江苏科技大学：船舶工业《焊接方法与设备》课程教学课件（讲稿）第十一章 高能束流焊

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊第11章高能束流焊1.高能束流焊的物理基础2.电子束焊3.激光焊School of Material Science & Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 第11章 高能束流焊 1.高能束流焊的物理基础 2.电子束焊 3.激光焊

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊11.1高能束流焊的物理基础(1)热源功率密度与热过程行为表11-1.几种常见热源的功率密度热源功率密度（W/cm2）(1～2) ×103聚焦的太阳光束光(1～5) ×103聚焦的氙灯光束电弧（0.1MPa）1.5X104电弧等离子弧(0. 5~1) × 105>106电子束高能密度束>106激光束（0.1MPa）School of Material Science & Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 11. 1高能束流焊的物理基础 (1) 热源功率密度与热过程行为 热源 功率密度(W/cm2) 光 聚焦的太阳光束 聚焦的氙灯光束 （1～2）×103 （1～5）×103 电弧 电弧（0.1MPa） 等离子弧 1.5×104 (0.5～1)×105 高能密度束 电子束 激光束（0.1MPa） >106 >106 表11-1 几种常见热源的功率密度

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊随着热源功率密度的不同，热过程行为发生明显的变化。概括起来讲，可分为四个区域，，见图11-1。超高功率不能进行焊接密度区109108高功率o.电子束密度区107106CO2激光105中功率104密度区等离子弧103电弧102低功率10不能进行焊接密度区图11-1热源功率密度与热过程行为的关系School of Material Science&Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 图11-1 热源功率密度与热过程行为的关系 随着热源功率密度的不同，热过程行为发生明显的变化。 概括起来讲，可分为四个区域，见图11-1

熔焊工艺及设备第11章高能流辉(2)获得高能束流的基本原理>高功率密度激光束的获取激光器通过谐振腔的方向选择、频率选择以及谐振腔和工作物质共同形成的反馈放大作用，使输出的激光具有良好的方向性、单色性以及很高的亮度。光源的亮度B为：PB =AQ是法线方向上立体发散角，是一在立体角为式中，A是光源发光面积Q的空间内发射的功率。激光束的方向性用光束发射张角一半来表示，称为发散角，可表示为：4元0 =D元式中，是激光波长，D是光束直径。SchoolofMaterialScience&Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 (2) 获得高能束流的基本原理 高功率密度激光束的获取 激光器通过谐振腔的方向选择、频率选择以及谐振腔和 工作物质共同形成的反馈放大作用，使输出的激光具有良好 的方向性、单色性以及很高的亮度。光源的亮度B为：   A P B 式中， 是光源发光面积， 是法线方向上立体发散角， 是—在立体角为 的空间内发射的功率。 A  P  激光束的方向性用光束发射张角一半来表示，称为发散角，可表示为： D      4 式中，  是激光波长， D是光束直径

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊经聚焦的激光束在焦平面处的束斑直径d为：4元f.0d=D元式中是聚焦镜焦距目前，大功率连续波激光的功率达几千瓦、几十千瓦，相应的光束直径仅为几十毫米，立体角可达到10-6sr：脉冲固体激光器的光脉冲持续时间可压缩至10-12s甚至更短，因而，激光具有极高的亮度，加之激光的方向性好，发散角小，可以达到0.1mrad，有良好的聚焦性，在焦平面处可获得大于106w/cm2的功率密度。School of Material Science & Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 经聚焦的激光束在焦平面处的束斑直径d为：        f  D d f 4 式中 f 是聚焦镜焦距 。 目前，大功率连续波激光的功率达几千瓦、几 十千瓦，相应的光束直径仅为几十毫米，立体角可 达到10-6sr ；脉冲固体激光器的光脉冲持续时间 可压缩至10-12s甚至更短，因而，激光具有极高的 亮度，加之激光的方向性好，发散角小，可以达到 0.1mrad ，有良好的聚焦性，在焦平面处可获得大 于106 w/cm2 的功率密度

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊>高功率密度电子束的获取阴极用以发射电子，阳极相对阴极施加高电压以加速电子，控制极用来控制电子束流的强度，聚焦线圈对电子束进行会聚，偏转线圈可使束流产生偏转以满足加工的需要。1-阴极2-控制极3-阳极BY4-聚焦线圈5-偏转线圈6-真空泵7-工件图11-2高功率密度电子束获取示意图SchoolofMaterial Science&Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 高功率密度电子束的获取 阴极用以发射电子，阳极相对阴极施加高电压以加速 电子，控制极用来控制电子束流的强度，聚焦线圈对电子 束进行会聚，偏转线圈可使束流产生偏转以满足加工的需 要。 图11-2 高功率密度电子束获取示意图 1-阴极 2-控制极 3-阳极 4-聚焦线圈 5-偏转线圈 6-真空泵 7-工件

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊(1）电子的加速设阳极与阴极间所加电压（常称为加速电压）Ua=100 kV、加速后电子运动速度的增量为 V、电子的电量为e、电子的质量为m，则在电子束焊机中，加速电压一般为15～150kV。(2）电子束的功率密度假设聚焦后束斑直径 d = 0.5 mm，电子束流Ib=50mA ，U。=100kv则焦点处的功率密度PD Power Densitys'm"72。这说明申子束经加速并适当聚焦后，可在焦点附近获得高的功率密度。SchoolofMaterialScience&Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 设阳极与阴极间所加电压（常称为加速电压） Ua=100 kV、加速后电子运动速度的增量为 v、电子 的电量为e、电子的质量为m，则 (1) 电子的加速 m 2eUa   在电子束焊机中，加速电压一般为15～150kV 。 (2) 电子束的功率密度 假设聚焦后束斑直径 d = 0.5 mm ，电子束流 Ib=50mA ， ,则焦点处的功率密度 PD(Power Density)可达 。这说明 电子束经加速并适当聚焦后，可在焦点附近获得高的 功率密度。 Ua 100kV 2.5 10 ( / ) 6 2  W cm

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊(3）高能束流的聚焦>激光束的聚焦目前在激光焊中常用的聚焦系统有三种：透镜聚焦、反射镜聚焦和改进型的图11-3透镜聚焦原理图1-激光束2-透镜3-工件Schoolof Material Science&Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 (3) 高能束流的聚焦 激光束的聚焦 目前在激光焊中常用的聚焦系统有三种：透镜聚焦、反 射镜聚焦和改进型的反射镜聚焦。 图11-3 透镜聚焦原理图 1-激光束 2-透镜 3-工件

熔焊工艺及设备第11章高能束流焊图11-4是反射镜聚焦系统的原理图。平面反射镜M1用以反射激光束，聚焦镜M2通常为抛物面反射镜。采用反射镜聚焦的主要特点是没有色差。改进型的反射镜聚焦反射镜聚焦的改型，它适用于中空的高阶模光束，光束的功率越高，该聚B焦系统的优点表现得越突出。ZM2M77777777777图11-4反射镜聚焦系统图11-5改进型反射镜聚焦M1-平面反射镜M2-抛物面反射镜SchoolofMaterialScience&Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 图11-4反射镜聚焦系统 M1-平面反射镜 M2-抛物面反射镜 图11-5 改进型反射镜聚焦 图11-4是反射镜聚焦系统的原理图。平面反射镜M1用以反 射激光束，聚焦镜M2通常为抛物面反射镜。采用反射镜聚焦 的主要特点是没有色差。改进型的反射镜聚焦反射镜聚焦的 改型，它适用于中空的高阶模光束，光束的功率越高，该聚 焦系统的优点表现得越突出

熔焊工艺及设备第11章高能东流辉焦深是描述聚焦束斑特性的另一个参数，定义为焦点束斑直径d增加5%时在焦距方向上的相应变化范围。焦深可表示为为：L-65式中，焦距，D是入射光束直径，d是焦点处的束斑直径1.05dd图11-6焦深示意图Schoolof Material Science& Engineering江苏科技大学材料学院

熔焊工艺及设备 School of Material Science & Engineering 江苏科技大学材料学院 第11章 高能束流焊 焦深是描述聚焦束斑特性的另一个参数，定 义为焦点束斑直径d增加5%时在焦距方向上的相应 变化范围。 焦深可表示为为: d D f L  6.5 式中，f是焦距，D是入射光束直径，d是焦 点处的束斑直径。 图11-6 焦深示意图