電子束焊接技術的發展

張緒林

【摘?要】研究電子束焊接（EBW）的可能性和設備的構造原理是由Boris Evgenyevich Paton院士領導的電子束焊接于1958年成立。它促使了第一個實驗室規模的工廠開發以及各種小型焊接的完成。一年后，電子束焊接的方法被迫切需求于核電中工程，生產電動真空裝置和液體燃料火箭發動機。在1961–1962年，由于政府一級的有效協調工作，第一臺用于電子束焊接的生產設備在多家分公司開業。在未來幾年內，電子束焊接的應用變得更廣泛，首先是在上述行業中，同時電子束焊接開始被飛機和動力工程行業所接受。

【關鍵詞】電子束焊接;帕頓電焊研究所;技術;設備

1.太空設施的電子束焊接

EBW牢固地建立在航空工程領域，從而有可能減輕重量和關鍵產品的制造時間。試車超過116臺工業機器組織，首先是NIITM企業和PWI的參與，清楚地表明了EBW在該行業中的成功應用。EBW制造中環焊縫的位置和布局處于液體推進劑火箭燃燒室殼體發動機，同時異種材料的對接接頭-銅基合金以及鋼和鎳合金位于發動機深處。這個發動機深度為20毫米，寬度為2-3毫米，氬弧焊工藝制造，同時集電器寬度不能小于大于5–6 mm，這會大大降低強度液體火箭發動機殼體的可靠性和可靠性（LPRE）。高強度鋁合金油箱的EBWAl-Cu，Al-Mg-Mn，Al-Mg-Li系統最大42 mm厚，然后將切入的法蘭焊接成圓柱形殼體提供的焊接接頭強度不低于0.8倍母材強度，最小的焊接變形和焊縫的高緊密度允許降低結構重量并增加其幾何精度。為此而設計的機器的主要特征操作，是整合在工具的焊接位置直接在焊接前加工邊緣。

應該特別指出的是，PWI一個鮮明的特點為大型EBW設計的單元數量工件，用于室內電子槍，在不超過12 m的范圍內移動。該解決方案允許土地利用系數的最大增加真空室內部容積。防止實質抽真空時真空室壁的變形，沿著焊槍移動，腔室有兩個真空密封的相對薄壁的殼體（每個厚度8至12毫米），通過加強筋-框架相互連接。

帶焊槍的專用機器KL-134在腔室上蓋和KL-154機器上滑動被開發用于鈦的電子束焊接球形罐用于太空應用。

這種箱形墻的設計應用和門（KL-109單元）代替常規的T形設計允許實現兩倍高的力矩慣性并因此降低了腔室的下壁撓度疏散。此外，消除了外部加勁肋允許改善腔室外觀并消除灰塵堆積在其外壁上。

2.飛機制造中的EBW

電子束焊接的初步經驗在飛機框架結構制造中的應用于1985年在喀山的鈦合金中心機翼飛機廠。

本機的真空室主要由塔和隧道部分從相對的兩端鄰接。塔和每個隧道部件具有以下特征內部尺寸：長x寬x高等于4×10×12 m3和17×4×4 m3。就這樣腔室的總長度為38 m，總容積真空室的最大容積為1160立方米。機器配備帶有旋轉器的裝載臺，垂直軸為回轉。腔室內的焊槍已安裝在主塔上的操縱器上并沿它的高度（3.3 m的行程）和橫向（行程4 m）運動。機器的動力單元由PWI自動接縫系統跟蹤;并且在120 kV的加速電壓下，最大光束功率為120 kW。

KL-115和KL-118機器被開發用于在美國飛機工業中的應用。2009年制造俄羅斯民用飛機Sukhoi Superjet 100，KL系列的鈦合金塔架的焊接梁開發了138機并在其股份公司以尤里·加加林命名。該機器的顯著特點是用于對焊縫根部進行整飾的設備，包括難以到達的偏遠地區。為達到此目電子束轉過90°，與對接點的光束對準由RASTR系統控制。配備兩部分的KL-144機器體積為100立方米的真空室在同一個協會中運作。為了解決航空業的另一項任務-焊接機翼的開發–PWI執行了很大的任務高強度焊接大型面板的工作范圍鋁合金。

3.造船業的EBW

在1980年代，UL-214機器被開發用于縱向焊縫和環焊縫的單道焊在直徑最大為8 m的大型海洋結構。加速時其動力裝置的功率為60 kW電壓為60 kV。真空內部尺寸腔室如下：直徑為10.4 m，高度為9.6 m;容積為860立方米。面板直徑垂直旋轉軸為7m，允許的載荷為150噸腔室中的工作真空度為6.5米汞柱。UL-214機器操作經驗證明了成功焊接的可能性。厚度為100–200 mm的鈦合金PT-3V，最大到對接縫的間隙為1.0–1.5 mm，邊緣未對準長達15毫米，從正面和背面的邊緣開口焊縫最大為1.5–1.7 mm。隨著PWI的廣泛應用，船用氣體制造中的電子束焊接渦輪發動機動力單元已在生產中掌握，相同的單元用作主要氣體的鼓風機管道。焊接由80個零件組成，通過電子束焊接此類發動機的零件。

4.電子束焊槍及電源

在動力裝置的開發和制造中，電源和計算機控制系統是PWI活動的優先領域。真空管PP-2為在高達120 kW的電源中用作線性過渡元件，該解決方案至今仍有效。電子束焊槍在幾毫秒內當發射系統的介電強度為完全恢復，槍中的加速電壓也恢復，焊接過程繼續進行破壞焊接成形質量。高穩定性的加速電壓維持和抑制電擊穿，從而允許實現在一些區域形成無缺陷的環焊縫。減少電池中存儲能量的愿望用加速電壓源抑制焊槍故障，減少電源的整體尺寸和重量以便促成PWI逆變器電源的開發。逆變電源在電子束中的應用廣泛，包括諸如工具+碳鋼這樣的異種金屬。

束電流脈沖調制下加速電源中的瞬態過程將會導致突變光束位置相對于邊緣對接產生變化，在焊接過程中，光束通過電磁系統，對加速電壓幅度產生影響。為了解決這個問題PWI開發了具有電源功能的設備源。

5.多坐標EBW的計算機控制

運動系統專注于高精度應用工業，在1990年代末PWI與數學問題研究所合作，已開發軟件工具，使操作員可以設計復雜EBW程序的可視化方法。除了傳統使用的電腦系統外，下面介紹另外兩種：

1.更高級別的HMI（人機界面），用于操作視覺設計的操作員界面焊接過程的程序和控制;

2.獨立于其他處理器節點的額外的計算機，解決了對接問題通過接收到的工件表面圖像進行識別RASTR跟蹤設備，并與HMI聯合計算，提供自動示教，校正和跟蹤對接功能。

RASTR跟蹤的工作原理設備是基于電流的測量以及循環掃描形成的二次發射電子（周期為300 mc），造成工件工作區域短期內聚焦的低功率光束焊接過程中斷。工件表面圖像由來自次級的信號形成發射電子拾音器，放在電子槍中緊鄰焊接區域。跟蹤設備編號，亮度等級的掃描表面部分由計算機存儲作為圖像幀（矩陣）并在單獨的位置復制專用軟件后的RASTR監視窗口處理。

參考文獻：

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[3] Investigations into the effects of electron beam welding on thick Ti–6Al–4V titanium alloy[J].N.Saresh，M.Gopalakrishna Pillai，Jose Mathew.Journal of Materials Processing Tech.2007.

（作者單位：重慶交通大學）