电子束焊接技术

电子束焊接技术中国科学院等离子研究所研制中心目录电子束焊接起源电子束焊接原理电子束焊接分类、特点及应用电子束焊接工艺电子束焊接研发现状电子束焊接的安全防护结束语电子束焊接起源电子束焊接起源电子束焊接至今有100多年的历史在人们了解电子性能之前，曾经有过“阴极极射线”(cathode-ray)的名称。早在1879年williamcrookersh发现在阴极射线管中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现象。20年后，1897年，J.J.Jhompaon的研究证明，所谓的阴极射线实际就是电子束；电子束的焊接技术起源于德国1948年，西德k.h.steigerwald博士，在致力于研究更高工作频率的示波器时，发现高功率密度的电子束可以熔化、烧蚀、冲刷金属的现象。据此，他提出了用电子束切割焊接的设想。1951年，申请了在各种材料上钻孔的电子束设备的专利，并与1952年，在蔡司公司(zeiss)制造了第一台电子束加工机。1954年电子束焊接金属获得成功法国的斯托格博士(J.A.Stohr)用自行研制的一台电子束焊接设备，成功的焊接了法国原子能委员会核反应堆得燃料包壳。1957年11月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上，法国方面公布了该技术，使电子束焊接技术作为一种新的焊接方法得到确认。1958年开始，美国、英国、日本和苏联开始进行电子束焊接方面的研究。1958年10月，我国在一本英国杂志《weldingandmetalfabrication》上见到了一篇有关电子束焊接方面的报道。1964年，我国研制生产了第一台型号为ZD-30的真空电子束焊机，这是清华大学冶金系为满足我国核工业需要而开发的。电子束焊焊接原理电子束焊接基本概念电子束焊接是利用会聚的高能电子轰击工件接缝处所产生的热能，使被焊材料熔合的一种焊接方法。通常束斑直径1mm，在0.1~0.75mm之间，速度可达0.3~0.7C。电子光学基础电子的发射(1)空间电荷限制发射(2)温度限制发射(3)肖特基发射(1)空间电荷限制发射(2)温度限制发射(3)肖特基发射电子束由电子枪的阴极发射，通常是空间电荷限制发射或温度限制发射。电子的场致运动(1)电子在电场中的运动在平行板形成德电场中，电子的运动方向与正电荷粒子运动方向相反，是由低电位向高电位方向运动。根据能量守恒定律，当电子由静止状态开始向正极板方向做匀加速运动时，将位能转变为动能，则有：由此，可以计算得到电子到达正极板时的速度，这就是电子束枪中电子在阴阳两极高压间被加速的理论基础。(2)电子在磁场中的运动根据物理学，我们知道，电荷在磁场中运动时，磁场与运动电荷有作用力，称为洛伦兹力。作用力的大小为：式中：Q——电荷电量V——电子运动速度B——磁感应强度a——磁力线与电子运动方向的夹角电子束形成电子束焊接能量转换(与通常熔化焊相比）能量传递公式：以无任何化学属性的电子束为载体热量析出部位：在电子穿透层下方析出能量转换机制：电子动能晶格振动能热能电子束焊缝形成(1)电子束焊接加热特点功率密度高和束精确、快速可控性。(2)电子束焊缝形成方式熔化式和熔穿入式成形电子束焊接深穿过程电子束与焊金属表面碰撞失去全部动能；碰撞使晶格上的原子发生急剧的热振动，大部分动作转化为热能；在极短时间内，被焊材料迅速被加热至熔点及极高的过熔点温度，迅速蒸发形成金属蒸汽；金属蒸汽的反作用力使金属熔体向四周排开，露出下层固体金属表面；电子束继续作用，重复上述过程，实现深穿。电子束焊接深穿入式成缝示意图电子束输入功率分配电子束焊接熔池受力分析电子束焊接设备基本构成真空电子束焊机工作原理电子枪的四个作用电子枪的工作原理阴极材料的选择阴极加热方式阴极结构设计真空电子束焊机工作过程电子枪的四个作用a从阴极发射电子；b使电子在阴阳两极间被加速，形成束流；c电磁聚焦线圈使电子束聚焦；d偏转线圈使电子束偏转；若加入函数发生器，可使束流以给定的函数图像进行扫描；因此，电子束焊机中的电子枪是发射、形成和会聚电子束的装置。电子枪的工作原理电子枪包括静电荷和电磁两部分，静电部分有阴极、聚束极和阳极组成，通常称静电透镜；电磁部分又聚焦线圈和偏转线圈组成，通常称为磁透镜。工作原理：(1)电子枪的阴极被加热，发射电子；(2)电子经阴阳极间的加速电压加速，同时受聚束极的作用开始第一次聚焦，飞向阳极。(3)通过了阳极小孔的电子束流，在继续行进中，因受空间电荷及真空室压力的影响，又必然会发散；(4)通过电磁部分时，由聚焦线圈再次会聚，并在工件上形成极小的高能量束斑；(5)为调整电子束束斑到工件表面的位置，电子束经过偏转线圈磁场时，在洛伦兹力的作用下产生束偏转。阴极材料的选择阴极是电子枪中的重要部件，要获得较高的发射电流密度，就要求阴极材料具有较小的逸出功或较高的熔点。在选用阴极材料时，还要考虑加工成形的方便，高温时有足够的机械强度，足够长的寿命及化学性能稳定。阴极材料常采用难熔金属及其化合物，如钨、钽及六硼化镧等。阴极加热方式阴极的加热方式可分为直热式和间热式两种。直热式阴极，其加热方式是直接加热阴极，特点是结构简单，操作方便，但容易出现发射几何形状变形，电子发射散乱现象，对聚焦不利。间热式阴极是利用传导、辐射或电子轰击的方法间接加热阴极，特点是结构复杂，阴极表面是等位面，发射电流密度均匀，对聚焦有利。阴极结构设计根据束流值的大小，阴极形状可做成点发射型或面发射型。钨加工成线材、棒材或块状比较容易。因此，一般可用钨丝烧制成直热式的发针状或盘状阴极，钨块、钨棒可制成间热式阴极。钽加工性能好，能轧制成片状，可制成直热式或间热式的面发射阴极。六硼化镧一般做成间热式阴极。各种阴极的形状、特点及其适用范围如表所示。真空电子束焊机工作过程电子束焊接分类、特点及应用电子束焊接分类(1)按照电子束加速电压不同—低压电子束焊接(U=15-30KV)—中压电子束焊接(U=40-60KV)—高压电子束焊接(U=100-150KV)—超高压电子束焊接(U≥300KV)(2)按照真空度不同—高真空电子束焊接(10-3-10-6torr)—低真空电子束焊接(10-2-0.5torr)—非真空电子束焊接(大气中)(3)按照焊件在真空室中位置—全真空电子束焊接—局部真空电子束焊接(4)按照功率不同—大功率电子束焊接(60KW以上)—中功率电子束焊接(30-60KW)—小功率电子束焊接(30KW以下)(5)按照电子枪特征—定枪式和动枪式—直热式和间热式—二级枪和三级枪(6)按照深穿加热特点—普通电子束焊接—脉冲电子束焊接电子束焊接优点高能量密度，焊缝深宽比大；能耗低，热影响区窄，焊接变形小；焊速快，焊接效率高；焊接参数再现性好，易于控制实现自动化；真空施焊，可获得高质量的焊缝；工艺适用性好，所焊材料范围宽；电子束焊接缺点电子束焊接成套设备价格昂贵；束缝对中精度要求高；焊前接头设计、清理及装夹要求高；电子束易受磁场干扰；工件大小受真空室尺寸限制；焊接质量受真空条件限制；焊接时产生X射线，需严加防护。电子束焊接的应用适用于焊接难熔金属、活泼金属和高纯度金属；适用于通常熔焊方法无法焊接的一种金属材料的焊接；可焊接经淬火的或加工硬化的金属；由于焊缝金属的热影响区小，可焊接紧靠热敏感性材料的零件；可对已经精加工到最后尺寸的零件进行焊接；可对可达性差的接头进行焊接；非真空电子束焊接。电子束焊接工艺焊接规范参数对焊缝成型的影响(1)功率密度的影响(2)主要参数对成形的影响—加速电压Ub—电子束束流Ib—焊接速度V—工作距离L—聚焦电流If(或焦点位置)功率密度对焊缝成形的影响电子束焊接采用深穿入式成形时，焊缝的熔深主要取决于形成空腔的金属蒸发速率，而金属蒸发速率的大小与电子束的功率密度密切相关。研究表明，电子束的功率密度越大，则熔深增加，而焊缝宽度减少。加速电压对焊缝成形的影响加速电压增加，使得束斑点功率密度提高，从而使金属的气化速率显著增加；同时，加速电压增加使得电子枪的电子光学聚焦性能改善，这也会导致束斑点功率密度的提高。综合上述影响，对焊缝成形的影响为，加速电压增加，则熔深增加，熔宽减小，深宽比增加。束流对焊缝成形的影响束流增加，将使得束斑点功率密度有所提高，但是束流增加的同时，又会使空间电荷扰动加剧，从而使电子枪的聚焦性能变差。综合作用的影响是，束流增加，熔深增加，熔宽也略增加。焊接速度对焊缝成形的影响焊接速度增加，将使得焊接线输入能量减少，从而使熔深及熔宽均减少。工作距离对焊缝成形的影响工作距离增加，为了实现深穿入式焊接，需调整减小聚焦电流，从而使聚焦变大，导致电磁透镜的放大倍数增加，使聚焦性能恶化，从而束斑点功率密度会下降。这样，增加工作距离的结果，使得熔深减小，而熔宽增加。聚焦电流对焊缝成形的影响在电子束焦点上下附近，存在着一段束斑点大小变化不大，功率密度几乎相等的区域，称为活性区。活性区的大小与电子枪的电子光学性能有关。图中：Df——焦距D0——物距ab=Df/D0——活性参数当ab1称为下聚焦，ab=1为表面聚焦，1为上聚焦(散焦)。聚焦电流的变化，会影响到电子束活性区与工件作用位置及范围的改变，从而影响焊缝成形。电子活性区对焊缝成形的影响如下图所示，可见下焦点时，焊缝的深宽比最大。焦点位置对焊接熔深的影响有效到达的顺序为：上焦点表面聚焦下焦点真空电子束焊接中的能量选择式中q—线能量，J/cm；Ub—加速电压，KV；Ib—电子束束流，mA；V—焊接速度，cm/min电子束焦点的观察、测量与对中(1)电子束焦点的观察(2)电子束焦点的测量(3)电子束焦点的对中电子束焦点的观察(1)肉眼目视通过真空室的观察窗直接观察。(2)光学观察借助光学系统进行精确观察，以达到精确测量电子束位置和实现电子束与焊缝对中的目的。电子束焦点的测量一般测量小功率电子束焦点的方法有：小孔法(或称环形探头法)细丝法平板法缝隙法倾斜试板焊接法(或称为AB试验法)电子束焦点的对中反射电子法：利用扫描电镜原理，采用电子束扫描时完好金属表面与接缝处反射电子能力不同来进行成像，从而确定焦点与焊缝的相对位置，实现束缝对中。探针法：是一种电气—机械跟踪控制系统，装在电子枪上的探针位于接缝处，由它检测的位移信号经变换器传递给控制系统以保证电子枪自动对中焊缝。电子束焊接接头设计1.接头设计原则2.接头形式—对接接头—角接接头—T型接头—搭接接头—边接接头—圆柱体对接接头—特殊接头接头设计原则焊接接头应保证具有足够的强度和刚度，保证有一定的使用寿命；要考虑焊接接头的使用条件，如温度、压力、耐蚀性、振动及疲劳等因素；接头形式应符合电子束焊接的要求；焊后尽可能不再进行机械加工或作少量加工；在设计时，尽可能减少结构的焊接应力和变形；焊接接头要便于进行焊后检验，如射线探伤、超声探伤等；对接接头：电子束焊接最适应的一种接头形式。角接接头：与对接接头相比，差别在于对非破坏性试验的适用性和缺口的敏感性。T型接头搭接接头边接接头：用于气敏性部件。圆柱体对接接头特殊接头真空电子束焊接工艺过程(1)电子束焊接经济性和焊接结构合理性分析(2)焊接工装夹具的设计与制造(3)焊接规范参数的选择确定(4)产品焊前的清理(5)装夹(6)施焊(7)焊后检测电子束焊接经济性与结构合理性分析经济性：不重要的非主承力焊缝，一般的碳钢及低合金结构钢焊缝，接头结构复杂，有遮挡，需做复杂工装的焊缝不采用电子束焊。结构合理性：密闭容器要有放气工艺孔；工件之间配合紧密；止口焊缝下部有间隙；圆焊缝与旋转夹具通心；尽量采用简单结构；考虑工作室的尺寸；考虑电子束的可达性。焊接规范参数的选择确定焊接规范参数的选择：试件法：加工一些与工件结构类似的模拟件进行试焊，得到规范参数后，再用这些参数对正式件进行焊接。曲线法：在积累大量资料数据的基础上，可以根据不同的参数绘制出不同的曲线，也可