激光束焊接(LBW)和电子束(EBW)焊接的支持者每次发音他们有利的技术的奇异赞美,但往往是客户的最佳解决方案是在一起使用两种技术。这两个过程非常适合加入具有复杂几何形状的组件,并且能够满足最终组装的冶金特性的最严格要求。

图1.固态激光焊接系统(Trumpf Inc.提供照片)

在单个设施中使用激光和电子束技术可以简化制造过程,当组件的设计包括多个焊接接头,单独为一个过程或另一个过程分别定制。实例包括在成品部分内需要惰性气体或真空密封的传感器,医疗装置和产品。

当最终组件的尺寸太大而对于EB焊接室时,需要激光加工,组件中的一些部件与真空处理(例如液体或气体)不兼容,或者当焊缝无法进入电子束时来源。当焊接穿透超过1/2时,电子束必须在真空中用内部部件密封时,电子束将在真空中用内部部件密封时,当材料挑战以启动激光耦合时,或者当焊缝不得暴露在大气条件下时直到它冷却到可接受的温度。例子是钛及其合金的航空焊接,以及许多难治金属,如钨,铌,铼和钽。

LBW - 更简单的工具和更短的循环时间

激光焊接能源利用连续波(CW)或光子的脉冲输出。利用CW系统,在焊接过程中,激光束始终开启。调制脉冲系统以在这些脉冲之间输出一系列脉冲。通过这两种方法,激光束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或通过能够将激光能量输送到远处工作站的高度柔性光缆来递送到部分。

与传统的焊接方法如GTAW (TIG焊接)和类似的工艺相比,激光的高能量密度使得材料的表面能够迅速达到其液相线温度,从而使得光束相互作用时间更短。这样,能量耗散到工件内部的时间就更少了。这导致一个狭窄的热影响区和较少的疲劳借方的组件。

光束能量输出可以被高度控制和调制,以产生任意的脉冲轮廓。焊缝可以由单个脉冲的重叠产生,这通过在脉冲之间引入一个简短的冷却周期来减少热输入,这对热敏性材料的焊接是有利的。

加入技术公司(Joining Technologies)的材料工程师Salay Stannard指出,连续波激光器可以达到并超过0.5英寸的穿透深度,而脉冲激光器通常只能达到0.030-0.045英寸。该公司总部位于East Granby,是一家基于ct的激光熔覆、电子束和激光焊接应用领域的创新公司。她说:“这些结果可能在不同的激光系统之间有所不同,而且很大程度上取决于加工参数的选择和关节设计。”图1描述了固体激光焊接系统的结构。

斯坦纳德补充说:“由于这种类型的焊接过程中的热源是光的能量,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。一旦融化,反射率降低,过程的热传导进展以实现渗透。“

如上所述,激光的高功率密度导致小型热影响的区域,并确保关键部件受到侵扰。这对于外科手术器械,电子元件,传感器组件和许多其他精密装置具有特别的优势。与EBW不同,LBW不会产生任何X射线,并用自动化和机器人易于操纵。通常,LBW也具有更简单的工具要求,并且没有真空室的物理约束。短周期时间转化为成本优势而不牺牲质量。表1列出了连续波和脉冲LBW的优点。

EBW - 更深层次的焊接渗透和污染自由

广泛接受许多行业,EBW允许耐火材料和不同金属的焊接,这些金属通常不适合其他方法。如图2所示,用以极高的速度轰击工件用聚焦的电子流轰击。电子的动能被转换为热能,这反过来是融合的驱动力。通常不需要添加或使用添加填料,并且焊后失真是最小的。超高能量密度能够实现深度渗透和高纵横比,而真空环境确保了无污染的无污染焊缝,这对于诸如的金属至关重要

图2.电子束焊接钛,铌,耐火金属和镍基超合金。

然而,在真空下操作的主要必要性是精确地控制电子束。当电子与空气分子相互作用时发生散射;通过降低环境压力,可以更加紧密控制。

现代真空室配备了最先进的密封,真空传感器和高性能泵系统,使快速疏散。这些特性使电子束聚焦到0.3到0.8毫米的直径成为可能。

通过整合最新的微处理器计算机数字控制(CNC)和系统监控,以实现更好的部件操作,不同尺寸和质量的部件可以连接在一起,而不会过度熔化较小的部件。精确控制电子束的直径和移动速度可以使0.001英寸到几英寸厚的材料融合在一起。这些特性使电子束焊接成为一项极有价值的技术。

该过程将热量最小的热量放入工件中,这产生了尽可能小的变形量,并且允许在没有额外的处理的情况下将待结合的机加工部件连接在一起。表2列出了EB焊接的主要优点。

图2.电子束焊接

Enfield基于ct技术的PTR-Precision Technologies, Inc.的市场营销和销售总经理John Rugh表示,EBW是一个将长期使用的过程。执行“因为大多数EB焊接在一个真空室,这是一个很好的适合加入先进材料在航空航天等行业使用,发电、医学和核,需要在真空环境下产生氧气和氮气的保护他们发现在一个露天的环境。”

他补充道:“焊接环境的清洁度是一个你不必担心的变量。除了提供理想的焊接环境,新型电子束焊接控制还允许束的快速电磁偏转,这使得焊缝和周围区域的热输入可以根据最佳的材料性能进行定制。”

例如,这种快速偏转允许通过快速移动光束位置,焦点和功率水平同时进行预热,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。

根据基于马萨诸塞州的剑桥真空工程总经理Geoffrey Young,“EBW零件需要最少的焊接加工和热处理,并且与其他融合焊接过程不同,EBW不需要屏蔽气体。”他补充说,“焊接质量卓越,过程非常有效(通常为95%),所有过程参数都经过精心控制,并全自动过程。”

两全其美的

连续同轴粉末进料喷嘴允许多向激光包层,需要高粉末效率。它还为高度易受极端氧化的材料提供出色的大气屏蔽功能,例如钛。

根据John Rugh的说法,LBW通常用于焊接钢板金属部件和机加工组件,厚度为1/3至1/2英寸。激光焊接对于连接不适合于在真空室内处理的部分也是有用的。

“一些零件及其相关的焊接夹具可能太大而无法适合可用的EB焊接室,”Rugh说。“除了尺寸外,如果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。”撤离EB焊接室需要几分钟,并且该时间可能不值得这款较少的焊接。

如果组件是高价值,制成的材料,将受益于真空环境,如钛和镍合金、焊缝的深度超过1/3到1/2英寸或如果激光束耦合困难与被焊接材料,如铝合金、EB焊接通常选择在激光焊接的过程。

虽然每个技术都具有其优势,但实际上,许多组件设计都包含EB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绝对简化了制造过程。

本文是由John Lucas,Process Developmencian,加入技术(East Granby,CT)编写的。有关更多信息,请联系John At此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问http://info.hotims.com/34454-200。


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本文首先出现在2011年5月的问题Photonics技金宝搏官网术简报杂志。

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