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高能束流焊接技术

高能束流焊接技术 2011年12月10日 来源： 　当前高能束流焊接被关注的主要领域是：①高能束流设备的大型化—功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化。②新型设备的研制，诸如，脉冲工作方式以及短波长激光器等。　　③设备的智能化以及加工的柔性化。④束流品质的提高及诊断。⑤束流、工件、工艺介质相互作用机制的研究。⑥束流的复合。⑦新材料的焊接。⑧应用领域的扩展。

1 、激光焊接的最新进展

1.1 新型激光器

（ 1 ）直流板条式（ DC Slab ） CO2 激光器、（ 2 ） 二极管泵浦的 YAG 激光器、（ 3 ） CO 激光器、（ 4 ）半导体激光器、（ 5 ）准分子激光器。

1.2 激光器功率的大型化、脉冲方式以及高质量的光束模式

以美国 PRC 公司为例，几年前，用于切割的 CO2 激光器功率主要是 1500~2000W ，而近期的主导产品是 4000~6000W ， 6000W 可切割的不锈钢厚度、碳钢厚度分别为 35 mm 和 40 mm 。

1.3 设备的智能化及加工的柔性化

尤其是对 YAG 激光，由于可用光纤传输，给加工带来了极大的方便。

其主要特点是：①一机多用。②采用一台激光机可进行多工位（可达 6 个）加工。③光纤长度最长可达 60m 。④开放式的控制接口。⑤具有远距离诊断功能。

1.4 束流的复合

最主要的是激光－电弧复合。深熔焊接时，熔池上方产生等离子体，复合加工时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感的，通过与电弧的复合，则变的容易而可靠。

激光－电弧复合主要是激光与 TIG 、 Plasma 以及 GMA 。通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。

GMA 成本低，使用填丝，适用性强，缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊速高、热输入低，但投资高，对工件制备精度要求高，对铝等材料的适应性差。 Laser-GMA 的复合效应表现在：电弧增加了对间隙的桥接性，其原因有二：一是填充焊丝，二是电弧加热范围较宽；电弧功率决定焊缝顶部宽度；激光产生的等离子体减小了电弧引燃和维持的阻力，使电弧更稳定；激光功率决定了焊缝的深度；更进一步讲，复合导致了效率增加以及焊接适应性的增强。

从能量观点看，激光电弧复合对焊接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应，一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度；二是两热源相互作用的叠加效应。

GMA 、激光加丝和激光电弧复合三种方法焊接时线能量、焊缝断面以及能量利用率的比较。

Laser-TIG Hybrid 可显著增加焊速，约为 TIG 焊接时的 2 倍；钨极烧损也大大减小，寿命增加；坡口夹角亦减小焊缝面积与激光焊时相近。阿亨大学弗朗和费激光技术学院研制了一种激光双弧复合焊接，与激光单弧复合焊相比，焊接速度可增加约 1/3 ，线能量减小 25% 。

英国 Conventry 大学现代连接中心亦有 Laser-plasma 复合焊接的报导。其优点是：提高焊接速度和熔深；由于电弧加热，金属温度升高，降低了金属对激光的反射率，增加了对光能的吸收。在小功率 CO2 激光试验基础上，还要在 12 000W CO2 激光以及光纤传输的 2kW YAG 激光器上进行，并为机器人进行 PALW 打基础。

1.5 铝合金的激光焊接

铝合金由于比强度高、抗腐蚀性好而得以广泛应用。 CO2 激光焊接铝合金的困难主要在于高的反射率以及导热性好，难以达到蒸发温度、难于诱导小孔的形成（尤其是对 Mg 含量比较小时）以及容易产生气孔。提高吸收率的措施除了表面化学改性（如阳极氧化）、表面镀层、表面涂层等外，也有用激光－ TIG 、激光－ MIG 的报道，其中 MIG － DC electrode position 方法由于表面的清理作用强和加丝的合金化作用效果为好。

最近，比利时的 L Cretteur 和法国的 S Marya 对 6061 铝合金进行了混合气和焊剂的 CO2 激光焊。在给定的试验条件下表明： 70%He+30%Ar 、气流方向与焊接方向相反时效果为好；针对穿透焊接时焊缝背面容易产生下垂缺陷，采用 75% LiF+25%LiCl 的焊剂，起到了祛除氧化、改善熔化金属与背面母材的接合，使背面焊缝具有 " 上翘 " 效应，在较宽的参数区间内形成了规整的焊道。对 6061 铝合金的焊接表明，焊缝强度可达到母材的 90% 。

1.6 激光熔覆

激光熔覆与其它表面改性方法相比，加热速度快、热输入少，变形极小；结合强度高；稀释率低；改性层厚度可精确控制，定域性好、可达性好、生产效率高。

激光熔覆除用于民品外，英、美等国也已用于航空机发动机 Ni 基涡轮叶片的耐热、耐磨层的熔覆及修复。

2 、电子束焊接和等离子弧焊接的最新进展

国外电子束焊接发展可归结为：超高能密度装置研制、设备智能化

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