電子束焊接與激光焊接的比較

在汽車制造中，無論是發(fā)動機、變速箱等零部件的生產(chǎn)，還是車身制造與裝配，焊接工藝都是重要的加...

在汽車制造中，無論是發(fā)動機、變速箱等零部件的生產(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，在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)過程中，以電子束焊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，并憑借精密和高效的特點，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)品競爭力的有力工具。

電子束焊接技術(shù)起源于20世紀50年 代，10年后激光器誕生，激光加工技術(shù)的研究與應(yīng)用也隨即展開。電子束與激光加工同屬于高能密度束流加工技術(shù)，應(yīng)用的領(lǐng)域大體相同，其能量密度在同一段數(shù)量級遠高于其他熱源。同時，他們與材料的作用原理也極其相近。

電子束焊接與激光焊接的原理

電子束焊接（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的極細束流，高速（光速的60%~70%）沖擊到工件表面，并在極短的時間內(nèi)，將電子的動能大部分轉(zhuǎn)換為熱能，形成“小孔”效應(yīng)，使工件被沖擊部位的材料達到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，達到焊接目的。

激光器利用原子受激輻射的原理，使物質(zhì)受激而產(chǎn)生波長均一，方向一致和強度非常高的光束。通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，其功率密度可達105～1011W/cm2，溫度可達10000℃，將材料在瞬間熔化和蒸發(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，“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（一般可以達到5~10m/min）；

□ 熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度的10%~20%）；

□ 熱流輸入少、工件變形??；

□ 易實現(xiàn)自動控制、可在線檢測焊縫質(zhì)量；

□ 非接觸加工、無后續(xù)加工。
電子束焊接與激光焊的性能比較

經(jīng)過不斷發(fā)展，電子束焊接已經(jīng)成為一種成熟的加工技術(shù)，而激光焊也已從實驗室走向了實用階段，并大有取代電子束焊的勢頭。但實踐證明，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)特點外，在技術(shù)和經(jīng)濟性能上，針對不同的應(yīng)用場合，仍有各自不同的特點。

電子束焊接的優(yōu)點是相當(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已問世）；

□ 電子束焊接的焊縫很細，其深寬比很容易達到10∶1，甚至是20∶1（最新報道顯示：日本在焊接200 mm厚不銹鋼時，深寬比達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；

□ 電子束對不同材料、特殊材料的焊接更容易。

當(dāng)然，電子束的缺點也十分明顯：

□ 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)時間的主要障礙（目前用于齒輪焊接的單臺電子束設(shè)備循環(huán)時間很難做到60s以內(nèi)）；

□ 有磁偏移：由于電子帶電，會受磁場偏轉(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，需對操作人員實施保護；

□ 對工件裝配質(zhì)量要求嚴格，同時工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)點是：激光焊不需真空室和對工件焊前進行去磁處理，它可在大氣中進行，也沒有防X射線問題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循環(huán)時間大大低于電子束焊接（很容易做到30s以內(nèi)）。因此，激光焊接實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)進步的局限，激光焊還存在一定的缺點：

□ 激光的能量轉(zhuǎn)換效率較低，常用的CO2激光器能量轉(zhuǎn)換效率不足20%，最新的光纖激光器轉(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經(jīng)濟性很差，目前實用的激光焊接設(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到50000h，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4~6 mm，故這個深寬比還比較適用），不適合大厚度工件的焊接；

□ 激光焊接對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，必須通過填絲等輔助手段，才能達到較理想的焊接效果。

電子束技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)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)實用的價值。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?？?，實際應(yīng)用價值還較低。

在歐美國家，同等功率（3~5kW）的電子束焊接設(shè)備與激光焊接設(shè)備的價格基本相當(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)用增長速度大大超過電子束焊接設(shè)備。在國內(nèi)，由于大功率激光器（千瓦以上）的研發(fā)滯后，實際使用的激光焊接設(shè)備基本依賴進口。同時，我國的中小功率電子束焊機已接近或趕上國外同類產(chǎn)品的先進水平，而價格僅為國外同類產(chǎn)品的1/3左右，有明顯的性能價格比優(yōu)勢。因此，國內(nèi)的電子束焊接設(shè)備應(yīng)用遠遠超過激光焊接設(shè)備。

但是，在汽車生產(chǎn)中，大批量、高效率已經(jīng)成為汽車制造企業(yè)追求的目標，而國產(chǎn)的電子束焊接設(shè)備，一般不具備大批量自動化生產(chǎn)的能力。在汽車企業(yè)需要產(chǎn)能提高的時候，往往只能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，因此綜合比較下來，電子束焊接的經(jīng)濟性也大打折扣。

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、礦山機械、重型汽車、航空航天器、原子能設(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。其典型的應(yīng)用是焊接反應(yīng)堆基體和汽輪機轉(zhuǎn)子軸等承力件，其熔深在300mm以上。與激光焊接相比較，電子束焊接的另一重要特點是不受補焊材料反射的影響，因此能很容易地焊接金、銀、銅、鋁等難于激光焊接的材料，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的鋁活塞等，這些零件采用電子束焊接能得到高強度、大熔深的焊接接頭。

為了使大功率電子束焊接更好地用于大型工件，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)。目前大型真空室容積已達800m3，可以焊接直徑達10m的巨型構(gòu)件。雖然大型真空室造價昂貴，但大功率電子束焊的優(yōu)異焊接性能和極高的焊接速度，可使綜合成本（包括設(shè)備投資及運行費用）反而比傳統(tǒng)的焊接方法低。據(jù)估算，當(dāng)焊深超過50mm時，電子束焊接的成本即可低于窄間隙焊和埋弧焊。焊深越深，差價越大。當(dāng)焊深超過150mm時，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。
激光焊接技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

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、車門焊接等各個領(lǐng)域。

因此，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?？傮w上講，激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用主要包括三個方面：

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。目前，激光焊接已經(jīng)在國外的汽車零部件生產(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、減振器儲油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國內(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油缸筒的焊接。

2、激光拼焊技術(shù)

激光焊接在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用最為成功，同時效益最為明顯的一項技術(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，在進行車身的設(shè)計制造時，根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇鋼材等級和厚度不同的鋼板，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：減少零件和模具數(shù)量；縮短設(shè)計和開發(fā)周期；減少材料浪費；最合理使用不同級別、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。

德國大眾汽車公司最早于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)時美國為了提高美國汽車同日本汽車的競爭力而提出了“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重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點焊，但現(xiàn)在正逐漸被激光焊接所代替。

兩者比較可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術(shù)在各大汽車制造商的較新型車中都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結(jié)構(gòu)使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長多達30m。國內(nèi)上海大眾的Polo、Passat車型、明銳轎車，一汽大眾的Bora、速騰、邁騰車型以及Audi A4和A6等車型的制造中，也都采用了激光焊接技術(shù)。這是我國汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術(shù)的一個重要標志。

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、易實現(xiàn)自動控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點，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)效率高和易實現(xiàn)自動控制的特點使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。

結(jié)束語

電子束焊與激光焊的機理大致相同，應(yīng)用領(lǐng)域也大體相同。但是，由于它們在束的產(chǎn)生和傳輸方式上的不同，因而各有各的應(yīng)用場合。它們不能相互代替，但可相互補充。作為應(yīng)用者，應(yīng)合理地應(yīng)用。

雖然我國激光焊接技術(shù)的整體應(yīng)用水平還比較低，在激光器制造技術(shù)上還較發(fā)達國家落后許多，但是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)焊接方法的特點和優(yōu)勢，這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)濟效益前景。