(焊接课件先进连接技术)电子束焊接技术

电子束焊接技术,目 录,电子束焊接原理,电子束焊接起源,结束语,电子束焊接分类、特点及应用,电子束焊接工艺,电子束焊接起源,电子束焊接起源,在人们了解电子性能之前，曾经有过“阴极极射线”（cathode-ray）的名称 。,电子束的发现至今已有100多年的历史,早在1879年william crookersh发现在阴极射线管中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现象 。,20年后，1897年，J.J.Jhompaon研究证明，所谓的阴极射线实际就是电子束；,1948年，前西德k.h.steigerwald博士，在致力于研究更高工作频率的示波器时,发现高功率密度的电子束可以熔化、烧蚀、冲刷金属的现象。据此，他提出了用电子束切割焊接的设想。1951年，申请了在各种材料上钻孔的电子束设备的专利，并于1952年，在蔡司公司（zeiss）制造了第一台电子束加工机。,电子束焊接技术起源于德国。,1954年，电子束焊接金属获得成功。,法国的斯托哥博士（J.A.Stohr）用自行研制的一台电子束焊接设备，成功焊接了法国原子能委员会核反应堆的燃料包壳。,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，法国方面公布了该技术，使电子束焊接技术的一种新的焊接方法被得以确认。1958年开始，美国、英国、日本和前苏联开始进行电子束焊接方面的研究。,17:32,近年来，国外对电子束焊及其他电子束加工技术的研究主要在于完善超高能密度电子束热源装置；掌握电子束品质及与材料的交互行为特性，从而改进加工工艺技术；通过计算机及CNC控制提高设备柔性以扩大其应用领域。（1）大功率电子枪的开发在日本，大阪大学研制了600kV、300kW的超高压电子束热源装置，一次焊200mm厚不锈钢，深宽比达70:1。,17:32,日本、英国（TWI）研制出了大功率二极电子枪（100kW以上），消除了三极枪因大功率加热材料时金属蒸气所引起的控制极（栅偏）失控的缺点。（2）电子束特性的定量研究 近几年，德国阿亨大学研制的系统，对电子束特性进行了定量研究。分析了电子束流品质、焦点对焊缝成形的影响，澄清了多年来有争议的一些问题。另外，对大型壁厚80mm的圆筒压力容器电子束焊的环缝起焊收尾搭接处，通过电子束流焦点及焊接过程的分析，找出了减少或消除圆环焊缝收尾处缺陷的方法。,17:32,17:32,（3）双枪电子束及填丝电子束焊焊接技术的研究 在日本、德国和俄罗斯等国开展了填丝电子束焊工艺研究。大厚板采用二次焊：第一次主要是在大厚度范围内获得较均匀的焊缝；第二次用填丝焊来弥补顶部下凹或咬边缺陷，改善焊缝质量。另外用含Al、Si等元素的填丝焊焊接含气量高的沸腾钢。日本采用填丝双枪电子束薄板超高速焊接技术，得到了反面无飞溅的良好焊缝。（4）大功率表面处理技术的开发 过去电子束表面处理应用的设备功率在200kW以下，现在日本、前苏联等研究了500kW的电子束热源，用于涂层处理工艺。,17:32,（5）复合式电子束加工设备的研制 随着工业用途的增加，要求电子束加工设备具有综合功能。俄罗斯1994年制定了多功能综合型电子束加工设备的研制计划，研制多功能综合型电子束加工设备，具有电子束焊、钎焊、局部热处理、表面强化等功能，功率为60kW，加速电压为60kV，配有两个以上电子枪，采用计算机及CNC控制。（6）非真空电子束焊焊接设备及工艺的研究和应用 采用电子束焊焊接厚大件时，比其他焊接方法具有明显的优势，为了克服大型真空电子束焊机造价高、抽真空时间长的缺点，非真空电子束焊的研究及应用成为热点，近年英国焊接研究所采用非真空电子束焊焊接铜制核废料罐，取得了良好的社会和经济效益。图3所示是非真空电子束焊机示意图。德国阿亨大学焊接研究所（iSF）也在开展大功率非真空电子束焊焊接设备及工艺的研究 另外，飞机制造业要求在生产线上将电子束焊与超声波、激光、实时X射线照相等检测技术结合在一起，美国波音公司正在实施此顶工作。,17:32,17:32,60年代初，我国开始跟踪世界电子束焊焊接技术的发展，并开始设备及工艺的研究工作。经过30多年的努力，我国的电子束焊焊接技术取得了可喜的进展。（1）电子束焊焊接设备 80年代初，我国科技工作者通过引进关键部件电子枪及其电源，其余部分由国内配套，研制成功了国内第一台生产中使用的GDH-15型高压电子束焊机：加速电压为150kV，功率为15kW。此焊机已在航空动力机械制造中使用，解决了航空发动机关键部件的焊接。 北京航空工艺研究所在1992年研制成功了ZD150-15A型高压电子束焊机，此焊机是国内第一台自行设计、自行制造的高压电子枪和大型真空室（9m3）的高压电子束焊机，填补了国内空白，达到80年代末世界先进水平。焊机功率为15kW，加速电压为150kV。在此焊机上，完成了多种航空航天发动机零部件的焊接工作，同时焊接了原子能射线发生器、雷达慢波导、导弹壳体、汽车变截面轴、石油钻头等多种军民品。此焊机还装配了CNC系统及计算机参数控制系统。,17:32,在我国开展电子束焊焊接工艺研究及应用的主要领域是航空、航天、汽车、发电及电子等工业。自60年代起，我国科技人先后对多种材料，如铝合金、钛合金、不锈钢、超强钢、高温合金等进行了较系统的研究。在新型飞机、航空发动机、导弹等的预研、攻关及小批量试制中都用到了电子束焊技术。目前电子束焊已作为一种先进制造技术应用于我国航空工业。在我国其他工业中，采用电子束焊的主要有高压气瓶、核电站反应堆内构件筒体、汽车齿轮、电子传感器、雷达慢波导等；另外，炼钢炉的铜冷却风口、汽轮机叶片等也有的采用电子束焊焊接。在我国，电子束焊焊接技术在工业中将进一步应用，但需解决的问题是： 焊接可靠性、稳定性及质量在线检测技术的发展； 新产品设计与电子束焊技术的有机结合； 焊缝自动对中与跟踪的自适应控制技术的发展； 深穿透机理及电子束与材料交互作用等物理现象的进一步探求。,17:32,3. 电子束焊应用前景,1) 在大批量生产中将有较大的发展。例如：在汽车工业中，采用电子束焊技术焊接汽车的齿轮和后桥，可以提高工效、降低成本、减轻零件的质量。2) 在航空航天工业中，电子束焊技术将继续扩大其应用，并发展电子束焊在线检测技术。3) 由于电子束在厚大件焊接中独树一帜，所以在能源、重工业中大有用武之地。4) 在修复领域，电子束焊技术将是有价值的工艺方法之一。,17:32,5) 电子束焊的焊接设备将趋向多功能及柔性化。电子束焊已属成熟技术，随着应用领域的扩大，出于经济方面的考虑，多功能电子束焊的焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化将越来越显得重要。6) 电子束焊将是实现空间结构焊接的强有力工具。宇航技术中所用的各类火箭、卫星、飞船、星球车、空间站、太阳能电站等的结构件、发动机以及各种仪器均需用焊接技术，而电子束焊是满足其需求的强有力的工具。宇航零部件所用电子束焊的焊接设备可分为两类：一类是常规的电子束焊机，用来焊接可以在地面进行装配的零部件；另一类是在太空条件下所用的电子束焊机，需要宇航员到太空进行焊接操作，因此要适应太空的特殊环境。,电子束焊接原理,电子束焊接基本概念：,是利用会聚的高能电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使材料熔合的一种焊接方法。,通常束斑直径1mm，在0.10.75mm之间，速度可达0.30.7c。,电子束形成,1阴极；,三级电子枪结构示意图,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；,阴极发射电子电子在阴阳极间被加速电磁透镜聚焦电子,17:32,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104109W/cm2），轰击置于真空或非真空中的焊件时，电子的动能迅速转变为热能，熔化金属，实现焊接过程。图所示为电子束发生原理示意图。高压加速装置中电子束发生段由阴极、阳极、聚束极、聚焦透镜、偏转系统及合轴系统等组成。其各部分的作用,17:32,1) 阴极 通常由钨、以及六硼化镧等材料制成，在加热电源直接加热或间接加热下，其表面温度上升，发射电子。2) 阳极 为了使阴极发射的自由电子定向运动，在阴极上加上一个负高压，阳极接地，阴、阳极之间形成的电位差加速电子定向运动，形成束流。3) 聚束极（控制极、栅极） 只有阴、阳两极的电子枪叫做二极枪。为了能控制阴、阳两极间的电子，进而控制电子束流，在电子枪上又加上一个聚束极，也叫做控制极或栅极。具有阴极、阳极和聚束极的枪，称为三极枪。,17:32,4) 聚焦透镜 电子从阴极发射出来，通过聚束极和阳极组成的静电透镜后，向焊件方向运动，但这时的电子束流功率并不十分集中，在所经过的路径上产生发散，为了得到可用于焊接金属的电子束流，必须通过电磁透镜将其聚焦，聚焦线圈可以是一级，也可以是两级，经聚焦后的电子束流功率密度可达到107W/cm2以上。5) 偏转系统 电子束流在静电透镜和电磁透镜作用下，径直飞向焊件。但是有时焊接接头是T形或其他类型，或者加工工艺需要电子束具有扫描功能，因而电子枪中采用偏转系统对电子束进行偏摆。偏转系统由偏转线圈和函数发生器以及控制电路所组成。6) 合轴系统 电子束经过静电透镜、电磁透镜所组成的电子光学系统以及偏转系统后，往往产生像差、球差等，因此电子束达到焊件时，其斑点可能不符合要求。为了得到满意的电子束斑点，在电子枪系统中，往往加上一套合轴系统，合轴线圈与偏转线圈类似，它既可放在静电透镜上部，也可放在其下部。,电子束焊接设备基本构成,典型电子束焊机,主机,高压电源,控制箱,真空系统,电子枪、真空室、工件传动系统及操作台,阳极高压主电源、阴极加热电源及束流控制高压电源,高压电源控制、阴极加热电源控制、束流控制、聚焦及偏转控制装置,电子枪抽气系统、真空室抽气系统及真空控制监测装置,电子枪工作原理,真空电子束焊机工作原理,电子枪有四个作用,阴极材料的选择,阴极加热方式,阴极结构设计,真空电子束焊机工作过程,电子枪的四个作用,a 从阴极发射电子；b 使电子在阴阳两极间被加速，形成束流；c 电磁聚焦线圈使电子束聚焦；d 偏转线圈使电子束偏转；若加入函数发生器，可使束流以给定的函数图像进行扫描；,因此，电子束焊机中的电子枪是发射、形成和会聚电子束的装置。,电子枪包括静电和电磁两部分静电部分由阴极、聚束极和阳极组成，通常称静电透镜；电磁部分由聚焦线圈和偏转线圈组成，通常称为磁透镜；,工作原理1）电子枪的阴极被加热，发射电子；2）电子经阴阳极间的加速电压加速，同时受聚束极的作用开始第一次聚焦，飞向阳极；3）通过了阳极小孔的电子束流，在继续行进中，因受空间电荷及真空室压力的影响，又必然会发散；4）通过电磁部分时，由聚焦线圈再次会聚，并在工件上形成极小的高能量密度束斑；5）为调整电子束束斑到工件表面的位置，电子束经过偏转线圈磁场时，在罗仑兹力的作用下产生束偏转；,阴极材料的选择,阴极是电子枪中的重要部件。要获得较高的发射电流密度，就要求阴极材料具有较小的逸出功或较高的熔点在选用阴极材料时，还要考虑加工成形的方便高温时有足够的机械强度，足够长的寿命及化学性能稳定。,阴极材料常采用难熔金属及其化合物，如钨、钽及六硼化镧等。,阴极加热方式：,阴极的加热方式可分为直热式和间热式两种。直热式阴极，其加热方式是直接加热阴极，特点是结构简单，操作方便。但容易出现发射几何形状变形，电子发射散乱现象，对聚焦不利。间热式是利用传导、辐射或电子轰击的方法间接加热阴极，特点是结构复杂，阴极表面是等位面，发射电流密度均匀，对聚焦有利。,根据束流值的大小，阴极形状可做成点发射型或面发射型。钨加工成线材、棒材或块状比较容易。因此，一般可用钨丝绕制成直热式的发针状或盘状阴极。钨块钨棒可制成间热式阴极。钽加工性能好，能轧制成片状，可制成直热式或间热式的面发射阴极。六硼化镧一般做成间热式阴极。各种阴极的形状、特点及其适用范围如表所示。,阴极结构设计,到达预定真空度后，开始进行焦点位置的确定与束对中测试,采用NC数控编程给定各焊接参数，并编写焊接程序,调整,加载高压电源，启动电子束焊机焊接工作系统,实际焊接,真空电子束焊机工作过程：,接通主电源开关，启动供气及水冷系统,开启真空泵组，对扩散泵进行预热,将待焊工件放入真空室内的工作台上进行装夹,关闭真空室，开启抽真空系统抽取真空,程序示教,取出焊接工件，依照开机反顺序关闭焊机,电子光学基础,电子的发射,（1）空间电荷限制发射,（2）温度限制发射,（3）肖特基发射,电子发射形式,（1）空间电荷限制发射,查理朗缪尔定律：,V加到A、C之间的电位dA和C之间距离k1由被拉出的粒子特性决定的常数,这一发射仅从发射面前面的电子云中拉出一部分电子，被拉出电子的数量是电场的函数。只要电场小于某一值，电流与温度无关。当电流达到饱和值时，若再提高电流，则需提高阴极的温度,（2）温度限制发射,李查生道斯曼公式:,k2常数；0阴极金属的逸出功T阴极温度e电子电荷k玻尔兹曼常数,在这种发射中，电子云中的全部电子被相应的电场拉出。其电流密度式阴极温度和特性的函数,（3）肖特基发射,肖特基定律 :,k3常数；E阴极前面的电场值,电子束由电子枪的阴极发射，通常是空间电荷限制发射或温度限制发射。,如果阴极附近的电场强度很高（106V/cm），那么除了电子云的全部电子外，其它电子也从阴极拉出。这种发射由阴极的温度和电场的综合作用所决定,在平行板形成的电场中，电子的运动方向与正电荷粒子运动方向相反，是由低电位往高电位方向运动。根据能量守恒定律，当电子由静止状态开始往正极板方向做匀加速运动时，将位能转变为动能，则有：由此，我们可以计算得到电子在到达正极板时的速度。这是电子束枪中电子在阴阳两极高压间被加速的理论基础。,电子的场致运动,（1）电子在电场中的运动,若在平行板中放进一块带有圆孔的金属膜片，就变成了电子静电透镜，简称静电透镜。它与光学透镜对光线的作用一样，能使电子流在阴阳两极间获得汇聚或发散。这是电子束三极枪的理论基础。,圆孔膜片透镜的电场a) 膜片等于自然电压（均匀电场）b) 膜片低于自然电压（汇聚透镜）c) 膜片高于自然电压（发散透镜）,a),b),c),（2）电子在磁场中的运动,根据物理学，我们知道，电荷在磁场中运动时，磁场与运动电荷间有作用力，称为罗仑兹力。作用力的大小为： 式中：Q电荷电量 v电子运动的速度 B磁感应强度 磁力线与电子运动方向的夹角,（2）电子在磁场中的运动,根据电子在磁场中的这一运动特性，不难看到轴对称磁场对电子束也具有聚焦成像的作用。轴对称磁场也能够构成电子透镜，称为电子磁透镜，简称电磁透镜。这是电子枪中电子束聚焦汇聚的理论基础,能量传递方式：以无任何化学属性的电子束为载体热量析出部位：在电子穿透层下方析出能量转换机制：电子动能 晶格振动能 热能,电子束焊接能量转换（与通常熔化焊相比）,(2) 电子束焊缝形成方式,熔化式和深穿入式成形,电子束焊缝形成,(1) 电子束焊接加热特点,功率密度高和束精确、快速可控性,可在电磁场中沿某一函数轨迹运动,电子束斑点功率密度可达107W/cm2以上,束斑点功率密度小于105W/cm2,束斑点功率密度大于105W/cm2,电子束焊接深穿过程：电子束与被焊金属表面碰撞失去全部动能；碰撞使晶格上的原子发生急剧的热振动，大部分动能转化为热能；在极短的时间内，被焊材料迅速被加热至熔点及极高的过熔点温度，迅速蒸发形成金属蒸汽；金属蒸气的反作用力使金属熔体向四周排开，露出下层固体金属表面；电子束继续作用，重复上述过程，实现深穿。,17:32,电子束焊时，在几十到几百千伏加速电压的作用下，电子可被加速到1/22/3的光速，高速电子流轰击焊件表面时被轰击的表层温度可达到104以上，表层金属迅速被熔化。表层的高温还可向焊件深层传导，由于界面上的传热速度低于内部，因而焊件呈现的趋向深层的等温线。,17:32,17:32,在输入 功率不变时，缩小束斑尺寸将使功率密度Pd按平方倍增加，从而增加加热区中心点的温度Tc。在束斑直径缩得足够小时，功率密度分布曲线变得窄而陡，热传导等温线便向深层扩散，形成窄而深的加热模式。,17:32,一个基本结论：提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。然而，在大厚度件的焊接中，焊缝的深宽比可高达60:1，焊缝两边缘基本平行，似乎温度横向传导几乎不存在，这种情况完全用热传导的原理就很难解释清楚。现在被公认的一个理论是在电子束焊中存在小孔效应。小孔的形成过程是一个复杂的高温流体动力学过程。一个基本的解释是：高功率密度的电子束轰击焊件，使焊件表面材料熔化并伴随着液态金属的蒸发，材料表面发走的原子的反作用力是力图使液态金属表面压凹，随着电子束功率密度的增加，金属蒸气量增多，液面被压凹的程度也增大，并形成一个通道。电子束经过通道轰击底部的待熔金属，使通道逐渐向纵深发展。液态金属的表面张力和流体静压力是力图拉平液面的，在达到力的平衡状态时，通道的发展才停止，并形成小孔。小孔和熔池的形貌与焊接参数有关。,电子束焊接熔池受力分析,Fa Fs + Fg,17:32,17:32,可见，形成深熔焊的主要原因是金属蒸气的反作用力。它的增加与电子束的功率密度成正比。实验证明，电子束功率密度低于105W/cm2时，金属表面不产生大量蒸发的现象，电子束的穿透能力很小。在大功率焊接中，电子束的功率密度可达108W/cm2以上，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。但是，电子束在轰击路途上会与金属蒸气和二次发射的粒子碰撞，造成功率密度下降。液态金属在重力和表面张力的作用下对通道有浸灌作用和封口作用。从而使通道变窄，甚至被切断，干扰和阻断了电子束对熔池底部待熔金属的轰击。焊接过程中，通道不断地被切断和恢复，达到一个动态平衡。由此可见，为了获得电子束焊的深熔效应，除了要增加电子束的功率密度外，还要设法减轻二次发射和液态金属对电子束通道的干扰。,电子束焊接工艺,加速电压Ub,2) 主要参数对成形的影响,焊接规范参数及其对焊缝成形的影响,1) 功率密度的影响,电子束束流Ib,焊接速度v,工作距离L,功率密度对焊缝成形影响,电子束焊接采用深穿入式成形时，焊缝的熔深主要取决于形成空腔的金属蒸发速率，而金属蒸发速率的大小与电子束的功率密度密切相关。研究表明，电子束的功率密度越大，则熔深增加，而焊缝宽度减小。,加速电压的影响,加速电压增加，使得束斑点功率密度提高，从而使金属的气化速率显著增加；同时，加速电压增加使得电子枪的电子光学聚焦性能改善，这也会导致束斑点功率密度的提高。综合上述影响，对焊缝成形的影响为，加速电压增加，则熔深增加，熔宽减小，深宽比增加。,束流的影响,束流增加，将使得束斑点功率密度有所提高。但是束流增加的同时，又会使空间电荷扰动加剧，从而使电子枪的聚焦性能变差。综合作用的影响是，束流增加，熔深增加，熔宽也略增加。,焊接速度的影响,焊接速度增加，将使得焊接线输入能量减少，从而使熔深及熔宽均减小,工作距离的影响,工作距离增加，为了实现深穿入式焊接需调整减小聚焦电流，从而使焦距变大，导致电磁透镜的放大倍数增加，使聚焦性能恶化，从而束斑点功率密度会下降。这样，增加工作距离的结果，使得熔深减小，而熔宽增加,1) 电子束焦点的观察,电子束焦点的观察、测量与对中,2) 电子束焦点的测量,3) 电子束焦点的对中,电子束焦点的观察,1）肉眼目视,2）光学观察,通过真空室的观察窗直接观察,借助光学系统进行精确观察，以达到精确测量电子束位置和实现电子束与焊缝对中的目的,电子束焦点的测量,一般测量小功率电子束焦点的方法有：小孔法（或称环形探头法）细丝法平板法缝隙法倾斜试板焊接法（或称AB试验法）,电子束焦点的对中,反射电子法： 利用扫描电镜原理，采用电子束扫描时完好金属表面与接缝处反射电子能力不同来进行成像，从而确定焦点与焊缝的相对位置，实现束缝对中。,探针法： 是一种电气机械跟踪控制系统，装在电子枪上的探针位于接缝处，由它检测的位移信号经变换器传递给控制系统以保证电子枪自动对中焊缝。,2 接头型式,1 接头设计原则,对接接头角接接头T型接头搭接接头边接接头圆柱体对接接头特殊接头,电子束焊接接头设计,接头设计原则,焊接接头应保证具有足够的强度和刚度，保证有一定的使用寿命；,要靠虑焊接接头的使用条件，如温度、压力、耐蚀性、振动及疲劳等因素；,接头型式应符合电子束焊接的要求；,焊后尽可能不再进行机械加工或作少量加工；,在设计时，尽可能减少结构的焊接应力和变形；,焊接接头要便于进行焊后检验，如射线探伤、超声探伤等；,对接接头：电子束焊接最适用的一种接头形式。,（自行对准）,（自行衬垫）,（双嵌接自行衬垫）,（整体填充金属）,（肩接接头）,（斜对接接头）,角接接头：与对接接头比较，差别在于对非破坏性试验 的适用性和缺口的敏感性。,（弯边角焊缝）,T型接头,搭接接头,边接接头：适用于气密性部件,圆柱体对接接头,特殊接头,真空电子束焊接工艺过程（流程）：,1）电子束焊接经济性和焊接结构合理性分析,2）焊接工装夹具的设计与制造,3）焊接规范参数的选择确定,4）产品焊前的清理,5）装夹,6）施焊,7）焊后检测,（1）钉尖,（2）冷隔（空洞）,电子束焊缝常见缺陷及防止措施,常见的电子束焊缝外部和内部缺陷有：焊瘤、咬边、焊缝不连续、弧坑、未焊透、下塌、焊偏、钉尖、冷隔、气孔、裂纹。,独有缺陷：,安全防护措施如下：,安全防护,高压电源和电子枪应保证有足够的绝缘和良好的接地；,更换阴极组件和维修时，应切断高压电源，并用放电棒接触准备更换的零件，以防高压；,我国规定对无监护的工作人员允许的X射线剂量小于等于0.25mR/h（欧洲标准是小于等于0.3mR/h）；其中，60kV以下的电子束焊机采用厚钢板来防护，60kV以上的电子束焊机应附加铅防护层，观察口使用铅玻璃；,采用抽气装置将真空室排出的油气，烟尘等及时排出，设备周围应通风良好；,几种金属材料的真空电子束焊接,1）不锈钢电子束焊接,2）铝及铝合金电子束焊接,3）钛及钛合金电子束焊接,4）铜及铜合金,5）难熔金属,不锈钢电子束焊接,不锈钢的电子束焊接接头具有较高的抗晶间腐蚀的能力，这是因为电子束焊接时高的冷却速度可以防止碳化物的析出。由于奥氏体不锈钢没有磁性，因此不会产生束偏移，焊接质量的稳定性好,推荐使用的铝合金电子束焊接条件,铝及铝合金电子束焊接,焊前应对接缝两侧宽度不小于10mm的表面应用机械和化学方法做除油和清除氧化膜处理。,钛及钛合金电子束焊接,钛是一种非常活泼的金属，因此需在良好的真空条件下（1.3310-2Pa）进行焊接。氢气孔是熔化焊接钛时最常见的缺陷。预防措施是降低熔池中氢含量和保证良好的结晶条件。例如：焊前对焊缝进行化学清洗和刮削，施加重复焊道，焊速低于30cm/min以下,铜及铜合金电子束焊接,电子束焊接铜具有突出的优点，40mm厚铜板采用电子束焊接所需要的线能量是自动埋弧焊所需线能量的1/5-1/7，焊缝横截面积是其1/25-1/30。焊接铜合金可能发生的主要缺陷是气孔。对于厚度为1-2mm的铜板，焊缝中不易产生气孔。对于厚度为2-4mm的铜板，焊速应低于34cm/min，才可防止产生气孔。厚度大于4mm时，焊速过慢将使焊缝成形变化，焊缝空洞变多。增加装配间隙、焊前预热和重复施焊都是减少焊缝气孔的有效措施。为了减少金属的蒸发，对厚度为1-2mm的铜板，电子束焦点应处在工件表面以上。对厚度大于10-15mm时可将电子枪水平放置，进行横焊。,难熔金属电子束焊接,锆、铌、钼及钨等难熔金属适宜采用电子束进行焊接，这与电子束焊接高能量密度的特点有关。焊接时需要在高真空条件下进行。以铌的电子束焊接为例，焊接真空度应优于1.3310-2Pa，真空室的泄漏率不得超过410-4m3Pa/s。铌合金焊缝中常见的缺陷是气孔和裂纹。采用细电子束进行焊接不易产生裂纹；用散焦电子束对接缝进行预热，有清理和除气作用，有利于消除气孔。,电子束焊接分类、特点及应用,电子束焊接分类,(1) 按照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=40-60Kv),高压电子束焊接(U=100-150Kv),超高压电子束焊接(U300Kv),(2) 按照真空度不同,高真空电子束焊接(10-3-10-6 torr),低真空电子束焊接(10-2-0.5 torr),非真空电子束焊接(大气中),(3) 按照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) 按照功率不同,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) 按照电子枪特征,定枪式和动枪式,直热式和间热式,二级枪和三极枪,(6) 按照深穿加热特点,普通电子束焊接,脉冲电子束焊接,电子束焊接优点：,高能量密度，焊缝深宽比大 ；,能耗低，热影响区窄，焊接变形小；,焊速快，焊接效率高；,焊接参数再现性好，易于控制实现自动化；,真空施焊，可获得高质量的焊缝；,工艺适用性好，所焊材料范围宽；,电子束焊接不足：,电子束焊接成套设备价格昂贵；,束缝对中精度要求高；,焊前接头设计、清理及装夹要求高；,电子束易受磁场干扰；,工件大小受真空室尺寸限制；,焊接质量受真空条件限制；,焊接时产生X射线，需严加防护 ；,电子束焊接的应用：,适用于焊接难熔金属、活泼金属和高纯度金属。,适用于通常熔化焊方法无法焊接的异种金属材料的焊接。,可焊接经淬火的或加工硬化的金属。,由于焊缝的热影响区小，可焊接紧靠热敏感性材料的零件。,可对已经精加工到最后尺寸的零件进行焊接。,可对可达性差的接头进行焊接。,非真空电子束焊接。,电子束焊接技术在我国的应用,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、航空航天领域的制造及维修业上,航天产品的电子束焊接,推力室身部与头部的铌钛异种金属电子束焊接,推力室身部铜钢异种金属电子束焊接,电子束焊接研发现状,电子束焊接研发现状概述,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和表面加工这四方面展开的。,电子束焊接设备研制,主要的研制开发机构：,德国PTR和IGM公司,法国TECHMETA（泰克米特）公司,英国的CVE公司,德国的PROBEAM公司,乌克兰巴东焊接研究所,北京航空工艺研究所,中科院沈阳金属所,桂林电器科学研究所,德国PTR公司生产的ebw3000/15-150CNC型电子束焊机 真空室:1.7m1.25m 1.45m ; 额定功率:15KW;额定电压:150KV,法国TECHMETA公司,MEDARD 43型:Chamber dimensions:500 500500;Operating voltage:60KV;Power:6KW,LARA 52型:Chamber dimensions:350600800;Operating voltage:60KV;Power:30KW,英国CVE公司,2000系列，额定功率4kW,XW系列，加速电压150kV，额定功率7.5kW,乌克兰巴东电焊研究所,KL110型：2.52.55m/60KW/60KV,德国Probeam公司,HDZ3B EB welderPower：3KWAccelerating voltage ：70KVSize of welding chamber：300x300x200mm,桂林电科所,主要研究方向,电子束焊接深熔机理,电子束焊接匙孔效应及动力学机制,电子束焊接缺陷产生机理及控制,电子束焊接热过程及温度场,新材料及异种材料电子束焊接,电子束表面加工,电子束焊接熔炼,电子束钎焊工艺及机理,电子束焊接输入能量控制,电子束焊接匙孔效应及动力学机制,Tong.H32等利用脉冲高压x射线技术拍摄了焊接过程中的匙孔辐射照片。Tong等人的研究表明，利用脉冲X射线拍摄的照片所看到的匙孔特征形状与抛射物投入水中形成的空腔有惊人的相似。因此，作者提出电子束焊接匙孔的形状可认为是与周期性抛入流体的抛射物行为相似。,电子束焊接匙孔效应及动力学机制,Arata.Y等36利用X射线图像高速摄影和光学高速摄影拍摄了匙孔和熔池的运动行为，对匙孔的描述建立在高速摄影的基础上，证实了匙孔波动起伏现象，如右图所示。作者指出，电子束焊接过程中，形成的匙孔增加到一定的深度后建立起平衡。匙孔的大小、形状随时在变化，并伴有一个特征振荡。匙孔的前壁较光滑，而后壁上有隆起的“壁瘤”和凹陷的“壁坑”，并且这样的“壁坑”以2030cm/s的速度逐渐向上移动和长大。,电子束焊接缺陷产生机理及控制,焊接端面的不同加工状态对纯铜电子束焊接气孔形成的影响。研究结果表明，焊前待焊端面的不同加工方法对纯铜电子束焊接的气孔生成率有着最重要的影响，如图1-6所示，采用去脂和刮研处理后的接头气孔率明显降低；作者还采用模拟实验的方法，对端面粗糙加工状态的气孔形成机理进行了分析。研究认为，电子束待焊工件焊接时的紧密接触将在焊接熔池前方形成许多毛细作用的通道，高温下端面上的附着气体、湿解气体及污染物的离解气体产物等会通过毛细管而进入焊接熔池的前部，从而在熔池中形成气泡，并在熔池冷凝后残留在焊缝中形成气孔。,图1-6 表面加工状态对气孔生成率的影响,电子束焊接热过程及温度场,电子束热源模型：点热源、线热源、体热源及点线叠加热源,传热数学模型及温度场：解析解和数值解 解析解往往要大量的假设或忽略很多重要的方面，解析解所获得的模拟结果有一定的局限性。但解析解推动了对电子束深熔焊接物理现象研究的深入。随着计算机技术的发展，通过子程序等手段，采用大型的通用有限元软件同样可以对电子束焊接过程的特点进行描述，而且可以适用于任意工件形状，考虑非稳定和非线性问题，并能获得较好的结果。,电子束钎焊研究,真空电子束钎焊技术以其加热能量集中、控制精度高、真空环境保护效果好，钎料和工件的高温停留时间易于控制，焊接效率高、节省能源等诸多优点，在钎焊领域具有广阔的发展空间,特别是电子束焊接在真空室中进行、能量集中温度变化快，温度的测量及控制难度较大,电子束钎焊过程难点：电子束如何加热工件、钎焊温度与时间如何控制,利用扫描轨迹可控真空电子束钎焊系统及温度闭环控制解决了发动机推力室喷注器毛细管板钎焊结构的焊接问题,电子束钎焊研究,电子束钎焊研究,发动机叶片裂纹电子束钎焊修复,新材料及异种材料电子束焊接,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铝锂合金等新型航空航天用结构材料进行了电子束焊接性研究，探讨了焊接工艺参数对接头性能的影响；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、异种高温合金（如GH4169/GH907）等材料的焊接工艺研究；,新材料及异种材料电子束焊接,M.C.Chaturvedi对航空航天用的新型替代材料TiAl合金电子束焊接性进行了研究。研究表明，TiAl合金的热裂纹倾向并不明显，在焊后快速冷却的情况下其冷裂纹敏感性严重。利用热模拟方法研究了冷却速度对显微结构演变的影响规律，发现在焊后极高的冷却速度下将抑制相的转变，从而产生裂纹；当熔合线处的冷却速度小于等于250Ks-1时，将获得较满意的焊接接头14。,新材料及异种材料电子束焊接,铬青铜与双相不锈钢电子束焊接,新材料及异种材料电子束焊接,Nb/Ti电子束焊接,电子束熔炼及涂敷,目前，世界上电子束熔炼及涂敷技术以乌克兰巴顿电焊研究所的实力为最强。1958年起巴东电焊所即开始从事有关电子束焊接方面的研究，几乎与此同时开展了在真空中不同物质电子束气化及冷凝的物理化学过程的研究。经过40多年的发展，在电子束熔炼及气相沉积等领域取得了丰硕的成果，特别是在前苏联的空间焊接领域为飞行器表面的修复作出了重大贡献。因电子束气相沉积技术在制备功能材料、热阻梯度材料等方面的独特优势，使其在新材料的制取上得到了越来越多的应用，预计在近十五年内世界范围内通过气相沉积技术制造材料的能力将达到每年一万吨的水平62。同时，巴顿所在电子束区域熔炼方法制备硅单晶材料上居世界领先水平。,电子束焊接输入能量控制新技术,电子束焊接的多焦点、多束控制,电子束多束焊接,多束控制,多焦点控制,preheating beam,weldingbeam,ebw-zone,preheating spot,weld spot,weld seam,多束预热,减少气孔与止裂,Reduction of porosity by 1, 2 or 3 beams in 1 weld run.,Suppression of hot cracks by producing pressure using additional heat sources.,welding process,fixed clamping,10 mm,material:AlMgSi1 1,15 mm,热裂纹,heating spot,10 mm,Material:AlMgSi1 1,15 mm,使用多束第二热源抑制热裂纹,welding process,fixed clamping,多焦点、多束能量控制在电子束焊接中的作用,焊接速度更快、精度更高,提高焊接质量,减少气孔,抑制裂纹,消除变形,应用实例,Series production of gears is being improved by multi beam technologies:Reduction of distortion by symmetric heat input and narrow welds.Reduction of welding time by elimination of tack-weld and reduction of weld length for each beam.,17:32,17:32,17:32,17:32,展望,电子束焊接技术相关研究的广度和深度在不断扩大，已经在研究理论和工艺实践上取得了积极的成果。,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，以及当前研究分析测试方法及手段上的滞后和局限性，使得焊接机理的本质研究有待进一步深入。,新材料及异种材料电子束焊接技术，电子束熔炼及涂敷技术的研究正逐渐成为研究热点。,基于电子束焊接热源特点及空间环境条件，可将其用作富有广阔前景的空间焊接技术。,17:32,用电子束焊还是用激光焊?,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510米/分钟）；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。,17:32,电子束与激光焊的性能比较,至今，电子束焊经过不断发展已经成为一种成熟的加工技术，无论是汽车制造，还是航空航天，都起着举足轻重的作用。而40多年来，激光加工已从实验室走向了实用化阶段，并进入了原来由电子束加工的各个领域，大有取代电子束加工的势头。但实践证明，激光和电子束作为高能量密度热源，除了具有很多相同技术特点外，在技术和经济性能上，针对不同的应用场合，仍有各自不同的特点。,17:32,电子束焊接的优点,电子束的能量转换效率非常高（80%90%），可以研制出很高功率的大型焊接设备（在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世）； 电子束焊接的焊缝很细，其深宽比很容易达到10:1，甚至是20:1（最新报道显示：日本在焊接200 mm厚不锈钢时，深宽比达70:1）；电子束的可控性更好，甚至可以在工件内部形成曲线孔径； 电子束对不同材料、特殊材料的焊接更容易。,17:32,电子束的缺点,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60秒以内）；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。,17:32,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30秒以内）。激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。,17:32,激光焊接比电子束焊接还存在一定的弱势。,激光的能量转换效率较低，Rofin的DC系列CO2激光器能量转换效率不足20%，最新的IPG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10 mm； 随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到50000小时，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46 mm，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。,17:32,电子束与激光焊的经济性比较,电子束技术的发展已经相当成熟，大功率、超大功率电子束焊接设备的发展相当快，而且已经具备了相当实用的价值。激光技术受到能量转换率较低及其他技术障碍，使得激光焊接的功率还不能大幅提升。目前，实用的激光器功率还不能超过10KW，更高功率的激光器，成本的增加非常快，实际应用价值还较低。 在欧美国家，同等功率（35KW）的电子束焊接设备与激光焊接设备的价格基本相当，而激光焊接的高效率、灵活性（不受真空室限制）和便于集成到生产线中的特性，使得激光焊接设备在汽车制造中的应用增长速度大大超过电子束焊接设备。,17:32,电子束和激光焊接的应用现状及前景,通过前面的阐述，我们可以看到，电子束焊接在超大功率（30KW以上）和大熔深（50 mm以上）焊接中具有不可替代的地位。特别是：发电设备、石化设备、矿山机械、重型汽车、航空航天器、原子能设备和造船工业等领域，电子束焊接仍然是首选的技术方案。典型的应用是焊接反应堆基体和汽轮机转子轴等承力件，其熔深在300mm以上。 和激光焊接相比较，电子束另一重要特点是不受补焊材料反射的影响，因此能很容易地焊接金、银、铜、铝等难于激光焊接的材料。例如，电子器件中的无氧铜零件、大电流的铜排、铜钨触头和大马力柴油机的铝活塞等，都能得到高强度、大熔深的焊接接头。,17:32,为了使大功率电子束焊接更好的用于大型工件，与大功率电子束同步发展的是大型真空室、局部真空及非真空等技术。大型真空室容积已达800立方米，这样的真空室可以焊接直径达10米的巨型构件。大型真空室虽然造价昂贵，但大功率电子束焊的优异焊接性能和极高的焊接速度，可使综合成本（包括设备投资及运行费用）反而比传统的焊接方法低。据估算，当焊深超过50 mm时，电子束焊接的成本即可低于窄间隙焊和埋弧焊。焊深越深，差价越大。当焊深超过150 mm时，电子束焊接的综合成本就只有窄间隙焊和埋弧焊的1/21/3。大型真空室多数用于焊接航空航天器中的机匣、涡轮盘、机翼大梁和发电设备中的汽轮机隔板之类产量不大而价值很高的产品，这些产品对焊接要求往往非常苛刻，例如汽轮机隔板单次焊深可达150 mm以上，而焊缝所在的围带又很窄，极易变形。,17:32,结论,电子束与激光加工的机理大致相同，应用领域也大体相同。但是，由于它们