电子束焊接技术的发展和研究现状

电子束焊接技术的发展和研究现状任新凯研究生学院5班20090507摘要：本文简要介绍了电子束焊接这种先进的连接技术，包括电子束焊接的概念、技术特点和分类等，概述了电子束焊接技术的发展历程。

简要介绍了这种新技术的国内外发展现状、研究现状和应用情况，重点介绍了我国大飞机生产的可行性和研究现状，指出它在异种材料连接的优势和发展方向。

关键词：电子束焊接技术；研究发展现状；应用；大飞机；异种材料连接一，前言焊接是将同种或不同材质、通过加热或加压或同时加压又加热，达到原子间结合而形成永久连接的工艺。

下面简单介绍几种重要的现代焊接方法。

1957年美国的盖奇发明等离子弧焊；40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到实用和进一步发展；60年代又出现激光焊等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接[1]。

在工业生产中得到实际应用的高能束焊接方法有等离子弧焊、电子束焊和激光束焊。

这些焊接方法的共同特点是热源的能量密度高，可以一次行程穿透较厚的接头而无需预制坡口，简化了制造工艺，而且束流的中心温度相当高，足以熔化任何金属材料，因此具有较高的经济价值，工业应用的前景广阔[1]。

下面仅对电子束焊做一下介绍。

二，电子束焊接技术简介电子束焊接(EBW)是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25～300kV) 加速电场作用下被拉出，并加速到很高的速度(0.3～0.7倍光速)，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的[2]。

2.1 电子束焊接技术特点[2]第一，电子束焊接能量密度很高，对于任何材料，包括高熔点钨、钼等材料，其焊缝都能快速熔化。

一般靠零件自身材料熔接而成。

第二，电子束焊接在真空中进行，可防止材料氧化及其它有害气体侵入。

第三，电子束焊接不仅能量密度高，可以获得很大的焊缝深宽比，焊缝又深又窄，因而焊接零件变形小。

第四，焊接两种物理性质差异大(如热传导或热容量) 的材料所构成的零件时，两种材料可同时瞬间熔化再快速凝固。

第五，电子束可以聚得很细，偏转方便，所以可焊很精细零件。

可焊难以达到的焊接点，因此对特殊结构和特别精细的零件用电子束焊接是非常适宜的。

第六，能量密度高，焊接速度快，热影响区范围很小。

2.2 电子束焊接的分类[2]按照电子束加速电压的不同，即按电子束热源特点的不同，可有高(电)压电子束焊接、中(电)压电子束焊接和低(电)压电子束焊接之分，表一列出了这种分类方法电子束流束源的特点[3]；按保护焊接熔池金属的环境不同，有高真空、低真空和非真空电子束焊接之分；按焊接时整个焊件是否完全处在真空室内，有全真空和局部真空电子束焊接之分。

表1 电子束流束源类型及特点三，电子束焊的研究发展现状早在上世纪80年代初期，电子束焊已进入成熟的发展阶段。

由于电子束的能量密度高达300~500kW/mm，因此，一次穿透能力强、生产效率高，焊接过程可在高真空、半真空和非真空条件下完成，焊缝的纯净度高、质量优异，已在飞机、火箭、汽车、机器传动部件以及活性金属焊件连接中得到较广泛的应用。

电子束焊接是目前最成熟的高能束流加工方法之一。

20世纪60年代初，开始应用于原子能工业、飞机制造业和宇航工业中贵重金属的焊接。

随着现代原子能、航空和宇航等尖端技术的应用而迅速发展起来，成功地解决了为现代尖端产品而发展的各种新型材料的焊接问题。

在汽车工业和机械制造业等领域逐渐代替了以往的加工方法和生产流程，应用日益广泛[2]。

3.1 国内电子束焊接技术的研究发展现状[2]20世纪60年代初，我国开始跟踪世界电子束焊接技术的发展，并开始了电子束焊接设备及工艺的研究工作。

航空工业总公司北京航空工艺研究所、广西桂林电器科学研究所及中科院沈阳金属研究所均是较早开展此项工作的单位。

至今已研制生产出不同类型和功能的电子束焊机上百台。

近20年来，出现了关键部件(电子枪、高压电源等) 引进、其它部件国内配套的引进方式，我国研制成功了国内第一台生产中使用的GDH—15型高压电子束焊机：加速电压为150kV，功率为15kW。

此焊机已在航空动力机械制造中使用，解决了航空发动机关键部件的焊接,产品返销国外。

北京航空工艺研究所在1992年研制成功了ZD150—5A型高压电子束焊机，此焊机是国内第一台自行设计、自行制造的高压电子枪和大型真空室的高压电子束焊机，填补了国内空白，达到当时世界先进水平。

我国的中小功率电子束焊机已接近或赶上国外同类产品的先进水平，有明显的性能价格比优势。

近20年来，有关电子束焊接的文献大多集中在焊接工艺参数的优化、焊接冶金和穿透机理的研究、焊接技术的应用及焊接接头基本力学行为等方面。

在我国，电子束焊焊接技术在工业中将进一步应用，但需解决的问题是：焊接可靠性，稳定性及质量在线检测技术的发展；新产品设计与电子束技术的有机结合；焊缝自动对中与跟踪的自适应控制技术的发展；深穿透机理及电子束与材料交互作用等物理现象的进一步探求。

3.2 国外电子束焊接技术的研究发展现状[2]全球电子束焊接技术较先进的国家是德国、日本、美国及法国等。

目前，在工业应用中实际应用的电子束焊接设备一般小于150kW ，加速电压在200kV以内。

一次可焊最大厚度钢板约为300mm，铝合金约50mm。

在电子束焊接设备的研制开发上具有实力的国家及公司有：德国的PTR精密技术有限公司、英国的剑桥真空工程有限公司及英国焊接研究所( TMI)、法国的TECH2META公司以及乌克兰的巴顿电焊研究所等。

在日本，加速电压600kV 、功率300kW的超高压电子束焊机已问世，一次可焊200mm的不锈钢，深宽比达70：1。

德国阿亨大学研制的DIABEAM系统，对电子束特性进行了定量研究。

分析了电子束流品质、焦点对焊缝成形的影响。

日、俄、德开展了双枪及填丝电子束焊技术的研究。

在对大厚度板第一次焊接的基础上,通过第二次填丝来弥补顶部下凹或咬边缺陷；日本采用双枪实现了薄板的超高速焊接，反面无飞溅，成形良好。

法国研制成功的双金属和三金属薄带材电子束焊机也颇引人关注。

随着电子束焊接技术在各工业领域的渗透应用，特别是其在精密加工、原子能及航空航天领域的应用前景，使得各国的研究者竞相展开了对电子束焊接基础理论及应用技术的研究。

美国、独联体各国的研究人员利用电子束对碳钢、合金钢、不锈钢、钛合金、铝合金及高强钢等材料进行了焊接工艺试验，对于电子束焊接工艺参数(加速电压、焊接电流、焊接速度、聚焦电流、焦点位置等) 对接头组织及性能的影响进行了研究，为合理的优化焊接工艺、保证焊接接头的质量提供了理论依据。

四，电子束焊接技术的应用电子焊接技术在航空、航天、兵器、电子、核工业等领域已得到广泛的应用，并且在汽车等行业也得到了一定的应用[1-5]。

4.1 国外电子束焊接技术在飞机制造中的应用[4]自上世纪七八十年代开始，随着焊接技术的迅猛发展，突破了多种焊接设备的技术关键，一些先进的焊接设备不断完善，稳定性、可靠性不断提高，从而带动了焊接工艺技术的不断提升，使得大量新型焊接方法在现代飞机制造中的应用越来越多。

例如以电子束焊接为代表的高能束流焊接技术的工程应用日趋成熟，其优质的接头性能、较小的焊接变形逐渐成为飞机、发动机重要承力构件焊接的主要方法。

俄罗斯和西方发达国家电子束焊接技术发展迅速，已在许多飞机机型上得到了较普遍的应用，电子束焊接技术已成为先进飞机研制不可缺少的支撑技术。

国外最早先将电子束焊接技术广泛应用于飞机发动机核心机部件的制造，如美洲虎攻击机的阿杜尔涡扇发动机钛合金压气机转子采用了7条环形电子束焊缝；米格-29的涡扇发动机高压压气机转子前3级盘及第4～6级盘鼓，苏-27的涡扇发动机高压压气机的第1～3级盘及4～6级盘，均采用了电子束焊接技术；德国EADS Space Transportation公司已将电子束焊接应用于火箭发动机燃烧室的生产。

最典型的代表是美国大型客机发动机——CM F56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊接，使发动机的重量、结构设计、结构的制造精度和使用寿命均得到了改善，使发动机的制造水平得到了极大的飞跃，可以说现代先进的发动机是采用电子束等焊接技术连接而成的，由此可以看出电子束焊接技术对飞机发动机的研制起着至关重要的作用。

国外在飞机制造技术方面，电子束焊接技术是飞机重要承力构件，如钛合金承力框、梁等的关键制造技术之一。

电子束焊在国外飞机重要承力构件上的应用如表2所示。

表2 电子束在飞机重要承力构件上的应用俄罗斯拥有世界最先进的焊接技术，系统的焊接结构研究成果，与结构设计、选材和焊接技术的发展（基础研究）紧密结合，在飞机制造中大量采用焊接技术。

70年代初研制出的苏－27飞机极具代表性，焊接技术的应用几乎遍及全机，除了常规的TIG焊用于飞机导管、某些铝合金构件，点焊用于蒙皮、组合梁、框、长桁等零件的高强铝合金构件焊接外，还广泛采用了新的焊接技术，如电子束焊接起落架组件、钛合金承力框等。

图波列夫设计局采用了电子束焊接长寿命钛合金整体壁板，伊尔76、伊尔86等大飞机的起落架构件也采用了电子束焊接技术。

以美国为代表的西方国家的先进飞机的结构梁、框等重要承力件均也采用电子束焊接技术。

其中，F—14战斗机钛合金中央翼盒是典型的电子束焊焊接结构，该翼盒长7m、宽0.9m，整个结构由53个钛合金件组成，共70条焊缝，焊接厚度为12～57.2m m，全部焊缝长达55m，电子束焊使整个结构重量减轻270kg；“狂风”战斗机的中央翼盒也采用电子束焊接；美国的F-22飞机钛合金前梁、后机身钛合金梁也采用了电子束焊接技术，其中后机身钛合金梁电子束焊缝长度达87.6m，厚度在6.4～25mm之间；原Sciaky公司还将电子束焊接技术应用于美洲虎攻击机的拦阻钩的焊接。

国外目前围绕着优化电子束焊接工艺方法、提高电子束焊接自动化控制以及完善电子束焊缝检测技术等几个方面在继续开展应用研究工作，目的是拓宽电子束焊接技术在飞机制造中的应用范围。

4.2 电子束焊接技术在大飞机制造中的应用分析[4]4.2.1 飞机发动机我国目前尚没有可用于大飞机的国产发动机，要解决这一问题，有2条途径，一是国外进口，二是自行研制。

从目前的技术水平看，先期很有可能进口国外的先进飞机发动机，从长远利益来看，必须自行研制。

因此，自行研制国产大飞机发动机势在必行。

大飞机用发动机的结构虽然与军用发动机有很大不同，但其核心机的结构形式、选用的材料、制造技术等与军机在很大程度上是相同的，军机发动机制造中采用电子束焊接的部件，在大飞机发动机中同样可以采用电子束焊接技术。