熔焊焊接—高能束流焊的物流基础

束流是指沿某一特定方向运动而形成的粒子流。焊接领域所说的高能束流是指聚焦后的功率密度可以达到103W/cm2以上的束流。通常所说的高能束流焊主要指的是电子束焊(Electron Beam Welding)和激光焊（Laser Beam Welding),其功率密度比通常的TIG焊或MIG焊的功率密度要高一个数量级以上。本章将首先介绍高能束流焊的物理基础，然后分别讲述电子束焊和激光焊的原理、焊接设备及焊接工艺。

高能束流焊形成深宽比大焊缝的机制

1.小孔形成的机理

当采用较低的功率密度时，高能束流产生的热首先聚集在待加工工件的表面，然后经热传导进入材料内部，这时，熔池温度比较低，对钢件约1600℃，蒸发不明显，因而焊缝宽，熔深浅（图11-13a)。这种情况属热传导焊接。当功率密度增加到一定值而使熔池金属温度达到1900℃时，熔化钢材蒸发而产生的饱和蒸气压力约300Pa,在蒸气压力、蒸气反作用力等的作用下会形成充满蒸气的小孔（图11-13b)。熔焊焊接随着功率密度的进一步增加，熔化金属的温度也继续升高，蒸气压力也随之增大，最终导致产生了针状的、充满金属蒸气的并被熔融金属包围的小孔。这时，束流亦通过小孔穿人工件内部（图11-13c)。假如功率密度达到某一极限值时，蒸气压力和蒸发速率都变得很大，所有熔化金属几乎全部地被蒸气流冲出腔外

图11-13 功率密度与小孔的形成

概括起来讲，高能束流聚焦后的束斑直径一般都在1mm以下，作用于工件上的功率密度高，能使材料迅速熔化、蒸发，产生很大的蒸气压力和蒸气反作用力，加之电子束成张光束作用时间短，径向的热传导作用很弱，在蒸气压力和蒸气反作用力等因素作用下能接开熔化金属形成小孔，这时高能束流深入工件内部，束流直接与工件作用，进行能量的转化，因而能形成深宽比大的焊缝。在其他因素不变的情况下，功率密度越高，熔深越大，焊缝的深宽比也越大，功率密度与熔深的关系如图11-14所示。

2.小孔受力分析

小孔维持的过程实际也是受力平衡的过程。小孔受力有两类；一类倾向形成和维持小孔的力；另一类倾向封闭小孔的力。

3.高能束流与工件的相对运动对熔池和焊缝的影响当工件和束流二者有相对运动时，随着相对运动速度的增大，熔化前沿直接处于高能束流下方，而凝固前沿则图11-16 薄板穿透焊接时向后拖（图11-17a)。由于高能束流的直接作用，使得前熔化边缘附近的金属温度高，蒸发快，而后熔化边缘附近的

1一络化金属 2一工件

金属温度低，蒸发慢，由此而引起了蒸气压强差和蒸气反作用压强差，这必然导致前熔化边缘附近的金属向后熔化边缘附近流动（图11-17b),客观上起到了对熔池的搅拌作用。液体金属的流动过程，实际也是传热和传质的过程。在熔化前沿区材料被加热，在凝固前沿区液体金属热量经热传导而释放，最后形成焊缝。

3.高能束流与工件的相对运动对熔池和焊缝的影响

当工件和束流二者有相对运动时，随着相对运动速度的增大，熔化前沿直接处于高能束流下方，而凝固前沿则

薄板穿透焊接时向后拖由于高能束流的直接作用，使得前熔表面张力的作用

化边缘附近的金属温度高，蒸发快，而后熔化边缘附近的金属温度低，蒸发慢，由此而引起了蒸气压强差和蒸气反作用压强差，这必然导致前熔化边缘附近的金属向后熔化边缘附近流动（图11-17b),客观上起到了对熔池的搅拌作用。液体金属的流动过程，实际也是传热和传质的过程。在熔化前沿区材料被加热，在凝固前沿区液体金属热量经热传导而释放，最后形成焊缝。

电子束焊的原理、特点及应用

1.电子束焊的工作原理

电子束经聚焦后的束流密度的分布形态与加速电压、束流大小、聚焦镜焦距、所处的真空环境等密切相关。图11-18为不同压强下电子束斑点的束流密度。由图可以看出，高真空（如10~2Pa)时，束流的截面积最小；低真空（4Pa)时束流密度最大值与高真空(10-2Pa)时相差很小，但束流截面变大；如真空度为7Pa时，束流密度最大值和束流截面与10~2Pa时相比，分别有明显的降低和增加；当真空度为15Pa时，由于散射的影响，束流密度显然下降。

作用在工件表面的电子束功率密度除与束流密度有关外，还与焊接速度、离焦量等相关。电子束焊接时，依据作用在工件表面的电子束功率密度的不同，表现出不同的加热机制。低功率密度时表现为热传导机制，高功率密度时，表现为直接作用机制。

2.电子束焊的特点

与其他熔焊方法相比较，电子束焊方法的特点主要是：

瓶库电子束母接，加速电压低于401V,在相同防率的条件下，来成合案因此。。

18.数据于达到1mm以下，功率整小，适用于落报回读，电子检可翻译小型感301

(3)反电子束对材料的加热机制分

can

1)热待导得接。当作用在工件表面的功率管理小于10‘w/ou‘时，电子来糖量在工本本细护化的热情是通过热待导楼工件结化的，婚化金属不产生显着的高发2)

的的重发，会形成培施小孔，电子重成穿人小孔肉部并与企具直接作用，保障深发出11.2.2 真空电子束焊接设备

1.高空电子束焊接设备的组成

11-19为真空电子重得机的主要组成示意图。四个主要部分是

(1)主机 由电子枪、真空室、工作传动系统及操作合组成。

(2)高压电源 由阳极高压电源、阴极加热电源以及重流控制用高压电源系统照或。

(3)控制系统 由括高压电源控制装置、电子检阴极加热电源的控制系统、审试控制理、聚点电源控制以及束流偏转发生器等组成。

(4)真空酸气系统 由电子枪抽气系统、工作室抽气系统以及真空控制及监测装置等

此外，真空电子束焊机还有一些辅助设备，例如用于冷却电子检，打散某以及机械面对部系统，冷却水的净化过速及软化装置，压缩空气供气系统以及净化装置等，

2.电子检

电子检主要作用是：发射电子，使电子从阴极向阳极运动，加速并形成束宽；用避透对电子求聚焦；使电子束流产生偏转并使束流以给定的函数作扫，图11.20为电子枪前不重图，包括静电和电磁两部分

(1)静电部分 由阴板、聚束极和阳极（又叫加速报）组成，通常称为静电透镜。

要求服又称控制报，相对于阴极可接负偏压，用来控制通过阳板孔的电子来废强度，这样出电子检称为三极枪，当聚束极与阴极接成等电位时，聚束极就失去了控制束流强度的

5.这样的电子枪称为二极枪。

(2)电藏部分 主要由磁透镜及偏转线图组成，由静电透镜会聚的电子来经历一段路相合发散，经过避透镜就可重新聚焦。这样既增加了电子束焊接的工作距离，又易于对其控制和调节，所以，所有的电子检至少有一级磁透镜。

1)阴极。根据理查逐公式，阴极加热后表面发射的电流密度j为

j=Ar,(11-21)式中，是阴极材料发射常数；W,是阴极材料的逸出功；7是阴极表面工作温度；k是破耳益曼常数。

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或较高的熔点，阴极材异常采用难熔金属及其化合物，如鸽、坦、六砸化钢等。放难于达到1mm以下，功率密度小，适用于薄板焊接，电子枪可做成小型移动在相同功率的条件下，束流会聚困难，束式的。