前言
在航空零部件的焊接制造过程中,主要使用的是氩弧焊,其次就是真空电子束焊接。电子束焊接的工艺是一种高功率,也就是“大电压、小电流”的工艺。航空业由于对零件的质量要求较高,普遍是将零件放置在真空室进行焊接。
真空电子束焊接在工艺上具有较大的“深宽比”、较低的“焊接变形”、高度“洁净的焊接环境”等多项优势,在航空业得到广泛使用。(缺点是贵、焊前装配精度高、生产效率低、大批量生产有困难,等。)其工艺过程请参见:
电子束
这里所说的电子束主要是热发射的电子通过高压电源的静电场加速,并进行聚焦、偏转的控制,配合零件的移动或旋转,实现“指哪儿,打哪儿”的。原理如下图所示:
电子束的产生也可以是冷阴极发射,但是主要是用于检验检测,如芯片、半导体、金属材料等,而焊接工艺所使用的电子束都是热发射。所以,灯丝(filament)的寿命是一个重要的控制点,通常设备制造商都会有过程监控,并且设置内置程序进行到期提醒。
真空条件带来的优势想必读者都清楚,将空气分子对电子束的干扰降到最低,否则会导致电子束无法聚焦从而打偏的风险,这对确保航空零件的质量非常重要。
设备分类
电子束焊接设备有几种分类方法。根据加速电压分为高压、中压、低压;根据是否真空以及真空度的要求,分为高真空、部分真空、非真空;根据电子枪是否移动,分为动枪、定枪。
在航空业,广泛使用的是高压高真空定枪、中压高真空动枪两种设备。后者所使用的可移动的电子枪可以覆盖较大的工作区域,满足复杂焊缝结构、复杂焊缝位置的焊接需求。汽车、能源、半导体等行业还有其它设备,比如大批量生产的齿轮,采用的就是低真空定枪系统。
设备构成
作为一个复杂且庞大的系统,真空电子束焊接设备的基本组成大致包括:
真空室:要根据零件的尺寸,选择大小合理的内室,长宽高或者体积。
抽真空系统:根据真空度的需求,有不同真空泵、阀门的选择和配套。
电子枪:定枪主要通过程序控制。动枪可以由控制盒进行手动,也可以通过程序进行实时控制,包括摆到不同的位置、角度。
机械系统:CNC数控系统、机器人或者工作台,为实现电子枪、零件等的倾斜或者旋转运动。尽管航空不常用,但如果有送丝或送粉机构进行增材制造,也需要性能稳定的机械系统。
电子束功率控制系统:高压电源及输出控制。欧美不同设备厂商的设备有差异。
电子束偏转系统:多个电磁透镜组合,进行聚焦、偏转等
集成的操作面板、可视化系统
本文为科普性质。
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