焊接方法与设备之《高能密度焊》讲解

曹梅青　张芬　谢鲲　夏鹏成　岳丽杰

【摘 要】《焊接方法与设备》是金属材料专业（焊接技术方向）的专业核心课，高能密度焊是《焊接方法与设备》课程中非常重要且先进的焊接方法。本文从电子束焊、激光焊和等离子弧焊三种高能密度焊的不同及相同之处来进行对比讲解，匹配相关实验，以提高学生对课程的掌握程度。

【关键词】高能密度焊;电子束焊;激光焊;等离子弧焊

中图分类号： TG44-4;G712 文献标识码： A 文章编号： 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

《焊接方法与设备》是本学院金属材料专业（焊接技术方向）的专业核心课，该课程既侧重理论知识也重视实践操作[1]。高能密度焊是所有焊接方法中比较重要且先进的焊接方法，掌握高能密度焊的三种具体焊接方法对于学生掌握该课程内容及以后开展科研具有重要的意义。

1 什么是高能密度焊

高能密度焊又称高能焊、高能束焊，指的是利用电子束、激光束以及等离子弧等具有高能量密度的束流作为焊接热源的焊接方法，这三种热源的功率密度均高于5×105W/cm2[2]。要给学生明确当功率密度处于低功率密度区（<3×102W/cm2）和超高功率区（>109W/cm2）都难以用于焊接，低功率密度时工件上获得的热输入不足无法实现连接，而超高功率密度时待焊工件汽化也无法进行焊接。正常焊接时可以在中等功率密度和高功率密度区进行。

2 如何讲解高能密度焊

为使学生能够更加深刻地理解该部分内容，授课过程中给学生播放视频，结合视频进行讲解。高能密度焊包含的三种焊接方法在焊接原理、焊接工艺过程及设备上截然不同，但是三种方法在焊接方式上又有相同之处，均包含深熔焊和传热焊两种方式，在讲授该部分内容时要给学生重点强调其异同点。

2.1 三种焊接方法的不同之处

电子束焊、激光焊和等离子弧焊三者的焊接原理有所不同，电子束焊接时利用空间定向高速运动的电子束撞击工件后，将部分动能转化成热能，从而使被焊工件熔化，形成焊缝。这儿要给学生重点强调的是电子束焊和电弧焊的区别是存在能量的转换环节，是将高速运动的电子动能转换成了热能而用于加热工件的。激光焊是以高能量密度的激光作为热源，对金属进行熔化而形成焊接接头的焊接方法，与其他焊接方法不同的是激光是将光能转换成热能用于焊接的。而等离子弧焊则是利用受到三种压缩作用的等离子弧作为热源的焊接方法。

焊接设备上三者也不尽相同，电子束焊的设备包括电子枪、工作真空室、高压电源、控制及调整系统、真空系统、工作台及辅助装置等，其核心部件是电子枪，电子枪处于高真空环境，包括静电部分和电磁部分。静电部分由产生电子的阴极和接收电子的阳极以及控制电子束流强度的聚束极构成，阴、阳极间加负高压，使电子定向加速运动，形成束流。电磁部分由对电子束进行聚焦的电磁透镜（聚焦线圈）、控制电子束进行偏摆的偏转线圈以及使静电系统和电磁透镜保持同心（合轴）的合轴系统组成。激光焊设备主要由激光器、光学偏转聚焦系统、光束检测系统、工作台、电源及控制系统、焊枪、气源和水源、操作盘和数控装置等组成。其核心部件激光器又由激光工作物质、激励源（泵浦源）、谐振腔、电源、控制和冷却系统等构成。按照激光工作物质的不同，激光器常见的类型有固体激光器（YAG激光器）和CO2气体激光器，钕离子Nd3+和CO2分子均能够实现粒子数翻转。等离子弧焊接设备里最重要的部分是等离子发生器，等离子发生器用来形成区别于普通电弧的能量密度高度集中的等离子弧。

除了焊接速度、焊枪与工件间距离等共同工艺参数外，三种高能密度焊其他的焊接工艺参数也有所不同，电子束焊的工艺参数有加速电压、电子束流、聚焦电流等。激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊，脉冲激光焊的工艺参数有脉冲能量、脉冲宽度、功率密度、离焦量。连续激光焊的工艺参数有激光功率、光斑直径、离焦量和保护氣体等。等离子弧焊的工艺参数有焊接电流、喷嘴孔径、离子气流量和种类以及保护气及流量等。

以上为三种高能密度焊的不同之处，在讲解时给学生结合实例及视频进行介绍，如给学生规定板厚和材质的板，让学生查阅国标或工艺手册，制定出对应的焊接工艺参数表。

2.2 三种焊接方法的相同之处

电子束焊、激光焊和等离子弧焊能量密度高，加热集中，在焊接时均存在深熔焊和传热焊两种方式。

深熔焊时功率密度高，金属被熔化并伴随有强烈的蒸发，形成小孔效应，焊缝熔深大，深宽比大，适合焊中厚板。传热焊时工件表面功率密度小，没有显著的金属蒸发现象，通过热传导使焊件熔化，和普通电弧焊类似。

除了焊接时三种方法的模式相同外，三种高能密度焊方法还均可以用作表面处理和切割。表面处理是利用电子束、激光或者等离子弧作为热源，在基体表面熔敷或喷涂一层具有特殊性能的物质，从而提高基体材料的表面耐磨、耐蚀或耐高温性能。切割则是利用三者的高能量密度使被切割的材料汽化或熔化通压缩空气将切口金属吹出实现切割过程。

需要给学生重点强调的是目前的研究热点是用高能密度焊的几种方法来进行表面处理、增材制造等研究。在此给学生展开进行讲解，让学生了解学科前沿。并给学生布置课外练习，让学生分组查阅文献资料，写出报告，并制作PPT进行演讲，跟大家一块分享有关于学科前沿的热点知识。通过该环节的练习，提高学生的自学能力，培养了其专业兴趣、锻炼了其团队意识。该环节深受学生喜爱，都能够表现积极，主动提出要进行演讲。

2.3 加强实验教学

高能密度焊知识实践性较强的课程内容，单靠老师课堂讲授，学生无法直观地了解三种高能密度焊方法，为加深学生对知识的掌握，在进行理论讲解的同时安排了关于电子束焊、激光焊以及等离子弧焊的相关实验。

电子束焊、激光焊及等离子弧焊接实验主要让学生了解相关焊接设备构成，焊接原理，掌握焊接工艺参数的制定，能够根据所给不同材质、不同板厚的板制定合适的工艺参数，并对焊接接头进行组织和性能分析。

实验过程中学生进行分组实验，每3-5人一个小组，每人都撰写实验报告，实验报告包含实验原理、目的，实验过程，实验结果及分析。学生通过动手操作，能够深入了解三种高能密度焊的相关工艺以及设备，更加深刻地理解三种焊接方法的异同点。

3 結语

《焊接方法与设备》是金属材料工程（焊接技术方向）不可或缺的一门专业课，高能密度焊的电子束焊、激光焊和等离子弧焊三种方法是焊接方法中非常重要且先进的方法。通过对比三种方法的异同点来进行讲解匹配相关的课程实验，有助于学生理解该知识点，更加深刻地掌握学习内容。

【参考文献】

[1]杨立军.材料连接设备及工艺[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]刘合金.高能密度焊[M].西安：西北工业大学出版社，1995.