2023年电子束焊现状与发展趋势范文.docx

天道酬勤 电子束焊现状与开展趋势 摘 要 简要介绍了电子束焊接技术的开展、根本原理以及应用范围。着重介绍了电子束钎焊、活性剂电 子束焊接、电子束复合焊接、电子束填丝焊、局部真空电子束焊接、电子束扫描焊接等电子束焊接新 技术在国内的研究现状，并对电子束焊接未来的开展做出了展望。 Abstract The development, basic principles and application scope of electron beam welding technology are briefly introduced.  It focuses on the domestic research status of electron beam brazing, activator electron beam welding, electron beam hybrid welding, electron beam filler wire welding, partial vacuum electron beam welding, and electron beam scanning welding.  Prospects for the future development of beam welding. 关键词: 电子束焊接；焊接新技术；研究进展 Key words: Electron beam welding; new welding technology; research progress 前言：电子束的发现迄今已有 100 多年的历史。电子束焊接技术起源于德国，1948 年前西德物理学家 K．H．Steigerwald 首次提出电子束焊接的设想；1954 年法国的 J．A．Stohr 博士成功焊接了核反响堆燃料包壳，标志着电子束焊接金属获得成功；1957 年 11 月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上公布了该技术，电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；1958 年开始，美国、英国、日本及前苏 联开始进行电子束焊接方面的研究，20 世纪 60 年 代后，我国开始从事电子束焊接研究。 随着航空、航天、微电子、核能、交通运输及国防工业的飞速开展，各种高强度、高硬度、高韧性的 铝合金、镁合金、钛合金和耐高温合金等金属材料以及复合材料广泛应用，加之构件形状日趋复杂化， 对焊接工艺、加工精度和外表完整性提出了更高的要求。传统的焊接工艺难以适应高技术制造领域的开展趋势，对这些材料采用包括电子束焊接在内的高能束焊接技术优势较大。电子束焊接是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。它具有传统焊接方法难以比较的优势和特殊功能：焊接能量密度高 (107 ～109 W／cm2 )，容易实现金属材料的深熔透焊接， 焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好[1]。 随着该技术的日趋成熟和广泛应用，电子束焊接在技术和工艺(电子束钎焊、电子束填丝焊、电子束扫描焊接、活性剂电子束焊接、局部电子束真空焊接、电子束焊－钎焊复合焊、电子束－等离子弧复合焊接)方面都取得了重要进展。在此介绍电子束焊 接的最新研究进展，并对其未来开展作出展望。 目录 摘 要 II 关键词: II 前言：III 一、 电子束焊技术简介 1 1、 电子束焊根本原理 1 2、 电子束焊接技术特点 1 3、 电子束焊接的分类 2 二、 电子束焊的研究开展现状 2 1、 国外电子束焊接技术的研究开展现状 2 2、 国内电子束焊接技术的研究开展现状 3 三、 电子束焊接新技术 4 1、 电子束钎焊 4 2、 活性剂电子束焊接 4 3、 电子束复合焊接 5 4、 电子束填丝焊 6 5、 局部真空电子束焊接 6 6、 电子束扫描焊接 6 四、 电子束焊接技术的开展趋势 7 1、 开展大功率的中压型或高压型焊机 7 2、 开展具有大容积焊接工作室的真空电子束焊机 7 3、 开展具有更大灵活性的动枪式焊机 7 4、 开展计算机化的真空电子束焊机 8 5、 真空电子束焊机的自动生产线 8 五、 结语 8 参考文献 8 一、 电子束焊技术简介 1、 电子束焊根本原理 电子束焊是利用空间定向高速运动的电子束撞击工件外表后，将局部动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却凝固后形成焊缝。 图 1 电子束焊接焊缝成形原理 图1 电子束焊接焊缝成形原理 这种经过电子枪产生，并由高压加速和电子光学系统会聚成的功率密度很高的电子束撞击到工件外表，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、凝固形成焊缝。 2、 电子束焊接技术特点 第一，电子束焊接能量密度很高，对于任何材料，包括高熔点钨、钼等材料，其焊缝都能快速熔化。一般靠零件自身材料熔接而成。 第二，电子束焊接在真空中进行，可防止材料氧化及其它有害气体侵入。 第三，电子束焊接不仅能量密度高，可以获得很大的焊缝深宽比，焊缝又深又窄，因而焊接零件变形小。 第四，焊接两种物理性质差异大(如热传导或热容量) 的材料所构成的零件时，两种材料可同时瞬间熔化再快速凝固。 第五，电子束可以聚得很细，偏转方便，所以可焊很精细零件。可焊难以到达的焊接点，因此对特殊结构和特别精细的零件用电子束焊接是非常适宜的。 第六，能量密度高，焊接速度快，热影响区范围很小。 3、 电子束焊接的分类 按照电子束加速电压的不同，即按电子束热源特点的不同，可有高(电)压电子束焊接、中(电)压电子束焊接和低(电) 压电子束焊接之分；按保护焊接熔池金属的环境不同，有高真空、低真空和非真空电子束焊接之分；按焊接时整个焊件是否完全处在真空室内，有全真空和局部真空电子束焊接之分。 二、 电子束焊的研究开展现状 1、 国外电子束焊接技术的研究开展现状 全球电子束焊接技术较先进的国家是德国、日本、美国及法国等。目前，在工业应用中实际应用的电子束焊接设备一般小于150kW ，加速电压在200kV以内。一次可焊最大厚度钢板约为300mm，铝合金约50mm。在电子束焊接设备的研制开发上具有实力的国家及公司有：德国的PTR精密技术、英国的剑桥真空工程及英国焊接研究所( TMI)、法国的TECH2META公司以及乌克兰的巴顿电焊研究所等。在日本，加速电压600kV 、功率300kW的超高压电子束焊机已问世，一次可焊200mm的不锈钢，深宽比达70：1。德国阿亨大学研制的DIABEAM系统，对电子束特性进行了定量研究。分析了电子束流品质、焦点对焊缝成形的影响。日、俄、德开展了双枪及填丝电子束焊技术的研究。在对大厚度板第一次焊接的根底上,通过第二次填丝来弥补顶部下凹或咬边缺陷；日本采用双枪实现了薄板的超高速焊接，反面无飞溅，成形良好。法国研制成功的双金属和三金属薄带材电子束焊机也颇引人关注。随着电子束焊接技术在各工业领域的渗透应用，特别是其在精密加工、原子能及航空航天领域的应用前景，使得各国的研究者竞相展开了对电子束焊接根底理论及应用技术的研究。美国、独联体各国的研究人员利用电子束对碳钢、合金钢、不锈钢、钛合金、铝合金及高强钢等材料进行了焊接工艺试验，对于电子束焊接工艺参数(加速电压、焊接电流、焊接速度、聚焦电流、焦点位置等) 对接头组织及性能的影响进行了研究，为合理的优化焊接工艺、保证焊接接头的质量提供了理论依据。 2、 国内电子束焊接技术的研究开展现状 20世纪60年代初，我国开始跟踪世界电子束焊接技术的开展，并开始了电子束焊接设备及工艺的研究工作。航空工业总公司北京航空工艺研究所、广西桂林电器科学研究所及中科院沈阳金属研究所均是较早开展此项工作的单位。至今已研制生产出不同类型和功能的电子束焊机上百台。近20年来，出现了关键部件(电子枪、高压电源等) 引进、其它部件国内配套的引进方式，我国研制成功了国内第一台生产中使用的GDH—15型高压电子束焊机：加速电压为150kV，功率为15kW。此焊机已在航空动力机械制造中使用，解决了航空发动机关键部件的焊接,产品返销国外。北京航空工艺研究所在1992年研制成功了ZD150—5A型高压电子束焊机，此焊机是国内第一台自行设计、自行制造的高压电子枪和大型真空室的高压电子束焊机，填补了国内空白，到达当时世界先进水平。我国的中小功率电子束焊机已接近或赶上国外同类产品的先进水平，有明显的性能价格比优势。近20年来，有关电子束焊接的文献大多集中在焊接工艺参数的优化、焊接冶金和穿透机理的研究、焊接技术的应用及焊接接头根本力学行为等方面。在我国，电子束焊焊接技术在工业中将进一步应用，但需解决的问题是：焊接可靠性，稳定性及质量在线检测技术的开展；新产品设计与电子束技术的有机结合；焊缝自动对中与跟踪的自适应控制技术的开展；深穿透机理及电子束与材料交互作用等物理现象的进一步探求。 三、 电子束焊接新技术 1、 电子束钎焊 图 2 钎焊接头示意 图2 钎焊接头示意图 真空电子束钎焊作为一种高质量、高效率、精确控制的制造技术，对各种精密、复杂部件的连接制造具有非常重要的意义。用电子束作为加热源进行真空钎焊，就是用电子束高速扫描，使电子束由点热源转化为面热源，实现零件的局部高速均匀加热。该工艺具有普通真空钎焊无法比较的优越性，如高温停留时间短、大大减少钎料对母材的溶蚀、输入能量精密可控、能量输入路径可任意编辑等[3]。近年来国内外已通过电子束钎焊技术实现了陶瓷零件[4]、碳－碳复合材料[5]、立方氮化硼与碳化钨基体[6] 以及换热器管板结构[7]的连接。在国内，电子束复合加工技术应用尚未普及，仅某航空研究所对飞机换热器管板结构进行过初步研究。 李少青等人[8]分别采用电子束钎焊对不锈钢管板进行连接。结果说明，接头部位的钎缝均匀圆滑， 钎焊透率 100％，满足技术标准要求，如图 2 所示。 2、 活性剂电子束焊接 将活性剂应用于电子束焊也是目前活性焊接研究的重要领域之一。在一定条件下，活性剂对电子束焊的熔深影响很大，现已逐步形成了活性电子束焊的新技术。 与传统电子束焊相比，活性电子束焊的特点为[9]：(1)使用活性剂可明显减小熔池上部宽度，改变熔池形状。 (2)SiO2、TiO2、Cr2O3 单组元活性剂对电子束焊接熔深增加有影响。 (3)由 SiO2、TiO2、Cr2O3 等组成的多组元不锈钢 电子束焊活性剂，可使聚焦电子束焊接熔深增加两倍多。 (4)使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有影响。柴国明等人对用电子束活性剂焊接 TA15 板材进行堆焊实验。结果说明，活性剂对熔池形状有很 大影响，通过添加活性剂改变外表张力梯度，改善了焊缝咬边。 樊丁等人[10－11]分别对6 mm 厚 LF21 铝合金和10 mm 厚不锈钢进行实验，结果说明，用电子束焊 接铝合金，外表张力梯度改变理论对铝合金熔深增加的作用不明显。电子束焊接不锈钢使用活性剂可增加电子束焊的熔深，使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有较大影响。 随着对活性焊接机理的进一步研究，新的高效活性焊接法将得到应用。 3、 电子束复合焊接 图 3 电子束－等离子弧原理示意 近年来，哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法，即电子束－等离子弧焊接，如图 3 所示。它采用电子束与等离子弧相串联，叠加起来进行焊接，电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气，穿过等离子弧后熔化金属进行焊接。这样可以减小电子束的能量损失，也有助于稳定等离子弧， 等离子弧可以很好的保护焊接熔池，并作为附加热源预热工件，有助于改善焊缝成形，增加熔深。 4、 电子束填丝焊 与自熔性电子束焊接相比，电子束填丝焊接具有许多特殊的优点。填充焊丝的电子束焊接技术放宽了对间隙和对接面加工精度的要求，从而降低了工艺难