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特种焊接技术电子束焊


第一单元

电子束焊(EBW)

通过本单元的学习,了解电子束焊的的基本原理、工
艺特点及应用范围,熟悉电子束焊接设备,能够分析金属 材料对电子束焊工艺的适应性,并制定焊接工艺,掌握电 子束焊的基本操作方法与安全防护知识。

知识模块一
?

电子束焊概述

电子束焊(Electronic Beam Welding,EBW)是指

在真空或非真空环境中,利用汇聚的高速电子流轰
击焊件接缝处所产生的热能,使被焊金属熔合的一 种焊接方法。
?

1948年德国科学家发现电子束可以用来加工材料, 1951年对红宝石打孔和图案刻蚀;1954年法国科学

家探索了真空电子束法(焊接活泼金属),1958年
第一台工业用电子束焊机出售给美国西屋公司。几 十年来,电子束焊创造了巨大的经济及社会效益。

应用领域:
航空与航天:飞行器构件;喷气发动机构件。
动力与原子能:压力容器;气轮机喷管隔板;核反应堆的 芯子与真空容器。 电子与医疗:继电器壳体;压力传感器;心脏起搏器壳体 。

电机与仪表:电机定子、转子的叠片;膜盒。
汽车工业:变速齿轮;同步器与齿轮;点火分配器;短轴 与车轴;后桥。 其他方面:双金属锯条、热敏元件、冷却器、轴承环、滚 刀。

能力知识点1电子束焊接的基 本原理 阴极:发射电子

阳极:电子定向运动
聚束极:控制电子, 三极枪 聚焦透镜:聚焦 偏转系统:T型或其他 接头需要 合轴系统:消除像差或 球差

小孔效应
电子束
轰击

焊件 高温 熔化
继续
轰击

伴随

等离子弧焊形成 “穿孔”的原理 是什么?

液态金属蒸发
原子反作用力

底部待熔金属
小孔的周围被液态金属 包围。随着子束与焊件 的相对移动,液态金属 沿小孔周围流向熔池后 部,逐渐冷却、凝固形 成了焊缝。在电子束焊 接过程中,焊接熔池始 终存在一个匙孔。

通道

凹度
增加

液面压凹

形成小孔和熔池的形貌与焊接工艺参数有关。

?在大功率的电子束焊接中,电子束的功率密度可达106~
108 W/cm2,足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。

?当电子束的功率密度低于105W/cm2时,电子束的穿透能
力较小,金属的熔化过程与电弧焊时相似,焊缝熔深较浅。

?电子束焊接质量与束流强度、加速电压、焊接速度、电
子束斑点质量以及被焊材料的热物理性能等因素有密切的

关系。

能力知识点2 电子束焊的特点及分类 一、电子束焊的特点 1、优点 ?功率密度高:Pmax=100kW, Pd= 106~108w/cm2 ?焊缝深宽比大:60:1, t=0.1~300mm
合金元素烧损少,能避 免晶粒长大,使接头性 能改善,焊缝抗蚀性好。

?焊接速度快: HAZ小,变形小;焊缝组织性能好 ?焊缝纯度高:真空
防止熔化金属受氢、氧、氮等有害气体的污 染,而且有利于焊缝金属的除气和净化

? 适用性强:参数可调范围大,可以实现复杂接缝的自动 焊接;焊接难以接近部位的焊缝。

? 可焊材料多:金属、非金属等
? 再现性好:易于实现机械化、自动化控制,提高了产品 质量的稳定性。 ? 可简化加工工艺 :可将复杂的或大型整体结构件分为 易于加工、简单或小型部件,用电子束焊将其焊接为一 个整体,减少加工难度,节省材料,简化工艺

2.电子束焊的缺点 ? (1)设备复杂,一次性投资大,费用较昂贵;

? (2) 电子束焊要求接头位置准确,间隙小而且均匀,焊
前对接头加工、装配要求严格; ? (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; ? (4)电子束易受杂散电磁场的干扰,影响焊接质量; ? (5)电子束焊接时产生X射线,需要操作人员严加防护。

二、电子束焊的分类

?高真空:

10-4~10-1Pa,工作室和电子枪共用或 各有一套真
空系统,适于活泼属、难熔或 质量要求高的工件焊接,也

适用于各种形状复杂零件的精密焊接。
不足之处是工件尺寸受真空室容积限制;此外,抽真空 需要辅助时间,影响生产效率。 ?低真空: 10-1~10Pa工作室,电子枪10-3Pa,各 有一套真空系 统,效率高,适于批量生产

? 非真空:

? 电子束在高真空下,工件在大气压环境中,电子枪
距离工件20~50mm,质量要求低工件焊接。 随着气压的升高,发散逐渐增大,焊 缝深宽比减小。

? 局部真空:工件焊接部位在真空中,适于大型工件

能力知识点3
工业部门

电子束焊的适用范围
应用实例

航天航空
汽车制造 核能工业

喷气发动机部件、起落架、机舱段框架、精密传动件、火箭助推器、 高压气瓶、火箭发动机部件等
变速箱齿轮、行星齿轮框架、后桥、汽缸、离合器、发动机增压器涡 轮等 燃料原件、反应堆、压力容器及管道、加速器部件、燃料棒、支架、 导向筒、蒸发器等 集成电路、密封包装、电子计算机的磁芯存储器、行式打印机用小锤、 微型继电器、微型组件、薄膜电阻、电子管、加热器等 电动机整流子片、双金属式整流子、汽轮机定子、电站锅炉联箱与管 子的焊接等 压力容器、球形储罐、热交换器、环形传动带、管子与法兰的焊接等 厚板焊接、超厚板压力容器的焊接等 修补修复有缺陷的容器、设计修改后要求的返修件、裂纹补焊、补强 焊、堆焊等 双金属锯条、钼坩锅、波纹管、管道精密加工、切割等

电子器件

电力 化工 重型机械 再制造 其他

国外发展现状
? 大功率电子枪的开发 日本大阪大学研制600kW、300kW的超高压电子束热源 装置,一次焊200mm不锈钢时,深宽比达70:1。 ? 双枪电子束及填丝电子束焊接技术

? 大厚板采用二次焊,一次是获得均匀的焊缝,二次 用
? 填丝弥补顶部下凹或咬边缺陷

? 复合式电子束加工设备的研制
? 俄罗斯研究了多功能电子束加工设备,既能实现电 子束焊,也能实现钎焊、局部热处理或表面强化等 功能

非真空电子束焊工艺 ?英国焊接研究所采用非真空电子束焊焊接铜制核废料 罐,德国阿亨焊接研究所也在开展大功率非真空电子 束焊设备及工艺的研究 ?美国波音公司正致力于将飞机制造生产线上的 电子束、超声波、激光和实时照相检测等技术进行

结合

国内发展现状
?电子束焊设备

?中压设备比较成熟(P<10kW,V<70kV),高压设
?备需进口,1992年航空工艺研究所研制第一台高压电

子束焊机 (P=15kW,V=150kV ),达到80年代世
?界先进水平。

中科院研制汽车齿轮专用电子束焊机

? 电子束焊接工艺

? 多种材料,如铝合金、钛合金、不锈钢、超强钢高温
合金等; ? 应用元件,高压气瓶、核电站反应堆内构件筒体、汽 车齿轮、电子传感器等;

综合知识模块二

电子束焊设备

能力知识点1 焊机的组成 ? 电子枪 ? 高压电源 ? 真空系统和真空室

? 工作台及焊接夹具
? 控制及调整系统

一、电子枪 电子枪的作用及结构组成

电子束焊机中用以产生电子并使之汇聚成电子束的装置
称为电子枪。它是电子束焊接设备的核心部件。 ? 电子枪主要由阴极、阳极、栅极和聚焦线圈等组成。 ? 电极系统由阴极、偏压电极和阳极组成。 ? 阴极处于高的负电位,它与接地的阳极之间形成电 子束的加速电场。

三极电子枪枪体结构示意图

1-阴极 2-偏压电极 3-阳极
4-聚焦线圈(电磁透镜)

5-偏转线圈 6-工件
Ub -加速电压 UB -偏压

? 偏压电极相对于阴极呈负电位,通过调节其负电位

的大小、改变偏压电极形状及位置可以调节电子束
流的大小和改变电子束的形状。 ? 聚焦线圈又称电磁透镜,其作用是将电子束流聚焦 到工件的焊缝上,这样既增加了电子束焊接的工作 距离,而且又易于对其控制和调节。

? 偏转线圈的作用是使电子束的束斑对准被焊工件的
接缝或在焊缝区作有规律的周期性运动。偏转方向

和偏转量可通过改变偏转线圈中的电流方向及大小
来调节。

图1-7真空电子束焊设备的组成示意图 1-高压电源系统 2-控制系统

二、高压电源及控制系统

1.高压电源
高压电源为电子枪提供加速电压、控制电压和灯丝加热 电流。 2.控制系统 除了控制焊机的真空系统和焊接程序外,还可实时控制 电子参数、工作台的运动轨迹和速度,实现电子束 扫描和焊缝自动跟踪。

图1-8 高压电源控制原理图

三、真空系统及真空室

1.真空系统
真空系统作用: 对电子枪和真空室抽真空 真空系统大多使用三种类型的真空泵: ? 低真空泵(活塞式或叶片式机械泵)能够将电子枪 和工作室从大气压抽到10Pa左右。 ? 油扩散泵,用于将电子枪和工作室压强降到10-2Pa以 下。

油扩散泵不能直接在大气压下启动,必须与低真空泵配
合组成高真空抽气机组。 较低的真空度可用机械泵获得,高真空则采用机械泵及 扩散泵系统。 ? 涡轮分子泵,它是抽速极高的高真空泵,工作室真 空度可达10-1~10-3Pa之间。涡轮分子泵无油蒸气污 染,不需要预热,节省抽真空时间,适用于电子枪 的真空系统。

2.真空室

真空室(工作室)的设计一方面应满足气密性要求;另一方面
应满足承受大气压所必须的刚度、强度指标和X射线防护的 要求。 ? 真空室可用低碳钢板制成,以屏蔽外部磁场对电子束运动轨 迹的干扰。

? 工作室内表面应镀镍或进行其他的表面处理,以减少表面吸
附气体、飞溅及油污等,缩短抽真空时间和便于真空室清洁 的工作。 ? 真空室通常开一个或几个窗口用以观察内部焊件及焊接情况。

? 低压型电子束焊机(加速电压<40kV)可以靠工作室 钢板的厚度和合理设计工作室结构来防止X射线的泄

漏。
? 中、高压型电子束焊机(加速电压> 60kV)的电子 枪和工作室必须设置严密的铅板防护层,铅板防护 层应粘接在真空室的外壁上 。 ? 为了避免出现X射线的泄漏、真空室的变形等问题, 电子束焊机的使用者不得随意改装真空室。

四、焊接工作台及工装夹具
工作台、旋转台和焊接夹具应能保证在焊接过程中保持

电子束与接缝的位置、焊接速度稳定、焊缝位置的
重复精度。 五、电气控制系统 电子束焊机的电气控制系统主要完成电子枪供电、真空 系统阀门的程序启闭、传动系统的恒速运动、焊接 参数的闭环控制以及焊接过程的程序控制等功能。

高真空:(10-4 ~10-1Pa),活泼、难熔、 工作室真空度 异种或质量要求高工件 低真空:(10-1 ~10Pa),电子元件、 精 密仪器等大批量 非真空:大型工件,如容器、热交换器等 高 加速电压 中 低 压:(60 ~150kV),大厚件、难熔及热敏感

性强的材料。
压:(40 ~60kV),中厚件 压:(40kV以下),深宽比要求不高薄件

?

电子束焊机应用现状 大型真空电子束焊机,日本MHI(280m3)、
乌克兰巴顿电焊研究所(400m3)、法国的techmeta 公司(800 m3)

局部真空电子束焊机

通用型电子束焊机

国产EZ-60/100型真空电子束焊机

综合知识模块三

电子束焊工艺
为什么焊件表面焊 前必须严格清理?

能力知识点1 焊前准备及接头设计 一、焊前准备
锈、丙酮去油

? 加工与清理:Ra=1.5~25um,待焊表面酸洗去 ? 接头装配:一般采用无间隙、无坡口对接,间 隙随板厚的增加可稍微加大 ? 精确定位:严格要求装配和对中 ? 退磁处理:磁性金属(工件和夹具),避免电子束发

生偏转

? 抽真空
? 焊前预热 对需要预热的工件,根据一定的形状、尺寸及所需要的 预热温度,选择适宜的加热方法,如气焊枪、加热 炉、感应加热、红外线辐射加热等,在工件装入真 空室前进行预热。 如果工件较小,加热引起的变形不会影响工件质量时,

可在真空室内用散焦电子束来进行预热。

二、焊接接头设计

对接,最常用的接头形式
角接头,注意接头的焊合 T形接头,注意板的厚度,较厚时 采用双面焊 搭接接头,常用于厚1.6mm以下 端接接头,厚板采用大功率深熔焊

图1-11 电子束焊接的对接接头 a)正常对接 b)齐平接头 c)台阶接头 d)锁口对中接头 e)锁底接头f)双边锁底接头 g)、h)自填充材料的接头 i)斜对接接头

图1-12 电子束焊接的角接头 a)熔透焊缝 b)正常角接头 c)锁口自对中接头 d)锁底自对中接头e)双边锁底接头 f)双边锁 底斜向熔透焊缝 g)双边锁底 h)卷边角

图1-13 电子束焊T形接头 a)熔透焊缝 b)单面焊 c)双面焊

图1-14 电子束焊搭接接头 a)熔透焊缝 b)单面角焊缝 c)双面角焊缝

a)厚板 b)薄板 c)不等厚度接头

图1-15 电子束焊端接接头 a)厚板 b)薄板 c)不等厚度接头

能力知识点2 电子束焊主要焊接参数及其选择
? 加速电压,取决于电子枪,与深宽比成正比。
? 电子束电流,决定功率,注意环缝起始与收尾处的变

化;焊件厚度变化,大厚件时,电子束流减小。
? 焊接速度,决定熔深和熔宽 ? 聚焦电流,焦点位置,厚板采用下焦点,薄板焦点位 于工件表面 ? 工作距离,越小,光斑直径小,功率密度增加。直径 保证稳定工作的前提下,尽可能缩短工作距离。

能力知识点3

电子束焊技术要点

一、薄板的焊接 ? 电子束焊可用于焊接板厚在0.03~2.5mm的零件。 ? 薄板导热性差,电子束焊接时局部加热强烈。为防止过热, 可采用夹具。对极薄工件可考虑使用脉冲电子束流。

? 电子束功率密度高,易于实现厚度相差很大的接头焊接。
二、厚板的焊接 ? 电子束焊可以一次焊透300mm厚的钢板。 ? 焊道的深宽比可高达60:1。 ? 当被焊钢板厚度在60mm以上时,应将电子枪水平放置进行横

焊,以利于焊缝成形。

三、填充金属
? 从实际操作角度看,电子束焊接中加填充金属不如

常规焊接方法简便,应尽量不用。
? 为使焊缝成分满足工件使用要求、改善焊缝冶金焊 接性、弥补不良装配、修补焊缝缺陷或修复磨损报 废零件时,使用填充金属防止出现缺陷。 ? 填充金属可根据需要制成丝材、带材、颗粒或粉末 状,可将其喷涂或堆焊在接头处,也可利用在接头 处加工预留凸边作为填充材料。


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