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2004(2)·5·焊接國內(nèi)外電子束焊接技術研究現(xiàn)狀張秉剛、吳琳、馮繼才，哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術國家重點實驗室（150001）研究綜述國內(nèi)外電子束焊接技術的發(fā)展趨勢。本文簡要介紹了電子束焊接的基本原理以及國內(nèi)外研究人員取得的一些研究成果，并對異種材料電子束焊接技術的研究方向進行了展望。關鍵詞：電子束焊接國內(nèi)外電子束焊接技術發(fā)展現(xiàn)狀哈爾濱工業(yè)大學先進焊接生產(chǎn)技術國家重點實驗室張秉剛、武林、馮繼才摘要本文介紹了電子束焊接技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，電子束焊接的基本原理以及國內(nèi)外取得的部分成果關鍵詞：電子束、焊接，它在航空航天和原子能工業(yè)以及其他軍用和民用制造行業(yè)中受到了極大的關注和應用發(fā)展。
為此，有必要系統(tǒng)、全面地了解當前國內(nèi)外電子束焊接技術的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，以及電子束焊接技術和相關工藝的應用成果，準確把握研究成果并進一步發(fā)展電子束焊接技術領域的發(fā)展方向。研究工作具有重要的指導意義。 0 引言隨著全球工業(yè)化進程的加快和現(xiàn)代科學技術的突飛猛進，焊接這一古老而又現(xiàn)代的技術也在不斷地得到完善和發(fā)展?？梢哉f，焊接在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中已經(jīng)占據(jù)了極其重要的地位?，F(xiàn)代焊接技術自1882年碳弧焊出現(xiàn)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展。為了適應工業(yè)發(fā)展和技術進步的需要，相繼產(chǎn)生了埋弧焊、電阻焊、電渣焊和各種氣體焊。 。保護焊等一系列新型焊接方法。進入20世紀60年代后機械加工，隨著焊接新能源的發(fā)展和焊接新工藝的研究，等離子弧切割焊接、真空電子束焊接、激光焊接等高能束技術逐漸應用到各個工業(yè)部門，使焊接技術達到新的水平。特別是近年來，航空、航天、原子能等尖端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，不斷提出特殊性能焊接材料的問題，如高強鋼、超高強鋼、特熱鋼等。 -耐腐蝕鋼、高強度不銹鋼、特種合金及金屬間隙化合物、復合材料、難熔金屬及異種材料的焊接問題。與其他熔焊相比，電子束焊接技術具有功率密度高、長寬比大、焊接區(qū)變形小、能耗低、易于控制和自動化等獨特優(yōu)點。電子槍中的陰極在陰極與陽極之間高壓（25-300kV）加速電場的作用下被拉出，并加速到很高的速度（0.3-0.7倍光速）。主磁透鏡或副磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流。當它撞擊到工件的接合處時，其動能轉化為熱能，使材料迅速熔化，從而達到焊接的目的，見圖1。
事實上，高速電子在金屬中的穿透能力是很弱的。例如，在100kV加速電壓下只能穿透0.025mm。然而，電子束焊接之所以能一次焊透甚至數(shù)百毫米，是因為焊接過程中部分材料迅速蒸發(fā)，氣流的強大反作用力將熔化的底部金屬液推向周圍，露出新的底面。電子專題回顧·6·焊接2004（2）光束持續(xù)作用，過程不斷進行，最終形成又深又窄的焊縫。可焊接的最大厚度鋼板約為300mm，鋁合金約為50mm。電子束焊接設備研發(fā)能力較強的國家和公司有：德國、英國和英國焊接研究所（TWI）、法國和烏克蘭巴頓焊接研究所等。上述公司和研究機構在國際上都有很高的聲譽，他們開發(fā)的電子束焊接機各有其適用性和特點。其中烏克蘭巴頓研究所生產(chǎn)的中高壓電子束焊機技術成熟、性能穩(wěn)定，已在前蘇聯(lián)航空航天焊接試驗中成功應用；而法國TECHMETA生產(chǎn)的焊機具有優(yōu)良的中低壓綜合性能。隨著電子束焊接技術在各工業(yè)領域的滲透和應用，特別是其在精密加工、原子能、航空航天等領域良好的應用前景，各國研究人員開始研究電子束焊接的基礎理論和應用技術。 。 。
美國和獨聯(lián)體國家的研究人員利用電子束對碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鈦??合金、鋁合金、高強鋼等材料進行了焊接工藝試驗。針對電子束焊接工藝參數(shù)（加速電壓、焊接電流、焊接速度、聚焦電流、焦點位置等）對接頭組織和性能的影響，以及氣孔、裂紋和釘扎等缺陷的產(chǎn)生機理進行了研究進行了討論，并提出了相應的工藝方案；對電子束焊接的溫度場、應力應變以及它們引起的裂紋產(chǎn)生和擴展行為進行了數(shù)值描述和研究。 EKoleva 等人。通過使用由固體樣本中連續(xù)均勻移動的線性熱源生成的亞穩(wěn)態(tài)熱分布模型計算給定焊縫寬度的焊縫深度，并將其與實驗測量的數(shù)據(jù)進行比較。同時利用熱源模型對熱效率進行計算分析，討論焊接寬度、焊接深度與工藝參數(shù)之間的關系。研究結果表明，穩(wěn)定移動的線性熱源可用于近似模擬深熔電子束焊接過程?；诒疚慕o出的熱模型，利用圖解計算方法計算給定工藝參數(shù)下的焊接深度與焊接寬度的關系，可以為優(yōu)化焊接工藝、獲得所需的焊縫幾何形狀提供理論依據(jù)。為了獲得可靠、最優(yōu)的工藝參數(shù)并評估電子束焊接的熱效率國內(nèi)外鋁合金精密零件加工業(yè)現(xiàn)狀，GMladenov等人。對電子束焊接過程中焊接深度、聚焦參數(shù)和熱效率之間的關系進行了實驗研究，得到了以下實驗結果：不同焊接速度、束流功率和聚焦位置下可靠的焊接質(zhì)量數(shù)據(jù)。
研究結果表明，焊接深度是比熱效率更敏感的規(guī)格參數(shù)。最大熔透焊縫的熱效率與其他熔深焊縫的熱效率相比變化不大。增大功率可以提高焊縫質(zhì)量，但深而窄的焊縫容易出現(xiàn)焊縫中間氣孔等缺陷。因此，在確定焊接工藝時，應綜合考慮焊接深度、熱效率等工藝參數(shù)之間的相互作用。德國阿亨大學ISF焊接研究所1對電子束特性及其對焊縫成形的影響進行了研究，首次全面討論了電子束特性對焊縫成形的影響。圖1 三級電子槍結構示意圖。 2 電子束焊接。技術研發(fā)現(xiàn)狀電子束焊接技術以其能量密度高、熔深高、焊接變形區(qū)小、易于控制、能焊接難熔金屬和異種金屬等優(yōu)點，在工業(yè)中得到廣泛應用。作為一種高效、高能量密度的焊接方法，經(jīng)歷了50多年的工業(yè)應用實踐鋼板，現(xiàn)已被工業(yè)部門充分接受。特別是近年來，這項技術不斷發(fā)展，使其在批量生產(chǎn)、大型零件制造、復雜零件加工等方面顯示出獨特的優(yōu)勢。國內(nèi)外電子束焊接技術的研究主要集中在電子束焊接裝備與控制、同種與異種材料焊接工藝、電子束焊接理論、電子束焊接冶金、表面處理四個方面。 2.1 國外電子束焊接技術的研究與發(fā)展現(xiàn)狀 電子束焊接技術起源于德國。
1948年，德國物理學家Steigerwald KH首先提出了用電子束進行焊接的想法，并發(fā)明了第一臺電子束焊接設備，這是電子束焊接的萌芽。 1954年，法國斯托格博士使用自行研制的電子束焊接裝置，為法國原子能委員會成功焊接了核反應堆的燃料包殼，標志著金屬電子束焊接的成功。直到1961年國內(nèi)外鋁合金精密零件加工業(yè)現(xiàn)狀，法國原子能委員會首次公開了電子束焊接方法，確認了電子束焊接作為一種新的焊接方法，并引起了各個工業(yè)國家的重視。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前全球有數(shù)千臺設備應用于核工業(yè)、航空航天工業(yè)、精密加工工業(yè)、重型機械等工業(yè)部門。世界上電子束焊接技術最先進的國家是德國、日本、美國。目前，工業(yè)應用中實際使用的電子束焊接設備功率一般在150kW以下機械設備制造，加速電壓在200kV以內(nèi)。曾經(jīng)? 1994-2014 中國學術期刊電子出版社。版權所有。焊接2004(2)·7·焊縫成形的影響為合理優(yōu)化焊接工藝、保證焊接接頭質(zhì)量提供了理論依據(jù)。
日本神戶造船大學2采用有限元分析方法研究了電子束焊接異質(zhì)彈塑性斷裂試件裂紋近尖端變形，討論了應力應變對電子束焊接斷裂行為的影響。焊接。在電子束焊接的微晶機理方面，加拿大曼尼托巴大學的科學家研究了硼晶界偏析對718合金電子束焊接熱影響區(qū)微裂紋行為的影響。 MC Chat urvedi4 對 TiAl 合金（一種用于航空航天應用的新型替代材料）的電子束可焊性進行了研究。研究表明，TiAl合金的熱裂紋傾向不明顯，但焊后快速冷卻時其冷裂紋敏感性嚴重。其焊后顯微組織與焊接速度、熱輸入和預熱溫度有關，即取決于冷卻速度。采用熱模擬方法研究了冷卻速率對顯微組織演變的影響，發(fā)現(xiàn)焊后極高的冷卻速率會抑制α→γ相的轉變，從而產(chǎn)生裂紋。當冷卻速率降低時，裂紋形成的敏感性降低。當熔合線處的冷卻速率小于或等于250K·s-1時，可獲得較滿意的焊接接頭。英國焊接研究所（TW I）5對鋁基復合材料電子束焊接工藝進行了實驗研究，探討了焊接參數(shù)的合理制定以及電子束工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響。
尤其以烏克蘭巴頓研究所為代表的前蘇聯(lián)焊接研究機構已將電子束焊接工藝及相關理論系統(tǒng)化。金屬的實際沸點已降低500至1000 K，因此焊縫寬度可能會隨著熔化過程而變化。隨孔徑的變化而變化。同時，考慮到金屬蒸氣壓和熔融金屬表面張力的影響，熱效率的實際最大值較理論最大值顯著提高。因此，電子束焊接的熱效率對于鋁為72%，對于銅為88%，對于鐵為93%。最終研究結果表明，熱效率主要取決于加熱參數(shù)（功率、熱源移動速度、功率密度）和金屬受熱熔化區(qū)的幾何特征（深度、寬度和形狀系數(shù)）。電子束焊接時，隨著比功率增大，熔化區(qū)形狀從半球形過渡到“匕首”形，熱效率也提高2～4倍。作者認為，這與氣化過程和熱量的有效傳遞有關，因為向“匕首”形熔池形狀的過渡與材料的快速汽化和周期性中斷引起的溫度場有關。蒸汽等物質(zhì)產(chǎn)生的電子束。自激振蕩密切相關。本文更加定量、系統(tǒng)地研究了電子束熱功率和熱源模型。 Нестеренков Нестеренков
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