电子束焊接真空系统设计
电子束焊接机的工作原理解析
电子束焊接机的工作原理解析电子束焊接机是一种高精度的焊接设备，广泛应用于航天航空、电子、汽车制造等领域。
它利用电子束照射在焊接材料上，通过高能电子束的热量使焊接材料熔化并形成焊缝。
在这篇文章中，我们将对电子束焊接机的工作原理进行详细解析。
1. 电子束的发射电子束焊接机使用高能电子束作为热源进行焊接。
电子束是通过电子枪发射出来的，电子枪采用了聚焦系统，能够将电子束聚焦到极小的直径。
在发射电子束之前，需要对电子束进行加速和聚束等处理，以获得高能、高密度的电子束。
2. 电子束的定位和控制在焊接过程中，需要将电子束准确地定位到焊接的位置。
电子束焊接机采用了精密的光学系统和控制系统来实现电子束的定位和控制。
光学系统通过透镜和光电元件等组件，控制电子束的位置和聚焦。
控制系统则负责调节电子束的加速度、电流和焦点位置，以实现高精度的焊接操作。
3. 焊接区域的真空环境电子束焊接机需要在真空环境中进行焊接。
真空环境的创建是为了防止电子束在空气中与气体分子碰撞，从而保证电子束的稳定性和焦点的聚焦性。
在焊接区域建立真空需要使用专门的真空系统，包括真空室、真空泵和气体净化装置等。
4. 焊接材料的熔化和冷却电子束焊接机利用高能电子束的热量使焊接材料熔化，并在熔化的状态下形成焊缝。
电子束的高能量和高密度使得焊接速度快、深度大，并且能够实现焊接接头的高质量。
焊接完成后，焊接材料会迅速冷却固化，形成坚固的焊缝。
5. 焊接过程的监测和控制在焊接过程中，电子束焊接机通过光电元件、温度传感器、位移传感器等监测设备，不断对焊接参数进行实时监控。
通过这些数据，控制系统可以调节电子束的功率、焦点位置和焊接速度等参数，以获得稳定的焊接质量。
总结：电子束焊接机以其高精度、高效率和高质量的焊接特性，在各个领域得到了广泛应用。
它的工作原理基于高能电子束的热能作用，通过电子束的发射、定位和控制，焊接区域的真空环境，焊接材料的熔化和冷却，以及焊接过程的监测和控制等关键步骤，实现了精确、快速和高质量的焊接操作。
电子束焊接
1.3.1 焊前准备
焊前清理：真空电子束焊前必须对焊件表面
进行严格清理，否则将导致焊缝产生缺陷， 接头的力学性能降低，不清洁的表面还会延 长抽真空时间，影响电子枪工作的稳定性， 降低真空泵的使用寿命。
1.3.1 焊前准备
观察窗口通常由三重玻璃组成，里层为普通玻璃；中层 的铅玻璃是防护X射线的作用；外层的钢化玻璃是承受 真空室内外压力差的。
采用工业电视可以使操作者能连续观察焊接过程，防止 肉眼受强烈光线刺激的危害。
1.2.2 电子束焊机的选用
选用电子束焊机通常考虑以下几个方面： 焊接化学性能活泼的金属（如W、Ta、Mo等）及其合金应
零件装配： 对于无锁底的对接接头，板厚δ＜1.5mm时，局部最
大间隙不应超过0.07 mm；随板厚增加，间隙略增。 板厚超过3.8mm时，局部最大间隙可到0.25 mm。
焊薄工件时，一般装配间隙不应大于0.13mm。
1.3.1 焊前准备
非真空电子束焊时，装配间隙可以放宽到0.75mm。 深熔焊时，装配不良或间隙过大，会导致过量收缩、 咬边、漏焊等缺陷。
1.1.2 电子束焊的特点及分类
2．电子束焊的缺点 设备比较复杂，投资大，费用较昂贵； 电子束焊要求接头位置准确，间隙小而且均匀，
焊前对接头加工、装配要求严格； 真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到
工作室的限制； 电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量； 电子束焊接时产生X射线，需要操作人员严加防护。
由电子枪、工作室（也 称真空室）、电源及电 气控制系统、真空系统、 工作台以及辅助装置等 几大部分组成。
1.2.1 电子束焊机的组成
数控型高真空电子束焊机的设计
Ｙｅ Ｈ ａ ｎｍｉ ｎ
Ａｂｔ ｃ Ｔ ｉ ｐｐｒ ｅｏｔ ａｄａａ ｚｓ ｈ ｒ ａｄｗ ｒｉｇｐｉｃｐ ｆ Ｎ （ ｏ ｐ ｔ ｚｄＮ ｍ ｒ ａ Ｃ ｎｒ ） ｓｒ ｔ ｈｓ ａｅ ｐｒ ｎ ｌ ｅ ｅｆ ｍ ｏｋｎ ｒ ｉｌ ｏ Ｃ Ｃ Ｃ ｍ ｕｅ ｅ ｕ ｅ ｃｌ ｏｔ １ ａ ｒ ｓ ｎｙ ｔ ｏ ｎ ｎ ｅ ｉ ｒ ｉ ｏ
ｓ ｓｅ ｆ ｌ ｔ ｎ ｂ ａ ｌ ｎ ｃ ｉ ｅ ａ ｄ ｗｅｄ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ，ｔ ｅｆ ｒ ｄ ｆ ｎ ｔ ｎ ａ ｏ ｔｈ ｒ ｗａｅ ａ ｄ ｙ ｔｍｓ ｏ ｅ ｒ ｍ ｗｅｄ ｇ ｍａ ｈ ｎ ｌ ｇ ｔ ｈ ｏｏ ｙ ｒｑ ｉｅ ｎ ｓ ｈ ｍ ａ ｕ ｃ ｉ ｂ ｕ ａ ｄ ｒ ｅｃ ｏ ｅ ｉ ｎ ｉ ｅ ｏ ｎ ｏ ｎ ｓ ｆ ｒ ｌ ｔｏ ｅ ｍ ｅ ｄ ｎ ｃ ｎ ｄ Ｃ ｒ ｇ ａ ｒ ｅ ｃ ｂ ｄ ｉ ｅ ａｌｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｈ ｕ ｈ ｗ ａ ｅ ｏ ｔ ｅ ｏ ｅ ｅ ｒ ｎ ｂ ａ ｗ ｌ ｇ ｍａ ｈ ｅ ａ ＮＣ ｐ ｏ ｒ ａ ｅ ｄ ｓ ｒ ｅ ｄ ｔｉ ｎ ｔ ｉ ａ ．Ｔ ｅ ｒ ｎ ｓ ｏ ｓｔ ｔｔ ｙ ｗａ ｆ ｃ ｉ ｉ ｎ ｍ ｉ ｎ ｅ ｈ ｈ
ｅｅ ｔｏ ｅ ｍ ｅ ｄ ｎ ｆ ｈｎ ． Ａ ｄ ｉ ｐ ｐ ｓ ｓ ｔ ａ ｅ ｅ ｅ ｔｏ ａ ｌ ｎ ｎ ｃ ｉ ｅ ｉ ｏ ｔｏｌ ｄ ｂ Ｘ Ｎ 一８ ＭＲ ｌｃｒ ｎ ｂ ａ ｗ ｌ ｉ ｇ ｌ ｌ ｉ ｅ ｎｃ ｎ ｔ ｒ ｏ ｅ ｈ ｔｔ ｌ ｒ ｎ ｂ ｍ ｗｅｄ ｇ ｌｆ ｈ ｎ ｓ ｃ ｎ ｒ ｌ ｙ Ｆ ２ ｏ ｈ ｃ ｅ ｉ ｌ ｅ ０
ｗ ｒ ｌａ ｌ ｄ ｔ ｅ ｆ ｎ ｔ ｎ ｉ ｐ ｒ ｔ ｏ ｋ ｒ ｉｂ ｙ ａ ｕ ｃ ｉ ｓ ｅ ｆ ． ｅ ｎ ｈ ｏ ｃ ｅ
《真空系统设计》课件
根据用途，真空容器可分为高真 空容器、中真空容器和低真空容 器。
高真空容器通常用于科学实验和 高端制造领域，要求容器具有极 佳的密封性和耐压性能。
真空管道
真空管道是连接真空泵和真空容器的通道，它的作用是保证气体的顺畅流动。
根据材料，真空管道可分为金属管道和非金属管道。金属管道通常采用不锈钢、铜等材料制 成，具有较好的耐压性能和气密性。非金属管道则采用玻璃、塑料等材料制成，通常用于较 低的真空度和临时使用。
02
初步设计评审
03
初步设计优化
邀请专家对初步设计方案进行评 审，确保设计的可行性和合理性 。
根据评审意见，对初步设计方案 进行优化和改进，提高设计的可 靠性和经济性。
真空系统的性能测试与优化
性能测试
按照测试标准和方法，对真空系 统进行性能测试，包括工作压力 、工作温度、抽气速率等参数的
测试。
性能分析
需求调研
了解用户对真空系统的具体需求，包括工作压力 、工作温度、抽气速率等参数要求。
需求分析
根据调研结果，对用户需求进行分类和优先级排 序，明确设计目标。
需求评审
邀请专家对需求分析结果进行评审，确保需求分 析的准确性和完整性。
真空系统的初步设计
01
方案制定
根据需求分析结果，制定初步设 计方案，包括系统组成、工作原 理、关键技术等。
2
是指系统内部各部分压力
保持一致，以维持系统的
稳定运行。
压力平衡的调节
3 通过控制入口和出口压力
，以及使用真空泵和其他 辅助设备，可以调节系统 的压力平衡。
真空系统的热平衡
总结词
热平衡是真空系统设计的关键， 它决定了系统的能耗和运行效率 。
真空电子束深熔透焊接原理浅析
真空电子束深熔透焊接原理浅析舒学芳 张从平 杨 冬(东方汽轮机厂制造技术处,四川618201)摘要:分析了真空电子束深熔透焊接机理,在电子束焊接能量分配传热模型的基础上,阐明了深熔透焊接的熔池流动行为和熔质密度分布情况,为燃气轮机压气机静叶环真空电子束焊接试验和实际生产提供了强有力的理论依据。
关键词:真空电子束;深熔透焊接;原理中图分类号:T G439.3 文献标识码:AThe Brief Analysis of t he Principle for VacuumElect ron Beam Deep Penet ration WeldingShu Xunfang,Zhang CongPing,Yang DongAbstract:The mechanism of vacuum electron beam deep penetration welding has been analyzed,meanwhile on the basis of heat transmission mould for the electron beam welding energy distribution,the molten pool flow2 ing action and the solute density distribution situation of deep penetration welding have been explained to provide the forcef ully theoretic foundation for vacuum electron beam welding experiment of fixed blade ring in the gas turbine compressor and its actual production.K ey w ords:vacuum electron beam;deep penetration welding;principle1 引言随着现代科学技术的飞速发展,电子束焊接技术的应用范围不断扩大。
电子束焊接工艺
焊件
电子枪 电子束流 真空室
真空电子束焊接示意图
阴极 聚束极 阳极 聚焦线圈 偏转线圈 焊件
灯丝电源 偏压电源 高压电源
电子束
阳极 聚束极 阴极
灯丝电源
静电部分示意图
• 小结： • （1）阴极发射电子束 （2）聚束极控制束流大小 • （3）阳极加速电子束流 • （4）阴极和阳极形成同心球静电场，从阴极发射束流形成锥束 • （5）聚焦线圈控制工作距离 （6）偏转线圈改变焦点的位置 • 二，真空电子束焊的特点 • 1，加热功率密度大 2，焊缝深宽比大 3，焊缝不易污染 • 4，规范参数调节范围宽，适应性强 • 三，应用 • 1，电子工业微型器件 2，航天真空密封件 3，原子能工业 • 4，汽车 5，机械工业
• §2真空电子束焊接工艺
• 一，焊缝形成过程 • 1，熔化成型方式 • 2，深穿入式成型方式 • 二，规范参数对焊缝成型的影响 • 三，接头形式与电子束焊的特异功能
• 1，对接
2，搭接
3，丁接
• 四，焊接缺陷及防止措施
• 1，焊缝成型不连续
2，咬边 3，下塌
• §3低真空，非真空电子束焊及电子束焊的分类
• 一，低真空及非真空电子束焊的提出
• 二，电子束焊真空度对熔深的影响
• 三，电子束焊的分类方法
• 按其真空度分：
• 1，真空电子束（高真空） 2，低真空电子束 3，非真空电子束
• 按其加速电压分：
• 1，高压电子束焊 2，中压电子束焊 3，低压电子束焊
第三章电子束焊接
• 电子束焊接：EBW——Electron Beam Welding
• §1真空电子束焊接(图2)
• 一，原理(图3) • 电子枪分为两部分： • 1，静电部分(图4) • 静电部分的作用： • （1）发射电子束流 （2）控制束流的大小 • （3）加速电子束Байду номын сангаас （4）会聚电子束流 • 2，电磁部分 • 电磁部分分为聚焦线圈和偏转线圈
电子束焊接机的设备结构和工作原理分析
电子束焊接机的设备结构和工作原理分析电子束焊接机是一种高精度焊接设备，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子工业和船舶建造等领域。
它采用电子束作为焊接能源，通过高速电子的聚集、加热和熔化金属，实现工件的精确焊接。
本文将详细分析电子束焊接机的设备结构和工作原理。
一、设备结构：1. 电子束发生器：电子束发生器是电子束焊接机的核心部件，负责产生高能电子束。
通常由电子枪、电子源和加速管组成。
电子枪通过准直系统控制电子束的直径和方向，电子源提供高电压和电流，加速管将电子束加速到所需速度。
2. 工件和夹具：工件是需要焊接的零部件，夹具用于固定和定位工件。
在电子束焊接过程中，工件必须精确定位和稳定固定，以确保焊接质量。
3. 触发和控制系统：触发和控制系统用于控制电子束焊接机的动作和参数。
包括焊缝形状、焊接速度、焊接时间和电子束功率等参数的设定和调整。
4. 抽真空系统：由于电子束是在真空环境中产生和传输的，所以抽真空系统是电子束焊接机的重要组成部分。
它能够将焊接室中的气体和杂质抽出，保证焊接过程的稳定性和质量。
5. 辅助设备：电子束焊接机通常还配备了一些辅助设备，如冷却系统、传感器和数据采集系统。
冷却系统用于保持电子束发生器和焊接室的温度稳定；传感器用于监测焊接过程中的温度、电流和电压等参数；数据采集系统用于记录和分析焊接过程的数据，以便进行质量控制和优化。
二、工作原理：电子束焊接机的工作原理基于电热效应和材料熔融。
在焊接过程中，电子束的高能量会使工件表面的金属迅速加热，从而达到熔化的温度。
熔化的金属会迅速流动并填充焊缝，形成一个均匀的焊接接头。
1. 电子束的生成：电子束通过电子发生器产生。
首先，电子源提供高电压和电流，然后通过电子枪产生的电场加速和聚焦电子。
电子束经过准直系统控制直径和方向，将高速电子束聚焦到焊接区域。
2. 焊接过程：在焊接过程中，电子束与工件表面相互作用。
电子束的高能量会将金属表面迅速加热至熔点以上，使其熔化。
2mm板厚304l真空电子束焊焊接工艺 (4)
2mm板厚304L真空电子束焊焊接工艺电子束焊接是利用空间定向高速电子束焊（EBW）是指在真空或非真空环境中，利用汇聚的高速电子流轰击焊件接缝处所产生的热能，使被焊金属融合的一种焊接方法。
电子束焊接是一种高能束流焊接方法,可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。
可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料，而对接头的力学性能没有太大的影响。
可实现不开坡口单道大厚度材料的焊接，节约大量填充材料，降低能源消耗，焊接速度快、焊缝组织性能好，焊接变形小，焊缝纯度高、接头质量好，工艺适应性强，可焊材料多，再现性好，可简化加工工艺。
一、设计题目及要求2mm板厚304L真空电子束焊焊接工艺母材尺寸：300mmX100mmX2mm的304L试件二块。
二、母材性能介绍304L不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。
304L是碳含量较低的304不锈钢的变种，较低的碳含量使得在靠近焊缝的热影响去中所析出的碳化物减少至最少，而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀。
1、母材化学成份见表1：表1304L化学成分w（%）2、母材的物理、力学性能见表2：表2304L物理、力学性能性屈服强度（MPa）抗拉强度物理、力学性能熔点延伸率硬度厶匕三205 三520 三40 HB<187HRB<90 1398~1420冃分HV<20类三、焊接设备的选择及特性选择高真空电子束焊。
1、高真空电子束焊机型号EZ-60/100如图1图1、EZ-60/100焊机选用电子束焊设备时，应综合考虑被焊材料、板厚、形状、产品批量等因素。
一般来说，焊接化学性能活泼的金属（如w、Ta、Mo、Nb、Ti）及其合金应选用高真空焊机；焊接易蒸发的金属及其合金应选用低真空焊机；厚大焊件应选用高压型焊机，中等厚度工件选用中压焊机；成批量生产时应选用专用焊机，品种多、批量小或单件生产选用通用型焊机。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PKR251
5E-7～1E5 0.5～9.5 10
图
根据不同真空要求选取规管
四、设计方案及预期效果
真空系统布置图 抽气系统由两路扩散泵机组组成。主泵扩散泵的标称抽速为50000L／s， 运行范围为1.210-1— 6.310-6 Pa,最大气载为3300Pa· l/s。
热扩散泵抽气曲线
— Pumping speed/cold cap
• 4.由于没有气压作用，焊接部件在焊接时不易发生形变。
二、课题意义 • 购进电子束焊接设备意义：
• • • • 解决特种金属焊接问题 解决ITER项目工程采购包（feeder）的焊接技术难题 满足国际组对于产品制造的严格要求 远瞻等离子体未来科研项目的需要，提升制造工艺水平
• 此课题的意义：
• 完成一个对大体积真空室进行快速抽气，获得真空的真 空系统，满足电子束焊接的要求。 • 为以后feeder项目以及等离子所的其他类似的真空系统的 设计提供参数、经验。
二、国内外装置现状及课题意义
• 国外概述
• 1948年 西德物理学家 K.H.Steigerwald首次提出概念 • 1954年 法国的J.A.Stohr博士设计和 制造 • 1958年后美英日及前苏联相继开始研究 • 其后，随着真空技术发展，研制出了真 空电子束焊接装置 （ 解决了许多常规焊接方法无法焊接 的特种金属的焊接问题，使焊接技术又 发展到一个新的阶段 ）
1、启动慢
由于方案中要求工作气压稳定在10-2 Pa，故只考虑高真空系统 （6.67×10-2 —1.33×10-3 Pa）的泵组 最后选择第三种泵组，常用，效果好
规管的选择
APR262
量程(mbar) 输出电压(V) 反应时间(ms) 20～2.2E5 1～9.8 10
PCG400
5E-2～1.5E5 1.9～10.23 10
— Pumping speed/Hallo baffle
— Throughput
前级泵
单台主扩散泵排气量的排除和前级真空由RPS－4001罗 茨泵和MS-631机械泵串级式提供：
1.罗茨泵的工作范围为1600—0.7Pa，标称抽速为3900m3/h （1083 l/s） 2.机械泵的工作范围为107—8Pa，标称抽速为590m3/h （164l/s）
德国PTR公司 ebw3000/150CNC型电子束焊机 真空室;1.7m*1.25m*1.45m
各国装置
法国TECHMETA公司 LARA52型 真空室： 0.35m*0.6m*0.8m
各国装置
• 乌克兰巴东电焊研究所
KL110型 真空室：2.5m*2.5m*5m
各国装置
桂林电科所 HDZ-3B EB welder
真空室： 0.3m*0.3m*0.2m
真空中焊接的优点
真空中焊接的优点：
• 1.真空电子束焊接可以防止熔化金属受到氧、氮等有害气体 的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而特别适于 活泼金属焊接。 • 2.用于焊接真空密封元件时，焊后元件内部保持在真空状态。
• 3.在真空中进行焊接，焊缝纯净、光洁，呈镜面，无氧化等 缺陷。
• 非真空电子束焊（大气中）
摆脱了工作室尺寸对工件的限制 考虑到加工效果，选择高真空电子束焊，真空抽到10-2 Pa量级
泵组的选择
优点
1、结构简单 2、工作可靠，成本低
缺点
1、启动慢 2、预抽时间长 3、容易反油 1、启动慢 2、不常用
扩散泵串联机械泵
扩散泵串联油增压泵， 1、预抽时间短 （中间有油增压泵） 再串联机械泵 扩散泵串联罗茨泵， 1、预抽时间短 再串联机械泵
国内概述
上世纪60年代后开始研究 数量不少，近100台，但品种单一 目前仍没有较大型的真空电子束焊接装 置
主要生产研制机构
• • • • • • • • 德国PTR和IGM公司 法国TECHMETA（泰克米特）公司 英国CVE公司 德国Probeam公司 乌克兰巴东电焊研究所 北京航空工艺研究所 中科院沈阳金属所 桂林电器科学研究所
三、设计主要内容 --- 目录
真空设计指标
确定各参数
矩形焊接室相关的真空参数 布置真空抽气系统
设计内容
两路扩散泵机组
罗茨泵和机械泵串联前级
焊接室可获得的本底真空度
真空系统设计计算
焊接室工况条件下可获得的真空度 粗抽抽气时间（各抽气阶段时间）
真空系统经费预算与采购 真空系统制造
设计指标
1. 综合考虑该电子束焊接设备的的焊接工件与焊接要求，分 析不同类型设备的工作能力、精度、可靠性以及性价比 等定型该设备为矩形真空室。 2. 真空室尺寸根据焊接件及工作台尺寸要求确定。由于真空 室尺寸大，需要分段，到现场通过法兰机械连接，密封 圈密封。 3. 可在50分钟的时间内使焊接室的真空度达到5Pa，在65分 钟的时间内使焊接室的真空度达到5×10-1Pa。 4. 在工作压强下，真空室受外压力而产生的应力和形变不会 过大。
电子束焊接真空系统设计
1 2 3 4 5
题目来源
国内外装置现状及课题意义 设计的主要内容 实验设计方案及预期效果 关键问题和所需的主要设备
一、题 目 来 源
等离子体所ITER采购包电子束焊接 工艺和设备技术方案
课题来源
• 中科院等离子体所为解决ITER项目 工程采购包的焊接技术难题，在前 期市场与技术调研的基础上决定集 成电子束焊接设备。主要用于ITER 校正场线圈盒（CC）、高温超导电 流引线（HTS-CL）以及线圈终端盒 （CTB）的焊接。 • 电子束焊接设备需在真空环境下进 行工作，故现需要建造一个大型的 可快速抽真空的真空系统。
采用矩形真空室
优点：
真空室方案确定
1. 矩形真空室是电子束焊接设 备普遍采用的结构，风险小 2. 矩形真空室侧面滑动移门， 工作台可以方便移动出真空 室，而圆形真空室需要顶部 开门，安装和移出工件都要 从顶部吊起，非常不便
3. 矩形真空室可以采用分段式密 封圈密封，现场机械连接简 单
矩形焊接室相关的真空参数
焊接室结构材料采用Q345低碳钢。为减少这种材料大的放气率，内侧 通过爆炸焊接工艺，覆盖304不锈钢板材。 体积 V = 50m3
选择真空度 • 按真空室分类
• 高真空电子束焊（5×10-2—10-4Pa）
应用广泛，工件尺寸受真空室大小限制
• 低真空电子束焊（1—10Pa）
系统简单、启动快、效率高，减弱金属蒸发