焊接方法與設備之《高能密度焊》講解
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【摘 要】《焊接方法與設備》是金屬材料專業（焊接技術方向）的專業核心課，高能密度焊是《焊接方法與設備》課程中非常重要且先進的焊接方法。本文從電子束焊、激光焊和等離子弧焊三種高能密度焊的不同及相同之處來進行對比講解，匹配相關實驗，以提高學生對課程的掌握程度。
【關鍵詞】高能密度焊;電子束焊;激光焊;等離子弧焊
中圖分類號： TG44-4;G712 文獻標識碼： A 文章編號： 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
?。–ollege 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
《焊接方法與設備》是本學院金屬材料專業（焊接技術方向）的專業核心課，該課程既側重理論知識也重視實踐操作[1]。高能密度焊是所有焊接方法中比較重要且先進的焊接方法，掌握高能密度焊的三種具體焊接方法對于學生掌握該課程內容及以后開展科研具有重要的意義。
1 什么是高能密度焊
高能密度焊又稱高能焊、高能束焊，指的是利用電子束、激光束以及等離子弧等具有高能量密度的束流作為焊接熱源的焊接方法，這三種熱源的功率密度均高于5×105W/cm2[2]。要給學生明確當功率密度處于低功率密度區（<3×102W/cm2）和超高功率區（>109W/cm2）都難以用于焊接，低功率密度時工件上獲得的熱輸入不足無法實現連接，而超高功率密度時待焊工件汽化也無法進行焊接。正常焊接時可以在中等功率密度和高功率密度區進行。
2 如何講解高能密度焊
為使學生能夠更加深刻地理解該部分內容，授課過程中給學生播放視頻，結合視頻進行講解。高能密度焊包含的三種焊接方法在焊接原理、焊接工藝過程及設備上截然不同，但是三種方法在焊接方式上又有相同之處，均包含深熔焊和傳熱焊兩種方式，在講授該部分內容時要給學生重點強調其異同點。
2.1 三種焊接方法的不同之處
電子束焊、激光焊和等離子弧焊三者的焊接原理有所不同，電子束焊接時利用空間定向高速運動的電子束撞擊工件后，將部分動能轉化成熱能，從而使被焊工件熔化，形成焊縫。這兒要給學生重點強調的是電子束焊和電弧焊的區別是存在能量的轉換環節，是將高速運動的電子動能轉換成了熱能而用于加熱工件的。激光焊是以高能量密度的激光作為熱源，對金屬進行熔化而形成焊接接頭的焊接方法，與其他焊接方法不同的是激光是將光能轉換成熱能用于焊接的。而等離子弧焊則是利用受到三種壓縮作用的等離子弧作為熱源的焊接方法。
焊接設備上三者也不盡相同，電子束焊的設備包括電子槍、工作真空室、高壓電源、控制及調整系統、真空系統、工作臺及輔助裝置等，其核心部件是電子槍，電子槍處于高真空環境，包括靜電部分和電磁部分。靜電部分由產生電子的陰極和接收電子的陽極以及控制電子束流強度的聚束極構成，陰、陽極間加負高壓，使電子定向加速運動，形成束流。電磁部分由對電子束進行聚焦的電磁透鏡（聚焦線圈）、控制電子束進行偏擺的偏轉線圈以及使靜電系統和電磁透鏡保持同心（合軸）的合軸系統組成。激光焊設備主要由激光器、光學偏轉聚焦系統、光束檢測系統、工作臺、電源及控制系統、焊槍、氣源和水源、操作盤和數控裝置等組成。其核心部件激光器又由激光工作物質、激勵源（泵浦源）、諧振腔、電源、控制和冷卻系統等構成。按照激光工作物質的不同，激光器常見的類型有固體激光器（YAG激光器）和CO2氣體激光器，釹離子Nd3+和CO2分子均能夠實現粒子數翻轉。等離子弧焊接設備里最重要的部分是等離子發生器，等離子發生器用來形成區別于普通電弧的能量密度高度集中的等離子弧。
除了焊接速度、焊槍與工件間距離等共同工藝參數外，三種高能密度焊其他的焊接工藝參數也有所不同，電子束焊的工藝參數有加速電壓、電子束流、聚焦電流等。激光焊分為脈沖激光焊和連續激光焊，脈沖激光焊的工藝參數有脈沖能量、脈沖寬度、功率密度、離焦量。連續激光焊的工藝參數有激光功率、光斑直徑、離焦量和保護氣體等。等離子弧焊的工藝參數有焊接電流、噴嘴孔徑、離子氣流量和種類以及保護氣及流量等。
以上為三種高能密度焊的不同之處，在講解時給學生結合實例及視頻進行介紹，如給學生規定板厚和材質的板，讓學生查閱國標或工藝手冊，制定出對應的焊接工藝參數表。 2.2 三種焊接方法的相同之處
電子束焊、激光焊和等離子弧焊能量密度高，加熱集中，在焊接時均存在深熔焊和傳熱焊兩種方式。
深熔焊時功率密度高，金屬被熔化并伴隨有強烈的蒸發，形成小孔效應，焊縫熔深大，深寬比大，適合焊中厚板。傳熱焊時工件表面功率密度小，沒有顯著的金屬蒸發現象，通過熱傳導使焊件熔化，和普通電弧焊類似。
除了焊接時三種方法的模式相同外，三種高能密度焊方法還均可以用作表面處理和切割。表面處理是利用電子束、激光或者等離子弧作為熱源，在基體表面熔敷或噴涂一層具有特殊性能的物質，從而提高基體材料的表面耐磨、耐蝕或耐高溫性能。切割則是利用三者的高能量密度使被切割的材料汽化或熔化通壓縮空氣將切口金屬吹出實現切割過程。
需要給學生重點強調的是目前的研究熱點是用高能密度焊的幾種方法來進行表面處理、增材制造等研究。在此給學生展開進行講解，讓學生了解學科前沿。并給學生布置課外練習，讓學生分組查閱文獻資料，寫出報告，并制作PPT進行演講，跟大家一塊分享有關于學科前沿的熱點知識。通過該環節的練習，提高學生的自學能力，培養了其專業興趣、鍛煉了其團隊意識。該環節深受學生喜愛，都能夠表現積極，主動提出要進行演講。
2.3 加強實驗教學
高能密度焊知識實踐性較強的課程內容，單靠老師課堂講授，學生無法直觀地了解三種高能密度焊方法，為加深學生對知識的掌握，在進行理論講解的同時安排了關于電子束焊、激光焊以及等離子弧焊的相關實驗。
電子束焊、激光焊及等離子弧焊接實驗主要讓學生了解相關焊接設備構成，焊接原理，掌握焊接工藝參數的制定，能夠根據所給不同材質、不同板厚的板制定合適的工藝參數，并對焊接接頭進行組織和性能分析。
實驗過程中學生進行分組實驗，每3-5人一個小組，每人都撰寫實驗報告，實驗報告包含實驗原理、目的，實驗過程，實驗結果及分析。學生通過動手操作，能夠深入了解三種高能密度焊的相關工藝以及設備，更加深刻地理解三種焊接方法的異同點。
3 結語
《焊接方法與設備》是金屬材料工程（焊接技術方向）不可或缺的一門專業課，高能密度焊的電子束焊、激光焊和等離子弧焊三種方法是焊接方法中非常重要且先進的方法。通過對比三種方法的異同點來進行講解匹配相關的課程實驗，有助于學生理解該知識點，更加深刻地掌握學習內容。
【參考文獻】
[1]楊立軍.材料連接設備及工藝[M].北京：機械工業出版社，2009.
[2]劉合金.高能密度焊[M].西安：西北工業大學出版社，1995.
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