電子束焊接技術(shù)課件

電子束焊接技術(shù)中國科學(xué)院等離子研究所研制中心電子束焊接技術(shù)中國科學(xué)院等離子研究所研制中心1目錄電子束焊接起源電子束焊接原理電子束焊接分類、特點及應(yīng)用電子束焊接工藝電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀電子束焊接的安全防護結(jié)束語目錄電子束焊接起源2電子束焊接起源電子束焊接起源3

電子束焊接起源電子束焊接至今有100多年的歷史

在人們了解電子性能之前，曾經(jīng)有過“陰極極射線”(cathode-ray)的名稱。早在1879年williamcrookersh發(fā)現(xiàn)在陰極射線管中的鉑陽極因被陰極射線轟擊而熔化的現(xiàn)象。20年后，1897年，J.J.Jhompaon的研究證明，所謂的陰極射線實際就是電子束；電子束焊接起源電子束焊接至今有100多年的歷史4電子束的焊接技術(shù)起源于德國1948年，西德k.h.steigerwald博士，在致力于研究更高工作頻率的示波器時，發(fā)現(xiàn)高功率密度的電子束可以熔化、燒蝕、沖刷金屬的現(xiàn)象。據(jù)此，他提出了用電子束切割焊接的設(shè)想。1951年，申請了在各種材料上鉆孔的電子束設(shè)備的專利，并與1952年，在蔡司公司(zeiss)制造了第一臺電子束加工機。電子束的焊接技術(shù)起源于德國51954年電子束焊接金屬獲得成功

法國的斯托格博士(J.A.Stohr)用自行研制的一臺電子束焊接設(shè)備，成功的焊接了法國原子能委員會核反應(yīng)堆得燃料包殼。1954年電子束焊接金屬獲得成功法國的斯托格博士(J.61957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術(shù)大會上，法國方面公布了該技術(shù)，使電子束焊接技術(shù)作為一種新的焊接方法得到確認(rèn)。1958年開始，美國、英國、日本和蘇聯(lián)開始進行電子束焊接方面的研究。1957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術(shù)大會71958年10月，我國在一本英國雜志《weldingandmetalfabrication》上見到了一篇有關(guān)電子束焊接方面的報道。1964年，我國研制生產(chǎn)了第一臺型號為ZD-30的真空電子束焊機，這是清華大學(xué)冶金系為滿足我國核工業(yè)需要而開發(fā)的。1958年10月，我國在一本英國雜志《weldingand8電子束焊焊接原理電子束焊焊接原理9電子束焊接基本概念電子束焊接是利用會聚的高能電子轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使被焊材料熔合的一種焊接方法。通常束斑直徑<1mm，在0.1~0.75mm之間，速度可達0.3~0.7C。電子束焊接基本概念10電子束焊接技術(shù)課件11

電子光學(xué)基礎(chǔ)電子的發(fā)射

(1)空間電荷限制發(fā)射

(2)溫度限制發(fā)射(3)肖特基發(fā)射電子光學(xué)基礎(chǔ)電子的發(fā)射12電子束焊接技術(shù)課件13

(1)空間電荷限制發(fā)射(1)空間電荷限制發(fā)射14

(2)溫度限制發(fā)射(2)溫度限制發(fā)射15

(3)肖特基發(fā)射電子束由電子槍的陰極發(fā)射，通常是空間電荷限制發(fā)射或溫度限制發(fā)射。(3)肖特基發(fā)射電子束由電子槍的陰極發(fā)射，通常是空間電16電子束焊接技術(shù)課件17

電子的場致運動(1)電子在電場中的運動

在平行板形成德電場中，電子的運動方向與正電荷粒子運動方向相反，是由低電位向高電位方向運動。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)電子由靜止?fàn)顟B(tài)開始向正極板方向做勻加速運動時，將位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，則有：由此，可以計算得到電子到達正極板時的速度，這就是電子束槍中電子在陰陽兩極高壓間被加速的理論基礎(chǔ)。電子的場致運動(1)電子在電場中的運動18電子束焊接技術(shù)課件19

(2)電子在磁場中的運動

根據(jù)物理學(xué)，我們知道，電荷在磁場中運動時，磁場與運動電荷有作用力，稱為洛倫茲力。作用力的大小為：式中：Q——電荷電量V——電子運動速度B——磁感應(yīng)強度a——磁力線與電子運動方向的夾角(2)電子在磁場中的運動20電子束焊接技術(shù)課件21

電子束形成電子束形成22

電子束焊接能量轉(zhuǎn)換(與通常熔化焊相比）

能量傳遞公式：以無任何化學(xué)屬性的電子束為載體

熱量析出部位：在電子穿透層下方析出

能量轉(zhuǎn)換機制：電子動能晶格振動能熱能電子束焊接能量轉(zhuǎn)換(與通常熔化焊相比）23電子束焊縫形成(1)電子束焊接加熱特點

功率密度高和束精確、快速可控性。(2)電子束焊縫形成方式

熔化式和熔穿入式成形

電子束焊縫形成(1)電子束焊接加熱特點24電子束焊接深穿過程電子束與焊金屬表面碰撞失去全部動能；碰撞使晶格上的原子發(fā)生急劇的熱振動，大部分動作轉(zhuǎn)化為熱能；在極短時間內(nèi)，被焊材料迅速被加熱至熔點及極高的過熔點溫度，迅速蒸發(fā)形成金屬蒸汽；金屬蒸汽的反作用力使金屬熔體向四周排開，露出下層固體金屬表面；電子束繼續(xù)作用，重復(fù)上述過程，實現(xiàn)深穿。電子束焊接深穿過程電子束與焊金屬表面碰撞失去全部動能；25電子束焊接深穿入式成縫示意圖電子束焊接深穿入式成縫示意圖26

電子束輸入功率分配電子束輸入功率分配27

電子束焊接熔池受力分析電子束焊接熔池受力分析28電子束焊接設(shè)備基本構(gòu)成電子束焊接設(shè)備基本構(gòu)成29電子束焊接技術(shù)課件30

真空電子束焊機工作原理電子槍的四個作用電子槍的工作原理陰極材料的選擇陰極加熱方式陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計真空電子束焊機工作過程真空電子束焊機工作原理電子槍的四個作用31

電子槍的四個作用a從陰極發(fā)射電子；b使電子在陰陽兩極間被加速，形成束流；c電磁聚焦線圈使電子束聚焦；d偏轉(zhuǎn)線圈使電子束偏轉(zhuǎn)；若加入函數(shù)發(fā)生器，可使束流以給定的函數(shù)圖像進行掃描；因此，電子束焊機中的電子槍是發(fā)射、形成和會聚電子束的裝置。電子槍的四個作用a從陰極發(fā)射電子；32

電子槍的工作原理電子槍包括靜電荷和電磁兩部分，靜電部分有陰極、聚束極和陽極組成，通常稱靜電透鏡；電磁部分又聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈組成，通常稱為磁透鏡。工作原理：(1)電子槍的陰極被加熱，發(fā)射電子；(2)電子經(jīng)陰陽極間的加速電壓加速，同時受聚束極的作用開始第一次聚焦，飛向陽極。(3)通過了陽極小孔的電子束流，在繼續(xù)行進中，因受空間電荷及真空室壓力的影響，又必然會發(fā)散；(4)通過電磁部分時，由聚焦線圈再次會聚，并在工件上形成極小的高能量束斑；(5)為調(diào)整電子束束斑到工件表面的位置，電子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)線圈磁場時，在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生束偏轉(zhuǎn)。電子槍的工作原理電子槍包括靜電荷和電磁兩部分，靜電33

陰極材料的選擇陰極是電子槍中的重要部件，要獲得較高的發(fā)射電流密度，就要求陰極材料具有較小的逸出功或較高的熔點。在選用陰極材料時，還要考慮加工成形的方便，高溫時有足夠的機械強度，足夠長的壽命及化學(xué)性能穩(wěn)定。陰極材料常采用難熔金屬及其化合物，如鎢、鉭及六硼化鑭等。陰極材料的選擇陰極是電子槍中的重要部件，要獲得較高的發(fā)34

陰極加熱方式陰極的加熱方式可分為直熱式和間熱式兩種。直熱式陰極，其加熱方式是直接加熱陰極，特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但容易出現(xiàn)發(fā)射幾何形狀變形，電子發(fā)射散亂現(xiàn)象，對聚焦不利。間熱式陰極是利用傳導(dǎo)、輻射或電子轟擊的方法間接加熱陰極，特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陰極表面是等位面，發(fā)射電流密度均勻，對聚焦有利。陰極加熱方式陰極的加熱方式可分為直熱式和間熱式兩種。35

陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)束流值的大小，陰極形狀可做成點發(fā)射型或面發(fā)射型。鎢加工成線材、棒材或塊狀比較容易。因此，一般可用鎢絲燒制成直熱式的發(fā)針狀或盤狀陰極，鎢塊、鎢棒可制成間熱式陰極。鉭加工性能好，能軋制成片狀，可制成直熱式或間熱式的面發(fā)射陰極。六硼化鑭一般做成間熱式陰極。各種陰極的形狀、特點及其適用范圍如表所示。陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)束流值的大小，陰極形狀可做成點發(fā)射型或36

真空電子束焊機工作過程真空電子束焊機工作過程37電子束焊接分類、特點及應(yīng)用電子束焊接分類、特點及應(yīng)用38

電子束焊接分類(1)按照電子束加速電壓不同—低壓電子束焊接(U=15-30KV)—中壓電子束焊接(U=40-60KV)—高壓電子束焊接(U=100-150KV)—超高壓電子束焊接(U≥300KV)

(2)按照真空度不同—高真空電子束焊接(10-3-10-6torr)—低真空電子束焊接(10-2-0.5torr)—非真空電子束焊接(大氣中)電子束焊接分類(1)按照電子束加速電壓不同39(3)按照焊件在真空室中位置—全真空電子束焊接—局部真空電子束焊接

(4)按照功率不同—大功率電子束焊接(60KW以上)—中功率電子束焊接(30-60KW)—小功率電子束焊接(30KW以下)(3)按照焊件在真空室中位置40(5)按照電子槍特征—定槍式和動槍式—直熱式和間熱式—二級槍和三級槍(6)按照深穿加熱特點—普通電子束焊接—脈沖電子束焊接

(5)按照電子槍特征41

電子束焊接優(yōu)點高能量密度，焊縫深寬比大；能耗低，熱影響區(qū)窄，焊接變形?。缓杆倏?，焊接效率高；焊接參數(shù)再現(xiàn)性好，易于控制實現(xiàn)自動化；真空施焊，可獲得高質(zhì)量的焊縫；工藝適用性好，所焊材料范圍寬；電子束焊接優(yōu)點高能量密度，焊縫深寬比大；42

電子束焊接缺點電子束焊接成套設(shè)備價格昂貴；束縫對中精度要求高；焊前接頭設(shè)計、清理及裝夾要求高；電子束易受磁場干擾；工件大小受真空室尺寸限制；焊接質(zhì)量受真空條件限制；焊接時產(chǎn)生X射線，需嚴(yán)加防護。電子束焊接缺點電子束焊接成套設(shè)備價格昂貴；43

電子束焊接的應(yīng)用適用于焊接難熔金屬、活潑金屬和高純度金屬；適用于通常熔焊方法無法焊接的一種金屬材料的焊接；可焊接經(jīng)淬火的或加工硬化的金屬；由于焊縫金屬的熱影響區(qū)小，可焊接緊靠熱敏感性材料的零件；可對已經(jīng)精加工到最后尺寸的零件進行焊接；可對可達性差的接頭進行焊接；非真空電子束焊接。電子束焊接的應(yīng)用適用于焊接難熔金屬、活潑金屬和高純度金44電子束焊接工藝電子束焊接工藝45

焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫成型的影響(1)功率密度的影響(2)主要參數(shù)對成形的影響—加速電壓Ub

—電子束束流Ib—焊接速度V—工作距離L—聚焦電流If(或焦點位置)焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫成型的影響(1)功率密度的影響46功率密度對焊縫成形的影響電子束焊接采用深穿入式成形時，焊縫的熔深主要取決于形成空腔的金屬蒸發(fā)速率，而金屬蒸發(fā)速率的大小與電子束的功率密度密切相關(guān)。研究表明，電子束的功率密度越大，則熔深增加，而焊縫寬度減少。功率密度對焊縫成形的影響電子束焊接采用深穿入式成形時，47

加速電壓對焊縫成形的影響加速電壓增加，使得束斑點功率密度提高，從而使金屬的氣化速率顯著增加；同時，加速電壓增加使得電子槍的電子光學(xué)聚焦性能改善，這也會導(dǎo)致束斑點功率密度的提高。綜合上述影響，對焊縫成形的影響為，加速電壓增加，則熔深增加，熔寬減小，深寬比增加。加速電壓對焊縫成形的影響加速電壓增加，使得束斑點功率密48

束流對焊縫成形的影響束流增加，將使得束斑點功率密度有所提高，但是束流增加的同時，又會使空間電荷擾動加劇，從而使電子槍的聚焦性能變差。綜合作用的影響是，束流增加，熔深增加，熔寬也略增加。束流對焊縫成形的影響束流增加，將使得束斑點功率密度有所49

焊接速度對焊縫成形的影響焊接速度增加，將使得焊接線輸入能量減少，從而使熔深及熔寬均減少。焊接速度對焊縫成形的影響焊接速度增加，將使得焊接線輸入50

工作距離對焊縫成形的影響工作距離增加，為了實現(xiàn)深穿入式焊接，需調(diào)整減小聚焦電流，從而使聚焦變大，導(dǎo)致電磁透鏡的放大倍數(shù)增加，使聚焦性能惡化，從而束斑點功率密度會下降。這樣，增加工作距離的結(jié)果，使得熔深減小，而熔寬增加。工作距離對焊縫成形的影響工作距離增加，為了實現(xiàn)深穿入式51

聚焦電流對焊縫成形的影響在電子束焦點上下附近，存在著一段束斑點大小變化不大，功率密度幾乎相等的區(qū)域，稱為活性區(qū)?；钚詤^(qū)的大小與電子槍的電子光學(xué)性能有關(guān)。圖中：Df——焦距D0——物距ab=Df/D0——活性參數(shù)當(dāng)ab<1稱為下聚焦，ab=1為表面聚焦，>1為上聚焦(散焦)。聚焦電流的變化，會影響到電子束活性區(qū)與工件作用位置及范圍的改變，從而影響焊縫成形。電子活性區(qū)對焊縫成形的影響如下圖所示，可見下焦點時，焊縫的深寬比最大。焦點位置對焊接熔深的影響有效到達的順序為：上焦點<表面聚焦<下焦點聚焦電流對焊縫成形的影響在電子束焦點上下附近，存在著一52

真空電子束焊接中的能量選擇式中q—線能量，J/cm；

Ub—加速電壓，KV；

Ib—電子束束流，mA；

V—焊接速度，cm/min真空電子束焊接中的能量選擇式中q—線能量，J/c53

電子束焦點的觀察、測量與對中(1)電子束焦點的觀察(2)電子束焦點的測量(3)電子束焦點的對中電子束焦點的觀察、測量與對中(1)電子束焦點的觀察54

電子束焦點的觀察(1)肉眼目視通過真空室的觀察窗直接觀察。(2)光學(xué)觀察借助光學(xué)系統(tǒng)進行精確觀察，以達到精確測量電子束位置和實現(xiàn)電子束與焊縫對中的目的。電子束焦點的觀察(1)肉眼目視55

電子束焦點的測量一般測量小功率電子束焦點的方法有：小孔法(或稱環(huán)形探頭法)細(xì)絲法平板法縫隙法傾斜試板焊接法(或稱為AB試驗法)電子束焦點的測量一般測量小功率電子束焦點的方法有：56

電子束焦點的對中反射電子法：利用掃描電鏡原理，采用電子束掃描時完好金屬表面與接縫處反射電子能力不同來進行成像，從而確定焦點與焊縫的相對位置，實現(xiàn)束縫對中。探針法：是一種電氣—機械跟蹤控制系統(tǒng)，裝在電子槍上的探針位于接縫處，由它檢測的位移信號經(jīng)變換器傳遞給控制系統(tǒng)以保證電子槍自動對中焊縫。電子束焦點的對中反射電子法：利用掃描電鏡原理，采用電子57

電子束焊接接頭設(shè)計1.接頭設(shè)計原則2.接頭形式—對接接頭—角接接頭—T型接頭—搭接接頭—邊接接頭—圓柱體對接接頭—特殊接頭電子束焊接接頭設(shè)計1.接頭設(shè)計原則58

接頭設(shè)計原則焊接接頭應(yīng)保證具有足夠的強度和剛度，保證有一定的使用壽命；要考慮焊接接頭的使用條件，如溫度、壓力、耐蝕性、振動及疲勞等因素；接頭形式應(yīng)符合電子束焊接的要求；焊后盡可能不再進行機械加工或作少量加工；在設(shè)計時，盡可能減少結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和變形；焊接接頭要便于進行焊后檢驗，如射線探傷、超聲探傷等；接頭設(shè)計原則焊接接頭應(yīng)保證具有足夠的強度和剛度，保證有59對接接頭：電子束焊接最適應(yīng)的一種接頭形式。對接接頭：電子束焊接最適應(yīng)的一種接頭形式。60角接接頭：與對接接頭相比，差別在于對非破壞性試驗的適用性和缺口的敏感性。角接接頭：與對接接頭相比，差別在于對非破壞性試驗的適用性和缺61T型接頭T型接頭62搭接接頭搭接接頭63邊接接頭：用于氣敏性部件。邊接接頭：用于氣敏性部件。64圓柱體對接接頭圓柱體對接接頭65特殊接頭特殊接頭66真空電子束焊接工藝過程(1)電子束焊接經(jīng)濟性和焊接結(jié)構(gòu)合理性分析(2)焊接工裝夾具的設(shè)計與制造(3)焊接規(guī)范參數(shù)的選擇確定(4)產(chǎn)品焊前的清理(5)裝夾(6)施焊(7)焊后檢測真空電子束焊接工藝過程(1)電子束焊接經(jīng)濟性和焊接結(jié)構(gòu)67

電子束焊接經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)合理性分析

經(jīng)濟性：不重要的非主承力焊縫，一般的碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼焊縫，接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有遮擋，需做復(fù)雜工裝的焊縫不采用電子束焊。結(jié)構(gòu)合理性：密閉容器要有放氣工藝孔；工件之間配合緊密；止口焊縫下部有間隙；圓焊縫與旋轉(zhuǎn)夾具通心；盡量采用簡單結(jié)構(gòu)；考慮工作室的尺寸；考慮電子束的可達性。電子束焊接經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)合理性分析經(jīng)濟性：不重要的非68焊接規(guī)范參數(shù)的選擇確定焊接規(guī)范參數(shù)的選擇：試件法：

加工一些與工件結(jié)構(gòu)類似的模擬件進行試焊，得到規(guī)范參數(shù)后，再用這些參數(shù)對正式件進行焊接。

曲線法：

在積累大量資料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同的參數(shù)繪制出不同的曲線，也可以通過試驗做出常用材料的參數(shù)曲線。

正交試驗法：

利用正交表的正交性，進行少數(shù)幾項試驗就可以找到焊接參數(shù)的趨勢和理想?yún)?shù)。焊接規(guī)范參數(shù)的選擇確定焊接規(guī)范參數(shù)的選擇：69

焊前清理機械清理：砂紙打磨、刮削等?；瘜W(xué)清理：酸洗、丙酮及酒精擦拭。焊前清理機械清理：砂紙打磨、刮削等。70電子束焊縫常見缺陷常見的電子束焊縫外部和內(nèi)部缺陷有：焊瘤、咬邊、焊縫不連續(xù)、弧坑、未焊透、下塌、焊偏、釘尖、冷隔、氣孔、裂紋。

電子束焊接獨有的焊接缺陷：(1)釘尖(2)冷隔(空洞)電子束焊縫常見缺陷常見的電子束焊縫外部和內(nèi)部缺陷有：71釘尖產(chǎn)生部位——常發(fā)生在部分熔透焊縫的根部。形成原因——電子束功率的脈動，液態(tài)金屬表面張力和冷卻速度過大而液相金屬來不及流入所致。解決措施——接頭采用墊板，將缺陷引出；全熔透；偏轉(zhuǎn)掃描電子束釘尖72冷隔產(chǎn)生部位——厚件焊縫根部和稍高處會出現(xiàn)較大的空洞，把上下熔化金屬分隔來。形成原因——厚件中氣孔的一種特殊表現(xiàn)形式，與電子束焊縫形成機制有關(guān)。厚板焊接時，金屬蒸汽和其它氣體逸出受阻，在較快冷卻速度下留在寒風(fēng)中。解決措施——減少工件產(chǎn)生氣體的來源；降低加速電壓，適當(dāng)降低焊速；采用掃描束。冷隔73

幾種金屬材料的真空電子束焊接(1)不銹鋼電子束焊接(2)鋁及鋁合金電子束焊接(3)鈦及鈦合金電子束焊接(4)銅及銅合金電子束焊接(5)難熔金屬的電子束焊接(6)真空電子束可焊性表幾種金屬材料的真空電子束焊接(1)不銹鋼電子束焊接74

不銹鋼電子束焊接不銹鋼的電子束焊接接頭具有較高的抗晶間腐蝕的能力，這是因為電子束焊接時高的冷卻速度可以防止碳化物的析出。由于奧氏體不銹鋼沒有磁性，因此不會產(chǎn)生束偏移，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好。不銹鋼電子束焊接不銹鋼的電子束焊接接頭具有較高的抗晶間75

鋁及鋁合金電子束焊接焊前應(yīng)對接縫兩側(cè)寬度不小于10mm的表面應(yīng)用機械和化學(xué)方法做除油和清除氧化膜處理。推薦使用的鋁合金電子束焊接條件鋁及鋁合金電子束焊接焊前應(yīng)對接縫兩側(cè)寬度不小于10mm76鈦及鈦合金電子束焊接鈦是一種非?；顫姷慕饘?，因此需要在良好的真空條件下(<1.33x10-2pa)進行焊接。氫氣孔是熔化焊接鈦時最常見的缺陷，預(yù)防措施是降低熔池中氫含量和保證良好的結(jié)晶條件。例如：焊前對焊縫進行化學(xué)清洗和刮削，施加重復(fù)焊道，焊速低于30cm/min以下。鈦及鈦合金電子束焊接鈦是一種非?；顫姷慕饘伲虼诵枰?7銅及銅合金電子束焊接電子束焊接銅具有突出的優(yōu)點，40mm厚銅板采用電子束焊接所需要的線能量是自動埋弧焊所需線能量的1/5-1/7，焊接橫截面積是其1/25-1/30。焊接銅合金可能發(fā)生的主要缺陷是氣孔，對于厚度為1-2mm的銅板，焊縫不易產(chǎn)生氣孔，對于厚度為2-4mm的銅板，焊速應(yīng)低于34cm/min，才可防止產(chǎn)生氣孔。厚度大于4mm時，焊速過慢將使焊縫成形變化，焊縫空洞變多，增加裝配間隙、焊前預(yù)熱和重復(fù)施焊都是減少焊縫氣孔的有效措施。為了減少金屬的蒸發(fā)，對于厚度為1-2mm的銅板，電子束焦點應(yīng)處在工件表面以上，對于厚度大于10-15mm時可將電子槍水平放置，進行橫焊。銅及銅合金電子束焊接電子束焊接銅具有突出的優(yōu)點，40m78難熔金屬的電子束焊接鋯、鈮、鉬及鎢等難熔金屬適宜采用電子束進行焊接，這與電子束焊接高能量密度的特點有關(guān)，焊接時需要在高真空條件下進行。以鈮的電子束焊接為例，焊接真空度應(yīng)優(yōu)于1.33x10-2pa，真空室的泄漏率不得超過4x10-4m3pa/s。鈮合金焊縫中常見的缺陷是氣孔和裂紋。采用細(xì)電子束進行焊接不易產(chǎn)生裂紋；用散焦電子對接縫進行預(yù)熱，有清理和除氣作用，有利于消除氣孔。難熔金屬的電子束焊接鋯、鈮、鉬及鎢等難熔金屬適宜采用電79電子束焊接技術(shù)課件80電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀81

電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀概述國內(nèi)外對于電子束焊接技術(shù)的研究主要是圍繞著電子束焊接設(shè)備及控制、同種及異種材料焊接工藝、電子束焊接理論及電子束焊接冶金和表面加工至四個方面展開的。主要的研發(fā)機構(gòu)有：德國的PTR和IGM公司德國的PROBEAM公司法國的TECHMETA(泰克米特)公司英國的CVE公司烏克蘭的巴東焊接研究所北京航空工藝研究所中科院沈陽研究所

桂林電器科學(xué)研究所電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀概述國內(nèi)外對于電子束焊接技術(shù)的研究主82德國PTR公司生產(chǎn)的ebw3000/15-150CNC型電子束焊機真空室：1.7mX1.25mX1.45m；額定功率：15KW；額定電壓：150KV電子束焊接技術(shù)課件83法國TECHMETA公司LARA52型：真空室：350X600X800；額定功率：30KW；額定電壓：60KV

法國TECHMETA公司MEDARD43型：真空室：500X500X500；額定功率：6KW；額定電壓：60KV

法國TECHMETA公司LARA52型：法國TECHMETA84英國CVE公司2000系列加速電壓：60KV額定功率：4KW

英國CVE公司XW系列加速電壓：150KV額定功率：75KW

英國CVE公司2000系列英國CVE公司XW系列85烏克蘭巴東焊接研究所KL110型：真空室：2.5X2.5X5m額定電壓：60KV額定功率：60KW

烏克蘭巴東焊接研究所KL110型：86德國probeam公司德國probeam公司87桂林電科所型號：HDZ-38EBW真空室：300X300X200mm額定電壓：70KV額定功率：3KW

桂林電科所88

主要研究方向電子束焊接深熔機理電子束焊接匙孔效應(yīng)及動力學(xué)機制電子束焊接缺陷產(chǎn)生機理及控制電子束焊接熱過程及溫度場新材料及異種材料電子束焊接電子束釬焊工藝及機理電子束表面加工電子束焊接熔煉與涂覆電子束焊接熱輸入能量控制主要研究方向電子束焊接深熔機理89

電子束焊接深熔機理經(jīng)典匙孔深熔理論：連續(xù)直線鉆入式梨形空腔串入式(有代表性)Hashimoto等在以下假設(shè)的基礎(chǔ)上，提出了熔深與電子束參數(shù)及材料性質(zhì)的關(guān)系；

電子束焊接深熔機理經(jīng)典匙孔深熔理論：90

電子束焊接匙孔效應(yīng)及動力學(xué)機制Arata.Y等利用X射線圖像高速攝像和光學(xué)高速攝像拍攝了匙孔和熔池的運動行為，對匙孔的描述建立在高速攝影的基礎(chǔ)上，證實了匙孔波動起伏現(xiàn)象，右圖所示。作者指出，電子束焊接過程中，形成的匙孔增加到一定的深度后建立起平衡。匙孔的大小、形狀隨時在變化，并伴著一個特征振蕩，匙孔的前壁較光滑，而后壁上有隆起的“壁瘤”和凹陷的“壁坑”，并且這樣的“壁坑”以20-30cm/s的速度逐漸向上移動和長大。Tong.H等利用脈沖高壓X射線技術(shù)拍攝了焊接過程中的匙孔輻射照片。Tong等人的研究表明，利用脈沖X射線拍攝的照片所看到的匙孔特征形狀與拋射物投入水中形成的空腔有驚人的相似。因此，作者提出電子束焊接匙孔的形狀可認(rèn)為是與周期性拋入流體的拋射物行為相似。電子束焊接匙孔效應(yīng)及動力學(xué)機制Arata.Y等利用X射91

電子束熔煉及涂覆

目前，世界上電子束熔煉及涂敷技術(shù)以烏克蘭巴頓電焊研究所的實力為最強。1958年起巴東電焊所開始從事有關(guān)電子束焊接方面的研究，幾乎與此同時開展了在真空中不同物質(zhì)電子束氣化及冷凝的物理化學(xué)過程的研究。經(jīng)過40多年的發(fā)展，在電子熔煉及氣相沉積等領(lǐng)域取得了豐碩的成果，特別是在蘇聯(lián)的空間焊接領(lǐng)域為飛行器表面的修復(fù)作出了重大貢獻。因電子束氣相沉積技術(shù)在制備功能材料、熱阻梯度材料等方面的獨特優(yōu)勢，使其在新材料的制取上得到了越來越多的應(yīng)用，預(yù)計在近五十年內(nèi)世界范圍內(nèi)通過氣相沉積技術(shù)制造材料的能力將達到每年一萬噸的水平。同時，巴頓電焊所在電子束區(qū)域熔煉方法制備硅單晶材料上居世界領(lǐng)先水平。電子束熔煉及涂覆目前，世界上電子束熔煉及涂敷92電子束焊接輸入能量控制新技術(shù)電子束焊接輸入能量控制新技術(shù)93

多焦點、多束能量控制在電子束焊接中的作用

1.焊接速度更快、精度更高

減少氣孔2.提高焊接質(zhì)量抑制裂紋消除變形

多焦點、多束能量控制在電子束焊接中的作用94多束預(yù)熱多束預(yù)熱95減少氣孔與止裂減少氣孔與止裂96熱裂紋熱裂紋97使用多束第二熱源抑制熱裂紋使用多束第二熱源抑制熱裂紋98應(yīng)用實例1應(yīng)用實例199應(yīng)用實例2應(yīng)用實例2100應(yīng)用實例3應(yīng)用實例3101電子束焊接安全防護電子束焊接安全防護102

電子束焊接安全防護1.高壓電源和電子槍應(yīng)保證有足夠的絕緣和良好的接地；2.更換陰極組件和維修時，應(yīng)切斷高壓電源，并用放電棒接觸準(zhǔn)備更換的零件，以防高壓；3.我國規(guī)定對無監(jiān)護的工作人員允許的X射線劑量小于等于0.25mR/h(歐洲標(biāo)準(zhǔn)是小于等于0.3mR/h)；其中，60KV以下的電子束焊機采用厚鋼板來防護，60KV以上的電子束焊機應(yīng)附加鉛防護層，觀察口使用鉛玻璃；4.采用抽氣裝置將真空室排出的油氣，煙塵等及時排出，設(shè)備周圍應(yīng)保持良好的通風(fēng)。電子束焊接安全防護1.高壓電源和電子槍應(yīng)保證有足夠的絕103結(jié)束語電子束焊接技術(shù)相關(guān)研究的廣度和深度在不斷擴大，已經(jīng)在研究理論和工藝實踐上取得了積極的成果。由于電子束焊接過程中電子束與金屬間的深穿快速物理化學(xué)冶金作用，以及當(dāng)前研究分析測試方法及手段上的的滯后和局限性，使得焊接機理的本質(zhì)研究有待進一步深入。新材料及異種材料電子束焊接技術(shù)，電子束熔煉及涂覆技術(shù)的研究正逐漸成為研究熱點?；陔娮邮附訜嵩刺攸c及空間環(huán)境條件，可將其用作富有廣闊前景的空間焊接技術(shù)。結(jié)束語電子束焊接技術(shù)相關(guān)研究的廣度和深度在不斷擴大，已經(jīng)104電子束焊接技術(shù)中國科學(xué)院等離子研究所研制中心電子束焊接技術(shù)中國科學(xué)院等離子研究所研制中心105目錄電子束焊接起源電子束焊接原理電子束焊接分類、特點及應(yīng)用電子束焊接工藝電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀電子束焊接的安全防護結(jié)束語目錄電子束焊接起源106電子束焊接起源電子束焊接起源107

電子束焊接起源電子束焊接至今有100多年的歷史

在人們了解電子性能之前，曾經(jīng)有過“陰極極射線”(cathode-ray)的名稱。早在1879年williamcrookersh發(fā)現(xiàn)在陰極射線管中的鉑陽極因被陰極射線轟擊而熔化的現(xiàn)象。20年后，1897年，J.J.Jhompaon的研究證明，所謂的陰極射線實際就是電子束；電子束焊接起源電子束焊接至今有100多年的歷史108電子束的焊接技術(shù)起源于德國1948年，西德k.h.steigerwald博士，在致力于研究更高工作頻率的示波器時，發(fā)現(xiàn)高功率密度的電子束可以熔化、燒蝕、沖刷金屬的現(xiàn)象。據(jù)此，他提出了用電子束切割焊接的設(shè)想。1951年，申請了在各種材料上鉆孔的電子束設(shè)備的專利，并與1952年，在蔡司公司(zeiss)制造了第一臺電子束加工機。電子束的焊接技術(shù)起源于德國1091954年電子束焊接金屬獲得成功

法國的斯托格博士(J.A.Stohr)用自行研制的一臺電子束焊接設(shè)備，成功的焊接了法國原子能委員會核反應(yīng)堆得燃料包殼。1954年電子束焊接金屬獲得成功法國的斯托格博士(J.1101957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術(shù)大會上，法國方面公布了該技術(shù)，使電子束焊接技術(shù)作為一種新的焊接方法得到確認(rèn)。1958年開始，美國、英國、日本和蘇聯(lián)開始進行電子束焊接方面的研究。1957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術(shù)大會1111958年10月，我國在一本英國雜志《weldingandmetalfabrication》上見到了一篇有關(guān)電子束焊接方面的報道。1964年，我國研制生產(chǎn)了第一臺型號為ZD-30的真空電子束焊機，這是清華大學(xué)冶金系為滿足我國核工業(yè)需要而開發(fā)的。1958年10月，我國在一本英國雜志《weldingand112電子束焊焊接原理電子束焊焊接原理113電子束焊接基本概念電子束焊接是利用會聚的高能電子轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使被焊材料熔合的一種焊接方法。通常束斑直徑<1mm，在0.1~0.75mm之間，速度可達0.3~0.7C。電子束焊接基本概念114電子束焊接技術(shù)課件115

電子光學(xué)基礎(chǔ)電子的發(fā)射

(1)空間電荷限制發(fā)射

(2)溫度限制發(fā)射(3)肖特基發(fā)射電子光學(xué)基礎(chǔ)電子的發(fā)射116電子束焊接技術(shù)課件117

(1)空間電荷限制發(fā)射(1)空間電荷限制發(fā)射118

(2)溫度限制發(fā)射(2)溫度限制發(fā)射119

(3)肖特基發(fā)射電子束由電子槍的陰極發(fā)射，通常是空間電荷限制發(fā)射或溫度限制發(fā)射。(3)肖特基發(fā)射電子束由電子槍的陰極發(fā)射，通常是空間電120電子束焊接技術(shù)課件121

電子的場致運動(1)電子在電場中的運動

在平行板形成德電場中，電子的運動方向與正電荷粒子運動方向相反，是由低電位向高電位方向運動。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)電子由靜止?fàn)顟B(tài)開始向正極板方向做勻加速運動時，將位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽瑒t有：由此，可以計算得到電子到達正極板時的速度，這就是電子束槍中電子在陰陽兩極高壓間被加速的理論基礎(chǔ)。電子的場致運動(1)電子在電場中的運動122電子束焊接技術(shù)課件123

(2)電子在磁場中的運動

根據(jù)物理學(xué)，我們知道，電荷在磁場中運動時，磁場與運動電荷有作用力，稱為洛倫茲力。作用力的大小為：式中：Q——電荷電量V——電子運動速度B——磁感應(yīng)強度a——磁力線與電子運動方向的夾角(2)電子在磁場中的運動124電子束焊接技術(shù)課件125

電子束形成電子束形成126

電子束焊接能量轉(zhuǎn)換(與通常熔化焊相比）

能量傳遞公式：以無任何化學(xué)屬性的電子束為載體

熱量析出部位：在電子穿透層下方析出

能量轉(zhuǎn)換機制：電子動能晶格振動能熱能電子束焊接能量轉(zhuǎn)換(與通常熔化焊相比）127電子束焊縫形成(1)電子束焊接加熱特點

功率密度高和束精確、快速可控性。(2)電子束焊縫形成方式

熔化式和熔穿入式成形

電子束焊縫形成(1)電子束焊接加熱特點128電子束焊接深穿過程電子束與焊金屬表面碰撞失去全部動能；碰撞使晶格上的原子發(fā)生急劇的熱振動，大部分動作轉(zhuǎn)化為熱能；在極短時間內(nèi)，被焊材料迅速被加熱至熔點及極高的過熔點溫度，迅速蒸發(fā)形成金屬蒸汽；金屬蒸汽的反作用力使金屬熔體向四周排開，露出下層固體金屬表面；電子束繼續(xù)作用，重復(fù)上述過程，實現(xiàn)深穿。電子束焊接深穿過程電子束與焊金屬表面碰撞失去全部動能；129電子束焊接深穿入式成縫示意圖電子束焊接深穿入式成縫示意圖130

電子束輸入功率分配電子束輸入功率分配131

電子束焊接熔池受力分析電子束焊接熔池受力分析132電子束焊接設(shè)備基本構(gòu)成電子束焊接設(shè)備基本構(gòu)成133電子束焊接技術(shù)課件134

真空電子束焊機工作原理電子槍的四個作用電子槍的工作原理陰極材料的選擇陰極加熱方式陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計真空電子束焊機工作過程真空電子束焊機工作原理電子槍的四個作用135

電子槍的四個作用a從陰極發(fā)射電子；b使電子在陰陽兩極間被加速，形成束流；c電磁聚焦線圈使電子束聚焦；d偏轉(zhuǎn)線圈使電子束偏轉(zhuǎn)；若加入函數(shù)發(fā)生器，可使束流以給定的函數(shù)圖像進行掃描；因此，電子束焊機中的電子槍是發(fā)射、形成和會聚電子束的裝置。電子槍的四個作用a從陰極發(fā)射電子；136

電子槍的工作原理電子槍包括靜電荷和電磁兩部分，靜電部分有陰極、聚束極和陽極組成，通常稱靜電透鏡；電磁部分又聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈組成，通常稱為磁透鏡。工作原理：(1)電子槍的陰極被加熱，發(fā)射電子；(2)電子經(jīng)陰陽極間的加速電壓加速，同時受聚束極的作用開始第一次聚焦，飛向陽極。(3)通過了陽極小孔的電子束流，在繼續(xù)行進中，因受空間電荷及真空室壓力的影響，又必然會發(fā)散；(4)通過電磁部分時，由聚焦線圈再次會聚，并在工件上形成極小的高能量束斑；(5)為調(diào)整電子束束斑到工件表面的位置，電子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)線圈磁場時，在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生束偏轉(zhuǎn)。電子槍的工作原理電子槍包括靜電荷和電磁兩部分，靜電137

陰極材料的選擇陰極是電子槍中的重要部件，要獲得較高的發(fā)射電流密度，就要求陰極材料具有較小的逸出功或較高的熔點。在選用陰極材料時，還要考慮加工成形的方便，高溫時有足夠的機械強度，足夠長的壽命及化學(xué)性能穩(wěn)定。陰極材料常采用難熔金屬及其化合物，如鎢、鉭及六硼化鑭等。陰極材料的選擇陰極是電子槍中的重要部件，要獲得較高的發(fā)138

陰極加熱方式陰極的加熱方式可分為直熱式和間熱式兩種。直熱式陰極，其加熱方式是直接加熱陰極，特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但容易出現(xiàn)發(fā)射幾何形狀變形，電子發(fā)射散亂現(xiàn)象，對聚焦不利。間熱式陰極是利用傳導(dǎo)、輻射或電子轟擊的方法間接加熱陰極，特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陰極表面是等位面，發(fā)射電流密度均勻，對聚焦有利。陰極加熱方式陰極的加熱方式可分為直熱式和間熱式兩種。139

陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)束流值的大小，陰極形狀可做成點發(fā)射型或面發(fā)射型。鎢加工成線材、棒材或塊狀比較容易。因此，一般可用鎢絲燒制成直熱式的發(fā)針狀或盤狀陰極，鎢塊、鎢棒可制成間熱式陰極。鉭加工性能好，能軋制成片狀，可制成直熱式或間熱式的面發(fā)射陰極。六硼化鑭一般做成間熱式陰極。各種陰極的形狀、特點及其適用范圍如表所示。陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)束流值的大小，陰極形狀可做成點發(fā)射型或140

真空電子束焊機工作過程真空電子束焊機工作過程141電子束焊接分類、特點及應(yīng)用電子束焊接分類、特點及應(yīng)用142

電子束焊接分類(1)按照電子束加速電壓不同—低壓電子束焊接(U=15-30KV)—中壓電子束焊接(U=40-60KV)—高壓電子束焊接(U=100-150KV)—超高壓電子束焊接(U≥300KV)

(2)按照真空度不同—高真空電子束焊接(10-3-10-6torr)—低真空電子束焊接(10-2-0.5torr)—非真空電子束焊接(大氣中)電子束焊接分類(1)按照電子束加速電壓不同143(3)按照焊件在真空室中位置—全真空電子束焊接—局部真空電子束焊接

(4)按照功率不同—大功率電子束焊接(60KW以上)—中功率電子束焊接(30-60KW)—小功率電子束焊接(30KW以下)(3)按照焊件在真空室中位置144(5)按照電子槍特征—定槍式和動槍式—直熱式和間熱式—二級槍和三級槍(6)按照深穿加熱特點—普通電子束焊接—脈沖電子束焊接

(5)按照電子槍特征145

電子束焊接優(yōu)點高能量密度，焊縫深寬比大；能耗低，熱影響區(qū)窄，焊接變形??；焊速快，焊接效率高；焊接參數(shù)再現(xiàn)性好，易于控制實現(xiàn)自動化；真空施焊，可獲得高質(zhì)量的焊縫；工藝適用性好，所焊材料范圍寬；電子束焊接優(yōu)點高能量密度，焊縫深寬比大；146

電子束焊接缺點電子束焊接成套設(shè)備價格昂貴；束縫對中精度要求高；焊前接頭設(shè)計、清理及裝夾要求高；電子束易受磁場干擾；工件大小受真空室尺寸限制；焊接質(zhì)量受真空條件限制；焊接時產(chǎn)生X射線，需嚴(yán)加防護。電子束焊接缺點電子束焊接成套設(shè)備價格昂貴；147

電子束焊接的應(yīng)用適用于焊接難熔金屬、活潑金屬和高純度金屬；適用于通常熔焊方法無法焊接的一種金屬材料的焊接；可焊接經(jīng)淬火的或加工硬化的金屬；由于焊縫金屬的熱影響區(qū)小，可焊接緊靠熱敏感性材料的零件；可對已經(jīng)精加工到最后尺寸的零件進行焊接；可對可達性差的接頭進行焊接；非真空電子束焊接。電子束焊接的應(yīng)用適用于焊接難熔金屬、活潑金屬和高純度金148電子束焊接工藝電子束焊接工藝149

焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫成型的影響(1)功率密度的影響(2)主要參數(shù)對成形的影響—加速電壓Ub

—電子束束流Ib—焊接速度V—工作距離L—聚焦電流If(或焦點位置)焊接規(guī)范參數(shù)對焊縫成型的影響(1)功率密度的影響150功率密度對焊縫成形的影響電子束焊接采用深穿入式成形時，焊縫的熔深主要取決于形成空腔的金屬蒸發(fā)速率，而金屬蒸發(fā)速率的大小與電子束的功率密度密切相關(guān)。研究表明，電子束的功率密度越大，則熔深增加，而焊縫寬度減少。功率密度對焊縫成形的影響電子束焊接采用深穿入式成形時，151

加速電壓對焊縫成形的影響加速電壓增加，使得束斑點功率密度提高，從而使金屬的氣化速率顯著增加；同時，加速電壓增加使得電子槍的電子光學(xué)聚焦性能改善，這也會導(dǎo)致束斑點功率密度的提高。綜合上述影響，對焊縫成形的影響為，加速電壓增加，則熔深增加，熔寬減小，深寬比增加。加速電壓對焊縫成形的影響加速電壓增加，使得束斑點功率密152

束流對焊縫成形的影響束流增加，將使得束斑點功率密度有所提高，但是束流增加的同時，又會使空間電荷擾動加劇，從而使電子槍的聚焦性能變差。綜合作用的影響是，束流增加，熔深增加，熔寬也略增加。束流對焊縫成形的影響束流增加，將使得束斑點功率密度有所153

焊接速度對焊縫成形的影響焊接速度增加，將使得焊接線輸入能量減少，從而使熔深及熔寬均減少。焊接速度對焊縫成形的影響焊接速度增加，將使得焊接線輸入154

工作距離對焊縫成形的影響工作距離增加，為了實現(xiàn)深穿入式焊接，需調(diào)整減小聚焦電流，從而使聚焦變大，導(dǎo)致電磁透鏡的放大倍數(shù)增加，使聚焦性能惡化，從而束斑點功率密度會下降。這樣，增加工作距離的結(jié)果，使得熔深減小，而熔寬增加。工作距離對焊縫成形的影響工作距離增加，為了實現(xiàn)深穿入式155

聚焦電流對焊縫成形的影響在電子束焦點上下附近，存在著一段束斑點大小變化不大，功率密度幾乎相等的區(qū)域，稱為活性區(qū)?；钚詤^(qū)的大小與電子槍的電子光學(xué)性能有關(guān)。圖中：Df——焦距D0——物距ab=Df/D0——活性參數(shù)當(dāng)ab<1稱為下聚焦，ab=1為表面聚焦，>1為上聚焦(散焦)。聚焦電流的變化，會影響到電子束活性區(qū)與工件作用位置及范圍的改變，從而影響焊縫成形。電子活性區(qū)對焊縫成形的影響如下圖所示，可見下焦點時，焊縫的深寬比最大。焦點位置對焊接熔深的影響有效到達的順序為：上焦點<表面聚焦<下焦點聚焦電流對焊縫成形的影響在電子束焦點上下附近，存在著一156

真空電子束焊接中的能量選擇式中q—線能量，J/cm；

Ub—加速電壓，KV；

Ib—電子束束流，mA；

V—焊接速度，cm/min真空電子束焊接中的能量選擇式中q—線能量，J/c157

電子束焦點的觀察、測量與對中(1)電子束焦點的觀察(2)電子束焦點的測量(3)電子束焦點的對中電子束焦點的觀察、測量與對中(1)電子束焦點的觀察158

電子束焦點的觀察(1)肉眼目視通過真空室的觀察窗直接觀察。(2)光學(xué)觀察借助光學(xué)系統(tǒng)進行精確觀察，以達到精確測量電子束位置和實現(xiàn)電子束與焊縫對中的目的。電子束焦點的觀察(1)肉眼目視159

電子束焦點的測量一般測量小功率電子束焦點的方法有：小孔法(或稱環(huán)形探頭法)細(xì)絲法平板法縫隙法傾斜試板焊接法(或稱為AB試驗法)電子束焦點的測量一般測量小功率電子束焦點的方法有：160

電子束焦點的對中反射電子法：利用掃描電鏡原理，采用電子束掃描時完好金屬表面與接縫處反射電子能力不同來進行成像，從而確定焦點與焊縫的相對位置，實現(xiàn)束縫對中。探針法：是一種電氣—機械跟蹤控制系統(tǒng)，裝在電子槍上的探針位于接縫處，由它檢測的位移信號經(jīng)變換器傳遞給控制系統(tǒng)以保證電子槍自動對中焊縫。電子束焦點的對中反射電子法：利用掃描電鏡原理，采用電子161

電子束焊接接頭設(shè)計1.接頭設(shè)計原則2.接頭形式—對接接頭—角接接頭—T型接頭—搭接接頭—邊接接頭—圓柱體對接接頭—特殊接頭電子束焊接接頭設(shè)計1.接頭設(shè)計原則162

接頭設(shè)計原則焊接接頭應(yīng)保證具有足夠的強度和剛度，保證有一定的使用壽命；要考慮焊接接頭的使用條件，如溫度、壓力、耐蝕性、振動及疲勞等因素；接頭形式應(yīng)符合電子束焊接的要求；焊后盡可能不再進行機械加工或作少量加工；在設(shè)計時，盡可能減少結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和變形；焊接接頭要便于進行焊后檢驗，如射線探傷、超聲探傷等；接頭設(shè)計原則焊接接頭應(yīng)保證具有足夠的強度和剛度，保證有163對接接頭：電子束焊接最適應(yīng)的一種接頭形式。對接接頭：電子束焊接最適應(yīng)的一種接頭形式。164角接接頭：與對接接頭相比，差別在于對非破壞性試驗的適用性和缺口的敏感性。角接接頭：與對接接頭相比，差別在于對非破壞性試驗的適用性和缺165T型接頭T型接頭166搭接接頭搭接接頭167邊接接頭：用于氣敏性部件。邊接接頭：用于氣敏性部件。168圓柱體對接接頭圓柱體對接接頭169特殊接頭特殊接頭170真空電子束焊接工藝過程(1)電子束焊接經(jīng)濟性和焊接結(jié)構(gòu)合理性分析(2)焊接工裝夾具的設(shè)計與制造(3)焊接規(guī)范參數(shù)的選擇確定(4)產(chǎn)品焊前的清理(5)裝夾(6)施焊(7)焊后檢測真空電子束焊接工藝過程(1)電子束焊接經(jīng)濟性和焊接結(jié)構(gòu)171

電子束焊接經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)合理性分析

經(jīng)濟性：不重要的非主承力焊縫，一般的碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼焊縫，接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有遮擋，需做復(fù)雜工裝的焊縫不采用電子束焊。結(jié)構(gòu)合理性：密閉容器要有放氣工藝孔；工件之間配合緊密；止口焊縫下部有間隙；圓焊縫與旋轉(zhuǎn)夾具通心；盡量采用簡單結(jié)構(gòu)；考慮工作室的尺寸；考慮電子束的可達性。電子束焊接經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)合理性分析經(jīng)濟性：不重要的非172焊接規(guī)范參數(shù)的選擇確定焊接規(guī)范參數(shù)的選擇：試件法：

加工一些與工件結(jié)構(gòu)類似的模擬件進行試焊，得到規(guī)范參數(shù)后，再用這些參數(shù)對正式件進行焊接。

曲線法：

在積累大量資料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同的參數(shù)繪制出不同的曲線，也可以通過試驗做出常用材料的參數(shù)曲線。

正交試驗法：

利用正交表的正交性，進行少數(shù)幾項試驗就可以找到焊接參數(shù)的趨勢和理想?yún)?shù)。焊接規(guī)范參數(shù)的選擇確定焊接規(guī)范參數(shù)的選擇：173

焊前清理機械清理：砂紙打磨、刮削等?；瘜W(xué)清理：酸洗、丙酮及酒精擦拭。焊前清理機械清理：砂紙打磨、刮削等。174電子束焊縫常見缺陷常見的電子束焊縫外部和內(nèi)部缺陷有：焊瘤、咬邊、焊縫不連續(xù)、弧坑、未焊透、下塌、焊偏、釘尖、冷隔、氣孔、裂紋。

電子束焊接獨有的焊接缺陷：(1)釘尖(2)冷隔(空洞)電子束焊縫常見缺陷常見的電子束焊縫外部和內(nèi)部缺陷有：175釘尖產(chǎn)生部位——常發(fā)生在部分熔透焊縫的根部。形成原因——電子束功率的脈動，液態(tài)金屬表面張力和冷卻速度過大而液相金屬來不及流入所致。解決措施——接頭采用墊板，將缺陷引出；全熔透；偏轉(zhuǎn)掃描電子束釘尖176冷隔產(chǎn)生部位——厚件焊縫根部和稍高處會出現(xiàn)較大的空洞，把上下熔化金屬分隔來。形成原因——厚件中氣孔的一種特殊表現(xiàn)形式，與電子束焊縫形成機制有關(guān)。厚板焊接時，金屬蒸汽和其它氣體逸出受阻，在較快冷卻速度下留在寒風(fēng)中。解決措施——減少工件產(chǎn)生氣體的來源；降低加速電壓，適當(dāng)降低焊速；采用掃描束。冷隔177

幾種金屬材料的真空電子束焊接(1)不銹鋼電子束焊接(2)鋁及鋁合金電子束焊接(3)鈦及鈦合金電子束焊接(4)銅及銅合金電子束焊接(5)難熔金屬的電子束焊接(6)真空電子束可焊性表幾種金屬材料的真空電子束焊接(1)不銹鋼電子束焊接178

不銹鋼電子束焊接不銹鋼的電子束焊接接頭具有較高的抗晶間腐蝕的能力，這是因為電子束焊接時高的冷卻速度可以防止碳化物的析出。由于奧氏體不銹鋼沒有磁性，因此不會產(chǎn)生束偏移，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好。不銹鋼電子束焊接不銹鋼的電子束焊接接頭具有較高的抗晶間179

鋁及鋁合金電子束焊接焊前應(yīng)對接縫兩側(cè)寬度不小于10mm的表面應(yīng)用機械和化學(xué)方法做除油和清除氧化膜處理。推薦使用的鋁合金電子束焊接條件鋁及鋁合金電子束焊接焊前應(yīng)對接縫兩側(cè)寬度不小于10mm180鈦及鈦合金電子束焊接鈦是一種非常活潑的金屬，因此需要在良好的真空條件下(<1.33x10-2pa)進行焊接。氫氣孔是熔化焊接鈦時最常見的缺陷，預(yù)防措施是降低熔池中氫含量和保證良好的結(jié)晶條件。例如：焊前對焊縫進行化學(xué)清洗和刮削，施加重復(fù)焊道，焊速低于30cm/min以下。鈦及鈦合金電子束焊接鈦是一種非?；顫姷慕饘?，因此需要在181銅及銅合金電子束焊接電子束焊接銅具有突出的優(yōu)點，40mm厚銅板采用電子束焊接所需要的線能量是自動埋弧焊所需線能量的1/5-1/7，焊接橫截面積是其1/25-1/30。焊接銅合金可能發(fā)生的主要缺陷是氣孔，對于厚度為1-2mm的銅板，焊縫不易產(chǎn)生氣孔，對于厚度為2-4mm的銅板，焊速應(yīng)低于34cm/min，才可防止產(chǎn)生氣孔。厚度大于4mm時，焊速過慢將使焊縫成形變化，焊縫空洞變多，增加裝配間隙、焊前預(yù)熱和重復(fù)施焊都是減少焊縫氣孔的有效措施。為了減少金屬的蒸發(fā)，對于厚度為1-2mm的銅板，電子束焦點應(yīng)處在工件表面以上，對于厚度大于10-15mm時可將電子槍水平放置，進行橫焊。銅及銅合金電子束焊接電子束焊接銅具有突出的優(yōu)點，40m182難熔金屬的電子束焊接鋯、鈮、鉬及鎢等難熔金屬適宜采用電子束進行焊接，這與電子束焊接高能量密度的特點有關(guān)，焊接時需要在高真空條件下進行。以鈮的電子束焊接為例，焊接真空度應(yīng)優(yōu)于1.33x10-2pa，真空室的泄漏率不得超過4x10-4m3pa/s。鈮合金焊縫中常見的缺陷是氣孔和裂紋。采用細(xì)電子束進行焊接不易產(chǎn)生裂紋；用散焦電子對接縫進行預(yù)熱，有清理和除氣作用，有利于消除氣孔。難熔金屬的電子束焊接鋯、鈮、鉬及鎢等難熔金屬適宜采用電183電子束焊接技術(shù)課件184電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀185

電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀概述國內(nèi)外對于電子束焊接技術(shù)的研究主要是圍繞著電子束焊接設(shè)備及控制、同種及異種材料焊接工藝、電子束焊接理論及電子束焊接冶金和表面加工至四個方面展開的。主要的研發(fā)機構(gòu)有：德國的PTR和IGM公司德國的PROBEAM公司法國的TECHMETA(泰克米特)公司英國的CVE公司烏克蘭的巴東焊接研究所北京航空工藝研究所中科院沈陽研究所

桂林電器科學(xué)研究所電子束焊接研發(fā)現(xiàn)狀概述國內(nèi)外對于電子束焊接技術(shù)的研究主186德國PTR公司生產(chǎn)的ebw3000/15-150CNC型電子束焊機真空室：1.7mX1.25mX1.45m；額定功率：15KW；額定電壓：150K