電子束焊接技術(shù)研究及進(jìn)展

馬正斌，劉金合，盧施宇，王世清

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安710072；2.新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056003)

電子束焊接技術(shù)研究及進(jìn)展

馬正斌1，劉金合1，盧施宇2，王世清1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安710072；2.新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056003)

簡(jiǎn)要介紹了電子束焊接技術(shù)的發(fā)展、基本原理以及應(yīng)用范圍。著重介紹了電子束釬焊、活性劑電子束焊接、電子束復(fù)合焊接、電子束填絲焊、局部真空電子束焊接、電子束掃描焊接等電子束焊接新技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)電子束焊接未來(lái)的發(fā)展做出了展望。

電子束焊接；焊接新技術(shù)；研究進(jìn)展

0 前言

電子束的發(fā)現(xiàn)迄今已有100多年的歷史。電子束焊接技術(shù)起源于德國(guó)，1948年前西德物理學(xué)家K.H.Steigerwald首次提出電子束焊接的設(shè)想；1954年法國(guó)的J.A.Stohr博士成功焊接了核反應(yīng)堆燃料包殼，標(biāo)志著電子束焊接金屬獲得成功；1957年11月，在法國(guó)巴黎召開(kāi)的國(guó)際原子能燃料元件技術(shù)大會(huì)上公布了該技術(shù)，電子束焊接被確認(rèn)為一種新的焊接方法；1958年開(kāi)始，美國(guó)、英國(guó)、日本及前蘇聯(lián)開(kāi)始進(jìn)行電子束焊接方面的研究，20世紀(jì)60年代后，我國(guó)開(kāi)始從事電子束焊接研究。

隨著航空、航天、微電子、核能、交通運(yùn)輸及國(guó)防工業(yè)的飛速發(fā)展，各種高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的鋁合金、鎂合金、鈦合金和耐高溫合金等金屬材料以及復(fù)合材料廣泛應(yīng)用，加之構(gòu)件形狀日趨復(fù)雜化，對(duì)焊接工藝、加工精度和表面完整性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的焊接工藝難以適應(yīng)高技術(shù)制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)這些材料采用包括電子束焊接在內(nèi)的高能束焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)較大。電子束焊接是以高能密度電子束作為能量載體對(duì)材料和構(gòu)件實(shí)現(xiàn)焊接和加工的新型特種加工工藝方法。它具有傳統(tǒng)焊接方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)和特殊功能：焊接能量密度高(107～109W／cm2)，容易實(shí)現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接，焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接工藝參數(shù)容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好[1]。

隨著該技術(shù)的日趨成熟和廣泛應(yīng)用，電子束焊接在技術(shù)和工藝(電子束釬焊、電子束填絲焊、電子束掃描焊接、活性劑電子束焊接、局部電子束真空焊接、電子束焊-釬焊復(fù)合焊、電子束-等離子弧復(fù)合焊接)方面都取得了重要進(jìn)展。在此介紹電子束焊接的最新研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展作出展望。

1 電子束焊基本原理

電子束焊是利用空間定向高速運(yùn)動(dòng)的電子束撞擊工件表面后，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，使被焊金屬熔化，冷卻凝固后形成焊縫。

這種經(jīng)過(guò)電子槍產(chǎn)生，并由高壓加速和電子光學(xué)系統(tǒng)匯聚成的功率密度很高的電子束撞擊到工件表面，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)。在高壓金屬蒸汽的作用下，熔化的金屬被排開(kāi)，電子束就能繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬，同時(shí)很快在被焊工件上鉆出一個(gè)鎖性小孔(見(jiàn)圖1)，小孔的周圍被液態(tài)金屬包圍。隨著電子束與工件的相對(duì)移動(dòng)，液態(tài)金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻、凝固形成焊縫[2]。

圖1 電子束焊接焊縫成形原理[2]

2 電子束焊接新技術(shù)

2.1 電子束釬焊

真空電子束釬焊作為一種高質(zhì)量、高效率、精確控制的制造技術(shù)，對(duì)各種精密、復(fù)雜部件的連接制造具有非常重要的意義。用電子束作為加熱源進(jìn)行真空釬焊，就是用電子束高速掃描，使電子束由點(diǎn)熱源轉(zhuǎn)化為面熱源，實(shí)現(xiàn)零件的局部高速均勻加熱。該工藝具有普通真空釬焊無(wú)法比擬的優(yōu)越性，如高溫停留時(shí)間短、大大減少釬料對(duì)母材的溶蝕、輸入能量精密可控、能量輸入路徑可任意編輯等[3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已通過(guò)電子束釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了陶瓷零件[4]、碳-碳復(fù)合材料[5]、立方氮化硼與碳化鎢基體[6]以及換熱器管板結(jié)構(gòu)[7]的連接。在國(guó)內(nèi)，電子束復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)用尚未普及，僅某航空研究所對(duì)飛機(jī)換熱器管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)初步研究。

李少青等人[8]分別采用電子束釬焊對(duì)不銹鋼管板進(jìn)行連接。結(jié)果表明，接頭部位的釬縫均勻圓滑，釬焊透率100%，滿足技術(shù)規(guī)范要求，如圖2所示。

近年來(lái)更多的研究者認(rèn)識(shí)到電子束釬焊在焊接領(lǐng)域的優(yōu)越性，上海交通大學(xué)、北京航空制造工程研究所和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等都在這方面做了大量的研究工作。圍繞電子束釬焊所開(kāi)展的研究主要為釬接機(jī)理和針對(duì)具體材料與結(jié)構(gòu)的實(shí)用工藝兩方面，焊接機(jī)理方面的研究為實(shí)用工藝技術(shù)的形成奠定了基礎(chǔ)。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)電子束釬焊的熱作用控制研究逐漸引起了人們的重視，成為電子束釬焊技術(shù)研究中的熱點(diǎn)之一。

圖2 釬焊接頭示意[8]

2.2 活性劑電子束焊接

將活性劑應(yīng)用于電子束焊也是目前活性焊接研究的重要領(lǐng)域之一。在一定條件下，活性劑對(duì)電子束焊的熔深影響很大，現(xiàn)已逐步形成了活性電子束焊的新技術(shù)。

與傳統(tǒng)電子束焊相比，活性電子束焊的特點(diǎn)為[9]：

(1)使用活性劑可明顯減小熔池上部寬度，改變?nèi)鄢匦螤睢?/p>

(2)SiO2、TiO2、Cr2O3單組元活性劑對(duì)電子束焊接熔深增加有影響。

(3)由SiO2、TiO2、Cr2O3等組成的多組元不銹鋼電子束焊活性劑，可使聚焦電子束焊接熔深增加兩倍多。

(4)使用活性劑后，聚焦電流和束流對(duì)電子束焊熔深增加有影響。

柴國(guó)明等人對(duì)用電子束活性劑焊接TA15板材進(jìn)行堆焊實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，活性劑對(duì)熔池形狀有很大影響，通過(guò)添加活性劑改變表面張力梯度，改善了焊縫咬邊。

樊丁等人[10-11]分別對(duì)6 mm厚LF21鋁合金和10 mm厚不銹鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，用電子束焊接鋁合金，表面張力梯度改變理論對(duì)鋁合金熔深增加的作用不明顯。電子束焊接不銹鋼使用活性劑可增加電子束焊的熔深，使用活性劑后，聚焦電流和束流對(duì)電子束焊熔深增加有較大影響。

隨著對(duì)活性焊接機(jī)理的進(jìn)一步研究，新的高效活性焊接法將得到應(yīng)用。

2.3 電子束復(fù)合焊接

近年來(lái)，哈爾濱焊接研究所提出了新型非真空電子束焊接方法，即電子束-等離子弧焊接，如圖3所示。它采用電子束與等離子弧相串聯(lián)，疊加起來(lái)進(jìn)行焊接，電子束通過(guò)真空和等離子槍的陰極進(jìn)入大氣，穿過(guò)等離子弧后熔化金屬進(jìn)行焊接。這樣可以減小電子束的能量損失，也有助于穩(wěn)定等離子弧，等離子弧可以很好的保護(hù)焊接熔池，并作為附加熱源預(yù)熱工件，有助于改善焊縫成形，增加熔深[12]。

圖3 電子束-等離子弧原理示意

2.4 電子束填絲焊

與自熔性電子束焊接相比，電子束填絲焊接具有許多特殊的優(yōu)點(diǎn)。填充焊絲的電子束焊接技術(shù)放寬了對(duì)間隙和對(duì)接面加工精度的要求，從而降低了工藝難度，節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率。

姚舜等人[13]通過(guò)對(duì)角焊縫低真空填絲電子束焊接的研究，詳細(xì)討論了束流形態(tài)、填充金屬送進(jìn)、聚焦點(diǎn)位置等主要填絲電子束焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響。結(jié)果表明：優(yōu)先選用前送進(jìn)方向的送絲方式，避免了終焊時(shí)的粘絲現(xiàn)象，焊絲送入點(diǎn)必須位于與電子束流移動(dòng)方向一致的軸線上。

鎖紅波等人[14-15]通過(guò)對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼板材和Q235鋼的填絲焊接實(shí)驗(yàn)得出：當(dāng)參數(shù)選擇合適、裝配間隙不大于0.4 mm時(shí)，均可獲得外觀成形良好、內(nèi)部無(wú)缺陷的焊縫。電子束填絲焊接時(shí)，焊縫截面幾何特征在聚焦電流變化時(shí)，以表面焦點(diǎn)處的聚集電流為中心，均存在一定程度的對(duì)稱性。利用這一結(jié)果可較為方便地估計(jì)工藝裕度區(qū)間，優(yōu)化參數(shù)。

2.5 局部真空電子束焊接

局部真空電子束焊接技術(shù)是在大尺寸結(jié)構(gòu)件的焊縫及其附近局部區(qū)域建立真空環(huán)境，并進(jìn)行電子束焊接的技術(shù)。這種方法既保留了真空電子束焊接的特點(diǎn)，又避開(kāi)了龐大的真空室，解決了厚大工件的焊接問(wèn)題，可大大提高焊接質(zhì)量并降低設(shè)備成本。為了發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家做了大量深入的研究工作。國(guó)內(nèi)的航天科技集團(tuán)公司五一○所于1986年研制了行程1.5 m、50 kV、5 kW直線型局部真空電子束焊機(jī)，已用于衛(wèi)星燃料貯箱制造中。

劉志華等人[16-17]對(duì)5 mm厚LF6鋁合金進(jìn)行局部真空電子束焊接工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用局部真空電子束焊接工藝焊接鋁合金是完全可行的，焊縫質(zhì)量與真空電子束焊相同。鋁合金局部真空電子束焊時(shí)須采用較強(qiáng)的聚焦和較窄的焊縫，以利于焊縫成形和抑制氣孔生成。

局部真空電子束焊接技術(shù)是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，在國(guó)防工業(yè)和民用工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。

2.6 電子束掃描焊接

電子束掃描焊接作為一種細(xì)化晶粒的焊接方法，目前主要應(yīng)用于鈦合金焊接，可一定程度細(xì)化焊縫組織，元素偏析降低了焊接接頭強(qiáng)度，提高了缺口沖擊韌度。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展電子束焊接技術(shù)研究的廣度和深度在不斷加大，已經(jīng)在焊接理論和工藝實(shí)踐上取得了積極的研究成果。但由于電子束焊接過(guò)程中電子束與金屬間的深穿快速物理化學(xué)冶金作用，以及當(dāng)前研究分析手段上的局限性，焊接機(jī)理的本質(zhì)研究有待進(jìn)一步深入。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，電子束焊接技術(shù)和工藝必將得以完善和發(fā)展。

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Research and development of electron beam welding

MA Zheng-bin1，LIU Jin-he1，LU Shi-yu2，WANG Shi-qing1
(1.School of Materials and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Xinxing Ductile Iron Pipes Co.，Ltd.，Handan 056003，China)

In recent years，with the electron beam welding technology has increasingly matured and been widely used，which has made important progress in the technical and technological aspects.This article briefly introduced the principle and development of electron beam welding.And mainly introduced the new technologies in the domestic research status of electron beam brazing，activating fluxes electron beam welding，electron beam hybrid welding，wire filling electron beam welding，local vacuum electron beam welding，electron beam deflection welding and so on.Meanwhile，this paper described the development prospect of electron beam welding.

electron beam welding；new welding technology；research development

TG48

C

1001-2303(2012)04-0093-04

2011-11-01

馬正斌(1986—)，男，河北石家莊人，在讀碩士，主要從事電子束焊接工藝和模擬研究。