電子束焊接簡介
電子束功率密度達100000~1000000瓦/厘米時,電子束熔煉處的材料即局部熔化;當電子束相對工件移動,熔化的金屬即不斷固化,利用這個現象可以進行材料的焊接。電子束焊具有深熔的特點,焊縫的深寬比可達20:1甚至50:1。這是因為當電子束功率密度較大時,電子束給予焊接區的功率遠大於從焊接區導走的功率。利用電子束焊的這一特點可實現多種特殊焊接方式。利用電子束幾乎可以焊接任何材料,包括難熔金屬(W、Mo、Ta、Nb)、活潑金屬(Be、Ti、Zr、U)、超合金和陶瓷等。此外,電子束焊接的焊縫位置精確可控、焊接質量高、速度快,在核、航空、火箭、電子、汽車等工業中可用作精密焊接。在重工業中,可平焊厚度為100毫米的不銹鋼板。對大工件焊接時須采用大體積真空室,或在焊接處形成可移動的局部真空。
電子束熔煉簡介
電子束熔煉(electron beam melting)是高真空下,將高速電子束流的動能轉換為熱能作為熱源來進行金屬熔煉的一種真空熔煉方法。簡稱EBM。
在高真空條件下,陰極由於高壓電場的作用被加熱而發射出電子,電子匯集成束,電子束在加速電壓的作用下,以極高的速度向陽極運動,穿過陽極後,在聚焦線圈和偏轉線圈的作用下,準確地熔煉到結晶器內的底錠和物料上,使底錠被熔化形成熔池,物料也不斷地被熔化滴落到熔池內,從而實現熔煉過程,這就是電子束熔煉原理。
電子束熔煉溫度可達4000℃以上,爐內真空度達0.1~0.005Pa,極有利於真空下碳氧充分反應,能得到良好的脫氧效果。在熔煉過程中蒸氣壓比目的的物金屬高的雜質都能以金屬蒸氣形式逸出,通常經過兩次熔煉可獲得高純度的金屬材料。
熔煉時熔池的溫度及其分佈可控,熔池的維持時間可在很大的范圍內調整;熔煉是在水冷銅坩堝(結晶器)內進行的,可以有效地避免金屬液被耐火材料污染。因此可以說,電子束熔煉為一些金屬材料、特別是難熔金屬提供瞭一種不可缺少的精煉手段。
該法具有熔煉溫度高、爐子功率和加熱速度高、提純效果好的優點。主要應用於生產高熔點和活性金屬和耐熱合金鋼。
電子束熔煉過程存在3種基本的冶金反應:
除氣:電子束熔煉可除去大多數金屬中的氫、且氫的去除很容易,一般在爐料被熔清之前即已基本完成:由於真空度高,熔池溫度及處於液態的時間可控,脫氮效果也很高。
金屬雜質的揮發:在電子束熔煉溫度下,凡是比基體金屬蒸氣壓高的金屬雜質均會不同程度地得以揮發去除。
去除非金屬夾雜物:氧化物及氮化物夾雜物在電子束熔煉溫度及真空度下,有可能分解出氧及氮被去除;氧還可以通過碳氧反應而被去掉;此外,錠子自下而上的順序凝固特點也有利於非金屬夾雜物的上浮。
電子束熔煉的設備是電子束熔煉爐,典型的電子束熔煉爐一般由6部分組成:
電子槍。電子槍是電子束熔煉爐的心臟。它包括槍頭(一般由燈絲、陰極、陽極等組成)、聚焦線圈和偏轉線圈等。
進料系統。如果原料為預制好的自耗電療時,一般采用縱向或橫向機械進料方式:如果原料為屑、塊或顆粒狀時,則采用給料倉的方式。
鑄錠系統。包括結晶器、拉錠機構和出錠機構籌。
真空系統。包括真空機組、真空室、真空管道及閥門和真空測量系統等。
電源系統。包括主電源(電子槍電源)及控制電源和操作電源等。
冷卻系統。包括全部冷卻用水及管道閥門等。
電子束通用焊機的一般維護保養原則:
真空電子束設備請保持溫度、濕度恒定。
設備配備瞭UPS電源,為瞭保證UPS電源質量,不能長時間停機。需要最少間隔一周左右開機一次,為UPS電源充電。
電子槍陰極組件更換,需要按照說明書步驟嚴格執行。電子槍需要打開時,盡量縮短打開槍蓋的時間,以免水汽、灰塵進入電子槍。電子槍、焊接室在停機時請保持真空。
清潔:
每天工作完成後,清潔焊室內工作臺,保持工作臺乾凈。
焊室內觀察窗和日光燈容易蒸鍍,觀察不清晰的時候用丙酮或者高純度酒精清洗(或者用400度以上細紗紙蘸丙酮或酒精清洗)。
每月將真空室內各處焊接蒸鍍的金屬薄層進行清理清潔。
每次更換陰極組件時,對陰極組件和電子槍內壁用丙酮或者高純度酒精清潔,然後用電吹風吹乾。
電子束連續焊接生產線,一般都包括以下部件:
放卷機、清洗機、校直機構、校平機構、焊接室、過渡室、動態密封裝置、電子槍、高壓電源、電氣控制系統、真空系統、夾緊對正夾具、移動裝置、牽引裝置、收卷機、冷卻水系統、壓縮氣系統、觀察系統等。
電子束連續焊接生產線焊接過程中的註意事項:焊接時重點關註漏束值。首先確認並調整聚焦,使漏束最大;其次調整燈絲或者轟擊,使漏束處於最佳值。一般情況下,背麵飛濺厲害證明穿透太強,請退燈絲轟擊或者束流;表麵成形不好,可能需要調整夾具、束流或者聚焦;漏束太小,可能對縫需要調整,或者陰極組件加熱不夠。調整夾具後、開槍或者開焊接室後、較長時間沒有焊接後,都需要重新對縫。在焊接過程中,電參數不總是一成不變的。一旦焊縫質量不好,就需要及時找原因並進行調整。
一般變換產品品種或者更換陰極組件後,需要按上麵要求調整電參數。在正常大批量生產時,一般隻需要調整聚焦、束流和夾具。焊接後需要檢測焊接金屬帶的總寬度總厚度,焊縫上寬下寬上厚下厚,以及平整度等,如果焊縫質量不好,而電參數沒有偏差,則需要調整夾具。需要根據帶材平整度,調整校平松緊度。
一般情況下,為瞭保證焊縫熔池的形成,焊縫上表麵為帶材毛刺麵。為瞭保證真空,減少放電,註意帶材進入焊接室前,一定要清洗烘乾。
電子束焊機工作原理
電子經過匯集成束。具有高能量密度。它是利用電子槍中陰極所產生的電子在陰陽極間的高壓(25-300kV)加速電場作用下被加速至很高的速度(0.3-0.7倍光速),經透鏡會聚作用後,形成密集的高速電子流。
電子在電場中會受力而得到加速、提高能量,產生電子束。
一臺電子加速器,註入的電子能量為20GeV(1GeV=109 eV,也就是10億電子伏特),相應的電子速度為0.99999999979倍光速。電子經加速器加速後,能量可達到100GeV,電子速度達到0.999999999987倍的光速。這說明,電子在這臺加速器裡速度幾乎沒有增加,而能量增加瞭4倍。
其實,加速器離人們的生活並不遠。現代生活中已經普及的電視、計算機顯示器所用的顯像管就是一臺小小的電子加速器。
顯像管有玻璃密封外殼,內部抽成真空。由一端的電子槍產生的電子束(強度受影像訊號控制)經過聚焦線圈聚焦後在高壓電療的作用下加速向前運動。與此同時,電子束在偏轉電療的作用下,自上而下作水平方向的掃描。這樣,在顯像管另一端的熒光屏上就形成瞭明暗程度不同的亮點。
粒子加速器的結構可以與顯像管類比。顯像管中的電子槍對應於加速器的電子槍或離子源,顯像管中加速電子用的高壓電療對應於加速器中的高壓加速電療及加速腔。顯像管中控制電子運動的電偏轉板與聚焦電子的聚焦線圈,對應於加速器中控制粒子運動軌道和聚焦粒子束流的多種電磁部件,如導向磁鐵、聚焦磁鐵、多極校正磁鐵等。對粒子加速器的粒子運行管道來說,為瞭減少粒子在運動中與殘餘氣體碰撞而造成粒子的丟失和束流性能變壞,所要求的真空度比顯像管要高數千到數萬倍。
隨著科學技術的不斷發展,根據科學傢對粒子能量和流強的不同要求,陸續產生瞭不同原理、不同結構的多種加速器。
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