焊接高级技师培训教材(电子束焊)

1、焊接技师培训教材（电子束焊）焊接技师培训教材（电子束焊） 张明录2021/9/121一二三四五目录 电子束焊电子束焊概述焊的焊电子束接设备电子束焊的焊接参数常用材料的电子束焊电子束焊的安全防护2021/9/122概念电子束焊是利用聚焦的高速电子束，轰击置于真空或非真空中的焊件接缝所产生的热能进行焊接的方法。 第一节电子束焊概述2021/9/123电子是物质的一种基本粒子，通常情况下他们围绕原子核高速运转。当给电子一定的能量，他们能脱离轨道跃迁出来。加热一个阴极，使得其释放并形成自由电子云，当电压加大到30到200kv时，电子将被加速，并向阳极运动。 一.电子束焊的原理第一节电子束焊概述2021

2、/9/124热阴极（或灯丝）发射的电子，在真空中被高压静电场加速，经磁透镜产生的电磁场聚集成功率密度高达1.510(瓦厘米(的电子束(束径为0.251毫米),轰击到工件表面上,释放的动能转变为热能,熔化金属，焊出既深又窄的焊缝（深宽比可达10:130:1），焊接速度可达125200米/时,工件的热影响区和变形量都很小。如图所示： 一.电子束焊的原理第一节电子束焊概述2021/9/125 一.电子束焊的原理第一节电子束焊概述电子束焊原理图2021/9/126电子束的焊接工作室一般处于高真空状态，真空工作室为焊接创造高纯洁的环境，因而不需要保护气体就能获得无氧化、无气孔和无夹渣的优质焊接接头。随着

3、工作室气压的增加，电子束散焦程度增大，焊缝的深宽比减小。 一.电子束焊的原理第一节电子束焊概述2021/9/127(1)功率密度高电子束焊常用的加速电压为30150 kV，电子束电流为201000mA，聚焦后的电子束焦点 直径约为0.11mm，所以，电子束的功率密度可达10 4109W/cm2。1.电子束焊的优点 二.电子束焊的特点第一节电子束焊概述2021/9/128(2)快速、精确地控制通过电场、磁场可对电子束作快速、精确的控制，而激光只能通过透镜和反射镜控制，速度较电子束慢。(3)穿透能力强电子束斑点尺寸极小，功率密度大，穿透能力强，焊缝深宽比(深度与宽度比)达501，可一次焊透的不锈钢

4、。 二.电子束焊的特点第一节电子束焊概述2021/9/129 二.电子束焊的特点第一节电子束焊概述深宽比通常在50：12021/9/1210(4)焊接速度快电子束焊能量集中，熔化速度快，一般焊接速度在1000mm/min以上。(5)焊件变形小电子束焊时，功率密度大，焊缝自上到下宽度均匀，称为“平行焊缝”。(6)焊缝性能好电子束焊时，高温作用时间短，合金元素烧损少，能避免焊接接头晶粒长大，使焊接接头力学性能好，焊缝抗腐蚀性能高。 二.电子束焊的特点第一节电子束焊概述2021/9/1211(7)焊接金属质量高在真空环境中焊接，不仅可以防止熔化金属受到氢、氧、氮等有害气体的污染，而且还有利于焊缝金属

5、的除气和净化。(8)电子束容易受控焊接参数易于精确调节，通过控制电子束的偏移，可以实现对复杂焊缝的自动焊接，在焊接过程中可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，从而提高焊接接头质量。 二.电子束焊的特点第一节电子束焊概述2021/9/1212(9)可焊接材料多不仅能焊接金属和异种金属材料的接头，还能焊接非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。(10)自动化程度高电子束焊焊接参数容易实现机械化、自动化控制，在焊接过程中，重复性、再现性好，确保产品质量的稳定性。 二.电子束焊的特点第一节电子束焊概述2021/9/12131)设备比较复杂，价格昂贵。2)电子束焊接时，焊件的尺寸常受到真空室尺寸的限制。3)焊前对焊

6、件的加工、装配要求比较严格，准备工作比较仔细。4)电子束容易受杂散的电磁场的干扰，影响焊接质量。5)电子束焊接过程中，将产生X射线，需要严加防护，以保证操作人员的健康和安全。2.电子束焊接的缺点 二.电子束焊的特点第一节电子束焊概述2021/9/12141)高压电子束焊(120kV以上)，工业上常用的高压真空电子束焊机的加速电压为150kV，功率一般都小于40kW。2)中压电子束焊接(60100kV)，常用的中压真空电子束焊机的加速电压为60kV，功率一般都小于75kW。3)低压电子束焊(40kV以下)。 三.电子束焊的分类第一节电子束焊概述1.按电子束加速电压高低分类2021/9/1215(

7、1)高真空电子束焊焊接是在10-410-1Pa的压强下进行的，良好的真空条件，可以很好地保护焊缝熔池，防止金属元素的氧化和烧损(2)低真空电子束焊焊接是在10-110Pa的压强下进行的，虽然真空度不高，但是，在10-110Pa的压强下，束流密度及其相应的功率密度的最大值，与高真空的最大值相差很小。(3)非真空电子束焊(大气中)成本低、效率高，在汽车生产线上可连续进行焊接。2.按被焊材料所处环境的真空度分类 三.电子束焊的分类第一节电子束焊概述2021/9/1216 全真空电子束焊接 局部真空电子束焊接中功率电子束焊接(30-60KW)小功率电子束焊接(30KW以下)大功率电子束焊接(60KW以

8、上)4.按功率不同分类 三.电子束焊的分类第一节电子束焊概述3.按焊件在真空室中位置分类2021/9/1217普通电子束焊接脉冲电子束焊接 三.电子束焊的分类第一节电子束焊概述5.按照深穿加热特点2021/9/1218高压电源及控制系统 电子枪真空工作室 真空系统 工作台和辅助装置 指标1额定加速电压 120kV，纹波系数1%，稳定度1% 2额定电子束流50mA，纹波系数1%，稳定度1% 一.焊接设备组成第二节电子束焊的焊接设备2021/9/1219 1. 电子枪特征分类：1）直热式和间热式2）定枪式和动枪式3）二级枪和三极枪 一.电子枪第二节电子束焊的焊接设备2021/9/1220(2)间接

9、加热式阴极在加热灯丝和阴极之间应加几千伏的电压，使阴极受到热电子的撞击而升温，这种电极的热惯性大、寿命长、形状稳定。(1)直接加热式阴极加热电流的类型和大小是影响阴极寿命、电子束稳定的主要因素。 一.电子枪第二节电子束焊的焊接设备2021/9/1221(1)高压电源直流高压电源是用来建立阴极-阳级之间的高压电场，对于保证电子束斑点的质量、参数的稳定、聚焦和偏转等起到很重要的作用。 二.供电电源第二节电子束焊的焊接设备2021/9/1222(2)阴极加热电源直热式阴极加热电源应采用具有良好滤波的直流电源，要求不高的专用电子束焊机也可以采用交流电供电。(3)偏压电源为了使电子束流在允许的范围内稳定

10、，偏压电源及其控制系统应具有良好的调节特性(一般能在1002000V之间调节)。 二.供电电源第二节电子束焊的焊接设备2021/9/1223 三.真空系统第二节电子束焊的焊接设备,电子束焊真空系统中，用于电子枪和工作室的抽真空。分别以机械泵、油扩散泵和涡轮分子泵对应于抽低、中、高真空。2021/9/1224 四.真空室第二节电子束焊的焊接设备用以提供真空环境及使操作者与电子束隔离，以免受X射线幅射。尺寸及形状取决于焊机用途和焊件形状及尺寸，一般采用矩形或圆柱形，容积由数升到数千立方米。2021/9/1225 五.运动系统第二节电子束焊的焊接设备运动系统由工作台、转台及夹具组成。目的是使电子束与

11、焊件循焊接路线实行相对(焊件不动，电子枪动，或反之)运动。2021/9/1226 六.电气控制系统第二节电子束焊的焊接设备电气控制系统目前已大都采用程控技术，焊接过程已可实现全自动化。2021/9/1227 七.辅助系统第二节电子束焊的焊接设备辅助系统含电子束束斑品质测量和对焊缝的观察及跟踪两部分。前者直接影响焊接质量，故检测束流焦点位置和束斑品质极为重要。2021/9/1228 焊缝纯度高 工艺参数调节范围广和适应性强 可焊材料多加热功率密度大 焊缝熔深熔宽比大焊接速度快和焊缝热物理性能好工艺特点工作距离聚焦电流加速电压电子束电流焊接速度工艺参数 电子束焊工艺、特点第三节电子束焊的焊接参数2

12、021/9/1229提高加速电压可增加焊缝的熔深，当焊接厚大件并且要求得到窄而平行的焊缝，或电子枪距焊件较远时，都可以提高加速电压进行焊接。 一.加速电压Ua第三节电子束焊的焊接参数2021/9/12301)改变束流，在焊接不同厚度的材料时，可以得到不同的熔深。2)在厚大件焊接时，由于焊接速度较低，随着焊件温度的增加，焊接电流要逐渐的减小。3)环缝焊接时，在环缝的起始和收尾处，为了获得良好的搭接质量，要控制束流的递增和递减。 二.电子束流Ia第三节电子束焊的焊接参数2021/9/1231 三.聚焦电流If第三节电子束焊的焊接参数调节聚焦电流的大小，可改变电子束的聚焦状态，从而大大影响焊接熔深及

13、焊缝成型，当聚焦电流过大，电子束焦点定位于焊件的上方时，称为上焦点。电子束焦点定位于焊件的表面时，称为表面焦点（表面聚焦）。电子束焦点定位于焊件的表面以下的焊件内部时，称为下焦点（下聚焦）。下焦点时焊接熔深最大，上焦点时焊接熔深最小。2021/9/1232 四.焊接速度vb第三节电子束焊的焊接参数电子束焊的热输入，与焊接功率成正比，与焊接速度成反比。焊接速度与电子束功率一起决定着焊缝的熔深，焊缝的宽度以及被焊材料熔池的冷却、凝固和焊缝熔合线形状。2021/9/1233 五.工作距离H第三节电子束焊的焊接参数电子枪与焊件表面距离会影响电子束的聚焦程度，如果电子枪与焊件表面距离变小，此时电子束的压

14、缩比增大，电子束斑点直径变小，电子束的功率密度将会增加。但是，电子枪与焊件表面距离过小，也会造成过多的金属蒸汽进入电子束枪体内部，形成放电现象。所以，在不影响电子束稳定工作的前提下，尽可能采取较短的工作距离。2021/9/1234 一.碳素钢的电子束焊第四节常用材料的电子束焊碳素钢电子束焊具有良好的焊接性。中碳钢也可以用电子束焊，但随着含碳量的增加，焊接性变差。含碳量大于0.5%的碳素钢用于电子束焊时，开裂现象比手弧焊低，但需焊前预热和焊后热处理。2021/9/12351)焊前用化学方法，仔细清洗待焊处及对接边缘的油、污、锈、垢及氧化膜。2)采用小功率电子束机焊接前，要对焊件进行仔细的清洗、预

15、热和焊后热处理。3)从结构设计角度考虑，尽量避免焊缝金属承受弯曲负载；从焊件焊前在夹具上进行装配时，要考虑焊缝冷却时因收缩而产生的应力。 二.难熔金属的电子束焊第四节常用材料的电子束焊2021/9/1236部分难熔金属电子束焊的焊接参数 第四节常用材料的电子束焊2021/9/12371)如果铝合金中含有较多的强化元素镁和锌，由于它们的蒸发温度低，蒸汽压高，在焊接过程中会造成这些元素的蒸发损失，既影响了铝合金的化学成分，又因为金属蒸汽而导致焊接过程的不稳定。 三.铝及铝合金的电子束焊第四节常用材料的电子束焊2021/9/12382)热处理强化铝合金焊接时，会在焊接接头出现退火软化区。 焊件表面在

16、焊前应用化学方法清洗，仔细清洗待焊处及对接边缘的油、污、锈、垢及氧化膜。 为了减小焊接变形，提高焊接接头的力学性能，应该选用高电压、小电流以及高的焊接速度，以减小热输入。 三.铝及铝合金的电子束焊第四节常用材料的电子束焊2021/9/1239 焊接含有锌、镁元素的高强度铝合金时，为防止过量的金属蒸汽，应该适当降低电子束的能量密度。铝及铝电子束焊的焊接参数见表9-2。铝及铝电子束焊的焊接参数 三.铝及铝合金的电子束焊第四节常用材料的电子束焊2021/9/1240纯铜电子束焊的焊接参数 四.纯铜的电子束焊第四节常用材料的电子束焊2021/9/12411)焊前用化学方法，仔细清洗待焊处及对接边缘的油

17、、污、锈、垢及氧化膜。2)填充焊丝或填片在焊前要进行真空退火除氢。3)薄板焊接时，应采用卷边接头形式。 4)对于高温条件下使用的钛合金焊件，其工艺流程是：退火-焊接-固熔处理-时效。5)对于在其他条件下使用的钛合金焊件，其工艺流程是：固熔处理-时效-焊接。 五.钛及钛合金的电子束焊第四节常用材料的电子束焊2021/9/12426)为防止焊缝金属晶粒长大，应选用高电压、小束流的焊接参数进行焊接。钛及钛合金电子束焊的焊接参数 第四节常用材料的电子束焊2021/9/12431)难熔金属的焊接。如对钨、钼等金属进行焊接,可在一定程度上解决此类材料焊接时产生的再结晶发脆问题;2) 化学性质活泼材料的焊接

18、。如对铌、锆、钛、钛合金、铝、铝合金、镁等金属及其合金进行焊接;3)耐热合金和各种不锈钢、镍基合金、弹簧钢、高速钢的焊接;4) 对不同性质材料的焊接。如对钢与青铜、钢与硬质合金、钢与高速钢、金属与陶瓷, 以及对厚度相差悬殊零件的焊接。 电子束焊的应用范围第四节常用材料的电子束焊2021/9/1244电子束焊接技术在汽车制造中的应用 电子束焊的应用范围第四节常用材料的电子束焊桥壳结构示意图1.轴头环焊缝 2.法兰盘环焊缝 3.法兰盘 4.轴头 5.半桥壳 6.纵向焊缝2021/9/1245铜钢异种金属电子束焊接 电子束焊的应用范围第四节常用材料的电子束焊2021/9/1246电子束焊接新技术 电

19、子束焊接输入能量控制技术多焦点、多束2021/9/1247 一.焊接缺陷与防治电子束接头也会出现未熔合、咬边、焊缝下陷、气孔、裂纹等缺陷。电子束焊缝特有的缺陷有熔深不均、长空洞、中部裂纹和由于剩磁或干扰磁场造成的焊道偏离接缝等。 熔深不均出现在不穿透焊缝中。当在焊缝底层还出现孔洞时，称为焊缝底层钉形缺陷。长空洞及焊缝中部裂纹都是电子束深熔焊接时所特有的缺陷，降低焊接速度，改进材质有利于消除此类缺陷。 第五节电子束焊的焊接缺陷2021/9/1248 二.焊接缺陷与防治非穿透焊缝底层纵剖面金相照片 第五节电子束焊的焊接缺陷2021/9/1249 五.焊接缺陷与防治第三节电子束焊的焊接参数这种缺陷是

20、高能束流焊接所特有的，它与电子束焊接时熔池的形成和金属的流动有密切的关系。加大束斑直径可消除这种缺陷。将电子束做圆形扫描，有利于消除熔深不均。改变电子束焦点在工件内的位置也会影响到熔深的大小和均匀程度。适当地散焦可以加宽焊缝，有利于消除和减小熔深不均的缺陷。2021/9/1250 一.(6)电子束扫描和偏转在焊接过程中，采用电子束扫描可以加宽焊缝，降低熔池冷却速度，消除熔透不均等缺陷，降低对接头准备的要求电子束扫描是通过改变偏转线圈的励磁电流，从而使横向磁场变化来实现的。常用的电子束扫描图形有正弦形、圆形、矩形、锯齿形等。通常电子束扫描频率为1001000Hz，电子束偏转角度为27。电子束扫描还可