电子束焊接技术在工业中的应用和发展
摘要:本文介绍了电子束焊接及主要特点,总结了近年来电子束焊接在航空航天、电子与仪表、汽车等工业领域中应用现状,并对其发展作了展望。
关键词: 电子束焊接应用现状发展
电子束焊接(EBW)是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法和现代焊接技术,自50年代首先应用于核工业,经过四十多年的发展,电子束焊接不仅在一些高新技术领域充分应用,而且已成为一般工业部门的一种重要加工手段。
一、电子束焊接的特征
由于高能量密度的电子束流集中作用的结果,使电子束焊接熔池“小孔”形成机理与其他熔化焊有所不同。
电子束焊接过程是,高压加速装置形成的高功率电子束流,通过磁透镜会聚,得到很小的焦点(其功率密度可达104~109W/cm2),轰击置于真空或非真空的焊件时,电子的动能迅速转变为热能,熔化金属,实现金属焊接的目的。
电子束焊接的特点可概括如下:
(1)电子束斑点直径小,加热功率密度大,焊接速度快,热影响区小;
(2)可获得深宽比大的焊缝,焊接厚件时可以不开坡口一次成形;
(3)多数构件是在真空条件下焊接,焊缝纯洁度高;
(4)规范参数易于调节,工艺适应性强;
(5)适于焊接多种金属材料;
(6)焊接热输入低,焊接热变形小。
但是电子束焊接方法也有一些不足,如:
(1)电子束焊机结构复杂,控制设备精度高,所需费用高;
(2)焊接前对接头加工、装配要求严格,以保证接头位置准确、间隙小而且均匀;
(3)真空电子束焊接时,被焊工件尺寸和形状常常受到工作室的限制,每次装卸工件要求重新抽真空;
(4)冷却过程中快速凝固,引起焊接缺陷,如气孔、焊接脆性等;
(5)电子束易受杂散电磁场的干扰,影响焊接质量;
(6)电子束焊接时产生的X射线需要严加防护,以保证操作人员的健康和安全。
二、电子束焊接的分类
1、根据焊件所处真空度的差异可分为:
(1)高真空电子束焊接(真空度为10-4～10-1Pa):该方法电子散射小,作用在工件上的功率密度高,穿透深度大,焊缝深
宽比大,适宜于活性金属、难熔金属及质量要求高的工件焊接,应用最为广泛。
(2)低真空电子束焊接(真空度为10-1～10Pa)。
与高真空电子束焊相比,电束较宽,工作距离较大,真空系统简单,生产效率高,成本低。
减弱了焊接时金属的蒸发等。
(3)非真空电子束焊接(无真空工作室):在大气压力的环境中焊接,电束散射宽,焊缝较宽、深宽比小,可焊大尺寸的工件。
焊接时,束流进入大气前先经过充满氦的气室,而后与氦气一起进入大气。
2、根据电子枪加速电压又可分为:
(1)高压电子束焊接:加速电压大于120千伏,束斑直径小,功率密度大,工作距离长,焊缝的深宽比大,焊缝精密,变形小,适用于单道焊缝的大厚度板材和难熔、热敏材料的焊接。
(2)中压电子束焊接:加速电压范围为40～100千伏,满足除极薄材料外的一般厚度材料的焊接,可用局部真空室满足大型件的焊接。
(3) 低压电子束焊接:加速电压低于40千伏,功率密度小,工作距离短,焊缝稍宽,畸变稍大,适用于焊缝深宽比小的薄板焊接。
3、按电子束对材料的加热机制分
(1)热传导焊接:作用在工件表面的功率密度<105W/cm2,电子束转化的热能通过热传导使工件熔化,熔化金属不产生显著的蒸发。
(2)深熔焊接:作用在工件表面的功率密度>105W/cm2,金属被熔化并伴有强烈的蒸发,形成熔池小孔,电子束穿入小孔内部与金属直接作用,焊缝深宽比大。
三、电子束焊接在工业上的应用:
1、飞机和航天飞行器
电子束已被用来将钛锻件焊接成新型直升机的转翼,现代战斗机的机翼箱等。
发动机上一些其他部件如透平罩、压缩机箱体以及飞机的燃料驱动系统和着陆起落架等也都采用了电子束焊接。
由于电子束焊接的变形和热影响区小,已被用于航天飞机发动机的装配焊接,如主燃烧室、热气歧管、高(低)压燃料涡轮泵、高(低)压氧化剂涡轮泵、燃料预燃烧室、氧化剂预燃烧器等间的焊接。
2、发电设备
电子束焊接以其独有的优点正在发电设备的制造方面取代传统的焊接方法。
如美国、日本等国家都已使用真空电子束焊接取代埋弧焊工艺焊接汽轮机定子和汽轮机导向叶片。
使用埋弧焊需要几天才能完成的焊接,使用电子束焊接后仅需几个小时就能完成。
3、汽车工业
使用电子束焊接方法焊接汽车后桥,省去了坡口的制作的准备。
由于在真空条件下施焊,电子束焊接大大地清除了产生气孔、裂纹、夹渣等这些缺陷的可能,强度得到了保证,获得了极佳的经济效益。
此外,真空电子束焊接还用来焊接汽车驱动轮、扭矩变换器、行星齿轮支座、飞轮、滑叉等,都取得了前所未有的效果。
4、电子元器件
随着现代工业对电子线路和元器件的要求越来越高,电子束焊在电子行业发挥着越来越重要的作用。
真空电子束用来焊接密封晶体管已取代钎代焊焊接晶体
管连接接头。
有些电子线路和元器件要求其焊缝在焊完后继续保持在真空密封装置内,焊缝不得有腐蚀性杂质,电子束焊接正是满足这种要求的最有效方法。
5、机械基础件
电子束也用来焊接有特殊要求的机械基础件,如轴、轴承、齿轮、金属带锯、双金属带等。
对于硬度极高的金属的切断,使用电子束,可将高速钢型材焊在柔韧的载体带上。
适当选择高速钢型材宽度,使得铣锯齿时,齿间,即断裂危险区位于柔韧性载体带上,这样,就能使高速钢齿尖达到最佳硬度,带锯能在最佳经济效益下实现最大负荷。
6、核工业产品
电子束焊接最早应用于核工业产品部件,近些年来,在这一领域得到更充分的发展。
如:一种核工业多种用途的真空电子束焊机,在离子推进系统中,它应用于难熔、耐蚀金属的焊接和不同金属之间的连接,焊缝无裂纹和泄漏,变形也相当小。
四、电子束焊接的发展趋势
美国和苏联的宇航员还在太空实验室进行了电子束焊接和切割试验,展现了电子束焊接的广阔发展前景,今后电子束焊接的发展趋势可以概括为:
(1)继续扩大在航空航天工业中的应用范围,并在修复领域发挥作用;
(2)焊接设备将趋向多功能化和柔性化;
(3)非真空电子束焊接的研究和应用将日益成为热点;
(4)在厚大件和批量生产中继续发挥其独特优势;
(5)电子束焊接将成为空间结构焊接的强有力工具。
五、点评：
（1）电子束焊的分类可以通过环境压强的不同而分为三种以及电子加速电压的不同而划分；
（2）电子束焊机得以如此广泛应用和迅速发展的重要原因是它不断采用大量的先进技术,如涡轮分子泵、高压电束枪、高压绝缘系统、光学测量装置、焊缝自动扫描、焊缝跟踪器、CNC等；
（3）电子束焊接技术的前景将随着各种新材料、新结构、新技术和新领域的不断涌现,电子束焊接将会获得进一步的开发和应用,并在现代工业中发挥日益重要的作用；
（4）电子束焊的安全防护应该在我们实际操作中被人所重视，由于它的能量高，穿透能力强，所以安全必须做很好的防护；
（5）电子束焊的小孔效应从根本上改变了焊接熔池的传质、传热规律，由一般熔焊方法的“导热焊”转变为“穿空焊”。
可以有效的提高电子束的功率密度和增加穿透深度。