电子束焊、激光焊的原理分类、特点与应用

电子束焊、激光焊的原理分类、特点与应用

一、电子束焊原理、分类、特点与应用

1.电子束焊的原理

真空电子束焊原理，如图13-1所示。

在真空中，把电子枪的阴极（灯丝）通电加热到高温，使它发射出大量电子，通过阴极和阳极之间强电场的加速和电磁透镜的聚焦，收敛成一束能量极大且十分集中的电子束，电子束轰击焊件表面，电子能转化为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，熔化金属被排开，电子束能继续轰击深处的固态金属，很快地使焊件表面形成一个锥形的空隙，这种空隙在电子束的轰击下可以达到相当大的深度。在焊接过程中，随着电子束与焊件的相对移动，空隙周围的熔化金属就流入空隙内，冷却后即形成焊缝。

电子束焊时，由于电子在及时到几百千伏电压的作用下被加速到1/2-2/3的光速，电子束所获得的能量大大超出它在发射时的能量，然后将它通过磁场聚焦在很小的面积内，就变成一种能量密度很高的能源。其电弧功率密度比普通电弧功率高100-1000倍。

2.电子束焊的分类

（1）按焊件所处环境的真空度可分为三类：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。

1）高真空电子束焊。高真空电子束焊时将焊件放在真空度为10-4-10-1Pa的工作室中完成的。由于具有良好的真空环境，可以保证对熔池的“保护”，防止金属元素的氧化和烧损。所以很适用于焊接活泼性金属、难熔金属和质量要求较高的工件。但是，也存在缺点，如焊件的大小会受到工作室尺寸的限制，真空系统相对庞杂，抽真空时间长。

2）低真空电子束焊。低真空电子束焊时使电子通过隔离阀及气阻孔道进入工作室，工作室的真空度保持在10-1-10Pa，低真空袋子束焊也具有束流密度和功率密度高的特点。由于只需要抽到低真空，明显地缩短了抽真空的时间，从而提高了生产效率。

3）非真空电子束焊。非真空电子束焊也称为大气压电子束焊。这种焊接方法其电子束仍是在高真空条件下产生的，射到处于大气压力下的工件上施焊。为了保护焊缝金属不受污染，减少电子束的散射，束流在进入大气中时先经过充满氦的气室，然后与氦气一起进入大气中。

在大气压力下，电子束散射强烈，即使将电子枪的工作距离限制在20-50mm，焊缝深宽比最大只能达到5:1.目前，非真空电子束焊接最大熔深为30mm。

这种方法的优点是：不需要真空室，因而可以焊接尺寸大的工件，生产效率高，扩大了电子束焊接技术的应用范围。

（2）按电子束焊机的加速电压高低可分三类：高压电子束焊、中压电子束焊和低压电子束焊。

1）高压电子束焊。高压电子束焊一般指加速电压的范围为60-150kv。在相同功率情况下，高压电子束焊所需的束流小，加速电压高，易于获得直径小、功率密度大的束斑和深宽比大的焊缝。因而特别适用于大厚度板材的单道焊，也适用于焊接哪些难熔金属和热敏感性强的材料。缺点是，屏蔽焊接时产生的X射线比较困难；电子枪的静电部分为防止高压击穿，需要用耐高压的绝缘子，使结构复杂而笨重，只能做成固定式。

2）中压电子束焊。中压电子蜀汉所用加速电压的范围为30-60kv。当电子束的功率不超过30KW时，中压电子束焊机的电子枪能保证束斑的直径小于0.4mm，除极薄材料外，这样的束斑尺寸完全能满足焊接要求。30KW的中压电子束焊机焊接的最大钢板厚度可达70mm左右。中压电子束焊时产生的X射线，可以适当厚度的真空室壁吸收，不需要铅板保护、电子枪极间不要求特殊的绝缘子，因而电子枪可做成固定型和移动型。

3）低压电子束焊。低压电子束焊所用的加速电压低于30kv 。低压电子束焊机不用铅板保护，电子枪可做小型移动式。缺点是在相同功率情况下，低于电子束的束流大，加速电压低，束流的会聚比较困难。通常束斑直径很难达到1mm以下，其功率限于10kw以内，因而低压电子束焊只能焊接薄板。

3.电子束焊的特点及应用

（1）电子束焊的特点

1）加热功率密度大。焊接用的电子束电流为及时到几百毫安，最大可达1000mA以上；加速电压为几十到几百千伏；故电子功率从几十千瓦到100kw以上。由于电子的质量小，束流值不大。所以电子束焦点直径小于1mm。而电子束束斑（或称焦点）的功率密度高达10-6-108W/cm2,比普通电弧功率密度高100-1000倍。

2）焊缝深宽比大。通常电弧焊的深宽比＜2，而电子束焊的深宽比可达50:1.所以，对于平行边焊缝接头，焊后基本上不产生角变形。对大厚度钢板可进行补开坡口的单焊道。

3）焊缝纯度高。真空电子束焊的真空度一般为10^-4Pa，比氩气（Ar99.99%）还要纯净几百倍左右。因此，不存在污染问题。

4）焊接速度快且焊缝热物理性能好。电子束焊焊接速快，能量非常集中；熔化和凝固过程快，热影响区小，对精加工的焊件，焊后仍能保持精度不变。

5）可焊材料多。不仅能焊同种金属和异种金属材料的接头，也能焊接金属材料，如陶瓷。石英玻璃等。

6）焊接工艺参数调节范围广、适应性强。电子束焊接的工艺参数能各自单独进行调节，并且调节范围很宽，控制灵活，电子束焊焊接参数易于实现机械化和自动化控制，使产品质量相对稳定。

7）电子束焊的缺点是：设备复杂，价格昂贵，使用维护要求高；对焊接装备要求严格，工件尺寸受真空室大小的限制；使用时需注意防护X射线。

（2）应用范围。电子束焊接作为一种先进制造技术已广泛应用于航空航天工业、七尺制造工业和电子及发电等工业。在其他工业中电子束焊主要用于高压气瓶、核电站反应堆内构件筒体等。另外，炼钢炉的铜冷却风口也采用电子束焊。电子束焊接不仅能焊接除黄铜、铸铁和未作脱氧处理的普通低碳钢以外的绝大多数金属，还能焊接异种金属；可焊接工件厚度范围较大，例如，最薄小于0.1mm，最厚超过100mm。并且能焊接采用常规焊接方法难以施焊的复杂构件，如焊接精密仪器。仪表或电子工业中的微型器件。同时，散焦电子耍可用于焊前预热或焊后冷却，还可用做钎焊，切割及表面涂敷的热源。电子束焊接事在修复领域和新材料焊接中，最有价值的工艺方法之一，也是未来太空焊接最有前途的热源和空间结构焊接强有力的工具。

二、激光焊原理、分类、特点与应用

1.激光焊接原理

进行激光焊接的核心装置是激光器，激光器最基本的组成部件有激光体（红宝石）、泵灯、聚光器、谐振腔、电源及控制系统。

当泵灯通入脉冲电流时，就发出强烈的闪光，经聚光器会聚集中照射在激光体上，激发了红宝石晶体中的原子 （铬），使之发射出红色射线。激发出的红色射线经谐振腔中的全发射镜的多次反射（共振作用），逐渐加强，通过输出窗口发射出的激射光即为激光。

激光是一种单色性高、方向性强、亮度高以及相干性好的光束（通常称为激光的四大特性）。经过聚焦后把光束聚焦到焦点上可获得极高的能量密度。利用它与被焊工件相互作用，是金属发生蒸发、熔化、熔合、结晶、凝固而形成焊缝。

2.激光焊分类

激光焊接按激光发生器输出功率的高低可分为：低功率激光焊（＜1kw）、中功率激光焊（1.5-10kw）、高功率激光焊（＞10kw）。

按输出激光波形可分为：脉冲激光焊和连续激光焊。

3.激光焊的特点及应用

（1）特点

1）能准确聚焦微小光束，故加热范围小，焊缝可以极为窄小，残余应力和变形小。

2）辐射能极大，能量极为集中，穿透深度深，可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料（如高熔点金属等），还以焊接非金属材料，如陶瓷、有机玻璃等。

3）作用时间极短，故焊件不易氧化，不论焊接过程有无气体保护，几乎不影响焊接效果。

（2）应用范围。应用脉冲激光焊接不锈钢、铁镍合金、铁镍钴合金等特殊金属，也可焊接铜、银、金、铝硅丝。特别适用于焊接微型、精密元件和一些微电子元件；可焊接薄片（0.1mm左右）、薄膜（几微米至几十微米）、金属丝（直径可小于0.02mm）；还可用于核反应堆零件的焊接、仪表游丝、混合电路薄膜元件的导线连接等。另外，用脉冲激光器封装焊接继电器外壳、锂电池和钽电容外壳及集成电路也是非常有效的方法。

连续激光焊广泛应用于汽车制造业、钢铁行业（如硅钢板的焊接、冷轧低碳钢板焊等），以及镀锡板罐身、组合齿轮等焊接。此外，在船舶、航空、轻工等行业也得到日益广泛的应用。生产实践证明，采用激光焊可以极大地提高生产率和焊接质量。