电子束焊接技术以其能量密度集中、焊接深度大、焊缝深宽比大、焊件热变形小、焊缝质量高等突出的优点 ,在国内的发展已有 30多年的历史 ,并已广泛应用在国防工业和国民经济建设的各个领域中。近年来 ,随着电子束焊接技术在国内应用范围的不断扩大 ,电子束焊接设备的需求量也日益增大。北京航空制造工程研究所 (6 2 5所 )是国内最早开展电子束焊接技术研究的单位之一 ,并一直从事电子束焊接技术研究工作。先后研究开发了低压、中压和高压型电子束焊接设备 ,填补了国内多项技术空白。研制的电子束焊接设备已广泛应用在航空、航天及汽车等工业生产中。特别是 1995年成立了高能束流加工技术国家重点实验室以来 ,进口了大批的试验仪器和先进的设备 ,如先进的DIABEAM电子束能量密度测试仪、PTR电子枪等。并广泛开展国际合作 ,吸收国外先进电子束焊接技术 ,先后在电子束焊接设备和工艺研究方面取得了较大技术突破。承担了多项国家重点型号电子束焊接工艺攻关和国家先期预研工作 ,极积推广电子束焊接技术在航空、航天、兵器等武器装备领域的应用。1电子束焊接设备技术发展回顾我所从 2 0世纪 6 0年代便开始从事电子束焊接工艺及设备研究。 80年代初研制了ZD - 5 0型电子束焊机 ,用于焊接航空仪表、膜盒、传感器类零件。首台曾出口到罗马尼亚 ,开创我国出口电子束焊机之先河。80年代末研制成功了国内首台双工位ZD - 5 0 4 0C型齿轮电子束焊机 ,具有焊接参数数字显示、全部程序自动控制、单件焊接周期不超过 90s等特点。图 1、2分别为台式电子束焊机和首台齿轮电子束焊机。2 0世纪 80年代中后期 ,随着航空技术的发展 ,国内迫切需求高压电子束焊接技术。我所在吸收国外先进电子束焊接技术基础上 ,经过多年的艰苦努力 ,在德国电子束焊接专家K .H .Steigerwaldl博士指导下 ,于1992年研制成功了ZDl5 0 - 15A大型高压电子束焊机(图 3)。除高压电源从德国引进外 ,全部立足于国内研制。研制的高压电子枪采用双绝缘子结构 ,并采用了双聚焦系统 ,电子束工作距离可达 15 0 0mm ,电子枪可在 15 0kV、10 0mA满功率下长时间地稳定工作。不锈钢材料焊接厚度范围为 0 .3～ 6 0mm ,深宽比达2 5∶1。该设备的真空室容积为 9m3,是当时国内最大的电子束焊接设备。该焊机的研制成功 ,标志着我国大型高压型真空电子束焊机的研制水平达到了一个新的高度。为了满足国内电子束焊接设备的需求 ,节约设备投资经费 ,我所还采取引进部分关键部件 (电子枪、高压电源及其主要控制系统 )、以我为主配套研制的方案 ,于 1985年研制成功了GDH - 15型高压电子束焊机。开创了既引进国外先进技术 ,又发挥国内科研的优势 ,实现上水平的新路子。到目前为止 ,已先后与德国、英国、乌克兰等国公司合作研制和改造了电子束焊接设备 ,取得了很好的效果。图 4为合作生产的飞机起落架电子束焊机。2电子束焊接设备技术新进展近年来 ,为了尽快赶上国际先进的电子束焊接技术水平 ,我所对高压、大功率电子束焊接关键技术 (电子枪和高压电源技术 )开展了工程化应用研究 ,取得了较大的突破。继完成了ZD15 0 - 15A电子束焊机研制后 ,我所针对 15 0kV、15kW高压电子枪特点 ,对其高压绝缘性能和束流品质继续开展试验研究 ,使电子枪的稳定性和束流品质等得到进一步的提高。同时 ,我所开展了大功率电子枪的研制工作 ,重点针对大功率束流的发生、控制、稳定性和重复性等技术难题 ,在 15kW的基础上 ,对阴极组件、偏压杯组件、聚焦设计等进行了深入的试验研究 ,使电子枪具备稳定地发射 15 0kV、30kW电子束的能力 ,并保持了电子束良好的会聚能力。与此同时 ,面对 15 0kV电子束焊接高压电源技术难度大、试验困难等实际情况 ,针对国内研究现状 ,采取了多种合作方式。在吸收国外高压电源技术的基础上 ,选用中频式发电机组供电方式 ,对高压变压器、整流和滤波电路进行了特殊的设计。并经反复试验改进 ,获得高压电源最高耐压 180kV、电压调整率低于10 %、纹波系数达到 0 .5 %的技术指标 ,达到了国外同类产品的技术水平。利用高压电子枪和高压电源技术研究成果 ,配套真空室及抽真空系统、三坐标数控工作台 ,并研制全套PLC和CNC控制系统 ,从而最终实现了高压电子束焊接设备国产化研制的目的。研制的高压电子束焊机最大功率 30kW (15 0kV ,2 0 0mA) ,最大焊接深度近10 0mm ,如图 5所示。除了在高压电子束焊接技术研究中取得较大突破外 ,还加大对中压 (6 0kV)电子束焊接设备的工程化应用研究 ,研制的中压电子枪最大功率可达 15kW (6 0kV ,2 5 0mA)。针对通用型电子束焊机的特点 ,大力开展电子束焊接CNC控制技术研究 ,保证电子束焊接位置与束流同步控制的精度 ,从而实现空间焊缝和变截面焊缝的电子束焊接。目前 ,我所已形成了中压、高压和合作生产的三种系列电子束焊机生产能力。3电子束加工技术的应用在开发研究电子束焊接设备的同时 ,我所一直从事航空领域内电子束焊接工艺研究。针对新型号发动机和飞机制造领域的新材料和新结构 ,进行电子束焊接工艺预先研究和工艺攻关工作。已先后为多种型号飞机、飞机发动机以及航天导弹 发动机、电子工业中波导、船舶工业的舰艇发动机等提供电子束焊接技术。3.1电子束焊接技术在航空工业中应用在航空制造工业中已普遍采用电子束焊接技术,其中需要焊接的主要材料包括钛合金、高温合金、高强钢等。新型的航空发动机主要由电子束焊接方法连接而成 ,其中的主要部件如压气机转子、燃烧室和涡轮机匣部件均采用电子束焊接结构 ,简化了设计 ,降低了加工费用和材料的消耗。我所承担了新研发动机零件电子束焊接技术的先期攻关工作 ,并承担完成了一大批零件的电子束焊接任务 ,提供了发动机零件电子束焊接工艺规范 ,满足了武器装备制造技术的急需。图 6是采用电子束焊接的典型飞机发动机零件。近年来 ,电子束焊接在飞机重要受力构件上的应用也得到国内航空工业的重视。大厚度焊缝、大型构件、以及高强钢和超高强钢材料的电子束焊接结构相继采用 ,如飞机大型承力框、飞机起落架等部件均采用电子束焊接技术。这些构件要求电子束焊接一次穿透最大厚度超过 80mm、焊接变形小 ,尽量减小预留的加工余量 ,减少数控加工费用 ,节约材料 ,提高加工效率。图 7为某型承力框的接头试件。另外高强钢和超高强钢在飞机起落架制造中应用较多 ,目前已采用电子束焊接替代传统的熔焊方法 ,可提高起落架焊缝性能 ,降低工人劳动强度。3.2电子束焊接技术在其他制造工业中应用电子束焊接技术还应用在我国其他工业中 ,如航天、电子、兵器、船舶、汽车等制造领域。我所的电子束焊接技术主要应用在航天发动机推力 室部件、核电站反应堆内构件筒体、电子传感器、雷达漫波导、大型战车平衡肘以及汽车工业减速箱齿轮、重型货车行星齿轮框架(图 8)、矿山机械设备齿轮 (图 9)、炼钢炉的铜冷却风口、汽轮机叶片等领域。3.3多功能电子束加工技术应用研究为了适应航空工业发展需要 ,我所从“九五”期间开始了电子束加工技术集成工艺研究。即在一台电子束焊机上同时实现了电子束焊接、钎焊、表面改性和表面清理等多功能加工。并可在一次真空下 ,可进行多道加工工序 ,从而提高生产效率 ,降低加工成本。运用该研究成果 ,实现了某型飞机散热器电子束钎焊。图 10为热交换器零件的电子束钎焊模拟件。4电子束加工技术展望过去 30多年 ,国内电子束焊接技术虽然取得较大进展 ,但与国外先进技术和设备相比 ,仍有较大差距。进入 2 1世纪来 ,我所在不断吸收国内外先进技术成果的基础上 ,力争使电子束焊接取得以下新进展 :(1)开展高压、大功率电子束发生器技术的研究 ,进一步提高电子束流品质及其在工程应用条件下运行的可靠性、稳定性、经济性 ,满足大厚度构件的电子束焊接 ;(2 )开展大功率逆变式高压电源技术的研究 ,提高高压电源的特性和动态响应 ,实现高压电子束焊接设备国产化目标 ;(3)开展电子枪横置及其脉冲电子束焊接技术的研究 ,解决大厚度构件电子束焊接深穿透焊缝成型、质量检测及缺陷修复技术。ZD系列电子束焊接技术 及应用@左从进$北京航空制造工程研究所!北京朝阳区八里桥北东军庄1号,邮编:10002 4电子束焊接;;电子束焊接设备;;应用国内电子束加工技术近年来得到了快速发展,并广泛地 应用于制造工业中,特别是在武器装备制造方面。文章介绍了ZD系列电子束焊接设备和工艺技术 的发展情况及其应用。1BobIrving.EBWeldingJoinstheTitaniumFuselageofBoeingsF-22Fighter.Welding,1990.
2FritzDetal.40YearsofElectronBeamWeldingandmaterialProcess ingCISFFEL 6ToulonFrance,1998.
3王亚军电子束加工技术的现状与发展中国机械工程动力学会第八次全国焊接会谇论文集,1999
4刘春飞等电子束焊接技术发展历史、现状及展望航天制造技术,2003年(1～5)中秃欧苫 ⒎苫⒍约昂教斓嫉⒍⒌缱庸ひ抵胁ǖ肌⒋肮ひ档慕⑼Х⒍忍峁┑缱邮附蛹际酢?.1电子束焊接技术在航空工业中应用在航空制造工业中已普遍采用电子束焊接技术,其中需要焊接的主要材料包括钛合金、高温合金、高强钢等。新型的航空发动机主要由电子束焊接方法连接而成 ,其中的主要
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