铝合金电子束焊接技术的研究

铝合金电子束焊接技术的研究

周尚民

中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司721599

摘要：伴随着经济的日新月异的变化，我国各个行业的也得到了充足的发展，使得我国各个行业的发展都呈现了欣欣向荣的局势。在工程行业内，被称为“希望金属”的铝的产业一直是国家重点发展的“潜力产业”，所以铝产业的发展速度较其他行业快，且颇具规模。针对目前全球性的资源匮乏的局面，环境保护、能源可持续发展、生产安全等问题面临着新的挑战。铝产业在一定程度上可以缓解目前的巨大压力，为我国的工业发展提供强有力的资源支持。铝产业中铝合金电子束焊接技术是业内人士较为关注的关键技术，本文将对这一技术展开叙述。

关键字：电子束；铝合金；电子束焊接；

前言：随着铝产业规模的不断壮大，铝合金的焊接技术越来越被人们所熟知并不断进行这广泛的应用和推广，尤其是铝合金电子束焊接技术，在各个行业得到了深入的应用，比如航天企业、交通企业等。铝合金焊接技术包含了众多技术分枝，对于行业中不同环节的应用都有这不可或缺的地位，比如焊条电弧焊、气焊以及脉冲氩弧焊等技术都是比较关键的技术门类。本文通过详细述说铝合金电子束焊接技术的原理和特点，并深入分析了该技术的现存问题，并提出了一系列的解决措施，为业界提供参考。

1铝合金电子束焊基本原理和特点

电子束焊基本原理是利用电子枪产生的电子，被高压电场(30～200kV)加速到极高的速度(约1／2光速)，经磁透镜聚集，形成高密度、高能量(能量高可达105～107W／cm2)的电子流，作用在焊缝处，能量发生转换(动能转化为热能)，使焊缝区的材料迅速熔为一体，在极短的时间内冷却凝固(冷却速度约2200℃／s)，从而实现焊接。电子束焊主要特点为[8－10]：

（1）没有引入焊接材料，只是通过待熔体的熔合，焊缝的纯洁度高。

（2）焊接热源调节温度范围大且易于精确调节，重复性好，可以焊接各种金属及合金，工艺适应性强，通过控制电子束偏移，还可实现复杂焊缝的自动化焊接。

（3）电子束的斑点尺寸非常小，功率密度非常大，焊缝深宽比大，焊接厚板时不开坡口即可实现单道焊，较电弧焊节省材料和能源。

（4）电子束的焊接能量集中，熔化和凝固的过程短，焊接速度快，可以避免晶粒的长大，从而改善焊接接头的性能。

（5）电子束的作用导致焊接时热量非常集中，焊接热影响区小，焊件变形小。正是由于这些特点，电子束焊在铝合金中厚板焊接中应用较为广泛。然而，电子束焊热输入量大，焊后冷却速度快，容易引发接头组织缺陷，加之电子束焊设备昂贵，制约了电子束焊的进一步应用。为更好评估电子束焊在铝合金焊接中的进一步应用，将对铝合金电子束焊的研究现状、存在不足及发展方向进行综述。

2分析铝合金电子束焊接技术实际应用现状和存在问题

2.1接头缺陷的主要表现

尽管铝合金电子束焊解决了铝合金焊接存在的诸多问题，但铝合金焊接仍存在许多缺陷，主要包括气孔、裂纹、焊缝成形不良以及合金元素烧损等。一是针对空心铝球的电子束焊接，分析了气孔和裂纹等缺陷产生的原因。二是对铝合金电子束焊接气孔进行了分析，指出了各参数条件与气孔产生之间的关系。三是研究了5A06铝合金电子束焊接后熔池内Mg元素的分布及其对焊缝硬度的影响，并分析了焊接工艺参数对Mg元素烧损行为的影响。四是对2A12铝合金真空电子束焊接气孔缺陷进行了分析，表明影响焊缝度的主要因素是焊接过程中产生的气孔缺陷，在采取一定的焊接工艺措施后，接头中的气孔缺陷可得到很好地控制，保证了焊缝所需的力学性能。

2.2焊缝成形的方法应用

通过对焊缝成形的标准化评价，可以知道焊接质量的好坏，因此，焊缝成形是评价焊缝质量的一个重要指标，铝合金电子束焊接由于具有焊缝深宽比大的优势，更能体现出焊缝成形的体征。熔深作为影响铝合金电子束焊接接头性能的重要因素，尤其是在其他参数基本不变的情况下，电子束焊熔深和加速电压U、电子束流Ib成正比，与束斑直径(受聚焦电流If影响)、工作距离D、焊接速度v成反比，据此可以设计合适的工艺参数，确保焊缝成形。采用低加速电压、大束流、过剩热输入和低焊接速度的软焊接规范，确保了2219铝合金焊接中得到良好的焊缝成形和合理提高，为研究焊缝成形提供新方法。

2.3综合技术的全盘运用

尽管铝合金中的某些低沸点元素对诱导小孔的产生起到促进作用，由于其电离能低，铝合金激光焊，金属蒸气易于电离，导致等离子体本身吸收过多激光能量，使得作用于熔池中的激光能量降低，为了消除等离子体的不利影响，通常采取加大保护气体流量、附加侧面喷嘴吹除以及改变工件焊接位置等。在焊接过程中熔池中的金属蒸气和等离子体还会以一定的压力和频率从熔池中喷出，使得熔池底部的金属在激光的直接照射下产生较大熔深

3铝合金电子束焊展望

近些年来，对铝合金及高温合金的电子束焊接技术均进行了较为系统的研究，对接头几何形状不均匀性、微观组织不均匀性以及力学性能不均匀性，残余应力形成机理及表征，接头元素烧损行为分析以及接头性能调控方面进行了研究，提出了相关的控制理论与方法。有限元仿真技术的快速发展为铝合金电子束焊接研究提供了新方法，主要集中在焊接过程中温度场、接头组织性能和残余应力分析方面。电子束焊在铝合金焊接方面取得了较好的效果，但也存在诸多问题，未来研究工作建议从以下几方面开展：

（1）电子束焊接接头质量受多参数影响，且参数之间相互制约，需不断完善设备参数的监控系统，对电子束流Ib、聚焦电流I、加速电压U、焊接速度v和工作距离D等参数实现实时控制，从设备上确保参数精度控制，为获得理想优化的焊接参数提供保证；另一方面，需要将数据库技术、专家系统、模糊控制技术、神经网络技术等引入到电子束焊设备中，使设备能够具有自调节最优参数的能力。

（2）加强铝合金电子束焊基础理论研究。目前，铝合金电子束焊基础理论还不够完善，需要从电子束流特性、电子束焊本质、电子束焊熔化机理、冶金结晶过程、温度场、缺陷产生机理以及防止措施等方面开展系统研究。

（3）从电子束焊过程监控方面开展研究，如采用图像处理技术检测铝合金电子束焊过程，建立熔池与焊接质量的相关模型；对电子束焊接过程中产生的带电粒子进行检测，完善电子束焊焊接机理。

（4）加强数值模拟技术在铝合金电子束焊中的作用，完善铝合金电子束焊接的热源模型，推进铝合金电子束焊温度场、应力场、铝合金电子束焊焊缝成形、电子束焊接缺陷产生机理及防止措施等方面的模拟研究工作，并与实际试验相互结合，将其结果用来指导实际工况。

结束语

综合上文所述，铝产业在我国的大力扶持下发展速度较快，为我国的各行业的发展提供了强有力的物质基础。但是在快速发展的过程中遇到的各类问题层出不穷，限制了铝产业的快速发展，所以本文基于现有的铝合金电子焊接技术的问题，提出了解决措施，并对铝合金电子束焊接技术的发展提出了发展愿景。我们要不断的拓宽铝合金电子束焊接技术的研究范围，加大研究力度，为其长远发展提供坚实的技术支持。

参考文献

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