电子束焊（环形焊缝）中收缩量自动补偿技术研究

汪欢 侯波 张长弓 杨朔

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司,辽宁 沈阳110043）

1 概述

在电子束焊接过程中，在高能电子束的轰击下，焊接接头处的金属迅速熔化，两个对接工件会向焊缝处收缩，产生一定的收缩量。这样导致焊接夹具的压紧装置和被焊接工件的压紧面分离，从而产生焊接变形。本文针对这种情况，对焊接工装的结构做出改进，很好的解决了这个问题。

2 电子束焊接原理及特点

(1) 电子束焊接原理

热阴极发射的电子，在真空中被高压静电场加速，经磁透镜产生的电磁场聚集成功率密度高达1.5×10瓦／厘米的电子束(束径为0.25～1毫米),轰击到工件表面上,释放的动能转变为热能,熔化金属，焊出既深又窄的焊缝（深／宽比可达10:1～30:1），工件的热影响区和变形量都很小。电子束的焊接工作室一般处于高真空状态，称为高真空电子束焊。处于低真空状态时压力称为低真空电子束焊。在大气中焊接的称为非真空电子束焊。真空工作室为焊接创造高纯洁的环境，因而不需要保护气体就能获得无氧化、无气孔和无夹渣的优质焊接接头。

(2)电子束焊接特点

电子轰击工件时，动能转变为热能。电子束作为焊接热源有两个明显的特点：

①功率密度高电子束焊接时常用的加速电压范围为30～150kV，电子束电流20mA～1000mA，电子束焦点直径约为0.1mm～1mm，这样，电子束功率密度可达106W/cm2以上。

②精确、快速的可控性。作为物质基本粒子的电子具有极小的质量，电子的荷质比高达1.76×1011C/kg,通过电场、磁场对电子束可作快速而精确的控制。

基于电子束的上述特点和焊接时的真空条件，电子束焊接具有下列主要优缺点。

优点：

电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。目前，电子束焊缝的深宽比可达到60：1。焊接厚板时可以不开坡口实现单道焊，比电弧焊可以节省辅助材料和能源的消耗。

焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后连接工序，焊后工件仍保持足够高的精度。

真空电子束焊接不仅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的焊接。也常用电子束焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。

电子束在真空中可以传到较远的位置上进行焊接，因而也可以焊接难以接近部位的接缝。

通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接缝的自动焊接。可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。

缺点：

设备比较复杂、费用比较昂贵。

焊接前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确、间隙小而且均匀。

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。

在定位焊的时候，由于焊缝收缩，极易引起焊接变形，以及影响焊接质量。 以下就针对这种情况讨论解决办法。

3 电子束焊接及在生产实际中的问题

电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。其原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚集就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。

在焊接过程中，焊接处由于材料熔化，两个对焊工件会向焊缝方向产生一定的收缩量，如图1所示。这样焊接工装的定位面或压紧面就会和工件产生分离，这样工件容易产生不可控制的焊接变形，这种情况通常在焊接过程中是不希望发生的。下面就研究如何避免这种情况的发生。

图1

解决方案

工作原理

还以图1工件为例，我们将焊接夹具结构改进如下图2。

图 2

图2表示的是焊接前，碟形弹簧处于预紧状态，在非工作状态，将自动补偿装置调节到图1状态，碟形弹簧给一定的预紧力，预紧压缩量(在本文中设为t)不要太大，即t=0.2mm～0.3mm为宜，以免影响工作状态的压缩量。预紧过程只需拧动带肩螺母到适当位置，再拧紧锁紧螺母即可。在工作状态，如图3,当外力F作用于支板上，碟形弹簧被压缩,产生压缩量L。在焊接过程中，焊缝处会产生收缩量(在本文中设为l0),这时，压板在蝶形弹簧的作用下还会紧紧压住工件。当然这里的前提是，碟形弹簧的压缩量L必须大于焊接收缩量l0，即L> l0。

碟形弹簧数量的选择及计算方法

如图3参数，单个碟形弹簧极限压缩量（此处设为f3）f3=0.8·(H-s),设碟形弹簧数量为N（碟形弹簧成对使用，此处为偶 数 ）,则 压 缩 量 L=0.8·N·（H-s）-t。设 安 全 系 数 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）),取整偶数即可。

结语

本技术利用小小的碟形弹簧，却解决了电子束焊接中焊缝收缩而导致焊接变形这样的大问题。

本技术只需要在焊接夹具的压紧装置上做一小小的改进，增加碟形弹簧和引导螺柱，因此其应用成本比较低，效益可观。应用前景广泛。电子束焊接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）加速电场作用下被加速至很高的速度（0.3～0.7倍光速），经磁透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。高速运动的电子轰击工件表面时，电子的动能转化为材料的热能，使材料迅速融化而达到焊接的目的。

电子束焊接中存在“小孔效应”使其能够一次性焊透数百毫米厚的材料。小孔效应的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。当电子束轰击金属表面时，金属被迅速熔化并达到沸点，一部分金属被气化。金属蒸汽离开熔池时对液态金属产生一个附加压力，在与束流压力的共同作用下，使熔化的金属被排开，电子束可以继续轰击底部的固体金属，连续作用下被焊金属中很快形成小孔。电子束功率密度越高，小孔的深度越大。随着电子束在工件上移动，小孔也随着电子束一起运动，液态金属绕过小孔流向熔池后部使小孔不断锁闭并凝固形成焊缝。

图3

[1]王秀伦等.机床夹具设计[M].中国铁道出版社，1984.

[2]第三机械工业部第612研究所《航空机械手册》编写组.航空机械设计手册, 1975.

[3]曹雄夫等译.焊接手册[M].国防工业出版社，1982.