電子束與激光比較

1、.電子束焊接與激光焊接的比較一、前言在汽車制造中，無論是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等零部件生產(chǎn)，還是車身制造與裝配，焊接工藝都是重要的加工手段。除電弧焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接技術(shù)被普遍采用外，現(xiàn)代汽車生產(chǎn)過程中，以電子束和激光焊為代表的新一代焊接技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，并憑借精密和高效，成為汽車生產(chǎn)企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有力工具。電子束技術(shù)起源于20 世紀(jì) 50 年代， 10 年后激光器誕生，激光加工技術(shù)的研究與應(yīng)用隨即展開。電子束與激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域大體相同， 這是因?yàn)樗麄兺瑢儆诟吣苊芏仁骷庸ぜ夹g(shù)， 其能量密度在同一段數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)高于其他熱源。同時(shí)，他們與材料的作用原理也極其相近。

2、二、電子束與激光加工的原理電子束加工（ electron beam machining ，EBM ）是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106 109W/cm2 的極細(xì)束流，高速（光速的60%70% ）沖擊到工件表面，并在極短的時(shí)間內(nèi)，將電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)換為熱能，形成“小孔 ”效應(yīng)，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，達(dá)到焊接目的。激光器利用原子受激輻射的原理，使物質(zhì)受激而產(chǎn)生波長(zhǎng)均一，方向一致和強(qiáng)度非常高的光束。通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長(zhǎng)相近的極小光斑，其功率密度可達(dá)105 1011W/cm2 ，溫度可達(dá)一萬(wàn)攝氏度，將材料在

3、瞬間熔化和蒸發(fā)。激光焊接分為熱導(dǎo)焊和深熔焊， 在深熔焊中， 巨大的能量同樣可以形成 “小孔 ”效應(yīng)，并隨著工件的移動(dòng)， “小孔”身后的材料迅速冷卻凝固成為焊縫。與傳統(tǒng)焊接技術(shù)比較，激光焊接與電子束焊接都具有更多優(yōu)異的特性。能量密度高（大于105W/cm2 ）；焊接速度高（一般可以達(dá)到510 米/分鐘）；熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度的10%20% ）；熱流輸入少、工件變形??；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、可在線檢測(cè)焊縫質(zhì)量；非接觸加工、無后續(xù)加工。三、電子束與激光焊的性能比較至今，電子束焊經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)成為一種成熟的加工技術(shù)，無論是汽車制造，還是航空航天，都起著舉足輕重的作用。 而 40 多年來， 激光加工已從

4、實(shí)驗(yàn)室走向了實(shí)用化階段， 并進(jìn)入了原來由電子束加工的各個(gè)領(lǐng)域，大有取代電子束加工的勢(shì)頭。但實(shí)踐證明，激光和電子束作為高能量密度熱源，除了具有很多相同技術(shù)特點(diǎn)外，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能上，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，仍有各自不同的特點(diǎn)。焊接工藝精度變形熱影響焊縫質(zhì)量深寬比使用條件電子束焊精密小小好20:1需要真空激光焊精密小很小好10:1可選保護(hù)氣體電子束焊接的優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)突出的：電子束的能量轉(zhuǎn)換效率非常高（ 80%90% ），可以研制出很高功率的大型焊接設(shè)備（在日本，加速電壓 600kV 、功率 300kW 的超高壓電子束焊機(jī)已問世） ；.電子束焊接的焊縫很細(xì)，其深寬比很容易達(dá)到10:1，甚至是20:1（最新

5、報(bào)道顯示：日本在焊接200mm 厚不銹鋼時(shí)，深寬比達(dá) 70:1）；電子束的可控性更好，甚至可以在工件內(nèi)部形成曲線孔徑；電子束對(duì)不同材料、特殊材料的焊接更容易。當(dāng)然，電子束的缺點(diǎn)也十分明顯：需要高真空環(huán)境以防止電子散射， 設(shè)備復(fù)雜， 焊件尺寸和形狀受到真空室的限制 （非真空環(huán)境的電子束焊，是重要的研究方向） ；由于真空室的存在， 抽真空成為影響循環(huán)時(shí)間的主要障礙 （目前用于齒輪焊接的單臺(tái)電子束設(shè)備循環(huán)時(shí)間很難做到 60 秒以內(nèi)）；有磁偏移：由于電子帶電，會(huì)受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理； X 射線問題： X 射線在高壓下特別強(qiáng)，需對(duì)操作人員實(shí)施保護(hù)；對(duì)工件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，同時(shí)工

6、件表面清潔的要求也較高。相比較于電子束焊，激光焊接的優(yōu)點(diǎn)是：激光焊不需真空室和對(duì)工件焊前進(jìn)行去磁處理，它可在大氣中進(jìn)行，也沒有防 X 射線問題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機(jī)操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循環(huán)時(shí)間大大低于電子束焊接（很容易做到30 秒以內(nèi)）。激光焊接實(shí)際上已取得了電子束焊接20 年前的地位， 成為高能束焊接技術(shù)發(fā)展的主流。但是，受到技術(shù)進(jìn)步的局限，激光焊接比電子束焊接還存在一定的弱勢(shì)。激光的能量轉(zhuǎn)換效率較低， Rofin 的 DC 系列 CO2 激光器能量轉(zhuǎn)換效率不足 20%，最新的 IPG 光纖激光器轉(zhuǎn)換效率也沒有超過 30%；能量轉(zhuǎn)換效率低造成在生產(chǎn)線中應(yīng)用大功率激光焊接的

7、經(jīng)濟(jì)性很差，目前實(shí)用的激光焊接設(shè)備功率大多小于 20KW ，可焊接的深度一般很少超過10 mm；隨著新一代激光器的誕生， 激光器的壽命可以達(dá)到 50000 小時(shí)，這大大降低了激光焊接設(shè)備的使用成本。但是，要想獲得理想的焊接質(zhì)量保護(hù)氣體是不可少的，這也造成加工成本的增加；激光焊接的深寬比小于電子束焊， 一般在 10:1 以內(nèi)（在齒輪激光焊接中， 焊縫的深度一般在 46 mm，故這個(gè)深寬比還比較適用） ，不適合大厚度工件的焊接；激光焊接對(duì)于鋁合金材料及其他高反射率材料的焊接還存在一些技術(shù)難點(diǎn)， 必須通過填絲等輔助手段，才能達(dá)到較理想的焊接效果。四、電子束與激光焊的經(jīng)濟(jì)性比較電子束技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)

8、成熟，大功率、超大功率電子束焊接設(shè)備的發(fā)展相當(dāng)快，而且已經(jīng)具備了相當(dāng)實(shí)用的價(jià)值。激光技術(shù)受到能量轉(zhuǎn)換率較低及其他技術(shù)障礙，使得激光焊接的功率還不能大幅提升。目前，實(shí)用的激光器功率還不能超過 10KW ，更高功率的激光器，成本的增加非?？欤瑢?shí)際應(yīng)用價(jià)值還較低。在歐美國(guó)家，同等功率（35KW ）的電子束焊接設(shè)備與激光焊接設(shè)備的價(jià)格基本相當(dāng)，而激光焊接的高效率、靈活性（不受真空室限制）和便于集成到生產(chǎn)線中的特性，使得激光焊接設(shè)備在汽車制造中的應(yīng)用增長(zhǎng)速度大大超過電子束焊接設(shè)備。在國(guó)內(nèi)，由于大功率激光器 （千瓦以上） 的研發(fā)滯后， 實(shí)際使用的激光焊接設(shè)備基本依賴進(jìn)口。同時(shí)，我國(guó)的中小功率電子束焊機(jī)已接

9、近或趕上國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而價(jià)格僅為國(guó)外同類產(chǎn)品的1/3左右，有明顯的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)。因此，國(guó)內(nèi)的電子束焊接設(shè)備應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過激光焊接設(shè)備。但是，在汽車生產(chǎn)中，大批量高效率成為汽車制造企業(yè)追求的目標(biāo)。而國(guó)產(chǎn)的電子束焊接設(shè)備，一般不具.備大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的能力。在產(chǎn)能提高的時(shí)候，往往靠增加電子束焊接設(shè)備的數(shù)量和增加人力的方式，滿足生產(chǎn)的需求。綜合比較下來，其經(jīng)濟(jì)性也大打折扣。五、電子束和激光焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景通過前面的闡述，我們可以看到，電子束焊接在超大功率（30KW 以上）和大熔深（50 mm 以上）焊接中具有不可替代的地位。特別是：發(fā)電設(shè)備、石化設(shè)備、礦山機(jī)械、重型汽車、航空航天器、原

10、子能設(shè)備和造船工業(yè)等領(lǐng)域，電子束焊接仍然是首選的技術(shù)方案。典型的應(yīng)用是焊接反應(yīng)堆基體和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸等承力件，其熔深在 300mm 以上。和激光焊接相比較，電子束另一重要特點(diǎn)是不受補(bǔ)焊材料反射的影響，因此能很容易地焊接金、銀、銅、鋁等難于激光焊接的材料。例如，電子器件中的無氧銅零件、大電流的銅排、銅鎢觸頭和大馬力柴油機(jī)的鋁活塞等，都能得到高強(qiáng)度、大熔深的焊接接頭。為了使大功率電子束焊接更好的用于大型工件，與大功率電子束同步發(fā)展的是大型真空室、局部真空及非真空等技術(shù)。 大型真空室容積已達(dá)800 立方米， 這樣的真空室可以焊接直徑達(dá)10 米的巨型構(gòu)件。 大型真空室雖然造價(jià)昂貴，但大功率電子束焊的優(yōu)異

11、焊接性能和極高的焊接速度，可使綜合成本（包括設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用）反而比傳統(tǒng)的焊接方法低。據(jù)估算，當(dāng)焊深超過50 mm 時(shí)，電子束焊接的成本即可低于窄間隙焊和埋弧焊。焊深越深，差價(jià)越大。當(dāng)焊深超過150 mm 時(shí)，電子束焊接的綜合成本就只有窄間隙焊和埋弧焊的 1/2 1/3。大型真空室多數(shù)用于焊接航空航天器中的機(jī)匣、渦輪盤、機(jī)翼大梁和發(fā)電設(shè)備中的汽輪機(jī)隔板之類產(chǎn)量不大而價(jià)值很高的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)焊接要求往往非?？量?，例如汽輪機(jī)隔板單次焊深可達(dá) 150 mm 以上，而焊縫所在的圍帶又很窄，極易變形。在汽車制造領(lǐng)域，焊接的深度大部分在10 mm 以下，這為激光焊接的應(yīng)用提供了最好的空間。隨著技術(shù)的快

12、速發(fā)展，激光焊接正逐步取代電子束焊接，成為首選的技術(shù)方案。激光焊接的應(yīng)用范圍，也從齒輪焊接、傳動(dòng)系統(tǒng)零件焊接，到車身焊接、底板不等厚鋼板焊接、車門焊接等各個(gè)領(lǐng)域。近年來，隨著激光器制造水平的提高，成本相對(duì)降低，大功率激光器的應(yīng)用增加，這一點(diǎn)很明顯地表現(xiàn)在汽車變速器齒輪的焊接上，除日本外，美、德、法、意等國(guó)均大量采用激光取代電子束焊。前幾年齒輪激光焊接多采用12kW 的軸流或 6kW 左右的橫流CO2 激光器，現(xiàn)在則多用23kW 軸流或 9kW 的橫流 CO2激光器。生產(chǎn)率的提高抵消了設(shè)備投資的增加。例如，克萊斯勒公司現(xiàn)在就有24 臺(tái)激光器用于生產(chǎn)，其變速器焊接用的激光器的功率也提高到14kW

13、，且將工作臺(tái)都改為雙工作臺(tái)，平均每焊一件的周期僅13 秒左右。六、國(guó)內(nèi)電子束焊和激光焊接的現(xiàn)狀電子束焊接我國(guó)自行研制電子束焊機(jī)始于60 年代，至今已研制生產(chǎn)出不同類型和功能的電子束焊機(jī)上百臺(tái)，并形成了一支研制生產(chǎn)的技術(shù)隊(duì)伍，能為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)提供小功率的電子束焊機(jī)。近年來，出現(xiàn)了關(guān)鍵部件（電子槍，高壓電源等）引進(jìn)、其它部件國(guó)內(nèi)配套的引進(jìn)方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備既保持了較高的技術(shù)水平，又能大大降低成本，同時(shí)還能對(duì)用戶提供較完善的售后服務(wù)。北京航空工藝研究所以此方式為某航空廠實(shí)施設(shè)備的總體設(shè)計(jì)和總成，實(shí)現(xiàn)了某重要構(gòu)件的真空電子束焊接；桂林電器科學(xué)研究所也通過這種方式開發(fā)了 HDG(Z)-6 型雙金屬

14、帶材高壓電子束連續(xù)自動(dòng)焊接生產(chǎn)線，該機(jī)加速電壓 120kV 、束流 050mA 、電子束功率 6kW ，帶材運(yùn)行速度 015m/min ，從而使我國(guó)擠身于世界上能生產(chǎn)這種生產(chǎn)線的幾個(gè)國(guó)家之一。.激光焊接在設(shè)備生產(chǎn)與研究上，主要有華工的氣體激光加工國(guó)家工程中心、電子部 11 所的固體激光加工國(guó)家工程中心、中國(guó)大恒激光工程公司、上海團(tuán)結(jié)百超數(shù)控激光設(shè)備有限公司等，主要生產(chǎn)千瓦級(jí)的CO2 激光設(shè)備和1 千瓦以下的固體YAG 激光設(shè)備。國(guó)內(nèi)對(duì)激光焊接研究主要集中在激光焊接等離子體形成機(jī)理、特性分析、檢測(cè)、控制、深熔激光焊接模擬、激光 電弧復(fù)合熱源的應(yīng)用、激光堆焊、超級(jí)鋼焊接、水下激光焊接、寬板激光拼焊

15、（Tailored Blank LaserWelding ）、填絲激光焊、鋁合金激光焊、激光切割質(zhì)量控制等。從事激光焊接研究比較多的主要有華中理工大學(xué)、國(guó)家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心、清華大學(xué)、哈爾濱焊接研究所、北京航空工藝研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。清華大學(xué)從聲和電的角度，分析了熔透狀態(tài)的聲信號(hào)，提出了激光焊接等離子體的等效電路及電特性數(shù)學(xué)模型； 在抑制等離子體的負(fù)面效應(yīng)方面， 清華大學(xué)張旭東、 陳武柱等提出了側(cè)吸法；國(guó)家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心的肖榮詩(shī)、左鐵釧提出了雙層內(nèi)外圓管吹送異種氣體法；西北工業(yè)大學(xué)的劉金合提出了外加磁場(chǎng)法。 哈爾濱焊接研究所引進(jìn)德國(guó) HAAS 公司生產(chǎn)的 2kW Nd

16、:YAG 激光發(fā)生器， 建立了大功率固體激光加工中心，開展了材料為碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等多種材料的大功率固體激光焊接工藝研究以及激光 電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)研究。七、結(jié)束語(yǔ)電子束與激光加工的機(jī)理大致相同，應(yīng)用領(lǐng)域也大體相同。但是，由于它們?cè)谑漠a(chǎn)生和傳輸方式上的不同，因而各有各的應(yīng)用場(chǎng)合。它們不能相互代替，但可相互補(bǔ)充。作為應(yīng)用者，應(yīng)合理地應(yīng)用。激光焊接從上世紀(jì)60 年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了 40 多年的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)

17、，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國(guó)防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，使得激光焊接在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。汽車制造領(lǐng)域是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最大規(guī)模使用激光焊接技術(shù)的行業(yè)，從汽車零部件

18、生產(chǎn)到車身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造生產(chǎn)中的最主要焊接方法之一。總體上講，激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用主要包括三個(gè)方面：1、汽車零部件的激光焊接激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用始于變速箱的齒輪焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齒輪幾乎沒有焊接變形，不需要焊后熱處理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了應(yīng)用。國(guó)外到目前為止，激光焊接已經(jīng)在汽車零部件生產(chǎn)中得到非常廣泛的應(yīng)用，包括尾氣排放系統(tǒng)（歧管、排氣管、消聲器等）、變速箱雙聯(lián)齒輪、減振器儲(chǔ)油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域應(yīng)用激光焊接主要有變速箱齒輪和減振器儲(chǔ)油缸筒的焊接。.2、激光拼焊技術(shù)激光焊接在汽車制造應(yīng)用最為成功，同時(shí)效益最為明顯的

19、一項(xiàng)技術(shù)就是汽車車身的拼焊技術(shù)。激光拼焊的目的是為了降低車身重量，即在進(jìn)行車身的設(shè)計(jì)制造時(shí)，根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇鋼材等級(jí)和厚度不同的鋼板，通過激光裁剪和拼焊技術(shù)完成車身某一部位的制造。激光拼焊技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：減少零件和模具數(shù)量；縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)周期；減少材料浪費(fèi)；最合理使用不同級(jí)別、厚度和性能的鋼板，減少車身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高車身結(jié)構(gòu)剛度和安全性。德國(guó)大眾最早于1985 年將激光拼焊用于Audi 車型底盤的焊接， 日本豐田于1986 年采用添絲激光焊的方法用于車身側(cè)面框架的焊接。北美大批量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)是在1993 年，當(dāng)時(shí)美國(guó)為了提高美國(guó)汽車同日本汽車的競(jìng)爭(zhēng)力而提出了 2mm 工程。到目前為止， 世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風(fēng)玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。3、汽車車身激光焊接技術(shù)激光焊接在汽車制造中的另一個(gè)重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個(gè)典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點(diǎn)焊，但現(xiàn)在正逐漸被激光焊接所代替。比較兩者可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減