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航空制造業(yè)中的電子束焊接

  眾多航天工程的啟動(dòng),促進(jìn)了先進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展蔽莱。其中端仰,電子束焊接具有高能量密度、高熔透性盒揉、焊接變形區(qū)小晋被、易于控制、能焊接難熔及異種金屬等優(yōu)點(diǎn)预烙,成為航天制造業(yè)中不可替代的一員胀爸。

  我國(guó)大型飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造、載人航天和探月工程等重大專(zhuān)項(xiàng)的陸續(xù)啟動(dòng)千荡,對(duì)先進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展具有強(qiáng)大牽引和推動(dòng)作用锌德,焊接技術(shù)已逐漸由原來(lái)的一種輔助制造工藝演變?yōu)橐环N關(guān)鍵制造技術(shù)。

  從1882年出現(xiàn)碳弧焊開(kāi)始绅踪,先后產(chǎn)生了埋弧焊沼惹、電阻焊、電渣焊及各種氣體保護(hù)焊兄诱。進(jìn)入20世紀(jì)60年代以后遥浑,焊接新能源的開(kāi)發(fā)使等離子焊接、真空電子束焊接和激光焊接等先進(jìn)的高能束流焊接方法應(yīng)運(yùn)而生旧育。在眾多的焊接技術(shù)中捞勿,電子束焊接技術(shù)憑借其高能量密度、高熔透性、焊接變形區(qū)小私周、易于控制和能焊接難熔及異種金屬等優(yōu)點(diǎn)贮爹,在航空、航天育勺、核能但荤、動(dòng)力、機(jī)械涧至、汽車(chē)及電子醫(yī)療器械等眾多制造技術(shù)領(lǐng)域腹躁,發(fā)揮著不可替代的作用。

電子束焊接原理及特點(diǎn)

  電子束焊接是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽(yáng)極間的高壓(25~300kV)加速電場(chǎng)作用下被加速至很高的速度(0.3~0.7倍光速)南蓬,經(jīng)磁透鏡會(huì)聚作用后纺非,形成密集的高速電子流。高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊工件表面時(shí)蓖康,電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料的熱能铐炫,使材料迅速融化而達(dá)到焊接的目的。

  電子束焊接中存在“小孔效應(yīng)”使其能夠一次性焊透數(shù)百毫米厚的材料蒜焊。小孔效應(yīng)的形成是一個(gè)復(fù)雜的高溫流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程倒信。當(dāng)電子束轟擊金屬表面時(shí),金屬被迅速熔化并達(dá)到沸點(diǎn)泳梆,一部分金屬被氣化鳖悠。金屬蒸汽離開(kāi)熔池時(shí)對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力,在與束流壓力的共同作用下捣睬,使熔化的金屬被排開(kāi)血洞,電子束可以繼續(xù)轟擊底部的固體金屬,連續(xù)作用下被焊金屬中很快形成小孔克蝶。電子束功率密度越高僻携,小孔的深度越大。隨著電子束在工件上移動(dòng)搔肉,小孔也隨著電子束一起運(yùn)動(dòng)疹返,液態(tài)金屬繞過(guò)小孔流向熔池后部使小孔不斷鎖閉并凝固形成焊縫。


圖1  電子束焊接舵芯蒙皮

以上所述電子束焊接原理使其具備以下特點(diǎn):

1.能量密度極高

  電子束焊接能量密度高達(dá)107~109W/cm2蓉止,可以實(shí)現(xiàn)高速焊接(每分鐘數(shù)十米)律跺,深穿透焊接(焊接鋼厚度達(dá)150mm,焊接鋁合金可達(dá)300mm溶绢,深寬比達(dá)50:1)侦镜。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劫扶,以及復(fù)合材料的可能性翠霍。

2.真空保護(hù)條件

  焊接技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中也在不斷改進(jìn)和完善熔池的保護(hù)條件。電子束焊接大多是在真空中進(jìn)行的,為焊縫金屬和整個(gè)零件提供了理想的保護(hù)條件寒匙,可防止材料氧化及其它有害氣體侵入耐齐。利用熔池與真空氣氛的壓差,有利于焊縫熔化金屬中所含氣體排出蒋情,減少焊縫氣孔,增加氣密性耸携,提高焊縫強(qiáng)度棵癣。

3.束流容易控制

  在所有的荷電基本粒子中,電子具有最小的質(zhì)量(其靜止質(zhì)量為9.1×10-28g)和很高的荷質(zhì)比(1.74×108c/g)夺衍,可以幾乎無(wú)慣性的受到電場(chǎng)或磁場(chǎng)的控制狈谊。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沟沙。電子束的功率河劝、焦點(diǎn)直徑和束流偏轉(zhuǎn)都可以精確調(diào)整,使電子束焊接適宜焊接精細(xì)零件或具有特殊結(jié)構(gòu)的零件矛紫。

電子束焊接技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

  1958 年赎瞎,前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院巴東焊接研究所就研制出了前蘇聯(lián)的第1 臺(tái)實(shí)驗(yàn)用電子束焊接裝置。早期主要應(yīng)用于原子能工業(yè)中塌或,隨后應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)中癣吝。由于電子束焊接設(shè)備價(jià)格昂貴,只能用于原子能缚形、航空体涡、航天和電子工業(yè)等對(duì)焊接有特殊要求的部門(mén)。

  20世紀(jì)70年代甜脖,電子束焊接技術(shù)日趨成熟轰窥,迅速普及到大批量生產(chǎn)行業(yè)。電子束極高的生產(chǎn)效率和顯著的經(jīng)濟(jì)效益使電子束焊接在競(jìng)爭(zhēng)激烈的民用工業(yè)部門(mén)顯示出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力廊畔。這一時(shí)期影其,國(guó)外幾乎所有的汽車(chē)制造廠都已采用電子束焊接技術(shù)生產(chǎn)有關(guān)零部件。這一時(shí)期任础,電子束焊接基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)的研究也取得了許多富有實(shí)用意義的成果讲媚。

  到20世紀(jì)80年代末到90年代初,電子束焊接進(jìn)入了成熟和平穩(wěn)發(fā)展期焰究。電子束深穿透焊的優(yōu)勢(shì)裆操,使其在大型,大厚度重型結(jié)構(gòu)件的焊接中開(kāi)始發(fā)揮作用炉媒。1986年踪区,我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)開(kāi)始使用電子束焊接工藝。采用電子束焊接結(jié)構(gòu)的變速器,可控制變速器的軸向尺寸缎岗,能夠在原來(lái)尺寸的基礎(chǔ)上静尼,增加變速檔次,大大改進(jìn)輕型車(chē)的性能传泊,提高經(jīng)濟(jì)效益鼠渺。

  進(jìn)入21世紀(jì),隨著人類(lèi)活動(dòng)空間向太空的進(jìn)一步擴(kuò)展眷细,電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用也逐步拓展到太空拦盹。高低溫度交替沖擊、失重溪椎、真空及宇宙線輻射等特殊的太空環(huán)境普舆,對(duì)宇航零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及加工工藝都提出了極為苛刻的要求校读。實(shí)踐證明為了滿足上述特點(diǎn)速痹,電子束焊接技術(shù)是必不可少的強(qiáng)有力的工具之一。

  美國(guó)與前蘇聯(lián)都已成功研制了空間所用電子束焊機(jī)绳练,為適應(yīng)特殊的焊接環(huán)境锦镶,空間所用電子束焊機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn):1.重量輕、體積小枫昏,以方便火箭運(yùn)載及宇航員操作拉狸;2.要對(duì)宇宙輻射線進(jìn)行仔細(xì)防護(hù)。強(qiáng)烈的宇宙射線會(huì)破壞半導(dǎo)體及絕緣器件滤萝,所以必須加以防護(hù)稿纺。3.需要考慮失重、超高真空碗履、空間溫度交變的影響谭驮。

  電子束焊接適用于航空器鈦合金部件的焊接。20世紀(jì)70年代末勾萌,McDonnell Douglas 就用電子束焊接F15戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金機(jī)翼和支架柱齐秕。
Tornado戰(zhàn)斗機(jī)和F14 Tomcat 上各種幾何形狀機(jī)翼的翅殼都采用電子束焊接。圖1是采用電子束焊接技術(shù)焊接鈦合金舵芯結(jié)構(gòu)件的示意圖仙蛉。鈦合金舵芯骨架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a 所示笋敞,骨架上分布著一系列環(huán)向和輻射狀的加強(qiáng)筋,舵芯蒙皮與骨架上的加強(qiáng)筋主要采用電子束焊接而成荠瘪,圖1c為舵芯骨架與舵芯蒙皮連接后的舵芯示意圖夯巷。

  在我國(guó),電子束焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)哀墓、齒輪加工業(yè)趁餐、精密儀器及電子儀表制造業(yè)喷兼、電工電能領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域的制造及維修業(yè)。我國(guó)重型汽車(chē)集團(tuán)在“七五”期間后雷,采用電子束焊接方法成功實(shí)現(xiàn)了奧地利引進(jìn)項(xiàng)目的板材沖壓貨車(chē)橋殼的生產(chǎn)季惯。在中國(guó)南方航空動(dòng)力機(jī)械公司,許多航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件和民品生產(chǎn)都使用了電子束焊接技術(shù)臀突。

  目前全世界已有幾千臺(tái)設(shè)備在核工業(yè)勉抓、航空宇航工業(yè)、精密加工業(yè)及重型機(jī)械等工業(yè)部門(mén)應(yīng)用候学。在電子束焊接設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)上具有實(shí)力的國(guó)家及公司有:德國(guó)的PTR精密技術(shù)有限公司琳状、英國(guó)的劍橋真空工程有限公司及英國(guó)接研究所( TWI) 、法國(guó)的TECH2META 公司以及烏克蘭的巴頓電焊研究所等承蠕。上述幾家公司及研究所的電子束焊接設(shè)備在國(guó)際上都有較高的知名度,所研發(fā)的電子束焊機(jī)各有其適用性及特點(diǎn)蕴续。其中烏克蘭巴頓研究所生產(chǎn)的中高壓電子束焊機(jī)扳啃,技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定贰宰,在前蘇聯(lián)的航空宇航焊接試驗(yàn)中得到了成功的實(shí)踐應(yīng)用危婚。

  電子束焊接技術(shù)可以高效獲得高質(zhì)量、大深寬比的焊縫芍迫,在航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用峦仲,是宇宙空間焊接的唯一可行的焊接方法。經(jīng)歷50年的發(fā)展哪趟,其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從最初的“高精尖”行業(yè)逐步擴(kuò)展到民用領(lǐng)域质瘸,在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。


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