激光、电子束的工业应用特点比较

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1、激光、电子束的工业应用特点比较0前言激光焊接是激光加工技术应用的重要内容。我国在加快对激光焊接技术的研究在个别领域冇了较大的突破。随着工业制造的发展，高效、环保的加工技术将倍受青睐。激光焊接以其高能束的聚焦方式，在焊接过程中能实现深熔焊、快速焊等其他焊接工艺较难实现的形式，实时在线检测技术成熟，使其能够在人批量生产中实现高度自动化，目前己有大量的激光焊接生产线投入工业生产。实践证明，激光焊接在加工业的应用范围十分广泛，基本上传统焊接工艺可以使用的领域，激光焊接都能胜任。电子束焊接技术起源于德国，1948年前西德物理学家K.H.Steigerwald首次提出电子束焊接的设

2、想；1954年法国的J.A.Stohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志着电子束焊接金属获得成功;1957年11月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上公布了该技术，电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；1958年开始，美国、英国、F1本及前苏联开始进行电子束焊接方面的研究，20世纪60年代后，我国开始从事电子束焊接研究。随着航空、航天、微电子、核能、交通运输及国防工业的飞速发展，各种高强度、高駛度、高韧性的铝合金、镁合金、钛合金和耐高温合金等金属材料以及复合材料广泛应用，加之构件形状F1趋复杂化，对焊接工艺、加工精度和表面完整性提出了更高的要求。传统的焊接工艺

3、难以适应高技术制造领域的发展趋势，对这些材料采用包括电子束焊接在内的高能束焊接技术优势较人。电子束焊接是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。1激光焊接与电子束焊接的原理1.1激光焊接原理激光焊接属于熔融焊，以激光束作为焊接热源，其焊接原理是：通过特定的方法激励活性介质，使其在谐振腔屮往返振荡，进而转化成受激辐射光束，当光束与工件相互接触时，其能量则被工件吸收，当温度高达材料的熔点时即可进行焊接。图1为激光器原理示意图，图2为激光焊接示意图。激光焊接有两种基本的焊接机理：热传导焊接和深熔（小孔）焊接。热传导焊接时产生的热量通过热传

4、递扩散至工件内部，使焊缝表而熔化，基本不产生汽化现象，常用于低速薄壁构件的焊接。深熔焊使材料汽化，形成大量等离子体,由于热量较大，熔池前端会出现小孔现彖。深熔焊能彻底焊透工件，且输入能量大、焊接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。曲“分尢"介廣站你尢的和的X子图1激光器原理示意图图2激光焊接示意图。1丄1热传导焊接机理当激光功率密度小于105W/cm2时，金属表面温度迅速加热到熔点和沸点之间而熔化，通过热传导把热能向金属内部传递，使熔池逐渐扩人，冷却凝固时结晶形成焊点或者焊缝类似为椭球形。激光与材料的相互作用过程中，很大一部分激光束被金属表面反射，激光的吸收率较低，

5、没冇蒸汽压的作用，激光光斑功率密度也会变得较低，不产生小孔效应。热传导焊接时熔深浅，速度较慢。图3为热传导焊接机理示意图。激尢图3热传导焊接机理示意图。1.1.2深熔焊接机理当激光功率密度大于106W/cm2时，金属表面温度可在极短的时间内使加热区域的金属熔化及汽化，产生金属液体和金属蒸汽，气态金属产生的蒸汽压很高,足以克服液态金属的表面张力，把熔化的金属向四周吹散，形成小孔。随着金属蒸汽的逸出，在工件上方及小孔内部形成等离子体，较厚的等离子体云会对入射激光具有一定屏蔽作用。激光束在小孔内产生多重的反射，小孔儿乎可以吸收全部的激光能量，使小孔进一步加深，当激光束在小孔产

6、生的金属蒸汽压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再加深而形成一个深度稳定的小孔，这就是小孔效应。当工件以一定的速度相对于激光束移动时，小孔前方的金属不断熔化和汽化,液态金屈流向小孔后方，逐渐凝固形成焊缝，这种焊接机理叫深熔焊，是激光焊接屮最常用的焊接模式。在激光深熔焊时，材料对激光束的吸收决定于小孔和等离子体效应。一般来说，工件表而的等离子体云吸收部分激光，使激光冇效的能量较低，并使光束波前畸变导致焦光斑扩散，使表面熔化区扩大，因此等离子体云对焊接过程冇害。常采用以下两种预防措施：一是使用保护气体吹散激光与工件作用点反冲出的金属蒸汽；第二种是使用保护气体，抑制金

7、属蒸汽电离，阻止等离子体云的产生。图4为深熔焊接机理示意图。激光图4深熔焊接机理示意图1.2电子束焊接原理电子束焊是利用空间定向高速运动的电子束撞击工件表面后，将部分动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却凝固后形成焊缝。屯子束撞击到工件表面，电子的动能转换为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊工件上钻出小孔，小孔的周围被液态金属包围，如图5所示。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池后部，逐渐冷却、凝固形成焊缝。a局部出现熔化、蒸发b金属蒸汽排