一、前言 

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�流加工技術(shù)，其能量密度在同一段數(shù)量級，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。 

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)一萬攝氏度，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(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5~10米/分鐘）；

 熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度的10%~20%）； 

 熱流輸入少、工件變形小； 

 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、可在線檢測焊縫質(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，針對不同的應(yīng)用場合，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（最新報(bào)道顯示：日本在焊接200 mm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)，需對操作人員實(shí)施保護(hù)；

 對工件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，同時(shí)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(diǎn)是：激光焊不需真空室和對工件焊前進(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。 

  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4~6 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)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，成本的增加非常快，實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(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(shí)際使用的激光焊接設(shè)備基本依賴進(jìn)口。同時(shí)，我國的中小功率電子束焊機(jī)已接近或趕上國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而價(jià)格僅為國外同類產(chǎn)品的1/3左右，有明顯的性能價(jià)格比優(yōu)勢。因此，國內(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)品對焊接要求往往非常苛刻，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1～2kW的軸流或6kW左右的橫流CO2激光器，現(xiàn)在則多用2～3kW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，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、六、國內(nèi)電子束焊和激光焊接的現(xiàn)狀 電子束焊接 

我國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，能為國內(nèi)市場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0～50mA、電子束功率6kW，帶材運(yùn)行速度0～15m/min，從而使我國擠身于世界上能生產(chǎn)這種生產(chǎn)線的幾個(gè)國家之一。

 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家工程中心、電子部11所的固體激光加工國家工程中心、中國大恒激光工程公司、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)千瓦級的CO2激光設(shè)備和1千瓦以下的固體YAG激光設(shè)備。在成功研發(fā)出激光器以后，國內(nèi)涌現(xiàn)出一大批的先進(jìn)激光設(shè)備制造企業(yè)，方圓激光是較早進(jìn)行YAG激光設(shè)備制造的廠家之一，與較早的華工、楚天、大族、通發(fā)等企業(yè)為國家的工業(yè)化建設(shè)做成突出貢獻(xiàn)。

國內(nèi)對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、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、超級鋼焊接、水下激光焊接、寬板激光拼焊（Tailored Blank Laser Welding）、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；國家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心的肖榮詩、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法。哈爾濱焊接研究所引進(jìn)德國HAAS公司生產(chǎn)的2kW Nd: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。

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2015-0301