上世纪八十年代国外电子束焊接发展.doc

第5章 电子束焊接设备 电子束焊接是一种高能量密度的焊接法，其功率密度：脉冲时为 107109 瓦/厘米2，连续时为106109 瓦/厘米2。1938年M.Von.Ardenne提出利用电子束作加工热源的论述，1948年K. H. Steigerwald制出长焦距电子枪并用于金属穿孔与切割加工；1954年法国原子能研究所采用电子束焊接，并于1957年首次发表了应用电子束焊机焊接的报告；1958年美国西屋公司制成15万伏高压、高真空电子束焊机。电子束焊接设备的发展极为迅速。国外100千瓦级的电子束焊机，可焊接厚达100200毫米的工件。 据日本称，按加速电压分，电子束焊接设备有超高压型（500千伏1000千伏）、高压型（100千伏 500千伏）、低压型（10千伏 100千伏）和极低压型（10千伏以下）。按操作室气压分，有真空型和非真空型；真空型又分为高真空型（10-410-5乇）、低真空型（10-110-2乇）和局部真空型；非真空型包括大气压型和高气压型（大气压以上）。按电 子枪使用形式分，有固定式、移动式和手提式等。过去，产品以高压（如150千伏）、低压（如60千伏）、高真空或低真空、功率530/千瓦、固定电子枪的型式为主，在美、法、西德、日本等国的产品已经系列化。其它型式的电子束焊机，如专用的和数控的电子束焊接设备，品种逐渐增多。特别是把电子束焊接设备引入生产自动线与其他工序联合运行，更有优越性和发展前景。 电子束焊接设备的应用，已跨出了原来的原子能、宇宙航空、电子、仪表等工业应用范围，在一般机械制造工业、尤其是大批量生产的工业，诸如汽车制造、轴承制造以及动力工程等方面，也获得了大量的应用。从所焊接的材料看，不仅焊接象锆、钨、钼、钛及其它难熔和活泼金属方面，有显著优点。（苏联巴顿指出)就所需费用的核算来说，抽真空的费用，仅为利用惰性气体作为保护介质的 1 / 35 ，在苏联，每应用一台电子束焊接设备的平均 经济效果每年达4万5千卢布。）而且从1970年以来已扩大到焊接厚壁钢结构。巴顿认为，在制造厚壁结构中，电子束焊可与电渣焊、气体保护焊及窄间隙电弧焊相竞争。因为电子束焊熔深大，熔宽小，热影响区小；高残余应力区不大，焊接变形也小；能提高厚壁结构的焊接速度达1015倍，降低结构材料消耗10%15%，焊接材料消耗减少60%100%，电能耗量减少30%80%，焊接过程的机械化、自动化可达70%80%，而且，可实现特大结构件的现场装配焊。（这种特大结构件，由于尺寸太庞大，不可能以组装焊的型式运到安装地点，若采用别的焊接法，还必须要求进行机械加工和热处理）。由于焊接对象，已不再局限于小型另部件，而已扩大到大型构造物的焊接，其应用领域进一步扩大；这是与电子束焊接设备的发展分不开的。 日本1974年估计，全世界拥有电子束焊接设备近2000台，其中美国800台，苏联400台（注：苏联资料，1975年为600台），英、法、西德各约100200台，日本70100台（注日本1977年统计有141台)。日本1978年估计，全世界拥有台数已近3000台。 日本1977年拥有141台电子束焊设备的分布如下，机械及重工业(包括飞机及原子能)54台，占38.3%；汽车工业35台，占24.8%；电气及电子机械工业21台，占14.9%；大学及非民间企业研究机关 13台。占9.2%；委托加工业12台，占8.5%；钢材、焊接材料、焊机制造厂6台，占4.3%。苏联1976年统计。苏联所用的电子束焊接设备60%用于实验室。全国平均来说，电子束焊接设备负荷量实验室占48%，生产中占44%。按所完成的工作性质来分。电子束焊接设备用于科研、焊接工艺的占38.2%；用于焊接单一部件的占26.9%；用于小批量生产的占23.6%；用于批量生产的占11.3%。日本1974年预测，电子束焊接设备拥有量会急剧增长，到1990年可能达到1万台。然而苏联巴顿（1976年）认为这种估计过高。几个主要国家的电子束焊接设备的发展如下：（1） 美国 自1978年西屋公司制成高真空电子束焊机、1959年联合飞机公司生产第 一台焊机以来，到1964年已发展到200台，有七个企业生产十多种电子束焊机。1961年哈米尔顿公司引进西德蔡斯公司的技术。1963年又全部买进蔡斯公司的专利，在世界上取得了电子束焊机的制造权和销售权。随后，于1964年和1966年同英国的霍克西德利公司、德国赫劳斯公司、日本的日本电气公司签订技术协定，输出技术，垄断了国际市场。目前，这四家公司生产的电子束焊机属于标准型的都相类似，均为五个独立的组成部分， 即电子枪、真空室、真空排气系统，电源和控制箱（而机械传动和工件夹持则随焊接对象的变化而附有各种标准胎具，如多轴回转台、在真空室内驱动的回转台、万能回转台、偏心台、引台（出入真空室用）和大型万能回转台。（2） 英国 目前有七家厂商制造电子束焊机。据报导，在航空发动机制造业中使用的约26台电子束焊机中，高压型占多数。在电子工业中应用的约30台中，中压或低压型焊机占多数。在汽车工业中应用的约20台中，中压或高压型焊机占多数。英国氧气公司（B.O.C.）制成连续转台式电子束焊机，用于焊接轴承。据称，生产率不受抽真空时间的影响，最高可达每小时2000件。（3） 法国 法国西雅基（Sciaky）公司以生产电子束焊机称著。 1961年生产电子束焊机，到1973年共生产约400台。据介绍，该公司的电子束焊机已广泛用于航空、原子能、 汽车、轴承制造等工业部门。例如，该公司为美国海军制造的几台大型数字控制的电子束焊机，其中一台用于焊接新型二倍音速的F14 型活动翼战斗机钛合金大梁，其真空室长9.6米，宽3.15米，高2.5米。用这台焊机，已生产数十架飞机，经3500飞行小时考验，证明性能良好。据报导，该公司为欧洲最大轴承厂的生产流水线，提供了焊接轴承内外环的电子束焊机。 法国SAF公司(La Soudure Autogene Francaise)，在埃森焊接博览会上，曾展出用于汽车零件生产自动线上的低真空电子束焊机。该公司为使电子束焊机的参数稳定，在阴 极结构上作了某些改进。（4） 西德 西德是最早制造电子束焊机的国家，然而蔡斯公司把专利权卖给美国后，已不生产了。 1966年雷勃德赫劳斯公司又和美国哈米尔顿签订技术协定，引进技术。目前西德的雷勃德赫劳斯（Leybold-Heraus）公司和斯太格瓦尔德(Steigerwald)公司等，都是较大的生产电子束焊接设备的公司（斯太格瓦尔德生产的Steigerwald型高压电子枪，是国外两种典型的高压电子枪之一。西德应用高压电子束焊接技术较之日本要广泛。（5） 日本的电子束焊机本身的技术，多是依靠外国的，本国独特的技术较少。1960年才生产电子束焊机。1966年“日本电气”公司同美国的哈米尔顿签定技术协定又引进技术。目前“日本电气”生产的电子束焊机有高真空型、低真空型和非真空型，也有高低真空两用机。有1.5千瓦型的“微细加工”焊机，也有25千瓦、20万伏的高压型焊机，还生产用于齿轮焊接的连续式低真空型专用电子束焊机等十多种。据“日本电气”公司称，高压型电子束焊机比低压型优越，所以该公司多数生产高压型。此外“日本电子”还生产100千瓦（100千伏，1000毫安）高真空及低真空、抽气时间为7分钟的大功率电子束焊机。（6） 苏联 1958年制造出第一台真空电子束焊机以来，也发展较快，其拥有电子束焊接设备的台数，仅次于美国而居世界第二位。到目前已发展标准化电子枪系列，有4个系 列，22个品种，最大容量为60千瓦，最高电压24万伏。电子束焊接设备的发展水平和最新动向如下：第1节 电子束焊接设备的功率范围电子束焊接设备最近的进步之一是其功率的提高。为了厚板及超厚板材的焊接及高 速焊接的需要，一些国家正在研制大功率电子束焊机。如英国焊接研究所1972年研制的，功率为75千瓦，可进行电子束深熔透机理的试验研究工作。焊接速度为150毫米/分，可以一次焊透200毫米厚的钢板，或300毫米厚的铝板；用较低速度时，可一次焊透300毫米厚的钢板。日本大阪大学焊接研究所1973年制成100千瓦的电子束焊机，加速电压100千伏，电流1安，一次就能焊透200毫米厚的钢板及各种金属。法国西雅基（Sciaky）公司制成100千瓦的电子束焊机，加速电压100千伏，电流1安，束流焦点直径1毫米。用600毫米/分的焊接速度可焊透100毫米厚的钢板；用250毫米/分的速度可焊透200毫米厚的钢板；而用150毫米/分的速度可焊300毫米厚的钢板。这种100千瓦级的电子束焊机在法国、日本均已产品化。此外，日本大阪大学焊接研究所还制成加速电压为300千伏，束流为300多毫安的100千瓦级大功率电子束焊机，可进行真空和非真空焊接。在非真空焊接时，电子枪与工件距离为10厘米，可焊50毫米厚的钢板。据了解，该所正在研究1000千瓦、双头、高功率的电子束焊接设备，该设备有两台可倾斜的高达四米的电子枪，每个电子枪分十三级加速。工作室高2米，宽 3 米，长 3 米。如果达到1000千瓦时，将可焊接厚度达5001000毫米的工件，而焊接速度也大大提高。这时，如焊25毫米厚的钢材，焊接速度可高达每分钟几十米（这样的焊接速度是惊人的）。据该所所长荒田吉明教授介绍，对超厚钢板的焊接，适用于核聚变方面，以解决能量储存问题。这种超高功率的电子束焊接的研究，不仅对某些新理论的探讨、而且对改造整个基础工业均有重大的意义。随着功率的增加，有一系列相应的问题需要解决。如稳定的电子发射，由金属蒸汽而引起的放电问题，灯丝的寿命（材质、形态），发射机构（内部结构，拄制电极形状），束流特性（直径、形状）等，必须进行综合研究。关于提高功率的另一观点是，目前100千瓦级的电子束焊接设备，足以在平焊位置焊透200300毫米厚的金属，而现在实际焊接构造物所用的板厚，只有个别场合最大达到300毫米厚。因此，对于超过此厚度的焊接研究，几乎没有必要，不如把精力放在解决大厚度高速焊接、应用技术，以及提高焊枪发射系统的寿命等问题上。苏联巴顿认为，对大厚度金属的接头，采用加填料的电子束多道焊是有前途的。并指出，大厚度金属板的焊接工艺过程，在很大程度上也取决于电子束焊接设备的类型。假使按钢材的单道焊计算要 求加速电压达20万伏、功率为1000千瓦的设备，那么，以多道焊焊接同样厚度的钢材，则有可要只要加速电压3万伏；功率15千瓦的现有设备。另一个特点是，随着被焊工件的加大，真空室也要求越来越大，上述西雅基公司生产的大型电子束焊机，其蛤形真空室长达9.6米，高2.5米，宽3.15米。该公司同GE公司合制的球形真空室更大，纵直径为13 米，横直径11米。此外，为焊接特微型的精密另件而制成的超小型电子束焊机。有法国西雅基公司的微形电子束焊机，电子枪功率为6001000瓦，加速电压为3万伏，最大束流20毫安，真空室尺寸为100100100毫米。第2节 低真空电子束焊接设备低真空电子束焊接是1965年后发展起来的。由于抽真空时间缩短，真空系统简化，维护工序减少，从而生产效率高，以及焊件清洁度要求低；投资少；成本低等优点，尽管开始得较晚，但发展极为迅速，应用也很广。苏联巴顿建议广泛推广用低真空电子束焊接流水线或自动线来焊接齿轮。美国汽车制造工业， 1974年采用电子束焊接来制造齿轮，是一个大飞跃。所用的设备由25台增加到80台。在埃森焊接博览会上展出的低真空电子束焊接设备中，有法国SAF公司用于汽车零件生产自动线上的低真空电子束焊机，其电压为6万伏，束流500毫安，可焊厚度为45毫米，焊接速度0.8米/分。电源供电可用琴键式按钮进行有级调节（3万伏、4.5万伏，6万伏），用机械泵（罗茨泵加速）、扩散泵抽真空，只需 10秒钟即可达到10-2乇。在控制面板上可以根据焊接工件的工艺要求，预先调节所需要的焊接电流变化程序曲线。这台焊机的阴极为间热式，在阴极与钨丝之间接入一加热电源（3000伏），采用钨极发射的电子激发阴极，并用可控硅反馈控制加热电源的电压，加热电流保持为一常数，使阴极的温度恒定，不高于 1600，从而使电子枪工作处于稳定状态。焊接电流用负偏压来控制（03000伏）。西德雷勃德赫劳斯（Leybold-Heraus）公司在1973年为大众汽车厂提供的卡车后桥生产自动线上用的专用电子束焊机/在生产自动线上每根后桥要求焊接工序在3分钟内完成，采用低真空电子束（10-2乇），用两个安装在真空室两侧水平位置上的电子枪，同时焊成后桥的两条纵向焊缝。电子束功率为12千瓦，加速电压为15万伏，后桥总长为2.12米，最大壁厚为39.5毫米。由于工件表面与电子枪的距离在焊接过程中有变化，焊缝厚度也不断改变，所以整个焊接过程、焊接参数均用程序控制。日本“日本电气”（NEC）公司生产的低真空专用电子束焊机，用于连续生产以焊接齿轮之类的零部件，有十二个工位。它是专为汽车自动流水生产线上连续生产而设计的。十二个工位的焊接转台具有12个焊接室。由电动机带动转盘间隙转动，每转过一圈，通过摆柄带动工作台转动30。当一个焊件焊完后，转盘转动，工作台随即又转过30，第二个焊件即进入焊接位置。这样依次下去，使每个焊接室依次完成装卡、抽气、焊接和卸下等工序。据称，这种传动形式比较平稳，工作台转动速度由0到最大又回复到0均没有振动，间隙运动也无惯性，能保证定位质量。利用这种工作转台，焊接一个齿轮组合件只需8秒钟，其中焊接时间6秒，转动30需1.5秒，启动按扭0.5秒。因此，生产率较高。第3节 局部真空型电子束焊接设备 为了适应大型部件及构造物焊接的需要，除前述真空室不断扩大外，局部真空型焊接设备也受到重视。最近，由于移动电子枪和焊接坡口附近的真空保护机构研究成功，而进入实用阶段。现已有几种形式的装置，包括电子枪移动机构及真空保护机构，然而进一步达到完善程度还有大量的研究工作，估计局部真空型对于大型构造物的焊接，将成为实用性很强的；重要的焊接法，有发展前途。在欧洲，以法国为中心，局部真空型电子束焊机的研制；应用均很盛行。如法国西雅基（Sciaky）公司新研制的移动式、局部低真空（10-2乇）的电子束焊机，其电子枪可以沿一根驱动轴在密封的框架上移动，框架四周的密封垫可以使真空室吸附于待焊工件上。真空室框架可以在垂直或水平位置上放置。电子枪从框架一端移到另一端的行程为2.5米，枪体可作侧向5毫米的移动。焊接速度可在0.051米/分范围内调节。电子枪的功率为30千瓦，加速电压6万伏。与该设备配套的有两台机械泵。为了保证真空室的低真空度，先用熔深为4毫米的手工焊反面封底，再用电子束正面施焊，可熔透40毫米。这台焊机用于焊接贮油塔、锅炉等大型构件。在大直径容器厚板结构的施工现场，采用这种设备的效果显著。每当焊完一段焊缝后，吊车即可将焊机吊装在另一段焊缝上施焊。法国克洛菲（Clover）公司制成焊接各种形状工件的局部真空电子束焊机专用机头， 除可焊直焊缝外，还可焊接法兰和管板接头。其电子枪部分保持高真空，焊接室为10-2乇的低真空。环缝焊机机头功率为60千瓦，可焊直径为70280毫米、厚60毫米的环缝。管板接头焊机机头，功率为3千瓦，可焊直径为1232毫米、厚为28毫米的接头， 管间距70毫米，一个焊接循环需40秒2分钟。第4节 非真空电子束弧焊设备1962年西德首先研究成的非真空电子束焊接，有不受真空室的限制；可焊接大型构件、焊接速度快、操作设备简单、可连续进行焊接等优点，在1965年1970年间受到许多国家的特别注意。然而，由于存在两个关键的技术问题难以完全解决：第一，电子束从高真空进入大气时能量损失很大；第二，电子束从电子枪射出，因散射而束流能量密度下降。所以，近几年来发展比较缓慢。为了解决上述第一个关键问题，国外实际应用的方法主要是采用分段抽真空或差动抽真空的中间（低）真空室，该真空室设置在电子枪和大气之间的束流通道上，用孔板把枪室分成若干段，分别抽气，它可以在不太大的距离内造成很大的真空梯度， 为了解决第二个关键问题，目前主要是采用提高加速电压和功率的办法来解决， 非真空电子束焊机的研究工作，以美国居于首位，美国西屋公司制成的175千伏、56千瓦的设备，是目前这类设备中最大容量的，根据日本报导，目前美国有30台以上非真空电子束焊接设备在工作，此外，还有好些国家和公司也已研制出非真空电子束焊机，并有产品出售，有的已用于实际生产。有人认为，非真空电子束焊接设备虽然取得了上述进展，但从全世界来说，由于这种焊接法的能力及特点，限制了其应用范围，目前全世界也仅有约40台用于大气层中焊接。 对于非真空电子束焊接设备的研究价值，目前有两种不同的观点，一种观点认为这种设备，将可能成为大型结构件焊接的重要手段，有发展前途；另一种观点断言，这种方法不会广泛应用，而只适用于生产薄壁管和一些汽车零件，因为取消作为焊接区保护手段的真空，为了减少电子束的散射必须提高加速电压，从而也急剧地增加了射线的幅射强度，增加了束流引出系统在建立稳定的电子轰击和在金属蒸气污染方面的困难，所有这些都将阻碍这一方法的工业应用，从近期展望，与其采用大气层中惰性气体保护的电子束焊， 不如选择连续激光焊，这是由于激光束比电子束能量更能高度集中，气体放电的激光，射线辐射实际上无害；而激光技术也正在蓬勃地发展，所以，对于一般薄板金属的焊接，激光焊可能是更有前途的。第5节 电子束焊接的自动化和程序控制在一般机械制造业的生产自动线上，应用电子束焊接技术的特点是：第一，当电子束焊接所引起的微小变形不超过允许公差时，可应用于连接已经精加工的零件；第二，设计大批量生产自动线时，高效率的电子束焊接能缩短焊接工序；第三，电子束焊接各参数，可精确地控制，因此生产自动线可实现焊接工序的自动化和程序控制。近年来，已制成许多较高水平的自动化和程序控制的、以及供生产流水线专用的电子束焊机。（1） 焊缝对中和跟踪的自动控制国外采用的方案很多，例如，采用电视观察和监视等光学电视系统，对于焊接直线焊缝是比较适用而简单的。对于一些规则的圆形、方形、矩形等焊缝，则可采用电子计算机进行焊接过程的程序控制，对于焊接复杂的曲线焊缝，形状特殊，一般采用数字计算机进行程序控制比较困难，可采用电子机械焊缝跟踪装置，由一个传感器联接在电子枪上，可使电子枪沿曲线焊缝自动跟踪；并使电子束相对于工件的速度保持恒定。此外，象西雅基公司的电子束焊机上，多用电子反射装置（Refletron），是一种电子扫描器，可保证在电子 束偏离焊缝时，给出信号反馈，使电子束偏转重新对中焊缝。有人认为，这种偏转电子束使之对中焊缝的方案，不大适宜于较大厚度的工件焊接，因为电子束的偏转会导致焊缝底部，可能未焊透或焊偏。但对于焊接不太厚的材料，这种方法是可行的。（2） 焊接参数的控制 为了保证熔深的最大稳定性和焊接参数的同一性，往往采用位置程序控制法来控制电子束的功率或单位功率，以及排除焊接起点和终点熔深小、焊缝末端产生焊坑等缺陷。 如苏联制的电子束焊机，有的装备有排除焊坑的装置，在焊接即将结束时自动调节电子束 流降低的速度。（3） 焊接过程全部程序化在高度自动化的电子束焊设备中，除了自动控制电子束跟踪焊缝、电子束沿焊缝作周期性偏转或旋转运动，自动控制电子束各参数的稳定性，调节加速电压和功率，自动控制焊缝穿透度，调节焊缝起始点的电子束外，还能做到焊接过程各工序、全过程的全部程序化。这样的设备大多采用了数字控制。（4） 质量监控 用质量监控，以保证焊接质量，是近年来的新趋向。使焊接过程自动化，并在焊接过 程中，自动记录各种规范参数，以作评定每个接头质量的依据，不再需要对一个接头进行检验，简化了焊接工艺和检验工序，提高了接头的质量和产品的可靠性。西德I