钛合金结构件电子束焊接工艺.研究

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1、大连理工大学专业学位硕士学位论文1绪论电子束焊接技术现在已经在各先进制造领域得到广泛应用，其原理是利用在真空中被静电场聚焦并加速的电子束，轰击待焊工件表面，将电子束的能量施加于工件表面，使其母材熔化以实现焊接的过程。1．1电子束焊接技术研究现状目前，在工业应用中实际应用的电子柬焊接设备的功率一般小于150kW，加速电压在200kV以内。一次可焊最大厚度为钢板约300mm，铝合金约500nlm【l捌。在电子束焊接设备的研制开发上富有实力的国家及公司有：德国的PTR精密技术有限公司、英国的剑桥真空工程有限公司及英国焊接研究所(TWI)、法国的TECHMETA公司以及乌克兰的巴东

2、电焊研究所等。其中法国TECHMETA生产的焊机在低中压方面有着优异的综合性能，设备整体可控性好；德国的PTR精密技术有限公司研制的电子柬枪性能优异稳定，已得到广大用户的普遍认可和推崇；乌克兰巴东研究所生产的中高压电子束焊机，技术成熟性能稳定，在前苏联的航空宇航焊接试验中得到了成功的实践应用【2】。在空间焊接领域，乌克兰巴东研究所作了大量的卓有成效的工作，特别是他们研制开发的手工电子束枪，在前苏联的空间焊接试验中发挥了重要的作用，宇航员在太空微重力环境及宇宙太空中实地进行了手工电子束的焊接试验，获得了第一批空间电子束焊接试样13]。近几年，有学者使用德国阿亨大学研制的DIA

3、BEAM系统，对电子束特性进行了定量测定。分析了电子束束流品质、焦点对焊缝成形的影响。U．DiltheyD,5】等人对束流特性的诊断的研究结果表明，在电子束束流特性诊断方法中，DIABEAM方法较Arata方法好。因为在DIABEAM系统测量电子束时，并不受蒸气流、等离子体等因素的干扰，而Arata方法测量的是焊缝的形状。文献指出，熔池的形状受电子束几何形状影响，而电子束几何形状又受来自熔池的蒸气流的影响，因此，依靠测量焊缝形状来评定电子束束流的特性是有误差的。目前，对电子束作用工件形成高深宽比熔池过程的普遍认同的观点为深穿小孔理论，它将电子束形成熔池的过程描述为如下几个阶

4、段16，H：(1)高速集束电子流与被焊金属表面碰撞失去全部动能；(2)碰撞使晶格上的原子发生急剧的热振动，大部分动能转化为热能；(3)在极短的时间内，被焊材料迅速被加热至熔点及极高的过熔点温度，迅速蒸发形成金属蒸气：钛合金结构件电子束焊接工艺研究(4)金属蒸气的反作用力使金属熔体向四周排开，在金属表面形成一下凹的浅孔，并露出下层固体金属表面；(5)电子束继续作用于新的固体金属表面，重复上述过程，从而形成一个针状充满蒸气的被熔融金属包围的小孔，即所谓的小孔效应，如图1．1所示。曝：势由澎?

5、

6、』考图1．1电子束作用金属小孔形成示意图F谵．1．1DrawingoftheMeta

7、lsEyeletoftheElectronBeamFunction电子束焊接时，形成的熔化空腔是沿焊接方向快速向前移动的，而熔化金属不断流向电子束冲击形成的空腔后方形成焊缝。熔化金属的这种流动只有在力的作用下才能进行，因此有必要对小孔内熔化金属表面的受力状况进行研究。Schwarzl7]对电子束小孔熔化金属表面的力学状态进行研究后指出，电子束焊接时当空腔出现后，熔化金属被排斥在空腔壁的四周，这时作用在熔化金属表面的力有：电子束的压力凡；金属蒸气的反作用力Fm熔化金属的表面张力风；熔化金属的流体静力学力堙。因凡的值很小，可忽略不计，这样在焊接过程中形成稳定空腔的条件为：死≥凡

8、+Fg(1．1)上述研究只是对电子束的深熔化过程作了最基本的描述和分析。众所周知，电子束焊接过程是一个激烈短时复杂的电子高速碰撞能量转换的动态过程，亦是包含有流体力学，气动力学和焊接冶金现象在内的综合热作用过程。因此，对电子束深熔焊物理过程的本质研究非常重要【8J。为此，国外的研究者从电子束焊接热源模型的建立及热过程的计算，电子束深穿匙孔动力学，电子束深穿冶金过程等多重角度对电子束的焊接过程进行了较全面系统的研究。大连理工大学专业学位硕士学位论文保加利亚科学院的Mladenov[9]为获得使用可靠的最佳工艺参数，并评估电子束焊接的热效率，对电子柬焊接规范参数对热效率的影响进

9、行了试验研究。研究结果表明：1)焊缝熔深是比热效率更敏感的规范参数；2)最大熔深焊缝的热效率同其他熔深焊缝的热效率相比，变化不大；3)增大功率可使焊缝质量提高；但又深又窄的焊缝易在焊缝中部出现气孔等缺陷。通过能量分配过程的分析可以来评价接头的几何尺寸特征，因而，根据建立在准稳态温度分布的热平衡基础上的热分配计算，可以获得大概的焊接参数，从而解释许多现象。文献【10】根据Rosenthal的均匀移动线热源模型，推导出了电子束焊接薄厚板的公式，从而来估计接头轮廓参数，电子束特征及熔化金属深度之间的关系。但所有的模型仅利