刘世艳电子束大作业

1、 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室 电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景 学生： 学号： 班级： 2013年6月29日 电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景综述：本文对电子束焊接的原理，运用时的优缺点及基本特点做出简单介绍；并对其在现在航空航天，汽车行业机械制造业等方面综述其运用，最后根据电子束焊接技术存在的问题及现有新技术的发展提出其将来的发展方向。1、 电子束焊接的原理 电子束焊是利用空间定向高速运动的电子束撞击工件表面后，将部分动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却凝固后形成焊缝。这种经过电子枪产生，并由高压加速和电子光学系统汇聚成的功率密度很高的电子束撞击到工件表

2、面，电子的动能转换为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊工件上钻出一个锁性小孔(见图 1)，小孔的周围被液态金属包围。随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却凝固成焊缝。2、 电子束焊接的优缺点2.1电子束焊接的特征由于高能量密度的电子束流集中作用的结果,使得电子束焊接熔池小孔的形成机理与其他熔化焊有所不同。根据真空度的不同,电子束焊接可分为高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接三种。电子束焊接过程是,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(其功率密度可达1041

3、09W/cm2),轰击置于真空或非真空的焊件时,电子的动能迅速转变为热能,熔化金属,实现金属焊接的目的。电子束焊接的特点可概括如下:(1)电子束斑点直径小,加热功率密度大,焊接速度快,焊缝宽度狭窄,热影响区小,特别适宜于精密焊接和微型焊接;(2)可获得深宽比大的焊缝,焊接厚件时可以不开坡口一次成形;(3)多数构件是在真空条件下焊接,焊缝纯洁度高;(4)规范参数易于调节,工艺适应性强。焊接工艺参数的重复性和再现性好;(5)适于焊接多种金属材料;(6)焊接热输入低,焊接热变形小。当然电子束焊接方法也有一些不足,如:(1)电子束焊机结构复杂,控制设备精度高,所需费用高;(2)冷却过程中快速凝固,引起

4、焊接缺陷,如气孔、焊接脆性等;(3)工件大小受真空室尺寸的限制,每次装卸工件要求重新抽真空。2.2 电子束焊接的基本特点2.2.1 极高的能量密度电子束的能量密度可达 107109W/cm2,比大功率氩弧高 24 个数量级。同时，电子束特殊的能量转换机构具有很高的能量转换效率。这样不但可以实现高速焊接（每分钟数十米），深穿透焊接（焊接厚度达 150mm（钢）和 300mm（铝合金），深宽比达 501），而且焊接时输送到焊件上的总能量和引起的焊接变形几乎比常规弧焊小一个数量级，对材料的热影响也相当小。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，极高的能量密度提供了用电子束焊接任何金属

5、，甚至包括陶瓷等非金属，以及复合材料的可能性。2.2.2 理想的保护条件众所周知，焊接技术的发展史是同研究不断改进和完善熔池的保护条件紧密联系着的。电子束焊接大多是在真空中进行的，真空是一种理想的保护环境，对焊缝金属和整个零件几乎没有任何污染。目前真空电子束焊接常用的真空度都在103104乇之间，这比工业用一级氩气的纯度要高几个数量级。这样纯净的环境，对熔化金属只有净化、提纯作用，而不会带来任何污染。此外，电子束本身是没有任何化学性质的，通常电子束焊接不需要另外填充材料，从而避免了热源和填充材料带来的污染。2.2.3 良好的可达性和可控性在所有的荷电基本粒子中，电子具有最小的质量（其静止质量为

6、 9.110-28g），很高的荷质比(1.74108c/g)，可以几乎无惯性的受到电场或磁场的控制。这样就使得电子束在目前已知的各种焊接热源中，成为一种最容易操纵的热源，它允许在很宽的范围内调节输送到工件上的热量，很精确地施加到接头处，并能在很大的距离（数十毫米到上千毫米）内输送能量。这样就可以对复杂零件不易接近部位、可达性差的接头进行焊接，也可焊接某些空间焊缝或遮挡焊缝(多层焊缝)。此外，电子束的功率和焦点直径都可以精确调整，这样其功率密度便可根据需要很方便地进行调节，既可以散焦在较大的面积上进行焊前预热或清理，也可以聚焦在很小的面积上实现精密焊接甚至切割，这是常规焊接热源无法实现的。近年来

7、随着电子束偏转技术的发展，在焊接电子束以极高的频率进行扫描的同时，人们可以对电子束的焦点位置和功率分布进行控制，这就允许同时在一个焊件上施焊多条焊缝。这是连采用激光束也很难实现的，进一步显示出电子束焊接良好的可达性和可控性。3、 电子束焊接在工业领域的应用 3.1电子束焊接在电子和仪表工业中的应用电子工业和仪表工业中使用的电子束焊接主要是高真空电子束焊接。电子束焊接技术可以解决电子工业和仪表工业中许多精密零件的焊接难题，例如封装焊接、高熔点金属焊接、集中加热焊接、穿透焊接等，焊接效率很高，因此电子束焊接技术对发展电子工业和仪表工业具有重要作用。3.1.1 电子元器件焊接（1）电子元器件管壳封口

8、焊接 电子束焊接加热集中，用电子束焊接来完成电子元器件的管壳封口是很合适的。它可以使离焊缝不远处的其它零件或原先的一次焊缝免遭损坏，能大大提高制管成品率。（2）电子管阴极的焊接阴极是电子管的心脏部件，由它发射出电子，因此要求它具有良好的工作性能。钡钨阴极具有大发射，耐轰击、抗中毒等特点，现已应用于多种微波电子管。钡钨阴极的基本零件是多孔钨（或称海绵钨）块与钼支持筒（或盘）。两者的装配或焊接一直是一个难题，在一定程度上影响电子管的可靠性和使用寿命。电子束焊接具有焊接高熔点的金属的能力，焊缝不受污染，因此利用真空电子束焊接来解决钡钨阴极的焊接问题是非常合适的。（3）特殊工件的焊接 电子工业中某些特

9、殊部件加工难度较大，可以采用组合焊接的方案来实施。某种聚束电极，材料为无磁性不锈钢，分几个零件精加工后利用电子束进行穿透焊接，焊后组件不必进行修饰加工。电子管热丝支架，制造时可以分成二段单独引伸加工，然后焊成一体。电子管环杆慢波线的结构，材料为铜，结构件由铣削机械加工和电火花切割加工制成。对于长度较长的环杆，受铣床或电火花加工机末导轨行程的限制，不能一次完成加工，用电子束焊接或电子束钎焊，可以得到满意的联接效果，环杆的精度、强度和刚性均符合设计要求。3.1.2 仪表元件的焊接（1）传感器的封装焊接有些小型部件对焊接有很高的要求，既要密封又要变形小，并且对某一区域的温升有严格的限制。 图2 振动

10、筒传感器 （图2）为一种振动筒传感器，材料是弹性合金3J53，振动筒（内筒） 壁厚0.060.07mm,表面粗糙度Ra0.025m。内筒与上盘为一整体，如用整体机械加工，则材料利用率和成品率均极低。采用分体加工和焊接方法则可得到极大改进，常规钎焊将影响振动筒的性能，弧焊不稳定。电子束焊接（焊缝A）可以满足设计要求，焊缝光滑、气密，而且不会影响筒壁的粗糙度和其它特性。外筒与上盘的焊接亦用电子束焊接（焊缝B），特别是这种振筒传感器要求内外筒之间的腔体具有一定真空度，在真空室内利用电子束将排气孔C密封是可行的。 （2）封装焊接真空电子束焊接用于内腔需要达到一定真空度的封装焊接十分有利。超导多股导线的

11、生产过程中有这样一道工序，即把多条超导线埋放在一个铜包套中，然后再进行多次拉丝加工，最后制成所需规格的线材。为了保证质量，避免在拉丝时产生鼓包庇病，要求铜包套中的空气尽量抽净。另外，超导材料的化学成份比例严格，不得混人其它杂质，所以真空电子束焊接是十分合适的。 （3）陶瓷与金属的焊接某种特殊仪器的一次仪表由金属电极与绝缘件组成，配合紧密（不渗漏），它工作于强腐蚀液和强幅照的环境之中，所以除了选用合适的金属件和 陶瓷材料之外，对密封联接必须具备耐腐蚀抗辐照的性能。为此，提出了电子束直接熔焊高铝陶瓷和金属妮的研究课题。因为高铝瓷与金属铌均能满足上述的工作环境，而且两者的熔点与膨胀系数均比较接近，电

12、子束焊接无第三种材料（钎料）介入，焊缝成分纯正，而且不会产生双金属 电动势，所以焊缝本身亦能工作于上述条件。3.2电子束焊接在汽车工业中的应用从电子束焊机的数量上统计，汽车工业是电子束焊接技术最大的用户，在世界范围内汽车工业应用电子束焊机数量接近总数的一半。尽管目前激光焊、摩擦焊和扩散焊等先进焊接技术都争相挤入汽车制造业，但非真空电子束焊接技术正凭借它焊接成本低、再现性和重复性好以及接头质量高的优势，在汽车工业上得到成功应用，并获得了引人注目的发展。汽车零件小到火花塞，大到后桥等几十种零件，都可以采用电子束焊接。早在20世纪60年代，美国就已经把非真空电子束焊接引入到批量汽车零件的生产中，每天

13、能生产25 000个零件。近几年欧洲汽车制造商也开始采用该技术，一方面该技术可以在汽车生产线上连续进行；另一方面汽车上采用了一些铝合金零件，而非真空电子束焊接汽车用铝合金可获得质量良好的焊接接头。德国采用一种基于 X、Y、Z三向转换模式的新的非真空电子束焊接系统，每天可以生产2000个焊件。20世纪80年代中后期，在中国电子束焊接装置从实验室研究过渡到生产应用，电子束焊接开始应用于汽车零部件的生产。3.2.1汽车齿轮电子束焊机国内研发的EBW-G系列焊机，不仅应用于中、小型卡车变速箱齿轮焊接，亦用于小轿车、商务车变速箱齿轮焊接。截止到2004年，该类电子束焊机已有65台应用于生产实际，并出口到

14、韩国2台。设备运行安全可靠，自动化程度与生产效率很高，可每天两班制运行。3.2.2 液力变矩器涡轮总成EBW-6T型专用电子束焊机安装在上海离合器厂，年生产率可达10多万件。该件由涡轮轴套、涡轮外环和焊接环3部分构成。焊缝位置如图2所示，整个零件采用两条穿透型焊缝，将零件的3个部分连接成一个整体。两圈焊缝均为不封闭焊缝，内外环焊缝未封闭的开口位置必须相错30。液力变矩器总成壳体需采用填丝电子束焊接以确保涡轮与导轮的同轴度。填丝电子束焊接作为其最后一道生产工艺，焊接质量的好坏关系到产品的内在性能及外观质量。3.2.3 铝合金汽车驾驶舱横梁 为了减轻小汽车质量，驾驶舱横梁采用铝合金替代钢件，这是近

15、年来的发展趋势。铝件结构焊接要达到高质量，电子束焊接是最佳选择。它由2块变截面，直角型防锈硬铝板冲制后再焊接而成。在横梁上要安装多种仪表及驾驶杆，其固定位置需精确定位，因此要求该零件焊后变形要很小。另外，为保证发生交通事故时要有足够的抗冲击强度保护驾驶员，为此对焊接质量要求很高。该零件尺寸较大，焊缝不仅不在同一轴线上，亦不在同一平面上。因此在焊接过程中既要在每一区域内变换轴线，又要变换焦距，具有一定技术难度。3.2.4 涡轮增压器涡轮增压器是由一个涡轮在高温沸气的推动下高速旋转，带动同轴的另一个涡轮旋转，压缩吸入的新鲜空气，再经过中间冷却器降温后进入进气管，提高了发动机的充气系数，使得燃油的燃

16、烧更有效、更完全。涡轮增压器用于汽油机，能使燃油经济性提高15%。涡轮部分是高温合金，经精密铸造而成，如GH132等，轴杆部为40CR等轴类钢材，两部分经电子束焊接成为整体，既保证了头部涡轮体的耐高温性能，又使轴部有足够的强度及硬度。采用电子束焊不仅产品质量好，而且成品率非常高。国内一些厂采用摩擦焊，质量不能保证，有相当多的废品。3.2.5 行星轮架重型卡车、越野车以及其他一些要求有大变速比的变速机构，一般采用行星变速器。该部件的轮架结构如图3所示，托盘与传动轴是靠几个（图中5个阴影部分所示）梯形块（亦有其他复杂形状）焊接而成，它们共同特点是各部位焊接深度不一样，因此采用变参数进行焊接（一般采

17、用变束流）。该部件若用其他焊接方法则变形量太大，不适用。采用电子束焊后，加工和材料费用与原来整体壳体毛坯加工方法相比可降低费用达30%40%。3.3电子束焊接在航天工业中的应用 航空、 航天业大多要求各种焊接结构具有高强度、低重量和极高的可靠性。电子束焊接本身所固有的某些特点成功地解决了这类结构中的很多关键技术问题。所以在国内外的航空和航天工业中，电子束焊接已成为最可靠的连接方法之一。其焊接的对象十分广泛， 在控制系统的电子、 电器元件、 过滤器、 波纹管、 膜盒、 波导管之类的小型、 精密零 （组）件， 发动机的推力室， 以及弹体的大型承力结构件上都有应用。宇航技术中所用的各类火箭、卫星、飞

18、船以及空间站等的结构件、发动机， 以及所用的各种仪器都有一些共同特点：不仅要求零部件质量极其可靠，能经受各种恶劣环境，而且要求零件尺寸小，重量轻，密封性好。这对航天器的结构设计、材料选择及加工工艺都提出了极为苛刻的要求，实践证明电子束焊接作为一种有效的熔焊方法，是解决这些技术难题的有效工艺手段之一。3.3.1 舱外航天服承力结构主体舱外航天服是航天员执行出舱活动的基本保障系统，而躯干壳体是航天服的重要骨架。作为承力结构主体，躯干壳体对其外形结构尺寸有严格的要求，若采用常规熔化焊接方法，由于焊接变形等因素，易造成尺寸超差。根据躯干结构特点，采用电子束焊接连接门边框与躯干薄壁壳体，可以充分发挥高能

19、束焊接质量高、变形小的优点。3.3.2 火箭发动机燃烧室身部 发动机燃烧室身部采用铜胎上电铸金属与不锈钢焊接结构， 焊接难处在于2种焊接金属的物理化学性能差别很大， 接头易产生有害杂质偏析， 导致在较大的焊接应力下开裂。电铸层如果受高热还会发生电铸层结合削弱、 剥离的情况。此外， 电铸金属层所带磁性对电子束有很大影响， 电子束焊接前零件需整体退磁，电子束路径还需采用磁场屏蔽等手段。电子束焊接燃烧室身部时使用高压型电子束焊机，采用硬规范焊接，高焊速，尽量减少焊接热量和控制变形，降低接头应力，防止易熔夹层的形成。严格控制焊接热输入量以防止电铸金属层与铜胎之间的电铸结合力因过热而降低，并导致开裂。3

20、.3.3 钛合金方向舵弹体部件中方向舵是典型的轻质化、高刚度的复杂结构件，由舵芯和蒙皮组成，材料为钛合金。方向舵焊接后对产品外形有非常严格的要求，焊接过程要严格按筋幅顺序进行正反面编程焊接，控制焊接变形。由于电子束焊接一般在真空中进行，对钛合金焊接有天然良好的保护环境，可以保证焊接接头质量良好。3.3.4 波纹管组合件波纹管组合件是航天发动机产品中利用电子束焊接的一个主要部分。航天发动机活门一般采用多层金属波纹管作动密封元件，执行指令时，波纹管组合件的动作部分要工作灵活、无卡滞。尤其在液氢温度下可以显示无可比拟的优点。因此，制造过程中必须保证波纹管组件焊缝气密无泄漏和运动付活动灵活，这就要求波

21、纹管组件要有合理的结构和可靠的生产工艺，其中，制造的关键是波纹管的焊接。真空电子束焊接波纹管的接头强度高，可将焊接的变形量减至最小；精密配合的零件不会出现卡滞、抱死情况；焊缝致密、美观，可靠性高。3.3.5 火箭推力喷管新发动机提出了变推力以及多次、长时间执行飞行任务的需求，这对推力室身部结构、内外壁连接强度等方面提出了更高的要求。推力喷管由多筋内壁和薄壳蒙皮组成，其中，长短筋有近200条，焊接时要解决对筋盲焊问题和控制变形，通道不允许堵塞，所有焊缝不允许有隔断虚连。采用电子束焊接将内外壁逐筋连接焊接，可以解决这些问题。3.3.6 发动机空心长轴某发动机的空心长轴由7个零件组合焊接而成。空心长轴是发动机的芯轴， 工作转速高达2000030000r/min，如果由于制造原因引起轴的质心不对称，会使轴在高速旋转时产生离心力系的不平衡，导致整个系统产生周期性振动，后果是灾难性的，因此对轴的制造精度要求很高。电子束焊接既要发挥焊接变形小的特点，也要兼顾各段焊接时的相互作用干扰，以保证焊接后的整体轴跳动符合要求，必要时可以采用电子束热校形