高能束焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

黃梓乘

摘 要：高能束焊接技術(shù)是目前常用的先進焊接技術(shù)之一，以其優(yōu)秀的焊接性能、極強的適應(yīng)性等優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位。本文概括了高能束焊接技術(shù)的發(fā)展歷程，簡述了激光、電子束、等離子束焊接的原理，分析了其性能、問題與高能束增材制造的現(xiàn)狀、機理，展望了高能束技術(shù)及高能束增材制造的發(fā)展趨勢和前景。

關(guān)鍵詞：激光;真空電子束;等離子束;增材制造

中圖分類號：TG456 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0083-02

0 引言

高能束焊接技術(shù)是一類利用高能量且作用范圍集中的束流作為熱源，作用于材料以達到使材料焊接目的的新型技術(shù)[1]，目前已成為發(fā)展極為迅速、最具重要性的前沿的制造技術(shù)之一。由于其焊接速度快、不易使材料變形、焊接質(zhì)量極佳、適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)點[2]，這種技術(shù)不僅可以滿足大量生產(chǎn)、高自動化程度生產(chǎn)的需要，亦可在要求少量、多品種乃至個性化定制生產(chǎn)的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在視現(xiàn)代化制造技術(shù)如至寶的今天，高能束焊接技術(shù)自然成為國際間科技競爭的焦點之一，它是生產(chǎn)高科技國防武器裝備的必需技術(shù)之一，同時也是度量一個國家工業(yè)水平及制造能力的最具代表性的指標之一。如今，高能束焊接及制造技術(shù)已滲入到民用工業(yè)及軍工業(yè)的多個領(lǐng)域，并在其中不斷發(fā)光發(fā)熱，為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)做出了較大的貢獻。

本文將從高能束焊接的三個具體方面：激光、電子束及等離子激光焊接技術(shù)切入，分析并總結(jié)了三類高能束焊接技術(shù)的機理、發(fā)展歷程和應(yīng)用、以及未來的發(fā)展趨勢，從而指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究。

1 激光焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

激光焊接技術(shù)是一種利用高能量密度的激光為熱源的高效材料加工方法[2]，主要優(yōu)點是焊接深度較大、速度較快、操作簡便。目前，常見的激光焊接所使用的激光器主要為CO2激光器及Nd：YAG激光器兩種，它們的研發(fā)時間相對其他類型的激光器更長，技術(shù)更加完善，應(yīng)用的領(lǐng)域也十分廣泛。前者是一種可連續(xù)工作的氣體激光器[2]，激光活性介質(zhì)是CO2、碳酸氣及氮氣等混合氣體，發(fā)射波長為10.6μm的光，電光轉(zhuǎn)化效率介于10-30%之間，輸出功率最低為0.5kW，最高可達50kW;后者利用摻有Nd雜質(zhì)的YAG晶體為激光活性介質(zhì)，與CO2激光器發(fā)射的激光相比，Nd：YAG激光器發(fā)射出的激光波長更短，電光轉(zhuǎn)化效率及輸出功率均低于前者。而且它不僅可連續(xù)輸出，還可以進行脈沖輸出;且因發(fā)射光波長較短，激光束更易被焊接材料所吸收，故在高反射率材料的焊接上有更大的性能優(yōu)勢。此外，Nd：YAG激光器支持光纖傳輸[3]，可匹配機器人加工系統(tǒng)，因此支持遠程控制，利于進行自動化深入高產(chǎn)。集上述優(yōu)勢于一身，Nd：YAG激光器在激光焊接中的應(yīng)用比CO2激光器更加廣泛。

但是，在實際生產(chǎn)的過程中，激光焊接技術(shù)存在的一些缺陷也暴露出來[3]：如對激光束位置準確度的要求高，不能出現(xiàn)偏移;操作設(shè)備成本昂貴;能量轉(zhuǎn)換效率總體偏低;焊接性能較易受到反射性與導(dǎo)熱性不同的材料的影響等。上述問題一定程度上制約了激光焊接技術(shù)的進一步發(fā)展;不過，隨著技術(shù)研究的進一步深入，上述問題也在逐步被解決。激光焊接技術(shù)正不斷向高質(zhì)量、高效率、低成本、低要求的方向發(fā)展;此外，激光焊接技術(shù)還與增材制造技術(shù)等現(xiàn)今熱門的新技術(shù)結(jié)合在一起[4]，如激光選區(qū)熔覆、激光選區(qū)燒結(jié)等先進制造工藝，使金屬零件得以快速成型，加工過程更加簡便，成品質(zhì)量更優(yōu)。

2 電子束焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

電子束焊接（英文簡稱EBW）是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常用的高能束焊接技術(shù)之一[5]，通過熱發(fā)射或者場發(fā)射陰極來產(chǎn)生電子，經(jīng)過電場加速和磁透鏡聚焦，使電子加速并聚焦成束后撞擊工件，由于工件內(nèi)能升高使工件迅速升溫熔化，從而達到焊接的目的。在此過程中，電子在25～300kV的高壓下可加速至0.3～0.7c。真空電子束焊接技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的電子束焊接方式[7]，可避免空氣中其他介質(zhì)的干擾，且因其傳熱機制獨特、焊接環(huán)境純凈、熱輸入量低、能量密度大、焊接速率較高、穿透能力較強等優(yōu)勢，它在鋁、鈦及其合金、鋼鐵等金屬材料的焊接方面，在航空航天、化工、機械、微納制造等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。

電子束焊接在合金材料的焊接方面表現(xiàn)優(yōu)良，具有較強的適應(yīng)性。實驗結(jié)果表明[6]，在一定的工藝參數(shù)下，利用真空電子束焊接技術(shù)對20mm厚的某種鋁合金進行焊接，焊縫成型質(zhì)量良好;在鋼鐵材料的焊接中，電子束焊接對于碳鋼、不銹鋼等鋼材的焊接性能優(yōu)異;對一些難熔金屬及金屬間化合物，甚至一些復(fù)合材料的焊接也有良好的效果。另外，由熔焊發(fā)展出的多種電子束焊接方法，如掃描焊、多遲焊等，在一些材料的焊接中擁有更佳的表現(xiàn)，進一步優(yōu)化了電子束焊接技術(shù)的性能，使電子束焊接的應(yīng)用范圍得到了一定的拓展。

然而，電子束焊接技術(shù)在部分材料的焊接上仍表現(xiàn)出一定的缺陷。例如，在對鋁合金的焊接過程中容易出現(xiàn)氣孔和裂紋，影響材料的性能;電子束焊接對于淬硬傾向大的鋼材而言性能較差，容易出現(xiàn)對材料威脅較大的冷裂紋;近β型鈦合金在經(jīng)電子束焊接后，焊接接頭的性能遠無法達到與母材相同的程度，焊接質(zhì)量較差[5]。此外，一些復(fù)合材料使用該技術(shù)焊接后表現(xiàn)出一定的性能損失[6]，如SiCp/Al復(fù)合材料經(jīng)過焊接，焊縫中損失了較多的SiC顆粒等問題。盡管如此，上述問題在通過對焊接工藝的調(diào)整和改進后已經(jīng)得到了較大的改善。而如今，在結(jié)合了表面工程和增材制造技術(shù)后，電子束焊接技術(shù)又得到了更加快速的發(fā)展。結(jié)合表面工程技術(shù)，對材料表面進行毛化、強化和改性，或結(jié)合增材制造，利用電子束進行氣相沉積，一方面充分增強了材料的性能，另一方面又提高了電子束焊接的質(zhì)量，使得電子束焊接技術(shù)的綜合優(yōu)勢進一步得到增強和顯示，更能適應(yīng)未來高精度高效率的工業(yè)制造要求。

3 等離子弧焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

等離子弧焊接技術(shù)的研究與發(fā)展始于20世紀50年代[7]，其原理是通過金屬電極與噴嘴或與材料之間加高電壓，使兩者之間的氣體發(fā)生電離產(chǎn)生電弧，再經(jīng)過一系列壓縮作用形成溫度及能量密度極高的等離子弧，并以此為熱源進行焊接。其中，發(fā)射的金屬電極通常為加有少量稀土元素的鎢極，壓縮作用有熱壓縮、機械壓縮及電磁收縮三種[8]，壓縮后得到的等離子弧柱中氣體電離程度充分，成為等離子體，且能量極為集中。等離子弧焊接憑借其能量集中、電弧穩(wěn)定、應(yīng)力變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)勢，適用于熱敏感性強的難熔活潑金屬材料的焊接。

目前常用的等離子弧焊接方式主要為有[7]微束等離子弧焊、熔透型等離子弧焊及脈沖等離子弧焊等，可根據(jù)不同材料的性質(zhì)、焊接的要求等進行焊接方式的調(diào)整。一般而言，直流等離子弧焊接適用于鋼、鈦合金等材料的焊接，而交流等離子弧焊在鋁、鎂等焊接中較易形成氧化膜的金屬材料的焊接上較有優(yōu)勢。此外，根據(jù)等離子弧的不同工作方式[8]，亦可將其分為轉(zhuǎn)移型、混合型等離子弧以及等離子焰流三種。其中的等離子焰流是由電極與噴嘴間形成等離子弧并通過噴嘴噴出高溫等離子焰流，它特殊的工作原理導(dǎo)致其產(chǎn)生的電弧溫度較前兩者低，而且具有較弱的指向性，因此更適合進行非金屬材料的連接。

4 高能束增材制造

近年來，隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，它與其他技術(shù)交叉融合的研究與應(yīng)用也取得了一定的進展[9]，而高能束增材制造便是其中的一個代表。作為增材制造領(lǐng)域的一個重要分支部分，高能束流快速制造是以高能束為熱源，通過加熱材料使其結(jié)合達到直接制造零件目的的技術(shù)，已經(jīng)形成了較為完整的加工技術(shù)體系。目前，主要的高能束增材制造技術(shù)包括真空電子束物理氣相沉積及毛化技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、激光選區(qū)沉積技術(shù)等。利用高能束增材制造技術(shù)，可以更便捷有效地進行疊層材料、復(fù)合材料的制造;進行特殊材料的表面改性、薄膜及涂層的加工等，如今它在工業(yè)制造中已獲得了較為廣泛的應(yīng)用[10]。

5 結(jié)語

激光、真空電子束、等離子弧焊接技術(shù)是目前較主流的材料加工方法，它們的共同點是三種方法均使用高能效熱源進行加工制造，同時三者在焊接機理、操作環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著差異，同時，高能束增材制造與焊接技術(shù)有著緊密的聯(lián)系，并且加工制造工藝日益成熟。過去，焊接技術(shù)停留在低溫低能量，制作簡單工具器械的水平上，無法適應(yīng)大工業(yè)多材料的生產(chǎn)方式。如今，隨著高能束焊接技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜大件材料的焊接變成可能，新型材料焊接蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代制造工業(yè)的發(fā)展與變革得到了推動。在未來，高能束與增材制造等新型制造技術(shù)更加緊密地結(jié)合，新型材料的制造將變得更加便捷，工業(yè)將得到更為長足充分的發(fā)展，技術(shù)發(fā)展的果實最終將更好地惠及全人類。高能束技術(shù)的發(fā)展終將使工業(yè)發(fā)展的前程變得更加明朗而美好。

參考文獻

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