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(kāi)。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(jí)，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(zhǎng)均一，方向一致和強(qiáng)度非常高的光束。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長(zhǎng)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(wàn)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��； 

 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、可在線檢測(cè)焊縫質(zhì)量；

 非接觸加工、無(wú)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(guò)不斷發(fā)展已經(jīng)成為一種成熟的加工技術(shù)，無(wú)論是汽車(chē)制造，還是航空航天，都起著舉足輕重的作用。而40多年來(lái)，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(lái)由電子束加工的各個(gè)領(lǐng)域，大有取代電子束加工的勢(shì)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(wèn)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(duì)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(chǎng)偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理；

 X射線問(wèn)題：X射線在高壓下特別強(qiáng)，需對(duì)操作人員實(shí)施保護(hù)；

 對(duì)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(duì)工件焊前進(jìn)行去磁處理，它可在大氣中進(jìn)行，也沒(méi)有防X射線問(wèn)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(shì)。 

  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(méi)有超過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)10KW，更高功率的激光器，成本的增加非�？�，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值還較低。 在歐美國(guó)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(chē)制造中的應(yīng)用增長(zhǎng)速度大大超過(guò)電子束焊接設(shè)備。 

在國(guó)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(lài)進(jìn)口。同時(shí)，我國(guó)的中小功率電子束焊機(jī)已接近或趕上國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而價(jià)格僅為國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的1/3左右，有明顯的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)。因此，國(guó)內(nèi)的電子束焊接設(shè)備應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)激光焊接設(shè)備。 

但是，在汽車(chē)生產(chǎn)中，大批量高效率成為汽車(chē)制造企業(yè)追求的目標(biāo)。而國(guó)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(lái)，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(guò)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(chē)、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(wú)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(guò)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(guò)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(pán)、機(jī)翼大梁和發(fā)電設(shè)備中的汽輪機(jī)隔板之類(lèi)產(chǎn)量不大而價(jià)值很高的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)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(chē)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(chē)身焊接、底板不等厚鋼板焊接、車(chē)門(mén)焊接等各個(gè)領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著激光器制造水平的提高，成本相對(duì)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(chē)變速器齒輪的焊接上，除日本外，美、德、法、意等國(guó)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(guó)內(nèi)電子束焊和激光焊接的現(xiàn)狀 電子束焊接 

我國(guó)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(lèi)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)提供小功率的電子束焊機(jī)。 

近年來(lái)，出現(xiàn)了關(guān)鍵部件（電子槍?zhuān)�高壓電源等）引進(jìn)、其它部件國(guó)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(duì)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(guò)這種方式開(kāi)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(guó)擠身于世界上能生產(chǎn)這種生產(chǎn)線的幾個(gè)國(guó)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(guó)家工程中心、電子部11所的固體激光加工國(guó)家工程中心、中國(guó)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(jí)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(guó)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(guó)家的工業(yè)化建設(shè)做成突出貢獻(xiàn)。

國(guó)內(nèi)對(duì)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(cè)、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(jí)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(guó)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(guó)家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心的肖榮詩(shī)、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(chǎng)法。哈爾濱焊接研究所引進(jìn)德國(guó)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(kāi)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