部熔化区,4,焊件运动方向,激光深熔焊几何特征,1,激光束,2,焊接熔池,3,小孔,4,焊缝宽度,5,熔池深度,焊缝深宽比可达,12,1,；,3.,激光焊的特点,聚焦后的激光具有很高的功率，焊接可以以深熔方式进行；与电弧焊相比，在相同功率和焊接厚度的条件下，焊接速度高；由于激光加热范围小（直径,1mm,）、所以焊接热影响区小，激光焊残余应力小、变形小，是精密焊接方法；,可焊接一般焊接方法难焊接的材料，如高熔点金属，甚至进行非金属材料（陶瓷、有机玻璃等）的焊接。,激光能反射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很少，可进行远距离或一些难接近部位的焊接。,一台激光器可供多个工作台进行不同工作，可进行焊接，也可用于切割，合金化及热处理，一机多用。,与电子束焊相比，激光焊的最大优点为不需要真空室，不产生,X,射线，同时光束不受到电磁场的影响。但焊接厚度小于电子束焊。,激光焊的不足之处：,焊接一些高反射率的金属比较困难。,设备（特别是高功率连续激光器）一次性投资比其他方法大。,对焊件加工、组装、定位要求均很高。,激光器的光电转换及整体运行效率低。,二、,激光与材料相互作用,激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。是一个极为广泛的概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效应、气体击穿等）。,1.,激光与材料相互作用的物理过程,能量变化过程,激光与材料相互作用时，两者的能量转化遵守能量守恒定律。,E,0,=E,反射,+E,吸收,+E,透过,E,0,入射到材料表面的激光能量；,E,反射,被材料反射的能量；,E,吸收,被材料吸收的能量；,E,透过,激光透过材料后仍保留的能量。,激光与材料相互作用引起的物态变化,激光与材料相互作用过程中，材料将吸收光获得能量，获得的能量可以转化成热能、电能、化学能、不同波长的光能。,影响因素主要包括：激光的波长、能量密度、材料的特性及作用时间等因素。,激光照射下，随着材料对激光吸收的增加，作用区材料温度升高，当,E,入,=E,出,时，作用区的温度才能保持不变。,材料温度变化的特征：,（,1,）相同作用时间下，能量差（,E,入,-E,出,）越大，升温速度越快；,（,2,）光束波长短，吸收率高，升温速度快；,（,3,）相同能量差的条件下，材料的比热越小，作用区的温度越高；,（,4,）相同照射条件，材料导热系数越小，作用区与邻近区的温度梯度越大。,激光与材料相互作用下的物态变化：,相变态,液态,气态,等离子态,材料对激光能量的吸收,选择吸收：吸收系数与光束的波长有关的吸收；,一般吸收：吸收系数与光束的波长无关的吸收。,自变吸收：通常情况下，材料的吸收系数与激光的强度无关，但有时也可能出现反常的现象：低强度时高吸收，高强度时低吸收。,影响吸收率的因素：,激光的波长：波长短，吸收率高；,导电性：导电性好，吸收率低（,Al,、,Cu,、,Au,、,Ag,）；,表面粗糙度和涂层（氧化锆、氧化钛、石墨及磷酸盐）；,材料的温度：温度越高，吸收率越高，这与材料的直流电阻率有关。,2.,影响金属对激光吸收的因素,激光波长、材料性质和温度,在红外区，随着波长的增加，吸收率减小。,一般来说，导电性越好的材料，它对红外光的反射率越高。,金属对激光的吸收率随温度的上升而增大，随电阻率的增加而增大。,材料特性与加热温度对吸收率的影响规律,温度对吸收率的影响,室温下的反射率与波长的关系,红外区，随着波长增加，吸收率减小。,材料的表面状况,材料表面有无氧化膜、表面粗糙度值大小、有无涂层等。,增加氧化膜、增加表面粗糙度、进行表面涂黑等均可提高吸收率。,激光功率密度,汽化是分界线,材料表面没有汽化，无论材料是处于固相还是液相。对激光的吸收随表面温度的升高而略有变化；,出现汽化并形成等离子体和小孔时，材料对激光的吸收就会发生突变，其吸收率决定于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。,三、激光焊焊接过程中的几种效应,形成等离子体的前提：,材料被加热至汽化,。,当功率密度超过,10,4,W/cm,2,的激光辐照金属材料表面时，金属材料表面会强烈汽化，蒸汽中初始自由电子通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的能量碰撞电离材料和周围气体，使电子密度雪崩式增长而形成等离子体。,Laser beam,Plasma,Workpiece,1,、激光焊焊接过程中的等离子体,激光加工过程中的光致等离子体一般为材料蒸发的等离子体，因为金属材料的电离能低于保护气体。,但在激光功率密度很高及周围气体流动不畅时，也可能发生周围气体击穿而产生气体等离子体。,不同的保护气体产生的等离子体密度不同,等离子体对能量传输的影响,高功率激光深熔焊时，位于熔池上方的等离子体会引起光的吸收和散射，改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度从而影响焊接过程。,等离子体对激光的吸收系数与电子密度和蒸汽密度成正比，随激光功率密度和作用时间的增长而增加。吸收系数还与波长的平方成正比。,等离子体吸收的光能可通过以下不同渠道传至工件：,等离子体与工件接触面的热传导；,等离子体辐射易为金属材料吸收的短波长光波；,材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。,如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失，则增强工件对激光能量的吸收。反之，减弱工件对激光的吸收。,2,、壁聚焦效应,Laser beam,Plasma,Keyhole,Vapor jet,Bead,Base material,Welding direction,材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融金属抛出，形成小孔,。,为形成一定深度的小孔，汽化压强应平衡表面张力、静水压力和使液相材料抛出的流动阻力。因此，激光在小孔底部的剩余功率密度必须足够高，以维持孔底有足够高的温度，产生必要的汽化压力，维持一定深度的小孔。,入射激光不能全部被吸收，有一部分将由孔壁反射在小孔内重新聚起来，即壁聚焦效应。,壁聚焦效应对于激光的吸收有重要作用：,进入小孔的激光束通过孔壁的多次反射而几乎被完全吸收。,小孔中等离子体吸收能量，通过对流和辐射将能量传递给孔壁。,由于等离子体吸收，穿过小孔到达小孔底部的激光功率密度下降，底部功率密度对于产生一定的汽化压强以维持一定深度的小孔至关重要。,CO2,激光焊接时，焊缝金属有害杂质元素减少或夹杂物减少的现象。,提高金属的塑性和韧性。,3,、净化效应,产生净化效应的原因,:,有害元素在钢中存在形式：以夹杂物或直接固溶在基体中。,当有害元素以非金属夹杂物形式存在时，非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而汽化；,当有害元素直接固溶在基体中时，由于其沸点低，蒸气压高，它们会从溶池中蒸发出来。,四、激光深熔焊的工艺参数,输出形式,：连续、脉冲、波形控制。,激光功率,：激光器的输出功率。,激光焊熔深与激光输出功率密度密切相关。,激光光斑直径一定，其他条件不变时，焊接熔深随激光功率的增加而增加。,通常用于焊接的激光功率等级为,3kW,。,焊接速度,激光功率一定，提高焊接速度，热输入下降，焊接熔深减小。,适当降低焊接速度可加大熔深，但焊接速度过低，熔深不会增加，反而使熔宽增大。,激光焊接的经济性要求焊接速度较高（,2m/min,）；,光斑直径,：照射到焊件表面的光斑尺寸大小。,激光器结构一定的情况下，照射到焊件表面的光斑大小取决于透镜的焦距和离焦量。,为获得深熔焊缝，要求激光光斑上的功率密度高。,提高功率密度的方式：提高激光功率或减小光斑直径。,离焦量,：指焊接时工件表面离聚焦激光束最小斑点的距离，其是影响激光焊接熔深的主要参数。,其不仅影响激光光斑大小，也影响光束的入射方向。,离焦量很大时，熔深很小，属传热焊；离焦量减小到某一值后，熔深突然增加，标志着小孔产生，此时熔深随离焦量的微小变化改变很大。,当激光深熔焊时，熔深最大时的焦点位于焊件表面下方某处，此时焊缝成形最好。,保护气体,激光焊时采用保护气体的作用：,保护焊缝金属不受有害气体的侵袭，防止氧化污染，提高接头性能；,影响焊接过程中的等离子体，采用保护气体可抑制等离子体。,不同保护气，作用效果不同。,氦气作为保护气体，抑制作用最强，焊接时熔深最大，保护效果最好。氩气保护效果较差。,材料特性,：材料对激光的吸收率、表面状态等。,工件间隙,：一般不允许有间隙（,0.1mm,）。,填充材料,：一般不采用填丝方式，超大功率、特殊情况下采用。,接头形式,：对接、搭接、角接等。,五、激光焊接的接头设计,4.1.4,激光焊设备,激光焊接设备主要由激光器、光束检测仪、焊接过程检测系统、导光及聚焦系统、保护或切割气源、工作台和计算机等组成。,激光器,激光焊接设备主要组成部分。,由激光工作物质、激励源、谐振腔、电源、控制和冷却系统等部分组成。,激光工作物质：必须是一个具有若干能级的粒子系统并具备亚稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。,激励源（泵浦源）：由它给激光物质提供能量，使之处于非平衡状态而形成粒子数反转。,谐振腔：给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈、正常和可靠地工作。,电源：为激励源提供能源。,控制和冷却系统：保证激光器能够稳定、正常和可靠的工作。,按激光工作物质状态，可分为固体激光器和气体激光器。其中，应用于焊接的固体激光器是,YAG,激光器，气体激光器主要是,CO2,激光器。,1,）,YAG,激光器（掺钕钇石榴石,固体激光器）,平均输出功率：,0.3,3KW,；,输出波长：,1.06,m,。,可在连续或脉冲状态下工作。,特点：输出激光波长较短，利于激光聚焦和光纤传输，利于金属表面吸收；但一般输出多模光束，模式不规则，发散角大，且采用光谱泵，能量转换环节多，器件总效率低。泵浦灯使用寿命较短。,2,）,CO2,激光器,工作气体的主要成分是,CO2,、,N2,、,He,。,CO2,是产生激光的粒子；,N2,主要与,CO2,分子共振交换能量，使,CO2,分子激励，增加激光上能级上的,CO2,分子数；,He,作用主要是抽空激光下能级的粒子，,He,与,CO2,分子碰撞，使,CO2,分子从激光下能级尽快回到基级；且,He,具有较好的导热性，能把激光器工作时其他中的热量传给管壁或热交换器，是激光器的输出功率和效率大大提高。,CO2,激光器的特点：,输出功率范围大（数毫瓦几百千瓦）。,能量转换效率大大高于固体激光器。理论转换效率为,40%,。,波长为,10.6,m,，属于红外光，可在空气中传播很远而衰减很小。,在热加工中应用的,CO2,激光器分为三种：封闭式或半封闭式、横流式、轴流式。,光束检测系统作用：检测激光器的输出能量或功率，用来判断激光器的输出模式。,光学偏转聚焦系统由若干反射镜组成导光系统，使激光器输出的激光通过反射镜改变光路方向，到达指定方位，然后通过聚焦镜对激光聚焦进行焊接或其他加工。,保护或切割气源为工件提供正、反面保护气或切割时吹起，可根据不同材料和加工要求，配用合适的气体和喷嘴。,工作台不仅能装夹工件，而且能做二维以上的多维运动，使聚焦后的激光束始终能照射到所需要加工或焊接的部位上。,计算机用于整个激光加工机的控制和调节，如控制激光器的输出功率、控制工作台的运动，对激光加工质量进行监控等。,金属的激光焊接性,1,、抗热裂能力,热裂纹敏感性较低。,激光焊焊缝组织晶粒较细，能有效防止热裂纹的产生。,2,、抗冷裂能力,焊接低碳钢、合金结构钢接头具有较好的抗冷裂纹能力。,3,、接头的残余应力和变形,CO2,激光焊加热光斑小，线能量小，热输入小，使得焊接接头的残余应力和变形比普通焊接方法小的多。,4,、冲击性能,焊缝净化效应能够提高激光焊焊接接头冲击吸收功。,4.1.5,典型材料的激光焊,5.,不同材料间的焊接性,一,般来说，任何传统焊接方法能够焊接的材料也都能采用激光进行焊接，且多数情况下，激光焊接的质量更好、速度更快。,许多黑色和有色金属材料以及冶金性能相互匹配的异种材料都可采用激光焊接。,激光焊接的主要问题：,合金元素的挥发,焊接过程中一些高挥发性的合金元素,(,如硫和磷,),从熔池中挥发出来，会导致气孔的产生，而且有很可能产生咬边。,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数，对材料的脆化、微裂纹及疲劳强度都会有影响。,碳 钢,采用激光焊接时，材料的含碳量,(,碳当量,),不应高于,0.2%,。,焊接难度增加，,冷裂纹,倾向加大，增加材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向。,接头设计中考虑焊缝的一定,收缩量,，有利于降低焊缝和热影响区残余应力和裂纹倾向。,当碳当量大于,0.3%,的材料与碳当量小于,0.3%,的材料在一起焊接，采用,偏置焊缝,形式有利于限制马氏体的转变，减少裂纹的产生。,减小淬火速率,也可减小裂纹倾向。,碳当量超过,0.3%,激光焊接性能较好,，因为材料在浇注前加入了铝、硅等脱氧剂，使得钢中,含氧量,降到很低程度。,如果钢没有脱氧,(,如沸腾钢,),，就不能用激光进行焊接，除非钢中的含氧量原本就很低，否则气体逸出过程中形成的气泡很容易导致气孔的产生。,镇静钢和半镇静钢,含硫量高于,0.04%,或含磷量高于,0.04%,的钢激光焊接时易产生,热裂纹。,焊接易切削钢或钢坯时，若材料中硫、磷、硒、镉或铅的含量过高，将会产生,气孔或凝固,裂纹，若这些元素的总含量不超过,0.05%,，则不会存在这些问题。,硫、磷含量,采用脉冲激光焊接可,减少热输入量,，减少热裂纹的产生和工件变形。,脉冲激光焊,锌的气化温度,(903),比钢的熔点,(1535),低很多，在焊接过程中锌的蒸发，,锌蒸汽,使焊缝产生严重的,气孔和咬边,。,当搭接区的镀锌层厚度小于,510m,时，是可以采用激光焊的。不过只有镀锌层厚度达到,1020m,时，才能保证防腐蚀性能。,镀锌钢,激光焊接性能一般都较好，奥氏体不锈钢由于加入硫和硒等元素以提高机械性能，,凝固裂纹的倾向,有所增加。,奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的,1/3,，,吸收率比碳钢略高,，焊接熔深约普通碳钢深,510%,左右。激光焊接热输入量小、焊接速度高，非常适用于,Cr-Ni,系列不锈钢的焊接。,激光焊接奥氏体不锈钢的,热变形和残余应力相对较小,，采用其它常规焊接方法时，奥氏体不锈钢会产生比碳钢大,50%,的热膨胀量。,奥氏体不锈钢,不锈钢,韧性和延展性比,其它焊接方法高。,熔化焊过程中马氏体的相变和晶粒的粗化，接头强度和抗腐蚀性降低，但相对而言，激光焊比常规焊的影响要低。,与奥氏体和马氏体不锈钢相比，用激光焊接铁素体不锈钢产生,热裂纹和冷裂纹的倾向最小,。,铁素体不锈钢,不锈钢中，马氏体不锈钢的,焊接性最差,，焊接接头通常硬而脆，并伴有冷裂倾向。,焊接含碳量大于,0.1%,的不锈钢时，,预热和回火,可以降低裂纹和脆裂的倾向。,马氏体不锈钢,高,反射率金属铜,黄铜、紫铜通常不宜用,CO,2,激光进行焊接。,黄铜中,锌的含量,超出了激光焊接允许的范围。锌容易汽化，易导致如气孔、虚焊等缺陷。,紫铜对,CO,2,激光的,反射率,很高，但对,Nd:YAG,激光的反射率很低。,改进：使,CO,2,激光具有高度聚焦的光束、大的功率和很高的脉冲能量峰值，使其具有很高的,能量密度,，可进行紫铜的焊接。,通过表面处理提高材料对激光束的,吸收率,。,铝合金、钛合金激光焊,应用存在的问题及其解决途径,Al,合金,反射率较高，小孔建立困难；焊接过程不稳定；焊缝易产生气孔及裂纹；,Al-Mg,系列合金存在合金元素的烧损问题，接头强度降低；,Ti,合金,焊缝易产生气孔、裂纹；熔池及高温区的保护问题。,自动化适应性问题,材料特性问题,激光焊存在对装配间隙、对中度及错边的敏感度高，焊接过程、质量检测及控制困难等适应性较低的问题。,主要解决途径,表面涂层技术,激光束的能量波形控制：,尖脉冲加缓降特性,双热源焊接：双光束激光焊接、激光电弧复合热源焊接,激光填丝焊接,焊接过程的质量监控,激光焊缝跟踪,高,反射率金属铝,铝合金的激光焊接需要相对较高的,能量密度,：铝合金反射率较高；铝合金的导热系数很高。,LY16,、,L1-L6,和,LF21,系列的铝合金能够成功地实现激光焊接，且不需要填充金属。,许多其它铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等，焊缝中存在较多气孔。激光焊接纯铝时不会存在以上问题。,Nd:YAG,激光的,波长,与焊件的耦合性比,CO,2,激光波长好。,液态铝的,粘度较低,，,表面张力也很低,，因此焊接铝时必须要密切注意焊接熔池，以防止熔池中液态铝的溢出，可通过接头设计或采取不熔透方法来解决。,激光焊接铝的问题：,气孔,、,热裂纹,和,焊缝不规则,性。,氢在熔池中的可溶性引起气孔，氧化膜溶解到熔池中导致气孔和焊缝脆化。,一些铝合金的焊接熔池在凝固过程中可能产生热裂纹，裂纹的形成与冷却时间,(,或焊接速度,),、焊缝保护程度相关。,焊缝的,不规则性,是指焊道粗糙、鱼鳞纹不均匀、边缘咬边及根部不规则等。,氩气或者氦气作,保护气体,可以得到光洁的焊缝和致密的鱼鳞纹，对焊缝根部也同时进行保护。,加入,填充金属,可有效避免热裂纹、咬边的产生，并能降低焊缝的不连续性。,钛及,钛合金,激光焊可获高质量、塑性好的焊接接头。,钛对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化很敏感，特别注意接头的清洁和气体,保护问题,。,钛从,250,开始吸收氢，从,400,开始吸收氧，从,600,开始吸收氮。,对,热裂纹,不敏感，焊接时会,在接头的热影响区出现延迟裂纹，,氢,是主要原因。,减少氢的来源、真空退火可以减少焊接接头的含氢量。,气孔,是钛及钛合金焊接时一个主要的问题。,消除气孔的主要途径：,用高纯度的氩气进行焊接，纯度高于,99.9%,；,焊前清洗；,合适焊接规范。,Ti3Al,基合金抗凝固裂纹能力较强，激光焊接的主要困难在于,室温塑性不足,，从而对固态裂纹敏感。,采用较高的预热温度以减缓冷却速度和相转变的发生，或采用特殊的焊后热处理工艺，以得到满意的显微组织。,铝合金、钛合金的激光焊,应用激光焊接大厚钢、铝及钛合金构件，最大厚度可达,20mm,，,主要应用于军用车辆。,激光焊的高速度、低变形大大减少焊后处理工作，人工费用降低,30%,。,Al-Ti,合金,激光焊接应用存在问题及解决的途径,要求工件装配精密、对中严格,高反射材料（铝合金）焊接过程不稳定、焊缝成形差,激光焊接等离子体对光反射、吸收，降低能量利用率,大功率激光设备价格随功率等级提高呈指数增加,开发新型激光器、提高功率、改善光束质量,改变材料表面状态,选择保护气体、控制能量输出形式,激光焊接新工艺：双光束、填丝激光焊接、激光,-,电弧复合热源焊接等,4.2,电子束焊接,电子束焊的概念,电子束焊的分类,真空电子束焊设备,电子束深熔焊机理,电子束焊接技术特点,电子束焊接工艺,电子束焊接的应用,随着科学技术的最新发展，尤其原子能和导弹技术的发展。大量应用了锆、钛、钽、铂、镍及其合金。焊接这些金属用一般的气体保护焊常不能得到满意的结果。,电子束焊接研制成功才顺利地解决了上述稀有和难熔金属的焊接问题。,一、电子束焊的概念,电子束焊是指由高电压（几十几百千伏）加速装置形成高能量电子束流通过磁透镜会聚，利用会聚的高速电子流（速度可达,160000km,s,）轰击置于真空或非真空中的工件，电子的动能迅速转变为热能，使被焊金属融化并熔合的一种焊接方法。,电子束焊热源具有高功率密度，可达,10,4,10,9,W/cm,2,，,能量密度比普通电弧可大,5000,倍，它使焊件金属迅速熔化甚至气化。根据焊件的熔化程度，逐渐移动焊件，即能得到要求的焊接接头。,电子束流的产生,电子枪由加热灯丝、阴极、阳极及聚焦装置等组成。当阴极被灯丝加热到,2600,时，能发出大量电子。这些电子在阴极与阳极（焊件）间的高电压作用下，经电子透镜聚焦成电子流束。,二、电子束焊分类,按焊件所处环境分类,1,）高真空电子束焊,焊接在高真空（,10,-4,10,-1,Pa,）工作室中进行。,工作室和电子枪均处于高真空状态下工作。,良好的高真空环境对熔池有很好的保护，可防止金属元素氧化和烧损，适用于活泼金属、难容金属和质量要求高的焊接。,2,）低真空电子束焊,焊接在低真空（,10,-1,10Pa,）工作室中进行。而电子枪仍处于高真空状态工作。,也具有束流密度和功率密度高的特点。,由于真空度要求不高，明显缩短了抽真空时间，提高了生产效率，适用于批量大的零件的焊接和生产线上使用。,3,）非真空电子焊,焊机没有真空工作室，电子束仍在高真空条件下产生，通过一组气阻通道和若干级真空小室，引入到处于大气压力下环境中对焊件进行焊接。,由于在大气压下，电子束散射强烈，焊缝深宽比最大仅为,5,：,1,。,该方法的优点：不需要真空室，工件尺寸不受限制，可以焊接尺寸大的焊件，生产效率高。,4,）局部真空电子束焊,采用移动密封技术在北韩部位产生局部真空室，被焊构件不需整体进入真空室，电子枪可静止在某一位置进行局部焊接，也可移动以局部的形式完成整体焊接。,该方法既保留了真空电子束焊高功率的优点，又不需要真空室，因此对于大型焊件的焊接有前景。,按电子束加速电压分类,1,）高压电子束焊接,电子枪的加速电压：,120KV,以上。,易于获得直径小、功率密度大的束斑和深宽比大的焊缝。,例：加速电压为,600KV,，功率为,300KW,时，一次可焊透,200mm,的不锈钢。,2,）中压电子束焊接,加速电子在,40,100kV,之间。,电子枪可做成固定式或移动式。,3,）低压电子束焊接,加速电子在,40kV,以下。,功率密度小，适合于薄板焊接，电子枪可做成小型移动式。,按电子束对材料的加热机制分类,1,）传热焊接。,当作用于焊件表面功率密度小于,10,5,W/cm,2,时，无显著的金属蒸发，电子束能量在焊件表面转化的热能通过热传导使焊件熔化。,2,）深熔焊接。作用在焊件表面功率密度大于,10,5,W/cm,2,时，金属被熔化并伴随有强烈的蒸发，形成小孔效应，焊缝深宽比大。,三、真空电子束焊设备,通常由电子枪、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组成。,电子枪,电子束焊机的核心部件，是产生电子、使之加速、会聚成电子束的装置。,电子枪由,静电,和电磁两部分组成，主要包括,阴极,、,阳极,、,聚束极,、聚焦透镜、偏转线圈等。,静电部分,阴极：在直接加热或间接加热下，其表面温度上升，发射电子。,为获得较高的发射电流密度，要求阴极材料具有较小的逸出功和较高的熔点。,阴极材料常采用难熔金属及其化合物，如钨、钽、六膨化镧等。,阳极：在阴极和阳极之间加上负高压，使电子在此加速电压作用下产生定向加速运动，形成束流。,聚束极（控制极、栅极）,为了能控制两级间的电子，进而控制电子束流，有时需要在电子枪上加一个聚束极，其相对于阴极可接负偏压来控制通过阳极孔的电子束流强度。,电磁部分,电磁透镜,由电子枪发射出来的电子束，向焊件方向运动，经历一段路程后会发散，其束流功率并不十分集中，因此需要通过聚焦线圈对其进行聚焦，这部分也叫电磁透镜。,电子束重新聚焦后，可增加电子束焊接的工作距离，又易对其控制和调节。,偏转线圈,焊接过程中，往往需要电子束具有扫描功能，因此通过偏转线圈来控制电子束进行偏摆。,影响电子束稳定的主要因素：金属蒸气导致的高压放电，高压放电往往在电子枪中使电子束偏转，应避免金属蒸汽对束源段产生直接影响。,电子枪一般安装在真空室的外部。,电源及控制系统,包括提供电子枪的加速电压电源、阴极加热电源、电磁透镜电源、偏转线圈电源及其电气控制系统。,工作室及真空系统,真空室应满足刚度要求及,X,射线防护需要，应具备真空阀门及密封措施，以保证真空室的气压稳定。,工作台和辅助装置,大多数电子束焊机采用固定电子枪，焊件作直线移动或旋转运动实现焊接。,四、电子束深熔焊机理,电子束撞击焊件表面时，在表面以下很浅范围内电子动能转化为热能，使金属迅速熔化和蒸发，产生小孔效应，形成深熔型焊接。,电子束功率密度低于,10,5,W/cm,2,时，金属表面不产生大量蒸发现象，电子束的穿透能力很小。,在大功率焊接中，电子束的功率密度大,10,6,W/cm,2,以上，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。在大厚度焊件的焊接中，焊缝的深宽比可高达,60,：,1,，焊缝两边缘基本平行，温度横向传递很小。,高速电子流轰击工件表面时，被轰击的表层温度可达,10,4,，表层金属迅速被熔化，并伴随液态金属蒸发，产生小孔效应。材料表面蒸发走的原子的反作用力力图使液态金属表面压凹，随着电子束功率密度增加，金属蒸气量增多，液面被压凹的程度也越大，形成一个通道。电子束经过通道轰击底部待熔金属，使通道逐步向纵深发展。,五、电子束焊接技术的特点：,（,1,）热源能量密度大、熔深大、焊速快、焊缝深而窄，焊缝深宽比在,5,：,1,以上，最高可达,60,：,1,，能单道焊厚件。焊接热影响区很小，基本上不产生焊接变形。可防止难熔金属焊接时易产生的裂纹和泄漏。,（,2,）在真空中进行焊接，金属不会氧化、氮化。且无金属电极沾污，所以能保证焊缝金属的高纯度。表面平滑洁净，没有孤坑或其他表面缺陷。焊缝内部熔合得好，无气孔夹渣。,（,3,）焊接时一般不加填充金属。因而接头要加工得平整清洁、装配紧密，不留间隙。任何厚度的工件都不开坡口。,（,4,）电子束参数可在较宽范围内调节、控制灵活、精度高、适应性强。,（,5,）电子束焊适用范围广。可用于焊接贵重部件，也可焊接廉价不见；既可用于大批量生产，也可用于单件生产；可用于焊接微型部件，也可焊接大型结构件；可焊薄件，也可焊接厚件等。,（,6,）真空电子束焊接的缺点是设备复杂、造价高。使用维护技术要求高、焊件尺寸受真空室限制，对焊件清整装配质量要求严格，因而其应用受到一定限制。,六、电子束焊接工艺,1.,焊前准备,电子束焊接头焊前应紧密配合，一般采用无坡口对接形式，不加填充金属，要求接合面必须经过机械加工。装配间隙一般不大于,0.13mm,。当板厚超过,15mm,时，允许间隙可放宽到,0,25mm,。非真空电子束焊时，装配间隙可以放宽到,0,8mm,。,真空电子束焊接焊前必须对焊件表面进行严格清理。,待焊工件的接缝区应精确加工、清洗、装配和固定。接头清洗不当会形成焊接缺陷，降低接头的性能。不清洁的表面还会延长抽真空时间，影响电子枪工作的稳定性，降低真空泵的使用寿命。工件表面的氧化物、油污应用化学或机械方法清除。煤油、汽油可用于除油污，乙醇和丙酮是清洗电子枪零件和被焊工件最常用的溶剂。已清洗干燥后的工件，不得用手或不清洁的工具接触接缝区。,非真空电子束焊接，要求可适当降低。,焊前应将焊件准确定位及夹紧，移动工作台或电子枪体完成焊接。且应采用无磁性的夹具。,所有磁性金属材料在电子束焊之前应退磁处理，否则引起电子束偏转。,焊前预热和焊后热处理对需要预热的工件，一般可在工件装入真空室前进行。根据工件的形状、尺寸及所需要的预热温度，选择一定的