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航空制造业中的电子束焊接 |
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作者：北京航空制造工程研究所 赵明书 |
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我国大型飞机设计与制造、载人航天和探月工程等重大专项的陆续启动，对先进焊接技术的发展具有强大牵引和推动作用，焊接技术已逐渐由原来的一种辅助制造工艺演变为一种关键制造技术。
从1882年出现碳弧焊开始，先后产生了埋弧焊、电阻焊、电渣焊及各种气体保护焊。进入20世纪60年代以后，焊接新能源的开发使等离子焊接、真空电子束焊接和激光焊接等先进的高能束流焊接方法应运而生。在众多的焊接技术中，电子束焊接技术凭借其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制和能焊接难熔及异种金属等优点，在航空、航天、核能、动力、机械、汽车及电子医疗器械等众多制造技术领域，发挥着不可替代的作用。
电子束焊接原理及特点
电子束焊接是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压（25~300kV）加速电场作用下被加速至很高的速度（0.3~0.7倍光速），经磁透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。高速运动的电子轰击工件表面时，电子的动能转化为材料的热能，使材料迅速融化而达到焊接的目的。
电子束焊接中存在“小孔效应”使其能够一次性焊透数百毫米厚的材料。小孔效应的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。当电子束轰击金属表面时，金属被迅速熔化并达到沸点，一部分金属被气化。金属蒸汽离开熔池时对液态金属产生一个附加压力，在与束流压力的共同作用下，使熔化的金属被排开，电子束可以继续轰击底部的固体金属，连续作用下被焊金属中很快形成小孔。电子束功率密度越高，小孔的深度越大。随着电子束在工件上移动，小孔也随着电子束一起运动，液态金属绕过小孔流向熔池后部使小孔不断锁闭并凝固形成焊缝。
以上所述电子束焊接原理使其具备以下特点：
1.能量密度极高
电子束焊接能量密度高达107~109W/cm2，可以实现高速焊接（每分钟数十米），深穿透焊接（焊接钢厚度达150mm，焊接铝合金可达300mm，深宽比达50：1）。极高的能量密度使电子束可以焊接各种难熔金属，甚至包括陶瓷等非金属，以及复合材料的可能性。
2.真空保护条件
焊接技术在发展过程中也在不断改进和完善熔池的保护条件。电子束焊接大多是在真空中进行的，为焊缝金属和整个零件提供了理想的保护条件，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。
3.束流容易控制
在所有的荷电基本粒子中，电子具有最小的质量（其静止质量为9.1×10-28g）和很高的荷质比（1.74×108c/g），可以几乎无惯性的受到电场或磁场的控制。使得电子束在目前已知的各种焊接热源中，成为一种最容易操控的热源。电子束的功率、焦点直径和束流偏转都可以精确调整，使电子束焊接适宜焊接精细零件或具有特殊结构的零件。
电子束焊接技术的发展及应用
1958 年，前苏联乌克兰科学院巴东焊接研究所就研制出了前苏联的第1 台实验用电子束焊接装置。早期主要应用于原子能工业中，随后应用于航空发动机工业中。由于电子束焊接设备价格昂贵，只能用于原子能、航空、航天和电子工业等对焊接有特殊要求的部门。
20世纪70年代，电子束焊接技术日趋成熟，迅速普及到大批量生产行业。电子束极高的生产效率和显著的经济效益使电子束焊接在竞争激烈的民用工业部门显示出强大的竞争力。这一时期，国外几乎所有的汽车制造厂都已采用电子束焊接技术生产有关零部件。这一时期，电子束焊接基础理论和应用基础的研究也取得了许多富有实用意义的成果。
到20世纪80年代末到90年代初，电子束焊接进入了成熟和平稳发展期。电子束深穿透焊的优势，使其在大型，大厚度重型结构件的焊接中开始发挥作用。1986年，我国的汽车工业开始使用电子束焊接工艺。采用电子束焊接结构的变速器，可控制变速器的轴向尺寸，能够在原来尺寸的基础上，增加变速档次，大大改进轻型车的性能，提高经济效益。
进入21世纪，随着人类活动空间向太空的进一步扩展，电子束焊接技术的应用也逐步拓展到太空。高低温度交替冲击、失重、真空及宇宙线辐射等特殊的太空环境，对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。
美国与前苏联都已成功研制了空间所用电子束焊机，为适应特殊的焊接环境，空间所用电子束焊机应具有以下特点：1.重量轻、体积小，以方便火箭运载及宇航员操作；2.要对宇宙辐射线进行仔细防护。强烈的宇宙射线会破坏半导体及绝缘器件，所以必须加以防护。3.需要考虑失重、超高真空、空间温度交变的影响。
电子束焊接适用于航空器钛合金部件的焊接。20世纪70年代末，McDonnell Douglas 就用电子束焊接F15战斗机的钛合金机翼和支架柱。
图1 电子束焊接舵芯蒙皮
Tornado战斗机和F14 Tomcat 上各种几何形状机翼的翅壳都采用电子束焊接。图1是采用电子束焊接技术焊接钛合金舵芯结构件的示意图。钛合金舵芯骨架结构示意图如图1a 所示，骨架上分布着一系列环向和辐射状的加强筋，舵芯蒙皮与骨架上的加强筋主要采用电子束焊接而成，图1c为舵芯骨架与舵芯蒙皮连接后的舵芯示意图。
在我国，电子束焊接技术已广泛应用于汽车工业、齿轮加工业、精密仪器及电子仪表制造业、电工电能领域和航空航天领域的制造及维修业。我国重型汽车集团在“七五”期间，采用电子束焊接方法成功实现了奥地利引进项目的板材冲压货车桥壳的生产。在中国南方航空动力机械公司，许多航空发动机关键零部件和民品生产都使用了电子束焊接技术。
目前全世界已有几千台设备在核工业、航空宇航工业、精密加工业及重型机械等工业部门应用。在电子束焊接设备的研制开发上具有实力的国家及公司有：德国的PTR精密技术有限公司、英国的剑桥真空工程有限公司及英国接研究所( TWI) 、法国的TECH2META 公司以及乌克兰的巴顿电焊研究所等。上述几家公司及研究所的电子束焊接设备在国际上都有较高的知名度，所研发的电子束焊机各有其适用性及特点。其中乌克兰巴顿研究所生产的中高压电子束焊机，技术成熟，性能稳定，在前苏联的航空宇航焊接试验中得到了成功的实践应用。
电子束焊接技术可以高效获得高质量、大深宽比的焊缝，在航空航天等领域发挥着不可替代的作用，是宇宙空间焊接的唯一可行的焊接方法。经历50年的发展，其应用领域已经从最初的“高精尖”行业逐步扩展到民用领域，在工业生产中发挥着重要的作用。(end)
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(5/4/2010) |
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