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1、先进连接技术10.1 概述 焊接是指通过适当的手段使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合而成为一体的连接方法。广义上实现材料连接有多种方法，如机械连接、化学连接(胶接)、冶金连接等。机械连接是通过宏观的结构关联性实现材料和构件之间的连接，这种连接是暂时的、可拆卸的，承载能力和刚度一般较低。化学连接主要是通过胶黏剂与被粘物间形成化学键和界面吸附实现连接，连接强度低，且服役环境和温度存在局限性。,冶金连接是指借助物理冶金或化学冶金方法，通过材料间的熔合、物质迁移和塑性变形等而形成的材料在原子间距水平上的连接，连接强度高、刚度大，且服役环境和温度可以与被连接材料(母材)相当。冶金连接是材料连接的
2、主要方法，应用最为广泛，通常材料加工中所讨论的“材料连接”均是指冶金连接。材料连接技术的历史可以追溯到数千年以前，但现代材料连接技术的形成主要以19世纪末电阻焊的发明(1886)和金属极电弧的发现(1892)为标志，真正的快速发展则更是20世纪30、40年代以后的事。,科学上的发现、新材料的发展和工业新技术的要求始终从不同角度推动着材料连接技术的发展，例如，电弧的发现导致电弧焊的发明，电子束、等离子束和激光的相继问世形成了高能束焊接；高温合金和陶瓷材料的应用促进了扩散连接技术的发展；高密度微电子组装技术的要求推动了微连接技术的进步等等。经过一个多世纪的发展，材料连接技术已经成为材料加工、成形的
3、主要技术和工业制造技术的重要组成部分，应用领域遍及机械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、电子技术、建筑、桥梁、能源等国民经济和国防工业各部门，在航空航天、电子技术和船舶等领域甚至成为部门发展的最关键技术。,材料连接方法众多，仅常用的就有近30种。按照连接机理(母材和填充材料的状态)可以将连接技术分为熔化焊，固相焊和钎焊三大类。熔化焊是指通过母材和填充材料的熔合实现连接的一类连接方法。,固相焊是通过连接材料在固态条件下的物质迁移或塑性变形实现连接的一类连接方法。,钎焊是利用低熔点液态合金(钎料)对母材的润湿和毛细填缝而实现连接的一类连接方法。,这些连接方法各有优点和局限性，适合于不同的材料和结
4、构。本章简要介绍几种先进的材料连接技术：激光焊、电子束焊和搅拌摩擦焊。,10.2 激光焊接加工 激光和普通光在本质上并没有区别，也是电磁波，具有渡粒二象性。但激光又是一种全新的光源，具有其他光源所不具备的一些特性。激光具有普通光源所无法比拟的高亮度，是世界上最亮的光。例如，CO2激光的亮度比太阳光亮8个数量级，而高功率钕玻璃激光比太阳光亮16个数量级。激光接近理想平行光，发散角很小，且单色性好，频率单一，经透镜聚焦后可以获得很小的光斑(最小光斑直径可达激光波长量级)。高亮度基础上的理想聚焦使得激光成为一种高功率密度能源，功率密度可达104105Wcm2或更高。,激光的高能量密度特点奠定了其在材
5、料加工领域巨大的应用价值。自从1960年美国研究成功世界上第一个红宝石激光器，尤其是加世纪70年代大功率CO2激光器出现以来，激光在材料加工领域的应用也取得了迅猛的发展。目前，已成功开发的激光加工技术主要有：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面改性、激光熔覆、激光快速成形等。本节简要介绍激光的基本原理及其在材料加工中的应用。,1.激光产生的基本原理 简单地说激光是一种高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的光，它是通过一定物质(激光物质)的受激辐射而获得的，这一点通过激光的英文名Laserlight amplification stimulated emission of radiation(
6、光的受激辐射放大)也可以看出。激光的获得依赖于两个物理过程：受激辐射和粒子集居数反转。,（1）受激辐射 按照玻尔的氢原子理论，原子系统只能具有一系列不连续的能量状态，这些能量状态称为原子系统的稳定状态(亦称能级)。在这些稳定状态，原子中的电子做加速运动，但并不辐射电磁能。一个原子既可以从外界吸收能量(激发)从低能状态跃迁到高能状态，也可以向外界释放能量从高能状态跃迁到低能状态。当原子在这些跃迁过程中所吸收或释放的能量为光能时，这些跃迁过程被统称为辐射跃迁。辐射跃迁时，光的频率和跃迁能级之间满足普朗克公式：h=E2E1式中，为吸收或释放的光子频率；E1、E2为能级；h为普朗克常数，其值为6.62
7、616-34Js。根据具体机制，辐射跃迁又分为自发辐射、受激辐射和受激吸收。,自发辐射 任何系统都有从高能量状态回复到低能量状态的趋势。如果高能级E2上的原子自发地回复到低能级E1上，且同时释放一个=(E2E1)h的光子，则称这个过程为光的自发辐射，如图10-2所示。,受激辐射 处于高能量状态的原子除自发辐射外，受外来光子的激励也可以从高能级跃迁到低能级并同时按普朗克公式=(E2E1)h 释放一个和外来光子完全相同的光子，这一过程称为受激辐射，如图10-3所示。,受激吸收 与受激辐射相反，处于低能状态的原子吸收=(E2E1)h的光子从低能级跃迁到高能级的过程称为受激吸收，如图10-4所示。,受
8、激辐射和自发辐射虽然都释放光子，但两种过程的物理本质和效应均存在差异。自发辐射是一个纯自发的过程，一个处于高能级的粒子系统若发生自发辐射，每个原子所释放的光子虽然都满足普朗克公式，但这些光子的相位、方向和偏振都不相同。受激辐射是受激产生的，一个处于高能级的粒子系统若发生受激辐射，每个原子所释放的光子不仅满足普朗克公式，而且这些光子的频率、相位、方向和偏振都与外来光子相同，其效应相当于外来光线的放大。显然，受激辐射是激光产生的最重要的物理基础之一。激光形成过程中受激吸收、自发辐射和受激辐射等几个物理过程同时存在，而且缺一不可。,（2）粒子集居数反转 众所周知，一种信号可以通过一定的机制被放大。但
9、无论信号如何被放大，能量总是守恒的。粒子系统的受激辐射可以将同一种光放大，这种放大也需要提供能量。具体的机制是要使粒子系统对外来光束有放大作用(产生激光)，外界必须通过某种途径对粒子系统提供能量，使粒子系统处于高能量状态。,在平衡条件下，任何粒子系统(原子、分子等)在各能级的分布满足玻耳兹曼公式，能级的能量越高，所拥有的粒子数越少，即低能级上的粒子数N1大于高能级上的粒子数N2。外来光线入射这种粒子系统时，受激吸收的粒子数将大于受激辐射的粒子数，系统吸收外来光子使自身能量提高，因此，光对这种系统作用时只会被减弱，而不可能被放大。,要使粒子系统对外来光有放大作用，必须使系统的受激辐射粒子数大于受
10、激吸收粒子数。即外界必须通过一定的机制对系统提供能量，使系统处于高能量状态高能级上的粒子数(N2)多于低能级上的粒子数(N1)，这种现象称为粒子集居数反转(简称粒子数反转)，而处于高能量状态且具有粒子数反转特征的介质称为激活(态)物质（激活介质）。当光在激活介质中传播时，一方面，低能态的粒子要吸收光子发生受激吸收；另一方面，高能态的粒子要发生受激辐射回到低能态。但在这种系统中同一时间内受激辐射的粒子数要大于受激吸收的粒子数，受激辐射占主导地位，外来光线将被放大。,获得激活介质的方法很多，如光泵浦、气体放电激励(电激励)、电子束激励，气体动力激励、化学反应激励等，其中光泵浦和电激励最为常用。光泵
11、浦是用光照射粒子系统(介质)，利用粒子的受激吸收使系统实现粒子数的反转，如红宝石的粒子数反转就是通过氙灯照射来实现的。电激励是在两极间施加直流高电压，通过两极间气体介质辉光放电过程中电子、离子及分子间的碰撞，以及粒子间的共振交换能量，使低能态粒子跃迁到高能态而实现系统的粒子数反转。如CO2气体即是通过气体放电激励实现粒子数反转。,(3)激光的形成 从激光工作介质受到外部能量激励开始，激光器的工作原理可简单地归纳为如图10-5所示。,如图10-6所示，激光工作介质在工作前处于平衡状态，粒子在能级上的分布满足波耳兹曼分布，低能级(E1)上的粒子数多于高能级(E2)上的粒子数。激光器开始工作时，激光
12、工作介质首先受到外部能量的激励，粒子吸收能量从低能级跃迁到高能级，当高能级(E2)上的粒子数(N2)多于低能级(E1)上的粒子数(N1)时，系统形成粒子集居数反转。,由于高能级的粒子总是试图向低能级跃迁，而且每个粒子从高能级向低能级跃迁(自发辐射)时都发出一个光子(其频率满足普朗克公式)，这些自发辐射产生的光子作为外来光子将激发其他粒子发生受激辐射和受激吸收。但因N2N1，产生受激辐射的粒子数多于受激吸收的粒子数，因而总的效果是光被放大。一个光子激励一个高能级(E2)上的粒子发生受激辐射，产生一个和激励光子完全相同的光子，这两个光子又将作为激励光子激励另外两个高能级上的粒子发生受激辐射，产生两
13、个完全相同的光子，如此往复，光得到雪崩式放大而迅速增强。,如果再在粒子系统两端放置两块反射镜，则构成光学谐振腔。很明显，只有平行于谐振腔光轴方向的光才能在两个镜面之间来回反射而得以振荡放大，其他方向的光经有限次反射后将逸出腔外而消失。如果谐振腔的一侧是一个半反射镜，当光达到一定强度时将有部分激光透过半反射镜输出腔外。在激光产生的过程中，随着谐振腔内光子强度的增加，腔内受激辐射越来越强，高能级(E2)上的粒子数减少，低能级(E1)上的粒子数增加，当光子强度达到某一值后，高能级与低能级上的粒子数达到动态平衡，通过外部能量激励或受激吸收从低能级跃迁到高能级上的粒子数与经受激辐射或自发辐射从高能级跃迁
14、到低能级的粒子数相等，光子强度不再增加，输出稳定的激光。,2.激光器与光学系统 典型的激光焊接与加工系统主要由激光器、光学系统、工装系统和控制系统等组成，如图10-7所示。这里简要介绍激光器和光学系统。,(1)激光器 用于材料焊接与加工的激光器主要有CO2气体激光器和掺钕钇铝石榴石(YAG)固体激光器。A CO2气体激光器 CO2激光器是目前工业应用最广泛的一种激光器。其工作物质主要是CO2气体，添加一定量的N2和He。CO2是产生激光的粒子系统，N2和He具有增加CO2激励效应及气体介质与热交换器之间的导热、提高激光器输出功率和效率的作用。CO2气体激光器主要由激光工作物质、光学谐振腔、热交
15、换器、真空泵等几部分组成。,热加工中应用的CO2激光器可按结构分为三种形式：封离式或半封离式、轴流式和横流式。封离式CO2激光器是结构最简单的一种CO2气体激光器。结构主体(放电管)由石英玻璃管制成，管内充以CO2、N2和He混合气体，放电管是封闭的，使管内的气体与外界隔离(故称为封离式CO2激光器)。激光器工作时，在电极间加上直流高压，通过混合气体的辉光放电激励CO2分子从低能级跃迁到高能级并形成激光，见图10-8(a)。,这类激光器的特点是结构简单、维护方便，输出光束质量好。由于受工作气体温升的影响，输出功率较小，一般为5070W/m。为了增加功率输出，常采用多管串联或并联结构。整个激光器
16、功率通常在1kW以下。另外，这类激光器的工作气体还存在“老化”现象，一旦工作气体“老化”，则激光器不能正常工作。为解决这一问题，可在放电管上开孔，将“老化”的气体抽出换以新的工作气体。这种可定期更换工作气体的激光器称为半封离式CO2激光器。,轴流式CO2激光器也称为纵流式CO2激光器，依工作气体的流速又可分为快速轴向流动式和慢速轴向流动式，前者气体流速为200300m/s，最高可达500ms；后者气流速度较慢，通常为0.11.00ms。见图10-8(b)。,针对封离式激光器受工作气体温升的限制，输出功率小的缺点，轴流式CO2激光器中增加了可使气体循环流动的风管，且在风管内设置有冷却器。激光器工
17、作时，工作气体在风机驱动下在谐振腔中循环流动，经过冷却器时教强制冷却，从而保证在高能量输入密度条件下气体温度不致明显升高，且工作过程中还可以不断向激光器更换气体。因此，与封离式CO2激光器相比，轴流式CO2激光器的最大特点是电光效率高。系统单位长度放电区域上获得的激光输出功率大(快速轴流式可达5002000Wm，慢速轴流式为80Wm)，广泛应用于激光焊接与切割。,横流式CO2激光器的基本单位及结构与轴流式激光器相似，但工作气体在谐振腔中沿垂直于光轴方向流动，温度低，电光效率高，激光输出功率可达10kWm。横流式CO2激光器的缺点是很难聚焦到直径很小的光斑，限制了其在切割和焊接领域的应用，但在激
18、光表面改性领域反而可以收到理想的效果。,B YAG激光器 YAG激光器是一种以掺钕的钇铝石榴石为工作物质的固体激光器，主要由激光工作物质(YAG)、谐振腔、泵灯、聚光器等组成，如图10-9所示。其中泵灯为工作物质提供激励光能，一般为惰性气体放电灯，常使用脉冲氙灯。,YAG激光波长为1.06m，为CO2激光波长的十分之一，有利于聚焦和光纤传输，便于实现技术柔性化，且与金属的耦合效率高，加工性能好。但YAG激光器采用光作为泵浦源，能量转换效率低。目前焊接用YAG激光器平均输出功率为0.33kW。(2)光学系统 光学系统是指导光和聚焦系统。为了对试样或材料进行加工必须将激光导引到所需的位置，并根据要
19、求进行聚焦。工业上常用的导光系统主要有两种。,一种是由一系列反射镜和聚焦镜组成，通过反射镜改变光的方向，将激光导引到所需的加工位置，再经聚焦镜将光束聚焦成所需要的光斑直径。其中聚焦方式又有透射式聚焦和反射式聚焦两种，如图10-10所示。,另一种是采用光导纤维进行光的传输，但目前仅限于波长为1.06m的YAG固体激光器。由于光纤传输可以方便地将激光导引到所需位置。有利于技术的柔性化，因而在激光加工领域得到广泛应用。光导纤维的一个局限性是激光束可以聚焦的最小光斑直径有限，因而在应用上受到一定的限制。,3.激光焊接及应用(1)激光焊接原理及特点 1）原理 激光照射到物质表面时，一部分被反射，另一部分
20、透射，还有一部分被吸收；对于不透明的材料，除一部分被反射外，其余部分将全部被吸收。被吸收的激光通过与物质的相互作用将全部转换为热能，其物理过程可以简单地描述为：物质中的电子首先吸收光子将光能转变为动能，然后通过振动将能量传递给离子导致物质温度升高，光能转变为热能。由于这一过程的物理本质所决定，整个过程将在10-9s内的瞬间完成，而且仅发生在物质表面非常小的尺寸范围内。,以金属材料为例，当强度为J0的激光照射在金属表面时，金属内光强的变化可以用下式来描述：J=J0(1-)exp(-a)式中，为金属内距表面的距离(m)；a为吸收系数(m-1)；为反射率；J为金属内距表面处的激光强度(Wcm2)；J
21、0为金属表面的激光强度(Wcm2)。由于金属的吸收系数约为107108m，因此，在距离表面0.10.01m处，激光强度已减弱为金属表面吸收光强的1e，通常将这一距离称为吸收距离。很显然，在吸收距离内将有63.2的光能被吸收转变为热能，这正是激光表面改性的物理基础。,材料对激光的吸收主要与激光的波长、功率密度、材料的性质、表面状况及温度等因素有关。一般来说，激光功率密度越大，材料对激光的吸收率越大。对同一种材料和表面状况，激光波长越长，反射率越高，吸收率越低；随温度上升，吸收率增高。对同一种波长的激光，材料的电阻率越大，吸收率越高。材料表面状况通常是指表面粗糙度及表面有无氧化膜等。研究表明表面氧
22、化膜可以提高材料对激光的吸收率；材料表面越粗糙，对激光的吸收率越高。,激光焊是20世纪70年代发展起来的一种焊接新技术。简单地说，激光焊接是利用激光束作为热源，将被焊材料熔合而实现连接的一种焊接方法。根据激光器输出能量的方式，激光焊可分为脉冲激光点焊和连续激光焊(包括高频脉冲连续激光焊)；根据激光聚焦后焦点上功率密度的不同而导致的焊缝成形机理和特点的差异，激光焊又可分为熔化焊和小孔焊。,如图10-11(a)所示，激光熔化焊时，激光光斑功率密度不太高(105Wcm2)，金属熔池温度相对较低(低于金属沸点)，焊接时金属不气化，焊接熔池的形状主要受金属内部热传导所控制，熔深轮廓为近似球形。这种传热熔
23、化焊过程类似于非熔化极电弧焊。,当激光斑点功率密度较高(106 Wcm2)时，金属在激光的照射下被迅速加热熔化并达到沸点，一部分金属被气化。金属蒸气离开熔池时对液态金属产生一个附加压力，使熔池金属向下凹陷形成凹坑，凹坑的深度取决于该附加压力与液态金属的压力和表面张力之间的平衡。功率密度越高，熔池金属气化越快，产生的附加压力越大，凹坑的深度越大；当激光的功率密度足够大时，激光束将直接射入坑底而在焊件中形成一个细长的小孔(此时也可称为“深熔焊”)，如图10-11(b)所示。,在一定的光斑功率密度条件下激光束甚至穿透整个板厚形成所谓“小孔焊”，如图10-11(c)所示。小孔焊时小孔随着激光一起运动，
24、金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方使小孔不断锁闭并凝固形成焊缝。,2）特点 与其他焊接方法相比，激光焊具有如下特点：能量密度高(105Wcm2)，是目前所有焊接方法中能量密度最大的焊接方法：加热范围小(1mm)，在同等功率和焊接厚度条件下，焊接速度大；焊缝金属冷速大，容易得到细晶组织；焊接热影响区范围小，焊接残余应力和变形小；可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属及合金、非金属材料(陶瓷及其复合材料、有机玻璃)等；可进行“小孔焊”，实现单面焊双面成形。与电子束焊相比，激光焊的优点是不需要真空。不产生X射线，且被焊材料可以不导电。不足之处是焊接厚度比电子束焊小，焊接一些高反射率的金属还
25、比较困难。,(2)激光焊接工艺及参数 这里主要介绍连续CO2激光焊工艺参数。A 激光功率(P)焊接时激光器的输出功率对焊接熔深有直接影响，可以用如下经验公式近似描述：,hP k 式中，h为焊接熔深(mm)；P为激光输出功率(kW)；k为常数，其取值通常在0.71.0之间。很明显，焊接条件确定时激光功率与焊接线能量成正比，因此激光输出功率与焊接熔深近似成线性关系，见图10-12。,B 焊接速度(v)当其他条件确定时，随焊接速度提高，焊接线能量下降，焊接熔深减小，如图10-13所示。通常，焊接速度与熔深之间存在下列近似关系：,h 1/v r 式中，h为焊接熔深(mm)；v为焊接速度(mms)；r为
26、常数(1)。研究还表明，焊接熔深并不总是随焊接速度的降低而增加。当焊接速度过低时，不但焊接熔深不再增加，反而将导致熔宽增大。,C 光斑直径(d)光斑直径是指照射到被焊件表面的光斑尺寸。无论什么熔焊方法，通常都希望焊接能源具有尽可能高的能量密度，因为高的能量密度可以减小热影响区、降低焊接变形及应力，提高焊接质量。在激光焊接中，高的能量密度(106 Wcm2)是保证实现小孔焊的前提。由于光斑功率密度等于激光束的功率与光斑面积之比，因此，可以通过两条途径来提高光斑的功率密度：一是提高激光器的输出功率，二是缩小光斑直径。显然，前者与功率密度成正比，后者的平方与功率密度成反比，缩小光斑直径对提高功率密度
27、更有效。,D 离焦量(f)离焦量是指被焊件表面与激光焦点之间的距离。被焊件表面在焦点以内时为负离焦，在焦点以外时为正离焦，如图10-14所示。,离焦量不仅影响被焊件表面光斑的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊接熔深和焊缝形状有较大影响。,图10-15是304不锈钢激光焊接离焦量(f)对焊接熔深的影响。一定的负离焦量有利于获得大的焊接熔深，当f增大到一定值时，熔深有一个跳跃式变化过程，表明焊接模式从小孔焊向传热熔化焊转变。,E 保护气体 激光焊接过程中的保护气氛主要有两个作用：其一是保护焊缝金属不受有害气体的侵扰、防止氧化；其二是抑制焊接过程中产生的“等离子云”。所谓等离子云是高功率密度激光
28、焊接时，被加热汽化的金属蒸气在激光的照射激励下发生离解而形成的由自由运动的电子、带正电的离子和中性原子所组成的等离子体。这种等离子云通常位于焊接熔池的上方，会引起光的吸收和散射，改变光束的焦点位置，降低激光的功率密度，从而使焊接熔深变小、熔宽增大，甚至形成“图钉”状焊缝。,向焊接熔池喷吹保护气氛可以从两个方面抑制等离子云的形成：(a)等离子云的形成原因之一是金属蒸气的电离能低，向焊接区喷吹电离能高的气体有利于抑制等离子云的形成；(b)流动的保护气氛可以促进金属蒸气和等离子云从焊接区散逸。不同的保护气氛具有不同的保护和抑制等离子云的效果，因而所得到的熔深也不同。,图10-16给出了保护气氛对熔深
29、的影响。由于氦气最轻而且电离能最高，因而使用氦气作为保护气对等离子云的抑制作用最强，焊接时熔池最深。,常见的CO2连续激光焊接接头形式如图10-17所示。实际中最常用的接头形式还是对接接头。,CO2连续激光焊接接头形式：,为了获得好的焊接质量，焊前必须确保被焊件装配良好。各类接头的装配要求如表10-1所示。,(3)激光焊接的应用 如上所述，由于激光焊接能量密度高，焊接速度快。焊缝金属冷速快，容易得到细晶组织，且焊缝窄、焊接热影响区小，焊接变形和应力小，因此，一般金属材料的激光焊接接头都具有良好的抗热裂和冷裂能力，焊接性比采用普通电弧焊时的焊接性要好。但对含碳量较高的钢，激光焊接时焊缝和热影响区
30、容易得到淬硬组织，也有可能形成冷裂纹。异种材料的激光焊接只在少数材料之间才能进行，如图10-18所示。,激光焊接在机械、汽车、电子、钢铁、航空航天、轻工等领域应用广泛。在汽车工业领域，用激光焊拼焊冲压成型板料毛坯可大幅度降低制造成本、提高产品质量，如图10-19所示。,在钢铁行业，激光焊被用于焊接硅钢板(0.20.7mm)、冷轧低碳钢板(0.42.3mm)等。组合齿轮(塔形齿轮)的焊接是激光焊接在机械制造中的典型应用，具有变形小、精度高、接头剪切强度大、生产效率高等特点，焊后可直接装配使用。激光焊在航空航天领域还被用于发动机燃烧室的焊接。,4.其他激光加工技术 激光的微区、快速加热特点使其在材
31、料加工领域具有重要的应用价值，材料的激光加工技术已成为近年来材料加工领域最活跃的研究方向之一。激光与材料的相互作用取决于激光的功率密度和照射时间，调节这两个参数就可以获得不同的能量条件和材料响应，从而对材料进行各种加工和处理。目前，国内外已发展了多种激光表面改性与加工技术，如激光表面淬火、激光表面非晶化、激光表面合金化、激光熔覆、激光气相沉积和激光快速成形等。,10.3 电子束焊接 阴极发射、经高压加速、磁透镜聚焦而获得的电子束流与激光束统称为高能束。电子束作为材料加工的能源具有如下特点：功率密度高。如电子束焊接时。通常加速电压范围为30150kV，束流为201000mA，电子束的柬斑直径为0
32、.11.0mm，电子束的功率密度可达106Wcm2以上。快速、精确的可控性。作为物质基本粒子的电子具有极小的质量(9.110 31kg)和一定的负电荷(1.6 10C)，荷质比高达1.761011Ckg，通过电场或磁场可以方便、快速而精确地对电子束进行控制。有效功率大，与激光相比更易被固体金属吸收。,电子束用于焊接可以追溯到加世纪50年代，是由德国人K.H.Steigerwald 和英国人J.A.Stohr几乎在同时期发明的，主要是用于一些重要的、用其他方法难以焊接的材料和结构。虽然近年来又发展了一些新的电子束材料加工技术，如电子束表面淬火、电子束表面合会化、电子束熔覆、电子束物理气相沉积等，
33、但电子束最重要的工业应用还是在焊接方面。,1 电子束焊接原理与特点 电子束焊是利用聚焦后的电子束流加热、熔合被焊金属(母材)而实现连接的一种焊接方法，在焊接方法的分类中通常将电子束焊接和激光焊接统称为高能束焊接。电子束焊接的最大特点是存在“小孔效应”，小孔效应的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。从阴极发射的电子在数十到数百千伏的加速电压作用下被加速到0.30.7倍的光速，经聚焦后形成高功率密度的电子束流。,焊接时电子束轰击金属表面，电子的动能转变为热能，金属被迅速加热熔化并达到沸点，一部分金属被气化金属蒸气离开熔池时对液态金属产生一个附加压力，在电子束的束流压力和金属蒸气的附加压力的共同作用
34、下，熔化的金属被排开，电子束可以继续轰击底部的固态金属，被焊金属中很快形成小孔。小孔的深度取决于电子束的束流压力和金属蒸气附加压力与液态金属的压力和表面张力,之间的平衡。功率密度越高，小孔的深度越大。随着电子束在工件上移动，小孔也随着电子束一起运动，液态金属绕过小孔流向熔池后部使小孔不断锁闭并凝固形成焊缝，如图10-21所示。,由于电子束能量密度高，因此，与一般电弧焊相比电子束焊接具有如下特点：电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。电子束焊接深宽比可达60：1，一次可焊透300mm不锈钢板；焊接速度快。如焊接125mm铝板时焊接速度可达400mm/min，是氩弧焊的40倍；焊缝性能好。焊缝冷速高，可
35、避免晶粒长大，获得细晶组织，且合金元素烧损少，焊缝抗腐蚀性能好；焊接变形小。焊接热输入小，热影响区小，焊接变形小；真空条件下焊接对焊缝有很好的保护作用，有利于焊接钛及钛合金等活性材料，也有利于获得良好的焊缝成形。,电子束焊接的上述特点使其在工业生产中获得了广泛的应用，尤其在焊接航空航天用先进结构材料(如高温合金、钛合金、复合材料及金属间化合物等方面)具有重要的地位。按照被焊件所处的环境条件，电子束焊可分为三种：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。高真空电子束焊 高真空电子束焊是指被焊件环境真空为10-410-1Pa的电子束焊接，由于高真空对熔池有很好的保护作用，并防止合金元素的烧损
36、，因此可焊接活性金属、难熔金属和质量要求较高的构件。,低真空电子束焊接 低真空电子束焊接是在10-110Pa的真空条件下进行的，生产效率高，适合于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。非真空电子束焊接 非真空电子束焊接时被焊件处在非真空环境(电子束仍在真空条件下获得)，可以焊接大型产品，生产效率高，但电子束散射严重，功率密度低，焊接熔深和深宽比均较小。,2 电子束焊接系统 电子束焊接系统主要由电子枪、真空系统、工作仓(真空室)、高压电源及控制系统等几部分组成，下面分别简要介绍。（1）电子抢 电子枪是电子束焊接系统的核心部分，是产生和控制电子束的电子光学系统。电子枪有二极电子枪与三极电子枪之分，现
37、代电子束焊机多采用三极电子枪。,图10-22为三极电子枪典型结构示意图，主要由阴极、阳极、偏压电极、聚焦线圈和偏转线圈等组成。阴极为电子发射极，通常由热电子发射能力强且不易“中毒”的材料构成，常用的材料有钨、钽、六硼化镧(LaB6)等。,工作时阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。偏压电极相对于阴极呈负电位，通过调节该负电位的大小和改变偏压电极的形状和位置可以调节电子束流的大小并改变电子束的形状。聚焦线圈俗称电磁透镜，主要是利用电子切割磁力线时所受到的洛仑兹力来使电子束聚焦。通常电子枪的电极系统也同时构成一个静电透镜，它使阴极发射出来的电子汇聚在阳极附近形成交叉点。电子束
38、穿过阳极后又逐渐发散，然后通过电磁透镜(聚焦线圈)使其再一次汇聚在待焊件表面形成斑点。偏转线圈的作用是使电子束做重复性摆动或偏移。,对于大功率电子枪(30kW)可能设有两个聚焦线圈并在电子束通道上设置有小孔径光阑，以减少金属蒸气和离子对电子枪工作稳定性的影响，同时。双聚焦还增加了调节电子束形状的可能性。电子枪的静电透镜和电磁透镜各部件必须保持同轴，否则电子束轨迹将发生畸变，在调节聚焦或改变束流时电子束将发生偏移，因此，电子枪上一般还装有机械式或电磁式的合轴调节机构。,(2)工作仓 电子束焊接系统的工作仓主要由真空室和工装台(具)组成。真空室一般采用带有加强筋的低碳钢薄板结构，主要有如下几方面功
39、能和要求：获得所需要的真空度。防止X射线泄漏。屏蔽外部磁场对电子束的干扰。工装台(具)的作用是为了实现对确定的位置和形状的焊接，并在焊接过程中保持焊接位置的准确、焊接速度的稳定。因此，工装台(具)不仅要能对焊接件进行定位，而且还要能够使其做所需要的各种移动，包括水平方向的直线运动和转动等。,(3)真空系统 真空系统的作用是使电子枪室和工作仓获得真空，主要是由机械泵和扩散泵组成。抽真空时先用机械泵(一般为罗茨泵)将电子枪室和工作仓从大气压抽到1.30.13Pa，然后再以机械泵配合扩散泵将真空进一步提高到1.310-3Pa甚至于1.310-4Pa。(4)高压电源及控制系统 高压电源为电子枪提供加速
40、电压、控制电压及阴极加热电流。高压电源内有高压变压器，其初级连接在三相380V主电路上，次级接整流器。,3 电子束焊接工艺及应用 电子束焊接工艺参数主要有加速电压、电子束电流、焊接速度和聚焦电流等，这些参数将影响焊接线能量和能量密度，因而影响焊接成形，电子束焊接时线能量可用下式来估算：q=60UbIbv 式中 q 焊接线能量，Jcm；Ub加速电压，V；Ib电子束流，A；v焊接速度，cmmin。,加速电压(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其他参数不变的条件下，焊缝深宽比与加速电压成正比。在实际焊接过程中，加速电压一般是比较固定的，只有在焊接厚度和工作距离(电子枪与焊件表面的距离)需要做较大的调整时
41、才改变加速电压。电子束电流(Ib)与加速电压一起决定电子束的功率。当其他参数固定时，随电子束流增加，焊接线能量增大，焊缝熔深和熔宽均增大。在实际焊接过程中，随着焊接材料、尺寸和成形要求的变化，电子束流需要经常调整。在其他参数确定时，焊接线能量与焊接速度(v)成反比。焊接速度增加，焊缝熔深和熔宽均减小。由于焊缝冷却速度与焊接速度有关，因此，焊接速度还对焊接熔池凝固行为和缝组织有一定影响。,电子束聚焦状态对焊缝形状也有很大影响，焊接时聚焦电流Ic主要用于调节被焊件与焦点的相对位置。电子束的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种，需要根据焊接材料、焊接厚度、焊缝间隙和其他焊接参数确定。当焊接厚度大于
42、10mm时，通常采用下焦点(焦点处于焊件表面之下)，且焦点在焊接熔深的30处；当焊接厚度大于50mm时，焦点在焊接熔深的5075之间为宜。,一般金属材料都可以用电子束进行焊接。电子束焊与激光焊均属高能束焊接，特点相似，主要是能量密度高，焊接速度快，焊缝金属冷速快，容易得到细晶组织，且焊缝窄、焊接热影响区小，焊接变形和应力小等。一般金属材料的电子束焊接性与激光焊相似，接头都具有良好的抗热裂和冷裂能力，焊接性比采用普通电弧焊时的焊接性要好。,由于电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，因此在航空航天、核能等领域重要的大厚件焊接方面电子束焊接具有不可替代的地位，如核反应堆大型线圈隔板、大型传动齿轮、飞机起落
43、架、机翼大梁、发动机转子等，涉及的材料主要有钛合金、高强钢、高温合金、不锈钢、复合材料等。电子束焊对金属间化合物材料的连接也具有重要的应用价值，应用电子束焊接已经成功地焊接了镍-铝、钛-铝和铁-铝等金属间化合物材料。,10.4 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊(friction stir welding，简称FSW)是英国剑桥焊接研究所TWI(The welding institute)开发的一种材料连接新技术，1991年10月，剑桥焊接研究所首次提出搅拌摩擦焊的专利技术。由于在连接结构方面突破了传统摩擦焊的局限性，因此，搅拌摩擦焊自产生以来受到了广泛的关注，获得了迅速的应用。搅拌摩擦焊是由摩擦焊派生、
44、发展起来的，本质上属于固相连接的范畴。,1.搅拌摩擦焊原理和特点 如图10-24和图10-25所示，搅拌摩擦焊是利用一种非耗损的搅拌头在待焊界面搅拌摩擦而实现连接的。,原理 高速旋转的搅拌头和封肩与金属的摩擦生热使金属处于塑性状态，在搅拌头的作用下被封肩封闭的塑性金属一方面上下循环流动，另一方面随着搅拌头向前移动，不断向搅拌头后方流动填充搅拌头移出的空间而形成致密的焊缝。,可实现板材对接，突破了传统摩擦焊的局限性 传统摩擦焊是利用被焊工件端面相对运动、摩擦所产生的热使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻而实现焊接的一种方法。可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷材料及塑料
45、。由于摩擦焊生产率高、质量好，在制造业中获得了广泛的工程应用。但摩擦焊在连接结构方面存在局限性，连接的对象主要是回转型零件。搅拌摩擦焊不是依靠焊件间的相对摩擦来进行焊接，可以实现板材对接，从根本上突破了传统的摩擦焊只能焊接轴类构件的局限性，扩大了摩擦焊的应用范围。,焊接接头缺陷少、性能好 采用传统的熔化焊接方法焊接铝合金，尤其是硬铝合金时，即使采用很好的变极性焊接设备，也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。搅拌摩擦焊焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生裂缝、气孔等缺陷，焊缝晶粒细小、组织均匀、性能好，为凝固裂缝敏感材料(例如焊接高强铝合金)的焊接提供了新的途径
46、。例如，采用搅拌摩擦焊接6016-T6高强度铝合金时，焊缝中心的最高温度仅450左右，低于其熔化温度，因此焊接时不易产生与金属熔化有关的焊接缺陷。,焊接热影响区组织变化小 搅拌摩擦焊加热温度低，热影响区范围小、温度低，组织变化小(如亚稳相能保持基本不变)，有利于焊接热处理强化铝合金。同时搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。焊接残余应力和变形小 搅拌摩擦焊加热温度低，且焊件有刚性固定，因此焊件不易变形、残余应力小，可实现可控精度连接。便于机械化自动化 理论上搅拌摩擦焊可用于全位置焊接，装配要求低，对焊接操作要求低，焊接质量稳定性好，重复性高，并适合于自动
47、化焊接。,低成本 搅拌摩擦焊接过程中惟一消耗的是焊接摩擦棒(搅拌头)，无需填充材料，也不用保护气体；厚焊接件不用坡口加工；焊接铝材工件不用去氧化膜，只需用溶剂擦去油污即可；对接允许留一定间隙，不苛求装配精度。安全 搅拌摩擦焊是一种无污染、无烟尘、无弧光、无辐射的清洁、安全的焊接方法。当然，搅拌摩擦焊在焊接材料和结构方面仍然存在一些局限性。目前，搅拌摩擦焊主要应用于焊接铝合金、塑料等熔点比较低的材料，熔点较高的材料的搅拌摩擦焊接技术尚在研究开发中。,2 影响搅拌摩擦焊的工艺因素 搅拌摩擦焊是一个复杂的工艺过程，影响搅拌摩擦焊的主要因素有搅拌头的材料和结构、旋转速度、焊接速度、搅拌头轴肩、被焊材料
48、的种类等。（1）搅拌头的材料和结构 搅拌摩擦焊所使用的搅拌头由轴肩和摩擦棒组成。搅拌头是搅拌摩擦焊接过程中的关键。摩擦棒的结构决定了加热、塑性流动和塑化材料被顶锻的模式；摩擦棒的尺寸和轴肩的大小及形状决定了焊缝的尺寸、焊接速度和接头的强度；摩擦棒的材料决定了摩擦加热的速率、摩擦棒的强度和焊接温度。,结构 从文献上看，国外采用的摩擦棒是标准英制螺纹，但很多文献提出了具有特殊结构的摩擦棒，而且出于技术保密的原因，迄今为止未见详细报道。材料 摩擦棒的材料通常采用合金工具钢。搅拌头轴肩的直径通常是摩擦棒直径的3倍左右，轴肩直径过小，摩擦热不足以塑化材料，轴肩直径过大，可能使轴肩下面的被焊材料达到或超过
49、熔点，不利于焊接强度的提高，甚至会导致焊缝表面的不平整。轴肩的材料可以采用中碳钢。,（2）搅拌头旋转速度 根据搅拌摩擦焊传热分析，通过旋转搅拌头与被焊材料的摩擦所产生的热源强度q为式中 q 热源强度，Wm2；旋转角速度，radmin；P 轴肩与工件之间的压力，Pa：摩擦系数；R 轴肩的直径，m；r 搅拌头中心到轴肩的距离(rR)，m；由上式得：式中 n 搅拌头旋转速度，radmin。,从上式可知，转速是影响搅拌摩擦焊热源的主要因素之一。当搅拌头的旋转速度较低时，摩擦热不够，不足以形成热塑性流动层，在焊缝中容易形成孔洞。随着转速的提高，摩擦热增大，热塑性流动层由上而下逐渐增大，焊缝中的孔洞逐渐减
50、小；当转速上升到一定值时，孔洞消失，形成致密的焊缝。但转速过高时，会使摩擦棒周围以及轴肩下面的材料温度达到或超过熔点，无法形成固相连接。根据搅拌摩擦焊所采用的搅拌头、板厚、所焊材料及焊接速度的不同，旋转速度在2002000rmin之间。,（3）焊接速度 在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头的结构及其他参数确定后，热源强度就是一定的，焊接线能量与焊接速度成反比。当焊接速度过小时，搅拌头所产生的热量使焊接温度过高，焊接区金属温度将接近金属熔点，使金属因过热而出现疏松，产生液化裂纹，同时，焊缝表面不平整。当焊接速度过大时，搅拌摩擦焊所产生的热量不足以使搅拌头周围的金属达到塑化状态，不能形成良好的焊缝，焊缝内
