1、哈尔滨工业大学电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景学生： XXXX学号： XXXXXXXX班级： XXXXXXX12013 年 月 日摘要：简要介绍了电子束焊接技术的发展、基本原理。概括总结了近年来电子束焊接在航空航天、汽车、子与仪表等工业领域中的应用并对电子束焊接技术在未来的发展做了展望。关键词：电子束；焊接；工业应用；发展前景0 电子束焊接技术概述电子束的发现迄今已 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应堆燃料包壳，标志着电子束焊接金
2、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 1。电子束焊接(EBW)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。它具有其它熔焊方法难以比拟的优势和特殊功能：其焊接能量密度极高,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、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易精确控制、重2复性和稳定性好等 2。随着航空航天、微电子、核能、交通运输及国防工
3、业的飞速发展，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、加工精度和表面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发展趋势，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。正是由于电子束焊接的上述优点，使该技术获得长足发展，已经成功地应用于各种工业领域，并广泛应用在各种材料上。厚大截面不锈钢的电子束焊接由于能够节约成本且满足质量要求而得到青睐。有许多文献已经证明电子束焊接在航空和医药钛合金上得到了成功应用。有色金属如铜、镍及其合金的电子束焊接以及运输工业中异种材料的电子束焊接正迅
4、猛增长。1 EBW 过程基本原理采用电子枪和电子光柱组装而成并应用于电子束焊的原理如图 1 所示。该图表明，三极管（阴极、栅极、阳极）型的电子枪用以产生电子束流，同时，聚焦和偏转电子光学系统用以控制电子束流撞击工件的方式（产生最终束斑大小和定位） 。在操作过程中，阴极、发射器由于直接或间接加热而发射电子，该电子在焊枪栅极、阳极产生的静电场加速下，形成平行光束，聚焦并形成高能量密度的电子束流撞击到工件表面。在任何固定操作电压条件下，三极管型电子枪允许枪内电子流的大小3逐渐按期望值进行调整（例如，电子束操作电流，从而将产生的光束能量传递给工件） 。因此，通过改变阴极与阳极间电位差，电子束能容易瞬时
5、关闭或在高度控制模式下实现操作水平大幅增加或降低。除了提供产生高度聚焦或轻微散焦在工件上的能力外,电子光学系统还提供了以静态（固定位置变化）或动态（振动位置变化）方式偏转电子束光斑的能力。对比传统的焊接方法，电子束焊的主要连接优点在于能够进行称之为“锁孔焊接”的能力，如图 3 所示。在锁孔焊接中，高能密度电子束撞击到工件表面产生金属蒸气并渗入到工件中。这就要求电子束能量直接被传递到焊接点结合表面并渗入工件内部，而不是像传统的焊接方法简单的堆积在结合表面。由于金属蒸气的移动，在其前进边缘不断形成熔化的金属液并流动，在其后侧边缘不断凝固并形成最终焊接接头。2 电子束焊接在航空航天领域的应用航空航天
6、工业的发展无疑是新技术、新工艺和新材料研究与应用水平的综合体现，焊接技术作为一种重要的加工方法在飞机发动机及运载火箭制造中始终处于至关重要的地位。焊接技术的进步与发展不仅能给航空航天结构减重，图 3. 锁孔焊原理图 2. 电子束焊接焊缝成形原理4而且还能为其性能的提高提供技术支持 4。航空航天领域中所涉及的各类火箭、卫星、飞船、星球车、空间站以及太阳能电站等，它们的结构件、发动机，以及所用的各种仪器等都有一些共同特点，不仅要求零部件质量极为可靠，能经受各种恶劣环境，如强力振动，因日照变化引起的高低温度交替冲击，失重，宇宙线幅射，超高真空环境中运作；而且要求零件尺寸小，重量轻，气密性好。因此，对
7、宇航零部件的结构设计、材料选择及加工工艺都提出了极为苛刻的要求，实践证明为了满足上述特点，电子束焊接技术是必不可少的强有力的工具之一。这是因为电子束焊接技术有以下一些特点：（1）电子束焊接能量密度很高（ ） ，对于任何材料，包括106109/2高熔点钨、钼等材料，其焊缝都能快速熔化。一般不用焊条，靠零件自身材料熔接而成。 （2）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。利用熔池与真空气氛的压差，有利于焊缝熔化金属中所含气体排出，减少焊缝气孔，增加气密性，提高焊缝强度都有好处。（3）电子束焊接不仅能量密度高，而且因其特殊焊接机理可以获得很大的焊缝深宽比，焊缝又深又窄，因而焊接零件
8、变形小。对于较厚零件，采用100kW 电子束焊机一次可焊透钢 200mm，采用普通焊接方法就需多次填充，会造成零件较大变形。（4）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，如铜与钢，极薄的零件与厚零件的焊接都可实现。 （5）电子束可以聚得很细，偏转方便，所以可焊很精细零件。可焊难以达到的焊接点，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。 （6）能量密度高，焊接速度快，热影响区范围很小，不会对临近半导体5器件或其它热敏器件产生不良影响。 国外最早先将电子束焊接技术广泛应用于飞机发动机核心机部件的制造，如美洲虎攻击机的阿杜尔涡
9、扇发动机钛合金压气机转子采用了 7 条环形电子束焊缝；米格-29 的 P-33涡扇发动机高压压气机转子前 3 级盘及第 46 级盘鼓，苏-27 的 A-31涡扇发动机高压压气机的第 13 级盘及 46 级盘，均采用了电子束焊接技术；德国 EADS Space Transportation 公司已将电子束焊接应用于火箭发动机燃烧室的生产。最典型的代表是美国大型客机发动机CMF56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊接，使发动机的重量、结构设计、结构的制造精度和使用寿命均得到了改善，使发动机的制造水平得到了极大的飞跃，可以说现代先进的发动机是采用
10、电子束等焊接技术连接而成的，由此可以看出电子束焊接技术对飞机发动机的研制起着至关重要的作用 4。国外在飞机制造技术方面，电子束焊接技术是飞机重要承力构件，如钛合金承力框、梁等的关键制造技术之一。电子束焊在国外飞机重要承力构件上的应用如表 1 所示。63 电子束焊接在汽车制造中的应用汽车零部件中的齿轮、涡轮、壳体等机构件的加工一直以来都是一个难点，比如双联齿轮的加工，以前的加工工艺采用整体式加工不仅浪费材料而且加工质量不好，废品率很高。采用电子束焊接新工艺明显改善了这一问题。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
11、。焊缝位置如图 4 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，如 5 所示：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。通过大量工艺试验，其液力变矩器总成顺利通过同外合资方的验收认证。填丝电子束焊接的开发与应用填补了国内一项技术空白。图 4. 液力变矩器涡轮盘 图 5. 液力变矩器壳体74 电子束焊接在电子和仪表工业中的应用电子束焊接在电子、仪表和生物医药工业上也起到了独特的作用。由于在这些工业中，有
12、许多零件对焊接质量要求相当高。电子束焊接技术可以解决电子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，其焊缝质量高，工件变形小。焊接效率也高。在生物医药业中对焊缝清洁度的要求很高， 采用电子束焊接可以轻松实现上述行业中各种材料的焊接如 Cu-Be 合金、Ti 合金、不锈钢以及陶瓷与金属的焊接等。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。图 6 为某种光电器件管壳封口示意图,纤维玻璃屏与窗架盘之间预先用玻璃捍料粘接,在最后封口焊接时两者均受不得热
13、冲击(温升不能超过 150),而且焊接位置离两者都很近,只有 46mm。窗架盘材料是高铬钢,管壳材料是可伐合金。利用合适的工装夹具和合理的工艺规范,电子束封口焊接可获得高质量的焊缝,经氦质谱探漏仪检漏气密性良好。图 6. 光电器件封口图 图 7. 电子束-等离子弧原理示意图8凭借 EBW 能量密度高，加热和冷却速度快的特点，采用该焊接技术可以很好地解决异种材料焊接中出现的两种材料冶金不相容和性能差异问题，因此异种材料的电子束焊接已经越来越得到人们的重视，尤其是厚大异种材料的焊接、金属和非金属材料的焊接等。特别是在航空发动机、精密仪器、刀具刃具制造方面有广泛的应用前景。5 电子束焊接发展展望 1
14、5.1 电子束钎焊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拟的优越性，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 6。近年来国内外已通过电子束钎焊技术实现了陶瓷零件、碳原碳复合材料、立方氮化硼与碳化钨基体以及换热器管板结构的连接。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 7人分别采用电子束
15、钎焊对不锈钢管板进行连接。结果表明，接头部位的钎缝均匀圆滑，钎焊透率 100%，满足技术规范要求。近年来更多的研究者认识到电子束钎焊在焊接领域的优越性，上海交通大学、北京航空制造工程研究所和哈尔滨工业大学等都在这方面做了大量的研究工作。围绕电子束钎焊所开展的研究主要为钎接机理和针对具体材料与结构的实用工艺两方面，焊接机理方面的研究为实用工艺技术的形成奠定了基础。目前，随着计算机技术的不断进步，对电子束钎焊的热作用控制研究逐渐引起了人们的重视，成为电子束钎焊技术研究中的热点之一。95.2 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
16、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：（1)使用活性剂可明显减小熔池上部宽度，改变熔池形状。（2） SiO 2、 TiO2、Cr 2O3 单组元活性剂对电子束焊接熔深增加有影响。（3）由 SiO2、TiO 2、Cr 2O3 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。樊丁等人分别对 6mm 厚 LF21 铝合金和 10mm 厚不锈钢进行实验，结果表明，用电子束焊接铝合金，表面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
17、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 1。5.3 局部真空电子束焊接局部真空电子束焊接技术是在大尺寸结构件的焊缝及其附近局部区域建立真空环境，并进行电子束焊接的技术。这种方法既保留了真空电子束焊接的特点，又避开了庞大的真空室，解决了厚大工件的焊接问题，可大大提高焊接质量并降低设备成本。为了发展这项技术，法国、德国等国家做了大量深入的研究工作。国内的航天科技集团公司五一 0 所于 1986 年研制了行程1.5m、50kV、5kW 直线型局部真空电子束焊机，已用于卫星燃料贮箱制造中。刘志华等人对 5mm 厚
18、 LF6 铝合金进行局部真空电子束焊接工艺试验，结果表明：采用局部真空电子束焊接工艺焊接铝合金是完全可行的，焊缝质量与真空电子束焊相同。铝合金局部真空电子束焊时须采用较强的聚焦和较窄的焊10缝，以利于焊缝成形和抑制气孔生成。局部真空电子束焊接技术是一种先进的焊接技术，在国防工业和民用工业应用前景广阔。5.4 电子束复合焊接近年来，哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法，即电子束原等离子弧焊接，如图 7 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
19、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。参考文献1 马正斌,刘金合,卢施宇,王世清.电子束焊接技术研究及进展.电焊机.2012,42(4):93-96.2 陈芙蓉,霍立兴,张玉凤.电子束焊接技术在工业中的应用与发展. 电子工艺技术.2002,23(2):56-58.3 张秉刚,吴林,冯吉才. 国内外电子束焊接技术研究现状.焊接.2004(2):5-8.4 陈国庆,张秉刚,冯吉才,孙毅.电子束焊接在航空航天工业中的应用,航空制造技术.2011(11):42-45.5 李飞,虞文军,鲍晶.电子束焊接技术的发展及其在成飞公司的应用. 航空制造技术.6 李少青，张毓新，芦凤桂，BNi-2 钎料真空电子束钎焊J航空制造技术.2004，9(1):72-75.7 李少青，张毓新，芦凤桂，等.援不锈钢管板接头电子束钎焊J.焊接学报，2005,26(4):73-76.
