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

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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(shì)，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(shì)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(chǎng)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(chǎng)作用和聚焦線圈的電磁場(chǎng)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(zhǎng)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(shì)。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