电子束焊

电子束焊接技术武汉理工大学材料学院邱玉龙electronbeamwelding–1954年法国J.A.Stohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志电子束焊接金属获得成功；电子束焊接发展简史–电子束焊接技术起源于德国，1948年前西德物理学家K.H.Steigerwald首次提出用电子束焊接的设想；–电子束的发现迄今已有100多年的历史；–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公布了该技术，电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；–1958年开始，美国、英国、日本及前苏联开始进行电子束焊接方面的研究；–上世纪60年代后，我国开始从事电子束焊接研究；1.1电子束焊接的基本特征1.1.1电子束焊接的过程电子束焊接是一种高能量密度的熔化焊方法。它是利用空间定向高速运动的电子束，撞击工件后将部分动能转化为热能，从而使被焊工件熔化，形成焊缝。三级电子枪结构示意图1－阴极；2－偏压电极；3－阳极；4－聚焦线圈；5－偏转线圈；6－工件；7－电子束；Ub－加速电压；UB－偏压；1.1.2电子束焊接分类、特点及应用1电子束焊接分类(1)按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=30-60Kv)–高压电子束焊接(U=60-150Kv)–超高压电子束焊接(U300Kv)(2)按真空度不同–高真空电子束焊接(10-6-10-3torr)–低真空电子束焊接(10-3-10-1torr)–非真空电子束焊接(大气中)(3)按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)按电子枪特征–定枪式和动枪式–直热式和间热式–二级枪和三极枪–普通电子束焊接–脉冲电子束焊接(6)按加热特点2电子束焊接特点(1)电子束焊接的优点(2)电子束焊接的不足a．加热功率密度大。焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达l000mA以上；加速电压为几十到几百千伏；故电子束功率从几十千瓦到100kw以上，而电子束焦点直径小于1mm。故电子束焦点处的功率密度可达103~105Kw/cm2，比普通电弧功率密度高100—1000倍。b．焊缝深宽比(H/B)大。通常电弧焊的深宽比很难超过2，电子束焊的深度比在50以上。电子束焊比电弧焊可节约大量填充金属和电能，可实现高深宽比的焊接，深宽比达60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。优点c.焊接速度快，焊缝热物理性能好。焊接速度快，能量集中、熔化和凝固过程快．热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后的连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。能避免晶粒长大，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。d．焊缝纯度高。真空电子束焊的真空度一般为5×10-4Pa，适合焊接钛及钛合金等活性材料。e.焊接工艺参数调节范围广，适应性强。电子束焊接的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好，而且电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。f.可焊材料多。不仅能焊金属和异种金属材料的接头,也可焊接非金属材料,如陶瓷、石英玻璃等。需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制（非真空环境的电子束焊，是重要的研究方向）；由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到60s以内）；有磁偏移：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理；X射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护；对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。缺点1.2电子束焊机及应用目前全世界约有8000台电子束焊机在工业部门及实验室中应用。德国PTR公司生产的ebw3000/15-150CNC型电子束焊机真空室:1.7m×1.25m×1.45m;额定功率:15KW;额定电压:150KV法国TECHMETA公司MEDARD43型:Chamberdimensions:500×500×500;Operatingvoltage:60KV;Power:6KWLARA52型:Chamberdimensions:350×600×800;Operatingvoltage:60KV;Power:30KW乌克兰国家科学院巴顿电焊所前苏联唯一的焊接科学与工程的研发单位真空电子焊接分部是巴顿电焊所主要的骨干部门之一，为前苏联、中国、东欧、日本、美国、德国、英国、韩国的航空航天、机械及汽车制造、仪器仪表等行业总共生产了800台以上真空电子束焊接系统和整套装备，领先开发了合金钢、铝合金、钛合金、铜合金等多种材料焊深从0.1到400mm直线及空间曲线焊缝的真空电子束焊缝工艺成都飞机制造厂由北京航空制造工程研究所研制，其主要部件电子枪是德国SteigerwaldStrahltechnik公司合作生产的高压型电子束焊机，控制系统为西门子的SIMATICS7-400容错PLC设备加速电压可调节范围为70~150kv，电子束流可调节范围为0~200mA，焊接速度可调节范围为0~50mm/s；真空室尺寸8200mm×4000mm×2000mm，容积65.6m3，电子束功率30kW。ZD150-30CCV65M电子束焊机真空电子束焊的应用图A采用真空电子束焊接的钛合金发动机压气转子部件图B采用真空电子束焊接的高温合金发动机燃烧室外套1、真空电子束焊在航空工业中的应用最为广泛例如：美国杜鲁门公司生产的F14战机钛合金中央翼盒，长7m，宽0.9吗，53个钛合金部件组成，70条焊缝，全部采用电子束焊焊成。焊接最大深度57.2mm，全部焊缝长55m。2、真空电子束焊在大厚壁件焊接中的应用典型应用：核反应堆环形容器、深水潜艇等3、真空电子束焊在汽车传动件的应用1.3电子束焊机结构原理及电子束焊接过程控制1.3.1电子束焊机结构原理1电子枪电子枪具有静电和电磁二部分。静电部分由阴极、聚束极和阳极(又名加速极)组成，称为静电透镜。电子枪的电磁部分主要由聚焦线圈与偏转线圈组成，一般称聚焦线圈为磁透镜。1－阴极；2－偏压电极；3－阳极；4－聚焦线圈；5－偏转线圈；6－工件；7－电子束；Ub－加速电压；UB－偏压；静电透镜磁透镜偏转线圈2电源系统（1）阴极加热电源（2）聚束控制电源（3）阳极高压主电源（4）聚焦电源（5）偏转电源（6）焊件驱动电源3真空系统电子枪真空抽气系统焊接室真空抽气系统4真空焊接室5控制系统1.3.2电子束焊接的过程控制参数1焊接室内的真空度同样电流和加速电压的电子束，其焊缝的熔深、熔宽比随着工作室真空度的降低而明显减小。2电子束的线能量q=60UaIb/v电子束焊接过程中最有效控制参数3工作距离或焦点位置实验证明，采用负焦量，即焊前将电子束焦点调节在焊件表面以下板厚1/3处，可以获得最大熔深及最佳焊缝成形。4聚焦电流1.3电子束焊接的接头设计、焊缝成形控制及应用实例1.3.1电子束焊接的接头设计1可焊接头形式2接头设计准则（1）对接一般应是装配间隙0.1板厚（2）搭接优先采用角接缝。板厚不等时，薄板应放在上。（3）T形接头优先采用双向角接，受力较小时才可采用翼板穿透接头。1.3.2焊缝形成过程1电子束加热的特点能量集中，局部加热2熔池的受力分析电子束深穿入过程示意图FeFaFsFsFgFgFe+FaFs+Fg简化为：FaFs+Fg1.3.4应用前景及发展前景1应用前景质量或生产率要求高的产品。核工业、航空航天。核燃料密封罐、特种合金的喷气发动机部件、火箭推进系统压力容器；大批量生产中。汽车转动齿轮、焊管等；修复领域；将成为实现空间结构焊接的强有力的工具。2发展前景开发大功率电子枪电子束特性的定量研究双枪电子束及填丝电子束焊焊接技术的研究开发大功率表面处理技术复合式电子束加工设备的研制非真空电子束焊焊接设备及工艺的研究和应用a.除含锌高的材料(如黄铜)、低级铸铁和未脱氧处理的普通低碳钢外，绝大多数金属及合金都可用电子束焊接，按焊接性由易到难的顺序排列为钽、铌、钛、铂族、镍基合金、钛基合金、铜、铂、钨、铍、铝及镁；b.可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属；c.可不开坡口焊厚大工件，焊接变形很小；能焊接可达性差的焊缝；d.可用于焊接质量要求高，在真空中使用的器件．或用于焊接内部要求真空的密封器件；焊接精密仪器、仪表或电子工业中的微型器件；e.散焦电子束可用于焊前预热或焊后冷却，还可用作钎焊热源。接头要求真空电子束焊接由于是在高纯度低压强的气氛下进行，焦点尺寸小，能量密度集中，单道焊时可不开坡口，一般也不加填充材料，所以对焊接工艺提出如下特殊要求：1．电子束焦点必须正确对准焊接线，偏差要求0.2-0.3毫米。2．对接缝的间隙约为0.1的板厚，但不能超过0.2毫米。3．焊前，接缝附近必须进行严格的除锈和清洗，工件上不允许残留有机物质。真空电子束焊与激光焊的比较：电子束焊接技术起源于20世纪50年代，10年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用也随即展开。电子束与激光加工同属于高能密度束流加工技术，应用的领域大体相同，其能量密度在同一段数量级远高于其他热源。与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性：□能量密度高（大于105W/cm2）；□焊接速度高（一般可以达到5~10m/min）；□热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%~20%）；□热流输入少、工件变形小；□易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；□非接触加工、无后续加工。相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30s以内）但是，受到技术进步的局限，激光焊还存在一定的缺点：□激光的能量转换效率较低，常用的CO2激光器能量转换效率不足20%，最新的光纤激光器转换效率也没有超过30%；□能量转换效率低造成在生产线中应用大功率激光焊接的经济性很差，目前实用的激光焊接设备功率大多小于20kW，可焊接的深度一般很少超过10mm；□随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到50000h，这大大降低了激光焊接设备的使用成本。但是，要想获得理想的焊接质量，保护气体是不可少的，这也造成加工成本的增加；□激光焊接的深宽比小于电子束焊，一般在10∶1以内（在齿轮激光焊接中，焊缝的深度一般在4~6mm，故这个深宽比还比较适用），不适合大厚度工件的焊接；□激光焊接对于铝合金材料及其他高反射率材料的焊接还存在一些技术难点，必须通过填丝等辅助手段，才能达到较理想的焊接效果。