激光、电子束的工业应用特点比较

1、激光、电子束的工业应用特点比较0 前言激光焊接是激光加工技术应用的重要内容。我国在加快对激光焊接技术的研究在个别领域有了较大的突破。随着工业制造的发展，高效、环保的加工技术将倍受青睐。激光焊接以其高能束的聚焦方式，在焊接过程中能实现深熔焊、快速焊等其他焊接工艺较难实现的形式，实时在线检测技术成熟，使其能够在大批量生产中实现高度自动化，目前已有大量的激光焊接生产线投入工业生产。实践证明，激光焊接在加工业的应用范围十分广泛，基本上传统焊接工艺可以使用的领域，激光焊接都能胜任。 电子束焊接技术起源于德国，1948 年前西德物理学家KHSteigerwald首次提出电子束焊接的设想；1954年法国的J

2、AStohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志着电子束焊接金属获得成功；1957 年11月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上公布了该技术，电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；1958 年开始，美国、英国、日本及前苏联开始进行电子束焊接方面的研究，20 世纪60 年代后，我国开始从事电子束焊接研究。随着航空、航天、微电子、核能、交通运输及国防工业的飞速发展，各种高强度、高硬度、高韧性的铝合金、镁合金、钛合金和耐高温合金等金属材料以及复合材料广泛应用，加之构件形状日趋复杂化，对焊接工艺、加工精度和表面完整性提出了更高的要求。传统的焊接工艺难以适应高技术制造领域的发展趋势，对这些材料采

3、用包括电子束焊接在内的高能束焊接技术优势较大。电子束焊接是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。1 激光焊接与电子束焊接的原理1.1 激光焊接原理激光焊接属于熔融焊，以激光束作为焊接热源，其焊接原理是：通过特定的方法激励活性介质，使其在谐振腔中往返振荡，进而转化成受激辐射光束，当光束与工件相互接触时，其能量则被工件吸收，当温度高达材料的熔点时即可进行焊接。图1为激光器原理示意图，图2为激光焊接示意图。激光焊接有两种基本的焊接机理：热传导焊接和深熔( 小孔) 焊接。热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部，使焊缝表面熔化，基本不产生汽化现象，常用于低

4、速薄壁构件的焊接。深熔焊使材料汽化，形成大量等离子体，由于热量较大，熔池前端会出现小孔现象。深熔焊能彻底焊透工件，且输入能量大、焊接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。图1 激光器原理示意图 图2 激光焊接示意图。1.1.1 热传导焊接机理当激光功率密度小于105W/cm2时，金属表面温度迅速加热到熔点和沸点之间而熔化，通过热传导把热能向金属内部传递，使熔池逐渐扩大，冷却凝固时结晶形成焊点或者焊缝类似为椭球形。激光与材料的相互作用过程中，很大一部分激光束被金属表面反射，激光的吸收率较低，没有蒸汽压的作用，激光光斑功率密度也会变得较低，不产生小孔效应。热传导焊接时熔深浅，速度较慢。图3为热传

5、导焊接机理示意图。图3 热传导焊接机理示意图。1.1.2 深熔焊接机理当激光功率密度大于106W/cm2时，金属表面温度可在极短的时间内使加热区域的金属熔化及汽化，产生金属液体和金属蒸汽，气态金属产生的蒸汽压很高，足以克服液态金属的表面张力，把熔化的金属向四周吹散，形成小孔。随着金属蒸汽的逸出，在工件上方及小孔内部形成等离子体，较厚的等离子体云会对入射激光具有一定屏蔽作用。激光束在小孔内产生多重的反射，小孔几乎可以吸收全部的激光能量，使小孔进一步加深，当激光束在小孔产生的金属蒸汽压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再加深而形成一个深度稳定的小孔，这就是小孔效应。当工件以一定的速度相对于

6、激光束移动时，小孔前方的金属不断熔化和汽化，液态金属流向小孔后方，逐渐凝固形成焊缝，这种焊接机理叫深熔焊，是激光焊接中最常用的焊接模式。在激光深熔焊时，材料对激光束的吸收决定于小孔和等离子体效应。一般来说，工件表面的等离子体云吸收部分激光，使激光有效的能量较低，并使光束波前畸变导致焦光斑扩散，使表面熔化区扩大，因此等离子体云对焊接过程有害。常采用以下两种预防措施: 一是使用保护气体吹散激光与工件作用点反冲出的金属蒸汽; 第二种是使用保护气体，抑制金属蒸汽电离，阻止等离子体云的产生。图4为深熔焊接机理示意图。图4 深熔焊接机理示意图1.2 电子束焊接原理电子束焊是利用空间定向高速运动的电子束撞击

7、工件表面后，将部分动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却凝固后形成焊缝。电子束撞击到工件表面，电子的动能转换为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊工件上钻出小孔，小孔的周围被液态金属包围，如图5所示。随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却、凝固形成焊缝。图5 电子束焊接原理示意图2 激光焊接与电子束焊接的特点2.1 激光焊接的特点激光焊接的优点：（1）采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比，且焊接速度比较快。（2）由于激光焊接不需真空环境，因此通过透镜及光纤，可以实现远程控

8、制与自动化生产。（3）激光具有较大的功率密度，对难焊材料如钛、石英等有较好的焊接效果，并能对不同性能材料施焊。激光焊接的不足：（1）激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵。（2）由于固体材料对激光的吸收率较低，特别是在出现等离子体后，激光焊接的转化效率较低。（3）由于激光焊接的聚焦光斑较小，对工件接头的装备精度要求较高。2.2 激光焊接影响因素影响激光焊接质量的工艺参数较多，如功率密度、激光脉冲波形、焊接速度等。2.2.1 激光功率密度功率密度是激光加工中关键的参数。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。

9、对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。2.2.2 激光脉冲波形激光脉冲波形既是区别是材料去除还是材料熔化的重要参数，也是决定加工设备体积及造价的关键参数。当高强度激光束射至材料表面，材料表面将会有60 -90% 的激光能量被反射损失掉，且反射率随着表面温度的变化而变化。在一个激光脉冲作用周期内，被加工金属的反射率的变化也很大。2.2.3 焊接速度焊接速度决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量，焊接速度过慢，则热输入量过大，导致工件烧穿，焊接速度过快，则热输入量过小，造成工件焊不透。通常采用降低

10、焊接速度的方法来改善熔深。焊接速度对焊缝影响见图6.图6 焊接速度对焊缝影响2.3 电子束焊接特点电子束是由于高密度电子的聚集而产生的，所以在电子束用于焊接时会使得焊接产生的融化小孔有所变化，根据融化小孔的变化可以推断出电子束焊接时的真空度的大小。由此可以将电子束焊接分为三个种类高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接。电子束焊接中电子束的形成是经过高压加速器进行高压加速，在通过内部的磁透镜进行汇聚进行成束，在竞夺关口被发射出来，在电子束在碰到真空或非真空焊接构建时具有相当大的动力，在接触瞬间动能转化为热能，形成极高温度进而将金属消融，达到焊接的作用。电子束的主要具有以下特点：（1）电子束焊接技术能

11、偶产生相当之高的温度，能够融化任何材料，并且焊接速度快。链接时主要依靠的时材料之间的自我融合。（2）电子束由于是在真空环境中进行焊接，早根本上防止了其他氧化杂杂质的参与，提高了焊接部件的纯度。（3）由于电子束中电子含有的能量极高，所致温度够高，所以加工的构建焊缝深且窄，并且对于构建的形状影响较小。（4）由于电子束的束宽小，所以在进行换位焊接时较为方便，并且因为如此他在焊接精细部件上拥有极大的优势。又由于他温度极高，所以又可焊接熔点高的材料。尤其在航天领域应用极为平常。（5）能量高、束宽小。焊接成效快。3 激光焊接与电子束焊接的研究现状3.1 激光焊接研究现状3.1.1 激光-电弧复合焊接上世纪

12、70 年代末，英国伦敦帝国大学的Steen就提出了激光-电弧复合焊接。工作原理：将电弧焊接和激光焊接同时施加于工件上，使整个焊接过程既具有激光焊接高能束的优点，又有电弧焊接适用性强的优势。首先，电弧焊接的引入能够稀释激光焊接产生的等离子体，提高激光能量的传输效率；其次，电弧能对母材进行预热，提高材料对激光的吸收率，避免了材料对大功率激光器的依赖，降低了设备成本；再次，激光熔化金属时所带来的大量自由电子能降低电弧通道的电阻，提高电弧的能量利用率，改善焊接速度和焊接质量；最后，电弧焊接对工件的熔合宽度大，弥补了激光对焊缝间隙要求严格的不足，使得激光-电弧复合焊接成为一种高效、经济的焊接技术。3.1

13、.2 激光焊接多焦点技术与旋转焦点技术由于激光焊接过程中，光束的质量和聚焦的模式直接影响到焊接的稳定性和接头强度，因此不断提高和改善光束模式一直是学者们探讨的重点。多焦点技术的基本原理是：采用不同的透镜和反射镜的组合，使激光器发射出的一道光束分解为多道，在焊缝表面上将形成多个焦点，目前最常用的是双光束激光双束激光的2个焦点可以平行分布在焊缝左右两侧，或者前后分布在焊缝中心线上。平行式双焦点能够在宽焊缝下进行激光焊接，而采用前后排列式，则热影响区的温度梯度将大大减小，避免了咬边等焊接缺陷。旋转焦点技术的基本原理是：通过驱动透镜或反射镜做有规律的运动，使焦点在焊缝上作旋转式前进，这样焊缝的宽度就可

14、以扩大到激光束旋转圆直径的长度上，大大降低激光焊接对装备精度的要求，并且可以避免产生大量的气孔。3.1.2 激光填丝焊激光填丝焊在激光照射焊缝的同时，输入特定金属丝。解决了对工件装夹要求严格的问题，可以实现用小功率激光器焊接厚大的零件，适当地选择填丝种类，能够改善焊缝质量，获得硬度和塑性较好的焊接接头。Salminen对激光束与焊丝的相互作用进行了专门的试验研，并对焊丝反射部分的能量进行了测量，发现反射的激光功率受送丝速度的影响很大，送丝速度的提高将使激光的反射能量明显增加。3.2 电子束焊接研究现状3.2.1 电子束钎焊真空电子束钎焊作为一种高质量、高效率、精确控制的制造技术，对各种精密、复

15、杂部件的连接制造具有非常重要的意义。用电子束作为加热源进行真空钎焊，就是用电子束高速扫描，使电子束由点热源转化为面热源，实现零件的局部高速均匀加热。该工艺具有普通真空钎焊无法比拟的优越性，如高温停留时间短、大大减少钎料对母材的溶蚀、输入能量精密可控、能量输入路径可任意编辑等优点。 近年来国内外已通过电子束钎焊技术实现了陶瓷零件、碳碳复合材料、立方氮化硼与碳化钨基体以及换热器管板结构的连接。在国内，电子束复合加工技术应用尚未普及，仅某航空研究所对飞机换热器管板结构进行过初步研究。李少青等人采用电子束钎焊对不锈钢管板进行连接。接头部位的钎缝均匀圆滑，钎焊透率100%，满足技术规范要求，如图7所示。

16、图7 电子束钎焊接头3.2.2 活性剂电子束焊接将活性剂应用于电子束焊也是目前活性焊接研究的重要领域之一。在一定条件下，活性剂对电子束焊的熔深影响很大，现已逐步形成了活性电子束焊的新技术。活性电子束焊的特点：（1）使用活性剂可明显减小熔池上部宽度，改变熔池形状。（2）SiO2、TiO2、Cr2O3 单组元活性剂对电子束焊接熔深增加有影响。（3）由SiO2、TiO2、Cr2O3 等组成的多组元不锈钢电子束焊活性剂，可使聚焦电子束焊接熔深增加两倍多。（4）使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有影响。柴国明等人对用电子束活性剂焊接TA15 板材进行堆焊实验。结果表明，活性剂对熔池形状有很大

17、影响，通过添加活性剂改变表面张力梯度，改善了焊缝咬边。随着对活性焊接机理的进一步研究，新的高效活性焊接法将得到应用。3.2.3 电子束复合焊接哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法，即电子束等离子弧焊接，如图8所示。它采用电子束与等离子弧相串联，叠加起来进行焊接，电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气，穿过等离子弧后熔化金属进行焊接。这样可以减小电子束的能量损失，也有助于稳定等离子弧，等离子弧可以很好的保护焊接熔池，并作为附加热源预热工件，有助于改善焊缝成形，增加熔深。图8 电子束-等离子弧示意图3.2.4 电子束填丝焊与自熔性电子束焊接相比，电子束填丝焊接具有许多特殊的优点。填充焊丝

18、的电子束焊接技术放宽了对间隙和对接面加工精度的要求，从而降低了工艺难度，节省成本，提高生产效率。姚舜等人通过对角焊缝低真空填丝电子束焊接的研究，详细讨论了束流形态、填充金属送进、聚焦点位置等主要填丝电子束焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明：优先选用前送进方向的送丝方式，避免了终焊时的粘丝现象，焊丝送入点必须位于与电子束流移动方向一致的轴线上。3.2.5 局部真空电子束焊接局部真空电子束焊接技术是在大尺寸结构件的焊缝及其附近局部区域建立真空环境，并进行电子束焊接的技术。这种方法既保留了真空电子束焊接的特点，又避开了庞大的真空室，解决了厚大工件的焊接问题，可大大提高焊接质量并降低设备成本。为了

19、发展这项技术，法国、德国等国家做了大量深入的研究工作。国内的航天科技集团公司510所研制了行程1.5 m、50 kV、5 kW 直线型局部真空电子束焊机，已用于卫星燃料贮箱制造中。局部真空电子束焊接技术是一种先进的焊接技术，在国防工业和民用工业应用前景广阔。3 激光与电子束加工的应用3.1 激光加工的应用激光技术迅速发展，很快应用到各个行业，在发展的过程中也带来了一些让人惊奇的激光设备：激光打标机、激光焊接机、激光雕刻机、激光切割机等。每一种激光设备应用领域都非常的广泛。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有

20、特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用，据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公

21、司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多。 激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子稳定性差，影响因素多而采用激光焊接效果很好，得到广泛的应用。生物组织的激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain

22、用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性，使更多研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。3.2 电子束加工的应用3.2.1 航空工业当前航空航天对电子束焊接技术研究的需求主要体现在新材料焊接与特种焊接研制、焊接热过程和应力应变计算机模拟与仿真以及大厚度钛合金焊接工艺技术等几方面，进一步扩大电子束焊接技术在航空航天领域的应用，解决高强钛合金、超高强钢以及大厚度材料框和盒形梁等结构的焊接工艺

23、已成为电子束在我国航空航天工业应用中的工作重点。 俄罗斯和西方发达国家电子束焊接技术发展迅速，已在许多飞机机型上得到了较普遍的应用，电子束焊接技术已成为先进飞机研制不可缺少的支撑技术。国外最早先将电子束焊接技术广泛应用于飞机发动机核心机部件的制造，如美洲虎攻击机的阿杜尔涡扇发动机钛合金压气机转子采用了7条环形电子束焊缝；米格-29涡扇发动机高压压气机转子前3级盘及第46级盘鼓，苏-27的涡扇发动机高压压气机的第13级盘及46级盘，均采用了电子束焊接技术；德国EADS Space Transportation 公司已将电子束焊接应用于火箭发动机燃烧室的生产。最典型的代表是美国大型客机发动机CMF

24、56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊接，使发动机的重量、结构设计、结构的制造精度和使用寿命均得到了改善，使发动机的制造水平得到了极大的飞跃，可以说现代先进的发动机是采用电子束等焊接技术连接而成的，由此可以看出电子束焊接技术对飞机发动机的研制起着至关重要的作用。国外在飞机制造技术方面，电子束焊接技术是飞机重要承力构件，如钛合金承力框、梁等的关键制造技术之一。俄罗斯拥有世界最先进的焊接技术，系统的焊接结构研究成果，与结构设计、选材和焊接技术的研发（基础研究）紧密结合，在飞机制造中大量采用焊接技术。在航空制造业中，电子束焊接的应用得到了长足的发

25、展，在航空发动机低压风扇机匣的制造过程中，为了减轻发动机的重量，新型发动机风扇机匣采用钛合金制造，采用机匣外环与静子叶片电子束焊接的工艺，简化了制造工艺，同时在钛合金的焊接过程中，电子束焊接在真空中进行，完全避免了钛合金在大气中焊接存在的氧化问题，电子束焊接热输入量小，零件变形小，可以实现数控编程一次完成焊接，生产效率高，焊接质量好。在压气机部件的制造过程中，电子束焊接应用更加广泛。压气机转子一般选材GH4169 材料和钛合金材料，其主要特点是转速高，每分钟可达数千或数万转，鼓盘式转子兼有鼓式转子的抗弯刚性和盘式转子的承受大离心载荷的能力，因而被广泛采用，尤其是在现代涡扇发动机的高压压气机上。

26、为了不影响转子的定心和平衡，减轻转子的重量，采用电子束焊接发动机中的转子。在发动机燃烧室的加工制造过程中，电子束焊接得到了更多的应用。燃烧室部件是发动机中承受热负荷最大的部件，重量要轻。燃烧室部件易出现故障，危及自身及其他部件。3.2.2 航天工业宇航技术中所用的各类火箭、卫星、飞船以及空间站等的结构件、发动机，以及所用的各种仪器都有一些共同特点：不仅要求零部件质量极其可靠，能经受各种恶劣环境，而且要求零件尺寸小，重量轻，密封性好。这对航天器的结构设计、材料选择及加工工艺都提出了极为苛刻的要求，实践证明电子束焊接作为一种有效的熔焊方法，是解决这些技术难题的有效工艺手段之一。 舱外航天服是航天员

27、执行出舱活动的基本保障系统，而躯干壳体是航天服的重要骨架。作为承力结构主体，躯干壳体对其外形结构尺寸有严格的要求，若采用常规熔化焊接方法，由于焊接变形等因素，易造成尺寸超差。根据躯干结构特点，采用电子束焊接连接门边框与躯干薄壁壳体，可以充分发挥高能束焊接质量高、变形小的优点。 发动机燃烧室身部采用铜胎上电铸金属与不锈钢焊接结构，焊接难处在于2 种焊接金属的物理化学性能差别很大，接头易产生有害杂质偏析，导致在较大的焊接应力下开裂。电铸层如果受高热还会发生电铸层结合削弱、剥离的情况。此外，电铸金属层所带磁性对电子束有很大影响，电子束焊接前零件需整体退磁，电子束路径还需采用磁场屏蔽等手段。电子束焊接

28、燃烧室身部时使用高压型电子束焊机，采用硬规范焊接，高焊速，尽量减少焊接热量和控制变形，降低接头应力，防止易熔夹层的形成。严格控制焊接热输入量，以防止电铸金属层与铜胎之间的电铸结合力因过热而降低，并导致开裂。波纹管组合件是航天发动机产品中利用电子束焊接的一个主要部分。航天发动机活门一般采用多层金属波纹管作动密封元件，执行指令时，波纹管组合件的动作部分要工作灵活、无卡滞。尤其在液氢温度下可以显示无可比拟的优点。因此，制造过程中必须保证波纹管组件焊缝气密无泄漏和运动付活动灵活，这就要求波纹管组件要有合理的结构和可靠的生产工艺，其中，制造的关键是波纹管的焊接。真空电子束焊接波纹管的接头强度高，可将焊接的变形量减至最小；精密配合的零