高能束焊接技术的发展和应用

黄梓乘

摘 要：高能束焊接技术是目前常用的先进焊接技术之一，以其优秀的焊接性能、极强的适应性等优势得到了广泛的应用，在工业生产中具有重要地位。本文概括了高能束焊接技术的发展历程，简述了激光、电子束、等离子束焊接的原理，分析了其性能、问题与高能束增材制造的现状、机理，展望了高能束技术及高能束增材制造的发展趋势和前景。

关键词：激光;真空电子束;等离子束;增材制造

中图分类号：TG456 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0083-02

0 引言

高能束焊接技术是一类利用高能量且作用范围集中的束流作为热源，作用于材料以达到使材料焊接目的的新型技术[1]，目前已成为发展极为迅速、最具重要性的前沿的制造技术之一。由于其焊接速度快、不易使材料变形、焊接质量极佳、适应能力强等诸多优点[2]，这种技术不仅可以满足大量生产、高自动化程度生产的需要，亦可在要求少量、多品种乃至个性化定制生产的领域得到广泛的应用。在视现代化制造技术如至宝的今天，高能束焊接技术自然成为国际间科技竞争的焦点之一，它是生产高科技国防武器装备的必需技术之一，同时也是度量一个国家工业水平及制造能力的最具代表性的指标之一。如今，高能束焊接及制造技术已渗入到民用工业及军工业的多个领域，并在其中不断发光发热，为现代化工业生产做出了较大的贡献。

本文将从高能束焊接的三个具体方面：激光、电子束及等离子激光焊接技术切入，分析并总结了三类高能束焊接技术的机理、发展历程和应用、以及未来的发展趋势，从而指导工业生产和科学研究。

1 激光焊接技术的发展和应用

激光焊接技术是一种利用高能量密度的激光为热源的高效材料加工方法[2]，主要优点是焊接深度较大、速度较快、操作简便。目前，常见的激光焊接所使用的激光器主要为CO2激光器及Nd：YAG激光器两种，它们的研发时间相对其他类型的激光器更长，技术更加完善，应用的领域也十分广泛。前者是一种可连续工作的气体激光器[2]，激光活性介质是CO2、碳酸气及氮气等混合气体，发射波长为10.6μm的光，电光转化效率介于10-30%之间，输出功率最低为0.5kW，最高可达50kW;后者利用掺有Nd杂质的YAG晶体为激光活性介质，与CO2激光器发射的激光相比，Nd：YAG激光器发射出的激光波长更短，电光转化效率及输出功率均低于前者。而且它不仅可连续输出，还可以进行脉冲输出;且因发射光波长较短，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优势。此外，Nd：YAG激光器支持光纤传输[3]，可匹配机器人加工系统，因此支持远程控制，利于进行自动化深入高产。集上述优势于一身，Nd：YAG激光器在激光焊接中的应用比CO2激光器更加广泛。

但是，在实际生产的过程中，激光焊接技术存在的一些缺陷也暴露出来[3]：如对激光束位置准确度的要求高，不能出现偏移;操作设备成本昂贵;能量转换效率总体偏低;焊接性能较易受到反射性与导热性不同的材料的影响等。上述问题一定程度上制约了激光焊接技术的进一步发展;不过，随着技术研究的进一步深入，上述问题也在逐步被解决。激光焊接技术正不断向高质量、高效率、低成本、低要求的方向发展;此外，激光焊接技术还与增材制造技术等现今热门的新技术结合在一起[4]，如激光选区熔覆、激光选区烧结等先进制造工艺，使金属零件得以快速成型，加工过程更加简便，成品质量更优。

2 电子束焊接技术的发展和应用

电子束焊接（英文简称EBW）是现代工业生产中常用的高能束焊接技术之一[5]，通过热发射或者场发射阴极来产生电子，经过电场加速和磁透镜聚焦，使电子加速并聚焦成束后撞击工件，由于工件内能升高使工件迅速升温熔化，从而达到焊接的目的。在此过程中，电子在25～300kV的高压下可加速至0.3～0.7c。真空电子束焊接技术是目前应用最广泛的电子束焊接方式[7]，可避免空气中其他介质的干扰，且因其传热机制独特、焊接环境纯净、热输入量低、能量密度大、焊接速率较高、穿透能力较强等优势，它在铝、钛及其合金、钢铁等金属材料的焊接方面，在航空航天、化工、机械、微纳制造等领域的应用较为广泛。

电子束焊接在合金材料的焊接方面表现优良，具有较强的适应性。实验结果表明[6]，在一定的工艺参数下，利用真空电子束焊接技术对20mm厚的某种铝合金进行焊接，焊缝成型质量良好;在钢铁材料的焊接中，电子束焊接对于碳钢、不锈钢等钢材的焊接性能优异;对一些难熔金属及金属间化合物，甚至一些复合材料的焊接也有良好的效果。另外，由熔焊发展出的多种电子束焊接方法，如扫描焊、多迟焊等，在一些材料的焊接中拥有更佳的表现，进一步优化了电子束焊接技术的性能，使电子束焊接的应用范围得到了一定的拓展。

然而，电子束焊接技术在部分材料的焊接上仍表现出一定的缺陷。例如，在对铝合金的焊接过程中容易出现气孔和裂纹，影响材料的性能;电子束焊接对于淬硬倾向大的钢材而言性能较差，容易出现对材料威胁较大的冷裂纹;近β型钛合金在经电子束焊接后，焊接接头的性能远无法达到与母材相同的程度，焊接质量较差[5]。此外，一些复合材料使用该技术焊接后表现出一定的性能损失[6]，如SiCp/Al复合材料经过焊接，焊缝中损失了较多的SiC顆粒等问题。尽管如此，上述问题在通过对焊接工艺的调整和改进后已经得到了较大的改善。而如今，在结合了表面工程和增材制造技术后，电子束焊接技术又得到了更加快速的发展。结合表面工程技术，对材料表面进行毛化、强化和改性，或结合增材制造，利用电子束进行气相沉积，一方面充分增强了材料的性能，另一方面又提高了电子束焊接的质量，使得电子束焊接技术的综合优势进一步得到增强和显示，更能适应未来高精度高效率的工业制造要求。

3 等离子弧焊接技术的发展和应用

等离子弧焊接技术的研究与发展始于20世纪50年代[7]，其原理是通过金属电极与喷嘴或与材料之间加高电压，使两者之间的气体发生电离产生电弧，再经过一系列压缩作用形成温度及能量密度极高的等离子弧，并以此为热源进行焊接。其中，发射的金属电极通常为加有少量稀土元素的钨极，压缩作用有热压缩、机械压缩及电磁收缩三种[8]，压缩后得到的等离子弧柱中气体电离程度充分，成为等离子体，且能量极为集中。等离子弧焊接凭借其能量集中、电弧稳定、应力变形小、生产率高等优势，适用于热敏感性强的难熔活泼金属材料的焊接。

目前常用的等离子弧焊接方式主要为有[7]微束等离子弧焊、熔透型等离子弧焊及脉冲等离子弧焊等，可根据不同材料的性质、焊接的要求等进行焊接方式的调整。一般而言，直流等离子弧焊接适用于钢、钛合金等材料的焊接，而交流等离子弧焊在铝、镁等焊接中较易形成氧化膜的金属材料的焊接上较有优势。此外，根据等离子弧的不同工作方式[8]，亦可将其分为转移型、混合型等离子弧以及等离子焰流三种。其中的等离子焰流是由电极与喷嘴间形成等离子弧并通过喷嘴喷出高温等离子焰流，它特殊的工作原理导致其产生的电弧温度较前两者低，而且具有较弱的指向性，因此更适合进行非金属材料的连接。

4 高能束增材制造

近年来，随着增材制造技术的快速发展，它与其他技术交叉融合的研究与应用也取得了一定的进展[9]，而高能束增材制造便是其中的一个代表。作为增材制造领域的一个重要分支部分，高能束流快速制造是以高能束为热源，通过加热材料使其结合达到直接制造零件目的的技术，已经形成了较为完整的加工技术体系。目前，主要的高能束增材制造技术包括真空电子束物理气相沉积及毛化技术、激光熔覆技术、激光选区沉积技术等。利用高能束增材制造技术，可以更便捷有效地进行叠层材料、复合材料的制造;进行特殊材料的表面改性、薄膜及涂层的加工等，如今它在工业制造中已获得了较为广泛的应用[10]。

5 结语

激光、真空电子束、等离子弧焊接技术是目前较主流的材料加工方法，它们的共同点是三种方法均使用高能效热源进行加工制造，同时三者在焊接机理、操作环境、产品质量等方面有着差异，同时，高能束增材制造与焊接技术有着紧密的联系，并且加工制造工艺日益成熟。过去，焊接技术停留在低温低能量，制作简单工具器械的水平上，无法适应大工业多材料的生产方式。如今，随着高能束焊接技术的发展，复杂大件材料的焊接变成可能，新型材料焊接蓬勃发展，现代制造工业的发展与变革得到了推动。在未来，高能束与增材制造等新型制造技术更加紧密地结合，新型材料的制造将变得更加便捷，工业将得到更为长足充分的发展，技术发展的果实最终将更好地惠及全人类。高能束技术的发展终将使工业发展的前程变得更加明朗而美好。

参考文献

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[2] 宋强，仇性启.高能束技术在镁合金表面改性中的應用[J].材料导报，2012，26（05）：109-112.

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[4] 赵礼，王少刚，陈源，等.铝锂合金的高能束焊接技术研究进展[J].焊接技术，2017（10）：7-12.

[5] 赵世柯，邓峰，王国建.高能束焊接技术在电真空器件制造工艺中的应用与发展[J].焊接，2010（03）：52-54+71.

[6] 陈国庆，树西，柳峻鹏，等.真空电子束焊接技术应用研究现状[J].精密成形工程，2018（1）：31-39.

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[10] 王向明，崔灿，苏亚东，等.飞机高能束增材制造结构研究[J].航空制造技术，2017，60（10）：16-21.