電子束焊(1)課件

電子束焊(1)2024/4/17電子束焊(1)1954年法國(guó)J.A.Stohr博士成功焊接了核反應(yīng)堆燃料包殼，標(biāo)志電子束焊接金屬獲得成功；電子束焊接發(fā)展簡(jiǎn)史電子束焊接技術(shù)起源于德國(guó)，1948年前西德物理學(xué)家K.H.Steigerwald首次提出用電子束焊接的設(shè)想；電子束的發(fā)現(xiàn)迄今已有100多年的歷史；1957年11月，在法國(guó)巴黎召開(kāi)的國(guó)際原子能燃料元件技術(shù)大會(huì)上公布了該技術(shù)，電子束焊接被確認(rèn)為一種新的焊接方法；1958年開(kāi)始，美國(guó)、英國(guó)、日本及前蘇聯(lián)開(kāi)始進(jìn)行電子束焊接方面的研究；上世紀(jì)60年代后，我國(guó)開(kāi)始從事電子束焊接研究；電子束焊(1)1.1電子束焊接的基本特征

1.1.1電子束焊接的過(guò)程電子束焊接是一種高能量密度的熔化焊方法。它是利用空間定向高速運(yùn)動(dòng)的電子束，撞擊工件后將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使被焊工件熔化，形成焊縫。三級(jí)電子槍結(jié)構(gòu)示意圖1－陰極；2－偏壓電極；3－陽(yáng)極；4－聚焦線圈；5－偏轉(zhuǎn)線圈；6－工件；7－電子束；Ub－加速電壓；UB－偏壓；電子束焊(1)1.1.2電子束焊接分類(lèi)、特點(diǎn)及應(yīng)用1電子束焊接分類(lèi)(1)按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=30-60Kv)高壓電子束焊接(U=60-150Kv)超高壓電子束焊接(U

300Kv)電子束焊(1)(2)按真空度不同高真空電子束焊接(10-6-10-3torr)低真空電子束焊接(10-3-10-1torr)非真空電子束焊接(大氣中)

(3)按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電子束焊(1)(4)按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)

(5)按電子槍特征定槍式和動(dòng)槍式直熱式和間熱式二級(jí)槍和三極槍普通電子束焊接脈沖電子束焊接(6)按加熱特點(diǎn)電子束焊(1)2電子束焊接特點(diǎn)(1)電子束焊接的優(yōu)點(diǎn)(2)電子束焊接的不足電子束焊(1)a．加熱功率密度大。焊接用電子束電流為幾十到幾百毫安，最大可達(dá)l000mA以上；加速電壓為幾十到幾百千伏；故電子束功率從幾十千瓦到100kw以上，而電子束焦點(diǎn)直徑小于1mm。故電子束焦點(diǎn)處的功率密度可達(dá)103~105Kw/cm2，比普通電弧功率密度高100—1000倍。b．焊縫深寬比(H/B)大。通常電弧焊的深寬比很難超過(guò)2，電子束焊的深度比在50以上。電子束焊比電弧焊可節(jié)約大量填充金屬和電能，可實(shí)現(xiàn)高深寬比的焊接，深寬比達(dá)60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不銹鋼板。優(yōu)點(diǎn)電子束焊(1)c.焊接速度快，焊縫熱物理性能好。焊接速度快，能量集中、熔化和凝固過(guò)程快．熱影響區(qū)小，焊接變形小。對(duì)精加工的工件可用作最后的連接工序，焊后工件仍能保持足夠的精度。能避免晶粒長(zhǎng)大，使焊接接頭性能改善，高溫作用時(shí)間短，合金元素?zé)龘p少，焊縫抗蝕性好。d．焊縫純度高。真空電子束焊的真空度一般為5×10-4Pa，適合焊接鈦及鈦合金等活性材料。e.焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)。電子束焊接的工藝參數(shù)可獨(dú)立地在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，控制靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，再現(xiàn)性好，而且電子束焊焊接參數(shù)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。f.可焊材料多。不僅能焊金屬和異種金屬材料的接頭,也可焊接非金屬材料,如陶瓷、石英玻璃等。電子束焊(1)需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制（非真空環(huán)境的電子束焊，是重要的研究方向）；由于真空室的存在，抽真空成為影響循環(huán)時(shí)間的主要障礙（目前用于齒輪焊接的單臺(tái)電子束設(shè)備循環(huán)時(shí)間很難做到60s以內(nèi)）；有磁偏移：由于電子帶電，會(huì)受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理；X射線問(wèn)題：X射線在高壓下特別強(qiáng)，需對(duì)操作人員實(shí)施保護(hù)；對(duì)工件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，同時(shí)工件表面清潔的要求也較高。缺點(diǎn)電子束焊(1)1.2電子束焊機(jī)及應(yīng)用

目前全世界約有8000臺(tái)電子束焊機(jī)在工業(yè)部門(mén)及實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用。電子束焊(1)德國(guó)PTR公司生產(chǎn)的ebw3000/15-150CNC型電子束焊機(jī)真空室:1.7m×1.25m×1.45m;額定功率:15KW;額定電壓:150KV電子束焊(1)法國(guó)TECHMETA公司MEDARD43型:Chamberdimensions:500×500×500;Operatingvoltage:60KV;Power:6KWLARA52型:Chamberdimensions:350×600×800;Operatingvoltage:60KV;Power:30KW電子束焊(1)

烏克蘭國(guó)家科學(xué)院巴頓電焊所

前蘇聯(lián)唯一的焊接科學(xué)與工程的研發(fā)單位真空電子焊接分部是巴頓電焊所主要的骨干部門(mén)之一，為前蘇聯(lián)、中國(guó)、東歐、日本、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)的航空航天、機(jī)械及汽車(chē)制造、儀器儀表等行業(yè)總共生產(chǎn)了800臺(tái)以上真空電子束焊接系統(tǒng)和整套裝備，領(lǐng)先開(kāi)發(fā)了合金鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等多種材料焊深從0.1到400mm直線及空間曲線焊縫的真空電子束焊縫工藝電子束焊(1)成都飛機(jī)制造廠由北京航空制造工程研究所研制，其主要部件電子槍是德國(guó)SteigerwaldStrahltechnik公司合作生產(chǎn)的高壓型電子束焊機(jī)，控制系統(tǒng)為西門(mén)子的SIMATICS7-400容錯(cuò)PLC設(shè)備加速電壓可調(diào)節(jié)范圍為70~150kv，電子束流可調(diào)節(jié)范圍為0~200mA，焊接速度可調(diào)節(jié)范圍為0~50mm/s；真空室尺寸8200mm×4000mm×2000mm，容積65.6m3，電子束功率30kW。ZD150-30CCV65M電子束焊機(jī)電子束焊(1)真空電子束焊的應(yīng)用圖A采用真空電子束焊接的鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣轉(zhuǎn)子部件圖B采用真空電子束焊接的高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外套1、真空電子束焊在航空工業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛例如：美國(guó)杜魯門(mén)公司生產(chǎn)的F14戰(zhàn)機(jī)鈦合金中央翼盒，長(zhǎng)7m，寬0.9嗎，53個(gè)鈦合金部件組成，70條焊縫，全部采用電子束焊焊成。焊接最大深度57.2mm，全部焊縫長(zhǎng)55m。電子束焊(1)2、真空電子束焊在大厚壁件焊接中的應(yīng)用典型應(yīng)用：核反應(yīng)堆環(huán)形容器、深水潛艇等電子束焊(1)3、真空電子束焊在汽車(chē)傳動(dòng)件的應(yīng)用電子束焊(1)1.3電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)原理及電子束焊接過(guò)程控制電子束焊(1)1.3.1電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)原理電子束焊(1)

1電子槍電子槍具有靜電和電磁二部分。靜電部分由陰極、聚束極和陽(yáng)極(又名加速極)組成，稱(chēng)為靜電透鏡。電子槍的電磁部分主要由聚焦線圈與偏轉(zhuǎn)線圈組成，一般稱(chēng)聚焦線圈為磁透鏡。

1－陰極；2－偏壓電極；3－陽(yáng)極；4－聚焦線圈；5－偏轉(zhuǎn)線圈；6－工件；7－電子束；Ub－加速電壓；UB－偏壓；電子束焊(1)靜電透鏡電子束焊(1)磁透鏡電子束焊(1)偏轉(zhuǎn)線圈電子束焊(1)2電源系統(tǒng)（1）陰極加熱電源（2）聚束控制電源（3）陽(yáng)極高壓主電源（4）聚焦電源（5）偏轉(zhuǎn)電源（6）焊件驅(qū)動(dòng)電源3真空系統(tǒng)電子槍真空抽氣系統(tǒng)焊接室真空抽氣系統(tǒng)電子束焊(1)4真空焊接室5控制系統(tǒng)電子束焊(1)1.3.2電子束焊接的過(guò)程控制參數(shù)1焊接室內(nèi)的真空度

同樣電流和加速電壓的電子束，其焊縫的熔深、熔寬比隨著工作室真空度的降低而明顯減小。2電子束的線能量q=60UaIb/v電子束焊接過(guò)程中最有效控制參數(shù)3工作距離或焦點(diǎn)位置實(shí)驗(yàn)證明，采用負(fù)焦量，即焊前將電子束焦點(diǎn)調(diào)節(jié)在焊件表面以下板厚1/3處，可以獲得最大熔深及最佳焊縫成形。4聚焦電流

電子束焊(1)1.3電子束焊接的接頭設(shè)計(jì)、焊縫成形控制及應(yīng)用實(shí)例1.3.1電子束焊接的接頭設(shè)計(jì)

1可焊接頭形式

電子束焊(1)電子束焊(1)電子束焊(1)電子束焊(1)電子束焊(1)2接頭設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（1）對(duì)接一般應(yīng)是裝配間隙<0.1板厚（2）搭接優(yōu)先采用角接縫。板厚不等時(shí)，薄板應(yīng)放在上。（3）T形接頭優(yōu)先采用雙向角接，受力較小時(shí)才可采用翼板穿透接頭。1.3.2焊縫形成過(guò)程1電子束加熱的特點(diǎn)

能量集中，局部加熱2熔池的受力分析電子束焊(1)電子束深穿入過(guò)程示意圖電子束焊(1)FeFaFsFsFgFgFe+

Fa

Fs+

Fg簡(jiǎn)化為：Fa

Fs+

Fg電子束焊(1)電子束焊(1)1.3.4應(yīng)用前景及發(fā)展前景1應(yīng)用前景質(zhì)量或生產(chǎn)率要求高的產(chǎn)品。核工業(yè)、航空航天。核燃料密封罐、特種合金的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件、火箭推進(jìn)系統(tǒng)壓力容器；大批量生產(chǎn)中。汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪、焊管等；修復(fù)領(lǐng)域；將成為實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)焊接的強(qiáng)有力的工具。

電子束焊(1)2發(fā)展前景

開(kāi)發(fā)大功率電子槍電子束特性的定量研究雙槍電子束及填絲電子束焊焊接技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)大功率表面處理技術(shù)復(fù)合式電子束加工設(shè)備的研制非真空電子束焊焊接設(shè)備及工藝的研究和應(yīng)用電子束焊(1)a.除含鋅高的材料(如黃銅)、低級(jí)鑄鐵和未脫氧處理的普通低碳鋼外，絕大多數(shù)金屬及合金都可用電子束焊接，按焊接性由易到難的順序排列為鉭、鈮、鈦、鉑族、鎳基合金、鈦基合金、銅、鉑、鎢、鈹、鋁及鎂；b.可以焊接熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、溶解度相差很大的異種金屬；c.可不開(kāi)坡口焊厚大工件，焊接變形很小；能焊接可達(dá)性差的焊縫；d.可用于焊接質(zhì)量要求高，在真空中使用的器件．或用于焊接內(nèi)部要求真空的密封器件；焊接精密儀器、儀表或電子工業(yè)中的微型器件；e.散焦電子束可用于焊前預(yù)熱或焊后冷卻，還可用作釬焊熱源。電子束焊(1)接頭要求真空電子束焊接由于是在高純度低壓強(qiáng)的氣氛下進(jìn)行，焦點(diǎn)尺寸小，能量密度集中，單道焊時(shí)可不開(kāi)坡口，一般也不加填充材料，所以對(duì)焊接工藝提出如下特殊要求：1．電子束焦點(diǎn)必須正確對(duì)準(zhǔn)焊接線，偏差要求0.2-0.3毫米。2．對(duì)接縫的間隙約為0.1的板厚，但不能超過(guò)0.2毫米。3．焊前，接縫附近必須進(jìn)行嚴(yán)格的除銹和清洗，工件上不允許殘留有機(jī)物質(zhì)。電子束焊(1)真空電子束焊與激光焊的比較：

電子束焊接技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，10年后激光器誕生，激光加工技術(shù)的研究與應(yīng)用也隨即展開(kāi)。電子束與激光加工同屬于高能密度束流加工技術(shù)，應(yīng)用的領(lǐng)域大體相同，其能量密度在同一段數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)高于其他熱源。

與傳統(tǒng)焊接技術(shù)比較，激光焊接與電子束焊接都具有更多優(yōu)異的特性：□能量密度高（大于105W/cm2）；□焊接速度高（一般可以達(dá)到5~10m/min）；□熱影響區(qū)窄（僅