先进制造工艺作业(论文资料).doc

电子束焊与激光焊的对比摘要：木文结合国内目前发展水平，对电了束焊与激光焊的功能极其经济性问题进行了对比 与初步评述关键字：电子朿焊，激光焊，对比The Comparsion of Electron Beam Welding and Laser BeamWeldingAbstract: The article makes the comparsion and the preliminary review between electron beam welding and laser beam welding based on the development of them・ Keywords: electron beam welding, laser beam welding, comparsion1. 引言屯子束焊与激光焊都属于高能密焊接，都具有焊缝窄而深、热影响区小、另 件变形小等优点，但它们的原理与性能又有很大差别，如激光焊是利用热幅射來 熔化材料，焊接吋人多数材料需要用惰性气体作保护，而电子束焊是依靠电子冲 击到工件时其动能转化为热能而熔化材料，焊接一•般在真空中进行在工艺效果 方面激光焊灵便而电子朿焊质量高、熔深大等。

用户在遇到焊接难题吋往往求助 于这两种方法，但究竞选择哪一种合适，这就涉及到工艺质量与经济效益的统筹 考虑了，前者和对容易判断而后者问题就比较复杂，它不仅要考虑设备投资、还 涉及牛产效率与牛产运行费用等问题，本文仅在机械制造行业范围内对这两类装 置的功能与经济性进行一些分析比较2. 焊接功率与焊接深度关系图1所示是国外该两类设备在不同功率时焊缝深度的对比，有此可见在lkW 以下两者熔深相近，随着功率提高，电子束焊的熔深远远超过激光焊血国内差 距更大，这是因国内屯子束焊研究已有多年历史，15kW以下电子束功率的焊缝 性能指标与国际水平相近，而激光焊，尤其是千瓦级激光焊，国内是近几年才发 展起来的与国际水平差距还很大Fl前国产电子朿焊接功率最高达I5RW,焊接 钢材的最大熔深可达80mm,焊缝深度宽比大于20:1小功率电了束焊接功率在 4kW左右，焊接钢材厚度可超过10mm、焊缝身宽比大于10:1国内牛产用激光 焊机是1.5kW,焊缝深度在2mm左右，焊缝深宽比小于1:1300WC02激光焊 熔深在0.3mm以下，tfnYAG激光器、脉冲能量10J,频率在1〜300Hz, —般熔 深在0.2mm以下。

实验室正在研制的5kW激光器，其焊接深度一般在3〜5mm、 深宽比小于2:1图1 EB与LB焊接熔深对比（焊SS304L钢，焊速lm/min）3. 生产效率影响牛产效率的因素很多，如束功率及焊缝上有效线能量密度，装置自动化 程度等，如果这些条件相仿，一般情况下激光焊不像电子束焊那样需要抽真空, 因此牛产效率可以提高由于真空技术不断发展，抽真空时间对中小型零件來说 只占很小比例，如国内可以做到小于20s,而国外仅需3s,如果用多工位系统, 装卸工件、抽真空、焊接等工序可在不同工位上同时进行，抽真空就不单独占用 吋间，因此可以获得非常高的牛产效率，国外最高可达每小吋1440件4. 稳定性与可靠性电子朿焊接参量主要受电控制，它的稳定度可以做得很高，束功率密度很易 达到1%的稳定度，而激光焊的能量转换层次多，还有气体介质参数影响，一般 束功率密度的稳定度低于5%o另外电子束焊接在设备稳定性与可靠性方面进行 了长期工作，积累了丰富经验，已在牛产线丄获得可靠应用千瓦级激光器是近 儿年才发展起来的，尚需在实践中不断改进才能在牛产中可靠应用5. 灵活性（1） 束的传递 电子束一般需要在真空中传送，为此灵活性受到一定限制，如焊接大型零件一般需做大型真空室，国内最大容积为9n?,国外为280m3,设备 投资就会大为增加。

激光可以在大气中传播，利用反光镜可以方便地将激光转移 到工件所需焊接的部位，工作非常灵活，电子束在这类工作中无法与之竞争激 光还可通过光缆传送，国外近期开发的250W脉冲工作的Nd-YAG激光器仅需 901b重，靠光缆可传送100ft,取代了传统的反光镜传送，激光工作头是手握式， 焊一些超薄形零件非常方便，它很易与机械手配合，实现高度自动焊2） 焦距调节 电子束可以很方便地通过磁透镜的电流变化大幅度地改变其焦距而激光是用玻璃透镜聚焦，调焦就很困难3） 扫描 有的工艺需要进行扫描处理，电子束焊可很方便地通过磁场扫描来 达到，其扫描频率可以达到很高，而激光焊需要水冷的反光镜来扫描，结构复杂， 扫描频率低6. 电能利用率激光器从电能转换成激光能效率非常低，再加丄激光器有大功率的冷却系统, 一般激光束功率仅占整个装置功率的5%,而电子束转换效率高，它占整个装置 功率的一半以上表1所列是国外文献提供的该两类焊机的电能消耗分配百分比表1两类装置不同部件耗能分配百分比%束偷出功率束电源!控制电源泵系统拎却系统电子束57一 (8 _2310■激光532 |125377. 运行费用电子束焊接电能利用率比激光焊高得多，因此电子束焊接电力费用亦低得多。

它的日常消耗主要是灯丝，一般餌片灯丝寿命可达20小时以上，每根灯丝仅几 元，如果使用长寿面的六硼化领）阴极，其寿命可达几百小时，消耗费用很小一 般屯子束焊机都用水冷系统，流量不大，可以循环水冷，其费用很低用于焊金 属零件的激光器有两大类，一类是固体YAG激光器，其工作介质寿命以两班制 计约半年，费用随功率与频率大小较大差异，其价格从八千元到数万元另-•类 是CO2激光器，其气体在使用过程中需不断更新，要占一•定的费用激光器需 要大量的水进行冷却，若采用循环水冷则需用电气冷却设备，其耗电量占较大比 重同样千瓦级束功率，激光焊耗电量约为电子束的十倍左右，如果以同等有效 束功率计算其耗电比例就更高得多，供电设备及耗电费用都会显著上升电子束 焊的真空设备需要一定的维护费用8. 综合实例以上从六个方面对比了两类设备的特点，但对某--种零件究竟用那类设备更 为经济的问题还难以解决，因为：首先，达两类焊接设备国内还处于单件牛产阶 段，焊接对象品种繁多，设备结构又不同，其价格差异较大其次，千瓦级激光 器国内是近几年才开发的，有的还处于研制阶段，其价格必然偏高，这一点与国 外情况不同，图2所示是国外两类设备的价格与束功率的关系，大致上是5kW 以下激光焊机比电子束焊机便宜，而5kW以上则反之。

国内5kW CO2激光器正 在研制，价格在50-60万元，而相同束功率的电子束焊机的电子枪系统（包括光 学观察系统和枪的真空系统及有关电源：高压电源、栅偏电源、聚焦电源、扫描 电源等）价格在20万元左右焊同种类小型零件时，两类设备的工装、工作台、 传动系统相近，血电子束焊机需增加真空室及其真空系统，价格约6万元左右， 相比可见国内5kW左右束功率的电子束焊机价格要比激光焊机价格便宜得多 另外相同的焊接对彖（即相同的熔深），从图1可见一般电子束功率可以远小于激 光束功率，这一重要因素是值得考虑的国内1.5RW的激光焊机与相应的电子 束焊机价格相近，血百瓦级激光焊机（主要用｝丫人6固体激光器）一般比电子束焊机 （最小功率不低于IkW）价廉经济方面除投资外还有口常操作、维修费用，这方而国内尚缺资料，表2提供了法国Sciaky公司统计的两类设备各项费用统计资 料供参考，经济是一重要因素，但不是唯一因素，工艺效果是另一重要因素，如 果焊的是活性材料，如钮、妮、钳、钦等及其合金，即使采用氢气保护的激光焊， 英质量与成品都不如真空电子束焊微电子装配与传感器需防潮与防空气污染, 采用电J：束焊可真空封装，达到上述H的。

焊接薄件，尤其是大型薄件，激光显 示出它的优越性，不仅价廉而且灵活方便要焊5mm以上较厚零件时，H前国 内激光焊尚无能为力，血电于束焊则很容易实现电子束焊接大型零件，有的需 将整个零件放入真空室，也有采用局部真空密封的可人大减少真空室尺寸束功和W）一、 投资1.束源2・机床3.占地商积%1. 操作费用1・消耗（1）电⑵冷却水（3） 混合气体（4） 保护气体（5＞光学部件（透镜.反光镜.阴极等2・维修3.零件准备4・人员愆理费与培训*法国法郎100--800FF*/W 取决F应用W—15rn210~20kWh/kWh 束功率J —1.5m3/kWh 束功率 100—400L/kWh 束功率'10-40FFIi 10—:30FF/kWh 束功率2-5%成本/年取决于应用I 1—2%成本/年W0—2UUFF/W加真空室成本其它占我光相同 数升容积的真空室30-40万FF 与激光相同1.2—2kWh/kWh 束功率 0.1-0.2m7kWh 束功率 无无II;2—3FF/kWh 束功率j 1 一3%成本/年!与激光相同I与激光相同图2电了束焊机与激光焊机的价格比较 表2电了束焊机与激光焊备类费用对比激光（1 一 5kW）电子束(3—10kW)8.结论电子朿焊与激光焊在不同方面各有各的优点和缺点，在使用中，我们要综合 考虑其要素，才能达到最有效的效益。

正由于两者既有相互竞争的一面，又有相 互促进补充的一而，在未来两者都会在国家建设事业中充分发挥它们应有的作用 参考文献[1]刘春飞.电子束焊接技术发展历史、现状及展望[J]•航天制造技术，2003.⑵ 王欲知，陈旭.真空技术（第2版）[M].北京航空航天大学出版社，2007.⑶ 骆红.薄板激光焊接过程中焊接缺陷的诊断原理和技术[D].武汉，华中理工大 学，1998[4] Sayegh, G., Proc. Int. Conf. Electron and Laser Beam Welding, 1989, p.39.[5] Welding Journal, oct., 1990, p.47.[6] Power, D.E., etal., Welding Journal. Mar. 1988, p.30.。