高能束流焊接技術(shù)的最新進(jìn)展

當(dāng)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(jī)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(kuò)展。
1 、激光焊接的最新進(jìn)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(zhǔn)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(diǎn)是：①一機(jī)多用。②采用一臺激光機(jī)可進(jìn)行多工位（可達(dá) 6 個(gè)）加工。③光纖長度最長可達(dá) 60m 。④開放式的控制接口。⑤具有遠(yuǎn)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(shí)，熔池上方產(chǎn)生等離子體，復(fù)合加工時(shí)，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(jìn)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(qiáng)，缺點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)。
    從能量觀點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)相近。阿亨大學(xué)弗朗和費(fèi)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(bào)導(dǎo)。其優(yōu)點(diǎn)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(yàn)基礎(chǔ)上，還要在 12 000W CO2 激光以及光纖傳輸?shù)?2kW YAG 激光器上進(jìn)行，并為機(jī)器人進(jìn)行 PALW 打基礎(chǔ)。
1.5 鋁合金的激光焊接
    鋁合金由于比強(qiáng)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(dá)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(shí)）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(bào)道，其中 MIG － DC electrode position 方法由于表面的清理作用強(qiáng)和加絲的合金化作用效果為好。
    最近，比利時(shí)的 L Cretteur 和法國的 S Marya 對 6061 鋁合金進(jìn)行了混合氣和焊劑的 CO2 激光焊。在給定的試驗(yàn)條件下表明： 70%He+30%Ar 、氣流方向與焊接方向相反時(shí)效果為好；針對穿透焊接時(shí)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(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)度高；稀釋率低；改性層厚度可精確控制，定域性好、可達(dá)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(jī)發(fā)動機(jī) 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(jìn)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(jī)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(jī)已問世，一次可焊 200 mm 的不銹鋼，深寬比達(dá) 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(bǔ)頂部下凹或咬邊缺陷；日本采用雙搶實(shí)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(jī)也頗引人關(guān)注。
    關(guān)于非真空電子束焊接，德國實(shí)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(dá) 60m/min 。該研究在斯圖加特大學(xué)的 25kW 電子束焊機(jī)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(shí)。
    最近，德國和波蘭的學(xué)者共同研制了真空電子束焊接時(shí)安裝于真空室中的非接觸測溫裝置，測量點(diǎn)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(jī)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(diǎn)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(jī)床、計(jì)算機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)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(jī)上百臺，并形成了一支研制生產(chǎn)的技術(shù)隊(duì)伍，能為國內(nèi)市場提供小功率的電子束焊機(jī)。
    近年來，出現(xiàn)了關(guān)鍵部件（電子槍，高壓電源等）引進(jìn)、其它部件國內(nèi)配套的引進(jìn)方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(jī)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(jī)已接近或趕上國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而價(jià)格僅為國外同類產(chǎn)品的 1/4 左右，有明顯的性能價(jià)格比優(yōu)勢。
    在機(jī)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(jī)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(kuò)展行為、接頭殘余應(yīng)力、填絲焊接、局部真空焊接時(shí)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(diǎn)開關(guān)，成功地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧的高頻交替工作，實(shí)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(fù)半波分別由兩臺直流電源供電，對工件（鋁）實(shí)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(shí)粉末在轉(zhuǎn)移弧中的輸運(yùn)行為及其主要影響因素，計(jì)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(yùn)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(jī)公司利用自制的電源設(shè)備配以進(jìn)口的等離子焊槍，實(shí)現(xiàn)了某航空發(fā)動機(jī)工藝的改進(jìn)。