真空電子束焊高壓放電的工藝控制措施

胡志陽，柏 松，趙玉生,王麗華

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任 (集團)公司，遼寧 沈陽 110043)

局部真空電子束焊接技術(shù)要求在結(jié)構(gòu)件焊縫及其附近局部區(qū)域建立真空環(huán)境。該技術(shù)具有能量密度極高、容易實現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接殘余變形小、焊接工藝參數(shù)易精確控制、焊縫純凈、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等特點。因而電子束焊接在航空航天制造領(lǐng)域正日益得到廣泛的應(yīng)用。

一、組成和工作原理

1.組成

真空電子束焊接機主要由電源及控制系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、電子槍系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)等部分組成(圖1)。

2.工作原理

電子束焊接是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽極間的高壓(2 5～3 0 0 k V)加速電場作用下被拉出，并加速到0.3～0.7倍光速，經(jīng)一級或二級磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當其撞擊在工件接縫處時，其動能轉(zhuǎn)換為熱能，使材料迅速熔化而達到焊接的目的。

二、電子束放電的工藝控制措施及方法

當電子槍中的電場強度增加到臨界放電條件時，就引起陰極與控制極之間的放電，從而瞬間改變控制極的電壓，導(dǎo)致陰極電子不受控制極控制(控制極聚束主要由電壓控制)大量發(fā)射，形成瞬間的強電流束擊打工件表面。

電子束的放電過程中有可能突然出現(xiàn)遠大于正常工作時的電子束流，這些電子束流會破壞電子束連續(xù)焊接能量流的平衡，在焊縫中形成微氣孔或深熔坑，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。因此，這種放電應(yīng)在加工中盡量避免。

實際上電子槍中由于電場形狀奇特，分布不均勻，加上放電因素復(fù)雜，因此放電電壓非一般理論計算所能求得，只能從試驗中獲取。對于突然出現(xiàn)的強電子束流，只能根據(jù)放電原理結(jié)合實踐，總結(jié)經(jīng)驗。

經(jīng)長期生產(chǎn)實踐，公司總結(jié)出了一系列防止電子束放電的方法，并采取了相應(yīng)的工藝措施避免電子束放電。

1.避免金屬蒸氣直接進入電子槍

(1)電子束偏轉(zhuǎn)

電子槍在真空條件下工作，在焊接揮發(fā)性小的材料時幾乎不會發(fā)生高壓放電的現(xiàn)象。而在焊接鋁材時，會較頻繁地產(chǎn)生放電現(xiàn)象。主要是因為焊接過程會產(chǎn)生大量金屬蒸氣，當這些金屬蒸氣直接進入到電子槍中，在電極之間就形成了一層流動的離子流，充當了介質(zhì)的作用，如果能減少或避免電極間的介質(zhì)，就會減少高壓放電的產(chǎn)生。

通過對電子束進行靜態(tài)偏轉(zhuǎn)，使焊縫部位與電子槍中心線呈一定的角度，避免金屬蒸氣直接進入電子槍中，可有效減少放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

在焊接試驗中發(fā)現(xiàn)，采取電子束靜態(tài)偏轉(zhuǎn)的方法焊接，當電子束焦點與電子槍軸線位置偏離5°時，放電概率減少3 0%左右。

(2)及時排除高真空系統(tǒng)中的水分

利用真空機械泵上的“氣鎮(zhèn)”裝置，定期排出高真空系統(tǒng)中的水分，有利于提高設(shè)備的極限壓強，可加速排出含有蒸氣的氣體。

2.焊接參數(shù)的控制措施

(1)控制加速電壓

當電子槍內(nèi)的陰極電勢或控制極電勢增加時，會造成電極間的電場強度增加，因此應(yīng)在工藝范圍許可的條件下盡可能采用較低的加速電壓進行焊接，這對避免產(chǎn)生高壓放電十分有效。

(2)增大工作距離

在真空室條件允許的情況下，應(yīng)盡可能增加焊接時的工作距離，讓金屬蒸氣通過真空室的高真空系統(tǒng)排出而不經(jīng)由電子槍。

(3)不使用脈沖焊接方式

在同樣功率下采用脈沖電子束焊，雖然可有效地增大熔深，但同時也會使金屬的蒸發(fā)加劇。因為脈沖電子束的峰值功率比直流電子束高得多，使焊縫獲得高得多的峰值溫度，金屬蒸發(fā)速率會以高出一個數(shù)量級的比例提高，嚴重影響焊接過程的穩(wěn)定性。

(4)使用較小的函數(shù)圖形

在允許的情況下，盡可能不使用或使用較小的函數(shù)圖形，盡可能減小焊縫的寬度，使焊接時金屬揮發(fā)的蒸氣得到最大限度的減少，從而減小放電的可能性，但由于焊縫的表面寬度減小和對熔池攪拌程度的減小，焊縫中氣孔會有所增加，因此應(yīng)根據(jù)焊縫的實際情況合理選擇相應(yīng)的處理措施。

(5)避免長時間連續(xù)工作

在工藝上采用分段間歇式焊接方法，避免電子槍一直處于大量金屬蒸氣的環(huán)境下工作，也可降低電子槍放電的概率。

(6)高真空焊接

真空度的高低也會對電子束焊接放電造成影響，一般情況下，電子槍真空度越高，所需要的放電電壓也就越高，所以應(yīng)使電子槍的真空度至少在1×1 0-4P a以內(nèi)時才能進行焊接。

3.電子槍清洗及調(diào)整

(1)清洗電子槍

當陰極、控制電極和陽極受污染時，會造成頻繁的放電，因此必須嚴格清洗各電極，使其保持干凈，并要求每隔一定的工作時間后清洗電極表面的吸附物。

(2)調(diào)整陰極與控制極間距

由于電子槍內(nèi)電極間的最大電場強度與電極間的最小間距成反比，因此在設(shè)備狀況允許的情況下，增加電極間的間距也可降低放電產(chǎn)生的可能性。但值得注意的是，該方法會使焊機處于非最佳狀態(tài)下工作，在焊接揮發(fā)性小的材料時應(yīng)使用正常間距進行焊接。

三、控制結(jié)果

在實際工作中為避免在加工中出現(xiàn)電子束放電損壞被加工零件，通常采取上述幾種措施的組合，例如由工藝技術(shù)人員根據(jù)零件的不同，調(diào)整焊接參數(shù)，以達到最佳焊接效果；操作者在不影響工作效率的情況下，保證在高真空狀態(tài)焊接；設(shè)備保養(yǎng)人員定期對電子槍和真空室進行清潔，排除真空系統(tǒng)內(nèi)部金屬蒸氣；從而實現(xiàn)對高壓放電現(xiàn)象較好的控制。

四、結(jié)論

第一，電子束焊接放電是因為大量的金屬蒸氣進入電子槍，在電極間形成了瞬間“導(dǎo)通”。提出了避免金屬蒸氣直接進入電子槍的措施。

第二，通過控制焊接參數(shù)，大大降低了電子束焊接時的放電現(xiàn)象，這些工藝措施經(jīng)過驗證，十分有效。

第三，通過清洗電子槍并調(diào)整陰極與控制極間的距離，減小放電的可能性。

第四，上述措施的原則是以不對設(shè)備硬件進行改動為前提所采取的工藝控制措施，通常預(yù)先采取上述幾種措施的組合，可較好地控制高壓放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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