2电子束与摩擦焊

第二讲电子束焊接利用加速和聚焦的电子束轰击位于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的一种焊接方法。1.概述德国的K.-H.Steigerwald和法国的J.A.Stohr首先将电子束应用到工业生产中。K.-H.Steigerwald1948年，发现电子束可以用来加工材料1951年，打孔，刻蚀，切割1956年，电子束焊机J.A.Stohr1954年，真空电子束焊接核工业燃料元件上的Zr基活泼合金。1957年，公布研究成果。电子束焊接首先应用于原子能及宇航工业。2电子束焊的基本原理2.1电子束的产生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，轰击置于真空或非真空中的焊件时，电子的动能迅速转化为热能，熔化金属，实现焊接过程。(1)阴极钨。钽及六硼化镧制成。(2)阳极形成束流(3)聚束极控制极、栅极。控制电子束流，三极枪。(4)聚焦透镜得到107W/cm2以上。(5)偏转系统适应接头类型和加工工艺。(6)合轴系统得到满意的电子束斑点。2.2电子束深熔焊机理电子束焊接时，在加速电压作用下，电子可被加热到1/2-2/3的光速，工件材料表面温度可达到104℃以上，表层金属迅速被熔化。高温还向焊件深层传导。Pd＝Pi/пRb2Tc＝(1/λ)PdRb当束斑直径足够小时，功率密度分布曲线变得窄而陡，热传导等温线向深层扩散，形成窄而深的加热模式。基本结论：提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。大厚度电子束焊件中的热传导现象。小孔效应及其形成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，材料表面蒸发走的原子的反冲力使焊缝金属表面压凹，随着电子束功率密度进一步加大，金属蒸汽量增多，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。小孔的动态平衡与液态金属在重力下的浸灌作用和表面张力的封口作用有关。3.电子束焊接技术的特点(1)电子束能量密度高，是理想的焊接热源热源能量密度/W.cm-2热源直径/cm电弧1040.2~2等离子104~1050.5~2电子束104~1070.03~1激光103~1070.01~1(2)电子束焊热源稳定性好，易控制(3)真空电子束焊接时，焊缝免遭大气污染，在2Pa真空度下焊接相当于99.99%氩气的保护，真空获得所消耗的成本远低于消耗氩气的成本。(4)电子束焊机易实现自动化控制，操作简单，焊接质量易保证，适合批量生产。(5)允许采用的焊接接头形式较其它焊接方法少，焊接速度快，热影响区窄、焊接变形小，可作为最后加工工序或仅保留精加工余量。不同焊接方法的热影响区宽度焊接方法热影响区各区平均尺寸/mm热影响区总宽度/mm过热区相变重结晶区不完全结晶区埋弧焊2.2~2.01.5~2.52.2~306.0~8.5手工电弧焊0.8~1.20.8~1.70.7~1.02.0~4.0电渣焊18~205.0~7.02.0~2.025~30氧乙炔焊214.02.027氩弧焊6mm20#钢板2.1~2.20.7~1.11.2~1.95.0~6.2Ф50×4Ф51×2.5管子2.5~2.20.8~1.31.6~2.05.6~6.3电子束焊不预热---0.05~0.75180~350预热---0.4~1.1不同焊接方法焊缝晶粒尺寸的比较(6Al-6V-25N)焊接方法厚度/mm焊缝宽度/mm热影响区宽度/mm晶粒尺寸/mm钨极氩弧焊1.657.9~9.51.540.892.369.5~11.12.56~4.570.89电子束焊高压1.272.180.050.25~0.642.411.520.050.25~0.64低压2.182.561.270.25~0.64不同焊接方法的横向收缩量焊接方法板厚/mm线能量/kJ·cm-1横向收缩/mm电子束焊8~182~50.06~0.07手工焊830~320.8~0.9单面自动焊1256~600.75~0.8TIG1212~130.35~0.42(6)大功率电子束适合焊接大厚度零件，提高材料利用率，经济效益好。(7)电子束焊的适用范围极广，它可用于焊接贵重部件(如喷气式发动机部件)，又可焊接廉价部件(如齿轮等)；既可适用大批量生产(如汽车、电子元件)，也适用于单件生产(如核反应堆结构件)；既可以焊接微型传感器，也可焊接结构庞大的飞机机身；从薄的锯片到厚的压力容器它都能焊接；不但可焊接普通的结构，亦可焊接多种特殊金属材料，如超高强度钢、钛合金、高温合金及其它贵重稀有金属。1焊缝深宽比高束斑尺寸小，能量密度高。可实现高深宽比(即焊缝深而窄)的焊接，深宽比达60:1，从0.1~300mm厚度不锈钢板可一次焊透。2焊接速度快，焊缝物理性能好能量集中，熔化和凝固过程快。例如焊接厚125mm的铝板，焊接速度达400mm/min，是氩弧焊的40倍，能避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。3工件热变形小能量密度高，输入工件的热量少，工件变形小4焊缝纯洁度高真空对焊缝有良好的保护作用，高真空电子束焊接尤其适合焊接钛及钛合金等活性材料。5工艺适应性强参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适应性。6可焊材料多不仅能焊金属，也可焊陶瓷、石英玻璃等，以及非金属材料与某些金属的异种材料接头。7再现性好电子束焊接参数易于机械化、自动化控制，重复性、再现性好，提高了产品质量的稳定性。8可简化加工工艺可将重复的或大型整体加工件分为易于加工的、简单的或小型部件，用电子束焊为一个整体，简少加工难度，节省材料，简化工艺。Allmetallicmaterialscanbemeltedusingafocusedelectronbeamand,inconsequence,mostpuremetalsandalloyscanbesuccessfullywelded.SteelsandironalloysC-MnandstructuralsteelsAlloysteelsStainlesssteelsSoftironNickelalloysAluminiumandmagnesiumalloysCopperanditsalloysRefractoryandreactivemetalsDissimilarmetalsNon-metalsCastirons:EBweldingisnotrecommendedasajoiningprocessforcastirons。EBWLimitationsHighequipmentcostWorkchambersizeconstraintsTimedelaywhenweldinginvacuumHighweldpreparationcostsX-raysproducedduringweldingRapidsolidificationratescancausecrackinginsomematerialsEBWProblemsandDiscontinuitiesUndercutting（咬边）PorosityCrackingUnderfillLackoffusionShrinkagevoidsMissedjoints4.电子束焊接设备按真空状态分真空型局部真空型非真空型按加速电压分高压型：大于80KV中压型：40-60KV低压型：小于等于30KV主要组成：电子枪、工作真空室、工作台、高压电源、控制及调整系统、真空系统和焊接夹具。(1)电子枪产生电子使之加速、会聚成电子束的装置。影响电子束稳定性的主要原因是高压放电，往往使电子束偏转以避免金属蒸汽对束源段产生直接的影响。电子枪一般安装在真空室外，有时安装在真空室内可运动的传动机构上，动枪。(2)高压电源及控制系统为电子枪提供加速电压、控制电压及灯丝加热电流。(3)控制及调整系统(4)工作室及抽真空系统工作室尺寸及设计。气密性、刚度要求、X射线防护。电子枪抽真空系统、工作室抽真空系统(5)电子束焊机现状1)大型真空电子束焊机几十立方米到几百立方米：280、110、400、8002)局部真空电子束焊机节省抽气时间3）通用电子束焊机4）批量生产用小型真空电子束焊机7电子束焊的焊接工艺(1)焊接参数1)加速电压Ua大多数保持不变。提高加速电压可以增加焊缝的熔深。2)电子束流Ib主要调整参数，以适应不同焊接工艺的需要。3)焊接速度Vb和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、焊缝宽度以及被焊材料熔池行为。4)聚焦电流If当焊件厚度大于10mm时，通常采用下焦点，且焦点在焊缝熔深的30％处。5)工作距离H焊件表面至电子枪的距离尽可能短。(2)获得深熔焊的工艺方法1）电子束水平入射焊降低了小孔通道封堵作用。自下而上或水平横焊。2)脉冲电子束焊功率相同，脉冲更有效的增加熔深。3）变焦电子束焊焊接大厚度焊件时，使焦点位置随着焊件熔化深度度变化而变化，始终以最大功率密度进行焊接。4）焊前预热或预置坡口减少热量沿焊缝横向的热传导损失，利于增加熔深。8.电子束焊接技术现状与发展前景(1)国外1)大功率电子枪的开发大阪大学，600kv、300kv的超高压电子束热源装置，200mm厚不锈钢的焊接，深宽比达70：1。2)电子束特性的定量研究3)双抢电子束及填丝电子束焊接技术的研究日、德、俄等开展填丝电子束焊。大厚板采用二次焊4)大功率表面处理技术日、俄研究500kv的电子束热源，用于涂层处理工艺5)复合式电子束加工设备的研制俄罗斯，具备电子束焊、钎焊、局部热处理、表面强化等功能6)非真空电子束焊接设备及工艺的研究和应用克服大型真空造价高、抽真空时间长缺点，英、德开展研究非真空电子束焊接设备。(2)国内1)电子束焊接设备中压真空电子束焊机较成熟，高压大部分进口。北京航空工艺研究所1992年研制成功了ZD150-15A型高压电子束焊机。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。2)电子束焊接工艺(3)应用前景1)大批量生产中将有较大的发展2)航空航天工业中，将继续扩大其应用3)厚大焊件场合的应用，如能源、重工业4)修复领域5)设备趋向多功能及柔性化6)实现空间结构焊接的强有力工具9.其它电子束加工技术(1)电子束打孔始于1938年，1958年生产了第一台电子束打孔机。柔性好，速度高，每秒最多打3000个孔束的入射角变化范围打，最大倾角可达70度典型产品玻璃纤维整流罩离心分离器管，50000个卫星燃料系统中多孔钛板，20×106个/m2(2)表面改性1)表面淬火相变温度以上2)表面回火/退火3)表面重熔熔化温度以上4)表面合金化5)表面涂层(4)电子束物理气相沉积1970年代，巴顿焊研所开始了电子束物理气相沉积设备及工艺的研究。设备功率一般在40-200kW，加速电压20kV左右第三讲摩擦焊利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的压力焊方法焊接过程：在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及附近温度升高，并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应形成接头。1891年，美国批准了第一个专利，连接钢缆。德国、英国、前苏联、日本等国家相继开展。中国是世界上研究摩擦焊最早的国家之一，1957年实现了Al/Cu摩擦焊接。1摩擦焊原理及技术优势(1)原理（2）摩擦焊技术的主要优点1)接头质量好且稳定焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到母材的强度；2)效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的；3)节能、节材、低耗所需功率仅及传统焊接工艺的1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极；4)焊接性好特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊