激光束与电子束焊接：为您的应用选择最佳工艺

激光束焊接 (LBW) 和电子束焊接 (EBW) 的支持者都对自己喜欢的技术赞不绝口，但通常对客户来说最好的解决方案是同时使用这两种技术。这两种工艺都非常适合连接具有复杂几何形状的部件，并且能够满足对最终装配的冶金特性的最严格要求。

图 1. 固态激光焊接系统（照片由通快公司提供）

当组件的设计包含针对一种工艺或另一种工艺分别定制的多个焊接接头时，在单个设施中同时使用激光和电子束技术可以简化制造工艺。示例包括传感器、医疗设备以及需要惰性气体或真空密封在成品部件内的产品。

当最终组件的尺寸对于 EB 焊接室来说太大、组件中的某些组件与真空处理（例如液体或气体）不兼容时，或者当电子束源无法接近焊缝时，则需要进行激光处理。当完成的组件必须在真空下与内部组件密封时，当焊缝熔深超过 1⁄2" 时，当材料很难启动激光耦合时，或者当焊缝在冷却到可接受的温度之前不得暴露在大气条件下时，电子束将是首选。例如钛及其合金以及许多难熔金属（如钨、铌、铼和钽）的航空航天焊接。

LBW – 更简单的工具和更短的周期时间

激光焊接能源利用连续波 (CW) 或脉冲光子输出。对于 CW 系统，激光束在焊接过程中始终开启。脉冲系统被调制以输出一系列脉冲，这些脉冲之间具有关闭时间。使用这两种方法时，激光束都会光学聚焦在待焊接的工件表面上。这些激光束可以通过经典的硬光学器件直接传递到零件，或者通过能够将激光能量传递到远程工作站的高度灵活的光纤电缆。

激光的高能量密度使得材料表面能够快速达到液相线温度，与传统焊接方法（例如 GTAW（TIG 焊接）和类似工艺相比）可以缩短光束交互时间。因此，能量消散到工件内部的时间更短。这会导致热影响区变窄，并减少部件的疲劳负担。

光束能量输出可以被高度控制和调制，以产生任意脉冲轮廓。焊缝可以通过重叠单个脉冲来产生，这通过在脉冲之间引入短暂的冷却循环来减少热量输入，这对于在热敏材料中产生焊缝是一个优势。

位于康涅狄格州东格兰比的激光熔覆、电子束和激光焊接应用创新公司 Joining Technologies 的材料工程师 Salay Stannard 指出，连续激光器可以实现高达并超过 0.5 英寸的熔深，而脉冲激光器通常只能实现 0.030-0.045 英寸。她说：“这些结果可能因激光系统而异，并且在很大程度上取决于加工参数的选择和联合设计。”图1描述了固态激光焊接系统的构造。

Stannard 补充道：“由于此类焊接工艺中的热源是光能，因此应考虑焊接材料的反射率。例如，金、银、铜和铝需要更强烈的能量输入。一旦熔化，反射率就会降低，并且该过程的热导会逐渐实现渗透。”

如前所述，激光器的高功率密度会产生较小的热影响区，并确保关键部件不受损坏。这对于手术器械、电子元件、传感器组件和许多其他精密设备具有特别的优势。与 EBW 不同，LBW 不会产生任何 X 射线，并且可以通过自动化和机器人轻松操作。一般来说，LBW 的工具要求也更简单，并且没有真空室的物理限制。更短的周期时间可以在不牺牲质量的情况下转化为成本优势。表1列出了连续波和脉冲LBW的优点。

EBW – 更深的焊缝熔深且无污染

EBW 被许多行业广泛接受，可以焊接通常不适合其他方法的难熔金属和异种金属。如图 2 所示，工件受到以极高速度行进的聚焦电子流的轰击。电子的动能转化为热能，而热能又是聚变的驱动力。通常不需要或使用任何添加的填充材料，并且焊后变形最小。超高能量密度可实现深熔深和高深宽比，而真空环境可确保焊接无大气气体污染，这对于钛、铌、难熔金属和镍基高温合金等金属至关重要。

图 2. 电子束焊接

然而，在真空下操作的主要必要性是精确控制电子束。当电子与空气分子相互作用时会发生散射；通过降低环境压力，可以更严格地控制电子。

现代真空室配备了最先进的密封件、真空传感器和高性能泵系统，可实现快速抽空。这些特性使得电子束聚焦直径为 0.3 至 0.8 毫米成为可能。

通过采用最新的微处理器计算机数控 (CNC) 和系统监控以实现卓越的零件操作，可以连接各种尺寸和质量的零件，而无需过度熔化较小的零件。对电子束直径和行进速度的精确控制使得 0.001 英寸到几英寸厚的材料能够熔合在一起。这些特性使 EBW 成为一项极其有价值的技术。

该工艺将最少量的热量注入工件，从而产生尽可能最小的变形，并且允许精加工的部件无需额外加工即可连接在一起。表2列出了电子束焊接的主要优点。

总部位于康涅狄格州恩菲尔德的 PTR-Precision Technologies, Inc. 营销和总经理 John Rugh 表示，EBW 是一种将长期使用的工艺。 “由于大多数 EB 焊接是在真空室内进行的，因此它非常适合连接航空航天、发电、医疗和核能等行业使用的先进材料，这些材料需要在真空环境中生产，以保护它们免受露天环境中氧气和氮气的影响。”

他补充道，“焊接环境的清洁度是您不必担心的一个变量。除了提供理想的焊接环境之外，新的 EB 焊接控制装置还可以实现光束的快速电磁偏转，从而可以定制焊缝和周围区域的热输入，以获得最佳的材料特性。”

连续同轴送粉喷嘴可在需要高粉末效率的情况下进行多向激光熔覆。它还为极易受到极端氧化的材料（例如钛）提供出色的大气屏蔽能力。

例如，这种快速偏转只需快速移动光束位置、焦点和功率水平即可同时进行预热、焊接和后加热。这提供了焊接困难或“不可能焊接”合金的能力。

马萨诸塞州剑桥真空工程公司总经理 Geoffrey Young 表示：“EBW 零件需要最少的焊后加工和热处理，而且与其他熔焊工艺不同，EBW 不需要保护气体。”他补充道，“焊接质量非常出色，工艺效率极高（通常为 95%），所有工艺参数都经过仔细控制，并且工艺完全自动化。”

两全其美

据 John Rugh 介绍，LBW 通常用于焊接厚度在 1/3 至 1⁄2 英寸以下的钢板金属部件和机加工部件。激光焊接还可用于连接不适合在真空室内加工的零件。

“某些零件及其相关的焊接夹具可能太大，无法装入可用的 EB 焊接室，”Rugh 说。 “除了尺寸之外，如果要焊接的部件含有会干扰真空泵的液体，激光焊接将是一个不错的选择。”电子束焊接室的抽空需要几分钟的时间，对于敏感性较低的焊接来说，这个时间可能不值得。

如果部件价值较高，由适合真空环境的材料（例如钛合金和镍合金）制成，焊缝深度超过 1/3 至 1/2 英寸，或者如果激光束难以与被焊接的材料（例如铝合金）耦合，则通常会选择 EB 焊接而不是激光焊接。

虽然每种技术都有其优点，但实际上，许多组件设计都结合了电子束焊接和激光焊接。在这些情况下，在同一设施中执行两种类型的焊接肯定会简化制造过程。

本文由 Joining Technologies（康涅狄格州东格兰比）工艺开发技术员 John Lucas 撰写。欲了解更多信息，请联系 John，此电子邮件地址已受到垃圾邮件机器人保护。您需要启用 JavaScript 才能查看。或访问 http://info.hotims.com/34454-200 。