編者語:電子束焊接技術可以高效獲得高質量、大深寬比的焊縫,在航空航天等領域發揮著不可替代的作用,是宇宙空間焊接的唯一可行的焊接方法。經曆50年的發展,其應用領域已經從最初的“高精尖”行業逐步擴展到民用領域,在工業生產中發揮著重要的作用。
眾多航天工程的啟動,促進了先進焊接技術的發展。其中,電子束焊接具有高能量密度、高熔透性、焊接變形區小、易於控製、能焊接難熔及異種金屬等優點,成為航天製造業中不可替代的一員。

我國大型飛機設計與製造、載(zai)人(ren)航(hang)天(tian)和(he)探(tan)月(yue)工(gong)程(cheng)等(deng)重(zhong)大(da)專(zhuan)項(xiang)的(de)陸(lu)續(xu)啟(qi)動(dong),對(dui)先(xian)進(jin)焊(han)接(jie)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)具(ju)有(you)強(qiang)大(da)牽(qian)引(yin)和(he)推(tui)動(dong)作(zuo)用(yong),焊(han)接(jie)技(ji)術(shu)已(yi)逐(zhu)漸(jian)由(you)原(yuan)來(lai)的(de)一(yi)種(zhong)輔(fu)助(zhu)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)演(yan)變(bian)為(wei)一(yi)種(zhong)關(guan)鍵(jian)製(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)。
從1882年出現碳弧焊開始,先後產生了埋弧焊、電阻焊、電渣焊及各種氣體保護焊。進入20世紀60年代以後,焊接新能源的開發使等離子焊接、真空電子束焊接和激光焊接等先進的高能束流焊接方法應運而生。在眾多的焊接技術中,電子束焊接技術憑借其高能量密度、高熔透性、焊接變形區小、易於控製和能焊接難熔及異種金屬等優點,在航空、航天、核能、動力、機械、汽車及電子醫療器械等眾多製造技術領域,發揮著不可替代的作用。
電子束焊接原理及特點
電子束焊接是利用電子槍中陰極所產生的電子在陰陽極間的高壓(25~300kV)加速電場作用下被加速至很高的速度(0.3~0.7倍光速),jingcitoujinghuijuzuoyonghou,xingchengmijidegaosudianziliu。gaosuyundongdedianzihongjigongjianbiaomianshi,dianzidedongnengzhuanhuaweicailiaodereneng,shicailiaoxunsuronghuaerdadaohanjiedemude。
電子束焊接中存在“小孔效應”shiqinenggouyicixinghantoushubaihaomihoudecailiao。xiaokongxiaoyingdexingchengshiyigefuzadegaowenliutidonglixueguocheng。dangdianzishuhongjijinshubiaomianshi,jinshubeixunsuronghuabingdadaofeidian,yibufenjinshubeiqihua。jinshuzhengqilikairongchishiduiyetaijinshuchanshengyigefujiayali,zaiyushuliuyalidegongtongzuoyongxia,shironghuadejinshubeipaikai,dianzishukeyijixuhongjidibudegutijinshu,lianxuzuoyongxiabeihanjinshuzhonghenkuaixingchengxiaokong。dianzishugonglvmiduyuegao,xiaokongdeshenduyueda。suizhedianzishuzaigongjianshangyidong,xiaokongyesuizhedianzishuyiqiyundong,yetaijinshuraoguoxiaokongliuxiangrongchihoubushixiaokongbuduansuobibingningguxingchenghanfeng。
以上所述電子束焊接原理使其具備以下特點: 1.能量密度極高
電子束焊接能量密度高達107~109W/cm2,可以實現高速焊接(每分鍾數十米),深穿透焊接(焊接鋼厚度達150mm,焊接鋁合金可達300mm,深寬比達50:1)。極高的能量密度使電子束可以焊接各種難熔金屬,甚至包括陶瓷等非金屬,以及複合材料的可能性。
2.真空保護條件
hanjiejishuzaifazhanguochengzhongyezaibuduangaijinhewanshanrongchidebaohutiaojian。dianzishuhanjiedaduoshizaizhenkongzhongjinxingde,weihanfengjinshuhezhenggelingjiantigonglelixiangdebaohutiaojian,kefangzhicailiaoyanghuajiqitayouhaiqitiqinru。liyongrongchiyuzhenkongqifendeyacha,youliyuhanfengronghuajinshuzhongsuohanqitipaichu,jianshaohanfengqikong,zengjiaqimixing,tigaohanfengqiangdu。
3.束流容易控製
在所有的荷電基本粒子中,電子具有最小的質量(其靜止質量為9.1×10-28g)和很高的荷質比(1.74×108c/g),可以幾乎無慣性的受到電場或磁場的控製。使得電子束在目前已知的各種焊接熱源中,成為一種最容易操控的熱源。電子束的功率、焦點直徑和束流偏轉都可以精確調整,使電子束焊接適宜焊接精細零件或具有特殊結構的零件。
電子束焊接技術的發展及應用
1958 年,前蘇聯烏克蘭科學院巴東焊接研究所就研製出了前蘇聯的第1 台(tai)實(shi)驗(yan)用(yong)電(dian)子(zi)束(shu)焊(han)接(jie)裝(zhuang)置(zhi)。早(zao)期(qi)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)於(yu)原(yuan)子(zi)能(neng)工(gong)業(ye)中(zhong),隨(sui)後(hou)應(ying)用(yong)於(yu)航(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)工(gong)業(ye)中(zhong)。由(you)於(yu)電(dian)子(zi)束(shu)焊(han)接(jie)設(she)備(bei)價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui),隻(zhi)能(neng)用(yong)於(yu)原(yuan)子(zi)能(neng)、航空、航天和電子工業等對焊接有特殊要求的部門。
20世紀70年(nian)代(dai),電(dian)子(zi)束(shu)焊(han)接(jie)技(ji)術(shu)日(ri)趨(qu)成(cheng)熟(shu),迅(xun)速(su)普(pu)及(ji)到(dao)大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)行(xing)業(ye)。電(dian)子(zi)束(shu)極(ji)高(gao)的(de)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)和(he)顯(xian)著(zhu)的(de)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)使(shi)電(dian)子(zi)束(shu)焊(han)接(jie)在(zai)競(jing)爭(zheng)激(ji)烈(lie)的(de)民(min)用(yong)工(gong)業(ye)部(bu)門(men)顯(xian)示(shi)出(chu)強(qiang)大(da)的(de)競(jing)爭(zheng)力(li)。這(zhe)一(yi)時(shi)期(qi),國(guo)外(wai)幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)的(de)汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)廠(chang)都(dou)已(yi)采(cai)用(yong)電(dian)子(zi)束(shu)焊(han)接(jie)技(ji)術(shu)生(sheng)產(chan)有(you)關(guan)零(ling)部(bu)件(jian)。這(zhe)一(yi)時(shi)期(qi),電(dian)子(zi)束(shu)焊(han)接(jie)基(ji)礎(chu)理(li)論(lun)和(he)應(ying)用(yong)基(ji)礎(chu)的(de)研(yan)究(jiu)也(ye)取(qu)得(de)了(le)許(xu)多(duo)富(fu)有(you)實(shi)用(yong)意(yi)義(yi)的(de)成(cheng)果(guo)。
到20世紀80年代末到90年代初,電子束焊接進入了成熟和平穩發展期。電子束深穿透焊的優勢,使其在大型,大厚度重型結構件的焊接中開始發揮作用。1986年nian,我wo國guo的de汽qi車che工gong業ye開kai始shi使shi用yong電dian子zi束shu焊han接jie工gong藝yi。采cai用yong電dian子zi束shu焊han接jie結jie構gou的de變bian速su器qi,可ke控kong製zhi變bian速su器qi的de軸zhou向xiang尺chi寸cun,能neng夠gou在zai原yuan來lai尺chi寸cun的de基ji礎chu上shang,增zeng加jia變bian速su檔dang次ci,大da大da改gai進jin輕qing型xing車che的de性xing能neng,提ti高gao經jing濟ji效xiao益yi。
進入21世紀,隨著人類活動空間向太空的進一步擴展,電子束焊接技術的應用也逐步拓展到太空。高低溫度交替衝擊、失重、真空及宇宙線輻射等特殊的太空環境,對宇航零部件的結構設計、材料選擇及加工工藝都提出了極為苛刻的要求。實踐證明為了滿足上述特點,電子束焊接技術是必不可少的強有力的工具之一。
美國與前蘇聯都已成功研製了空間所用電子束焊機,為適應特殊的焊接環境,空間所用電子束焊機應具有以下特點:1.重量輕、體積小,以方便火箭運載及宇航員操作;2.要對宇宙輻射線進行仔細防護。強烈的宇宙射線會破壞半導體及絕緣器件,所以必須加以防護。3.需要考慮失重、超高真空、空間溫度交變的影響。
電子束焊接適用於航空器鈦合金部件的焊接。20世紀70年代末,McDonnell Douglas 就用電子束焊接F15戰鬥機的鈦合金機翼和支架柱。
Tornado戰鬥機和F14 Tomcat shanggezhongjihexingzhuangjiyidechikedoucaiyongdianzishuhanjie。shangtushicaiyongdianzishuhanjiejishuhanjietaihejinduoxinjiegoujiandeshiyitu。taihejinduoxingujiajiegoushiyiturutua 所示,骨架上分布著一係列環向和輻射狀的加強筋,舵芯蒙皮與骨架上的加強筋主要采用電子束焊接而成,圖c為舵芯骨架與舵芯蒙皮連接後的舵芯示意圖。
在我國,電子束焊接技術已廣泛應用於汽車工業、齒輪加工業、精密儀器及電子儀表製造業、電工電能領域和航空航天領域的製造及維修業。我國重型汽車集團在“七五”qijian,caiyongdianzishuhanjiefangfachenggongshixianleaodiliyinjinxiangmudebancaichongyahuocheqiaokedeshengchan。zaizhongguonanfanghangkongdonglijixiegongsi,xuduohangkongfadongjiguanjianlingbujianheminpinshengchandoushiyongledianzishuhanjiejishu。
目前全世界已有幾千台設備在核工業、航空宇航工業、精密加工業及重型機械等工業部門應用。在電子束焊接設備的研製開發上具有實力的國家及公司有:德國的PTR精密技術有限公司、英國的劍橋真空工程有限公司及英國接研究所( TWI) 、法國的TECH2META gongsiyijiwukelandebadundianhanyanjiusuodeng。shangshujijiagongsijiyanjiusuodedianzishuhanjieshebeizaiguojishangdouyoujiaogaodezhimingdu,suoyanfadedianzishuhanjigeyouqishiyongxingjitedian。qizhongwukelanbadunyanjiusuoshengchandezhonggaoyadianzishuhanji,jishuchengshu,xingnengwending,zaiqiansuliandehangkongyuhanghanjieshiyanzhongdedaolechenggongdeshijianyingyong。
電子束焊接技術可以高效獲得高質量、大深寬比的焊縫,在航空航天等領域發揮著不可替代的作用,是宇宙空間焊接的唯一可行的焊接方法。經曆50年的發展,其應用領域已經從最初的“高精尖”行業逐步擴展到民用領域,在工業生產中發揮著重要的作用。