第4章 高能束焊接（high energy beam welding）：Plasma AW、LBW、EBW
（旧称：Radiant-energy welding；P. T. Houldcroft. Welding process technology. Cambridge University Press. 1977.）
● 主要内容：
第1节：概述----（知识点：power/wenergy density; 本课程教学目的：焊接方法的优选与创新） 第2节：Plasma Arc Welding （PAW；PBW） 知识点：（1）压缩电弧的方法；（2）压缩电弧的优点/目的；（3）焊接工艺方面的特殊性 第3节：Laser Beam Weding （LBW）---（强调：两种焊接模式，尤其是Keyhole welding mode） 第4节：Electron Beam Welding （EBW）---强调：Keyhole welding mode / “vaporizing” the workpiece
● 教学要求：
（1）高能束焊接的优点
（2）等离子弧（Plasma jet）的获得及焊接中加热特点
（3）各高能束焊工艺应用方面的特殊性（材质、板厚、加热方面---气化）（针对超薄、超厚、超高要求情况）
● 问题的提出：焊接难点：2009-10-16
（1）超薄（精密）、超厚板（高效）的焊接？
（2）高要求（如要求精密、无污染、晶粒长大较轻）件的焊接？ -→普通电弧焊无法胜任情况下，便考虑尝试采用高能束（high energy beam welding）焊接！！！
第1节 概述
强调：能量密度（power density；W/mm2（剑桥）；在焊接中的重要性、提高方法）及高能束焊的优点 引言：“三束”，均属熔焊
● 强调本课程目的：优选与开发（创新）新的焊接方法（先进、经济、优质、精密） 1.1 热源功率密度（power density）在焊接中的重要性：
举例说明: （台湾，Second Ed.Welding Metallurgy, 2003）
电吹风（1.5KW加热1.6mm厚SS板，加热区直径达50mm，T缓慢↑但不能熔化母材；1.5KWTIG电弧可行成直径6mm加热区，可获得熔池）→ 气焊 → 弧焊 → 高能束焊（high energy beam welding）
→功率密度大的优点：在较“小的热输入”下便可达到所需“熔深”（…）---建立初步概念
→有哪些焊接方法？如何提高功率密度？应用于焊接有哪些特点？如何应用于焊接？注意问题？ Table 4-1: 各种热源的功率密度与最高温度：[AWS; 刘金合；邢建东: 2版，P282] 热源种类 火焰 电弧 104 10 100 等离子弧 105 1,000 （1KW/mm2） 激光与电子束 106~109 10,000 （104W/mm2; Kou: P27） 功率密度：W/cm2 103 W/mm2（剑桥） 最高温度：℃ 3000 （inner cone 4200（弧柱区） 10000（出口中心处） — 2800 ~ 3500） ●提示：高能束（1~10KW/mm2）可将金属加热至气化状态----New！
附：Table 4-2: 常见金属材料沸点（Boiling Point）：[郑远谋，2007，P930~933] 元素 Al Ag 960 2210 Cu 1083 2595 Fe 1538 3000±150 Ti 1668 3260 9
Zn 420 906 Mg 650 Mn 1245 Ni Cr W Mo 2610 5560 熔点660 (MP)：℃ 沸点2450 (BP)：℃
1453 1875 3410 2730 2665 5930 11072150 ±150
1.2 加热热源种类及提高能量密度方法
电弧：特殊设计的焊炬压缩电弧，得到的高电离度压缩电弧称等离子弧---一种TIG的改进电弧。 问题：如何设计等离子焊炬来实现压缩电弧的目的？---知识点1 激光束：利用光镜聚焦 电子束：利用电磁场聚焦
1.3 HEB welding 的优点----均得益于“加热范围小”这一核心优势 / 知识点2 冶金方面：热输入小（much lower total heat input），防晶粒长大 变形方面：变形小（little distortion）-----精密焊接 成形方面：熔池窄而深 （深/宽比可达：3~10）
效率方面：熔深大（Single pass: PAW—2.5~6.4mm铝板；见Kou S ; LBW—10mm; EBW—50~100mm）；焊速高
例：用15KWCO2激光在20mm/s焊速下可一次性焊透13mm厚钢板（A633；Kou S，台湾）
第2节 等离子弧焊（Plasma arc welding，PAW）
核心要点提示：强调概念-----压缩电弧（constricted arc）
2.1 TIG的缺点与等离子弧的优点
● 电弧分类：
→ 可见与否： 明弧 + 埋弧；
→ 压缩与否：自由（开放, open； 非压缩电弧，non-constricted arc）+ 压缩电弧（典型代表：等离子弧）
● TIG的优/缺点 (Advantages and disadvantages)
优点：无熔滴过渡及其引起的飞溅；电弧燃烧稳定；保护效果好（现成惰性气体；比空气重25%），适宜材质范围广；尤为适于焊薄板（小电流下电弧稳定）---（略：讲）
缺点：电弧发散，熔池浅而宽；厚板焊接效率低；W极许用电流低（可否不增大电流数值也可增大熔深？）
难点： 对于TIG单一增大电弧电流，熔宽成比例地增加，而熔深并不能成比例地增加。 原因： I↑ → 弧柱截面↑ → 熔深增加甚微（详：写） ● 改进途径：适于厚板的高效TIG工艺
技术路线之一：开坡口（groove）情况下如何提高熔覆效率？：焊材（焊丝）方面；具体方法：冷丝
→ 热丝：Hot wire TIG；主要用于厚板钢材；热丝电源：低电压，大电流
技术路线之二：不开坡口情况下如何增大熔深？---更为理想 途径之1：电源方面：VPTIG；MIG/MAG
途径之2：优化熔池对流方向：促使高温区液态金属优先向熔池下部流动
具体方法：加入焊材Active flux-TIG（涂敷活性焊剂氧化物；70~300ppm [O] ---适于SS，增大
电弧下高温液态金属的表面张力）---（略）
※途径之3：压缩电弧 ---核心途径（详） 具体方法之1：焊材方面：Active flux-TIG方面（氟化物F-1---适于Ti材） 设问：还有无新方法？
具体方法之2：焊炬方面：设计改进---PAW
→ “压缩电弧”：（1）压缩电弧的方法；（2）压缩电弧的优点/目的；（3）焊接工艺方面的特殊性
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● 压缩电弧的目的（Purposes of arc constriction; AWS 7Ed. Vol.2 297~298） 压缩电弧带来诸多优点（普通自由电弧的功率密度：1~100W/mm2
Plasma arc的优点----压缩电弧：能量密度↑---等离子弧能量密度为普通电弧焊（自由电弧）的10倍，
1KW/mm2；
● 等离子：高温电离态气体（hot，ionized gas）； 且电弧内部电离度高 物质的第4态：（Weld J, 1988，67（2）：19-25.）
随温度的不同，物质处于不同的4种状态：超高温条件下，气体处于热电离态、电离度高；---plasma The gas is now ionized, capable of conducting current. Gas in this state is called plasma, the fourth state of matter.
与普通电弧（也是处于电离态，也能导电）区别：之所以称其为plasma是由于电弧压缩→使其内部的电离度高于普通电弧。
2.2 PAW焊炬（plasma arc torch）结构特点：
（1）电极方面：仍为W极，但缩入喷嘴内 （台湾）；尖端略圆 （2）喷嘴方面：压缩喷嘴（Constricting nozzle）：将陶瓷喷嘴→水冷铜喷嘴（water-cooled copper orifice； AWS）：（1）水冷；（2）中心开小孔（constricting nozzle with a small orifice； 4.8mm，AWS，Fig. 9.3, P299），限制弧柱自由直径膨胀（机械压缩）
By contrast, the electrode in the plasma arc torch is recessed within the constricting nozzle. The arc is collimated and focused by the constricting nozzle on a relatively small area of the workpece.
(3) 保护方面：等离子气（主）+ 保护气（辅）----AWS: P297
orifice gas： 当其经过气腔(plenum chamber)时, 经历加热、膨胀，以高速喷出压缩孔，具有足够大的动能。故其流量不能过大，以防止在熔池中出现切割或涡流（cutting or turbulence）情况；一般保持在1.5~15L/min,；不足以保护熔池免污染。→
auxiliary shielding gas：补充orifice gas的不足( flow rates: 10~30L/min)
2.3 电弧压缩机理：机理3方面
● 前提/关键：使用了由水冷铜环做成的压缩喷嘴（详）
Constriction of the arc is usually accomplished by passing the arc through a water-cooled copper orifice. Its purpose is to control and increase the energy density of the arc stream. AWS.
(1) 机械压缩：电弧外围的“空间”受铜喷嘴中心小孔孔径的限制，使电弧直径缩小 → 中心小孔的作用 (2) 热压缩：电弧外围的“温度”受水冷Cu喷嘴的限制而较低，电弧为减小通过其表面积的散热，电弧直径将自动收缩→ 水冷的作用（沿喷嘴内壁流动的气体温度低、电离度低，形成一冷的气体套筒；梁）
(3) 电磁压缩：电流同向载流体间的相互作用；电磁压缩效应的强度与I2成正比
2.4 等离子弧建立、分类
非转移弧（nontransferred arc）：建立于钨极与水冷铜喷嘴间，工件并未接入回路； 又称：等离子焰 (未被电离的高温中性气体流)
引燃：高频发生器（）；
特点：I小；热量的利用率低（约10~20%） 作用：（1）Pilot arc
（2）直接当热源使用；可用于切割与加热非金属（Nontransferred arcs are useful for cutting and joining
nonconductive workpieces or for application where very low energy concentration is desirable. AWS）
→进一步降低热输入与峰值温度---用于先进材料（Ceramic；MMC；IMC； Plasma brazing）？
转移弧（transferred arc）：---主弧（main arc）：建立于钨极与工件间
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0 第4章 高能束焊
