真空系统设计（电子束焊接）

3.2.1.4电子束焊接

A电子束焊接原理及特点

电子束焊接的工作原理是:在1.3×10-3Pa的高真空条件下,从电子枪中发射出来的电子在高电压(通常为20~300kV)加速下,通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束流。当电子束轰击工件时,电子的动能转化为热能,焊区的金属局部温度可以骤升到6000℃以上,使工件材料局部快速熔融,然后迅速冷却以实现焊接的目的。

电子束焊接的特点为:(1)加热功率密度大。电子束功率为束

流及其加速电压的乘积,功率可从几十千瓦到一百千瓦以上。电子束束斑(焦点)的功率可达106~108W/cm2,比电弧功率密度约高100~1000倍。由于电子束功率密度大、加热集中、热效率高,所以可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝,适用于焊接几乎所有的金属材料,适宜于难熔金属及热敏感性强的金属材料的焊接,尤其适合铝及铝合金材料的焊接。(2)焊缝的熔深熔宽比(深宽比)大。普通电弧焊的熔深熔宽比很难超过2,而电子束焊接的比值可高达20以上,所以电子束焊可以利用大功率电子束对大厚度钢板进行不开坡口的单面焊,从而大大提高厚板焊接的技术经济指标。目前,电子束单面焊接钢板的最大厚度超过了100mm,而对铝合金的电子束焊接,最大厚度已超过300mm。(3)电子束焊接是在真空环境中进行的,熔池周围气氛的纯度高,焊缝的化学成分稳定且纯净,不存在焊缝金属的氧化污染问题,焊缝接头的强度高,焊缝质量好,所以特别适宜焊接化学活泼性强、纯度高和在熔化温度下极易被大气污染(发生氧化)的金属,如铝、钛、锆、钼、高强度钢、高合金钢以及不锈钢等。这种焊接方法还适用于高熔点金属,可进行钨-钨焊接。(4)电子束焊接速度快,热影响区小,焊接件热变形小,可对精加工后的零件进行焊接。(5)电子束焊接易于实现焊接工艺参数的精确控制,使焊接过程完全自动化。

由于电子束焊接是在真空工作室内用聚焦高能电子束(大于10kV)把接头加热到熔化温度的焊接,加热区域非常集中,因此只能焊接真空室内放得下的零件。

电子束焊接主要用在以下方面:

(1)难熔金属的焊接,如对钨、钼等金属进行焊接,可在一定程度上解决此类材料焊接时产生的再结晶发脆问题。

(2)化学性质活泼材料的焊接,如对铌、锆、钛、铝、镁等金属及其合金进行焊接。

(3)耐热合金和各种不锈钢、镍基合金、弹簧钢、高速钢的焊接。

(4)对不同性质材料的焊接,如对钢与青铜、钢与硬质合金钢与高速钢、金属与金属封接,以及对厚度相差悬殊零件的焊接。

B电子束焊接工艺

真空电子束焊接由于在高纯度低压的气氛下进行,焦点尺寸小能量密度集中,单道焊时可不开坡口,一般也不加填充材料,所以对焊接工艺提出如下特殊要求:

(1)电子束焦点必须正确对准焊接线,其偏差要求小于0.2~0.3mm。

(2)对接缝的间隙约为0.1mm的板厚,但不能超过0.2mm。

(3)焊前,焊缝附近必须进行严格的除锈和清洗,工件上不允许残留有机物质。

电子束焊接工艺的主要内容是:(1)选择合理的接头形式;(2)根据不同材料和工件选择不同的焊接规范。电子束焊接的接头形式有对接、搭接和T形接(包括角接)等,具体接头形式如图3-2所示。

图 3-2 电子束焊接的接头形式