電子束焊的應用及設備工藝

 1.概述

 電子束焊的工作原理是：在真空條件下，從電子槍發(fā)射的電子束在高電壓(通常為20kV—300kV)加速下，通過電磁透鏡聚焦成高能量密度的電子柬，當電子束轟擊工件時，電子的動能轉化為熱能 區(qū)的局部溫度驟升到6000℃以上，使工件材料熔化，實現(xiàn)焊接。電子束焊的特點為：

 ①能量密度大，z*高可達10kW/crrr2，比普通弧焊高5000倍—10000倍。焊縫深寬比可達1：20以上(普通的弧焊為1:1.5)。焊區(qū)的熱影響區(qū)小，變形小。這些都是目前大多數(shù)熔焊方法無法比擬的。

 ②焊接是在10^-2Pa—l0^-4Pa真空環(huán)境中進行的，殘余氣體中所存在的氧和氮的量要比純度為99.99%的惰性氣體還要少。

 ③焊接規(guī)范可精確控制。

 電子束焊的缺點是：設備較復雜，成本較高，零件大小受真空室尺寸的限制，工作電壓高，因而需要對X射線進行防護。

 2.電子束焊的應用

 ①難熔金屬的焊接。由于電子束焊能對鎢、鋁、鉭等難熔金屬進行焊接，故在一定程度上解決了此類材料焊接時產(chǎn)生的再結晶發(fā)脆問題。

 ②化學性質活潑材料的焊接。電子束焊也能對如鈮、鋯、鈦、鈦合金、鋁、鋁合金、鎂等活潑金屬及其合金進行焊接。

 ③耐熱合金和各種強化合金的焊接。電子束焊還能對各種不銹鋼、鎳基合金、彈簧鋼、高速鋼進行焊接。

 ④不同性質材料的焊接。如對于鋼與青銅、鋼與硬質合金、鋼與高速鋼、金屬與陶瓷以及厚度相差懸殊零件都可用電子束焊進行焊接。

 在真空工藝中，上述不同類型材料的焊接是經(jīng)常遇到的。例如，99.97%Al2O3瓷與鈮的電子束焊接。在制作振動薄膜規(guī)時，為了避免厚度為3μm的繃緊的可伐薄膜因受熱而損壞和因焊接皮力而引起電極間距離的變動，就可以采用電子束焊，效果良好。在制造海綿陰極時，鉬管與多孔鎢圓片的連接同樣也可采用電子束焊。

 3.電子束焊的設備和工藝

 圖15-7為電子束焊機示意圖。

 電子束焊機由電子光學系統(tǒng)(包括電子槍和磁聚焦、偏轉系統(tǒng))、真空系統(tǒng)(包括真空室、擴散泵、機械泵)、工作臺及傳動機構、電源及控制系統(tǒng)四部分組成。

 電子束焊機按使用真空度的不同可分為高真空電子束焊機(10^- 2Pa—l0^-4Pa)、低真空電子束焊機(10Pa—lPa)和非真空電子束焊機(將電子束引出真空室)。按工作電壓的不同則可分為高(電)壓型電子束焊機(100kV～300kV)、中(電)壓型電子束焊機(30kV—60kV)和低(電)壓型電子束焊機(低于30kV)。目前國內較多使用的是中(電)壓型真空電子束焊機。電子束焊機的主要部件是電子光學系統(tǒng)，它是獲得高能量密度電子束的關鍵。在配以穩(wěn)定、調節(jié)方便的電源系統(tǒng)后，可保證電子束焊工藝的穩(wěn)定性。

 電子束焊接工藝的主要內容是選擇合理的接頭形式，根據(jù)不同材料和工件選擇不同的焊接規(guī)范。

 電子束焊接頭形式如圖15-8所示。

 焊接規(guī)范的主要內容是：加速電壓、電子柬電流、工作距離(被焊工件至聚焦筒底的距離)、聚焦電流和焊接速度的確定。選擇合適的規(guī)范可使焊縫形狀、強度、氣密性等達到設計要求。由于焊機的性能不同，焊接規(guī)范很難做到統(tǒng)一，但是選取規(guī)范的基本原則是一致的，這些原則是：

 ①熔深隨單位長度輸入能量的增大而增大。單位長度輸入能量值與加速電壓、電子束流、焊速之間的關系由下式表示

 式中：P-單位長度的輸入能量[J/cm];

 U-加速電壓[V];

 I一電子束電流[A];

 v-焊接速度[cm/s]。

 根據(jù)材料的性質和厚度選擇P值。

 ②在P值一定的情況下，從所確定的焊接速度(根據(jù)工藝要求選定)，可求得焊接功率UI，從而選定加速電匝U和電子束流J。

 ③聚焦電流的數(shù)值視加速電壓和工作距離而定。電壓的增加或工作距離的減少都要求聚焦電流增加，才能得到小的電子束斑點。聚焦電流選擇對焊縫成形有較大的影響，圖15-9給出不同規(guī)范對焊縫成形的影響。

 此外，焊縫配合公差和焊件的表面處理方法對焊縫質量也有重要的影響。