材料加工新技术与新工艺课件

10.3 电子束焊接 阴极发射、经高压加速、磁透镜聚焦而获得的电子束流与激光束统称为高能束高能束。电子束作为材料加工的能源具有如下特点：功率密度高功率密度高。如电子束焊接时。通常加速电压范围为30150kV，束流为201000mA，电子束的柬斑直径为0.11.0mm，电子束的功率密度可达106Wcm2以上。快速、精确的可控性快速、精确的可控性。作为物质基本粒子的电子具有极小的质量(9.110 31kg)和一定的负电荷(1.6 10C)，荷质比高达1.761011Ckg，通过电场或磁场可以方便、快速而精确地对电子束进行控制。有效功率大有效功率大，与激光相比更易被固体金属吸收与激光相比更易被固体金属吸收。第10章 先进连接技术10.3 电子束焊接第10章 先进连接技术1 电子束用于焊接可以追溯到加世纪50年代，是由德国人K.H.Steigerwald 和英国人J.A.Stohr几乎在同时期发明的，主要是用于一些重要的、用其他方法难以焊接的材料和结构。虽然近年来又发展了一些新的电子束材料加工技术，如电子束表面淬火电子束表面淬火、电子束表面合会化电子束表面合会化、电子束熔覆电子束熔覆、电电子束物理气相沉积子束物理气相沉积等，但电子束最重要的工业应用还是在焊接焊接方面。电子束用于焊接可以追溯到加世纪50年代，是由21 电子束焊接原理与特点电子束焊接原理与特点 电子束焊是利用聚焦后的电子束流加热、熔合被焊金属(母材)而实现连接的一种焊接方法，在焊接方法的分类中通常将电子束焊接和激光焊接统称为高能束焊接。电子束焊接的最大特点是存在“小孔效应”，小孔效应的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。从阴极发射的电子在数十到数百千伏的加速电压作用下被加速到0.30.7倍的光速，经聚焦后形成高功率密度的电子束流。1 电子束焊接原理与特点3 焊接时电子束轰击金属表面，电子的动能转变为热能，金属被迅速加热熔化并达到沸点，一部分金属被气化金属蒸气离开熔池时对液态金属产生一个附加压力，在电子束的束流压力和金属蒸气的附加压力的共同作用下，熔化的金属被排开，电子束可以继续轰击底部的固态金属，被焊金属中很快形成小孔。小孔的深度取决于电子束的束流压力和金属蒸气附加压力与液态金属的压力和表面张力之间的平衡。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，如图10-21所示。焊接时电子束轰击金属表面，电子的动能转变为热4 由于电子束能量密度高，因此，与一般电弧焊相比电子束焊接具有如下特点特点：电子束穿透能力强，焊缝深宽比大电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。电子束焊接深宽比可达60：1，一次可焊透300mm不锈钢板；焊接速度快焊接速度快。如焊接125mm铝板时焊接速度可达400mm/min，是氩弧焊的40倍；焊缝性能好焊缝性能好。焊缝冷速高，可避免晶粒长大，获得细晶组织，且合金元素烧损少，焊缝抗腐蚀性能好；焊接变形小焊接变形小。焊接热输入小，热影响区小，焊接变形小；真空条件下焊接对焊缝有很好的保护作用，有利于焊接钛及钛合金等活性材料活性材料，也有利于获得良好的焊缝成形。由于电子束能量密度高，因此，与一般电弧焊相比5 电子束焊接的上述特点使其在工业生产中获得了广泛的应用，尤其在焊接航空航天用先进结构材料(如高温合高温合金金、钛合金钛合金、复合材料复合材料及金属间化合物金属间化合物等方面)具有重要的地位。按照被焊件所处的环境条件，电子束焊可分为三种：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。高真空电子束焊高真空电子束焊 高真空电子束焊是指被焊件环境真空为10-410-1Pa的电子束焊接，由于高真空对熔池有很好的保护作用，并防止合金元素的烧损，因此可焊接活性金属、难熔金属和质量要求较高的构件。电子束焊接的上述特点使其在工业生产中获得了广6 低真空电子束焊接低真空电子束焊接 低真空电子束焊接是在10-110Pa的真空条件下进行的，生产效率高，适合于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。非真空电子束焊接非真空电子束焊接 非真空电子束焊接时被焊件处在非真空环境(电子束仍在真空条件下获得)，可以焊接大型产品，生产效率高，但电子束散射严重，功率密度低，焊接熔深和深宽比均较小。低真空电子束焊接72 电子束焊接系统电子束焊接系统 电子束焊接系统主要由电子枪、真空系统、工作仓(真空室)、高压电源及控制系统等几部分组成，下面分别简要介绍。（1）电子抢）电子抢 电子枪是电子束焊接系统的核心部分，是产生和控制电子束的电子光学系统。电子枪有二极电子枪与三极电子枪之分，现代电子束焊机多采用三极电子枪。2 电子束焊接系统8 图10-22为三极电子枪典型结构示意图，主要由阴极、阳极、偏压电极、聚焦线圈和偏转线圈等组成。阴极为电子发射极，通常由热电子发射能力强且不易“中毒”的材料构成，常用的材料有钨、钽、六硼化镧(LaB6)等。图10-22为三极电子枪典型结构示意图，主要9 工作时阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。偏压电极相对于阴极呈负电位，通过调节该负电位的大小和改变偏压电极的形状和位置可以调节电子束流的大小并改变电子束的形状。聚焦线圈俗称电磁透镜，主要是利用电子切割磁力线时所受到的洛仑兹力来使电子束聚焦。通常电子枪的电极系统也同时构成一个静电透镜，它使阴极发射出来的电子汇聚在阳极附近形成交叉点。电子束穿过阳极后又逐渐发散，然后通过电磁透镜(聚焦线圈)使其再一次汇聚在待焊件表面形成斑点。偏转线圈的作用是使电子束做重复性摆动或偏移。工作时阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形10 对于大功率电子枪(30kW)可能设有两个聚焦线圈并在电子束通道上设置有小孔径光阑，以减少金属蒸气和离子对电子枪工作稳定性的影响，同时。双聚焦还增加了调节电子束形状的可能性。电子枪的静电透镜和电磁透镜各部件必须保持同轴，否则电子束轨迹将发生畸变，在调节聚焦或改变束流时电子束将发生偏移，因此，电子枪上一般还装有机械式或电磁式的合轴调节机构。对于大功率电子枪(30kW)可能设有两个聚11 (2)工作仓工作仓 电子束焊接系统的工作仓主要由真空室和工装台(具)组成。真空室一般采用带有加强筋的低碳钢薄板结构，主要有如下几方面功能和要求：获得所需要的真空度获得所需要的真空度。防止防止X射线泄漏射线泄漏。屏蔽外部磁场对电子束的干扰屏蔽外部磁场对电子束的干扰。工装台(具)的作用是为了实现对确定的位置和形状的焊接，并在焊接过程中保持焊接位置的准确、焊接速度的稳定。因此，工装台(具)不仅要能对焊接件进行定位，而且还要能够使其做所需要的各种移动，包括水平方向的直线运动和转动等。(2)工作仓12 (3)真空系统真空系统 真空系统的作用是使电子枪室和工作仓获得真空，主要是由机械泵和扩散泵组成。抽真空时先用机械泵(一般为罗茨泵)将电子枪室和工作仓从大气压抽到1.30.13Pa，然后再以机械泵配合扩散泵将真空进一步提高到1.310-3Pa甚至于1.310-4Pa。(4)高压电源及控制系统高压电源及控制系统 高压电源为电子枪提供加速电压、控制电压及阴极加热电流。高压电源内有高压变压器，其初级连接在三相380V主电路上，次级接整流器。(3)真空系统133 电子束焊接工艺及应用电子束焊接工艺及应用 电子束焊接工艺参数主要有加速电压加速电压、电子束电流电子束电流、焊接速度焊接速度和聚焦电流聚焦电流等，这些参数将影响焊接线能量和能量密度，因而影响焊接成形，电子束焊接时线能量可用下式来估算：q=60UbIbv 式中 q 焊接线能量，Jcm；Ub加速电压，V；Ib电子束流，A；v焊接速度，cmmin。3 电子束焊接工艺及应用14 加速电压加速电压(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其他参数不变的条件下，焊缝深宽比与加速电压成正比。在实际焊接过程中，加速电压一般是比较固定的加速电压一般是比较固定的，只有在焊接厚度和工作距离(电子枪与焊件表面的距离)需要做较大的调整时才改变加速电压。电子束电流电子束电流(Ib)与加速电压一起决定电子束的功率。当其他参数固定时，随电子束流增加，焊接线能量增大，焊缝熔深和熔宽均增大。在实际焊接过程中，随着焊接材料、尺寸和成形要求的变化，电子束流需要经常调整电子束流需要经常调整。在其他参数确定时，焊接线能量与焊接速度(v)成反比。焊接速度增加，焊缝熔深和熔宽均减小。由于焊缝冷却速度与焊接速度有关，因此，焊接速度还对焊接熔池凝固行为和缝组织有一定影响。加速电压(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其15 电子束聚焦状态对焊缝形状也有很大影响，焊接时聚聚焦电流焦电流Ic主要用于调节被焊件与焦点的相对位置。电子束的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种，需要根据焊接材料、焊接厚度、焊缝间隙和其他焊接参数确定。当焊接厚度大于10mm时，通常采用下焦点(焦点处于焊件表面之下)，且焦点在焊接熔深的30处；当焊接厚度大于50mm时，焦点在焊接熔深的5075之间为宜。电子束聚焦状态对焊缝形状也有很大影响，焊接时聚16 一般金属材料都可以用电子束进行焊接。电子束焊与激光焊均属高能束焊接，特点相似，主要是能量密度高，焊接速度快，焊缝金属冷速快，容易得到细晶组织，且焊缝窄、焊接热影响区小，焊接变形和应力小等。一般金属材料的电子束焊接性与激光焊相似，接头都具有良好的抗热裂和冷裂能力，焊接性比采用普通电弧焊时的焊接性要好。一般金属材料都可以用电子束进行焊接。电子束焊17 由于电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，因此在航空航天、核能等领域重要的大厚件焊接方面电子束焊接具有不可替代的地位，如核反应堆大型线圈隔板、大型传动齿轮、飞机起落架、机翼大梁、发动机转子等，涉及的材料主要有钛合金、高强钢、高温合金、不锈钢、复合材料等。电子束焊对金属间化合物材料的连接也具有重要的应用价值，应用电子束焊接已经成功地焊接了镍-铝、钛-铝和铁-铝等金属间化合物材料。由于电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，因此在航1810.4 搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊(friction stir welding，简称FSW)是英国剑桥焊接研究所TWI(The welding institute)开发的一种材料连接新技术，1991年10月，剑桥焊接研究所首次提出搅拌摩擦焊的专利技术。由于在连接结构方面突破了传统摩擦焊的局限性，因此，搅拌摩擦焊自产生以来受到了广泛的关注，获得了迅速的应用。搅拌摩擦焊是由摩擦焊派生、发展起来的，本质上属于固相连接的范畴。10.4 搅拌摩擦焊191.搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊原理原理和和特点特点 如图10-24和图10-25所示，搅拌摩擦焊是利用一种非耗损的搅拌头搅拌头在待焊界面搅拌摩擦而实现连接的。1.搅拌摩擦焊原理和特点20 原理原理 高速旋转的搅拌头和封肩与金属的摩擦生热使金属处于塑性状态，在搅拌头的作用下被封肩封闭的塑性金属塑性金属一方面上下循环流动，另一方面随着搅拌头向前移动，不断向搅拌头后方流动填充搅拌头移出的空间而形成致密的焊缝。原理21 可实现板材对接可实现板材对接，突破了传统摩擦焊的局限性 传统摩擦焊传统摩擦焊是利用被焊工件端面相对运动、摩擦所产生的热使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻而实现焊接的一种方法。可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷材料及塑料。由于摩擦焊生产率高、质量好，在制造业中获得了广泛的工程应用。但摩擦焊在连接结构方面存在局限性，连接的对象主要是回转型零件。搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊不是依靠焊件间的相对摩擦来进行焊接，可以实现板材对接，从根本上突破了传统的摩擦焊只能焊接轴类构件的局限性，扩大了摩擦焊的应用范围。可实现板材对接，突破了传统摩擦焊的局限性22 焊接接头缺陷少、性能好焊接接头缺陷少、性能好 采用传统的熔化焊接方法焊接铝合金，尤其是硬铝合金时，即使采用很好的变极性焊接设备，也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。搅拌摩擦焊焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生裂缝、气孔等缺陷，焊缝晶粒细小、组织均匀、性能好，为凝固裂缝敏感材料(例如焊接高强铝合金)的焊接提供了新的途径。例如，采用搅拌摩擦焊接6016-T6高强度铝合金时，焊缝中心的最高温度仅450左右，低于其熔化温度，因此焊接时不易产生与金属熔化有关的焊接缺陷。焊接接头缺陷少、性能好23 焊接热影响区组织变化小焊接热影响区组织变化小 搅拌摩擦焊加热温度低，热影响区范围小、温度低，组织变化小(如亚稳相能保持基本不变)，有利于焊接热处理强化铝合金。同时搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。焊接残余应力和变形小焊接残余应力和变形小 搅拌摩擦焊加热温度低，且焊件有刚性固定，因此焊件不易变形、残余应力小，可实现可控精度连接。便于机械化自动化便于机械化自动化 理论上搅拌摩擦焊可用于全位置焊接，装配要求低，对焊接操作要求低，焊接质量稳定性好，重复性高，并适合于自动化焊接。焊接热影响区组织变化小24 低成本低成本 搅拌摩擦焊接过程中惟一消耗的是焊接摩擦棒(搅拌头)，无需填充材料，也不用保护气体；厚焊接件不用坡口加工；焊接铝材工件不用去氧化膜，只需用溶剂擦去油污即可；对接允许留一定间隙，不苛求装配精度。安全安全 搅拌摩擦焊是一种无污染、无烟尘、无弧光、无辐射的清洁、安全的焊接方法。当然，搅拌摩擦焊在焊接材料焊接材料和结构方面结构方面仍然存在一些局限性局限性。目前，搅拌摩擦焊主要应用于焊接铝合金、塑铝合金、塑料料等熔点比较低的材料，熔点较高的材料的搅拌摩擦焊接技术尚在研究开发中。低成本252 影响搅拌摩擦焊的影响搅拌摩擦焊的工艺因素工艺因素 搅拌摩擦焊是一个复杂的工艺过程，影响搅拌摩擦焊的主要因素有搅拌头的材料和结构搅拌头的材料和结构、旋转速度旋转速度、焊接速度焊接速度、搅拌头轴肩搅拌头轴肩、被焊材料的种类被焊材料的种类等。（1）搅拌头的材料和结构搅拌头的材料和结构 搅拌摩擦焊所使用的搅拌头由轴肩和摩擦棒组成。搅拌头是搅拌摩擦焊接过程中的关键。摩擦棒的结构决定了加热、塑性流动和塑化材料被顶锻的模式；摩擦棒的尺寸和轴肩的大小及形状决定了焊缝的尺寸、焊接速度和接头的强度；摩擦棒的材料决定了摩擦加热的速率、摩擦棒的强度和焊接温度。2 影响搅拌摩擦焊的工艺因素26 结构结构 从文献上看，国外采用的摩擦棒是标准英制螺纹，但很多文献提出了具有特殊结构的摩擦棒，而且出于技术保密的原因，迄今为止未见详细报道。材料材料 摩擦棒的材料通常采用合金工具钢合金工具钢。搅拌头轴肩的直径通常是摩擦棒直径的3倍左右，轴肩直径过小，摩擦热不足以塑化材料，轴肩直径过大，可能使轴肩下面的被焊材料达到或超过熔点，不利于焊接强度的提高，甚至会导致焊缝表面的不平整。轴肩的材料可以采用中碳钢中碳钢。结构27（2）搅拌头旋转速度搅拌头旋转速度 根据搅拌摩擦焊传热分析，通过旋转搅拌头与被焊材料的摩擦所产生的热源强度q为式中 q 热源强度，Wm2；旋转角速度，radmin；P 轴肩与工件之间的压力，Pa：摩擦系数；R 轴肩的直径，m；r 搅拌头中心到轴肩的距离(rR)，m；由上式得：式中 n 搅拌头旋转速度，radmin。（2）搅拌头旋转速度28 从上式可知，转速是影响搅拌摩擦焊热源的主要因素之一。当搅拌头的旋转速度较低时，摩擦热不够，不足以形成热塑性流动层，在焊缝中容易形成孔洞。随着转速的提高，摩擦热增大，热塑性流动层由上而下逐渐增大，焊缝中的孔洞逐渐减小；当转速上升到一定值时，孔洞消失，形成致密的焊缝。但转速过高时，会使摩擦棒周围以及轴肩下面的材料温度达到或超过熔点，无法形成固相连接。根据搅拌摩擦焊所采用的搅拌头、板厚、所焊材料及焊接速度的不同，旋转速度在2002000rmin之间。从上式可知，转速是影响搅拌摩擦焊热源的主要29（3）焊接速度焊接速度 在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头的结构及其他参数确定后，热源强度就是一定的，焊接线能量与焊接速度成反比。当焊接速度过小时，搅拌头所产生的热量使焊接温度过高，焊接区金属温度将接近金属熔点，使金属因过热而出现疏松，产生液化裂纹，同时，焊缝表面不平整。当焊接速度过大时，搅拌摩擦焊所产生的热量不足以使搅拌头周围的金属达到塑化状态，不能形成良好的焊缝，焊缝内部易出现孔洞。根据搅拌摩擦焊所采用的搅拌头、板厚、所焊材料及旋转速度的不同，焊接速度一般为12.5mm/s。（3）焊接速度30（4）压紧力）压紧力 搅拌头与被焊工件表面之间的接触状态对焊缝的成形也有较大的影响。当压紧力不足时，表面热塑性金属“上浮”，溢出焊接表面，焊缝底部在冷却后会由于金属的“上浮”而形成孔洞。当压紧力过大时，轴肩与焊件表面摩擦力增大，摩擦热将使轴肩发生“粘头”现象，使焊缝表面出现飞边、毛刺等缺陷。（4）压紧力313 搅拌摩擦焊的搅拌摩擦焊的应用应用 由于搅拌摩擦焊具有独特的优点，自问世以来获得了迅速的推广和应用。搅拌摩擦焊首先用于焊接铝与铅等异种金属并获得成功，之后很快被用来焊接高强铝合金板材。经过多年的研究，已经可以用该方法焊接厚度达焊接厚度达75mm的铝合金板材，图10-26为典型的焊接接头，图10-27为用摩擦焊拼焊的铝合金板。3 搅拌摩擦焊的应用32 对大量的铝与铝合金的焊接的工业生产实践已经证明，搅拌摩擦焊是经济、可靠的焊接方法，已经成功的进行了包括2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(AI-Mg-Si)、8000系列(Al-Li)等铝合金的焊接，焊接速度从最初的5mmmin提高到1200mm/min，连接结构连接结构也从最简单的对接接头对接接头发展到几乎所有的接头形式几乎所有的接头形式，如图10-28所示。对大量的铝与铝合金的焊接的工业生产实践已经证33 目前，搅拌摩擦焊技术的商业应用主要集中在船舶制船舶制造造、海洋工业海洋工业和宇航工业宇航工业等领域。在挪威，已用该技术焊接了长达20m的快艇铝合金结构件，并制造了铝合金轮毂，如图10-29所示。目前，搅拌摩擦焊技术的商业应用主要集中在船舶34 在美国洛克希德马丁航空航天公司用该技术焊接了储存液态氧的低温容器储存液态氧的低温容器；在马歇尔航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器大型圆筒形容器。在电机制造业中也可利用搅拌摩擦焊接铜笼转子、磁极铁心(见图10-30、图10-31)。在美国洛克希德马丁航空航天公司用该技术焊接35 利用搅拌摩擦焊可以制备飞机蒙皮飞机蒙皮、中心翼盒上盖板中心翼盒上盖板、飞机起落架的传动支撑门飞机起落架的传动支撑门、飞机方向舵翼板飞机方向舵翼板、地板地板等，如图10-32图10-36所示。利用搅拌摩擦焊可以制备飞机蒙皮、中心翼盒上盖36 搅拌摩擦焊接技术在铁路运输、公路运输、建筑工业、电器行业、饮料行业、武器装备等领域均有巨大的应用潜力。随着航空航天等工业领域对材料性能质量比要求的提高，铝材、镁合金等低熔点合金的应用将越来越广泛，必然为搅拌摩擦焊接技术提供更多的应用市场。表10-3列出了搅拌摩擦焊的应用。搅拌摩擦焊接技术在铁路运输、公路运输、建筑工37材料加工新技术与新工艺课件38 随着对搅拌摩擦焊技术研究工作的深入，尤其是通过对搅拌头材料的研究，使搅拌摩擦焊能够适应不同性质材料的焊接，还可能使搅拌摩擦焊应用于铜合金、镁合金、钢和钛合金等其他材料的焊接。图10-37是由空中客车工业公司负责的搅拌摩擦焊接技术应用研究项目“宇航工业近期商业目标技术应用(简称TAN-GO)”的研究内容。此项目将历时4年，研究经费预算为8800万欧元，由12个国家34个合作伙伴参加。主要研究对象为金属材料机身、复合材料机身、中心翼箱、侧部翼箱。随着对搅拌摩擦焊技术研究工作的深入，尤其是通39材料加工新技术与新工艺课件40