电子束焊接与激光焊接的比较

2018-08-13 16:48:00
陆启蒙
原创
2669

汽车制造中,无论是发动机、变速箱等零部件的生产,还是车身制造与装配, 焊接工艺都是重要的加...

在汽车制造中,无论是发动机、变速箱等零部件的生产,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,在现代汽车生产过程中,以电子束焊和 激光焊为代表的新一代焊接技术的应用也越来越广泛,并凭借精密和高效的特点,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。

电子束焊接技术起源于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也随即展开。电子束与激光加工同属于高能密度束流加工技术,应用的领域大体相同,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也极其相近。

电子束焊接与 激光焊接的原理

电子束焊接(electron beam machining,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,温度可达10000℃,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5~10m/min);

□ 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。
电子束焊接与激光焊的性能比较

经过不断发展,电子束焊接已经成为一种成熟的加工技术,而激光焊也已从实验室走向了实用阶段,并大有取代电子束焊的势头。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。

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,其深宽比很容易达到10∶1,甚至是20∶1(最新报道显示:日本在焊接200 mm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60s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30s以内)。因此,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,激光焊还存在一定的缺点:

□ 激光的能量转换效率较低,常用的CO2激光器能量转换效率不足20%,最新的光纤激光器转换效率也没有超过30%;

□ 能量转换效率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10 mm;

□ 随着新一代激光器的诞生,激光器的寿命可以达到50000h,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4~6 mm,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。

电子束技术的发展已经相当成熟,大功率、超大功率电子束焊接设备的发展相当快,而且已经具备了相当实用的价值。激光技术受到能量转换率较低及其他技术障碍,使得激光焊接的功率还不能大幅提升。目前,实用的激光器功率还不能超过10kW,更高功率的激光器,成本的增加非常快,实际应用价值还较低。

在欧美国家,同等功率(3~5kW)的电子束焊接设备与激光焊接设备的价格基本相当,而激光焊接的高效率、灵活性(不受真空室限制)和便于集成到生产线中的特性,使得激光焊接设备在汽车制造中的应用增长速度大大超过电子束焊接设备。在国内,由于大功率激光器(千瓦以上)的研发滞后,实际使用的激光焊接设备基本依赖进口。同时,我国的中小功率电子束焊机已接近或赶上国外同类产品的先进水平,而价格仅为国外同类产品的1/3左右,有明显的性能价格比优势。因此,国内的电子束焊接设备应用远远超过激光焊接设备。

但是,在汽车生产中,大批量、高效率已经成为汽车制造企业追求的目标,而国产的电子束焊接设备,一般不具备大批量自动化生产的能力。在汽车企业需要产能提高的时候,往往只能靠增加电子束焊接设备的数量和增加人力的方式满足生产的需求,因此综合比较下来,电子束焊接的经济性也大打折扣。

通过前面的阐述,我们可以看到,电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。特别是:发电设备、石化设备、矿山机械、重型汽车、航空航天器、原子能设备和造船工业等领域,电子束焊接仍然是首选的技术方案。其典型的应用是焊接反应堆基体和汽轮机转子轴等承力件,其熔深在300mm以上。与激光焊接相比较,电子束焊接的另一重要特点是不受补焊材料反射的影响,因此能很容易地焊接金、银、铜、铝等难于激光焊接的材料,如电子器件中的无氧铜零件、大电流的铜排、铜钨触头和大马力柴油机的铝活塞等,这些零件采用电子束焊接能得到高强度、大熔深的焊接接头。

为了使大功率电子束焊接更好地用于大型工件,与大功率电子束同步发展的是大型真空室、局部真空及非真空等技术。目前大型真空室容积已达800m3,可以焊接直径达10m的巨型构件。虽然大型真空室造价昂贵,但大功率电子束焊的优异焊接性能和极高的焊接速度,可使综合成本(包括设备投资及运行费用)反而比传统的 焊接方法低。据估算,当焊深超过50mm时,电子束焊接的成本即可低于窄间隙焊和 埋弧焊。焊深越深,差价越大。当焊深超过150mm时,电子束焊接的综合成本就只有窄间隙焊和埋弧焊的1/2~1/3。
激光焊接技术在汽车领域的应用

在汽车制造领域,焊接的深度大部分在10 mm以下,这为激光焊接的应用提供了最好的空间。随着技术的快速发展,激光焊接正逐步取代电子束焊接,成为首选的技术方案。激光焊接的应用范围,也从齿轮焊接、传动系统零件焊接,到车身焊接、底板不等厚钢板焊接、车门焊接等各个领域。

因此,汽车制造领域是当前工业生产中最大规模使用激光焊接技术的行业,从汽车零部件生产到车身制造,激光焊接已经成为汽车制造生产中的最主要焊接方法之一。总体上讲,激光焊接在汽车制造中的应用主要包括三个方面:

1、汽车零部件的激光焊接

激光焊接在汽车制造中的应用始于变速箱的齿轮焊接,由于采用了激光焊接,焊接后的齿轮几乎没有焊接变形,不需要焊后热处理,而且焊接速度大大提高,因此很快得到了应用。目前,激光焊接已经在国外的汽车零部件生产中得到非常广泛的应用,包括尾气排放系统(歧管、排气管、消声器等)、变速箱双联齿轮、减振器储油缸筒体、滤清器、车门铰链等。国内汽车领域应用激光焊接主要有:变速箱齿轮和减振器储油缸筒的焊接。

2、激光拼焊技术

激光焊接在汽车制造领域应用最为成功,同时效益最为明显的一项技术就是 汽车车身的拼焊技术。激光拼焊的目的是为了降低车身重量,在进行车身的设计制造时,根据车身不同部位的性能要求,选择钢材等级和厚度不同的钢板,通过激光裁剪和拼焊技术完成车身某一部位的制造。

激光拼焊技术具有下列优点:减少零件和模具数量;缩短设计和开发周期;减少材料浪费;最合理使用不同级别、厚度和性能的钢板,减少车身重量;降低制造成本;提高尺寸精度;提高车身结构刚度和安全性。

德国大众汽车公司最早于1985年将激光拼焊用于Audi车型底盘的焊接,日本丰田于1986年采用添丝激光焊的方法用于车身侧面框架的焊接。北美大批量应用激光拼焊技术是在1993年,当时美国为了提高美国汽车同日本汽车的竞争力而提出了“2mm工程”。到目前为止,世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光拼焊技术,所涉及的汽车结构件包括,车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩板、底板、中间支柱等。

3、汽车车身激光焊接技术

激光焊接在汽车制造中的另一个重要应用是汽车车身框架的激光焊接,其中一个典型例子就是汽车车身顶盖与车身侧板的焊接。传统的焊接方法为点焊,但现在正逐渐被激光焊接所代替。

两者比较可以看出,采用激光焊接后,顶盖和侧面车身的搭接边宽度减少,降低了钢板使用量,同时提高了车体的刚度。目前这种车身框架的激光焊接技术在各大汽车制造商的较新型车中都得到了非常广泛的应用,例如Audi A2 车体框架是由铝合金材料焊接而成,比同样结构使用钢材可减少重量43kg,其中激光焊接的焊缝总长多达30m。国内上海大众的Polo、Passat车型、明锐轿车,一汽大众的Bora、速腾、迈腾车型以及Audi A4和A6等车型的制造中,也都采用了激光焊接技术。这是我国汽车制造业真正使用激光焊接技术的一个重要标志。

由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点,近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段,越来越广泛地应用在汽车、航空航天等领域,所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方法相比,激光焊接尚存在设备昂贵,一次性投资大,技术要求高的问题,使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限,但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。

结束语

电子束焊与激光焊的机理大致相同,应用领域也大体相同。但是,由于它们在束的产生和传输方式上的不同,因而各有各的应用场合。它们不能相互代替,但可相互补充。作为应用者,应合理地应用。

虽然我国激光焊接技术的整体应用水平还比较低,在激光器制造技术上还较发达国家落后许多,但是激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势,这也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。

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