真空电子束焊高压放电的工艺控制措施

胡志阳，柏 松，赵玉生,王丽华

(中航工业沈阳黎明航空发动机有限责任 (集团)公司，辽宁 沈阳 110043)

局部真空电子束焊接技术要求在结构件焊缝及其附近局部区域建立真空环境。该技术具有能量密度极高、容易实现金属材料的深熔透焊接、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接残余变形小、焊接工艺参数易精确控制、焊缝纯净、重复性和稳定性好等特点。因而电子束焊接在航空航天制造领域正日益得到广泛的应用。

一、组成和工作原理

1.组成

真空电子束焊接机主要由电源及控制系统、抽真空系统、电子枪系统、聚焦系统等部分组成(图1)。

2.工作原理

电子束焊接是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(2 5～3 0 0 k V)加速电场作用下被拉出，并加速到0.3～0.7倍光速，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。

二、电子束放电的工艺控制措施及方法

当电子枪中的电场强度增加到临界放电条件时，就引起阴极与控制极之间的放电，从而瞬间改变控制极的电压，导致阴极电子不受控制极控制(控制极聚束主要由电压控制)大量发射，形成瞬间的强电流束击打工件表面。

电子束的放电过程中有可能突然出现远大于正常工作时的电子束流，这些电子束流会破坏电子束连续焊接能量流的平衡，在焊缝中形成微气孔或深熔坑，导致产品报废。因此，这种放电应在加工中尽量避免。

实际上电子枪中由于电场形状奇特，分布不均匀，加上放电因素复杂，因此放电电压非一般理论计算所能求得，只能从试验中获取。对于突然出现的强电子束流，只能根据放电原理结合实践，总结经验。

经长期生产实践，公司总结出了一系列防止电子束放电的方法，并采取了相应的工艺措施避免电子束放电。

1.避免金属蒸气直接进入电子枪

(1)电子束偏转

电子枪在真空条件下工作，在焊接挥发性小的材料时几乎不会发生高压放电的现象。而在焊接铝材时，会较频繁地产生放电现象。主要是因为焊接过程会产生大量金属蒸气，当这些金属蒸气直接进入到电子枪中，在电极之间就形成了一层流动的离子流，充当了介质的作用，如果能减少或避免电极间的介质，就会减少高压放电的产生。

通过对电子束进行静态偏转，使焊缝部位与电子枪中心线呈一定的角度，避免金属蒸气直接进入电子枪中，可有效减少放电现象的产生。

在焊接试验中发现，采取电子束静态偏转的方法焊接，当电子束焦点与电子枪轴线位置偏离5°时，放电概率减少3 0%左右。

(2)及时排除高真空系统中的水分

利用真空机械泵上的“气镇”装置，定期排出高真空系统中的水分，有利于提高设备的极限压强，可加速排出含有蒸气的气体。

2.焊接参数的控制措施

(1)控制加速电压

当电子枪内的阴极电势或控制极电势增加时，会造成电极间的电场强度增加，因此应在工艺范围许可的条件下尽可能采用较低的加速电压进行焊接，这对避免产生高压放电十分有效。

(2)增大工作距离

在真空室条件允许的情况下，应尽可能增加焊接时的工作距离，让金属蒸气通过真空室的高真空系统排出而不经由电子枪。

(3)不使用脉冲焊接方式

在同样功率下采用脉冲电子束焊，虽然可有效地增大熔深，但同时也会使金属的蒸发加剧。因为脉冲电子束的峰值功率比直流电子束高得多，使焊缝获得高得多的峰值温度，金属蒸发速率会以高出一个数量级的比例提高，严重影响焊接过程的稳定性。

(4)使用较小的函数图形

在允许的情况下，尽可能不使用或使用较小的函数图形，尽可能减小焊缝的宽度，使焊接时金属挥发的蒸气得到最大限度的减少，从而减小放电的可能性，但由于焊缝的表面宽度减小和对熔池搅拌程度的减小，焊缝中气孔会有所增加，因此应根据焊缝的实际情况合理选择相应的处理措施。

(5)避免长时间连续工作

在工艺上采用分段间歇式焊接方法，避免电子枪一直处于大量金属蒸气的环境下工作，也可降低电子枪放电的概率。

(6)高真空焊接

真空度的高低也会对电子束焊接放电造成影响，一般情况下，电子枪真空度越高，所需要的放电电压也就越高，所以应使电子枪的真空度至少在1×1 0-4P a以内时才能进行焊接。

3.电子枪清洗及调整

(1)清洗电子枪

当阴极、控制电极和阳极受污染时，会造成频繁的放电，因此必须严格清洗各电极，使其保持干净，并要求每隔一定的工作时间后清洗电极表面的吸附物。

(2)调整阴极与控制极间距

由于电子枪内电极间的最大电场强度与电极间的最小间距成反比，因此在设备状况允许的情况下，增加电极间的间距也可降低放电产生的可能性。但值得注意的是，该方法会使焊机处于非最佳状态下工作，在焊接挥发性小的材料时应使用正常间距进行焊接。

三、控制结果

在实际工作中为避免在加工中出现电子束放电损坏被加工零件，通常采取上述几种措施的组合，例如由工艺技术人员根据零件的不同，调整焊接参数，以达到最佳焊接效果；操作者在不影响工作效率的情况下，保证在高真空状态焊接；设备保养人员定期对电子枪和真空室进行清洁，排除真空系统内部金属蒸气；从而实现对高压放电现象较好的控制。

四、结论

第一，电子束焊接放电是因为大量的金属蒸气进入电子枪，在电极间形成了瞬间“导通”。提出了避免金属蒸气直接进入电子枪的措施。

第二，通过控制焊接参数，大大降低了电子束焊接时的放电现象，这些工艺措施经过验证，十分有效。

第三，通过清洗电子枪并调整阴极与控制极间的距离，减小放电的可能性。

第四，上述措施的原则是以不对设备硬件进行改动为前提所采取的工艺控制措施，通常预先采取上述几种措施的组合，可较好地控制高压放电现象的产生。

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