真空電子束焊接技術(shù)及其在空空導(dǎo)彈彈體加工中的應(yīng)用

《真空電子束焊接技術(shù)及其在空空導(dǎo)彈彈體加工中的應(yīng)用》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《真空電子束焊接技術(shù)及其在空空導(dǎo)彈彈體加工中的應(yīng)用（5頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、真空電子束焊接技術(shù)及其在空空導(dǎo)彈彈體加工中的應(yīng)用 在航空、航天、核能等尖端科技領(lǐng)域中，技術(shù)始終占有極其重要的地位。焊接技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展使不同材料如異種金屬之間能夠?qū)崿F(xiàn)牢固的接合；使活性金屬、難熔金屬的焊接性能大為改善；使可達(dá)性極差的復(fù)雜焊縫實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接；因而焊接技術(shù)贏得了“現(xiàn)代工業(yè)縫紉師”的美譽(yù)。 在眾多先進(jìn)的焊接方法中，上世紀(jì)50年代才發(fā)展起來的真空電子束焊接是其中的佼佼者。與其他熔化焊方法相比，真空電子束焊具有能量密度高、穿透能力強(qiáng)、焊縫質(zhì)量好、熱影響?yīng)M窄、焊接變形小的優(yōu)勢，且在焊接過程中，它不會(huì)產(chǎn)生任何污染，可以焊接到一般焊接方法難以接近的部位等。這些不可替代的優(yōu)勢使其在空

2、空導(dǎo)彈彈體的加工中得到了廣泛的應(yīng)用，如超高強(qiáng)度鋼彈體、固沖發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金進(jìn)氣道等眾多空空導(dǎo)彈彈體中的關(guān)鍵性零部件都是采用電子束焊方法焊接而成的，它們不但尺寸精度高，而且焊接質(zhì)量穩(wěn)定。電子束焊的應(yīng)用還使以前認(rèn)為無法進(jìn)行加工的新型設(shè)計(jì)構(gòu)想和加工難度很大的復(fù)雜零件加工得以實(shí)現(xiàn)，使難以焊接的材料能夠較為容易地實(shí)現(xiàn)可靠的連接，對(duì)于新一代先進(jìn)空空導(dǎo)彈彈體的研制開發(fā)起到重要的促進(jìn)作用。 真空電子束焊接原理 真空電子束焊是利用空間定向高速運(yùn)動(dòng)的電子束撞擊工件表面后，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，使被焊金屬熔化、冷凝、結(jié)晶而形成焊縫，其原理示意見圖1。 電子束焊接原理示意圖 焊接時(shí)，電子槍的陰極

3、通電加熱到高溫而發(fā)射大量電子，在陰極表面形成一團(tuán)密集的電子云，這些熱電子在強(qiáng)電場的作用下被加速到很高的速度，高速運(yùn)動(dòng)的電子經(jīng)過聚束極、陽極的靜電場作用和聚焦線圈的電磁場作用而聚集成高能量密度的一束電子射線，它在工件的轟擊點(diǎn)處與材料晶格電子、原子相碰撞時(shí)被散射和阻止，其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)能量即熱能。在低能量密度下，電子束基本上處于工件的表面，焊接過程與一般電弧焊相似；但在高能量密度下，工件材料在電子束的轟擊下瞬間熔化并蒸發(fā)，強(qiáng)烈的金屬蒸氣流將部分液態(tài)金屬吹離電子束作用區(qū)，使電子束在熔池底部的固態(tài)金屬上再聚焦，使其再溶化、再蒸發(fā)，再露出新的熔池底部，這樣層層剝離，從而形成細(xì)而深的被液態(tài)金屬包圍的空

4、腔，即“小孔”效應(yīng)。當(dāng)金屬蒸汽的反力與液態(tài)金屬的表面張力和重力達(dá)到平衡后，小孔不再繼續(xù)深入；當(dāng)電子束功率密度足夠大時(shí)，所產(chǎn)生的小孔將貫穿整個(gè)板厚。熔化金屬則被排斥在電子束前進(jìn)方向的后方，隨著電子束的向前移動(dòng)，熔化金屬就冷卻、凝固、結(jié)晶而形成焊縫。 真空電子束焊接工藝 1 接頭形式選擇與接縫制備 （1）接頭形式選擇。 由于電子束焊能量集中、焊縫狹窄，焊接時(shí)無法填加，搭接形式的接頭連接面積較小，承載能力不高，一般情況下應(yīng)盡量避免；像需要加絲焊接的角接形式的焊縫，焊接的質(zhì)量也不理想；對(duì)接是電子束焊最適用的一種接頭形式，對(duì)于以強(qiáng)度作為主要技術(shù)指標(biāo)的焊接接頭，更是如此。電

5、子束焊時(shí)，對(duì)接的主要接頭形式有平頭對(duì)接、雙凸邊對(duì)接、加強(qiáng)對(duì)接、鎖底對(duì)接、止口對(duì)接、不等厚度對(duì)接等，焊接時(shí)可根據(jù)被焊工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求進(jìn)行選擇，例如圓周對(duì)接焊時(shí)，為了提高精度、避免錯(cuò)位，可以采用鎖底對(duì)接或止口對(duì)接的型式。 （2）接縫制備。 接頭的接縫端面應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)修合，使其平整、光滑、無毛刺，并保持銳邊。對(duì)于鎖底對(duì)接或止口對(duì)接型式的圓周接縫，應(yīng)作到貼合緊密、扣合牢固。 2 焊前清理 電子束焊是在真空狀態(tài)下焊接的，一般不會(huì)產(chǎn)生空氣對(duì)熔池區(qū)域的侵蝕和污染問題，但對(duì)于電子束區(qū)域內(nèi)部所出現(xiàn)的氫、氧、氮等有害氣體，電子束焊卻毫無祛除的能力。但如果工件清洗不凈，殘存的氧

6、化皮、油脂和水分就會(huì)進(jìn)入到熔池及電子束區(qū)域中去，它們?cè)诟邷叵卵杆俜纸鉃闅錃夂脱鯕猓@不但會(huì)燒損有益的合金元素，而且會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣和氫脆，并污染工作室內(nèi)腔。因此，焊前認(rèn)真清理工件，嚴(yán)防氫、氧等有害氣體的進(jìn)入，對(duì)于焊縫質(zhì)量的保證至關(guān)重要；焊前清理分為化學(xué)清理和機(jī)械清理兩種，清理后到焊接有時(shí)限要求。為防止清理后的工件被重新污染，周轉(zhuǎn)和施焊時(shí)，操作者均應(yīng)戴潔凈的手套，同時(shí)為防止焊接材料表面附著較多的水分，還應(yīng)控制焊接工作間的濕度，對(duì)于鈦、鋁等易出現(xiàn)氣孔的材料，應(yīng)盡量避免在潮濕的季節(jié)焊接。 3 工件退磁 由于被焊工件的剩磁會(huì)使電子束發(fā)生偏移，造成未熔合或焊偏缺陷，所以所有被焊工件和焊接

7、的磁通密度都不許超過1×10-4T，否則必須進(jìn)行退磁處理。 4 工裝設(shè)計(jì) 為控制焊接變形、保證焊件的尺寸精度和各零件之間的相對(duì)位置精度要求，必要時(shí)須設(shè)計(jì)焊接夾具。夾具的設(shè)計(jì)原則應(yīng)有利于工件的裝配定位，防止焊接變形，方便焊接和提高勞動(dòng)效率。 5 工件的裝夾與裝配 焊接前，工件中所有的零件都應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和形狀位置的要求，在焊接夾具上按一定順序組合、裝配成一個(gè)整體。裝配時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確到位，保證各零件之間的相對(duì)位置精度、保證接縫處間隙和錯(cuò)位的精度要求，一般情況下，接縫間隙應(yīng)控制在0.15 mm之內(nèi)，錯(cuò)位量不應(yīng)超過0.20 mm。 6 校正焊機(jī)合軸 調(diào)試、校正

8、焊機(jī)合軸就是使電子束的中心軸與聚焦透鏡的中心軸相重合。不然，電子束就有可能發(fā)散和偏移，一般每批產(chǎn)品焊前應(yīng)校正一次。 7 焊接工藝參數(shù)及其調(diào)試 （1）焊接工藝參數(shù)。 電子束焊的工藝參數(shù)主要包括加速電壓（kV）、聚焦電流（mA）、電子束流（mA）、焊接速度（mm/s）和工作室的真空度等。它們的改變，將對(duì)電子束焊的焊接深度、內(nèi)部質(zhì)量和焊縫的橫截面幾何形狀產(chǎn)生不同程度的影響。 ? 加速電壓（kV）：在其他條件不變時(shí)，加速電壓越高，焊接熔深就越大，這是因?yàn)榧铀匐妷荷邥r(shí)，電子束的功率和功率密度也隨之增大，穿透能力增強(qiáng)。實(shí)踐證明，電子束穿透金屬的深度與加速電壓的高次方成正比

9、，同時(shí)也與金屬的密度成反比。 ? 電子束流（mA）：在其他條件一定時(shí)，增加電子束電流，焊縫的熔深和熔寬都會(huì)變大，這是因?yàn)殡娮邮娏髟龃髸r(shí)，電子束的功率雖然增加，但其聚焦性能變差，電子束的功率密度增加較緩，故表現(xiàn)為焊縫的熔深和熔寬同時(shí)增加。 ? 聚焦電流（mA）：聚焦電流的大小決定了電子束的焦點(diǎn)在被焊工件厚度方向上的位置。當(dāng)電子束的焦點(diǎn)處于工件表面上方時(shí)，稱為散焦焊接；當(dāng)焦點(diǎn)處于工件上表面時(shí)，稱為表面聚焦；焦點(diǎn)在工件厚度范圍之內(nèi)時(shí)稱為中聚焦；焦點(diǎn)處于工件下表面及以下時(shí)成為下聚焦。實(shí)踐證明，焊接熔深以電子束的中聚焦為最大。一般情況下，當(dāng)焊件厚度δ≤2mm時(shí)，采用散焦焊接；當(dāng)焊

10、 件厚度2mm＜δ≤10mm時(shí)，采用表面聚焦焊接；當(dāng)焊件厚度10mm＜δ≤20mm時(shí)，采用中聚焦焊接；當(dāng)焊件厚度δ＞20mm時(shí)，則需采用下聚焦焊接。 ? 焊接速度（mm/s）：一般情況下，焊接速度增加，焊接線能量減小，反映在焊縫橫截面的幾何形狀上是熔寬和熔深都將減小。 ? 工作室的真空度：當(dāng)工作室的真空度降低時(shí)，不但會(huì)使焊縫的污染程度增加，還會(huì)使電子束發(fā)生散射，電子束的功率和功率密度降低，穿透能力下降，使焊縫的熔深減小，深寬比降低。 （2）焊接工藝參數(shù)的調(diào)試。 電子束焊縫的內(nèi)部質(zhì)量、焊接深度及橫截面幾何形狀，不僅取決于工藝參數(shù)，而且還與電子束焊機(jī)的功率大小、性

11、能參數(shù)、電子槍和被焊工件之間的相對(duì)位置，被焊工件的技術(shù)特點(diǎn)有關(guān)。因此，在調(diào)試具體某一個(gè)工件的工藝參數(shù)時(shí)，要充分了解和熟悉各參數(shù)的作用、它們之間的相互影響和匹配關(guān)系，結(jié)合被焊工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、材料種類與性能、幾何形狀、尺寸精度、重要程度等因素，經(jīng)過反復(fù)多次的焊接試驗(yàn)，最終篩選出一組最佳的焊接工藝規(guī)范參數(shù)。 應(yīng)當(dāng)注意：所調(diào)試的焊接參數(shù)只有在試件焊縫的外觀檢驗(yàn)、X-光探傷、接頭強(qiáng)度全部符合設(shè)計(jì)要求，并通過了首三件的焊接驗(yàn)證之后，才能用于批量生產(chǎn)。 8 工件焊接 （1）束流對(duì)中。 目的是驗(yàn)證電子束斑點(diǎn)在被焊工件上移動(dòng)時(shí)始終位于接縫線上，其偏差不應(yīng)超過0.2～0.

12、3 mm。 （2）定位焊。 以圓周接縫為例，一般情況下，當(dāng)直徑φ≤500mm時(shí)，定位8點(diǎn)；當(dāng)直徑φ＞500mm時(shí)，定位16點(diǎn)；每一點(diǎn)的長度為：起弧2.5°、焊接2°、收弧2.5°。束流的大小可根據(jù)筒體的厚度和裝配間隙靈活掌握，一般為焊接束流的25%～35%，間隙大時(shí)采用散焦，間隙小或無間隙時(shí)可采用表面聚焦。 （3）封焊。 為了保證焊接質(zhì)量，避免燒穿等缺陷的產(chǎn)生，必須進(jìn)行封焊。封焊時(shí)電子束流的大小視接縫的間隙而定，以能夠?qū)⒔涌p封住為準(zhǔn)，一般為焊接束流的30%左右，并根據(jù)間隙的大小決定是否采用散焦。 （4）焊接。 焊接時(shí)電子束流的大小以焊縫正面不出現(xiàn)

13、凹陷、背面保證焊透、外觀成型良好為依據(jù)進(jìn)行。 （5）修飾焊。 當(dāng)焊縫表面成型不良或出現(xiàn)咬邊、凹陷等缺陷時(shí)可進(jìn)行修飾焊，修飾焊時(shí)的束流一般采用散焦，其大小與封焊時(shí)基本相同。 真空電子束焊接技術(shù)在空空導(dǎo)彈彈體加工中的應(yīng)用 1 彈翼基座與彈體外筒體的焊接 彈翼基座是固定翼面的零件，在導(dǎo)彈飛行過程中要承載全彈的重量，而且在導(dǎo)彈追蹤目標(biāo)作機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，還要承受數(shù)十倍于彈體重量的過載，是空空導(dǎo)彈中重要的承力件。它與彈體外筒體之間靠焊接連為一體，兩個(gè)零件均由0018Ni高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼制作。在采用手工氬弧焊焊接時(shí)，不但焊接變形大，圓度不易達(dá)到要求，而且還會(huì)出現(xiàn)圖2 所

14、示的彈翼基座與外筒體的接觸面僅靠周邊焊在一起，而中間區(qū)域仍為分離的兩體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。 采用電子束焊方法后則較好的解決了這個(gè)問題，不但尺寸精度較高，而且實(shí)現(xiàn)了彈翼基座與彈體外筒體接觸面全連接的設(shè)想，和整體加工基本相同，大大提高了彈翼基座對(duì)空空導(dǎo)彈的承載能力。 2 舵面蒙皮與骨架的焊接 現(xiàn)代空空導(dǎo)彈的舵面一般都采用較為先進(jìn)的蒙皮骨架結(jié)構(gòu)，材料為比強(qiáng)度較高的TC4鈦合金。其中蒙皮與蒙皮之間采用電阻滾焊連接，蒙皮與骨架之間以前多采用電阻點(diǎn)焊，為了滿足輕量化的要求，骨架寬度一般都作的比較狹窄，點(diǎn)焊時(shí)經(jīng)常發(fā)生飛濺，造成焊點(diǎn)疏松和壓痕過深等缺陷，如果采用電子束焊，則會(huì)克服這種現(xiàn)象。再者，由

15、于電子束焊是在真空狀態(tài)下焊接，避免了空氣對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的侵蝕和污染，對(duì)鈦合金有著良好的保護(hù)作用，現(xiàn)在我們正在開展這方面的試驗(yàn)工作，如圖3 所示。 3 彈體圓筒與端環(huán)的焊接 空空導(dǎo)彈中彈體圓筒與端環(huán)之間通過圓周焊縫連接為一個(gè)整體。為了便于裝配，保證尺寸精度，采用了鎖底對(duì)接的結(jié)構(gòu)形式。在采用自動(dòng)鎢極氬弧焊焊接時(shí)，熔化金屬都嚴(yán)重地偏向彈體圓筒一方，如圖4所示，在端環(huán)的鎖底根部出現(xiàn)未焊透缺陷。 為了消除這種缺陷而增大電流，但甚至將彈體圓筒燒穿時(shí)，端環(huán)的鎖底根部仍保持完好的固態(tài)形式，根本就沒有熔化，未焊透缺陷持續(xù)存在。同時(shí)，過分增大電流還會(huì)在彈體圓筒一側(cè)的熱影響區(qū)內(nèi)造成凹陷，通過分析，

16、我們認(rèn)為這是端環(huán)和彈體圓筒的熱容不平衡，兩者相差過于懸殊造成的。端環(huán)筒壁厚，熱容大，而彈體圓筒筒壁薄，熱容小，給于相同的熱量，彈體圓筒的溫度迅速上升熔化，而端環(huán)卻升溫慢、溫度低，鎖底處未達(dá)到熔化溫度而造成未焊透缺陷。采用真空電子束焊則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，真空電子束具有能量密度高、熱量輸入迅速的特點(diǎn)，焊接時(shí)能夠形成深而窄的穿透焊縫，故接縫兩側(cè)的熱容不平衡和鎖底結(jié)構(gòu)對(duì)其焊接質(zhì)量不會(huì)構(gòu)成影響，不會(huì)產(chǎn)生未焊透缺陷，這已經(jīng)得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證。 結(jié)束語 電子束焊接技術(shù)以其具有其他焊接方法不可代替的特點(diǎn)而在空空導(dǎo)彈彈體的加工中顯示出了巨大的優(yōu)勢。隨著空空導(dǎo)彈向著遠(yuǎn)程、高速、高機(jī)動(dòng)、高過載的方向發(fā)展，一些超輕金屬、高強(qiáng)度材料、高精密度零件的焊接將會(huì)被陸續(xù)提上日程，各種難以實(shí)現(xiàn)的接頭形式也將會(huì)相繼出現(xiàn)，這為電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的前景。相信隨著空空導(dǎo)彈彈體制造對(duì)焊接技術(shù)需求的拉動(dòng)和牽引，電子束焊接技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善，反過來滿足新一代先進(jìn)空空導(dǎo)彈在研制過程中對(duì)焊接技術(shù)日益提高的需求。 文章內(nèi)容僅供參考 () ()(2010-8-27) 本文由酚醛泡沫板 實(shí)驗(yàn)室家具www.tianhao- 聯(lián)合整理發(fā)布