現代焊接技術探析

【摘要】 電子束焊接發展可歸結為:超高能密度裝置研制、設備智能化柔性化、電子束流特性診斷、束流與物質作用機制研究以及非真空電子束焊設備及工藝的研究等。

【關鍵詞】 現代 高能束流 焊接 技術

Abstract : Electron beam welding deve-lopment can be summed up as: high energy density device developed， flexible intelligent equipment， electron beam diagnostic characteristics， The beam and the physical mechanism research and the vacuum electron beam welding equipment and technology research， etc.

當前高能束流焊接被關注的主要領域是:①高能束流設備的大型化-功率大型化及可加工零件(乃至零件集成)的大型化。②新型設備的研制，諸如，脈沖工作方式以及短波長激光器等。③設備的智能化以及加工的柔性化。④束流品質的提高及診斷。⑤束流、工件、工藝介質相互作用機制的研究。⑥束流的復合。⑦新材料的焊接。⑧應用領域的擴展。

1.激光焊接的最新進展

1.1新型激光器

(1)直流板條式(DC Slab)CO2激光器、(2) 二極管泵浦的YAG激光器、(3)CO激光器、(4)半導體激光器、(5)準分子激光器。

1.2激光器功率的大型化、脈沖方式以及高質量的光束模式

以美國PRC公司為例，幾年前，用于切割的CO2激光器功率主要是1500~2000W，而近期的主導產品是4000~6000W，6000W可切割的不銹鋼厚度、碳鋼厚度分別為35 mm和40 mm.

1.3設備的智能化及加工的柔性化

尤其是對YAG激光，由于可用光纖傳輸，給加工帶來了極大的方便。

其主要特點是:①一機多用。②采用一臺激光機可進行多工位(可達6個)加工。③光纖長度最長可達60m.④開放式的控制接口。⑤具有遠距離診斷功能。

1.4 束流的復合

最主要的是激光-電弧復合。深熔焊接時，熔池上方產生等離子體，復合加工時，激光產生的等離子體有利于電弧的穩定;復合加工可提高加工效率;可提高焊接性差的材料諸如鋁合金、雙相鋼等的焊接性;可增加焊接的穩定性和可靠性;通常，激光加絲焊是很敏感的，通過與電弧的復合，則變的容易而可靠。

激光-電弧復合主要是激光與TIG、Plasma以及GMA.通過激光與電弧的相互影響，可克服每一種方法自身的不足，進而產生良好的復合效應。

從能量觀點看，激光電弧復合對焊接效率的提高十分顯著。這主要基于兩種效應，一是較高的能量密度導致了較高的焊接速度;二是兩熱源相互作用的疊加效應。

GMA、激光加絲和激光電弧復合三種方法焊接時線能量、焊縫斷面以及能量利用率的比較。

Laser -TIG Hybrid可顯著增加焊速，約為TIG焊接時的2倍;鎢極燒損也大大減小，壽命增加;坡口夾角亦減小焊縫面積與激光焊時相近。阿亨大學弗朗和費激光技術學院研制了一種激光雙弧復合焊接，與激光單弧復合焊相比，焊接速度可增加約1/3，線能量減小25%.

英國Conventry大學現代連接中心亦有Laser-plasma復合焊接的報導。其優點是:提高焊接速度和熔深;由于電弧加熱，金屬溫度升高，降低了金屬對激光的反射率，增加了對光能的吸收。在小功率CO2激光試驗基礎上，還要在12 000W CO2 激光以及光纖傳輸的2kW YAG激光器上進行，并為機器人進行PALW打基礎。

1.5鋁合金的激光焊接

鋁合金由于比強度高、抗腐蝕性好而得以廣泛應用。CO2激光焊接鋁合金的困難主要在于高的反射率以及導熱性好，難以達到蒸發溫度、難于誘導小孔的形成(尤其是對Mg含量比較小時)以及容易產生氣孔。提高吸收率的措施除了表面化學改性(如陽極氧化)、表面鍍層、表面涂層等外，也有用激光-TIG、激光-MIG的報道，其中MIG- DC electrode position方法由于表面的清理作用強和加絲的合金化作用效果為好。

1.6激光熔覆

激光熔覆與其它表面改性方法相比，加熱速度快、熱輸入少，變形極小;結合強度高;稀釋率低;改性層厚度可精確控制，定域性好、可達性好、生產效率高。

激光熔覆除用于民品外，英、美等國也已用于航空機發動機Ni基渦輪葉片的耐熱、耐磨層的熔覆及修復。

2.我國高能束流焊接現狀

國外電子束焊接發展可歸結為:超高能密度裝置研制、設備智能化柔性化、電子束流特性診斷、束流與物質作用機制研究以及非真空電子束焊設備及工藝的研究等。

在國內，高能束流焊接越來越引起更多相關人士諸如焊接、物理、激光、材料、機床、計算機等工作者的關注。國內在設備水平上，與國外有一定差距，但在工藝研究上，水平則較為接近，甚至在某些方面還有自己的特色。

2.1 激光焊接

在設備生產與研究上，主要生產千瓦級的CO2激光設備和1千瓦以下的固體YAG激光設備。

國內對激光焊接研究主要集中在激光焊接等離子體形成機理、特性分析、檢測、控制、深熔激光焊接模擬、激光-電弧復合熱源的應用、激光堆焊等。清華大學從聲和電的角度，分析了熔透狀態的聲信號，提出了激光焊接等離子體的等效電路及電特性數學模型;在抑制等離子體的負面效應方面，清華大學張旭東、陳武柱等提出了側吸法;國家產學研激光技術中心的肖榮詩、左鐵釧提出了雙層內外圓管吹送異種氣體法;西北工業大學的劉金合提出了外加磁場法。

2.2電子束焊接

我國自行研制電子束焊機始于1960年代，至今已研制生產出不同類型和功能的電子束焊機上百臺，并形成了一支研制生產的技術隊伍，能為國內市場提供小功率的電子束焊機。

近年來，出現了關鍵部件(電子槍，高壓電源等)引進、其它部件國內配套的引進方式，這種方式的優點是:設備既保持了較高的技術水平，又能大大降低成本，同時還能對用戶提供較完善的售后服務。

目前，以科學院電工所的EBW系列為代表的汽車齒輪專用電子束焊機占據了國內汽車齒輪電子束焊接的主要市場份額;我國的中小功率電子束焊機已接近或趕上國外同類產品的先進水平，而價格僅為國外同類產品的1/4左右，有明顯的性能價格比優勢。

2.3等離子弧焊接

在等離子弧焊設備方面，西北工業大學開展了脈動等離子噴焊技術研究，通過在工件和噴槍陽極(噴嘴)間接入高頻的IGBT無觸點開關，成功地實現了轉移弧和非轉移弧的高頻交替工作，實現了單一電源下的等離子噴焊。西安交通大學開展了適宜于Al、Mg 及其合金的變極性等離子弧焊設備的研究，主弧的正、負半波分別由兩臺直流電源供電，對工件(鋁)實現了變極性焊接，它不僅使電弧穩定，而且還有可靠的陰極清理作用。北京航空工藝研究所開展了脈沖等離子弧焊的“一脈一孔”的工藝研究;在穿孔等離子弧焊小孔特征及行為檢測方面，哈爾濱工業大學、北京航空工藝研究所以及清華大學分別通過光譜信息、電弧電壓和電流的頻譜分析，檢測小孔的建立、閉合以及小孔尺寸;天津大學的王惜寶、張文鉞分析了等離子弧粉末堆焊時粉末在轉移弧中的輸運行為及其主要影響因素，計算了鐵基合金粉末和碳化硼粉末、不同參數下在弧柱中的輸運速度分布及沿弧柱橫截面上的粉通量分布。在重要的應用方面，西安航空發動機公司利用自制的電源設備配以進口的等離子焊槍，實現了某航空發動機工藝的改進。

(作者單位:黑龍江省龍建路橋第三工程有限公司)