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所示。固态激光焊接系统(图片由通快公司提供)

在一个设备中同时使用激光和电子束技术可以简化制造过程,当一个部件的设计包含多个单独定制的焊接接头时。例如传感器、医疗设备和需要在成品部分内密封惰性气体或真空的产品。

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 -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)或脉冲输出光子。在连续波系统中,激光在焊接过程中始终是开着的。脉冲系统经过调制以输出一系列脉冲,脉冲之间有一个关断时间。在这两种方法中,激光束都聚焦在要焊接的工件表面。这些激光束可以通过经典的硬光学直接传送到零件上,或者通过一根能够将激光能量传送到远处工作站的高柔性光纤电缆。

与GTAW (TIG焊接)等传统焊接方法和类似工艺相比,激光的高能量密度使得材料表面能够迅速达到其液相线温度,允许较短的光束相互作用时间。因此,能量在工件内部消散的时间较少。这导致了一个狭窄的热影响区和较少的疲劳借方的组件。

可以对光束能量输出进行高度控制和调制,从而产生任意的脉冲波形。焊缝可以通过重叠的单个脉冲产生,通过在脉冲之间引入一个简短的冷却循环来减少热输入,这对于热敏材料的焊接是一个优势。

East Granby的一家基于ct的激光熔覆、电子束和激光焊接应用领域的创新公司Joining Technologies的材料工程师Salay Stannard指出,连续激光可以达到并超过0.5英寸的穿透,而脉冲激光通常只能达到0.030-0.045英寸。她说:“这些结果可能会因激光系统而异,而且很大程度上取决于加工参数的选择和关节设计。”图1描述了一个固态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,难熔金属,镍基超合金。

然而,在真空下工作的主要需要是精确控制电子束。当电子与空气分子相互作用时,散射发生;通过降低环境压力,电子可以得到更严格的控制。

现代的真空室配备了最先进的密封,真空传感器和高性能的泵系统,使快速疏散。这些特性使得电子束聚焦到直径为0.3到0.8毫米的地方成为可能。

通过采用最新的微处理器计算机数字控制(CNC)和系统监控来进行优越的部件操作,各种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。通过对电子束直径和行进速度的精确控制,可以将0.001 "到几英寸厚的材料熔合在一起。这些特性使得EBW成为一种非常有价值的技术。

该工艺将最小的热量放入工件,从而产生最小的变形量,并允许经过加工的零部件在不进行额外加工的情况下连接在一起。表2列出了电子束焊接的主要优点。

图2。电子束焊接

恩菲尔德基于ct的PTR-Precision技术公司的市场营销和销售总经理John Rugh表示,EBW将会在很长一段时间内使用。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。”

他补充说:“焊接环境的清洁度是你不必担心的一个变量。除了提供理想的焊接环境,新型电子束焊接控制允许快速电磁偏转,这使得焊缝和周围区域的热输入可以根据最佳材料性能进行定制。”

例如,这种快速偏转可以通过快速移动波束位置、焦点和功率水平,同时实现预热、焊接和后加热。这提供了焊接困难或“不可能焊接”的合金的能力。

马萨诸塞州剑桥真空工程公司总经理杰弗里•杨表示:“EBW部件只需要最低程度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。”他补充说:“焊接质量非常好,整个过程非常高效(通常为95%),所有的工艺参数都得到了严格控制,整个过程完全自动化。”

两全其美

连续同轴送粉喷嘴允许多向激光熔覆,需要高效率的粉末。它还提供了优秀的大气屏蔽能力,材料是高度易受极端氧化,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。

拉夫说:“一些部件及其相关的焊接夹具可能太大,无法装入现有的电子束焊接室。”“除了尺寸之外,如果被焊接的部件含有会干扰真空抽吸的液体,激光焊接将是一个很好的选择。”疏散电子束焊接室需要几分钟,对于不太敏感的焊缝来说,这段时间可能不值得。

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。

虽然每一种技术都有其优点,但在实际应用中,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,在同一工厂执行两种类型的焊接肯定会简化制造过程。

本文由John Lucas撰写,他是Joining Technologies (East Granby, CT)的过程开发技术员。欲了解更多信息,请致电约翰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。,或访问http://info.hotims.com/34454-200。


Photonics技术简报杂志

本文首先出现在2011年5月的问题Photonics技术简报杂志。

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