焊接方法與設(shè)備之《高能密度焊》講解

曹梅青　張芬　謝鯤　夏鵬成　岳麗杰

【摘 要】《焊接方法與設(shè)備》是金屬材料專業(yè)（焊接技術(shù)方向）的專業(yè)核心課，高能密度焊是《焊接方法與設(shè)備》課程中非常重要且先進(jìn)的焊接方法。本文從電子束焊、激光焊和等離子弧焊三種高能密度焊的不同及相同之處來進(jìn)行對(duì)比講解，匹配相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生對(duì)課程的掌握程度。

【關(guān)鍵詞】高能密度焊;電子束焊;激光焊;等離子弧焊

中圖分類號(hào)： TG44-4;G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）15-0047-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.022

High Energy Density Welding Explaination about the Course Welding Technology and Equipment

CAO Mei-qing ZHANG Fen XIE Kun XIA Peng-cheng YUE Li-jie

（College of Meterial Science and Engineering，SUST，Qingdao Shandong 266590，China）

【Abstract】“Welding Technology and equipment”is a professional course for Materials processing engineering（welding technology direction），and high energy density welding is a very important and advancing welding method.The differences and similarities between electron beam welding，laser welding and plasma arc welding were teached specially with the relevant experiment.

【Key words】High energy density welding;Electron beam welding;Laser welding;Plasma arc welding

《焊接方法與設(shè)備》是本學(xué)院金屬材料專業(yè)（焊接技術(shù)方向）的專業(yè)核心課，該課程既側(cè)重理論知識(shí)也重視實(shí)踐操作[1]。高能密度焊是所有焊接方法中比較重要且先進(jìn)的焊接方法，掌握高能密度焊的三種具體焊接方法對(duì)于學(xué)生掌握該課程內(nèi)容及以后開展科研具有重要的意義。

1 什么是高能密度焊

高能密度焊又稱高能焊、高能束焊，指的是利用電子束、激光束以及等離子弧等具有高能量密度的束流作為焊接熱源的焊接方法，這三種熱源的功率密度均高于5×105W/cm2[2]。要給學(xué)生明確當(dāng)功率密度處于低功率密度區(qū)（<3×102W/cm2）和超高功率區(qū)（>109W/cm2）都難以用于焊接，低功率密度時(shí)工件上獲得的熱輸入不足無法實(shí)現(xiàn)連接，而超高功率密度時(shí)待焊工件汽化也無法進(jìn)行焊接。正常焊接時(shí)可以在中等功率密度和高功率密度區(qū)進(jìn)行。

2 如何講解高能密度焊

為使學(xué)生能夠更加深刻地理解該部分內(nèi)容，授課過程中給學(xué)生播放視頻，結(jié)合視頻進(jìn)行講解。高能密度焊包含的三種焊接方法在焊接原理、焊接工藝過程及設(shè)備上截然不同，但是三種方法在焊接方式上又有相同之處，均包含深熔焊和傳熱焊兩種方式，在講授該部分內(nèi)容時(shí)要給學(xué)生重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)其異同點(diǎn)。

2.1 三種焊接方法的不同之處

電子束焊、激光焊和等離子弧焊三者的焊接原理有所不同，電子束焊接時(shí)利用空間定向高速運(yùn)動(dòng)的電子束撞擊工件后，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，從而使被焊工件熔化，形成焊縫。這兒要給學(xué)生重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是電子束焊和電弧焊的區(qū)別是存在能量的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，是將高速運(yùn)動(dòng)的電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成了熱能而用于加熱工件的。激光焊是以高能量密度的激光作為熱源，對(duì)金屬進(jìn)行熔化而形成焊接接頭的焊接方法，與其他焊接方法不同的是激光是將光能轉(zhuǎn)換成熱能用于焊接的。而等離子弧焊則是利用受到三種壓縮作用的等離子弧作為熱源的焊接方法。

焊接設(shè)備上三者也不盡相同，電子束焊的設(shè)備包括電子槍、工作真空室、高壓電源、控制及調(diào)整系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、工作臺(tái)及輔助裝置等，其核心部件是電子槍，電子槍處于高真空環(huán)境，包括靜電部分和電磁部分。靜電部分由產(chǎn)生電子的陰極和接收電子的陽極以及控制電子束流強(qiáng)度的聚束極構(gòu)成，陰、陽極間加負(fù)高壓，使電子定向加速運(yùn)動(dòng)，形成束流。電磁部分由對(duì)電子束進(jìn)行聚焦的電磁透鏡（聚焦線圈）、控制電子束進(jìn)行偏擺的偏轉(zhuǎn)線圈以及使靜電系統(tǒng)和電磁透鏡保持同心（合軸）的合軸系統(tǒng)組成。激光焊設(shè)備主要由激光器、光學(xué)偏轉(zhuǎn)聚焦系統(tǒng)、光束檢測(cè)系統(tǒng)、工作臺(tái)、電源及控制系統(tǒng)、焊槍、氣源和水源、操作盤和數(shù)控裝置等組成。其核心部件激光器又由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源（泵浦源）、諧振腔、電源、控制和冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成。按照激光工作物質(zhì)的不同，激光器常見的類型有固體激光器（YAG激光器）和CO2氣體激光器，釹離子Nd3+和CO2分子均能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)。等離子弧焊接設(shè)備里最重要的部分是等離子發(fā)生器，等離子發(fā)生器用來形成區(qū)別于普通電弧的能量密度高度集中的等離子弧。

除了焊接速度、焊槍與工件間距離等共同工藝參數(shù)外，三種高能密度焊其他的焊接工藝參數(shù)也有所不同，電子束焊的工藝參數(shù)有加速電壓、電子束流、聚焦電流等。激光焊分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊，脈沖激光焊的工藝參數(shù)有脈沖能量、脈沖寬度、功率密度、離焦量。連續(xù)激光焊的工藝參數(shù)有激光功率、光斑直徑、離焦量和保護(hù)氣體等。等離子弧焊的工藝參數(shù)有焊接電流、噴嘴孔徑、離子氣流量和種類以及保護(hù)氣及流量等。

以上為三種高能密度焊的不同之處，在講解時(shí)給學(xué)生結(jié)合實(shí)例及視頻進(jìn)行介紹，如給學(xué)生規(guī)定板厚和材質(zhì)的板，讓學(xué)生查閱國(guó)標(biāo)或工藝手冊(cè)，制定出對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)表。

2.2 三種焊接方法的相同之處

電子束焊、激光焊和等離子弧焊能量密度高，加熱集中，在焊接時(shí)均存在深熔焊和傳熱焊兩種方式。

深熔焊時(shí)功率密度高，金屬被熔化并伴隨有強(qiáng)烈的蒸發(fā)，形成小孔效應(yīng)，焊縫熔深大，深寬比大，適合焊中厚板。傳熱焊時(shí)工件表面功率密度小，沒有顯著的金屬蒸發(fā)現(xiàn)象，通過熱傳導(dǎo)使焊件熔化，和普通電弧焊類似。

除了焊接時(shí)三種方法的模式相同外，三種高能密度焊方法還均可以用作表面處理和切割。表面處理是利用電子束、激光或者等離子弧作為熱源，在基體表面熔敷或噴涂一層具有特殊性能的物質(zhì)，從而提高基體材料的表面耐磨、耐蝕或耐高溫性能。切割則是利用三者的高能量密度使被切割的材料汽化或熔化通壓縮空氣將切口金屬吹出實(shí)現(xiàn)切割過程。

需要給學(xué)生重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是目前的研究熱點(diǎn)是用高能密度焊的幾種方法來進(jìn)行表面處理、增材制造等研究。在此給學(xué)生展開進(jìn)行講解，讓學(xué)生了解學(xué)科前沿。并給學(xué)生布置課外練習(xí)，讓學(xué)生分組查閱文獻(xiàn)資料，寫出報(bào)告，并制作PPT進(jìn)行演講，跟大家一塊分享有關(guān)于學(xué)科前沿的熱點(diǎn)知識(shí)。通過該環(huán)節(jié)的練習(xí)，提高學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)了其專業(yè)興趣、鍛煉了其團(tuán)隊(duì)意識(shí)。該環(huán)節(jié)深受學(xué)生喜愛，都能夠表現(xiàn)積極，主動(dòng)提出要進(jìn)行演講。

2.3 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高能密度焊知識(shí)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程內(nèi)容，單靠老師課堂講授，學(xué)生無法直觀地了解三種高能密度焊方法，為加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，在進(jìn)行理論講解的同時(shí)安排了關(guān)于電子束焊、激光焊以及等離子弧焊的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

電子束焊、激光焊及等離子弧焊接實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生了解相關(guān)焊接設(shè)備構(gòu)成，焊接原理，掌握焊接工藝參數(shù)的制定，能夠根據(jù)所給不同材質(zhì)、不同板厚的板制定合適的工藝參數(shù)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行組織和性能分析。

實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，每3-5人一個(gè)小組，每人都撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告包含實(shí)驗(yàn)原理、目的，實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。學(xué)生通過動(dòng)手操作，能夠深入了解三種高能密度焊的相關(guān)工藝以及設(shè)備，更加深刻地理解三種焊接方法的異同點(diǎn)。

3 結(jié)語

《焊接方法與設(shè)備》是金屬材料工程（焊接技術(shù)方向）不可或缺的一門專業(yè)課，高能密度焊的電子束焊、激光焊和等離子弧焊三種方法是焊接方法中非常重要且先進(jìn)的方法。通過對(duì)比三種方法的異同點(diǎn)來進(jìn)行講解匹配相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生理解該知識(shí)點(diǎn)，更加深刻地掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊立軍.材料連接設(shè)備及工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]劉合金.高能密度焊[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.