在汽車制造中，無論是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等零部件的生產(chǎn)，還是車身制造與裝配，焊接工藝都是重要的加...

在汽車制造中，無論是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等零部件的生產(chǎn)，還是車身制造與裝配，焊接工藝都是重要的加工手段。除電弧焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接技術(shù)被普遍采用外，在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)過程中，以電子束焊和激光焊為代表的新一代焊接技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，并憑借精密和高效的特點(diǎn)，成為汽車生產(chǎn)企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有力工具。

電子束焊接技術(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)用也隨即展開。電子束與激光加工同屬于高能密度束流加工技術(shù)，應(yīng)用的領(lǐng)域大體相同，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。

電子束焊接與激光焊接的原理

電子束焊接（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)10000℃，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5~10m/min）；

□ 熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度的10%~20%）；

□ 熱流輸入少、工件變形小；

□ 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、無后續(xù)加工。
電子束焊接與激光焊的性能比較

經(jīng)過不斷發(fā)展，電子束焊接已經(jīng)成為一種成熟的加工技術(shù)，而激光焊也已從實(shí)驗(yàn)室走向了實(shí)用階段，并大有取代電子束焊的勢(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)。

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60s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，也沒有防X射線問題，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30s以內(nèi)）。因此，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，激光焊還存在一定的缺點(diǎn)：

□ 激光的能量轉(zhuǎn)換效率較低，常用的CO2激光器能量轉(zhuǎn)換效率不足20%，最新的光纖激光器轉(zhuǎn)換效率也沒有超過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10 mm；

□ 隨著新一代激光器的誕生，激光器的壽命可以達(dá)到50000h，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)，必須通過填絲等輔助手段，才能達(dá)到較理想的焊接效果。

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10kW，更高功率的激光器，成本的增加非常快，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)備在汽車制造中的應(yīng)用增長(zhǎng)速度大大超過電子束焊接設(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)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而價(jià)格僅為國(guó)外同類產(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)超過激光焊接設(shè)備。

但是，在汽車生產(chǎn)中，大批量、高效率已經(jīng)成為汽車制造企業(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。在汽車企業(yè)需要產(chǎn)能提高的時(shí)候，往往只能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，因此綜合比較下來，電子束焊接的經(jīng)濟(jì)性也大打折扣。

通過前面的闡述，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、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。其典型的應(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。與激光焊接相比較，電子束焊接的另一重要特點(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，如電子器件中的無氧銅零件、大電流的銅排、銅鎢觸頭和大馬力柴油機(jī)的鋁活塞等，這些零件采用電子束焊接能得到高強(qiáng)度、大熔深的焊接接頭。

為了使大功率電子束焊接更好地用于大型工件，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)。目前大型真空室容積已達(dá)800m3，可以焊接直徑達(dá)10m的巨型構(gòu)件。雖然大型真空室造價(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50mm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150mm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。
激光焊接技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

在汽車制造領(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，到車身焊接、底板不等厚鋼板焊接、車門焊接等各個(gè)領(lǐng)域。

因此，汽車制造領(lǐng)域是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最大規(guī)模使用激光焊接技術(shù)的行業(yè)，從汽車零部件生產(chǎn)到車身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造生產(chǎn)中的最主要焊接方法之一。總體上講，激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用主要包括三個(gè)方面：

1、汽車零部件的激光焊接

激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用始于變速箱的齒輪焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齒輪幾乎沒有焊接變形，不需要焊后熱處理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了應(yīng)用。目前，激光焊接已經(jīng)在國(guó)外的汽車零部件生產(chǎn)中得到非常廣泛的應(yīng)用，包括尾氣排放系統(tǒng)（歧管、排氣管、消聲器等）、變速箱雙聯(lián)齒輪、減振器儲(chǔ)油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域應(yīng)用激光焊接主要有：變速箱齒輪和減振器儲(chǔ)油缸筒的焊接。

2、激光拼焊技術(shù)

激光焊接在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用最為成功，同時(shí)效益最為明顯的一項(xiàng)技術(shù)就是汽車車身的拼焊技術(shù)。激光拼焊的目的是為了降低車身重量，在進(jìn)行車身的設(shè)計(jì)制造時(shí)，根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇鋼材等級(jí)和厚度不同的鋼板，通過激光裁剪和拼焊技術(shù)完成車身某一部位的制造。

激光拼焊技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：減少零件和模具數(shù)量；縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)周期；減少材料浪費(fèi)；最合理使用不同級(jí)別、厚度和性能的鋼板，減少車身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高車身結(jié)構(gòu)剛度和安全性。

德國(guó)大眾汽車公司最早于1985年將激光拼焊用于Audi車型底盤的焊接，日本豐田于1986年采用添絲激光焊的方法用于車身側(cè)面框架的焊接。北美大批量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)是在1993年，當(dāng)時(shí)美國(guó)為了提高美國(guó)汽車同日本汽車的競(jìng)爭(zhēng)力而提出了“2mm工程”。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括，車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風(fēng)玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。

3、汽車車身激光焊接技術(shù)

激光焊接在汽車制造中的另一個(gè)重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個(gè)典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點(diǎn)焊，但現(xiàn)在正逐漸被激光焊接所代替。

兩者比較可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時(shí)提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術(shù)在各大汽車制造商的較新型車中都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結(jié)構(gòu)使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長(zhǎng)多達(dá)30m。國(guó)內(nèi)上海大眾的Polo、Passat車型、明銳轎車，一汽大眾的Bora、速騰、邁騰車型以及Audi A4和A6等車型的制造中，也都采用了激光焊接技術(shù)。這是我國(guó)汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)志。

由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，使得激光焊接在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。

結(jié)束語

電子束焊與激光焊的機(jī)理大致相同，應(yīng)用領(lǐng)域也大體相同。但是，由于它們?cè)谑漠a(chǎn)生和傳輸方式上的不同，因而各有各的應(yīng)用場(chǎng)合。它們不能相互代替，但可相互補(bǔ)充。作為應(yīng)用者，應(yīng)合理地應(yīng)用。

雖然我國(guó)激光焊接技術(shù)的整體應(yīng)用水平還比較低，在激光器制造技術(shù)上還較發(fā)達(dá)國(guó)家落后許多，但是激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。