汪歡 侯波 張長(zhǎng)弓 楊朔

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng)110043）

1 概述

在電子束焊接過(guò)程中，在高能電子束的轟擊下，焊接接頭處的金屬迅速熔化，兩個(gè)對(duì)接工件會(huì)向焊縫處收縮，產(chǎn)生一定的收縮量。這樣導(dǎo)致焊接夾具的壓緊裝置和被焊接工件的壓緊面分離，從而產(chǎn)生焊接變形。本文針對(duì)這種情況，對(duì)焊接工裝的結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

2 電子束焊接原理及特點(diǎn)

(1) 電子束焊接原理

熱陰極發(fā)射的電子，在真空中被高壓靜電場(chǎng)加速，經(jīng)磁透鏡產(chǎn)生的電磁場(chǎng)聚集成功率密度高達(dá)1.5×10瓦／厘米的電子束(束徑為0.25～1毫米),轟擊到工件表面上,釋放的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?熔化金屬，焊出既深又窄的焊縫（深／寬比可達(dá)10:1～30:1），工件的熱影響區(qū)和變形量都很小。電子束的焊接工作室一般處于高真空狀態(tài)，稱為高真空電子束焊。處于低真空狀態(tài)時(shí)壓力稱為低真空電子束焊。在大氣中焊接的稱為非真空電子束焊。真空工作室為焊接創(chuàng)造高純潔的環(huán)境，因而不需要保護(hù)氣體就能獲得無(wú)氧化、無(wú)氣孔和無(wú)夾渣的優(yōu)質(zhì)焊接接頭。

(2)電子束焊接特點(diǎn)

電子轟擊工件時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。電子束作為焊接熱源有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：

①功率密度高電子束焊接時(shí)常用的加速電壓范圍為30～150kV，電子束電流20mA～1000mA，電子束焦點(diǎn)直徑約為0.1mm～1mm，這樣，電子束功率密度可達(dá)106W/cm2以上。

②精確、快速的可控性。作為物質(zhì)基本粒子的電子具有極小的質(zhì)量，電子的荷質(zhì)比高達(dá)1.76×1011C/kg,通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)電子束可作快速而精確的控制。

基于電子束的上述特點(diǎn)和焊接時(shí)的真空條件，電子束焊接具有下列主要優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：

電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大。目前，電子束焊縫的深寬比可達(dá)到60：1。焊接厚板時(shí)可以不開(kāi)坡口實(shí)現(xiàn)單道焊，比電弧焊可以節(jié)省輔助材料和能源的消耗。

焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接變形小。對(duì)精加工的工件可用作最后連接工序，焊后工件仍保持足夠高的精度。

真空電子束焊接不僅可以防止熔化金屬受到氧、氮等有害氣體的污染，而且有利于焊縫金屬的除氣和凈化，因而特別適于活潑金屬的焊接。也常用電子束焊接真空密封元件，焊后元件內(nèi)部保持在真空狀態(tài)。

電子束在真空中可以傳到較遠(yuǎn)的位置上進(jìn)行焊接，因而也可以焊接難以接近部位的接縫。

通過(guò)控制電子束的偏移，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜接縫的自動(dòng)焊接?？梢酝ㄟ^(guò)電子束掃描熔池來(lái)消除缺陷，提高接頭質(zhì)量。

缺點(diǎn)：

設(shè)備比較復(fù)雜、費(fèi)用比較昂貴。

焊接前對(duì)接頭加工、裝配要求嚴(yán)格，以保證接頭位置準(zhǔn)確、間隙小而且均勻。

真空電子束焊接時(shí)，被焊工件尺寸和形狀常常受到工作室的限制。

在定位焊的時(shí)候，由于焊縫收縮，極易引起焊接變形，以及影響焊接質(zhì)量。 以下就針對(duì)這種情況討論解決辦法。

3 電子束焊接及在生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題

電子束焊是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的方法。其原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場(chǎng)的加速下再通過(guò)電磁場(chǎng)的聚集就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接處熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接。

在焊接過(guò)程中，焊接處由于材料熔化，兩個(gè)對(duì)焊工件會(huì)向焊縫方向產(chǎn)生一定的收縮量，如圖1所示。這樣焊接工裝的定位面或壓緊面就會(huì)和工件產(chǎn)生分離，這樣工件容易產(chǎn)生不可控制的焊接變形，這種情況通常在焊接過(guò)程中是不希望發(fā)生的。下面就研究如何避免這種情況的發(fā)生。

圖1

解決方案

工作原理

還以圖1工件為例，我們將焊接夾具結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下圖2。

圖 2

圖2表示的是焊接前，碟形彈簧處于預(yù)緊狀態(tài)，在非工作狀態(tài)，將自動(dòng)補(bǔ)償裝置調(diào)節(jié)到圖1狀態(tài)，碟形彈簧給一定的預(yù)緊力，預(yù)緊壓縮量(在本文中設(shè)為t)不要太大，即t=0.2mm～0.3mm為宜，以免影響工作狀態(tài)的壓縮量。預(yù)緊過(guò)程只需擰動(dòng)帶肩螺母到適當(dāng)位置，再擰緊鎖緊螺母即可。在工作狀態(tài)，如圖3,當(dāng)外力F作用于支板上，碟形彈簧被壓縮,產(chǎn)生壓縮量L。在焊接過(guò)程中，焊縫處會(huì)產(chǎn)生收縮量(在本文中設(shè)為l0),這時(shí)，壓板在蝶形彈簧的作用下還會(huì)緊緊壓住工件。當(dāng)然這里的前提是，碟形彈簧的壓縮量L必須大于焊接收縮量l0，即L> l0。

碟形彈簧數(shù)量的選擇及計(jì)算方法

如圖3參數(shù)，單個(gè)碟形彈簧極限壓縮量（此處設(shè)為f3）f3=0.8·(H-s),設(shè)碟形彈簧數(shù)量為N（碟形彈簧成對(duì)使用，此處為偶 數(shù) ）,則 壓 縮 量 L=0.8·N·（H-s）-t。設(shè) 安 全 系 數(shù) K（K>1）,取 L=K·l0， 于是，0.8·N·（H-s）-t= K ·l0， 推 出，N=(K·l0+t)/ (0.8·（H-s）),取整偶數(shù)即可。

結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)利用小小的碟形彈簧，卻解決了電子束焊接中焊縫收縮而導(dǎo)致焊接變形這樣的大問(wèn)題。

本技術(shù)只需要在焊接夾具的壓緊裝置上做一小小的改進(jìn)，增加碟形彈簧和引導(dǎo)螺柱，因此其應(yīng)用成本比較低，效益可觀。應(yīng)用前景廣泛。電子束焊接是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽(yáng)極間的高壓（25～300kV）加速電場(chǎng)作用下被加速至很高的速度（0.3～0.7倍光速），經(jīng)磁透鏡會(huì)聚作用后，形成密集的高速電子流。高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊工件表面時(shí)，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料的熱能，使材料迅速融化而達(dá)到焊接的目的。

電子束焊接中存在“小孔效應(yīng)”使其能夠一次性焊透數(shù)百毫米厚的材料。小孔效應(yīng)的形成是一個(gè)復(fù)雜的高溫流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程。當(dāng)電子束轟擊金屬表面時(shí)，金屬被迅速熔化并達(dá)到沸點(diǎn)，一部分金屬被氣化。金屬蒸汽離開(kāi)熔池時(shí)對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，在與束流壓力的共同作用下，使熔化的金屬被排開(kāi)，電子束可以繼續(xù)轟擊底部的固體金屬，連續(xù)作用下被焊金屬中很快形成小孔。電子束功率密度越高，小孔的深度越大。隨著電子束在工件上移動(dòng)，小孔也隨著電子束一起運(yùn)動(dòng)，液態(tài)金屬繞過(guò)小孔流向熔池后部使小孔不斷鎖閉并凝固形成焊縫。

圖3

[1]王秀倫等.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].中國(guó)鐵道出版社，1984.

[2]第三機(jī)械工業(yè)部第612研究所《航空機(jī)械手冊(cè)》編寫(xiě)組.航空機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè), 1975.

[3]曹雄夫等譯.焊接手冊(cè)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1982.