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非真空电子束焊接技术.docx

上传人:myw993772 文档编号:4344469 上传时间:2018-12-24 格式:DOCX 页数:8 大小:161.04KB
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资源描述

1、非真空电子束焊接技术新型高科技焊接的奇葩作者:郑晓冰 文章来源:德国 AWT 集团中国总代理 / CNK 欣安发展有限公司 点击数:828 更新时间:2009-7-24非真空电子束焊接技术实现了大气状态下的电子束焊接,在汽车制造领域一直备受重视。目前,在铝合金结构件、多支管件和其他汽车零件中得到了广泛应用,并具有其他焊接方法不可替代的优势。自 1958 年 Mr.Steigerwald,K.H(德国 AWT 集团下属 SST 公司创始人)研制出世界上第一台电子束焊机以来,电子束焊接技术经历了近 50 年的发展历程。电子束焊接工艺技术在工业生产的各个领域中发展迅速、应用广泛,并且有着不可估量的发

2、展前景。非真空电子束焊接(EBW-NV)在汽车制造领域一直备受重视,德国已经实现了非真空电子束填丝焊接。德国 AWT 集团所开发的工业化非真空电子束焊接设备,已成功在各个工业领域应用了数十年。非真空电子束焊接原理非真空电子束焊接是指在大气状态中进行电子束焊接。在非真空电子束焊接中,电子束仍是在高真空条件下产生的,然后通过一组光阑、气阻通道和若干级真空室,最终到达大气压力下的环境中来对工件进行施焊。非真空电子束焊与真空电子束焊接的比较与在真空状态下不同,在大气条件下,电子束会快速发散,即使将电子枪的工作距离限制在 20-50mm,焊缝深宽比最大也只能达到 5:1(如图 1)。目前,非真空电子束焊

3、接能够达到的最大熔深为 30mm,远远低于真空焊接的标准。然而,非真空电子束焊有着其他焊接方法不可替代的优势,它摆脱了真空室的限制,可以焊接大尺寸工件,生产效率高。从而扩大了电子束焊接技术的应用范围,使其更适合向大批量、低成本、高自动化的方向发展。另外,对于非真空冶炼的金属,采用真空电子束焊时,易从熔化金属中溢出剩余气体并形成气孔;而采用非真空电子束焊,则不会因此产生气孔缺陷。非真空电子束焊与激光焊接的比较电子束焊接问世 10 年后,世界上第一台激光加工设备研制成功。30 年来,激光加工进入了原来由电子束加工的很多领域,并似乎大有取代电子束加工的势头。但实践证明,激光和电子束作为高能量密度热源

4、,除了具有很多相同技术特点外,在技术和经济性能上,针对不同的应用场合,仍有各自不同的特点。电子束焊接与激光焊接的热能使用效率相差很远,同样的能量输入,电子束焊可以使用到 60%以上的能量,而激光焊的使用率不到 10%,其技术特点的比较如表。因此,在实际应用过程中,非真空电子束焊与激光焊相比具有更大的优势。尤其对于提倡绿色工业、节约工业的现代人来说,非真空电子束焊接可以说是更好的选择。非真空电子束焊的 X-射线防护电子束焊的主要缺点是 X 射线保护问题,对于非真空电子束焊接而言,这个问题更加突出。非真空电子束焊系统中,X-射线防护主要靠防护隔离室的隔离作用。而 X 射线的辐射程度在某种程度上由待

5、焊工件的尺寸、形状、结构复杂程度和焊接过程的运行轨迹决定。因此,X 射线保护系统可以根据零件的外形结构和尺寸单独设计。目前,这些防护系统已经能够保障操作者的安全,同时能够保证进入加工区域的其他人员也不会存在任何危险。非真空电子束焊的应用领域1、非真空电子束在大批量铝合金结构件焊接中的应用几年前,大众奥迪集团决定,使用铝合金材质的仪表盘支撑件来替代钢制的仪表盘支撑件。汽车仪表盘支撑件由冲压成型的两部分焊接而成,铝制支架由 2.5mm 厚的 Al-3%Mg合金制成;钢质支架由 1.5mm 厚的钢板气体保护焊接而成。通过这次改革,降低了此部件重量的 40%,并使每部汽车重量减少 3kg,此零件结构如

6、图 2。然而,一个严峻的问题摆在大众-奥迪的面前:这种铝合金的部件如何稳定、可靠的连接在一起?在对所有的连接方法进行分析评估之后,非真空电子束焊被公认为最佳的工艺方法。此项分析评估包括很多方面,除了按照常规方法检查外,焊接方法对待焊件形位公差和形状公差的适应性、焊后硬度和焊缝的成份特性,甚至连可达到的最大焊接速度等也必须考虑在内。根据对非真空电子束焊接试件的测试分析,我们得到如下结论,这些结论已经在数年日复一日的生产中被进一步证实:(1)焊接前不需要对铝制待焊件进行除油和酸洗处理。两个凸缘的边缘焊接能够在不填丝的条件下完成焊接仅仅要求两工件根部间隙不大于 0.5mm,配合误差不大于1mm,起弧

7、收弧角度 30左右。(2)焊接通常在大气下进行。目前,我们已经在生产中使用了氦气保护,以得到更大的工作距离。虽然这种焊接方式会导致热影响区加宽,但是它能够延长灯丝和出束口的使用寿命。通过把热输入量降低到 900J/cm 的方法,来防止母材中 3%的 Mg 在焊接中被“燃烧”掉(焊接影响区域的 Mg 的含量为 2.6%),同时还可以有效预防焊接裂纹的产生;当焊接直缝试件时,最大的焊接速度可以达到 18 m/min。但在焊接三维焊缝结构的试件时,速度一般要求 12 m/min。(3)疲劳试验结果显示:与采用断续气保焊的钢制零件相比,用非真空电子束连续焊接铝合金的性能更好一些。为了满足批量生产的要求

8、(例如:每天生产 2000 件以上的产品,而且每个零件有两条长度为 1359mm 的焊缝),各家生产商继续开发研究这种焊接方法的循环生产线,并最终定位于以下两个方案:a、一个带有两个工作位置的带标定指数的工作台,每个工作位置另有一个可沿 X-Y方向运动的工作台(如图 3)。b、两个平行的工作台均延 Y 轴 移动(如图 4)。无论哪种方式,用于自动水压定位的工作台必不可少,它能够保证工件可手动或由机械手装夹。电子枪有两种安装方式:只能够延 Z 轴运动或者沿 X 和 Y 轴运动。专门的 X 射线防护设备按照设备和焊件的设计使用情况设计安装。为了准确焊接各条焊缝、工件和电子枪,需要同时在 CNC 系

9、统的控制下移动。完成一个独立的焊缝仅需要不到 7s 的时间包括所有移动零部件的“空闲时间” (例如,旋转部件,移动一个接头到下一个,工作台转换,打开/关闭 X 射线保护房,进入等)。两个全焊接零件能够在 65s 内被完成,生产率可以达到大约 110 件/h。基于在实际生产中的成功经验(数量和质量),目前这种加工方法已经在全球范围内得到应用。2、非真空电子束焊接压铸铝合金多支管即使回到工业条件最严峻的 19 世纪 70 年代,非真空电子束焊接依旧能够展示出其高产量焊接的优势。美国将这个焊接技术应用到了发动机的压铸铝合金多支管上(如图 5),并成功地焊接了多种类型的 4 口和 6 口多支管。加之

10、19 世纪 60 年代以来,在各种形式、各种材料的汽车构件中的成功应用,足以证明在铝合金焊接领域,非真空电子束焊是一个不可多得的焊接方法。为了焊接类似于图 5 中的由上下两个壳体组成的零件(一个壳体在上面,另外一个的整个外围是一个垂直的焊接边缘),我们需要一个在焊接区域外的工装装夹区域,固定好的待焊件通过传输带运送到焊接区域。当待焊件到达焊接区域后,一个“抓-放”操作手将它从传输带移出,并放置在 CNC 控制的可 X-Y 方向运动的工作台上。工作台延 X-Y 方向运动,以查找复杂边缘组成的焊缝的准确位置,以在垂直安装的电子枪下进行焊接。通常情况下,一个六个口的多支管上的焊缝可长达 2.5m。一

11、般参数为:功率 22kW;焊接速度为 8m/min焊接速度可以根据路径的弯角半径自动调节,如果半径大,焊接速度会相应的增加,速度调节范围为:5 -11m/min,此设备可以轻松达到 200 件/h 的产量。基于非真空电子束固有的特性, 焊缝位置的金属易于熔化。因此,即使焊缝根部的间隙宽度大于 0.5mm 时,仍能够得到良好的焊缝。3、未来的工业方向:其他铝合金制品的焊接多家科研单位都在研究,将非真空电子束焊接在铝合金焊接领域大范围使用的可能性,包括按照此工艺进行的焊前焊后的机械加工生产。在光谱分析试验中,研究学者对填丝和不填丝状态下的焊缝组分(填丝的目的为改变冶金状态或填充根部间隙)、板厚、接

12、头形式(对接, 搭接, 边缘焊接等)、焊接速度等方面进行研究。试验结果显示,非真空电子束焊接铝材具有风险小、焊接质量好、焊缝成形好、焊接强度高等优势,是其他焊接方法无法比拟的。非真空电子束焊接能够防止气孔和裂纹产生,同时能够保证焊接区域和热影响区的微观结构良好,平滑过渡。另外,焊缝机械特性与母材基本相当,焊深比较大的焊缝同样具有良好的特性。即使当焊接速度超过 60m/min 时,依旧可以得到铝镁合金良好的焊缝。非真空电子束焊工艺,自从 40 年前首次被应用于工业生产以来,已经被成功的广泛应用于汽车工业大体积零部件的批量生产中。同时,大量实践证明:非真空电子束焊接适合在各种工业环境条件下,焊接各种情况的零部件。在工业生产中,已经被看作是一种能够胜任很多工作的“通用设备”。作为这项研究的成果,铝合金的非真空电子束焊接工艺已经成功地证明:愈来愈多的生产者开始关注这种新型的工艺方法。当然,他们也必须清楚地认识到:为了更经济、更有竞争力的进行生产,还有许多问题值得关注,诸如:同类型的产品数量是否相对较大?是否能够满足非真空电子束焊接设备的使用率?待焊件的焊接长度是否相对较长?是否能够保证在一个生产循环周期内,焊接时间大于设备的空闲时间?等,以使自身更具有竞争优势。总之,非真空电子束焊接工艺在具有降低成本、提高焊接质量等一系列优势的前提下,必将愈来愈多地应用于各个工业生产领域。

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