特種焊接技術(shù)電子束焊課件

第一單元電子束焊(EBW)通過本單元的學(xué)習(xí)，了解電子束焊的的基本原理、工藝特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，熟悉電子束焊接設(shè)備，能夠分析金屬材料對電子束焊工藝的適應(yīng)性，并制定焊接工藝，掌握電子束焊的基本操作方法與安全防護(hù)知識。第一單元電子束焊(EBW)通過本單元的學(xué)習(xí)，了解1知識模塊一電子束焊概述電子束焊（ElectronicBeamWelding，EBW）是指在真空或非真空環(huán)境中，利用匯聚的高速電子流轟擊焊件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使被焊金屬熔合的一種焊接方法。1948年德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子束可以用來加工材料，1951年對紅寶石打孔和圖案刻蝕；1954年法國科學(xué)家探索了真空電子束法（焊接活潑金屬），1958年第一臺工業(yè)用電子束焊機(jī)出售給美國西屋公司。幾十年來，電子束焊創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)及社會效益。知識模塊一電子束焊概述2

應(yīng)用領(lǐng)域:航空與航天：飛行器構(gòu)件；噴氣發(fā)動機(jī)構(gòu)件。

動力與原子能：壓力容器；氣輪機(jī)噴管隔板；核反應(yīng)堆的芯子與真空容器。

電子與醫(yī)療：繼電器殼體；壓力傳感器；心臟起搏器殼體。

電機(jī)與儀表：電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的疊片；膜盒。

汽車工業(yè)：變速齒輪；同步器與齒輪；點(diǎn)火分配器；短軸與車軸；后橋。

其他方面：雙金屬鋸條、熱敏元件、冷卻器、軸承環(huán)、滾刀。

應(yīng)用領(lǐng)域:3能力知識點(diǎn)1電子束焊接的基本原理陰極：發(fā)射電子陽極：電子定向運(yùn)動聚束極：控制電子，三極槍聚焦透鏡：聚焦偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：T型或其他接頭需要合軸系統(tǒng)：消除像差或球差能力知識點(diǎn)1電子束焊接的基本原理陰極：發(fā)射電子4小孔效應(yīng)電子束焊件熔化液態(tài)金屬蒸發(fā)液面壓凹通道底部待熔金屬轟擊高溫伴隨原子反作用力凹度增加繼續(xù)轟擊小孔的周圍被液態(tài)金屬包圍。隨著子束與焊件的相對移動，液態(tài)金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻、凝固形成了焊縫。在電子束焊接過程中，焊接熔池始終存在一個匙孔。

等離子弧焊形成“穿孔”的原理是什么？小孔效應(yīng)電子束焊件熔化液態(tài)金屬蒸發(fā)液面壓凹通道底部待熔金屬5形成小孔和熔池的形貌與焊接工藝參數(shù)有關(guān)。在大功率的電子束焊接中，電子束的功率密度可達(dá)106～108W/cm2，足以獲得很深的穿透效應(yīng)和很大的深寬比。當(dāng)電子束的功率密度低于105W/cm2時，電子束的穿透能力較小，金屬的熔化過程與電弧焊時相似，焊縫熔深較淺。電子束焊接質(zhì)量與束流強(qiáng)度、加速電壓、焊接速度、電子束斑點(diǎn)質(zhì)量以及被焊材料的熱物理性能等因素有密切的關(guān)系。形成小孔和熔池的形貌與焊接工藝參數(shù)有關(guān)。6能力知識點(diǎn)2電子束焊的特點(diǎn)及分類一、電子束焊的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)功率密度高：Pmax=100kW,Pd=106～108w/cm2焊縫深寬比大：60:1,t=0.1～300mm焊接速度快:HAZ小，變形??；焊縫組織性能好焊縫純度高：真空合金元素?zé)龘p少，能避免晶粒長大，使接頭性能改善，焊縫抗蝕性好。防止熔化金屬受氫、氧、氮等有害氣體的污染，而且有利于焊縫金屬的除氣和凈化能力知識點(diǎn)2電子束焊的特點(diǎn)及分類功率密度高：Pmax=17適用性強(qiáng)：參數(shù)可調(diào)范圍大，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜接縫的自動焊接；焊接難以接近部位的焊縫?？珊覆牧隙啵航饘?、非金屬等再現(xiàn)性好：易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性?？珊喕庸すに嚕嚎蓪?fù)雜的或大型整體結(jié)構(gòu)件分為易于加工、簡單或小型部件，用電子束焊將其焊接為一個整體，減少加工難度，節(jié)省材料，簡化工藝適用性強(qiáng)：參數(shù)可調(diào)范圍大，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜接縫的自動焊接；焊接難82．電子束焊的缺點(diǎn)（1）設(shè)備復(fù)雜，一次性投資大，費(fèi)用較昂貴；（2）電子束焊要求接頭位置準(zhǔn)確，間隙小而且均勻，焊前對接頭加工、裝配要求嚴(yán)格；（3）真空電子束焊接時，被焊工件尺寸和形狀常常受到工作室的限制；（4）電子束易受雜散電磁場的干擾，影響焊接質(zhì)量；（5）電子束焊接時產(chǎn)生X射線，需要操作人員嚴(yán)加防護(hù)。

2．電子束焊的缺點(diǎn)9二、電子束焊的分類高真空：10－4～10－1Pa，工作室和電子槍共用或各有一套真空系統(tǒng)，適于活潑屬、難熔或質(zhì)量要求高的工件焊接，也適用于各種形狀復(fù)雜零件的精密焊接。不足之處是工件尺寸受真空室容積限制；此外，抽真空需要輔助時間，影響生產(chǎn)效率。低真空：10－1～10Pa工作室，電子槍10－3Pa，各有一套真空系統(tǒng)，效率高，適于批量生產(chǎn)二、電子束焊的分類高真空：10非真空：電子束在高真空下，工件在大氣壓環(huán)境中，電子槍距離工件20～50mm，質(zhì)量要求低工件焊接。局部真空：工件焊接部位在真空中，適于大型工件隨著氣壓的升高，發(fā)散逐漸增大，焊縫深寬比減小。

非真空：隨著氣壓的升高，發(fā)散逐漸增大，焊縫深寬比減小。11能力知識點(diǎn)3電子束焊的適用范圍工業(yè)部門應(yīng)用實(shí)例航天航空噴氣發(fā)動機(jī)部件、起落架、機(jī)艙段框架、精密傳動件、火箭助推器、高壓氣瓶、火箭發(fā)動機(jī)部件等汽車制造變速箱齒輪、行星齒輪框架、后橋、汽缸、離合器、發(fā)動機(jī)增壓器渦輪等核能工業(yè)燃料原件、反應(yīng)堆、壓力容器及管道、加速器部件、燃料棒、支架、導(dǎo)向筒、蒸發(fā)器等電子器件集成電路、密封包裝、電子計(jì)算機(jī)的磁芯存儲器、行式打印機(jī)用小錘、微型繼電器、微型組件、薄膜電阻、電子管、加熱器等電力電動機(jī)整流子片、雙金屬式整流子、汽輪機(jī)定子、電站鍋爐聯(lián)箱與管子的焊接等化工壓力容器、球形儲罐、熱交換器、環(huán)形傳動帶、管子與法蘭的焊接等重型機(jī)械厚板焊接、超厚板壓力容器的焊接等再制造修補(bǔ)修復(fù)有缺陷的容器、設(shè)計(jì)修改后要求的返修件、裂紋補(bǔ)焊、補(bǔ)強(qiáng)焊、堆焊等其他雙金屬鋸條、鉬坩鍋、波紋管、管道精密加工、切割等能力知識點(diǎn)3電子束焊的適用范圍工業(yè)部門應(yīng)用實(shí)例航天航空噴12大功率電子槍的開發(fā)日本大阪大學(xué)研制600kW、300kW的超高壓電子束熱源裝置，一次焊200mm不銹鋼時，深寬比達(dá)70:1。雙槍電子束及填絲電子束焊接技術(shù)大厚板采用二次焊，一次是獲得均勻的焊縫，二次用填絲彌補(bǔ)頂部下凹或咬邊缺陷復(fù)合式電子束加工設(shè)備的研制俄羅斯研究了多功能電子束加工設(shè)備，既能實(shí)現(xiàn)電子束焊，也能實(shí)現(xiàn)釬焊、局部熱處理或表面強(qiáng)化等功能國外發(fā)展現(xiàn)狀大功率電子槍的開發(fā)國外發(fā)展現(xiàn)狀13

非真空電子束焊工藝英國焊接研究所采用非真空電子束焊焊接銅制核廢料罐，德國阿亨焊接研究所也在開展大功率非真空電子束焊設(shè)備及工藝的研究美國波音公司正致力于將飛機(jī)制造生產(chǎn)線上的電子束、超聲波、激光和實(shí)時照相檢測等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合非真空電子束焊工藝14國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀電子束焊設(shè)備中壓設(shè)備比較成熟（P<10kW，V<70kV），高壓設(shè)備需進(jìn)口，1992年航空工藝研究所研制第一臺高壓電子束焊機(jī)(P=15kW，V=150kV)，達(dá)到80年代世界先進(jìn)水平。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀15中科院研制汽車齒輪專用電子束焊機(jī)中科院研制汽車齒輪專用電子束焊機(jī)16電子束焊接工藝多種材料，如鋁合金、鈦合金、不銹鋼、超強(qiáng)鋼高溫合金等;應(yīng)用元件，高壓氣瓶、核電站反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件筒體、汽車齒輪、電子傳感器等;電子束焊接工藝17特種焊接技術(shù)電子束焊ppt課件18綜合知識模塊二電子束焊設(shè)備能力知識點(diǎn)1焊機(jī)的組成電子槍高壓電源真空系統(tǒng)和真空室工作臺及焊接夾具控制及調(diào)整系統(tǒng)綜合知識模塊二電子束焊設(shè)備能力知識點(diǎn)119一、電子槍電子槍的作用及結(jié)構(gòu)組成電子束焊機(jī)中用以產(chǎn)生電子并使之匯聚成電子束的裝置稱為電子槍。它是電子束焊接設(shè)備的核心部件。電子槍主要由陰極、陽極、柵極和聚焦線圈等組成。電極系統(tǒng)由陰極、偏壓電極和陽極組成。陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽極之間形成電子束的加速電場。一、電子槍20三極電子槍槍體結(jié)構(gòu)示意圖

1-陰極2-偏壓電極3-陽極4-聚焦線圈（電磁透鏡）5-偏轉(zhuǎn)線圈6-工件

Ub-加速電壓UB-偏壓三極電子槍槍體結(jié)構(gòu)示意圖

1-陰極2-偏壓電極3-陽極21偏壓電極相對于陰極呈負(fù)電位，通過調(diào)節(jié)其負(fù)電位的大小、改變偏壓電極形狀及位置可以調(diào)節(jié)電子束流的大小和改變電子束的形狀。聚焦線圈又稱電磁透鏡，其作用是將電子束流聚焦到工件的焊縫上，這樣既增加了電子束焊接的工作距離，而且又易于對其控制和調(diào)節(jié)。偏轉(zhuǎn)線圈的作用是使電子束的束斑對準(zhǔn)被焊工件的接縫或在焊縫區(qū)作有規(guī)律的周期性運(yùn)動。偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)量可通過改變偏轉(zhuǎn)線圈中的電流方向及大小來調(diào)節(jié)。偏壓電極相對于陰極呈負(fù)電位，通過調(diào)節(jié)其負(fù)電位的大小、改變偏壓22圖1-7真空電子束焊設(shè)備的組成示意圖

1-高壓電源系統(tǒng)2-控制系統(tǒng)圖1-7真空電子束焊設(shè)備的組成示意圖

1-高壓電源系統(tǒng)23二、高壓電源及控制系統(tǒng)1．高壓電源高壓電源為電子槍提供加速電壓、控制電壓和燈絲加熱電流。2．控制系統(tǒng)除了控制焊機(jī)的真空系統(tǒng)和焊接程序外，還可實(shí)時控制電子參數(shù)、工作臺的運(yùn)動軌跡和速度，實(shí)現(xiàn)電子束掃描和焊縫自動跟蹤。

二、高壓電源及控制系統(tǒng)24圖1-8高壓電源控制原理圖圖1-8高壓電源控制原理圖25三、真空系統(tǒng)及真空室1．真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)作用：對電子槍和真空室抽真空真空系統(tǒng)大多使用三種類型的真空泵：低真空泵（活塞式或葉片式機(jī)械泵）能夠?qū)㈦娮訕尯凸ぷ魇覐拇髿鈮撼榈?0Pa左右。油擴(kuò)散泵，用于將電子槍和工作室壓強(qiáng)降到10-2Pa以下。三、真空系統(tǒng)及真空室26油擴(kuò)散泵不能直接在大氣壓下啟動，必須與低真空泵配合組成高真空抽氣機(jī)組。較低的真空度可用機(jī)械泵獲得，高真空則采用機(jī)械泵及擴(kuò)散泵系統(tǒng)。渦輪分子泵，它是抽速極高的高真空泵，工作室真空度可達(dá)10-1～10-3Pa之間。渦輪分子泵無油蒸氣污染，不需要預(yù)熱，節(jié)省抽真空時間，適用于電子槍的真空系統(tǒng)。油擴(kuò)散泵不能直接在大氣壓下啟動，必須與低真空泵配合組成高真空272．真空室真空室（工作室）的設(shè)計(jì)一方面應(yīng)滿足氣密性要求；另一方面應(yīng)滿足承受大氣壓所必須的剛度、強(qiáng)度指標(biāo)和X射線防護(hù)的要求。真空室可用低碳鋼板制成，以屏蔽外部磁場對電子束運(yùn)動軌跡的干擾。工作室內(nèi)表面應(yīng)鍍鎳或進(jìn)行其他的表面處理，以減少表面吸附氣體、飛濺及油污等，縮短抽真空時間和便于真空室清潔的工作。真空室通常開一個或幾個窗口用以觀察內(nèi)部焊件及焊接情況。2．真空室28低壓型電子束焊機(jī)（加速電壓<40kV）可以靠工作室鋼板的厚度和合理設(shè)計(jì)工作室結(jié)構(gòu)來防止X射線的泄漏。中、高壓型電子束焊機(jī)（加速電壓>60kV）的電子槍和工作室必須設(shè)置嚴(yán)密的鉛板防護(hù)層，鉛板防護(hù)層應(yīng)粘接在真空室的外壁上。為了避免出現(xiàn)X射線的泄漏、真空室的變形等問題，電子束焊機(jī)的使用者不得隨意改裝真空室。低壓型電子束焊機(jī)（加速電壓<40kV）可以靠工作室鋼板的厚度29四、焊接工作臺及工裝夾具工作臺、旋轉(zhuǎn)臺和焊接夾具應(yīng)能保證在焊接過程中保持電子束與接縫的位置、焊接速度穩(wěn)定、焊縫位置的重復(fù)精度。五、電氣控制系統(tǒng)電子束焊機(jī)的電氣控制系統(tǒng)主要完成電子槍供電、真空系統(tǒng)閥門的程序啟閉、傳動系統(tǒng)的恒速運(yùn)動、焊接參數(shù)的閉環(huán)控制以及焊接過程的程序控制等功能。四、焊接工作臺及工裝夾具30

高真空:（10－4～10－1Pa），活潑、難熔、異種或質(zhì)量要求高工件低真空:（10－1～10Pa），電子元件、精密儀器等大批量非真空：大型工件，如容器、熱交換器等

高壓:（60

～150kV），大厚件、難熔及熱敏感性強(qiáng)的材料。中壓:（40

～60kV），中厚件低壓:（40kV以下），深寬比要求不高薄件工作室真空度

加速電壓工作室真空度加速電壓31

電子束焊機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

大型真空電子束焊機(jī)，日本MHI（280m3）、烏克蘭巴頓電焊研究所（400m3）、法國的techmeta公司（800m3）電子束焊機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀32通用型電子束焊機(jī)局部真空電子束焊機(jī)通用型電子束焊機(jī)局部真空電子束焊機(jī)33國產(chǎn)EZ-60/100型真空電子束焊機(jī)

國產(chǎn)EZ-60/100型真空電子束焊機(jī)34綜合知識模塊三電子束焊工藝能力知識點(diǎn)1焊前準(zhǔn)備及接頭設(shè)計(jì)一、焊前準(zhǔn)備加工與清理：Ra＝1.5～25um，待焊表面酸洗去銹、丙酮去油接頭裝配：一般采用無間隙、無坡口對接，間隙隨板厚的增加可稍微加大精確定位：嚴(yán)格要求裝配和對中退磁處理：磁性金屬（工件和夾具），避免電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)為什么焊件表面焊前必須嚴(yán)格清理？綜合知識模塊三電子束焊工藝能力知識點(diǎn)1焊前準(zhǔn)備35抽真空焊前預(yù)熱對需要預(yù)熱的工件，根據(jù)一定的形狀、尺寸及所需要的預(yù)熱溫度，選擇適宜的加熱方法，如氣焊槍、加熱爐、感應(yīng)加熱、紅外線輻射加熱等，在工件裝入真空室前進(jìn)行預(yù)熱。如果工件較小，加熱引起的變形不會影響工件質(zhì)量時，可在真空室內(nèi)用散焦電子束來進(jìn)行預(yù)熱。

抽真空36二、焊接接頭設(shè)計(jì)對接，最常用的接頭形式角接頭，注意接頭的焊合T形接頭，注意板的厚度，較厚時采用雙面焊搭接接頭，常用于厚1.6mm以下端接接頭，厚板采用大功率深熔焊二、焊接接頭設(shè)計(jì)37圖1-11電子束焊接的對接接頭

a）正常對接b）齊平接頭c）臺階接頭d）鎖口對中接頭

e）鎖底接頭f）雙邊鎖底接頭g）、h）自填充材料的接頭i）斜對接接頭圖1-11電子束焊接的對接接頭

a）正常對接b）齊平接38圖1-12電子束焊接的角接頭

a）熔透焊縫b）正常角接頭c）鎖口自對中接頭d）鎖底自對中接頭e）雙邊鎖底接頭f）雙邊鎖底斜向熔透焊縫g）雙邊鎖底h）卷邊角圖1-12電子束焊接的角接頭

a）熔透焊縫b）正常角接39圖1-13電子束焊T形接頭a）熔透焊縫b）單面焊c）雙面焊圖1-14電子束焊搭接接頭a）熔透焊縫b）單面角焊縫c）雙面角焊縫圖1-13電子束焊T形接頭圖1-14電子束焊搭接接頭40圖1-15電子束焊端接接頭a