电子束焊接应用新技术及发展趋势.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流电子束焊接应用新技术及发展趋势.精品文档.电子束焊接应用新技术及发展趋势1 电子束焊接方法电子束焊接(EBW)是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25300 kV)加速电场作用下被拉出,并加速到很高的速度(0.30.7倍光速),经一级或二级磁透镜聚焦后,形成密集的高速电子流,当其撞击在工件接缝处时,其动能转换为热能,使材料迅速熔化而达到焊接的目的,见图1。其实,高速电子在金属中的穿透能力非常弱,如在100 kV加速电压下仅能穿透0.025 mm。但电子束焊接中之所以能一次焊透甚至达数百毫米,这是因为焊接过程中一部分材料迅速蒸发,其
2、气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开,露出新的底面,电子束继续作用,过程连续不断进行,最后形成一深而窄的焊缝1。图1 三级电子枪结构示意图2 电子束焊接技术研究发展现状电子束焊接技术以其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、能焊接难熔及异种金属等优点在工业上得到了广泛的应用。作为一种高效高能量密度的焊接方法,它经历了50多年的工业应用实践,现已完全被工业部门所接受。特别是近年来,该技术不断地发展,使其在大批量生产、大型零件制造及复杂零件加工等方面都显示出其独特的优越性。国内外对于电子束焊接技术的研究主要是围绕着电子束焊接设备及控制、同种及异种材料焊接工艺、电子束焊接理论及电
3、子束焊接冶金、表面加工这四方面展开的1。2.1国外电子束焊接技术的研究发展现状2.1.1早期阶段(20世纪5060年代)这是电子束焊接走出实验室跨进制造业,发展成为特种焊接制造技术的阶段。由于上世纪50年代核能工业发展的需求,特别是JAStohr在低压型真空电子束装置上焊接锆燃料套管的成功,显示了电子束焊接作为实用工业制造技术的巨大潜力之后,引起了各先进工业国家,特别是当时正处于大力发展航天航空技术初期阶段的美、苏及英、法等国的高度重视。但是,在电子束焊接技术发展史上的这个阶段,人们主要关心的是这一焊接新方法,能在真空环境下焊接过去不能焊接或难以焊接的金属材料,并能获得优质焊缝。早期,主要是应
4、用于原子能工业中,随后是在航空发动机工业中。当时对设备的操作性考虑很少,甚至对抽真空时间长短也不很在意,很少注意到整个过程的经济性。再加上电子束焊接设备价格昂贵,只能用于所谓尖端工业,即当时正在蓬勃兴起的原子能、航空、航天和电子工业等对焊接有特殊要求的部门。这一时期设备正处于从实验室装置向生产型设备转变的阶段。大多为通用型,但尚能适应单件、少量生产的要求。设备稳定性、可靠性差,调整操作对人员依赖性很大,但尚能适应特殊材料、精密零件焊接要求。重要的是电子束焊接技术从实验室走进了制造业,电子束焊接设备从一种电真空物理装置发展成为工业生产设备。2.1.2中期阶段(20世纪7080年代)这是电子束焊接
5、技术从尖端产品制造业向一般通用产品制造业迅速推广普及的阶段。电子束焊接技术在这个阶段解决了设备的稳定性、可靠性问题,也解决了生产效率问题。进入20世纪70年代,随着电子束焊接技术日趋成熟,电子束焊接设备的稳定性和操作过程自动化程度的提高,以及当时机械制造业技术改造的需求,使电子束焊接技术不仅牢固立足于尖端工业中,而且迅速普及扩大到一般机械制造业,特别是在大批量生产行业(汽车、轴承、工具制造业)获得了迅速推广应用。例如,1966年日本富士重工首先用电子束焊接汽车变速箱齿轮。1967年美国通用汽车公司用电子束焊接了发动机中的飞轮和齿环。到70年代中期,世界各大汽车公司都先后引进了电子束焊接技术。据
6、统计,到1974年仅美国汽车工业就拥有80台电子束焊机在运行。电子束焊接所以能迅速进入一般制造业,主要原因是电子束焊接具有常规焊接方法无法比拟的技术经济效果。这些效果主要源于从电子束焊接的基本特点所衍生出的下列优点:极小的焊接变形,可以连接精加工零件,焊后无需再加工;对焊件的冶金影响很小,可以焊接常规方法不能焊接的材料,充分发挥不同材料各自的特点;可以实现特殊接头或特殊位置的焊接,这就为实现新型设计方案创造了条件,可节省材料,简化加工过程,降低成本;在设计大批量生产线时,电子束焊接可以有很高的生产效率;电子束焊接的全部参数都是最容易实现精确控制的电参数,易于在生产线上实现焊接自动化和全过程的自
7、动化。这一阶段随着基础工业水平的提高和科学技术进步,电子束焊接设备在提高整机运行的稳定性和可靠性;解决束流功率和聚焦的长时间工作稳定性;真空系统的快速抽空和程序控制;电源及电控系统的可靠性进一步提高;机械传动装置功能的完善等方面都取得了巨大进步。与此同时,焊接各类产品的,可以运行在生产线上的各种高效专用电子束焊接设备不断涌现。有资料表明,在这一时期生产的电子束焊机大约80是专用型的。电子束焊接极高的生产效率适应了当时正处于腾飞阶段的世界经济发展的需求,显著的经济效益使电子束焊接在竞争剧烈的民用工业部门也显示出了强大的竞争力。在这一阶段,对电子束焊接基础理论和应用基础的研究也取得了许多富有实用意
8、义的成果。例如电子束和金属的作用过程、束孔的形成和熔化金属的动态特性;电子束焦点直径、位置和能量密度分布的测定;电子束焊接特有缺陷的研究;针对薄板高速电子束焊接时成型不良和厚板焊接时产生“钉尖”缺陷等问题,开展了串接双束电子束焊接(Tandem electron beam welding)技术研究;各种材料的电子束焊接性研究;以及高功率电子束和大厚度材料焊接等方面的深入研究。这些成果既为电子束焊接技术的推广应用奠定了理论技术基础,又为其发展指出了方向。2.1.3成熟和持续发展阶段到上世纪80年代末90年代初,电子束焊接进入了成熟和平稳发展期。全球的电子束焊机的保有量已达4000台。电子束焊接在
9、中期阶段的蓬勃发展和广泛推广应用过程中,也出现了一股“电子束热”,“随意”采用电子束焊接,结果很不理想。例如,有资料表明焊接厚度大于100mm的构件,电子束焊接成本仅为其它焊接方法的5070。于是一些国家在对开发中可能出现的技术问题估计不足,对在生产应用中可能遇到的问题也没有充分准备的情况下,便竞相开发高功率(100kW)电子束焊机。尤其是日本,研制了17台,但在生产中使用的仅23台。引起了人们的深思。从上世纪80年代末期开始,电子束焊接技术进入了成熟和持续发展阶段。尽管一些厂家从电子束焊接设备制造界退出,电子束焊接技术向制造业各领域的渗透、扩散势头有所减缓,表明电子束焊接技术已进入成熟期,同
10、时电子束焊接技术仍在持续发展中。一是不断吸收、利用这一阶段各种新技术的最新成果;二是发挥电子束深穿透的特点,继续向大型、大厚度重型结构的焊接进军。从上世纪80年代末以来,电子枪设计和试验技术有了新进展;设备配置水平有了新提高,电子枪普遍配置了涡轮分子泵,高频逆变开关式高压电源代替了中频机组;特别是这一阶段电子技术、计算机技术和自动控制技术的新成果几乎都在电子束焊接技术中得到了应用和体现。普遍采用了PLC和CNC控制系统,可以实现包括逻辑程序、焊接参数及运动等全部过程的自动控制和监测;多种形式的焊接对中和焊缝跟踪系统,设备故障自诊断系统;有的还可向用户提供加工基本软件和电子束专家管理系统等软件包
11、。这个阶段,电子束焊接以其精密焊接的特点在继续向制造业的各个领域渗透扩散的同时,又在充分发挥其深穿透的特点向大型大厚度重型零件的焊接领域进军。在研发超大型真空室(数百甚至上千立米),开发高功率(100kW,150kV)电子枪和电源,实现大厚件非真空电子束焊接的工程应用等方面都取得很大进展。进入21世纪,随着人类活动空间向太空的进一步扩展,电子束焊接技术的应用也将从地面扩展到太空。电子束技术在空间结构焊接和加工中的作用将为人们进一步认识和发展,并将发挥重要作用2。2.2 国内电子束焊接技术的研究发展现状20世纪60年代初,我国开始跟踪世界电子束焊接技术的发展,并开始了电子束焊接设备及工艺的研究工
12、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最早开展此项工作的几家单位之一。该三所均分别自行研制出了中高压的真空电子束焊接设备,并用其成功进行了一系列的电子束焊接理论探讨及工艺试验,为我国电子束焊接技术的起步及发展作出了贡献。随着我国对外开放的不断深入,进入20世纪80年代以后,我国多家科研单位及大型工业企业对外引进了国外的先进电子束焊接设备,从而使我国的电子束焊接技术在研究与应用上逐步发展壮大。在我国,电子束焊接技术已广泛应用于汽车工业、齿轮加工业、精密仪器及电子仪表制造业、电工电能领域和航空航天领域的制造及维修业。我国重型汽车集团在“七五”期间,采
13、用电子束焊接方法成功实现了奥地利引进项目的板材冲压货车桥壳的生产。在中国南方航空动力机械公司,许多航空发动机关键零部件和民品生产都使用了电子束焊接技术。北京航空工艺研究所在30多年的时间里,进行了一系列的电子束焊接工艺研究,对诸如铝合金、钛合金、不锈钢、超强钢及高温合金等均进行了较为系统的研究,例如在某型新研制的航空发动机上,电子束焊接工作量占25%30%,可以说整个发动机就是用电子束焊接连接起来的。电子束焊接技术在我国齿轮加工业中也得到了广泛的应用,电子束焊接分体齿轮制造技术的应用提高了齿轮综合力学性能,极大的降低了成本,提高了生产率。我国在不断推广电子束焊接应用的同时,还加强了电子束焊接理
14、论方面的研究。多年来,沈阳金属研究所等单位在电子束焊深熔及缺欠产生机理及控制方面的研究取得了一定的进展。研究者提出了电子束径非均匀线热源与聚焦点热源叠加的热源模型,并对LD11R铝合金电子束快速焊时的空腔前沿热场分布进行了研究,建立起电子束空腔前沿的传热数学模型,并通过研究功率密度与熔化空腔前沿Si,Mg溶质原子的交互作用对液态金属迁移的影响提出了相应的深熔及缺欠形成理论。北京航空材料研究院利用MARC有限元分析软件对GH909电子束焊接热过程进行了数值模拟,引入了小孔内壁受热的能量输入模式,得到的模拟结果更好地反映了电子束焊缝的形状特点。在异种材料的电子束焊接上,我国先后开展了双金属锯条、高
15、温合金和不锈钢及异种高温合金材料(如GH4169/GH907)等焊接工艺的研究。在新材料的电子束焊接方面,国内对Ti3Al基合金、金属间化合物Ni3Al以及1420铝锂合金进行了电子束焊接性的研究,探讨了焊接工艺参数对接头性能的影响。目前,我国开展的电子束焊接技术的研究还主要以同种材料的焊接工艺应用研究为主,异种材料电子束焊接的研究范围及深度有待进一步扩大。由于试验分析检测方法及手段上的欠缺,电子束焊接在理论研究上与国外相比还有一定的差距1。3 电子束焊接技术展望在过去的半个世纪,电子束焊接走出了实验室。发展成为一种成熟、可靠地先进制造技术,牢固立足于制造业的众多领域,在国外航空、航天、核能、
16、动力、机械、汽车、电子及医疗器械等众多制造行业发挥了重要作用。特别是在大批量生产、大厚度焊接,以及复杂、特殊构件的焊接中,显示出独特的优越性。进入21世纪,尽管电子束焊接技术向制造业各行业渗透扩散的势头有所趋缓,但是,在高新技术产品和现代运载工具为代表的前沿工程科技需求的牵引下,在不断吸收真空技术、电子光学理论、精密机械、高压技术、自动化技术、特别是计算机技术、微电子技术和通信技术的最新成果的基础上,电子束焊接技术仍将在不断创新中获得持续发展。并将在以下几个方面取得新的发展和突破:(1)大功率高能量密度电子束焊接装置的研制开发,其关键技术是大功率电子枪和高压电源的研制,以及有工程应用条件下运行
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