電子束焊（環形焊縫）中收縮量自動補償技術研究

汪歡 侯波 張長弓 楊朔

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司,遼寧 沈陽110043）

1 概述

在電子束焊接過程中，在高能電子束的轟擊下，焊接接頭處的金屬迅速熔化，兩個對接工件會向焊縫處收縮，產生一定的收縮量。這樣導致焊接夾具的壓緊裝置和被焊接工件的壓緊面分離，從而產生焊接變形。本文針對這種情況，對焊接工裝的結構做出改進，很好的解決了這個問題。

2 電子束焊接原理及特點

(1) 電子束焊接原理

熱陰極發射的電子，在真空中被高壓靜電場加速，經磁透鏡產生的電磁場聚集成功率密度高達1.5×10瓦／厘米的電子束(束徑為0.25～1毫米),轟擊到工件表面上,釋放的動能轉變為熱能,熔化金屬，焊出既深又窄的焊縫（深／寬比可達10:1～30:1），工件的熱影響區和變形量都很小。電子束的焊接工作室一般處于高真空狀態，稱為高真空電子束焊。處于低真空狀態時壓力稱為低真空電子束焊。在大氣中焊接的稱為非真空電子束焊。真空工作室為焊接創造高純潔的環境，因而不需要保護氣體就能獲得無氧化、無氣孔和無夾渣的優質焊接接頭。

(2)電子束焊接特點

電子轟擊工件時，動能轉變為熱能。電子束作為焊接熱源有兩個明顯的特點：

①功率密度高電子束焊接時常用的加速電壓范圍為30～150kV，電子束電流20mA～1000mA，電子束焦點直徑約為0.1mm～1mm，這樣，電子束功率密度可達106W/cm2以上。

②精確、快速的可控性。作為物質基本粒子的電子具有極小的質量，電子的荷質比高達1.76×1011C/kg,通過電場、磁場對電子束可作快速而精確的控制。

基于電子束的上述特點和焊接時的真空條件，電子束焊接具有下列主要優缺點。

優點：

電子束穿透能力強，焊縫深寬比大。目前，電子束焊縫的深寬比可達到60：1。焊接厚板時可以不開坡口實現單道焊，比電弧焊可以節省輔助材料和能源的消耗。

焊接速度快，熱影響區小，焊接變形小。對精加工的工件可用作最后連接工序，焊后工件仍保持足夠高的精度。

真空電子束焊接不僅可以防止熔化金屬受到氧、氮等有害氣體的污染，而且有利于焊縫金屬的除氣和凈化，因而特別適于活潑金屬的焊接。也常用電子束焊接真空密封元件，焊后元件內部保持在真空狀態。

電子束在真空中可以傳到較遠的位置上進行焊接，因而也可以焊接難以接近部位的接縫。

通過控制電子束的偏移，可以實現復雜接縫的自動焊接。可以通過電子束掃描熔池來消除缺陷，提高接頭質量。

缺點：

設備比較復雜、費用比較昂貴。

焊接前對接頭加工、裝配要求嚴格，以保證接頭位置準確、間隙小而且均勻。

真空電子束焊接時，被焊工件尺寸和形狀常常受到工作室的限制。

在定位焊的時候，由于焊縫收縮，極易引起焊接變形，以及影響焊接質量。 以下就針對這種情況討論解決辦法。

3 電子束焊接及在生產實際中的問題

電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產生的熱能進行焊接的方法。其原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發射電子，該電子在高壓靜電場的加速下再通過電磁場的聚集就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動能轉化為熱能，使焊接處熔化，形成熔池，從而實現對工件的焊接。

在焊接過程中，焊接處由于材料熔化，兩個對焊工件會向焊縫方向產生一定的收縮量，如圖1所示。這樣焊接工裝的定位面或壓緊面就會和工件產生分離，這樣工件容易產生不可控制的焊接變形，這種情況通常在焊接過程中是不希望發生的。下面就研究如何避免這種情況的發生。

圖1

解決方案

工作原理

還以圖1工件為例，我們將焊接夾具結構改進如下圖2。

圖 2

圖2表示的是焊接前，碟形彈簧處于預緊狀態，在非工作狀態，將自動補償裝置調節到圖1狀態，碟形彈簧給一定的預緊力，預緊壓縮量(在本文中設為t)不要太大，即t=0.2mm～0.3mm為宜，以免影響工作狀態的壓縮量。預緊過程只需擰動帶肩螺母到適當位置，再擰緊鎖緊螺母即可。在工作狀態，如圖3,當外力F作用于支板上，碟形彈簧被壓縮,產生壓縮量L。在焊接過程中，焊縫處會產生收縮量(在本文中設為l0),這時，壓板在蝶形彈簧的作用下還會緊緊壓住工件。當然這里的前提是，碟形彈簧的壓縮量L必須大于焊接收縮量l0，即L> l0。

碟形彈簧數量的選擇及計算方法

如圖3參數，單個碟形彈簧極限壓縮量（此處設為f3）f3=0.8·(H-s),設碟形彈簧數量為N（碟形彈簧成對使用，此處為偶 數 ）,則 壓 縮 量 L=0.8·N·（H-s）-t。設 安 全 系 數 K（K>1）,取 L=K·l0， 于是，0.8·N·（H-s）-t= K ·l0， 推 出，N=(K·l0+t)/ (0.8·（H-s）),取整偶數即可。

結語

本技術利用小小的碟形彈簧，卻解決了電子束焊接中焊縫收縮而導致焊接變形這樣的大問題。

本技術只需要在焊接夾具的壓緊裝置上做一小小的改進，增加碟形彈簧和引導螺柱，因此其應用成本比較低，效益可觀。應用前景廣泛。電子束焊接是利用電子槍中陰極所產生的電子在陰陽極間的高壓（25～300kV）加速電場作用下被加速至很高的速度（0.3～0.7倍光速），經磁透鏡會聚作用后，形成密集的高速電子流。高速運動的電子轟擊工件表面時，電子的動能轉化為材料的熱能，使材料迅速融化而達到焊接的目的。

電子束焊接中存在“小孔效應”使其能夠一次性焊透數百毫米厚的材料。小孔效應的形成是一個復雜的高溫流體動力學過程。當電子束轟擊金屬表面時，金屬被迅速熔化并達到沸點，一部分金屬被氣化。金屬蒸汽離開熔池時對液態金屬產生一個附加壓力，在與束流壓力的共同作用下，使熔化的金屬被排開，電子束可以繼續轟擊底部的固體金屬，連續作用下被焊金屬中很快形成小孔。電子束功率密度越高，小孔的深度越大。隨著電子束在工件上移動，小孔也隨著電子束一起運動，液態金屬繞過小孔流向熔池后部使小孔不斷鎖閉并凝固形成焊縫。

圖3

[1]王秀倫等.機床夾具設計[M].中國鐵道出版社，1984.

[2]第三機械工業部第612研究所《航空機械手冊》編寫組.航空機械設計手冊, 1975.

[3]曹雄夫等譯.焊接手冊[M].國防工業出版社，1982.