激光电子束焊接.docx

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激光电子束焊接

激光-电弧复合焊接和电子束焊接的发展和应用

摘要：

介绍了激光-电弧复合焊接和电子束焊接的方法，着重介绍了激光-电弧复合焊接和电子束焊接的原理，激光-电弧复合焊接方式，电子束与其他焊接方法复合的焊接方式，以及他们的发展和应用。

关键词：

激光；电子束；接头；焊缝；应用

0引言

激光焊接以其能量密度高、焊速快、变形小、熔深大和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。

但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点：

设备投资大，能量利用率低，焊前的准备工作要求高，接头中易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。

为避免单独激光焊所存在的问题，激光-电弧复合焊是最好的选择。

本文就激光-电弧复合焊接与电子束焊接技术的发展与应用做了简要的论述。

1起源

激光-电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本，实现高效、优质的焊接。

近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展日新月异，已成为激光焊接研究的热点。

电子束的发现迄今已有100多年的历史。

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、日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、高硬度、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，加之构件形状日趋复杂化，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大。

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。

它具有传统焊接方法难以比拟的优势和特殊功能：

焊接能量密度高（107～109W／cm2），容易实现金属材料的深熔透焊接，焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好。

随着该技术的日趋成熟和广泛应用，电子束焊接在技术和工艺（电子束钎焊、电子束填丝焊、电子束扫描焊接、活性剂电子束焊接、局部电子束真空焊接、电子束焊－钎焊复合焊、电子束－等离子弧复合焊接）方面都取得了重要进展。

在此介绍电子束焊接的最新研究进展，并对其未来发展作出展望。

2原理

激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。

另外，激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加。

激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定

单独激光热源的作用区域小，复合焊中电弧的参与，扩大了热作用范围，熔化金属增多，桥接能力增强，降低了对焊件接口的装配要求。

同时电弧大的热作用范围、热影响区扩大，温度梯度减小，冷却速度降低，熔池凝固过程变得缓慢，焊接铝合金等金属时可减少或消除气孔和裂纹的生成。

电弧焊接容易使用焊丝填充焊缝，采用激光-电弧复合焊接的方法进一步扩大拼缝间隙的宽容度、减少或消除焊接后接口部位的凹陷，改善焊缝形貌；此外，通过选择不同的焊丝，还可调整焊缝的化学成分，改善力学性能。

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。

这种经过电子枪产生，并由高压加速和电子光学系统汇聚成的功率密度很高的电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一个锁性小孔，小孔的周围被液态金属包围。

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。

3焊接方式

3.1激光-电弧复合焊接方式

激光-电弧复合热源使用的激光器一般有CO2激光器和Nd-YAG激光器。

根据激光与电弧的相对位置不同可分为：

同轴复合，即激光与电弧处于同轴共同作用于工件的同一位置；旁轴复合，即激光束与电弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。

激光与电弧的旁轴复合根据不同情况又可分为激光在电弧前和激光在电弧后两种。

激光与电弧的相对位置不同会对焊缝的表面成形和内部的性能产生重大的影响。

对激光-MIG复合焊中激光与电弧前后位置对焊缝成形影响的研究表明，激光束在电弧前，焊缝的上表面成形均匀且饱满美观，特别是在焊接速度较大的情况下效果更明显；而电弧在激光束前，焊缝的上表面会出现沟槽。

通过对焊缝的成分及性能进行分析，得知两种情况下Mg元素含量都是从焊缝上部到下部递增，而激光在电弧前焊缝上部的硬度小于下部，激光在电弧后焊缝上部的硬度大于下部的硬度。

出现这种情况的原因是电弧在后时，热源作用面积大，热源移走后焊缝冷却慢而有利于熔池中的气体溢出，因此成型好；而且电弧热源作用于激光后相当于对焊缝进行一次回火而其热量不能传输到焊缝较深处，故而下部未回火，因此焊缝上部的硬度小于下部。

不仅激光与电弧的前后不同对焊接过程有影响，激光与电弧的间距不同对焊接过程也有影响。

研究表明，激光与电弧间距对激光复合焊熔滴过度有影响，在高速MIG焊接时熔滴过度很不稳定，而激光-MIG复合焊接时，由于激光等离子体对熔滴的热辐射作用和对电弧的吸收作用改变了电弧的形态及相应的熔滴的受力状态，使得熔滴的过渡过程发生了变化，对于不同的焊接电流，存在不同的最佳激光与电弧间距。

在最佳间距下，熔滴过度形式为单一的稳定射流过度，电流电压恒定，焊缝成形良好。

根据电弧的不同，激光-电弧复合焊方法主要有：

（1）激光-TIG复合焊。

它是早期的一种复合焊形式，主要用于薄板金属的焊接，尤其适合于焊接高热导率的金属。

可以明显提高焊接速度，改善单一TIG焊接时效率低的状况。

此后，20世纪90年代又出现了激光与TIG同轴焊接，这种焊接方法无方向性，焊接过程比较稳定，焊接速度也大大提高。

而且，焊接过程中匙孔直径可以达到单一YAG焊接时的1．5倍，这非常有利于气体的逸出，可以减少焊缝中的气孔。

它的焊接速是激光焊的几倍以上，多数用于薄板高速焊，也可用于不等厚材料对接焊缝的焊接。

这种复合方法是激光复合焊中最早进行研究的。

研究表明，当焊速为0.5~5m/min时，用5kW的激光配合300A的TIG电弧其熔深是单独5kW激光焊接熔深的1.3~2.0倍，而且焊缝不出现咬边和气孔的缺陷。

应用“阳极间隙法”测量电流密度,结果表明，在电弧复合激光作用之后，其电流密度得到明显的提高。

（2）激光－MIG/MAG复合焊接。

这种复合焊接技术灵活性较强，适合于中厚板以及铝合金等难焊金属的焊接。

熔敷金属的加入可以改善焊缝的微观组织，提高接头的综合力学性能。

电弧的引入有助于提高间隙搭桥能力，降低了单一激光焊接时坡口制备的精度要求。

激光前置时可以使引弧容易，并且在合适的参数下可以改变熔滴过渡方式，使得焊接过程更加稳定，减少了单一MIG/MAG焊时的飞溅量和焊后处理的工作量。

激光－MIG/MAG旁轴复合易于实现，而同轴复合则难以实现。

利用填焊丝的优势可以改善焊缝的冶金性能和微观组织结构，常用于焊接中厚板。

因此这种方法主要用于造船业，管道运输业和重型汽车制造业。

在德国已将这种复合技术研制到了实用阶段，Fraunhofer研究所已研制出一套激光-MIG复合热源焊接储油罐的焊接系统，它能有效地焊接5~8mm厚的油罐。

（3）激光-等离子复合焊。

它具有刚性好、温度高、方向性强、电弧引燃性好、加热区窄等优点，适用于薄板对接、镀锌板搭接、钛合金、铝合金等高反射率和高热导率材料的焊接及切割、表面合金化等。

激光与等离子复合一般采用同轴复合方式。

等离子弧具有刚性好、温度高、方向性好、电弧易引燃等优点，非常有利于进行复合热源焊接。

Blundell等人采用激光-等离子复合焊高速焊接0.16mm厚的镀锌板时发现，焊接时电弧非常稳定，即使是在90m/min时电弧也很稳定而且不会出现单纯激光焊接时的缺陷，而单独激光焊接时在48m/min时就会出现电弧不稳现象而且还会出现焊接缺陷。

（4）激光－双电弧复合焊接。

由德国亚琛大学焊接研究所（ISF）的研究人员开发激光－双MIG复合焊，适合于中厚板以及铝合金、镁合金、双相钢等难焊金属的焊接。

试验结果表明，在无间隙接头焊接时，激光－双电弧复合热源的焊接速度比一般的激光－MIG电弧复合热源提高33％，单位长度的能量输入减少25％，间隙裕度可达2mm，且焊接过程非常稳定，远远超过激光－MIG电弧复合热源的焊接能力，而且可以更好地实现自动化焊接。

3.2电子束焊接方式

（1）电子束钎焊

真空电子束钎焊作为一种高质量、高效率、精确控制的制造技术，对各种精密、复杂部件的连接制造具有非常重要的意义。

用电子束作为加热源进行真空钎焊，就是用电子束高速扫描，使电子束由点热源转化为面热源，实现零件的局部高速均匀加热。

该工艺具有普通真空钎焊无法比拟的优越性，如高温停留时间短、大大减少钎料对母材的溶蚀、输入能量精密可控、能量输入路径可任意编辑等。

近年来国内外已通过电子束钎焊技术实现了陶瓷零件、碳－碳复合材料、立方氮化硼与碳化钨基体以及换热器管板结构的连接。

在国内，电子束复合加工技术应用尚未普及，仅某航空研究所对飞机换热器管板结构进行过初步研究。

李少青等人分别采用电子束钎焊对不锈钢管板进行连接。

结果表明，接头部位的钎缝均匀圆滑，钎焊透率100％，满足技术规范要求，如图1所示。

近年来更多的研究者认识到电子束钎焊在焊接领域的优越性，上海交通大学、北京航空制造工程研究所和哈尔滨工业大学等都在这方面做了大量的研究工作。

围绕电子束钎焊所开展的研究主要为钎接机理和针对具体材料与结构的实用工艺两方面，焊接机理方面的研究为实用工艺技术的形成奠定了基础。

目前，随着计算机技术的不断进步，对电子束钎焊的热作用控制研究逐渐引起了人们的重视，成为电子束钎焊技术研究中的热点之一。

图1钎焊接头示意图

（2）活性剂电子束焊接

将活性剂应用于电子束焊也是目前活性焊接研究的重要领域之一。

在一定条件下，活性剂对电子束焊的熔深影响很大，现已逐步形成了活性电子束焊的新技术。

与传统电子束焊相比，活性电子束焊的特点为：

1.使用活性剂可明显减小熔池上部宽度，改变熔池形状。

2.SiO2、TiO2、Cr2O3单组元活性剂对电子束焊接熔深增加有影响。

3.由SiO2、TiO2、Cr2O3等组成的多组元不锈钢电子束焊活性剂，可使聚焦电子束焊接熔深增加两倍多。

4.使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有影响。

柴国明等人对用电子束活性剂焊接TA15板材进行堆焊实验。

结果表明，活性剂对熔池形状有很大影响，通过添加活性剂改变表面张力梯度，改善了焊缝咬边。

樊丁等人分别对6mm厚LF21铝合金和10mm厚不锈钢进行实验，结果表明，用电子束焊接铝合金，表面张力梯度改变理论对铝合金熔深增加的作用不明显。

电子束焊接不锈钢使用活性剂可增加电子束焊的熔深，使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有较大影响。

随着对活性焊接机理的进一步研究，新的高效活性焊接法将得到应用。

（3）电子束复合焊接

近年来，哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法，即电子束－等离子弧焊接，如图2所示。

它采用电子束与等离子弧相串联，叠加起来进行焊接，电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气，穿过等离子弧后熔化金属进行焊接。

这样可以减小电子束的能量损失，也有助于稳定等离子弧，等离子弧可以很好的保护焊接熔池，并作为附加热源预热工件，有助于改善焊缝成形，增加熔深。

图2电子束-等离子弧原理示意图

（4）电子束填丝焊

与自熔性电子束焊接相比，电子束填丝焊接具有许多特殊的优点。

填充焊丝的电子束焊接技术放宽了对间隙和对接面加工精度的要求，从而降低了工艺难度，节省成本，提高生产效率。

姚舜等人通过对角焊缝低真空填丝电子束焊接的研究，详细讨论了束流形态、填充金属送进、聚焦点位置等主要填丝电子束焊接工艺参数对焊缝成形的影响。

结果表明：

优先选用前送进方向的送丝方式，避免了终焊时的粘丝现象，焊丝送入点必须位于与电子束流移动方向一致的轴线上。

锁红波等人通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢板材和Q235钢的填丝焊接实验得出：

当参数选择合适、装配间隙不大于0．4mm时，均可获得外观成形良好、内部无缺陷的焊缝。

电子束填丝焊接时，焊缝截面几何特征在聚焦电流变化时，以表面焦点处的聚集电流为中心，均存在一定程度的对称性。

利用这一结果可较为方便地估计工艺裕度区间，优化参数。

（5）局部真空电子束焊接

局部真空电子束焊接技术是在大尺寸结构件的焊缝及其附近局部区域建立真空环境，并进行电子束焊接的技术。

这种方法既保留了真空电子束焊接的特点，又避开了庞大的真空室，解决了厚大工件的焊接问题，可大大提高焊接质量并降低设备成本。

为了发展这项技术，法国、德国等国家做了大量深入的研究工作。

国内的航天科技集团公司五一○所于1986年研制了行程1．5m、50kV、5kW直线型局部真空电子束焊机，已用于卫星燃料贮箱制造中。

刘志华等人对5mm厚LF6铝合金进行局部真空电子束焊接工艺试验，结果表明：

采用局部真空电子束焊接工艺焊接铝合金是完全可行的，焊缝质量与真空电子束焊相同。

铝合金局部真空电子束焊时须采用较强的聚焦和较窄的焊缝，以利于焊缝成形和抑制气孔生成。

局部真空电子束焊接技术是一种先进的焊接技术，在国防工业和民用工业应用前景广阔。

2．6电子束扫描焊接电子束扫描焊接作为一种细化晶粒的焊接方法，目前主要应用于钛合金焊接，可一定程度细化焊缝组织，元素偏析降低了焊接接头强度，提高了缺口冲击韧度。

4应用

在造船业中的应用一般船体结构中，钢结构占主体，传统的焊接方法为手工电弧焊和MIG/MAG焊（见表），但效率较低。

激光-电弧复合焊接是一种实效的连接方法，它在美国海军连接中心和爱迪生焊接研究所的“船体结构复合热源焊接”合作项目中得到证实针对船体结构件的复合热源焊接技术进行了系统的研究，在船体的结构件焊接过程中对激光复合热源焊接与常规焊、激光焊进行比较研究，研究内容包括了焊接效率、材料特性、接头形式、焊缝变形等多方面。

焊缝接头通过弯曲、拉伸等试验，证明激光电弧复合焊技术完全满足美国海军典型船结构材料焊接结构的要求。

激光-电弧复合焊应用于造船业的第一条生产线于年在德国造船厂实现，该生产线采用激光复合热源，主要用于船体平板和加强筋焊接，工艺过程实现自动化，如平板对接焊流程：

计算机控制板料进给速度和边缘定位；板料夹紧；焊缝焊前研磨机预处理；板料进给拼缝；复合焊接；夹具松开，板料移走。

平板对焊焊炬一次可行走范围为20*20mm，焊缝间隙熔宽达1mm，与常规电弧焊接相比，复合焊热输入减少10％，厚板的对接焊，速度提高3倍以上。

目前，一些大中型造船厂的中厚板焊接都积极采用了该项技术。

国家

焊接方法

焊条电弧焊

MIG/MAG

药芯保护焊

埋弧焊

总质量m/t

西欧

18％

68％

8％

6％

381000

美国

22％

52％

20％

6％

295000

日本

16％

53％

25％

6％

310000

还有一些造船厂出于经济上的考虑，直接将现有焊接生产线上的普通焊接机头改装为复合焊炬，德国的,-造船厂就是一起成功的实例，改装后的复合焊炬继续使用原有焊接平台，焊接船板焊缝，焊缝性能满足要求，生产效率大大提高。

近年来，一些船体中开始引进铝合金结构，特别是快艇、渡轮、巡逻船、豪华游船等。

传统的焊接方法可焊铝合金种类有限，容易产生缺陷，使铝合金不能充分发挥其优点，限制了它们在造船业中的进一步应用。

激光"电弧复合焊则可克服上述缺点，是一种有效的解决方法。

除了工艺适用的广泛性外，高的生产效率在造船这种长周期的制造工业中更为重要。

在汽车工业中的应用汽车行业中，随着车辆运输设备朝着轻量化发展，车身框架结构中也更多地引入了铝、铝镁等轻质合金，其旨主要为了节约能源，减少污染，改善车辆机动性能以及车身材料的再生性。

典型的铝合金车型有德国大众及日本本田的NXS，大众的新款AudiA8更是采用了全铝合金框架结构。

在铝合金车身焊接中，以前主要采用激光焊和熔化极气体保护焊，随着激光"电弧复合焊工艺的成熟，车身焊缝复合焊所占比例也逐步上升。

AudiA8车身焊缝中有4.5m长激光"电弧复合焊，主要分布在车架的横向顶框上。

激光-电弧复合焊接在汽车制造业中是一种全新的连接技术，两者能量的协同优化作用，使得应用愈来愈广，特别是在代替原来激光焊接焊前装配要求很严格或是焊接性能不可能达到要求的部位。

通过选择不同的工艺参数，获得需要的焊缝形貌及其结构组成，电弧部分通过填充焊丝增加焊缝桥接能力，降低焊前装配要求，而激光增加熔深，两者的复合，工艺更加稳定。

宽广的应用和工艺的低适应性，使得复合焊在汽车制造中减少设备成本投入，缩短生产周期，降低生产成本，对提高生产力起到了显著的效果。

石油化工的油罐、管道连接也是激光!

电弧复合焊一个重要的应用方面。

通常的石油管道壁厚较大，常规电弧焊接需要设计特殊的坡口，进行多道焊，在反复的起弧收弧阶段易产生缺陷。

复合焊则充分利用电弧焊的桥接能力和激光焊的深熔性，能一次单道焊接成形，减少焊接缺陷，提高焊接效率。

5参考文献

文献名称

作者

出版社

发表时间

电子束焊接技术研究及进展

马正斌，刘金合，卢施宇，王世清

电焊机

2012年04期

活性电子束焊接法研究

张瑞华,樊丁

机械工程学报

2004年02期

激光-电弧复合焊接的应用

袁小川，赵虎，王平平

焊接技术

2010-05-28

激光-电弧复合焊接的技术特点与研究进展

樊丁，董皕喆，余淑荣，张诗正

热加工工艺

2011-06-10

激光-电弧复合焊接的研究进展

肖荣诗,吴世凯

中国激光

2008-11

激光-电弧复合焊接技术的研究进展及应用现状

赵耀邦，成群林，徐爱杰，张小龙，欧阳自鹏

航天制造技术

2014-08-25