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高能束流焊接技術(shù)新進展
當前高能束流焊接被關(guān)注的主要領(lǐng)域是：①高能束流設(shè)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(shè)備的研制，諸如，脈沖工作方式以及短波長激光器等。③設(shè)備的智能化以及加工的柔性化。④束流品質(zhì)的提高及診斷。⑤束流、工件、工藝介質(zhì)相互作用機制的研究。⑥束流的復(fù)合。⑦新材料的焊接。⑧應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)產(chǎn)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(shè)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(fù)合 最主要的是激光－電弧復(fù)合。深熔焊接時，熔池上方產(chǎn)生等離子體，復(fù)合加工時，激光產(chǎn)生的等離子體有利于電弧的穩(wěn)定；復(fù)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(wěn)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(fù)合，則變的容易而可靠。 激光－電弧復(fù)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(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)。GMA成本低，使用填絲，適用性強，缺點是熔深淺、焊速低、工件承受熱載荷大。激光焊可形成深而窄的焊縫，焊速高、熱輸入低，但投資高，對工件制備精度要求高，對鋁等材料的適應(yīng)性差。Laser-GMA的復(fù)合效應(yīng)表現(xiàn)在：電弧增加了對間隙的橋接性，其原因有二：一是填充焊絲，二是電弧加熱范圍較寬；電弧功率決定焊縫頂部寬度；激光產(chǎn)生的等離子體減小了電弧引燃和維持的阻力，使電弧更穩(wěn)定；激光功率決定了焊縫的深度；更進一步講，復(fù)合導(dǎo)致了效率增加以及焊接適應(yīng)性的增強。 從能量觀點看，激光電弧復(fù)合對焊接效率的提高十分顯著。這主要基于兩種效應(yīng)，一是較高的能量密度導(dǎo)致了較高的焊接速度；二是兩熱源相互作用的疊加效應(yīng)。GMA、激光加絲和激光電弧復(fù)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(xué)弗朗和費激光技術(shù)學(xué)院研制了一種激光雙弧復(fù)合焊接，與激光單弧復(fù)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(xué)現(xiàn)代連接中心亦有Laser-plasma復(fù)合焊接的報導(dǎo)。其優(yōu)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(chǔ)上，還要在12 000W CO2 激光以及光纖傳輸?shù)?kW YAG激光器上進行，并為機器人進行PALW打基礎(chǔ)。 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(yīng)用。CO2激光焊接鋁合金的困難主要在于高的反射率以及導(dǎo)熱性好，難以達到蒸發(fā)溫度、難于誘導(dǎo)小孔的形成（尤其是對Mg含量比較小時）以及容易產(chǎn)生氣孔。提高吸收率的措施除了表面化學(xué)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。 最近，比利時的L Cretteur和法國的S Marya對6061鋁合金進行了混合氣和焊劑的CO2激光焊。在給定的試驗條件下表明：70%He+30%Ar、氣流方向與焊接方向相反時效果為好；針對穿透焊接時焊縫背面容易產(chǎn)生下垂缺陷，采用75% LiF+25%LiCl的焊劑，起到了祛除氧化、改善熔化金屬與背面母材的接合，使背面焊縫具有"上翹"效應(yīng)，在較寬的參數(shù)區(qū)間內(nèi)形成了規(guī)整的焊道。對6061鋁合金的焊接表明，焊縫強度可達到母材的90%。 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??；結(jié)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(chǎn)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(fā)動機Ni基渦輪葉片的耐熱、耐磨層的熔覆及修復(fù)。 2、電子束焊接和等離子弧焊接的最新進展 國外電子束焊接發(fā)展可歸結(jié)為：超高能密度裝置研制、設(shè)備智能化柔性化、電子束流特性診斷、束流與物質(zhì)作用機制研究以及非真空電子束焊設(shè)備及工藝的研究等。在日本，加速電壓600kV、功率300kW的超高壓電子束焊機已問世，一次可焊200 mm的不銹鋼，深寬比達70：1。日、俄、德開展了雙槍及填絲電子束焊技術(shù)的研究。在對大厚度板第一次焊接的基礎(chǔ)上，通過第二次填絲來彌補頂部下凹或咬邊缺陷；日本采用雙搶實現(xiàn)了薄板的超高速焊接，反面無飛濺，成形良好。法國研制成功的雙金屬和三金屬薄帶材電子束焊接機也頗引人關(guān)注。 關(guān)于非真空電子束焊接，德國實現(xiàn)了母材為Al Mg0.4 Si1.2的旋轉(zhuǎn)件的填絲焊接，加絲材料為AlMg4.5Mn，送絲速度35m/min，焊接速度高達60m/min。該研究在斯圖加特大學(xué)的25kW電子束焊機上完成。非真空電子束焊接在汽車制造領(lǐng)域一直倍受重視。例如，手動變速器中同步環(huán)與齒輪的非真空電子束焊接，生產(chǎn)率已超過500件/小時。最近，德國和波蘭的學(xué)者共同研制了真空電子束焊接時安裝于真空室中的非接觸測溫裝置，測量點最小直徑1.8 mm，主要用于陶瓷和硬質(zhì)合金的釬焊，該裝置可排除隨機的熱流的干擾，測量精度高。在等離子弧焊接方面，變極性等離子弧焊以及鋁合金穿孔等離子立焊是關(guān)注點之一。 3、國內(nèi)高能束流焊接現(xiàn)狀 在國內(nèi)，高能束流焊接越來越引起更多相關(guān)人士諸如焊接、物理、激光、材料、機床、計算機等工作者的關(guān)注。國內(nèi)在設(shè)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。 3.1 激光焊接 在設(shè)備生產(chǎn)與研究上，主要生產(chǎn)千瓦級的CO2激光設(shè)備和1千瓦以下的固體YAG激光設(shè)備。國內(nèi)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(fù)合熱源的應(yīng)用、激光堆焊等。清華大學(xué)從聲和電的角度，分析了熔透狀態(tài)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(shù)學(xué)模型；在抑制等離子體的負面效應(yīng)方面，清華大學(xué)張旭東、陳武柱等提出了側(cè)吸法；國家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心的肖榮詩、左鐵釧提出了雙層內(nèi)外圓管吹送異種氣體法；西北工業(yè)大學(xué)的劉金合提出了外加磁場法。 3.2 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(chǎn)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(chǎn)的技術(shù)隊伍，能為國內(nèi)市場提供小功率的電子束焊機。近年來，出現(xiàn)了關(guān)鍵部件（電子槍，高壓電源等）引進、其它部件國內(nèi)配套的引進方式，這種方式的優(yōu)點是：設(shè)備既保持了較高的技術(shù)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(wù)。目前，以科學(xué)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(jù)了國內(nèi)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(chǎn)品的先進水平，而價格僅為國外同類產(chǎn)品的1/4左右，有明顯的性能價格比優(yōu)勢。 在機理及工藝研究上，北京航空工藝研究所、北京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)電工所、桂林電器科學(xué)研究所、西安航空發(fā)動機公司、航天材料及工藝研究所開展的工作涉及熔池小孔動力學(xué)、電子束釬焊、接頭疲勞裂紋擴展行為、接頭殘余應(yīng)力、填絲焊接、局部真空焊接時的焊縫軌跡示教等。 3.3 等離子弧焊接 在等離子弧焊設(shè)備方面，西北工業(yè)大學(xué)開展了脈動等離子噴焊技術(shù)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(guān)，成功地實現(xiàn)了轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧的高頻交替工作，實現(xiàn)了單一電源下的等離子噴焊。西安交通大學(xué)開展了適宜于Al、Mg及其合金的變極性等離子弧焊設(shè)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(xiàn)了變極性焊接，它不僅使電弧穩(wěn)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(yè)大學(xué)、北京航空工藝研究所以及清華大學(xué)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(xué)的王惜寶、張文鉞分析了等離子弧粉末堆焊時粉末在轉(zhuǎn)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(shù)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(yīng)用方面，西安航空發(fā)動機公司利用自制的電源設(shè)備配以進口的等離子焊槍，實現(xiàn)了某航空發(fā)動機工藝的改進。 中國焊接資訊網(wǎng)
