黃梓乘

摘 要：高能束焊接技術(shù)是目前常用的先進(jìn)焊接技術(shù)之一，以其優(yōu)秀的焊接性能、極強(qiáng)的適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)述了激光、電子束、等離子束焊接的原理，分析了其性能、問(wèn)題與高能束增材制造的現(xiàn)狀、機(jī)理，展望了高能束技術(shù)及高能束增材制造的發(fā)展趨勢(shì)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(hào)：TG456 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dá)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(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，這種技術(shù)不僅可以滿足大量生產(chǎn)、高自動(dòng)化程度生產(chǎn)的需要，亦可在要求少量、多品種乃至個(gè)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(guó)際間科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一，它是生產(chǎn)高科技國(guó)防武器裝備的必需技術(shù)之一，同時(shí)也是度量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平及制造能力的最具代表性的指標(biāo)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(gè)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(xiàn)。

本文將從高能束焊接的三個(gè)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(jī)理、發(fā)展歷程和應(yīng)用、以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，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(diǎn)是焊接深度較大、速度較快、操作簡(jiǎn)便。目前，常見(jiàn)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(shí)間相對(duì)其他類型的激光器更長(zhǎng)，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?dú)獾然旌蠚怏w，發(fā)射波長(zhǎng)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(dá)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(zhǎng)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(jìn)行脈沖輸出;且因發(fā)射光波長(zhǎng)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(shì)。此外，Nd：YAG激光器支持光纖傳輸[3]，可匹配機(jī)器人加工系統(tǒng)，因此支持遠(yuǎn)程控制，利于進(jìn)行自動(dòng)化深入高產(chǎn)。集上述優(yōu)勢(shì)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(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，激光焊接技術(shù)存在的一些缺陷也暴露出來(lái)[3]：如對(duì)激光束位置準(zhǔn)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(wèn)題一定程度上制約了激光焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展;不過(guò)，隨著技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，上述問(wèn)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(mén)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(jìn)制造工藝，使金屬零件得以快速成型，加工過(guò)程更加簡(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)熱發(fā)射或者場(chǎng)發(fā)射陰極來(lái)產(chǎn)生電子，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)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(dá)到焊接的目的。在此過(guò)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(jī)制獨(dú)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(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，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(jī)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(qiáng)的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)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(duì)20mm厚的某種鋁合金進(jìn)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(duì)于碳鋼、不銹鋼等鋼材的焊接性能優(yōu)異;對(duì)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(jìn)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(duì)鋁合金的焊接過(guò)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(duì)于淬硬傾向大的鋼材而言性能較差，容易出現(xiàn)對(duì)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(yuǎn)無(wú)法達(dá)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(guò)焊接，焊縫中損失了較多的SiC顆粒等問(wèn)題。盡管如此，上述問(wèn)題在通過(guò)對(duì)焊接工藝的調(diào)整和改進(jìn)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(duì)材料表面進(jìn)行毛化、強(qiáng)化和改性，或結(jié)合增材制造，利用電子束進(jìn)行氣相沉積，一方面充分增強(qiáng)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(shì)進(jìn)一步得到增強(qiáng)和顯示，更能適應(yīng)未來(lái)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(jì)50年代[7]，其原理是通過(guò)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(guò)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(jìn)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(jī)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(shì)，適用于熱敏感性強(qiáng)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(jìn)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(shì)。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(guò)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(jìn)行非金屬材料的連接。

4 高能束增材制造

近年來(lái)，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(jìn)展[9]，而高能束增材制造便是其中的一個(gè)代表。作為增材制造領(lǐng)域的一個(gè)重要分支部分，高能束流快速制造是以高能束為熱源，通過(guò)加熱材料使其結(jié)合達(dá)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(jìn)行疊層材料、復(fù)合材料的制造;進(jìn)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(yǔ)

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(diǎn)是三種方法均使用高能效熱源進(jìn)行加工制造，同時(shí)三者在焊接機(jī)理、操作環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著差異，同時(shí)，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(guò)去，焊接技術(shù)停留在低溫低能量，制作簡(jiǎn)單工具器械的水平上，無(wú)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(dòng)。在未來(lái)，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(zhǎng)足充分的發(fā)展，技術(shù)發(fā)展的果實(shí)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。

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