看图说话——浅析真空电子束焊接的应用

浅蓝色

关于这个话题，前有”道长“的普及贴《电子束焊接的简单介绍》，所以我就不敢班门弄斧了，我就侧重于应用领域来谈谈电子束焊接的一些常见的应用。本文采用问答形式，这样简单易读，通俗易懂。
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* y6 L9 J6 x: q7 J很多的客户在咨询我们的时候，都是很简单的一句，这个铜或者钢能不能够焊接，或者说帮我简单的焊上就可以，很多的客户对于焊接的认知还是停留在平常马路上那种一手一个面罩，一手拿着焊枪，蹲在地上焊接铝合金门窗（当然焊接铝合金门窗也是非常有水平的一个工作，这里没有歧视的意思，只是用来举例）的水平，其实焊接是一门非常大的学问，单从每年上海北京举办的埃森展就可以看出来，它的市场非常广阔，涉及到金属的，甚至是塑料，玻璃，陶瓷等等有需要用到焊接，同时焊接也是一门实践性非常强的学科，光焊接的种类就有许许多多不同的分类，不同的产品有不同的焊接方法，每个产品的焊接要求不一样，所需的焊接的方法也不一样，同时一种材料，比如钢或者铜，就有不同的牌号，它们的焊接方法也是会有差别的，再者，同一种材料做成的不同结构的产品所需要的焊接也是不一样的，所以这些产品的焊接都需要综合焊接方法，效率，成本，焊接质量等等来综合考虑，以上为题外话。
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1问：电子束焊接为什么要在真空条件下进行焊接？

答：电子束焊接之所以采用在真空的形式下进行焊接，是基于三方面的考虑；
一是，在大气的环境下，高速运动的电子遇到大气中的空气分子，会发生强烈的反射，折射，散射等现象，这样电子束的能量会消耗殆尽，等到达要焊接的工件，几乎不能穿透厚一点的金属；
" e) k' Y* O5 [6 q+ O/ K二是，即使所剩的能量很高，在大气状态下焊接，焊接的质量也很难保证，比如气孔等；
+ n" M- x2 y- y+ H' ^. X三是，基于安全角度进行考虑，因为电子束焊接过程中会有X射线产生，对人体的危害是比较大的，有真空室就可以通过真空室来消除这个影响。
但是非真空的电子束焊接对于一些焊接要求比较低的产品也可以应用，我国东北地区就有应用。
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图1，真空中电子束与大气中电子束状态的比较（图片来源于网络）

7 Q5 f& O* c7 w2问：真空电子束焊机的构成是什么样的？
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答：一般的真空电子束都由五部分组成；
- C( x1 ?0 _! K; z, A一是，电子枪部分，这个是最核心，也最重要的部件；
1 m! x" f6 W9 W4 o- C8 k二是，真空部分，这个部分包括真空室以及一系列的真空泵组，这个部分也就是为什么让电子束焊接的效率下降的原因，因为抽真空这个时间相对于其他的焊接方法来说却是一个缺点；
0 G1 I; h) U( {- m! n, z8 ?三是，机械传动部分，这部分包括一些轴得传动等等，一般的电子束焊接的轴分为二轴，三轴，四轴，五轴（X轴，Y轴，Z轴，A轴（旋转轴），B轴（翻转轴）），一般五轴就够用了，可以满足各个地方的焊接；如果是动枪的话，还有枪的运动部分等等；
四是，电源系统，无论高压（150KV）还是中压（60KV），都需要这个电源系统；
五，控制系统，也就是整个设备运行所需要的系统，有可能是非常原始的dos系统，也可能是西门子最新的840D系统，但是这个是整个设备能跑起来能操作的一个重要的部分；
以上五个部分，却已不可，可能还有部分，但是这五个是核心部分。

图二，通用型真空电子束焊接（图片自拍）
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+ I" u0 a% x! l三问：电子束焊接的特点？
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  D# J8 A6 D+ ~! M2 ]' L答：电子束焊接是一种高能束的焊接方法，与一般的熔化焊接的方法相比较，有四方面的优点，
8 R3 j/ ?0 i- f5 F+ Q) c一是，大的深宽比，可达20:1，如果用脉冲的话，可达50:1；
8 [" ]" e# {. _) Q3 Z1 m. K5 ]二是，可焊接难熔金属，热敏感强的金属及异种金属；
  c+ F3 `' Q& ^3 M三是，可精确控制，重复性好及稳定性好（当然这个和设备的性能紧密相关）
7 I6 U: i- B( g' L3 B& C) u/ x$ x四是，由于是在真空中进行，因为可以提高焊缝质量

' c# ~2 x- a; w! M/ v图三，对于防锈铝LF5的焊接后焊缝截面，总高度是50mm，使用中压60KV和高压150KV的焊接的焊缝截面。大家可以感受一下这个深宽比，当然这个不考虑其他的焊缝质量问题，图片仅仅是用来给大家一个直观的感受（图片来源于自拍）
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四问：电子束焊机的分类？
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& @  |7 j+ n+ x8 ?$ q答：电子束根据原理或者其他的方式可以有几种分类，
一是，根据电子的发射方式不同，可以分为直热式和间热式，直热式是阴极就是灯丝，通过电压加热发射出电子；间热式是加热灯丝发出电子，用电子轰击阴极，产生束流；
二是，根据加速电压不一样，可以分为高压电子束焊机和中压电子束焊机，高压一般指150KV，中压一般指60KV；
三是，根据有无真空室，可以分为真空电子束焊接和非真空电子束焊接。

五问：电子束焊接这个行业的发展历史以及近况是什么样的？
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答：这是个非常大的问题，我只能这样说（希望不要被认为有打广告的嫌疑哈，实事求是的说），在国内采购的设备中，进口的设备中，德国SST和PTR的高压设备，Probeam的设备，法国泰克米特的中压设备，乌克兰巴顿的设备，英国CVE的设备都卖的不错，国外主要也就是这么几家，当然美国的西雅基，加拿大的pavac也有焊接设备，国内的中科的设备，桂林狮达，桂林实创的设备也都还不错。进口设备有它的优点，国内设备也有自己的特点，具体的选购这个就要结合自己企业的特产，产品的需要要全面抉择了。
具体这个行业的发展，除了看道长的帖子外，下面我也推荐一篇文章《电子束焊接技术发展历史、现状及展望》，欢迎大家下载（坑爹的附件设置，一篇文章太大，只能分成了五部分上传）
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六问：电子束焊接到底可以用在哪些方面？
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- Y$ _3 E- T! @  l答：关于真空电子束焊接，其实用途是非常广泛的，如果大家接触不到的话，可能对于这个没有太多的概念。在我国的航空航天领域，也就是我们平常所说的，一个卫星，火箭，导弹（差不多和火箭是一个东东），飞机的发动机，飞机零部件等等上面其实应用非常广泛，还有就是一些船舶的零部件，汽车的涡轮增压器，汽车变数箱的齿轮等等；再就是核能的一些大结构件的焊接，汽轮机的焊接，一些真空压力容器等等的焊接。很多的项目上面都可以应用
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8 ]& m" o$ j- G4 F* I七问：汽车涡轮增压器的电子束焊接时什么样子的？

& l( U- g  z! v% Z0 R7 x) U答：使用电子束焊机来焊接涡轮增压器是一种非常经典的焊接产品。一般的涡轮增压器的涡轮杆和叶片（也就是常说的涡轮头）是两种不同的金属，一个需要耐磨，一个需要耐高温，因此对材料的要求不一样，例如有的是20CrNiMo和GH118需要把它们焊接起来难度比较高，而且由于产品的尺寸比较小，留给焊接的余量也是比较的极限，但是电子束焊接却是完美的解决了这个问题。

这两种材料一个为低合金结构钢，一个为镍基合金，因为镍铁无限互溶，因为他们的可焊性还是不错的。但是这个工件焊接的难点在于焊接后的强度问题，有的客户希望此类产品可以达到800MP的抗拉强度，或者最简单的方法是在用力拉杆和头的时候，断裂的地方不是焊缝地方，还有就是动平衡的问题，解决这第一个问题就是焊接时束斑的位置问题，控制焊缝中镍铁的比例，提高金属中镍的含量可以提高焊缝的机械性能，因此束斑或多或少的偏向涡轮头一侧；对于第二个问题如何解决动平衡的问题，这个就是需要工装来保证，再就是保证焊缝强度的前提下，尽量减小热影响区，提高焊接速度，减小焊接的热输入，减小焊接变形。这个需要反复的试验，但是一旦确定参数，则焊接非常稳定。（以下图片手机拍摄，请大家原谅）

图四，焊缝的截面图，焊接深度超过止口（图片来源于自拍）

' n. a( \1 z8 Y+ C9 M图五，焊前的涡轮头，各个厂家有各个厂家的标准，形状尺寸可能大同小异（图片来源于自拍）
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! T4 R. f2 {# h4 k' L) _6 w! e% {, [图六，焊前的涡轮杆，尺寸，形状等都是每个客户都会有自己的特点（图片来源于自拍）
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图七，焊后的涡轮增压器，也就是汽车里面的那个涡轮增压器（图片来源于自拍）
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八问：齿轮的焊接是什么样的？
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答：齿轮这种工件和涡轮增压器一样，也是由于功能不一样，齿轮上的齿和毂一般材料也不一样，具体材料也就是齿轮钢一类，这类材料的焊接性能都是非常好的，因此焊接深度根本不是问题，焊接的气孔基本上可以杜绝，焊接的宽度也是可以进行较好的控制，唯一需要注意的便是这个焊接后变形的问题，因为对于这种汽车上面的零部件，如果质量控制不好的话，是没有竞争力的，因此对于压装加上焊后的变形最好控制在0.1mm以内，一般而言，留给焊接后的变形也就在0.05mm以内。因此调整工艺就是非常关键的步骤，要在满足焊接深度，焊接宽度，焊接质量的前提下去解决焊后变形小的问题便是比较的有困难。最后就是一个生产节拍的问题，现在一般焊接一个齿轮也就是从安装上一个齿轮，到焊接后，取下来，也就20秒左右的时间，因此焊接的效率是非常之高。现在的汽车厂，比如大众之类的，现在都是采用的自动化的生产线，包括清洗，烘干，退磁，安装等等的一条生产线，纯自动化的，根本不需要人去操作。

图八和图九，焊接后的齿轮，大家可以看看齿轮的表面的平整度，焊接深度大于5mm，表面非常的光滑，没有飞溅，没有任何气孔，裂纹，夹杂等缺陷，此重要在于焊缝靠近齿轮的边缘，如果一般的焊接或者控制不好的话，那最可能的问题就是焊缝宽度过大使得齿轮的边缘被烧塌了（图片来自自拍）

% ]% Q& M  f# w- l! n. I# N4 i九问：铜的焊接性是怎么样的？
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答：铜这种金属比较特殊，它也有很多的种类，比如黄铜就很少能用电子束焊接，因为黄铜含有锌元素，在使用电子束焊接的时候锌会蒸发出锌蒸汽，会在电子枪了里面产生放电现象，会损害设备，因此很少有人会去用电子束焊机来焊接黄铜。一般产品的设计人员在设计产品的时候都会选用常见的材料，常见的结构，因此选用最多的便是紫铜，无氧铜，它们在焊接性还不错，但是焊接成功很大程度上取决于工件的结构。

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图十，十一，十二，是焊接的一个铜带和镀银的铜块的焊接，为了大家可以方便的理解，我在其旁边放置了一个纸水杯，大家可以形象的去理解，这个焊接件的深度在20mm左右，一般的焊接方法很难达到深度，从图十一中可以看到很明显的焊缝的形状，为一个钉子状，这是典型的电子束焊接的小孔效应产生的形状。焊缝的表面在焊后未经处理，从图中可以看到还是比较的平滑（当然肯定可以做的更好，但是这样已经达到了客户的要求），每一个工件上面两道焊缝，其中要保证焊接深度在整个的焊缝中是一致的，君不见在镀银的大头一段上面还有一个大的圆孔么，如果深度过大，穿透了圆孔也是不行的，另一方面铜的导热非常快，因此，精确地控制热输入便是保证质量的一个前提。同时为了防止焊后变形，焊接时候的工装保证也是费了一些脑筋的。（图片来自自拍）
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十问：大铜件的焊接件焊接效果怎么样？
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答：大铜件的焊接和小铜件的焊接又是不一样的，为什么呢？很显然，热容量不一样，小铜件和大铜件的焊接时候的热输入量是不成比例的，这就是铜和其他材料不一样的地方。很多的设备由于功率不够，或者加速电压不够高，焊接的深度就是打不到的，比如下面的这个例子。


图十三，十四，为大铜管的焊接，直径大于300mm，长度大于1500mm，焊接深度为大于35mm，由于对接的地方空间有限，无法开坡口，因此对于一般的焊接方法可能无能无力，但是对于电子束焊接来说，正好绰绰有余。而且焊后要求抽高真空，所以焊接的要求还是很高的，大家可以看焊接的表面，这个还是非常的平稳，过渡也是非常的均匀，鱼鳞纹排列的非常的均匀，焊后经过真空检测，发现完全符合要求。对于此种焊接而言，焊缝形式比较的简单，单一，因此难度在于焊接参数的调试，用中压60KV的设备，很有可能因为功率不够而达不到焊接要求，而对于高压150kv的设备而言，还是毫无压力的。（图片来自自拍）
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十一问：对于这种平面上的对接焊缝和环焊缝有什么区别？
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* z1 [  t3 [9 O3 R" z, W5 H答：很显然，平面焊缝是环焊缝区别是很大的，从熔融金属的熔化后的流动来说，是有区别的，从热传导的方式上来说也是有区别的，这些问题都要具体的问题具体分析，没有一个统一的答案，下面给大家看一个简单的焊缝，大家可以和上面的图用作对比分析。
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图十五，十六中可以看出这也是一个长铜管和一个法兰的对接，只不过变成了环焊缝，焊缝的成型还是非常美观的（我们没有必要让每条焊缝追求到极致，满足客户的需求，自己投入的精力，有一个最合适的比值最好）但是焊接的时候肯定是要一边焊接，铜管一边转动的，铜的凝固还是比较快的，因而对于这个铜管而言，环焊缝没有太大的问题，当然这个焊接深度也是大于25mm以上的，对于有些材料而言，凝固的比较慢，焊完了，等转了90°，焊缝还没有凝固，液滴都还滴下来了，这些在一些高温合金里面比较常见，焊接难度更大。（图片来自自拍）

# |! f+ M4 h, B& J5 \  ~! v4 B十二问：钛合金的焊接性能怎么样？
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: J. h( R$ n6 h' ~9 U6 v答：平时工业产品中经常见过的一些钛合金也就是TC4，TA15，纯钛这几种，还有其他的也就不细说了。总体来说，钛合金在航空航天等领域中非常的常用，因为其优良的机械等性能。而且在焊接上面，非常的适合用电子束焊接，可以说钛合金是最合适用电子束焊接的材料之一，因为它的流动性非常好，对于一些10mm以下的钛合金薄板而言，可以很轻松的做到单面焊接双面成型，而且非常的漂亮。
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图十七，十八是纯钛，3mm厚的对接焊缝，上一张是正面的焊缝，下面一张是反面成型的焊缝，是不是觉得非常不错，当然，这个肯定还是做得更好的。这么厚的焊缝，需要的能量不是很大，这个焊接的好坏和工艺参数的选取的关系非常大。（图片来自自拍）

十三问：大厚度的钛合金好焊接吗？

9 T6 U8 z# {8 V答：的确，没有接触过焊接的人对焊接的认识是不全面的，这个薄板焊接和厚板焊接的差别就像北京和纽约的差别一样，同样是大城市，但是为什么我们帝都总是有雾霾，同样是钛合金，为什么厚板就这么多的问题。一是厚板需要的能量大，二是厚板焊接的变形也是比较大，三是厚度越大，产生缺陷的几率也越大。下面为了方便理解，给大家看几张图。
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图十九到二十三为一个中等厚度的钛合金的水冷板的焊接，打的水压比较大，而且焊道非常多，一件焊接下来，光焊接时间就得30分钟左右，因此属于比较难焊接的，深度大于10mm，未焊透。大家可以看看焊缝避免，余高比较的突出，表面还是比较的光滑（我还是那就话，这个追求一个投入的精力和时间与满足客户要求的一个产出比，不是科研院所，没有必要对焊缝的表面过于追求，如果是专业焊接钛合金的，肯定有有高人可以做的更加的完美），拐角的地方，交接的地方也都是比较的合适的，这个例子的难点不是焊接深度，而是焊接变形的问题，等到你焊接一部分焊缝之后，其他地方的接触的焊缝由于收缩变形肯定都是变得特别的答，肯定会有2,3mm左右的缝隙，但是由于钛合金的流动性非常好，因此还是没有问题的，而且焊后整块板都会变行，这个焊接的应力非常之大，单靠工装很难以保证，因此焊后也要进行去应力的退火等等工序。
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+ U* ^; M. }, X5 f今天就到这里吧，太晚了，以后给大家分享一下铝合金等的焊接经验，希望大家提出自己的看法，共同提高，共同作出更好的产品，提供更好的焊接服务。


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我很呆

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浅蓝色

我很呆 发表于 2013-12-21 23:20
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本人和道长是好哥们，经常有事没事也聚聚。
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长知识了。。谢谢

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学习了 谢谢

龙九禅师

社团之内有知己，我那可怜的鬼魅道兄这下不孤单寂寞了   @鬼魅道长  

小小的售后

你说的焊接深度我是否可以理解为熔深？这个属于融化焊？那填充材料是？