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电子束焊机有两类:低压电子束焊机的加速电压为30~60千伏;高压电子束焊机的加速电压可达175千伏。电子束焊可焊接所有的金属材料和某些异种金属接头,从箔片至板材均可一道焊成,钢板可焊厚度达100毫米,铝板达150毫米,铜板可达25毫米。碳钢在真空中焊接时,由于钢中原含有的气体会释放出来,焊缝金属容易产生微气孔。
电子束在30~150kV的加速电压作用下,被加速到光速的1/2~2/3倍,高速电子流轰击工件表面,使其表层温度达到104℃以上、功率密度达到107W/cm2。因此,能量密度高度集中和局部高温是电子束焊接的Z大特点。但在常规加速电压的作用下,电子束穿透工件的深度仅为几十分之一毫米,这与电子束焊缝的熔深(Z大可达300mm)相比是微不足道的。
当束功率密度低于105W/cm2时,电子束的能量在工件表面将转换为热能,由于工件表面的散热条件较好,通过热传导的方式,熔池有向工件深层发展的趋势,此时焊缝熔深较浅,称为熔化成形。
当束功率密度增大到超过105W/cm2时,焊缝表面金属迅速熔化且剧烈蒸发,在蒸发反作用力的排斥下,熔池下凹,排开液态金属而露出新的固态金属表面,使电子束可以穿透到相当的深度,形成一个细长的束孔。
随着电子束的移动,束孔的金属不断熔化并被排斥到熔池后方,冷凝后形成焊缝,这种焊缝称为深穿入成形。电子束焊接中主要采用这种成形方法以发挥其深宽比较大的优点。
电子束焊接的优势
①能量密度高(1010-1013W/m2)。焊缝窄,热影响区小且具有平行边缘,焊接变形小;一般焊接无需填充金属;对于的工业产品具有较高的焊接速度;可获得深宽比大的焊缝,焊接厚件时不开坡口一次成形。
②真空条件下焊接。避免在焊接过程中工件氧化,焊缝纯净度高。
③可靠性及重复性好。焊接参数自动控制,能够焊缝质量;焊接参数易于调节,工艺适应性强。
④适用于异种金属材料焊接,包括部分陶瓷材料。
焊件表面与电子枪的工作距离影响电子束的聚焦程度,工作距离变小时,电子束的压缩比增大,使电子束斑点直径变小,增加了电子柬功率密度。而工作距离太小,会使过多的金属蒸汽进入枪体造成放电。在不影响电子枪稳定工作的前提下,应尽可能采用短的工作距离。在本次试验中,采用水平的焊枪,在夹具设计完成后,已经确定了焊接的工作距离为455mm。这是所有焊接参数中,确定且不变的一个参数。
由于焊缝及其热影响区发生了复杂的物理化学变化,其组织成分和性能已不同于母材,所以焊接后一般要通过热处理来改善焊缝和热影响区的组织,消除残余应力,促使残余的氢逸出,从而提高焊接接头的韧性,增强零件抵抗应力腐蚀的能力,零件形状和尺寸的长期稳定。