電子束焊接技術(shù)的發(fā)展

張緒林

【摘?要】研究電子束焊接（EBW）的可能性和設(shè)備的構(gòu)造原理是由Boris Evgenyevich Paton院士領(lǐng)導(dǎo)的電子束焊接于1958年成立。它促使了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的工廠開發(fā)以及各種小型焊接的完成。一年后，電子束焊接的方法被迫切需求于核電中工程，生產(chǎn)電動(dòng)真空裝置和液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在1961–1962年，由于政府一級(jí)的有效協(xié)調(diào)工作，第一臺(tái)用于電子束焊接的生產(chǎn)設(shè)備在多家分公司開業(yè)。在未來幾年內(nèi)，電子束焊接的應(yīng)用變得更廣泛，首先是在上述行業(yè)中，同時(shí)電子束焊接開始被飛機(jī)和動(dòng)力工程行業(yè)所接受。

【關(guān)鍵詞】電子束焊接;帕頓電焊研究所;技術(shù);設(shè)備

1.太空設(shè)施的電子束焊接

EBW牢固地建立在航空工程領(lǐng)域，從而有可能減輕重量和關(guān)鍵產(chǎn)品的制造時(shí)間。試車超過116臺(tái)工業(yè)機(jī)器組織，首先是NIITM企業(yè)和PWI的參與，清楚地表明了EBW在該行業(yè)中的成功應(yīng)用。EBW制造中環(huán)焊縫的位置和布局處于液體推進(jìn)劑火箭燃燒室殼體發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)異種材料的對(duì)接接頭-銅基合金以及鋼和鎳合金位于發(fā)動(dòng)機(jī)深處。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)深度為20毫米，寬度為2-3毫米，氬弧焊工藝制造，同時(shí)集電器寬度不能小于大于5–6 mm，這會(huì)大大降低強(qiáng)度液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的可靠性和可靠性（LPRE）。高強(qiáng)度鋁合金油箱的EBWAl-Cu，Al-Mg-Mn，Al-Mg-Li系統(tǒng)最大42 mm厚，然后將切入的法蘭焊接成圓柱形殼體提供的焊接接頭強(qiáng)度不低于0.8倍母材強(qiáng)度，最小的焊接變形和焊縫的高緊密度允許降低結(jié)構(gòu)重量并增加其幾何精度。為此而設(shè)計(jì)的機(jī)器的主要特征操作，是整合在工具的焊接位置直接在焊接前加工邊緣。

應(yīng)該特別指出的是，PWI一個(gè)鮮明的特點(diǎn)為大型EBW設(shè)計(jì)的單元數(shù)量工件，用于室內(nèi)電子槍，在不超過12 m的范圍內(nèi)移動(dòng)。該解決方案允許土地利用系數(shù)的最大增加真空室內(nèi)部容積。防止實(shí)質(zhì)抽真空時(shí)真空室壁的變形，沿著焊槍移動(dòng)，腔室有兩個(gè)真空密封的相對(duì)薄壁的殼體（每個(gè)厚度8至12毫米），通過加強(qiáng)筋-框架相互連接。

帶焊槍的專用機(jī)器KL-134在腔室上蓋和KL-154機(jī)器上滑動(dòng)被開發(fā)用于鈦的電子束焊接球形罐用于太空應(yīng)用。

這種箱形墻的設(shè)計(jì)應(yīng)用和門（KL-109單元）代替常規(guī)的T形設(shè)計(jì)允許實(shí)現(xiàn)兩倍高的力矩慣性并因此降低了腔室的下壁撓度疏散。此外，消除了外部加勁肋允許改善腔室外觀并消除灰塵堆積在其外壁上。

2.飛機(jī)制造中的EBW

電子束焊接的初步經(jīng)驗(yàn)在飛機(jī)框架結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用于1985年在喀山的鈦合金中心機(jī)翼飛機(jī)廠。

本機(jī)的真空室主要由塔和隧道部分從相對(duì)的兩端鄰接。塔和每個(gè)隧道部件具有以下特征內(nèi)部尺寸：長x寬x高等于4×10×12 m3和17×4×4 m3。就這樣腔室的總長度為38 m，總?cè)莘e真空室的最大容積為1160立方米。機(jī)器配備帶有旋轉(zhuǎn)器的裝載臺(tái)，垂直軸為回轉(zhuǎn)。腔室內(nèi)的焊槍已安裝在主塔上的操縱器上并沿它的高度（3.3 m的行程）和橫向（行程4 m）運(yùn)動(dòng)。機(jī)器的動(dòng)力單元由PWI自動(dòng)接縫系統(tǒng)跟蹤;并且在120 kV的加速電壓下，最大光束功率為120 kW。

KL-115和KL-118機(jī)器被開發(fā)用于在美國飛機(jī)工業(yè)中的應(yīng)用。2009年制造俄羅斯民用飛機(jī)Sukhoi Superjet 100，KL系列的鈦合金塔架的焊接梁開發(fā)了138機(jī)并在其股份公司以尤里·加加林命名。該機(jī)器的顯著特點(diǎn)是用于對(duì)焊縫根部進(jìn)行整飾的設(shè)備，包括難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。為達(dá)到此目電子束轉(zhuǎn)過90°，與對(duì)接點(diǎn)的光束對(duì)準(zhǔn)由RASTR系統(tǒng)控制。配備兩部分的KL-144機(jī)器體積為100立方米的真空室在同一個(gè)協(xié)會(huì)中運(yùn)作。為了解決航空業(yè)的另一項(xiàng)任務(wù)-焊接機(jī)翼的開發(fā)–PWI執(zhí)行了很大的任務(wù)高強(qiáng)度焊接大型面板的工作范圍鋁合金。

3.造船業(yè)的EBW

在1980年代，UL-214機(jī)器被開發(fā)用于縱向焊縫和環(huán)焊縫的單道焊在直徑最大為8 m的大型海洋結(jié)構(gòu)。加速時(shí)其動(dòng)力裝置的功率為60 kW電壓為60 kV。真空內(nèi)部尺寸腔室如下：直徑為10.4 m，高度為9.6 m;容積為860立方米。面板直徑垂直旋轉(zhuǎn)軸為7m，允許的載荷為150噸腔室中的工作真空度為6.5米汞柱。UL-214機(jī)器操作經(jīng)驗(yàn)證明了成功焊接的可能性。厚度為100–200 mm的鈦合金PT-3V，最大到對(duì)接縫的間隙為1.0–1.5 mm，邊緣未對(duì)準(zhǔn)長達(dá)15毫米，從正面和背面的邊緣開口焊縫最大為1.5–1.7 mm。隨著PWI的廣泛應(yīng)用，船用氣體制造中的電子束焊接渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力單元已在生產(chǎn)中掌握，相同的單元用作主要?dú)怏w的鼓風(fēng)機(jī)管道。焊接由80個(gè)零件組成，通過電子束焊接此類發(fā)動(dòng)機(jī)的零件。

4.電子束焊槍及電源

在動(dòng)力裝置的開發(fā)和制造中，電源和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是PWI活動(dòng)的優(yōu)先領(lǐng)域。真空管PP-2為在高達(dá)120 kW的電源中用作線性過渡元件，該解決方案至今仍有效。電子束焊槍在幾毫秒內(nèi)當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)的介電強(qiáng)度為完全恢復(fù)，槍中的加速電壓也恢復(fù)，焊接過程繼續(xù)進(jìn)行破壞焊接成形質(zhì)量。高穩(wěn)定性的加速電壓維持和抑制電擊穿，從而允許實(shí)現(xiàn)在一些區(qū)域形成無缺陷的環(huán)焊縫。減少電池中存儲(chǔ)能量的愿望用加速電壓源抑制焊槍故障，減少電源的整體尺寸和重量以便促成PWI逆變器電源的開發(fā)。逆變電源在電子束中的應(yīng)用廣泛，包括諸如工具+碳鋼這樣的異種金屬。

束電流脈沖調(diào)制下加速電源中的瞬態(tài)過程將會(huì)導(dǎo)致突變光束位置相對(duì)于邊緣對(duì)接產(chǎn)生變化，在焊接過程中，光束通過電磁系統(tǒng)，對(duì)加速電壓幅度產(chǎn)生影響。為了解決這個(gè)問題PWI開發(fā)了具有電源功能的設(shè)備源。

5.多坐標(biāo)EBW的計(jì)算機(jī)控制

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)專注于高精度應(yīng)用工業(yè)，在1990年代末PWI與數(shù)學(xué)問題研究所合作，已開發(fā)軟件工具，使操作員可以設(shè)計(jì)復(fù)雜EBW程序的可視化方法。除了傳統(tǒng)使用的電腦系統(tǒng)外，下面介紹另外兩種：

1.更高級(jí)別的HMI（人機(jī)界面），用于操作視覺設(shè)計(jì)的操作員界面焊接過程的程序和控制;

2.獨(dú)立于其他處理器節(jié)點(diǎn)的額外的計(jì)算機(jī)，解決了對(duì)接問題通過接收到的工件表面圖像進(jìn)行識(shí)別RASTR跟蹤設(shè)備，并與HMI聯(lián)合計(jì)算，提供自動(dòng)示教，校正和跟蹤對(duì)接功能。

RASTR跟蹤的工作原理設(shè)備是基于電流的測(cè)量以及循環(huán)掃描形成的二次發(fā)射電子（周期為300 mc），造成工件工作區(qū)域短期內(nèi)聚焦的低功率光束焊接過程中斷。工件表面圖像由來自次級(jí)的信號(hào)形成發(fā)射電子拾音器，放在電子槍中緊鄰焊接區(qū)域。跟蹤設(shè)備編號(hào)，亮度等級(jí)的掃描表面部分由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)作為圖像幀（矩陣）并在單獨(dú)的位置復(fù)制專用軟件后的RASTR監(jiān)視窗口處理。

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（作者單位：重慶交通大學(xué)）