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一、电子束焊接原理 电子束焊接(EBW)是利用电子枪所产生的电子在阴阳极间的高电场作用下被拉出，并加速到很高速度，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，其动能转化为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100kV加速电压下仅能穿透1/40mm，但电子束焊接所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因焊接过程中一部分材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力迫使底面液体向四周排开，让出新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一又深又窄的焊缝。二、电子束焊接特点 电子束焊接是一种先进的焊接方法,其特点和要求主要表现在如下几方面：(1) 由于电子束的能量密度很高,焊接速度快,焊件的热影响区和焊接变形极小,可作为零件的终加工工序。(2)电子束焊缝的深宽比大,可达101401,而一般电弧焊的深宽比约为11. 5,因此,可以实现大厚度、不开坡口的焊接场合。(3)可控性好。电子束焊接参数(电压、电流、焊接速度等)能够被精确控制,焊接时参数的重复性及稳定性好,能确保焊件的焊接质量。(4)可将难于整体加工的零件分解为容易加工的几部分,再用电子束焊的方法将其焊成整体,使复杂工序变得简单。(5)可用于不加填充焊丝的对接、角接、T形接等多种焊接场合。(6)因电子束焊焦点小而能量集中,对组焊件配合处的机械加工精度及装配质量有严格要求,对接焊缝的两边缘要求平整、贴紧,一般不留间隙。(7)为防止出现焊接裂纹等缺陷,对采用电子束焊接的零件材料,一般要求其碳当量小于0. 4%,当材料的碳当量大于0. 6%时,裂纹就很难避免,且对焊接工艺的要求也特别高。三、电子束焊接的应用1、齿轮行业 齿轮在机械工业是应用最广、用量最大的部件了，常用的齿轮生产是批量化的模具铸造或锻造而成，而对于没有专用机床设备的工厂来说,往往客户订购的产品数量不多,特别是某些新产品的试制,加工的数量只有几件,在这种情况下,对于斜齿轮的加工,就不可能采用专机专刀来进行了。以往对此类型的产品,曾采用过将斜齿轮和接合齿分开加工、待齿形加工好后再用手工电弧焊的方法把两者组焊成整体,但由于电弧焊焊接时间长,发热量大,使得工件变形量较大,导致最终的成品合格率都不够理想。在总结以往加工工艺方法的基础上采用了新工艺电子束焊接。由于电子束焊接时间极短,由发热引起的焊接变形极微小。对这批加工的产品进行了焊接前、后的检验,同样以齿轮内孔为定位基准,检验斜齿轮与接合齿的齿圈跳动量,实测结果表明,焊接前、后的齿圈跳动量误差不大于0. 025 mm。可见,对于利用电子束焊接加工的齿轮产品来说,只要控制好焊接前各组件的加工精度,焊接后的产品质量是完全能够保证的。2、航空航天领域 在航空发动机低压风扇机匣的制造过程中，为了减轻发动机的重量，新型发动机风扇机匣采用钛合金制造，采用机匣外环与静子叶片电子束焊接的工艺，简化了制造工艺，同时在钛合金的焊接过程中，电子束焊接在真空中进行，完全避免了钛合金在大气中焊接存在的氧化问题，电子束焊接热输入量小，零件变形小，可以实现数控编程一次完成焊接，生产效率高，焊接质量好。 液压作动筒在发动机上调节尾喷管的喷口大小，属于发动机上的关键件。在某机液压作动筒的制造过程中，活塞上装有橡胶密封圈，采用电子束焊接将盖和衬筒连接起来。由于液压作动筒壁厚较小，焊接过程中必须严格控制焊接变形，以确保活塞在筒体中的自由往复运动；焊接过程中，零件的温升必须要小，保证焊接热循环对活塞上的密封圈质量无影响；另外，在保证有效焊接截面完全焊透的情况下筒体中无焊接飞溅物，这就必须从焊接接头的设计上着手解决。在液压作动筒的焊接过程中，必须选择较小的焊接热输入量，采用局部焊透工艺和用铜激冷块带走焊接热量的方法。 在发动机燃烧室的加工制造过程中，电子束焊接得到了更多的应用。燃烧室部件是发动机中承受热负荷最大的部件，重量要轻。燃烧室部件易出现故障，危及自身及其他部件。因此对燃烧室部件的制造质量要求较高。在燃烧室机匣的制造中，采用电子束焊接工艺将安装边与钣金件焊接起来，大大节约了材料。现代发动机多采用环形燃烧室结构，其燃烧室内外机匣均采用电子束焊接结构，一般为GH4169材料，多为薄壁件，焊接时保证焊缝质量满足验收标准的级要求。电子束焊接完成燃烧室外机匣、前置扩压器和内机匣的连接。在某机机匣内套的生产中，涉及GH141材料的电子束焊接，焊后在焊接接头区域发现微裂纹。针对此情况，分析判定其为应变时效裂纹，焊前对GH141材料进行时效处理，并从焊接工艺、工装等方面着手，控制焊后应力，解决了焊接裂纹问题。火焰筒的制造大量采用了电子束焊接工艺。实现外壁与头部及帽罩的焊接。由于结构原因，电子束焊接要控制焊接热输入量，防止零件变形，根据零件的具体结构，有些情况下须采用非穿透焊接工艺，防止焊接过程中产生的飞溅物和焊瘤对发动机的使用造成影响。 近年来，为提高航空发动机压气机效率，一些新型机种盘鼓多采用钦合金、高温合金的整体焊接(电子束焊或摩擦焊)结构，以代替螺栓联接结构。整体焊接的盘鼓转子部件，能提高材料的利用率、减轻结构重量、保证发动机结构完整性、提高发动机性能和工作可靠性。英、美、法、德、前苏联等国的几大航空公司制造的发动机压气机转子部件上大量采用了电子束焊接技术，我国在这个领域也实现了电子束焊接的成功运用。通过分析零件的性能，零件焊接质量良好，控制焊接变形的工艺措施有效。零件加工精度较高。成功通过了地面试车。实现了预期的目标，满足了需求。3、汽车行业中的应用 转向柱管的焊接要求变形小，焊接表面要光滑，故宜采用电子束焊接。其工艺过程是:先把切割下来的钢板卷成管子，然后焊接。设计人员可以自由选定板厚、管子直径和长度，这一点是选用圆形型材所达不到的。 配电盘凸轮必须是渗氮后焊接，用其它接合方法比较困难，故采用电子束焊接较为合适。由于焊缝直径很小，工件用不着转动，仅让电子束沿该焊缝的圆周进行偏转就行了，所以生产率相当高。 柴油机的预燃室过去一直采用钎焊，改成电子束焊后提高了质量，降低了成本。 起动马达整流子铜环也采用电子束焊接，它能同时高速焊接数十个，生产率相当高，成本可大幅度下降。由于电子束焊接的施焊速度非常快，不会使球接头中封装的黄油受热变质，所以此处也用电子束焊接。 把变速器齿轮改成拼合式后，用电子束焊接起来是能改善性能、降低成本的。变速器齿轮的电子束焊接，是汽车零件采用焊接结构效果最好的一种。变速器齿轮多是整件加工而成，但加工过程中受多方面的制约而难于实现。用拼合法制造这样的齿轮并应用电子束焊接最为合适。它具有强度高、变形小及质量稳定等优点。特别是在欧洲和日本的轻型汽车采用拼合齿轮已成为主流。4、在压力容器中的实际应用电子束焊接具有焊接热输入量小，焊缝非常窄，几乎没有热影响区，因此焊接接头的性能很好，在焊接过程中工件几乎没有收缩与变形;在真空中焊接，避免了氮、氢、氧的有害作用，可防止低合金高强度钢产生延迟裂纹，同时，由于在真空中避免了氮与氧的有害作用，使较活泼的金属也易于焊接等优点。因此，在日本对电子束焊接应用于压力容器非常重视。在日本有日立、石川岛播磨重工、川崎重工、东芝电气、三菱重工、新日铁等数家公司进行电子束焊接应用于压力容器的研究。三菱重工业株式会社神户造船所最近装备一台大型移动式电子束焊机，采用此焊机焊接压力容器产品，低合金钢可厚达10。毫米，不锈钢或钦合金可厚达80毫米。四、电子束焊接实用上存在的问题及解决的办法1、成本 电子束焊机与其它焊机相比，价格高得多，固定资产费在焊接费用中占80一90%。因此，为了降低电子束焊接成本，就需要采取提高速度，缩短真空排气时间等措施使每一台焊机能焊接尽可能多的零件，不过这也是有限度的。所以，虽然采用电子束焊接对很多零件有技术效果，但由于成本太高仍有许多生产厂不能采用。质量 电子束焊接从焊接速度及变形来看，无可非议是一种很好的焊接方法，但却存在着一些固有的缺陷，例如由于输入热量少及加热、冷却速度快会引起硬化裂纹;由于焊缝宽度狭窄易出现焊缝偏移等。这些缺陷的检查方法，以超声波探伤检查最为有效。但有时由于部件的形状使用超声波检查难于实现，还可施加非破坏性载荷的方法对部分零件进行检验。焊前焊件表面不清洁也是产生气孔、裂纹的主要原因，所以要充分地洗干净、干燥。最好是浸在三氯代乙烯、丙酮等有机溶剂中用超声波清洗。另外，不要使电子束过于收缩，以减少气孔与飞溅。2、焊机问题(1)丝极寿命由于丝极寿命短，降低了工作效率，使质量也不稳定。丝极制造过程中的质量管理和焊接工艺的掌握对寿命有很大的影响。如果在这方面下些功夫，对提高寿命是很有好处的。(2)电子束偏移 在更换丝极和作转动装置的维修等以后，常会产生电子束偏移现象。通常利用电子枪下部的显微镜和电子束扫描检测装置测定这种偏移，然后对电子束位置进行修正。最好还是采用不产生偏移的电子枪及电子束位置校正装置。(3)焊接飞溅及牵属蒸气 因为焊接飞溅物及金属蒸气冷凝堆积在焊接室和电子束通路上，易引起故障，产生废品，所以必须在焊接飞溅物沉积及滑动部位上设置清除刮板等装置。(4)夹具及焊机的可靠性 为了提高生产率和保证其精度，要尽量使电子束收缩和提高焊接速度，故要求电子束位置有高度的重复性。因此夹具的加工精度、刚性也必须相应地提高;所选的真空泵应能在高负荷下连续运转，对润滑和防止异物落入等方面也需作专门的考虑，由于在电压、电流、焦距等电子束控制上采用复杂的电子回路，所以需要对夏季的温度、湿度、灰尘等采取充分的防护措施;高压电缆、高压变速器、真空泵等修理起来很困难，价格也贵，故需要具有备品。如果可能的话，最好有一台备用焊机。五、电子束焊接趋势目前国外在电子束焊接领域做的比较先进，自然他们目前的研究重点成为了我们当前或是将来的研究方向，具体的表现有以下几个方面。1、 焊接大厚度 现在有许多国家都在研究大功率的电子束焊接，用于焊接大型压力容器、锅炉、重型机械和某些建筑结构的大型工件。利用高能密度的大功率电子束对大厚件一次焊透，大大提高了生产率。目前，日本大阪大学、法国西雅基公司、英国焊接研究所和苏联巴东电焊研究所等，都在进行这方面的研究工作。大功率电子焊接过程中，金属蒸汽比通常情况要多，并极易进入电子枪内引起放电，因此把电子束偏转90度对焊件进行横焊，这样，射向工件的束流减少了5%，而侵入电子枪内的金属蒸汽只有1%，同时山于横焊时熔池孔穴中的熔化金属易于排出，焊接熔深比平焊时增加20%。有关这方面的问题，日本、西德和法国都在进行研究。在焊接大厚件时，焊件对缝的间隙往往是较大的，为了焊满焊缝，许多人都在研究向焊缝中输入填充金属。这些填充金属有丝状、带状、或粒状等等。同时也有人研究用小功率的电子束，对大厚件进行窄间隙填充金属的多层焊。有关大厚件的电子束焊接问题，引起了普遍的重视。2、焊接异种金属为了充分发挥各种材料的效能，节省大量的贵重金属以及制造具有特殊性能的零件，异种金属的焊接具有重要的意义。与其它熔焊方法相比，电子束焊接由于其能量密度大、工艺参数可以进行精确的调节。因此，它可以控制材料的熔点、热导、熔解度相差很大的两种金属的熔化量(熔合比)，可将形成脆性化合物和机械混合物的组台限制到最低限度，从而可以获得气密性良好并具有一定强度的某些异种金属接头。国外对各种异种金属的电子束焊接作了一些研究工作。铝一铜、铝一钢、钦一钢熔化焊时，在焊缝中产生诡性合金层是不可避免的，电子束焊可以使脆性合金层减薄，但还不能薄到足以使接头不产生断裂的程度。为解决这个问题，正在研光向接头中加入过渡层，或向焊缝中填加中间合金。例如，钦与钢在焊接时，中间加入银作过渡层，一可以改善接头性能，对铜一钢的电子束焊已得到满意的结果，用电子束焊制造的高速钢和低合金钢双金属条，除节约大量的高速钢外，锯条韧性好，切削速度提高三倍、寿命延长20倍。美国还焊接了三种不同材料组合的大齿轮。大齿轮是低碳钢的，小齿轮是铝青铜而轮毅是不锈钢材闷料，在此部件上的四条焊缝不仅表明异种材料的焊接，而月.电子束可以切过小的间隙(3毫米)来完成齿轮间的焊接。铝与钢是不可焊的，而镍与铜是容易焊的;铌与锰的焊接尚未研究，因其应用价值不大。3、焊接自动化设备的发展。由于电子束的特殊性质，使得它能在一定的电场下做预定的轨迹运动来实现要求的焊缝位置的金属的熔合，还由于电子束参数良好的再现性。所以未来一个重要的发展方向就是研究电子束的控制系统来扩大电子束的应用范围。4、电子束焊接条件的控制。由于电子束焊接要求环境非常苛刻，要在真空环境中才能完成良好的焊接成形，同时电子束焊接易受外界磁场的影响，环境的苛刻已经成为制约电子束焊接扩大应用范围的重要方面，所以未来