典型材料的电子束焊课件.ppt

,焊前准备,焊接接头设计,主要焊接参数及选择,接合面的加工与清理,零件装配,抽真空,焊前预热,对接,角接,T形接,搭接,端接,加速电压,电子束电流,焊接速度,聚焦电流,工作距离,电子束焊接工艺,第四节 典型材料的电子束焊,电子束焊是金属材料焊接性较好的熔焊方法之一。各种金属、合金、金属间化合物等都可以采用电子束焊接，并且接头具有良好的力学性能。 一、钢的电子束焊,（一）碳素结构钢的焊接,低碳钢,焊接性好，电子束焊缝和热影响区晶粒细小。低碳沸腾钢脱氧不彻底，焊接时可能产生强烈的熔池反应，易产生飞溅和气孔。可在接头间隙处夹一厚度为0.20.3mm的铝箔，以保证脱氧作用。焊接半镇静钢过程中有时也会产生气孔，降低焊速，加宽熔池有利于消除气孔。,中碳钢,电子束焊时，其焊接性随着含碳量的增高而变差。碳的质量分数大于0.5的碳钢用电子束焊时，开裂倾向比电弧焊时低，但需焊前预热及焊后热处理。,金属间化合物-是指金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物，其原子的排列遵循某种高度有序化的规律。当它以微小颗粒形式存在于金属合金的组织中时，将会使金属合金的整体强度得到提高，非凡特性是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增强，这就使金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。 然而事物的优劣总是一把双刃剑。伴随着金属间化合物的高温强度而来的，是它本质上难以克服的室温脆性。当30年代金属间化合物刚被发现时，它们的室温延性大多数为零，也就是说，一拉就会断。因此，许多人预言，金属间化合物作为一种大块材料是没有任何实用价值的。 类金属-金属与非金属结合的化合物，其性质介于金属和非金属之间。常见的有金属的硼化物、碳化物、硅化物等。许多类金属化合物，为难熔化合物，熔点高，硬度高，良好的化学稳定性，很高的导电性和传热性，有的类金属在真空中或在电场和热的作用下有发射电子的能力。某些类金属化合物还具有半导体性质，如一些硅化物、硫化物、氮化物和磷化物等。,（二）合金钢的焊接,低合金钢,c0.3的低合金钢电子束焊时，可不预热和后热。在工件厚度大，结构刚性强时，为防止开裂应预热，预热温度为250300。对焊前已进行过淬火和回火处理的零件，焊后回火温度应略低于原回火温度。如轻型变速箱的齿轮大多采用电子束焊，齿轮材料是20CrMnTi或16CrMn，焊前材料处于退火状态，焊后进行调质和表面渗碳处理。,高强度合金钢,碳的质量分数高于0.30的高强度合金钢，可进行电子束焊接，退火或正火状态下焊接性更好。当板厚大于6mm时，应采用焊前预热和焊后缓冷的工艺措施，以免产生裂纹。,（三）工具钢的焊接 电子束焊接工具钢，焊接接头性能良好，生产率高。与其他焊接方法相比，工具钢电子束焊不需要进行退火等热处理而实施高速焊接。例如，厚度为6mm的4Cr5MosiV钢焊前硬度为50HRC，焊后进行550正火，焊缝金属的硬度可以达到5657HRC，热影响区硬度下降到4346HRC，但其宽度只有0.13mm。,（四）不锈钢的焊接 不锈钢的电子束焊接性较好，电子束焊接设备通常以不锈钢的最大焊接深度及焊缝深宽比作为设备焊接能力的标志。,奥氏体钢,奥氏体钢的电子束焊接接头具有较高的抗晶间腐蚀的能力，这是因为高的冷却速度可以防止碳化物的析出。,马氏体钢,马氏体钢可以在任何热处理状态下焊接，但焊后接头区会产生淬硬的马氏体组织，而且随着含碳量的增加和焊接速度的加快，马氏体的硬度将提高，开裂敏感性也较强。,沉淀硬化不锈钢,沉淀硬化不锈钢焊接接头的力学性能较好。含磷高的沉淀硬化不锈钢的焊接性差。半奥氏体钢，例如17-7PH（631）和PH14-8Mo，焊接性很好，焊缝为奥氏体组织。降低半马氏体钢的碳含量可以降低马氏体的硬度，改善其焊接性。,二、非铁金属的电子束焊,（一）铝及其合金的焊接,纯铝及非热处理强化铝合金,电子束焊接接头的力学性能接近母材。,热处理强化铝合金,电子束焊时，可能出现不同程度的裂纹、气孔等缺陷，但只要工艺参数选择适当，可以减少缺陷并保证接头不会出现退火软化区。对于含有较多强化元素镁和锌的铝合金电子束焊时，焊接速度的选择较为重要，速度过慢会造成镁和锌的大量蒸发，若提高焊接速度则焊缝成形恶化，并出现严重气孔。无锌的铝合金宜用高压、小束流的高速焊。,铝及其合金电子束焊前需要对接缝处进行除油和清除氧化膜处理，焊接过程中应控制焊接速度，以防止出现气孔并能改善焊缝成形。对厚度小于 40mm的铝板，焊接速度应在 60120cmmin； 对40mm以上的厚铝板，焊接速度应在60cmmin以下。,铝合金常用于制造汽车零件，非真空电子束焊接汽车用铝合金可得到良好的接头。早在20世纪60年代，美国就将非真空电子束焊引人了汽车零件的批 量生产中，既可降低成本，又可 提高效率，实现汽车生产线的连续焊接，同时可减轻结构质量，节省燃料及减少废气的排放。,（二）钛及其合金的焊接 钛是一种非常活泼的金属，最常见的焊接缺陷是氢气孔，应在高真空下（1.33 X 10-2Pa）进行焊接，而电子束焊接是所有工业钛及其合金最理想的焊接方法。采用电子束焊接能有效地避免有害气体的污染，而且电子束的能量密度大，焊接速度高，焊缝中不会出现粗大的片状相，因而焊接接头的有效系数可达到100。焊接时为了防止晶粒长大，宜采用高电压、小束流的工艺参数。 在飞机构件上电子束焊接钛合金的例子最多。例如，F-14战斗机钛合金中央翼盒是典型的电子束焊接结构。该翼盒长7m，宽0.9m，整个结构由53个TC4钛合金件组成，共70条焊缝，全部用电子束焊接而成，焊件厚度为1257.2mm，全部焊缝长55m，电子束焊使整个结构重量减轻了270kg。F-22是美国近年发展的战斗机，其机身中经电子束焊焊接的钛合金焊缝长度达87.6m，厚度在6.425mm范围。,注：TC4+型钛合金，（Ti-6Al-4V）,（三)铜及铜合金的焊接,电子束焊是纯铜焊接最理想的方法之一。其工艺特点是：,能量密度不宜选得太高,在真空条件下纯铜加热时蒸发比较严重，所以电子束流的能量密度不宜选得太高，以防止过量蒸发和飞溅，导致焊缝截面减弱。,电子束功率较高,纯铜导热性好，焊接热源的热量易散失，焊接所需电子束功率要比焊接合金钢大。,易产生气孔,铜及其合金电子束焊时主要缺陷是气孔，可采用增加装配间隙、焊前预热和重复施焊等措施防止气孔的产生。降低焊接速度虽然也可以防止产生气孔，但焊接速度过慢将使焊缝成形变差，空洞增多。,对于40mm厚的铜板，采用电子束焊接所需要的热输入是埋弧焊所需热输入的l5l7。焊缝横断面积是埋弧焊时的l25l30。,（四）镁及其合金的焊接 电子束焊接镁及其合金的工艺与电弧焊类似。由于合金中镁和锌在真空条件下蒸气压很高，易于产生气孔，电子束焊接工艺参数应进行闭环控制，以防止焊缝底层过热和产生气孔,三、难熔金属的电子束焊 电子束焊对于熔点在2000以上的钼、钨、妮、铅等难熔金属是较为理想的焊接方法，因为高功率密度可使用较小的热输人获得性能良好的焊接接头。,钼和钨的焊接,两种金属的熔点高，常规熔焊时，熔化和再结晶会使它们的韧性-脆性转变温度提高到室温以上，导致韧性降低，脆性增大。电子束焊能量密度高，母材易于熔化，且焊接速度快，高温保留时间短，晶粒来不及长大，韧性-脆性转变温度的变化较小。,钼的焊接,钼焊接时常见的缺陷是气孔和裂纹。焊前仔细清理焊缝并进行预热将有利于消除气孔。钼合金中加入铝、钛、锆、铪、钍、碳、硼、钇或镧，能够中和氧、氮及碳的有害作用，提高焊缝韧性。焊接速度为5067cmmin时，每1mm厚度的钼约需要12kw电子束功率。,钨合金的焊接,焊接性较好。焊接时接头准备和清理非常重要，清理后应进行除气处理，预热防止出现冷裂纹。焊后退火可降低某些钨合金焊接接头的脆性转变温度，但不能改善纯钨焊缝金属的冷脆性。,铌合金的焊接,铌合金焊缝中常见的缺陷是气孔和裂纹。在 1.33 X 10-2Pa的高真空下进行，用散焦电子束对焊缝进行预热，有清理和除气作用，有利于消除气孔。,锆的焊接,锆非常活泼，接头准备和清理对焊接质量至关重要，焊接应在真空度达到1.33 X 10-2Pa以上的高真空中进行。焊后退火可提高接头抗冷裂和延迟破坏的能力。退火条件是在10231128K的温度下保温1h，随炉冷却。焊接锆所用的热输入与同厚度的钢相近。,四、异种金属的电子束焊,焊接性,彼此能形成固溶体的异种金属焊接性良好,易生成金属间化合物的异种金属接头韧性差,电子束功率密度大，能有效地调节热输入和精确控制加热范围，从而可以避免金属间化合物脆性差异导致的焊接困难，保证了接头的致密和一定的力学性能。 随着材料科学的进步，金属间化合物越来越多地得到应用，如Ti3Al，Ni3Al等。对于不能互溶的两种金属电子束焊接，可以通过嵌放或预置与两种金属兼容的过渡金属。焊接时，必须控制焊接热输入，采用较高的焊接速度，避免焊接裂纹和接头脆性的产生。材料冶炼和铸造过程中杂质控制的好坏，对焊接质量的影响很大，因此焊前应对材料成分及力学性能进行复验。,在电子和仪表工业中，有许多零件采用特殊材料制作，结构复杂且紧凑，有特殊的技术要求，如需焊后形成真空腔，不能破坏温敏元件等，或要求精密焊接制造，因此，真空电子束焊接就成为首选方法。例如，管式应变计传感器要求管内装有应变丝和MgO绝缘粉，焊缝半穿透，变形小，采用严格的电子束焊接工艺与合适的工装配合，完全可以得到满意的焊接质量，满足产品的技术要求。,钛合金电子束焊,铝合金电子束焊,第五节 电子束焊的操作与防护,一、焊接操作,启动,在真空室内的工件安装就绪后，关闭真空室门，然后接通冷却水，闭合总电源开关。按真空系统的操作顺序启动机械泵和扩散泵，待真空室内的真空度达到预定值时，便可进入施焊阶段。,焊接,将电子枪的供电电源接通，并逐渐升高加速电压使之达到所需的数值。然后相应地调节灯丝电流和轰击电压，使有适当小的电子束流射出，在工件上能看出电子束焦点，再调节聚焦电流，使电子束的焦点达到最佳状态。假如焦点偏离接缝，可调节偏转线圈电流或电子枪作横向移动使其对中。此时调节轰击电源使电子束电流达到预定数值。按下启动按钮，工件即按预定速度移动，进入正常焊接过程。,停止,焊接结束时，必须先逐渐减小偏转电压使电子束焦点离开焊缝，然后把加速电压降低到零，并把灯丝电源及传动装置的电源降到零值，此后切断高压电源、聚焦偏转电源和传动装置电源，这样就完成了一次焊接。待工件冷却后，按真空操作程序从真空室中取出工件。,二、安全防护,电子束焊的不安全因素：,高压电击,X射线,可见光辐射,烟气,高压电子束焊机的加速电压可达150KV，触电危险性很大，必须采取尽可能完善的绝缘防护措施,电子束焊接时，约有以下的射线能量转变为射线辐射。我国规定，对无监护的工作人员允许的射线剂量不应大于0.25mR/h。因此必须加强对射线的防护措施,直接观察熔化金属发射的可见光对视力和皮肤有害，因此焊接过程中不允许用肉眼直接观察熔池，必须配戴防护眼镜。,电子束焊接时会产生有害的金属蒸气、烟雾、臭氧及氧化氮等，应采用抽气装置将真空室排出的废气、烟尘等及时排出，以保证真空室内和工作场所的有害气体含量降低到安全标准以下，设备周围应通风良好。,1.防止高压电击的措施 无论是低压型或高压型的电子束焊机，在运行时都带有足以致命的高电压。因此，焊机中一切带有高电压的系统，都必须采取有效的绝缘防护措施。 1）高压电源和电子枪应保证有足够的绝缘，绝缘试验电压应为额定电压的1.5倍。 2）设备应装置专用地线，外壳用截面积大于12mm2的粗铜线接地，保证接地良好，接地电阻应小于3。 3）更换阴极组件或维修时，应切断高压电源，并用接地良好的放电棒接触准备更换的零件或需要维修的地方，以防电击。 4）电子束焊机应安装电压报警或其他电子联动装置，以便在出现故障时自动断电。 5）操作时应戴耐高压的绝缘手套、穿绝缘鞋，无论是高压或是低压电子束系统都使用铅玻璃窗口。焊机则安装在用高密度混凝土建造的X射线屏蔽室内。,2.X射线的防护 电子束焊接时，高速运动的电子束与焊件撞击产生X射线；在枪体和工作室内电子束与气体分子或金属蒸气相撞时，也会产生相当数量的X射线，因此必须加强对X射线的防护措施。 1）对于加速电压低于60kV的电子束焊机，真空室采用足够厚度的钢板就能起防护X射线的作用。 2）加速电压高于60kV以上的焊机，外壳应附加足够厚度的铅板进行防护。 3）电子束焊机在高电压下运行，观察窗应选用铅玻璃。 4）工作场所的面积一般不应小于40m2，高度不小于3.5m。对于高压电子束焊设备，可将高压电源设备和抽气装置与操作人员的工作室分开。,