电子束焊接

第一单元电子束焊1.1电子束焊概述1.2电子束焊设备1.3电子束焊工艺1.4典型材料的电子束焊1.5电子束焊的安全防护综合知识模块1.1电子束焊概述1.1.1电子束焊的基本原理1.1.2电子束焊的特点及分类1.1.3电子束焊的适用范围1.1.1电子束焊的基本原理电子束焊（ElectronicBeamWelding，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。电子束焊是一种高能束流焊接方法。电子束的产生：电子束从电子枪中产生。一定功率的电子束经透镜聚焦后，电子束电流为20~1000mA，焦点直径约为0.1~1mm，功率密度可达106W/cm2以上，比普通电弧功率密度高100~1000倍，属于高能束流。1.1.1电子束焊的基本原理电子束撞击到焊件表面，电子的动能就转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊焊件上“钻”出一个匙孔（见图），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。1.1.1电子束焊的基本原理在电子束焊接过程中，焊接熔池始终存在一个匙孔。匙孔的存在，从根本上改变了焊接熔池的传质、传热规律，由一般熔焊方法的“热导焊”转变为“穿孔焊”。1.1.1电子束焊的基本原理1．电子束焊的优点电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。焊缝纯度高，接头质量好。再现性好，工艺适应性强。可焊材料多。1.1.2电子束焊的特点及分类2．电子束焊的缺点设备比较复杂，投资大，费用较昂贵；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；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；电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量；电子束焊接时产生X射线，需要操作人员严加防护。1.1.2电子束焊的特点及分类3.电子束焊的分类根据被焊工件所处环境的真空度可将电子束焊分为：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊三种。1.1.2电子束焊的特点及分类高真空电子束焊接是在真空度为10-4～10-1Pa的环境下进行，具有良好的真空条件，电子束很少发生散射，可以保证对熔池的“保护”，防止金属元素的氧化和烧损。适用于活性金属、难熔金属和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。1.1.2电子束焊的特点及分类低真空电子束焊：在真空度为10-1～10Pa范围内进行。由于只需要抽到低真空，减小了抽真空的时间，从而加速焊接过程，提高了生产效率。适用于大批量零件的焊接和生产线上使用。1.1.2电子束焊的特点及分类非真空电子束焊接：电子束是在真空条件下产生的，然后穿过一组光阑、气阻通道和若干级预真空小室，射到处于大气压力下的工件上。非真空电子束焊接能够达到的最大熔深为30mm。由于不需真空室，因而可以焊接尺寸大的工件，生产率较高。1.1.2电子束焊的特点及分类1.1.3电子束焊的适用范围应用领域：由于电子束焊接具有焊接深度大、焊缝性能好、焊接变形小、焊接精度高、并有较高的生产率等特点。因此，在航空航天、汽车制造、压力容器、电力及电子等工业领域中得到了广泛地应用，能够实现特殊难焊材料的焊接。可焊接的材料：除含有大量高蒸气压元素的材料外，一般熔焊能焊的金属，都可以采用电子束焊，如铁、铜、镍、铝、钛及其合金等。此外，还能焊接稀有金属、活性金属、难熔金属和非金属陶瓷等；焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。焊接热处理强化或冷作硬化的材料，而接头的力学性能不发生变化。1.1.3电子束焊的适用范围焊件的结构形状和尺寸：单道焊接厚度超过100mm的碳素钢，厚度超过400mm的铝板，焊接时无需开坡口和填充金属；焊薄件的厚度可小于2.5mm，甚至薄到0.025mm可焊厚薄相差悬殊的焊件。1.1.3电子束焊的适用范围焊件的结构形状和尺寸：真空电子束焊焊件的形状和尺寸必须控制在真空室容积允许的范围内；非真空电子束焊不受此限制，可以焊接大型焊接结构，但必须保证电子枪底面出口到焊件上表面的距离，一般在12～50mm之间，其可焊厚度单面焊时一般很少超过10mm。1.1.3电子束焊的适用范围有特殊要求或特殊结构的焊件：焊接内部需保持真空度的密封件，靠近热敏元件的焊件，形状复杂而且精密的零部件；施焊具有两层或多层接头的焊件，这种接头层与层之间可以有几十毫米的空间间隔。1.1.3电子束焊的适用范围1.2电子束焊设备1.2.1电子束焊机的组成1.2.2电子束焊机的选用1.2.1电子束焊机的组成电子束焊机可按真空状态和加速电压分类：按真空状态：真空型、局部真空型、非真空型；在实际应用中以真空电子束焊机居多。按电子枪加速电压：高压型（60~150kV）、中压型（40~60kV）、低压型（≤40kV）。真空电子束焊机组成：由电子枪、工作室（也称真空室）、电源及电气控制系统、真空系统、工作台以及辅助装置等几大部分组成。1.2.1电子束焊机的组成电子枪：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。电子束焊接设备的核心部件。电子枪的主要由阴极、阳极、栅极和聚焦线圈等组成。1.2.1电子束焊机的组成电子枪中的阴极应采用热电子发射能力强而且不易“中毒”的材料。常用的材料有钨、钽、六硼化镧(LaB6)等。1.2.1电子束焊机的组成电子枪的稳定性、重复性直接影响焊接质量。影响电子枪稳定性的主要原因是高压放电，特别是大功率电子枪（＞30kW）在焊接过程中产生的放电现象，易造成高压击穿。电子枪的重复性由电子枪的设计精度、制造精度以及控制技术保证。1.2.1电子束焊机的组成电子枪的安装：通常安装在真空室外部。垂直焊时，位于真空室顶部。水平焊时，位于真空室侧面。根据需要可使电子枪沿真空室壁在一定范围内移动。电子枪安装在真空室内可移动的传动机构上，被称为动枪。1.2.1电子束焊机的组成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。高压电源控制原理如图所示。1.2.1电子束焊机的组成控制系统：早期电子束焊机的控制系统仅限于控制束流的递减、电子束流的扫描及真空泵阀的开关；目前可编程控制器及计算机数控系统等已在电子束焊机上得到应用，使控制范围和精度大大提高；计算机数控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。1.2.1电子束焊机的组成真空系统：对电子枪和真空室抽真空用的。一种通用型高真空电子束焊机的真空电子束焊机真空系统的组成如图所示。真空系统大多使用三种类型的真空泵：低真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵。1.2.1电子束焊机的组成目前的新趋势是采用涡轮分子泵，其极限真空度更高，无油蒸气污染，不需要预热，节省抽真空时间。工作室真空度可在10-1~10-3Pa之间。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。1.2.1电子束焊机的组成真空室（亦称工作室）的设计要求：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。1.2.1电子束焊机的组成工作台、旋转台和焊接夹具：对于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有重要影响。通常采用固定电子枪，让工件做直线移动或旋转运动来实现焊接。对大型真空室，也可采用使工件不动，而驱使电子枪运动进行焊接。为了提高生产效率，可采用双工作台或多工位夹具。1.2.1电子束焊机的组成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及焊接过程的程序控制等功能。1.2.1电子束焊机的组成为了便于观察，需在电子枪和工作室上装置工业电视和观察窗口等。观察窗口通常由三重玻璃组成，里层为普通玻璃；中层的铅玻璃是防护X射线的作用；外层的钢化玻璃是承受真空室内外压力差的。采用工业电视可以使操作者能连续观察焊接过程，防止肉眼受强烈光线刺激的危害。1.2.1电子束焊机的组成1.2.2电子束焊机的选用选用电子束焊机通常考虑以下几个方面：焊接化学性能活泼的金属（如W、Ta、Mo等）及其合金应选用高真空焊机；焊接易蒸发的金属及其合金选用低真空焊机；厚大件选用高压型焊机，中等厚度工件选用中压型焊机；成批生产时选用专用焊机；品种多、批量小或单件生产则选用通用型焊接设备。大型真空电子束焊机：该类焊机的真空容积从几十立方米到几百立方米。日本的MHI公司和Hitachi公司分别有一台280m3和110m3的大型真空电子束焊机，乌克兰巴顿电焊研究所有一台450m3的YN-193型真空电子束焊机，法国的Techmeta公司则建造了一台800m3的大型真空电子束焊机。1.2.2电子束焊机的选用局部真空电子束焊机：该类焊机节省抽真空时间，适合大型构件、连续产品的焊接。乌克兰巴顿焊接研究所生产了多台这类电子束焊机。1.2.2电子束焊机的选用通用型电子束焊机：该类焊机主要应用于在实验室及一些加工车间。它可以通过不同工装夹具及运动工作台的配合，完成不同类型零件的焊接，也可以进行多种电子束焊接工艺试验研究。1.2.2电子束焊机的选用小型真空电子束焊机：小型真空电子束焊机以批量生产汽车零部件为主。近年柔性制造系统的引入，使小型电子束焊机更加灵活，不仅适合一种产品的大量生产，而且能满足多个品种产品批量生产的需求。1.2.2电子束焊机的选用1.3电子束焊工艺1.3.1焊前准备1.3.2焊接接头设计1.3.3电子束焊工艺参数及其选择1.3.4电子束焊技术要点1.3.1焊前准备接合面的加工与清理：电子束焊接头属于无坡口对接形式，装配时力求使零件紧密接触。电子束焊要求接合面经过机械加工，其表面粗糙度由被焊材料、接头设计而定，在1.5~25um间选定。一般电子束焊接不用填充金属；只在焊接异种金属或合金时，可根据需要使用填充金属。焊前清理：真空电子束焊前必须对焊件表面进行严格清理，否则将导致焊缝产生缺陷，接头的力学性能降低，不清洁的表面还会延长抽真空时间，影响电子枪工作的稳定性，降低真空泵的使用寿命。1.3.1焊前准备清理方法：工件表面的氧化物、油污应用化学或机械方法清除。煤油、汽油可用于去除油渍，丙酮是清洗电子枪零件和被焊工件最常用的溶剂。注意：使用含有氯化烃类溶剂，随后须将工件放在丙酮内彻底清洗。清理完毕后不能再用手或工具触及接头区，以免污染。非真空电子束焊对焊件清理的要求可降低。1.3.1焊前准备零件装配：对于无锁底的对接接头，板厚δ＜1.5mm时，局部最大间隙不应超过0.07mm；随板厚增加，间隙略增。板厚超过3.8mm时，局部最大间隙可到0.25mm。焊薄工件时，一般装配间隙不应大于0.13mm。1.3.1焊前准备非真空电子束焊时，装配间隙可以放宽到0.75mm。深熔焊时，装配不良或间隙过大，会导致过量收缩、咬边、漏焊等缺陷。电子束焊都是机械或自动操作的，如果零件不是设计成自紧式的，必须利用夹具进行定位与夹紧，然后移动工作台或电子枪体完成焊接。1.3.1焊前准备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，选择一定的加热方法（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。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。1.3.1焊前准备1.3.2焊接接头设计电子束焊的接头形式：对接、角接、T形、搭接和端接。电子束直径细，能量集中，焊接时一般不加焊丝，所以电子束焊接头设计应按无间隙接头考虑。设计的原则：便于接头的准备、装配和对中，减少收缩应力，保证获得所需熔透深度。如果电子束的功率不足以一次穿透焊件，也可采用正反两面焊的方法来完成。对重要承力