看圖說話——淺析真空電子束焊接的應(yīng)用

淺藍(lán)色

關(guān)于這個話題，前有”道長“的普及貼《電子束焊接的簡單介紹》,，所以我就不敢班門弄斧了,，我就側(cè)重于應(yīng)用領(lǐng)域來談?wù)勲娮邮�焊接的一些常見的�?yīng)用。本文采用問答形式,，這樣簡單易讀，通俗易懂,。
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很多的客戶在咨詢我們的時候,，都是很簡單的一句，這個銅或者鋼能不能夠焊接,，或者說幫我簡單的焊上就可以,，很多的客戶對于焊接的認(rèn)知還是停留在平常馬路上那種一手一個面罩，一手拿著焊槍，蹲在地上焊接鋁合金門窗（當(dāng)然焊接鋁合金門窗也是非常有水平的一個工作,，這里沒有歧視的意思,，只是用來舉例）的水平，其實焊接是一門非常大的學(xué)問,，單從每年上海北京舉辦的埃森展就可以看出來,，它的市場非常廣闊，涉及到金屬的,，甚至是塑料,，玻璃，陶瓷等等有需要用到焊接,，同時焊接也是一門實踐性非常強的學(xué)科,，光焊接的種類就有許許多多不同的分類，不同的產(chǎn)品有不同的焊接方法,，每個產(chǎn)品的焊接要求不一樣,，所需的焊接的方法也不一樣，同時一種材料,，比如鋼或者銅,，就有不同的牌號，它們的焊接方法也是會有差別的,，再者,，同一種材料做成的不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品所需要的焊接也是不一樣的，所以這些產(chǎn)品的焊接都需要綜合焊接方法,，效率,，成本，焊接質(zhì)量等等來綜合考慮,，以上為題外話,。

1問：電子束焊接為什么要在真空條件下進(jìn)行焊接？
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8 U4 \" ?( i: m8 v1 X8 P答：電子束焊接之所以采用在真空的形式下進(jìn)行焊接,，是基于三方面的考慮,；
一是，在大氣的環(huán)境下,，高速運動的電子遇到大氣中的空氣分子,，會發(fā)生強烈的反射，折射,，散射等現(xiàn)象,，這樣電子束的能量會消耗殆盡，等到達(dá)要焊接的工件,，幾乎不能穿透厚一點的金屬,；
二是,，即使所剩的能量很高，在大氣狀態(tài)下焊接,，焊接的質(zhì)量也很難保證,，比如氣孔等；
/ ?3 n" D& w, v' z5 S' b, w三是,，基于安全角度進(jìn)行考慮,，因為電子束焊接過程中會有X射線產(chǎn)生，對人體的危害是比較大的,，有真空室就可以通過真空室來消除這個影響,。
( \8 }  Y% x" v9 ~# V但是非真空的電子束焊接對于一些焊接要求比較低的產(chǎn)品也可以應(yīng)用，我國東北地區(qū)就有應(yīng)用,。
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6 u  u6 h; Z4 \' a! E% g圖1,，真空中電子束與大氣中電子束狀態(tài)的比較（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
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2問：真空電子束焊機的構(gòu)成是什么樣的？
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& }) i2 W  V* O/ ]' u答：一般的真空電子束都由五部分組成,；
6 d7 f% z4 U+ M2 O; u9 p一是,，電子槍部分，這個是最核心,，也最重要的部件,；
! A8 m3 q5 [. P% f' T( P2 \# Z/ N二是，真空部分,，這個部分包括真空室以及一系列的真空泵組,，這個部分也就是為什么讓電子束焊接的效率下降的原因，因為抽真空這個時間相對于其他的焊接方法來說卻是一個缺點,；
三是,，機械傳動部分，這部分包括一些軸得傳動等等,，一般的電子束焊接的軸分為二軸,，三軸，四軸,，五軸（X軸,，Y軸，Z軸,，A軸（旋轉(zhuǎn)軸）,，B軸（翻轉(zhuǎn)軸）），一般五軸就夠用了,，可以滿足各個地方的焊接,；如果是動槍的話，還有槍的運動部分等等,；
四是,，電源系統(tǒng)，無論高壓（150KV）還是中壓（60KV），都需要這個電源系統(tǒng),；
0 o. V1 d9 k9 F' Q& n五,，控制系統(tǒng)，也就是整個設(shè)備運行所需要的系統(tǒng),，有可能是非常原始的dos系統(tǒng),，也可能是西門子最新的840D系統(tǒng),，但是這個是整個設(shè)備能跑起來能操作的一個重要的部分；
以上五個部分,，卻已不可，可能還有部分，但是這五個是核心部分。

( ]2 J2 q* C) k& X0 |圖二,，通用型真空電子束焊接（圖片自拍）
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1 `7 Y$ e- A% Y+ H  ~+ c三問：電子束焊接的特點,？
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答：電子束焊接是一種高能束的焊接方法,，與一般的熔化焊接的方法相比較，有四方面的優(yōu)點,，
一是，大的深寬比,，可達(dá)20:1,，如果用脈沖的話，可達(dá)50:1,；
1 C/ P' ]+ S" o! M1 @1 Q1 \+ o二是,，可焊接難熔金屬，熱敏感強的金屬及異種金屬,；
, L/ g8 g, N0 R; ]7 H三是,，可精確控制,，重復(fù)性好及穩(wěn)定性好（當(dāng)然這個和設(shè)備的性能緊密相關(guān)）
1 ?4 ?) p; V2 D7 q$ G, c四是，由于是在真空中進(jìn)行，因為可以提高焊縫質(zhì)量

( h8 d6 e; [4 k5 j0 y圖三,，對于防銹鋁LF5的焊接后焊縫截面，總高度是50mm,，使用中壓60KV和高壓150KV的焊接的焊縫截面。大家可以感受一下這個深寬比,，當(dāng)然這個不考慮其他的焊縫質(zhì)量問題,，圖片僅僅是用來給大家一個直觀的感受（圖片來源于自拍）
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, \( Y+ G" t& j, f# P8 F四問：電子束焊機的分類？

' k( k* o1 v: V0 Y+ j1 H答：電子束根據(jù)原理或者其他的方式可以有幾種分類,，
一是,，根據(jù)電子的發(fā)射方式不同，可以分為直熱式和間熱式,，直熱式是陰極就是燈絲,，通過電壓加熱發(fā)射出電子；間熱式是加熱燈絲發(fā)出電子,，用電子轟擊陰極,，產(chǎn)生束流；
. \% Z+ i0 I1 u& Y二是,，根據(jù)加速電壓不一樣,，可以分為高壓電子束焊機和中壓電子束焊機，高壓一般指150KV,，中壓一般指60KV,；
三是，根據(jù)有無真空室,，可以分為真空電子束焊接和非真空電子束焊接。
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五問：電子束焊接這個行業(yè)的發(fā)展歷史以及近況是什么樣的,？
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3 O6 u+ Y4 F6 r) [7 T) Z答：這是個非常大的問題,，我只能這樣說（希望不要被認(rèn)為有打廣告的嫌疑哈，實事求是的說）,，在國內(nèi)采購的設(shè)備中,，進(jìn)口的設(shè)備中，德國SST和PTR的高壓設(shè)備,，Probeam的設(shè)備,，法國泰克米特的中壓設(shè)備，烏克蘭巴頓的設(shè)備,，英國CVE的設(shè)備都賣的不錯,，國外主要也就是這么幾家，當(dāng)然美國的西雅基,，加拿大的pavac也有焊接設(shè)備,，國內(nèi)的中科的設(shè)備，桂林獅達(dá),，桂林實創(chuàng)的設(shè)備也都還不錯,。進(jìn)口設(shè)備有它的優(yōu)點,，國內(nèi)設(shè)備也有自己的特點，具體的選購這個就要結(jié)合自己企業(yè)的特產(chǎn),，產(chǎn)品的需要要全面抉擇了,。
具體這個行業(yè)的發(fā)展，除了看道長的帖子外,，下面我也推薦一篇文章《電子束焊接技術(shù)發(fā)展歷史,、現(xiàn)狀及展望》，歡迎大家下載（坑爹的附件設(shè)置,，一篇文章太大,，只能分成了五部分上傳）
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# F. g' N3 v0 e3 c六問：電子束焊接到底可以用在哪些方面？

答：關(guān)于真空電子束焊接,，其實用途是非常廣泛的,，如果大家接觸不到的話，可能對于這個沒有太多的概念,。在我國的航空航天領(lǐng)域,，也就是我們平常所說的，一個衛(wèi)星,，火箭,，導(dǎo)彈（差不多和火箭是一個東東），飛機的發(fā)動機,，飛機零部件等等上面其實應(yīng)用非常廣泛,，還有就是一些船舶的零部件，汽車的渦輪增壓器,，汽車變數(shù)箱的齒輪等等,；再就是核能的一些大結(jié)構(gòu)件的焊接，汽輪機的焊接,，一些真空壓力容器等等的焊接,。很多的項目上面都可以應(yīng)用
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7 G. u% l' C) r0 L七問：汽車渦輪增壓器的電子束焊接時什么樣子的？

答：使用電子束焊機來焊接渦輪增壓器是一種非常經(jīng)典的焊接產(chǎn)品,。一般的渦輪增壓器的渦輪桿和葉片（也就是常說的渦輪頭）是兩種不同的金屬,，一個需要耐磨，一個需要耐高溫,，因此對材料的要求不一樣,，例如有的是20CrNiMo和GH118需要把它們焊接起來難度比較高，而且由于產(chǎn)品的尺寸比較小,，留給焊接的余量也是比較的極限,，但是電子束焊接卻是完美的解決了這個問題。
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這兩種材料一個為低合金結(jié)構(gòu)鋼,，一個為鎳基合金,，因為鎳鐵無限互溶,，因為他們的可焊性還是不錯的。但是這個工件焊接的難點在于焊接后的強度問題,，有的客戶希望此類產(chǎn)品可以達(dá)到800MP的抗拉強度,，或者最簡單的方法是在用力拉桿和頭的時候，斷裂的地方不是焊縫地方,，還有就是動平衡的問題,，解決這第一個問題就是焊接時束斑的位置問題，控制焊縫中鎳鐵的比例,，提高金屬中鎳的含量可以提高焊縫的機械性能,，因此束斑或多或少的偏向渦輪頭一側(cè)；對于第二個問題如何解決動平衡的問題,，這個就是需要工裝來保證,，再就是保證焊縫強度的前提下，盡量減小熱影響區(qū),，提高焊接速度,，減小焊接的熱輸入，減小焊接變形,。這個需要反復(fù)的試驗,，但是一旦確定參數(shù)，則焊接非常穩(wěn)定,。（以下圖片手機拍攝,，請大家原諒）
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圖四，焊縫的截面圖,，焊接深度超過止口（圖片來源于自拍）
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. ]0 ~5 s! y4 Z- s. w. v& z圖五,，焊前的渦輪頭，各個廠家有各個廠家的標(biāo)準(zhǔn),，形狀尺寸可能大同小異（圖片來源于自拍）
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圖六，焊前的渦輪桿,，尺寸,，形狀等都是每個客戶都會有自己的特點（圖片來源于自拍）
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) a4 j6 D. W; |' ?# a圖七，焊后的渦輪增壓器,，也就是汽車?yán)锩娴哪莻�渦輪增壓器（圖片來源于自拍）
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八問：齒輪的焊接是什么樣的,？

$ _1 Y& y0 H: W0 T4 }! P! l, _. z答：齒輪這種工件和渦輪增壓器一樣，也是由于功能不一樣,，齒輪上的齒和轂一般材料也不一樣,，具體材料也就是齒輪鋼一類，這類材料的焊接性能都是非常好的,，因此焊接深度根本不是問題,，焊接的氣孔基本上可以杜絕,，焊接的寬度也是可以進(jìn)行較好的控制，唯一需要注意的便是這個焊接后變形的問題,，因為對于這種汽車上面的零部件,，如果質(zhì)量控制不好的話，是沒有競爭力的,，因此對于壓裝加上焊后的變形最好控制在0.1mm以內(nèi),，一般而言，留給焊接后的變形也就在0.05mm以內(nèi),。因此調(diào)整工藝就是非常關(guān)鍵的步驟,，要在滿足焊接深度，焊接寬度,，焊接質(zhì)量的前提下去解決焊后變形小的問題便是比較的有困難,。最后就是一個生產(chǎn)節(jié)拍的問題，現(xiàn)在一般焊接一個齒輪也就是從安裝上一個齒輪,，到焊接后,，取下來，也就20秒左右的時間,，因此焊接的效率是非常之高�,，F(xiàn)在的汽車廠，比如大眾之類的,，現(xiàn)在都是采用的自動化的生產(chǎn)線,，包括清洗，烘干,，退磁,，安裝等等的一條生產(chǎn)線，純自動化的,，根本不需要人去操作,。
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. Y& s8 d& u! Y" |; E圖八和圖九，焊接后的齒輪,，大家可以看看齒輪的表面的平整度,，焊接深度大于5mm，表面非常的光滑,，沒有飛濺,，沒有任何氣孔，裂紋,，夾雜等缺陷,，此重要在于焊縫靠近齒輪的邊緣，如果一般的焊接或者控制不好的話,，那最可能的問題就是焊縫寬度過大使得齒輪的邊緣被燒塌了（圖片來自自拍）
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. P' O+ H  X1 U& z" ^0 z" K九問：銅的焊接性是怎么樣的,？
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答：銅這種金屬比較特殊,，它也有很多的種類，比如黃銅就很少能用電子束焊接,，因為黃銅含有鋅元素,，在使用電子束焊接的時候鋅會蒸發(fā)出鋅蒸汽，會在電子槍了里面產(chǎn)生放電現(xiàn)象,，會損害設(shè)備,，因此很少有人會去用電子束焊機來焊接黃銅。一般產(chǎn)品的設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品的時候都會選用常見的材料,，常見的結(jié)構(gòu),，因此選用最多的便是紫銅，無氧銅,，它們在焊接性還不錯,，但是焊接成功很大程度上取決于工件的結(jié)構(gòu)。
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圖十,，十一,，十二，是焊接的一個銅帶和鍍銀的銅塊的焊接,，為了大家可以方便的理解,，我在其旁邊放置了一個紙水杯，大家可以形象的去理解,，這個焊接件的深度在20mm左右,，一般的焊接方法很難達(dá)到深度，從圖十一中可以看到很明顯的焊縫的形狀,，為一個釘子狀,，這是典型的電子束焊接的小孔效應(yīng)產(chǎn)生的形狀。焊縫的表面在焊后未經(jīng)處理,，從圖中可以看到還是比較的平滑（當(dāng)然肯定可以做的更好,，但是這樣已經(jīng)達(dá)到了客戶的要求），每一個工件上面兩道焊縫,，其中要保證焊接深度在整個的焊縫中是一致的,，君不見在鍍銀的大頭一段上面還有一個大的圓孔么，如果深度過大,，穿透了圓孔也是不行的，另一方面銅的導(dǎo)熱非�,？�,，因此，精確地控制熱輸入便是保證質(zhì)量的一個前提,。同時為了防止焊后變形,，焊接時候的工裝保證也是費了一些腦筋的,。（圖片來自自拍）

十問：大銅件的焊接件焊接效果怎么樣？
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: n5 j4 U* q1 G* q8 ]8 t3 W答：大銅件的焊接和小銅件的焊接又是不一樣的,，為什么呢,？很顯然，熱容量不一樣,，小銅件和大銅件的焊接時候的熱輸入量是不成比例的,，這就是銅和其他材料不一樣的地方。很多的設(shè)備由于功率不夠,，或者加速電壓不夠高,，焊接的深度就是打不到的，比如下面的這個例子,。
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# `! d. M% \7 q5 g  P" _0 k圖十三,，十四，為大銅管的焊接,，直徑大于300mm,，長度大于1500mm，焊接深度為大于35mm,，由于對接的地方空間有限,，無法開坡口，因此對于一般的焊接方法可能無能無力,，但是對于電子束焊接來說,，正好綽綽有余。而且焊后要求抽高真空,，所以焊接的要求還是很高的,，大家可以看焊接的表面，這個還是非常的平穩(wěn),，過渡也是非常的均勻,，魚鱗紋排列的非常的均勻，焊后經(jīng)過真空檢測,，發(fā)現(xiàn)完全符合要求,。對于此種焊接而言，焊縫形式比較的簡單,，單一,，因此難度在于焊接參數(shù)的調(diào)試，用中壓60KV的設(shè)備,，很有可能因為功率不夠而達(dá)不到焊接要求,，而對于高壓150kv的設(shè)備而言，還是毫無壓力的。（圖片來自自拍）
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, ^' F' B' U" J十一問：對于這種平面上的對接焊縫和環(huán)焊縫有什么區(qū)別,？

1 l: l" o1 ]0 {) P6 i答：很顯然,，平面焊縫是環(huán)焊縫區(qū)別是很大的，從熔融金屬的熔化后的流動來說,，是有區(qū)別的,，從熱傳導(dǎo)的方式上來說也是有區(qū)別的，這些問題都要具體的問題具體分析,，沒有一個統(tǒng)一的答案,，下面給大家看一個簡單的焊縫，大家可以和上面的圖用作對比分析,。


圖十五,，十六中可以看出這也是一個長銅管和一個法蘭的對接，只不過變成了環(huán)焊縫,，焊縫的成型還是非常美觀的（我們沒有必要讓每條焊縫追求到極致,，滿足客戶的需求，自己投入的精力,，有一個最合適的比值最好）但是焊接的時候肯定是要一邊焊接,，銅管一邊轉(zhuǎn)動的，銅的凝固還是比較快的,，因而對于這個銅管而言,，環(huán)焊縫沒有太大的問題，當(dāng)然這個焊接深度也是大于25mm以上的,，對于有些材料而言,，凝固的比較慢，焊完了,，等轉(zhuǎn)了90°,，焊縫還沒有凝固，液滴都還滴下來了,，這些在一些高溫合金里面比較常見,，焊接難度更大。（圖片來自自拍）

5 B- V9 h1 G6 J* p十二問：鈦合金的焊接性能怎么樣,？

答：平時工業(yè)產(chǎn)品中經(jīng)常見過的一些鈦合金也就是TC4,，TA15，純鈦這幾種,，還有其他的也就不細(xì)說了,。總體來說,，鈦合金在航空航天等領(lǐng)域中非常的常用,，因為其優(yōu)良的機械等性能。而且在焊接上面，非常的適合用電子束焊接,，可以說鈦合金是最合適用電子束焊接的材料之一，因為它的流動性非常好,，對于一些10mm以下的鈦合金薄板而言,，可以很輕松的做到單面焊接雙面成型，而且非常的漂亮,。


, V" v; P! P: Z, ~; Y2 q圖十七,，十八是純鈦，3mm厚的對接焊縫,，上一張是正面的焊縫,，下面一張是反面成型的焊縫，是不是覺得非常不錯,，當(dāng)然,，這個肯定還是做得更好的。這么厚的焊縫,，需要的能量不是很大,，這個焊接的好壞和工藝參數(shù)的選取的關(guān)系非常大。（圖片來自自拍）

十三問：大厚度的鈦合金好焊接嗎,？
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5 L6 J  H' A, K$ s: q% r! e3 O答：的確,，沒有接觸過焊接的人對焊接的認(rèn)識是不全面的，這個薄板焊接和厚板焊接的差別就像北京和紐約的差別一樣,，同樣是大城市,，但是為什么我們帝都總是有霧霾，同樣是鈦合金,，為什么厚板就這么多的問題,。一是厚板需要的能量大，二是厚板焊接的變形也是比較大,，三是厚度越大,，產(chǎn)生缺陷的幾率也越大。下面為了方便理解,，給大家看幾張圖,。


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; P, C* M/ O0 o2 ]圖十九到二十三為一個中等厚度的鈦合金的水冷板的焊接，打的水壓比較大,，而且焊道非常多,，一件焊接下來，光焊接時間就得30分鐘左右,，因此屬于比較難焊接的,，深度大于10mm，未焊透。大家可以看看焊縫避免,，余高比較的突出,，表面還是比較的光滑（我還是那就話，這個追求一個投入的精力和時間與滿足客戶要求的一個產(chǎn)出比,，不是科研院所,，沒有必要對焊縫的表面過于追求，如果是專業(yè)焊接鈦合金的,，肯定有有高人可以做的更加的完美）,，拐角的地方，交接的地方也都是比較的合適的,，這個例子的難點不是焊接深度,，而是焊接變形的問題，等到你焊接一部分焊縫之后,，其他地方的接觸的焊縫由于收縮變形肯定都是變得特別的答,，肯定會有2,3mm左右的縫隙，但是由于鈦合金的流動性非常好,，因此還是沒有問題的,，而且焊后整塊板都會變行，這個焊接的應(yīng)力非常之大,，單靠工裝很難以保證,，因此焊后也要進(jìn)行去應(yīng)力的退火等等工序。
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今天就到這里吧,，太晚了,，以后給大家分享一下鋁合金等的焊接經(jīng)驗，希望大家提出自己的看法,，共同提高,，共同作出更好的產(chǎn)品，提供更好的焊接服務(wù),。

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我很呆

論壇鬼魅道長,。電子束,。

xlf63

長見識，學(xué)知識

上進(jìn)的娃

好東西,，長見識,！

淺藍(lán)色

我很呆 發(fā)表于 2013-12-21 23:20
論壇鬼魅道長。電子束,。

本人和道長是好哥們,，經(jīng)常有事沒事也聚聚。

做快樂事

謝謝,，了解中

看海的小羽

長知識了,。。謝謝

liu565224715

學(xué)習(xí)了 謝謝

龍九禪師

社團(tuán)之內(nèi)有知己,，我那可憐的鬼魅道兄這下不孤單寂寞了   @鬼魅道長  

小小的售后

你說的焊接深度我是否可以理解為熔深,？這個屬于融化焊？那填充材料是,？