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高能束流焊接技術的最新進展

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高能束流焊接技術的最新進展


                   西北工業大學  劉金合(教授、博士生導師) 
 
    高能束流焊接的功率密度(Power Density)達到105W/cm2以上。 
    束流由單一的電子、光子、電子和離子或二種以上的粒子組合而成。屬于高功率密度的熱源有: 等離子弧、電子束、激光束及復合熱源  激光束+Arc(TIG、MIG、Plasma)。
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。 
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,對鋁等材料的適應性差。Laser-GMA的復合效應表現在: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;激光產生的等離子體減小了電弧引燃和維持的阻力,使電弧更穩定;激光功率決定了焊縫的深度;更進一步講,復合導致了效率增加以及焊接適應性的增強。 
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  激光、工件與保護氣體相互作用的研究 
1.6  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。 
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,在較寬的參數區間內形成了規整的焊道。對6061鋁合金的焊接表明,焊縫強度可達到母材的90%。 
1.7  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        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的研究。在對大厚度板第一次焊接的基礎上,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注。 
關于非真空電子束焊接,德國實現了母材為Al Mg0.4 Si1.2的旋轉件的填絲焊接,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的25kW電子束焊機上完成。 
非真空電子束焊接在汽車制造領域一直倍受重視。例如,手動變速器中同步環與齒輪的非真空電子束焊接,生產率已超過500件/小時。 
最近,德國和波蘭的學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注點之一。 
3  國內高能束流焊接現狀 
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。 
3.1  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。 
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。 

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