看圖說話——淺析真空電子束焊接的應用

淺藍色

關于這個話題，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，我就側重于應用領域來談談電子束焊接的一些常見的應用。本文采用問答形式，這樣簡單易讀，通俗易懂。
1 e" Q; r) u$ K
1 t8 k' N# O$ D7 g, Z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科，光焊接的種類就有許許多多不同的分類，不同的產品有不同的焊接方法，每個產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構的產品所需要的焊接也是不一樣的，所以這些產品的焊接都需要綜合焊接方法，效率，成本，焊接質量等等來綜合考慮，以上為題外話。
1 n+ S9 q& y& @# b
1問：電子束焊接為什么要在真空條件下進行焊接？
9 G- g* K0 n0 o0 K, B1 [+ I
9 H2 ?* J0 T1 V9 {答：電子束焊接之所以采用在真空的形式下進行焊接，是基于三方面的考慮；
一是，在大氣的環境下，高速運動的電子遇到大氣中的空氣分子，會發生強烈的反射，折射，散射等現象，這樣電子束的能量會消耗殆盡，等到達要焊接的工件，幾乎不能穿透厚一點的金屬；
0 e5 b. t3 ?1 S$ w' H二是，即使所剩的能量很高，在大氣狀態下焊接，焊接的質量也很難保證，比如氣孔等；
三是，基于安全角度進行考慮，因為電子束焊接過程中會有X射線產生，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。
但是非真空的電子束焊接對于一些焊接要求比較低的產品也可以應用，我國東北地區就有應用。

. Y' H7 k% q# i, F( y& L/ T圖1，真空中電子束與大氣中電子束狀態的比較（圖片來源于網絡）

/ F, H  l0 c* f! a, s# p2問：真空電子束焊機的構成是什么樣的？

8 w2 Y" c# Y& M/ u+ z答：一般的真空電子束都由五部分組成；
一是，電子槍部分，這個是最核心，也最重要的部件；
) W2 K. `( B# z$ X( _* L: P, C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；
$ W3 C' B; h9 K0 q( z( ?) U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（旋轉軸），B軸（翻轉軸）），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；
" q' d! G# ?5 t# }* V四是，電源系統，無論高壓（150KV）還是中壓（60KV），都需要這個電源系統；
五，控制系統，也就是整個設備運行所需要的系統，有可能是非常原始的dos系統，也可能是西門子最新的840D系統，但是這個是整個設備能跑起來能操作的一個重要的部分；
+ l( Q* J: a/ i% ~: b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。

圖二，通用型真空電子束焊接（圖片自拍）
) R$ F$ x. w8 |. P" g1 J4 q. B  O4 `) q
, J% D2 S8 n" O9 R三問：電子束焊接的特點？
! R- F3 l, }& h7 M; r
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，有四方面的優點，
# n4 @: h! M7 L1 g) z0 u/ k7 {一是，大的深寬比，可達20:1，如果用脈沖的話，可達50:1；
二是，可焊接難熔金屬，熱敏感強的金屬及異種金屬；
  o2 o8 h' K" s) r三是，可精確控制，重復性好及穩定性好（當然這個和設備的性能緊密相關）
四是，由于是在真空中進行，因為可以提高焊縫質量

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，當然這個不考慮其他的焊縫質量問題，圖片僅僅是用來給大家一個直觀的感受（圖片來源于自拍）
4 T- R$ e& u4 M3 l. G3 G
1 f/ S* B0 `3 j0 ~四問：電子束焊機的分類？

9 W* p7 F0 c, V0 ]0 }8 h4 U答：電子束根據原理或者其他的方式可以有幾種分類，
/ }( V* h; B2 ~; ~一是，根據電子的發射方式不同，可以分為直熱式和間熱式，直熱式是陰極就是燈絲，通過電壓加熱發射出電子；間熱式是加熱燈絲發出電子，用電子轟擊陰極，產生束流；
二是，根據加速電壓不一樣，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；
& J( _- p3 O& {三是，根據有無真空室，可以分為真空電子束焊接和非真空電子束焊接。
9 w+ i4 u( J6 M
, s, Q, g! G' P! B) X# `, F" N9 `五問：電子束焊接這個行業的發展歷史以及近況是什么樣的？

& X; @% p8 r5 H7 V; c) M答：這是個非常大的問題，我只能這樣說（希望不要被認為有打廣告的嫌疑哈，實事求是的說），在國內采購的設備中，進口的設備中，德國SST和PTR的高壓設備，Probeam的設備，法國泰克米特的中壓設備，烏克蘭巴頓的設備，英國CVE的設備都賣的不錯，國外主要也就是這么幾家，當然美國的西雅基，加拿大的pavac也有焊接設備，國內的中科的設備，桂林獅達，桂林實創的設備也都還不錯。進口設備有它的優點，國內設備也有自己的特點，具體的選購這個就要結合自己企業的特產，產品的需要要全面抉擇了。
具體這個行業的發展，除了看道長的帖子外，下面我也推薦一篇文章《電子束焊接技術發展歷史、現狀及展望》，歡迎大家下載（坑爹的附件設置，一篇文章太大，只能分成了五部分上傳）


六問：電子束焊接到底可以用在哪些方面？
& |# L! o9 g& Z7 `9 x7 O- c
答：關于真空電子束焊接，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域，也就是我們平常所說的，一個衛星，火箭，導彈（差不多和火箭是一個東東），飛機的發動機，飛機零部件等等上面其實應用非常廣泛，還有就是一些船舶的零部件，汽車的渦輪增壓器，汽車變數箱的齒輪等等；再就是核能的一些大結構件的焊接，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用
2 D5 z1 F7 K) {5 Y
, R% C/ S8 f- B+ @/ E/ {七問：汽車渦輪增壓器的電子束焊接時什么樣子的？

( W) t! H+ s; N; D1 J4 p答：使用電子束焊機來焊接渦輪增壓器是一種非常經典的焊接產品。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。

這兩種材料一個為低合金結構鋼，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品可以達到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；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，提高焊接速度，減小焊接的熱輸入，減小焊接變形。這個需要反復的試驗，但是一旦確定參數，則焊接非常穩定。（以下圖片手機拍攝，請大家原諒）
& O- ^! X) K' s% f# I' S8 [
圖四，焊縫的截面圖，焊接深度超過止口（圖片來源于自拍）
% }1 {; k$ @" l7 Y1 R
. ^7 L. h  B9 r8 L/ l* T8 M! [圖五，焊前的渦輪頭，各個廠家有各個廠家的標準，形狀尺寸可能大同小異（圖片來源于自拍）

" o; r# \# c+ ^: x, h; ~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）
% F2 `& |2 w5 s$ O( ^, w
圖七，焊后的渦輪增壓器，也就是汽車里面的那個渦輪增壓器（圖片來源于自拍）

8 U3 Y4 }9 N; a# s. k  c八問：齒輪的焊接是什么樣的？
" p! g* t+ Z1 {, O
2 I, A+ J7 _6 k' B- _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，一般而言，留給焊接后的變形也就在0.05mm以內。因此調整工藝就是非常關鍵的步驟，要在滿足焊接深度，焊接寬度，焊接質量的前提下去解決焊后變形小的問題便是比較的有困難。最后就是一個生產節拍的問題，現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。現在的汽車廠，比如大眾之類的，現在都是采用的自動化的生產線，包括清洗，烘干，退磁，安裝等等的一條生產線，純自動化的，根本不需要人去操作。

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）
& N/ Z1 {: ^* r/ k, y
九問：銅的焊接性是怎么樣的？
& x- S* U$ i) ?2 ^8 M3 a, Y
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出鋅蒸汽，會在電子槍了里面產生放電現象，會損害設備，因此很少有人會去用電子束焊機來焊接黃銅。一般產品的設計人員在設計產品的時候都會選用常見的材料，常見的結構，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構。

. c& W% V2 s- {
+ c& P8 V3 y' C: Z' l! j4 p( N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產生的形狀。焊縫的表面在焊后未經處理，從圖中可以看到還是比較的平滑（當然肯定可以做的更好，但是這樣已經達到了客戶的要求），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，另一方面銅的導熱非常快，因此，精確地控制熱輸入便是保證質量的一個前提。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）
' l9 A# y" Q9 a# S
十問：大銅件的焊接件焊接效果怎么樣？

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。


$ w( a; |0 ?& ?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，過渡也是非常的均勻，魚鱗紋排列的非常的均勻，焊后經過真空檢測，發現完全符合要求。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的調試，用中壓60KV的設備，很有可能因為功率不夠而達不到焊接要求，而對于高壓150kv的設備而言，還是毫無壓力的。（圖片來自自拍）

十一問：對于這種平面上的對接焊縫和環焊縫有什么區別？

答：很顯然，平面焊縫是環焊縫區別是很大的，從熔融金屬的熔化后的流動來說，是有區別的，從熱傳導的方式上來說也是有區別的，這些問題都要具體的問題具體分析，沒有一個統一的答案，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。
" J4 z. A0 S5 A
8 X0 [& Z2 e' ]+ `( b# A; w
" v% |. n1 U' ^% y8 ?9 r. g' u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，銅管一邊轉動的，銅的凝固還是比較快的，因而對于這個銅管而言，環焊縫沒有太大的問題，當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）

十二問：鈦合金的焊接性能怎么樣？

2 d" t) ~6 ?1 c# }答：平時工業產品中經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說了。總體來說，鈦合金在航空航天等領域中非常的常用，因為其優良的機械等性能。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。


/ ?* \) G, w; u! ?8 X( G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的選取的關系非常大。（圖片來自自拍）

1 s7 s( E4 M4 X4 J十三問：大厚度的鈦合金好焊接嗎？

9 R: k6 w/ [; H3 p3 T答：的確，沒有接觸過焊接的人對焊接的認識是不全面的，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，產生缺陷的幾率也越大。下面為了方便理解，給大家看幾張圖。


* f4 p: v, r+ k( a# b( T5 `6 F


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，這個焊接的應力非常之大，單靠工裝很難以保證，因此焊后也要進行去應力的退火等等工序。

6 s2 I' u5 h3 [  v8 x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驗，希望大家提出自己的看法，共同提高，共同作出更好的產品，提供更好的焊接服務。


( \5 q$ d3 R& z7 x, G
) V7 _+ F3 J0 E5 O% _。

我很呆

論壇鬼魅道長。電子束。

xlf63

長見識，學知識

上進的娃

好東西，長見識！

淺藍色

我很呆 發表于 2013-12-21 23:20
論壇鬼魅道長。電子束。

4 k6 `, Q6 M( D. L" D2 N本人和道長是好哥們，經常有事沒事也聚聚。

做快樂事

謝謝，了解中

看海的小羽

長知識了。。謝謝

liu565224715

學習了 謝謝

龍九禪師

社團之內有知己，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？