材料连接设备及工艺 教学课件 作者 杨立军_ 第9章.ppt

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1、CollegeofMaterialsScienceandEngineeringTianjinUniversity第9章高能束焊接高能束焊接又称高能焊、高能密度焊，是指利用电子束、激光束以及等离子弧等具有高能量密度的束流作为焊接热源的焊接方法。其功率密度通常高于5×105W/cm2，本章主要介绍电子束焊和激光焊的相关内容。第一节高能束焊接的特点1.1热源进行焊接的热源功率密度有一定的范围，过大或过小都不能进行焊接，如图9-1所示。图9-1热源功率密度与焊接的关系1.2高能束焊接的焊缝成形特点高能束焊接的焊缝形状与束

2、流功率密度有密切关系，功率密度对熔深的影响尤其显著，如图9-2所示。图9-2功率密度对熔深的影响a传热焊b深熔焊图9-3传热焊和深熔焊示意图脉冲激光焊分为传热焊和深熔焊高能束流聚焦后的束斑直径一般都在1mm以下，高功率密度和迅速的金属蒸发是产生小孔效应和深熔型焊接的重要条件和标志。第二节电子束焊2.1电子束焊原理及分类电子束是由高压加速装置产生的高能束流，经过加速和会聚的高能电子束流具有极高的能量密度，可达106W/cm2以上。原理在电子束焊(EBW，electronbeamwelding)过程中，高功率电子束定向

3、高速运动，撞击置于真空或非真空中的工件表面后，在表面以下很浅的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。为了获得电子束焊的深熔焊效应，除了要增加电子束的功率密度外；还要设法减轻二次发射和液态金属对电子束通道的干扰分类（1）按被焊工件所处环境分类1）高真空电子束焊2）低真空电子束焊3）非真空电子束焊4）局部真空型(2)按电子束加速电压分类1)高压电子束焊接加速电压在120kV以上2)中压电子束焊接加速电压在40~l00kV之间3)低压电子束焊接加速电压低于40kV(3)按电子束对材

4、料的加热机制分类1)传热焊接当作用在工件表面的功率密度小于105W/cm2时，无显著的金属蒸发，电子束能量在工件表面转化的热能是通过热传导使工件熔化。2)深熔焊接作用在工件表面的功率密度大于105W/cm2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。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。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

5、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1.电子枪电子枪是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，电子枪的组成可参考图9-5。静电部分电子枪电磁部分阴极阳极聚束极电磁透镜(聚焦线圈)偏转线圈合轴系统图9-5电子束发生原理(电子枪)2.电源及控制系统通常由：(1)加速电压电源通常由升压、整流、调压三个部分组成(2)阴极(灯丝)加热电源阴极加热电源的输出功率决定阴极

6、发射电子的能力(3)电磁透镜电源要求其励磁电流稳定度≤0.1％，为提高其稳定度，必须进行闭环控制。(4)偏转线圈电源无论是静偏转或动偏转，都要求偏转线圈的电流波动小于0.1％。(5)电气控制系统精确控制电子束流，控制电子束流的斜坡上升和下降时间；控制电子束的聚焦和偏转。3.工作室及真空系统工作室尺寸由应用范围确定。真空室的设计一方面应满足气密性要求；另一方面应满足刚度要求；此外还要满足x射线防护需要。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。该系统中大多使用三种类型的真空泵低真空泵油扩散泵涡轮分子

7、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。2.3电子束焊的特点及应用特点：优点：1）加热功率密度大2）焊缝深宽比(H/B)大3）焊接速度快，焊缝热物理性能好4）焊缝纯度高5）焊接工艺参数调节范围广，适应性强6）可焊材料多。可实现异种金属材料接头的焊接缺点：1）设备复杂，价格高，使用维护要求高。2）焊接装备要求高，焊接件尺寸

8、受真空室大小的限制。3）高压电子束焊接需防护x射线。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，