电子束与激光比较.pdf

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1、.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

2、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

3、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

4、。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

5、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

6、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

7、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。