国内外电子束焊接技术研究现状
摘要综述了电子束焊接技术的国内外研究发展动态。
简述了电子束焊接基本原理及国内外研究者已取得的部分研究成果,并展望了异种材料电子束焊接技术的研究方向。
关键词电子束焊接
0引言
随着全球工业化步伐的加快及现代科学技术的突飞猛进,焊接这门古老而现代的技术也在不断地完善和发展,可以说焊接已在现代的生产生活中占有极为重要的地位。
近代焊接技术,自1882 年出现碳弧焊开始,迄今已经历了100 多年的发展历程,为了适应工业发展及技术进步的需要,先后产生了埋弧焊、电阻焊、电渣焊及各种气体保护焊等一系列新的焊接方法。
进入20 世纪60 年代后,随着焊接新能源的开发和焊接新工艺的研究,等离子弧切割与焊接、真空电子束焊接及激光焊接等高能束技术也陆续应用到各工业部门,使焊接技术达到了一个新的水平。
特别是近年来,航空、航天、原子能等尖端工业的发展需求,不断提出了具有特殊性能材料的焊接问题,如高强钢、超高强钢、特种耐热耐腐蚀钢、高强不锈钢、特种合金及金属间化合物、复合材料、难熔金属及异种材料焊接问题。
而电子束焊接技术以其与其它熔化焊相比独具的功率密度大、深宽比大、焊接区变形小、能耗低、易于控制实现自动化等优点,在航空、航天及原子能工业和其它军用、民用制造业中得到了高度重视及应用发展。
为此,较系统、全面地了解当今电子束焊接技术的国内外的研究发展现状,以及电子束焊接技术及相关工艺应用的成果,对于电子束焊接技术领域研究发展方向的准确把握及其开展进一步研究工作有着极大的指导意义。
1 电子束焊接方法
电子束焊接( EBW) 是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25～300 kV) 加速电场作用下被拉出,并加速到很高的速度(0. 3～0. 7 倍光速) ,经一级或二级磁透镜聚焦后,形成密集的高速电子流,当其撞击在工件接缝处时,其动能转换为热能,使材料迅速熔化而达到焊接的目的,见图1 。
其实,高速电子在金属中的穿透能力非常弱,如在100 kV 加速电压下仅能穿透0. 025 mm。
但电子束焊接中之所以能一次焊透甚至达数百毫米,这是因为焊接过程中一部分材料迅速蒸发,其气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开,露出新的底面,电子束继续作用,过程连续不断进行,最后形成一深而窄的焊缝。
2 电子束焊接技术研究发展现状
电子束焊接技术以其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、能焊接难熔及异种金属等优点在工业上得到了广泛的应用。
作为一种高效高能量密度的焊接方法,它经历了50 多年的工业应用实践,现已完全被工业部门所接受。
特别是近年来,该技术不断地发展,使其在大批量生产、大型零件制造及复杂零件加工等方面都显示出其独特的优越性。
国内外对于电子束焊接技术的研究主要是围绕着电子束焊接设备及控制、同种及异种材料焊接工艺、电子束焊接理论及电子束焊接冶金、表面加工这四方面展开的。
2. 1 国外电子束焊接技术的研究发展现状
电子束焊接技术起源于德国。
1948 年,德国物理学家Steigerwald ·K· H 首先提出了用电子束进行焊接的设想,并发明了第一台电子束焊接设备,这是电子束焊接的萌芽。
1954 年法国的斯托格博士用自行研制的一台电子束焊接装置,为法国原子能委员会成功焊接了核反应堆的燃料包壳,标志着用电子束焊接金属获得了成功。
直到1961 年,法国原子能委员会才首次披露了电子束焊接方法,使电子束焊接以一种新的焊接方法被得以确认,并得到各工业国家的关注。
经过几十年的发展,目前全世界已有几千台设备在核工业、航空宇航工业、精密加工业及重型机械等工业部门应用,全球电子束焊接技术较先进的国家是德国、日本、美国、独联体各国及法国等。
英国焊接研究所( TWI)对铝基合成材料进行了电子束焊接工艺的试验研究,探讨了焊接参数的合理制定及电子束工艺参数对焊缝质量的影响。
特别是以乌克兰巴顿研究所为代表的前苏联焊接研究机构,对电子束焊接工艺及相关的理论进行了系统的研究,主要研究范围包括:黑色金属材料(如不锈钢、高强钢等) 及有色金属材料(如钛合金、铝合金等)的焊接工艺研究;薄、厚板电子束焊接工艺研究;电子束焊接工艺参数变化对接头性能及缺陷的影响及工艺优化;异种材料电子束焊接理论及工艺(如异种钢、钢与合金、陶瓷与金属、双金属轴承及双金属锯条等电子束焊接) ;电子束焊接热过程及焊接熔池能量分布的研究;电子束焊接缺陷(气孔、裂纹及钉扎) 的产生机理及影响因素和控制;电子束深熔焊接机理及熔池结晶特点;电子束涂敷等。
2. 2 国内电子束焊接技术的研究发展现状
20 世纪60 年代初,我国开始跟踪世界电子束焊接技术的发展,并开始了电子束焊接设备及工艺的研究工作。
航空工业总公司北京航空工艺研究所、广西桂林电器科学研究所及中科院沈阳金属研究所均是最早开展此项工作的几家单位之一。
该三所均分别自行研制出了中高压的真空电子束焊接设备,并用其成功进行了一系列的电子束焊接理论探讨及工艺试验,为我国电子束焊接技术的起步及发展作出了贡献。
随着我国对外开放的不断深入,进入20 世纪80 年代以后,我国多家科研单位及大型工业企业对外引进了国外的先进电子束焊接设备,从而使我国的电子束焊接技术在研究与应用上逐步发展壮大。
在我国,电子束焊接技术已广泛应用于汽车工业、齿轮加工业、精密仪器及电子仪表制造业、电工电能领域和航空航天领域的制造及维修业。
我国重型汽车集团在“七五”期间,采用电子束焊接方法成功实现了奥地利引进项目的板材冲压货车桥壳的生产。
在中国南方航空动力机械公司,许多航空发动机关键零部件和民品生产都使用了电子束焊接技术。
图5 电子束焊接的飞机发动机零件
北京航空工艺研究所在30 多年的时间里,进行了一系列的电子束焊接工艺研究,对诸如铝合金、钛合金、不锈钢、超强钢及高温合金等均进行了较为系统的研究,例如在某型新研制的航空发动机上,电子束焊接工作量占25 %～30 %,可以说整个发动机就是用电子束焊接连接起来的。
电子束焊接技术在我国齿轮加工业中也得到了广泛的应用,电子束焊接分体齿轮制造技术的应用提高了齿轮综合力学性能,极大的降低了成本,提高了生产率。
我国在不断推广电子束焊接应用的同时,还加强了电子束焊接理论方面的研究。
多年来,沈阳金属研究所等单位在电子束焊深熔及缺欠产生机理及控制方面的研究取得了一定的进展。
研究者提出了电子束径非均匀线热源与聚焦点热源叠加的热源模型,并对LD11R 铝合金电子束快速焊时的空腔前沿热场分布进行了研究,建立起电子束空腔前沿的传热数学模型,并通过研究功率密度与熔化空腔前沿Si ,Mg 溶质原子的交互作用对液态金属迁移的影响提出了相应的深熔及缺欠形成理论。
北京航空材料研究院利用MARC 有限元分析软件对GH909 电子束焊接热过程进行了数值模拟,引入了小孔内壁受热的能量输入模式,得到的模拟结果更好地反映了电子束焊缝的形状特点。
在异种材料的电子束焊接上,我国先后开展了双金属锯条、高温合金和不锈钢及异种高温合金材料(如GH4169/ GH907)等焊接工艺的研究。
在新材料的电子束焊接方面,国内对Ti3Al 基合金、金属间化合物Ni3Al 以及1420 铝锂合金进行了电子束
焊接性的研究,探讨了焊接工艺参数对接头性能的影响。
图6 大厚度（80mm）钛合金电子束焊接试样
目前,我国开展的电子束焊接技术的研究还主要以同种材料的焊接工艺应用研究为主,异种材料电子束焊接的研究范围及深度有待进一步扩大。
由于试验分析检测方法及手段上的欠缺,电子束焊接在理论研究上与国外相比还有一定的差距。
3 结束语
综上所述,国内外开展电子束焊接技术研究的广度和深度在不断的加大,已经在焊接理论和工艺实践上取得了积极的研究成果。
但由于电子束焊接过程中电子束与金属间的深穿快速物理化学冶金作用,以及当前研究分析手段上的局限性,使得焊接机理的本质研究有待进一步深入。
基于电子束焊接异种材料的优越性,当前各国在异种材料的电子束焊接方面逐步扩大了异种材料之间连接的研究范围,目前航空航天用的高温结构材料及先进的新型结构材料与黑色金属、有色金属的异种材料的电子束焊接已经成为各国高度关注的研究热点。
因此,针对世界电子束焊接技术的研究走向及国内研究的不足,深入开展异种材料,特别是航空航天用的高温新型结构材料的电子束焊接机理及工艺研究有着深远的现实意义和良好的应用前景。
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