劉世艷電子束大作業(yè)

1、 哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室 電子束焊接技術(shù)在工業(yè)領域的應用及其發(fā)展前景 學生： 學號： 班級： 2013年6月29日 電子束焊接技術(shù)在工業(yè)領域的應用及其發(fā)展前景綜述：本文對電子束焊接的原理，運用時的優(yōu)缺點及基本特點做出簡單介紹；并對其在現(xiàn)在航空航天，汽車行業(yè)機械制造業(yè)等方面綜述其運用，最后根據(jù)電子束焊接技術(shù)存在的問題及現(xiàn)有新技術(shù)的發(fā)展提出其將來的發(fā)展方向。1、 電子束焊接的原理 電子束焊是利用空間定向高速運動的電子束撞擊工件表面后，將部分動能轉(zhuǎn)化成熱能，使被焊金屬熔化，冷卻凝固后形成焊縫。這種經(jīng)過電子槍產(chǎn)生，并由高壓加速和電子光學系統(tǒng)匯聚成的功率密度很高的電子束撞擊到工件表

2、面，電子的動能轉(zhuǎn)換為熱能，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)。在高壓金屬蒸汽的作用下，熔化的金屬被排開，電子束就能繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬，同時很快在被焊工件上鉆出一個鎖性小孔(見圖 1)，小孔的周圍被液態(tài)金屬包圍。隨著電子束與工件的相對移動，液態(tài)金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻凝固成焊縫。2、 電子束焊接的優(yōu)缺點2.1電子束焊接的特征由于高能量密度的電子束流集中作用的結(jié)果,使得電子束焊接熔池小孔的形成機理與其他熔化焊有所不同。根據(jù)真空度的不同,電子束焊接可分為高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接三種。電子束焊接過程是,高壓加速裝置形成的高功率電子束流,通過磁透鏡會聚,得到很小的焦點(其功率密度可達1041

3、09W/cm2),轟擊置于真空或非真空的焊件時,電子的動能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?熔化金屬,實現(xiàn)金屬焊接的目的。電子束焊接的特點可概括如下:(1)電子束斑點直徑小,加熱功率密度大,焊接速度快,焊縫寬度狹窄,熱影響區(qū)小,特別適宜于精密焊接和微型焊接;(2)可獲得深寬比大的焊縫,焊接厚件時可以不開坡口一次成形;(3)多數(shù)構(gòu)件是在真空條件下焊接,焊縫純潔度高;(4)規(guī)范參數(shù)易于調(diào)節(jié),工藝適應性強。焊接工藝參數(shù)的重復性和再現(xiàn)性好;(5)適于焊接多種金屬材料;(6)焊接熱輸入低,焊接熱變形小。當然電子束焊接方法也有一些不足,如:(1)電子束焊機結(jié)構(gòu)復雜,控制設備精度高,所需費用高;(2)冷卻過程中快速凝固,引起

4、焊接缺陷,如氣孔、焊接脆性等;(3)工件大小受真空室尺寸的限制,每次裝卸工件要求重新抽真空。2.2 電子束焊接的基本特點2.2.1 極高的能量密度電子束的能量密度可達 107109W/cm2,比大功率氬弧高 24 個數(shù)量級。同時，電子束特殊的能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率。這樣不但可以實現(xiàn)高速焊接（每分鐘數(shù)十米），深穿透焊接（焊接厚度達 150mm（鋼）和 300mm（鋁合金），深寬比達 501），而且焊接時輸送到焊件上的總能量和引起的焊接變形幾乎比常規(guī)弧焊小一個數(shù)量級，對材料的熱影響也相當小。甚至可以把精加工的零件焊在一起，而不需要焊后加工。此外，極高的能量密度提供了用電子束焊接任何金屬

5、，甚至包括陶瓷等非金屬，以及復合材料的可能性。2.2.2 理想的保護條件眾所周知，焊接技術(shù)的發(fā)展史是同研究不斷改進和完善熔池的保護條件緊密聯(lián)系著的。電子束焊接大多是在真空中進行的，真空是一種理想的保護環(huán)境，對焊縫金屬和整個零件幾乎沒有任何污染。目前真空電子束焊接常用的真空度都在103104乇之間，這比工業(yè)用一級氬氣的純度要高幾個數(shù)量級。這樣純凈的環(huán)境，對熔化金屬只有凈化、提純作用，而不會帶來任何污染。此外，電子束本身是沒有任何化學性質(zhì)的，通常電子束焊接不需要另外填充材料，從而避免了熱源和填充材料帶來的污染。2.2.3 良好的可達性和可控性在所有的荷電基本粒子中，電子具有最小的質(zhì)量（其靜止質(zhì)量為

6、 9.110-28g），很高的荷質(zhì)比(1.74108c/g)，可以幾乎無慣性的受到電場或磁場的控制。這樣就使得電子束在目前已知的各種焊接熱源中，成為一種最容易操縱的熱源，它允許在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸送到工件上的熱量，很精確地施加到接頭處，并能在很大的距離（數(shù)十毫米到上千毫米）內(nèi)輸送能量。這樣就可以對復雜零件不易接近部位、可達性差的接頭進行焊接，也可焊接某些空間焊縫或遮擋焊縫(多層焊縫)。此外，電子束的功率和焦點直徑都可以精確調(diào)整，這樣其功率密度便可根據(jù)需要很方便地進行調(diào)節(jié)，既可以散焦在較大的面積上進行焊前預熱或清理，也可以聚焦在很小的面積上實現(xiàn)精密焊接甚至切割，這是常規(guī)焊接熱源無法實現(xiàn)的。近年來

7、隨著電子束偏轉(zhuǎn)技術(shù)的發(fā)展，在焊接電子束以極高的頻率進行掃描的同時，人們可以對電子束的焦點位置和功率分布進行控制，這就允許同時在一個焊件上施焊多條焊縫。這是連采用激光束也很難實現(xiàn)的，進一步顯示出電子束焊接良好的可達性和可控性。3、 電子束焊接在工業(yè)領域的應用 3.1電子束焊接在電子和儀表工業(yè)中的應用電子工業(yè)和儀表工業(yè)中使用的電子束焊接主要是高真空電子束焊接。電子束焊接技術(shù)可以解決電子工業(yè)和儀表工業(yè)中許多精密零件的焊接難題，例如封裝焊接、高熔點金屬焊接、集中加熱焊接、穿透焊接等，焊接效率很高，因此電子束焊接技術(shù)對發(fā)展電子工業(yè)和儀表工業(yè)具有重要作用。3.1.1 電子元器件焊接（1）電子元器件管殼封口

8、焊接 電子束焊接加熱集中，用電子束焊接來完成電子元器件的管殼封口是很合適的。它可以使離焊縫不遠處的其它零件或原先的一次焊縫免遭損壞，能大大提高制管成品率。（2）電子管陰極的焊接陰極是電子管的心臟部件，由它發(fā)射出電子，因此要求它具有良好的工作性能。鋇鎢陰極具有大發(fā)射，耐轟擊、抗中毒等特點，現(xiàn)已應用于多種微波電子管。鋇鎢陰極的基本零件是多孔鎢（或稱海綿鎢）塊與鉬支持筒（或盤）。兩者的裝配或焊接一直是一個難題，在一定程度上影響電子管的可靠性和使用壽命。電子束焊接具有焊接高熔點的金屬的能力，焊縫不受污染，因此利用真空電子束焊接來解決鋇鎢陰極的焊接問題是非常合適的。（3）特殊工件的焊接 電子工業(yè)中某些特

9、殊部件加工難度較大，可以采用組合焊接的方案來實施。某種聚束電極，材料為無磁性不銹鋼，分幾個零件精加工后利用電子束進行穿透焊接，焊后組件不必進行修飾加工。電子管熱絲支架，制造時可以分成二段單獨引伸加工，然后焊成一體。電子管環(huán)桿慢波線的結(jié)構(gòu)，材料為銅，結(jié)構(gòu)件由銑削機械加工和電火花切割加工制成。對于長度較長的環(huán)桿，受銑床或電火花加工機末導軌行程的限制，不能一次完成加工，用電子束焊接或電子束釬焊，可以得到滿意的聯(lián)接效果，環(huán)桿的精度、強度和剛性均符合設計要求。3.1.2 儀表元件的焊接（1）傳感器的封裝焊接有些小型部件對焊接有很高的要求，既要密封又要變形小，并且對某一區(qū)域的溫升有嚴格的限制。 圖2 振動

10、筒傳感器 （圖2）為一種振動筒傳感器，材料是彈性合金3J53，振動筒（內(nèi)筒） 壁厚0.060.07mm,表面粗糙度Ra0.025m。內(nèi)筒與上盤為一整體，如用整體機械加工，則材料利用率和成品率均極低。采用分體加工和焊接方法則可得到極大改進，常規(guī)釬焊將影響振動筒的性能，弧焊不穩(wěn)定。電子束焊接（焊縫A）可以滿足設計要求，焊縫光滑、氣密，而且不會影響筒壁的粗糙度和其它特性。外筒與上盤的焊接亦用電子束焊接（焊縫B），特別是這種振筒傳感器要求內(nèi)外筒之間的腔體具有一定真空度，在真空室內(nèi)利用電子束將排氣孔C密封是可行的。 （2）封裝焊接真空電子束焊接用于內(nèi)腔需要達到一定真空度的封裝焊接十分有利。超導多股導線的

11、生產(chǎn)過程中有這樣一道工序，即把多條超導線埋放在一個銅包套中，然后再進行多次拉絲加工，最后制成所需規(guī)格的線材。為了保證質(zhì)量，避免在拉絲時產(chǎn)生鼓包庇病，要求銅包套中的空氣盡量抽凈。另外，超導材料的化學成份比例嚴格，不得混人其它雜質(zhì)，所以真空電子束焊接是十分合適的。 （3）陶瓷與金屬的焊接某種特殊儀器的一次儀表由金屬電極與絕緣件組成，配合緊密（不滲漏），它工作于強腐蝕液和強幅照的環(huán)境之中，所以除了選用合適的金屬件和 陶瓷材料之外，對密封聯(lián)接必須具備耐腐蝕抗輻照的性能。為此，提出了電子束直接熔焊高鋁陶瓷和金屬妮的研究課題。因為高鋁瓷與金屬鈮均能滿足上述的工作環(huán)境，而且兩者的熔點與膨脹系數(shù)均比較接近，電

12、子束焊接無第三種材料（釬料）介入，焊縫成分純正，而且不會產(chǎn)生雙金屬 電動勢，所以焊縫本身亦能工作于上述條件。3.2電子束焊接在汽車工業(yè)中的應用從電子束焊機的數(shù)量上統(tǒng)計，汽車工業(yè)是電子束焊接技術(shù)最大的用戶，在世界范圍內(nèi)汽車工業(yè)應用電子束焊機數(shù)量接近總數(shù)的一半。盡管目前激光焊、摩擦焊和擴散焊等先進焊接技術(shù)都爭相擠入汽車制造業(yè)，但非真空電子束焊接技術(shù)正憑借它焊接成本低、再現(xiàn)性和重復性好以及接頭質(zhì)量高的優(yōu)勢，在汽車工業(yè)上得到成功應用，并獲得了引人注目的發(fā)展。汽車零件小到火花塞，大到后橋等幾十種零件，都可以采用電子束焊接。早在20世紀60年代，美國就已經(jīng)把非真空電子束焊接引入到批量汽車零件的生產(chǎn)中，每天

13、能生產(chǎn)25 000個零件。近幾年歐洲汽車制造商也開始采用該技術(shù)，一方面該技術(shù)可以在汽車生產(chǎn)線上連續(xù)進行；另一方面汽車上采用了一些鋁合金零件，而非真空電子束焊接汽車用鋁合金可獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。德國采用一種基于 X、Y、Z三向轉(zhuǎn)換模式的新的非真空電子束焊接系統(tǒng)，每天可以生產(chǎn)2000個焊件。20世紀80年代中后期，在中國電子束焊接裝置從實驗室研究過渡到生產(chǎn)應用，電子束焊接開始應用于汽車零部件的生產(chǎn)。3.2.1汽車齒輪電子束焊機國內(nèi)研發(fā)的EBW-G系列焊機，不僅應用于中、小型卡車變速箱齒輪焊接，亦用于小轎車、商務車變速箱齒輪焊接。截止到2004年，該類電子束焊機已有65臺應用于生產(chǎn)實際，并出口到

14、韓國2臺。設備運行安全可靠，自動化程度與生產(chǎn)效率很高，可每天兩班制運行。3.2.2 液力變矩器渦輪總成EBW-6T型專用電子束焊機安裝在上海離合器廠，年生產(chǎn)率可達10多萬件。該件由渦輪軸套、渦輪外環(huán)和焊接環(huán)3部分構(gòu)成。焊縫位置如圖2所示，整個零件采用兩條穿透型焊縫，將零件的3個部分連接成一個整體。兩圈焊縫均為不封閉焊縫，內(nèi)外環(huán)焊縫未封閉的開口位置必須相錯30。液力變矩器總成殼體需采用填絲電子束焊接以確保渦輪與導輪的同軸度。填絲電子束焊接作為其最后一道生產(chǎn)工藝，焊接質(zhì)量的好壞關系到產(chǎn)品的內(nèi)在性能及外觀質(zhì)量。3.2.3 鋁合金汽車駕駛艙橫梁 為了減輕小汽車質(zhì)量，駕駛艙橫梁采用鋁合金替代鋼件，這是近

15、年來的發(fā)展趨勢。鋁件結(jié)構(gòu)焊接要達到高質(zhì)量，電子束焊接是最佳選擇。它由2塊變截面，直角型防銹硬鋁板沖制后再焊接而成。在橫梁上要安裝多種儀表及駕駛桿，其固定位置需精確定位，因此要求該零件焊后變形要很小。另外，為保證發(fā)生交通事故時要有足夠的抗沖擊強度保護駕駛員，為此對焊接質(zhì)量要求很高。該零件尺寸較大，焊縫不僅不在同一軸線上，亦不在同一平面上。因此在焊接過程中既要在每一區(qū)域內(nèi)變換軸線，又要變換焦距，具有一定技術(shù)難度。3.2.4 渦輪增壓器渦輪增壓器是由一個渦輪在高溫沸氣的推動下高速旋轉(zhuǎn)，帶動同軸的另一個渦輪旋轉(zhuǎn)，壓縮吸入的新鮮空氣，再經(jīng)過中間冷卻器降溫后進入進氣管，提高了發(fā)動機的充氣系數(shù)，使得燃油的燃

16、燒更有效、更完全。渦輪增壓器用于汽油機，能使燃油經(jīng)濟性提高15%。渦輪部分是高溫合金，經(jīng)精密鑄造而成，如GH132等，軸桿部為40CR等軸類鋼材，兩部分經(jīng)電子束焊接成為整體，既保證了頭部渦輪體的耐高溫性能，又使軸部有足夠的強度及硬度。采用電子束焊不僅產(chǎn)品質(zhì)量好，而且成品率非常高。國內(nèi)一些廠采用摩擦焊，質(zhì)量不能保證，有相當多的廢品。3.2.5 行星輪架重型卡車、越野車以及其他一些要求有大變速比的變速機構(gòu)，一般采用行星變速器。該部件的輪架結(jié)構(gòu)如圖3所示，托盤與傳動軸是靠幾個（圖中5個陰影部分所示）梯形塊（亦有其他復雜形狀）焊接而成，它們共同特點是各部位焊接深度不一樣，因此采用變參數(shù)進行焊接（一般采

17、用變束流）。該部件若用其他焊接方法則變形量太大，不適用。采用電子束焊后，加工和材料費用與原來整體殼體毛坯加工方法相比可降低費用達30%40%。3.3電子束焊接在航天工業(yè)中的應用 航空、 航天業(yè)大多要求各種焊接結(jié)構(gòu)具有高強度、低重量和極高的可靠性。電子束焊接本身所固有的某些特點成功地解決了這類結(jié)構(gòu)中的很多關鍵技術(shù)問題。所以在國內(nèi)外的航空和航天工業(yè)中，電子束焊接已成為最可靠的連接方法之一。其焊接的對象十分廣泛， 在控制系統(tǒng)的電子、 電器元件、 過濾器、 波紋管、 膜盒、 波導管之類的小型、 精密零 （組）件， 發(fā)動機的推力室， 以及彈體的大型承力結(jié)構(gòu)件上都有應用。宇航技術(shù)中所用的各類火箭、衛(wèi)星、飛

18、船以及空間站等的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機， 以及所用的各種儀器都有一些共同特點：不僅要求零部件質(zhì)量極其可靠，能經(jīng)受各種惡劣環(huán)境，而且要求零件尺寸小，重量輕，密封性好。這對航天器的結(jié)構(gòu)設計、材料選擇及加工工藝都提出了極為苛刻的要求，實踐證明電子束焊接作為一種有效的熔焊方法，是解決這些技術(shù)難題的有效工藝手段之一。3.3.1 艙外航天服承力結(jié)構(gòu)主體艙外航天服是航天員執(zhí)行出艙活動的基本保障系統(tǒng)，而軀干殼體是航天服的重要骨架。作為承力結(jié)構(gòu)主體，軀干殼體對其外形結(jié)構(gòu)尺寸有嚴格的要求，若采用常規(guī)熔化焊接方法，由于焊接變形等因素，易造成尺寸超差。根據(jù)軀干結(jié)構(gòu)特點，采用電子束焊接連接門邊框與軀干薄壁殼體，可以充分發(fā)揮高能

19、束焊接質(zhì)量高、變形小的優(yōu)點。3.3.2 火箭發(fā)動機燃燒室身部 發(fā)動機燃燒室身部采用銅胎上電鑄金屬與不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)， 焊接難處在于2種焊接金屬的物理化學性能差別很大， 接頭易產(chǎn)生有害雜質(zhì)偏析， 導致在較大的焊接應力下開裂。電鑄層如果受高熱還會發(fā)生電鑄層結(jié)合削弱、 剝離的情況。此外， 電鑄金屬層所帶磁性對電子束有很大影響， 電子束焊接前零件需整體退磁，電子束路徑還需采用磁場屏蔽等手段。電子束焊接燃燒室身部時使用高壓型電子束焊機，采用硬規(guī)范焊接，高焊速，盡量減少焊接熱量和控制變形，降低接頭應力，防止易熔夾層的形成。嚴格控制焊接熱輸入量以防止電鑄金屬層與銅胎之間的電鑄結(jié)合力因過熱而降低，并導致開裂。3

20、.3.3 鈦合金方向舵彈體部件中方向舵是典型的輕質(zhì)化、高剛度的復雜結(jié)構(gòu)件，由舵芯和蒙皮組成，材料為鈦合金。方向舵焊接后對產(chǎn)品外形有非常嚴格的要求，焊接過程要嚴格按筋幅順序進行正反面編程焊接，控制焊接變形。由于電子束焊接一般在真空中進行，對鈦合金焊接有天然良好的保護環(huán)境，可以保證焊接接頭質(zhì)量良好。3.3.4 波紋管組合件波紋管組合件是航天發(fā)動機產(chǎn)品中利用電子束焊接的一個主要部分。航天發(fā)動機活門一般采用多層金屬波紋管作動密封元件，執(zhí)行指令時，波紋管組合件的動作部分要工作靈活、無卡滯。尤其在液氫溫度下可以顯示無可比擬的優(yōu)點。因此，制造過程中必須保證波紋管組件焊縫氣密無泄漏和運動付活動靈活，這就要求波

21、紋管組件要有合理的結(jié)構(gòu)和可靠的生產(chǎn)工藝，其中，制造的關鍵是波紋管的焊接。真空電子束焊接波紋管的接頭強度高，可將焊接的變形量減至最??；精密配合的零件不會出現(xiàn)卡滯、抱死情況；焊縫致密、美觀，可靠性高。3.3.5 火箭推力噴管新發(fā)動機提出了變推力以及多次、長時間執(zhí)行飛行任務的需求，這對推力室身部結(jié)構(gòu)、內(nèi)外壁連接強度等方面提出了更高的要求。推力噴管由多筋內(nèi)壁和薄殼蒙皮組成，其中，長短筋有近200條，焊接時要解決對筋盲焊問題和控制變形，通道不允許堵塞，所有焊縫不允許有隔斷虛連。采用電子束焊接將內(nèi)外壁逐筋連接焊接，可以解決這些問題。3.3.6 發(fā)動機空心長軸某發(fā)動機的空心長軸由7個零件組合焊接而成?？招拈L軸是發(fā)動機的芯軸， 工作轉(zhuǎn)速高達2000030000r/min，如果由于制造原因引起軸的質(zhì)心不對稱，會使軸在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力系的不平衡，導致整個系統(tǒng)產(chǎn)生周期性振動，后果是災難性的，因此對軸的制造精度要求很高。電子束焊接既要發(fā)揮焊接變形小的特點，也要兼顧各段焊接時的相互作用干擾，以保證焊接后的整體軸跳動符合要求，必要時可以采用電子束熱校形