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

(中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任 (集團)公司，遼寧 沈陽 110043)

局部真空電子束焊接技術要求在結構件焊縫及其附近局部區域建立真空環境。該技術具有能量密度極高、容易實現金屬材料的深熔透焊接、深寬比大、焊縫熱影響區小、焊接殘余變形小、焊接工藝參數易精確控制、焊縫純凈、重復性和穩定性好等特點。因而電子束焊接在航空航天制造領域正日益得到廣泛的應用。

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、抽真空系統、電子槍系統、聚焦系統等部分組成(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焊接能量流的平衡，在焊縫中形成微氣孔或深熔坑，導致產品報廢。因此，這種放電應在加工中盡量避免。

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。對于突然出現的強電子束流，只能根據放電原理結合實踐，總結經驗。

經長期生產實踐，公司總結出了一系列防止電子束放電的方法，并采取了相應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

電子槍在真空條件下工作，在焊接揮發性小的材料時幾乎不會發生高壓放電的現象。而在焊接鋁材時，會較頻繁地產生放電現象。主要是因為焊接過程會產生大量金屬蒸氣，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，充當了介質的作用，如果能減少或避免電極間的介質，就會減少高壓放電的產生。

通過對電子束進行靜態偏轉，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，可有效減少放電現象的產生。

在焊接試驗中發現，采取電子束靜態偏轉的方法焊接，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中的水分

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

2.焊接參數的控制措施

(1)控制加速電壓

當電子槍內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排出而不經由電子槍。

(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，金屬蒸發速率會以高出一個數量級的比例提高，嚴重影響焊接過程的穩定性。

(4)使用較小的函數圖形

在允許的情況下，盡可能不使用或使用較小的函數圖形，盡可能減小焊縫的寬度，使焊接時金屬揮發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，因此應根據焊縫的實際情況合理選擇相應的處理措施。

(5)避免長時間連續工作

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，所以應使電子槍的真空度至少在1×1 0-4P a以內時才能進行焊接。

3.電子槍清洗及調整

(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)調整陰極與控制極間距

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

三、控制結果

在實際工作中為避免在加工中出現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，例如由工藝技術人員根據零件的不同，調整焊接參數，以達到最佳焊接效果；操作者在不影響工作效率的情況下，保證在高真空狀態焊接；設備保養人員定期對電子槍和真空室進行清潔，排除真空系統內部金屬蒸氣；從而實現對高壓放電現象較好的控制。

四、結論

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，大大降低了電子束焊接時的放電現象，這些工藝措施經過驗證，十分有效。

第三，通過清洗電子槍并調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備硬件進行改動為前提所采取的工藝控制措施，通常預先采取上述幾種措施的組合，可較好地控制高壓放電現象的產生。

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