电子束与激光比较

电子束焊接与激光焊接的比较一、前言在汽车制造中，无论是发动机、变速箱等零部件生产，还是车身制造与装配，焊接工艺都是重要的加工手段。除电弧焊、电阻焊等传统焊接技术被普遍采用外，现代汽车生产过程中，以电子束和激光焊为代表的新一代焊接技术的应用也越来越广泛，并凭借精密和高效，成为汽车生产企业提升产品质量、降低生产成本、增加产品竞争力的有力工具。电子束技术起源于20世纪50年代，10年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用随即展开。电子束与激光加工的应用领域大体相同，这是因为他们同属于高能密度束流加工技术，其能量密度在同一段数量级，远高于其他热源。同时，他们与材料的作用原理也极其相近。二、电子束与激光加工的原理电子束加工（electronbeammachining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109W/cm2的极细束流，高速（光速的60%~70%）冲击到工件表面，并在极短的时间内，将电子的动能大部分转换为热能，形成“小孔”效应，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，达到焊接目的。激光器利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生波长均一，方向一致和强度非常高的光束。通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，其功率密度可达105～1011W/cm2，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间熔化和蒸发。激光焊接分为热导焊和深熔焊，在深熔焊中，巨大的能量同样可以形成“小孔”效应，并随着工件的移动，“小孔”身后的材料迅速冷却凝固成为焊缝。与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性。能量密度高（大于105W/cm2）；焊接速度高（一般可以达到5~10米/分钟）；热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%~20%）；热流输入少、工件变形小；易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；非接触加工、无后续加工。三、电子束与激光焊的性能比较至今，电子束焊经过不断发展已经成为一种成熟的加工技术，无论是汽车制造，还是航空航天，都起着举足轻重的作用。而40多年来，激光加工已从实验室走向了实用化阶段，并进入了原来由电子束加工的各个领域，大有取代电子束加工的势头。但实践证明，激光和电子束作为高能量密度热源，除了具有很多相同技术特点外，在技术和经济性能上，针对不同的应用场合，仍有各自不同的特点。焊接工艺精度变形热影响焊缝质量深宽比使用条件电子束焊精密小小好20:1需要真空激光焊精密小很小好10:1可选保护气体电子束焊接的优点是相当突出的：电子束的能量转换效率非常高（80%~90%），可以研制出很高功率的大型焊接设备（在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世）；电子束焊接的焊缝很细，其深宽比很容易达到10:1，甚至是20:1（最新报道显示：日本在焊接200mm厚不锈钢时，深宽比达70:1）；电子束的可控性更好，甚至可以在工件内部形成曲线孔径；电子束对不同材料、特殊材料的焊接更容易。当然，电子束的缺点也十分明显：需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制（非真空环境的电子束焊，是重要的研究方向）；由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到60秒以内）；有磁偏移：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理；X射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护；对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30秒以内）。激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。但是，受到技术进步的局限，激光焊接比电子束焊接还存在一定的弱势。激光的能量转换效率较低，Rofin的DC系列CO2激光器能量转换效率不足20%，最新的IPG光纤激光器转换效率也没有超过30%；能量转换效率低造成在生产线中应用大功率激光焊接的经济性很差，目前实用的激光焊接设备功率大多小于20KW，可焊接的深度一般很少超过10mm；随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到50000小时，这大大降低了激光焊接设备的使用成本。但是，要想获得理想的焊接质量保护气体是不可少的，这也造成加工成本的增加；激光焊接的深宽比小于电子束焊，一般在10:1以内（在齿轮激光焊接中，焊缝的深度一般在4~6mm，故这个深宽比还比较适用），不适合大厚度工件的焊接；激光焊接对于铝合金材料及其他高反射率材料的焊接还存在一些技术难点，必须通过填丝等辅助手段，才能达到较理想的焊接效果。四、电子束与激光焊的经济性比较电子束技术的发展已经相当成熟，大功率、超大功率电子束焊接设备的发展相当快，而且已经具备了相当实用的价值。激光技术受到能量转换率较低及其他技术障碍，使得激光焊接的功率还不能大幅提升。目前，实用的激光器功率还不能超过10KW，更高功率的激光器，成本的增加非常快，实际应用价值还较低。在欧美国家，同等功率（3~5KW）的电子束焊接设备与激光焊接设备的价格基本相当，而激光焊接的高效率、灵活性（不受真空室限制）和便于集成到生产线中的特性，使得激光焊接设备在汽车制造中的应用增长速度大大超过电子束焊接设备。在国内，由于大功率激光器（千瓦以上）的研发滞后，实际使用的激光焊接设备基本依赖进口。同时，我国的中小功率电子束焊机已接近或赶上国外同类产品的先进水平，而价格仅为国外同类产品的1/3左右，有明显的性能价格比优势。因此，国内的电子束焊接设备应用远远超过激光焊接设备。但是，在汽车生产中，大批量高效率成为汽车制造企业追求的目标。而国产的电子束焊接设备，一般不具备大批量自动化生产的能力。在产能提高的时候，往往靠增加电子束焊接设备的数量和增加人力的方式，满足生产的需求。综合比较下来，其经济性也大打折扣。五、电子束和激光焊接的应用现状及前景通过前面的阐述，我们可以看到，电子束焊接在超大功率（30KW以上）和大熔深（50mm以上）焊接中具有不可替代的地位。特别是：发电设备、石化设备、矿山机械、重型汽车、航空航天器、原子能设备和造船工业等领域，电子束焊接仍然是首选的技术方案。典型的应用是焊接反应堆基体和汽轮机转子轴等承力件，其熔深在300mm以上。和激光焊接相比较，电子束另一重要特点是不受补焊材料反射的影响，因此能很容易地焊接金、银、铜、铝等难于激光焊接的材料。例如，电子器件中的无氧铜零件、大电流的铜排、铜钨触头和大马力柴油机的铝活塞等，都能得到高强度、大熔深的焊接接头。为了使大功率电子束焊接更好的用于大型工件，与大功率电子束同步发展的是大型真空室、局部真空及非真空等技术。大型真空室容积已达800立方米，这样的真空室可以焊接直径达10米的巨型构件。大型真空室虽然造价昂贵，但大功率电子束焊的优异焊接性能和极高的焊接速度，可使综合成本（包括设备投资及运行费用）反而比传统的焊接方法低。据估算，当焊深超过50mm时，电子束焊接的成本即可低于窄间隙焊和埋弧焊。焊深越深，差价越大。当焊深超过150mm时，电子束焊接的综合成本就只有窄间隙焊和埋弧焊的1/2～1/3。大型真空室多数用于焊接航空航天器中的机匣、涡轮盘、机翼大梁和发电设备中的汽轮机隔板之类产量不大而价值很高的产品，这些产品对焊接要求往往非常苛刻，例如汽轮机隔板单次焊深可达150mm以上，而焊缝所在的围带又很窄，极易变形。在汽车制造领域，焊接的深度大部分在10mm以下，这为激光焊接的应用提供了最好的空间。随着技术的快速发展，激光焊接正逐步取代电子束焊接，成为首选的技术方案。激光焊接的应用范围，也从齿轮焊接、传动系统零件焊接，到车身焊接、底板不等厚钢板焊接、车门焊接等各个领域。近年来，随着激光器制造水平的提高，成本相对降低，大功率激光器的应用增加，这一点很明显地表现在汽车变速器齿轮的焊接上，除日本外，美、德、法、意等国均大量采用激光取代电子束焊。前几年齿轮激光焊接多采用1～2kW的轴流或6kW左右的横流CO2激光器，现在则多用2～3kW轴流或9kW的横流CO2激光器。生产率的提高抵消了设备投资的增加。例如，克莱斯勒公司现在就有24台激光器用于生产，其变速器焊接用的激光器的功率也提高到14kW，且将工作台都改为双工作台，平均每焊一件的周期仅13秒左右。六、国内电子束焊和激光焊接的现状电子束焊接我国自行研制电子束焊机始于60年代，至今已研制生产出不同类型和功能的电子束焊机上百台，并形成了一支研制生产的技术队伍，能为国内市场提供小功率的电子束焊机。近年来，出现了关键部件（电子枪，高压电源等）引进、其它部件国内配套的引进方式，这种方式的优点是：设备既保持了较高的技术水平，又能大大降低成本，同时还能对用户提供较完善的售后服务。北京航空工艺研究所以此方式为某航空厂实施设备的总体设计和总成，实现了某重要构件的真空电子束焊接；桂林电器科学研究所也通过这种方式开发了HDG(Z)-6型双金属带材高压电子束连续自动焊接生产线，该机加速电压120kV、束流0～50mA、电子束功率6kW，带材运行速度0～15m/min，从而使我国挤身于世界上能生产这种生产线的几个国家之一。激光焊接在设备生产与研究上，主要有华工的气体激光加工国家工程中心、电子部11所的固体激光加工国家工程中心、中国大恒激光工程公司、上海团结百超数控激光设备有限公司等，主要生产千瓦级的CO2激光设备和1千瓦以下的固体YAG激光设备。国内对激光焊接研究主要集中在激光焊接等离子体形成机理、特性分析、检测、控制、深熔激光焊接模拟、激光—电弧复合热源的应用、激光堆焊、超级钢焊接、水下激光焊接、宽板激光拼焊（TailoredBlankLaserWelding）、填丝激光焊、铝合金激光焊、激光切割质量控制等。从事激光焊接研究比较多的主要有华中理工大学、国家产学研激光技术中心、清华大学、哈尔滨焊接研究所、北京航空工艺研究所、哈尔滨工业大学、西北工业大学等。清华大学从声和电的角度，分析了熔透状态的声信号，提出了激光焊接等离子体的等效电路及电特性数学模型；在抑制等离子体的负面效应方面，清华大学张旭东、陈武柱等提出了侧吸法；国家产学研激光技术中心的肖荣诗、左铁钏提出了双层内外圆管吹送异种气体法；西北工业大学的刘金合提出了外加磁场法。哈尔滨焊接研究所引进德国HAAS公司生产的2kWNd:YAG激光发生器，建立了大功率固体激光加工中心，开展了材料为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金等多种材料的大功率固体激光焊接工艺研究以及激光—电弧复合热源焊接技术研究。七、结束语电子束与激光加工的机理大致相同，应用领域也大体相同。但是，由于它们在束的产生和传输方式上的不同，因而各有各的应用场合。它们不能相互代替，但可相互补充。作为应用者，应合理地应用。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了40多年的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。其中，激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。汽车制造领域是当前工业生产中最大规模使用激光焊接技术的行业，从汽车零部件生产到车身制造，激光焊接已经成为汽车制造生产