CN112453674A - 一种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备 - Google Patents

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王金雷
吴欣
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    • B23K15/06—Electron-beam welding or cutting within a vacuum chamber

Abstract

本发明是一种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，该设备包括一个具有水冷炉壁(1)、隔热屏(2)和发热体(3)组成的真空炉，该真空炉的加热温度达到1250℃，其特征在于：在水冷炉壁(1)的外侧面的冷区上安装一个电子枪(4)，该电子枪(4)的电子束(5)通过隔热屏(2)上开出的窗口(6)进入炉内热区以实现对炉内已被加热工件(7)的电子束焊接；在炉内热区的下部设置能够进行直线和旋转动作的进给机构(8)，该进给机构(8)的电机(9)设置在隔热屏(2)的外侧并通过隔热屏(2)上开孔将动力传递给进给机构(8)，进给机构(8)的顶端设置连接机构(10)来实现对工件(7)的夹持和支撑并带动处于热区内的工件(7)作直线或旋转单轴运动。通过采用该发明的设备能够实现金属间化合物、金属基复合材料等脆性材料和金属与陶瓷异种材料的高质量焊接。

Description

一种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备
技术领域
本发明是一种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，属于焊接技术领域。
背景技术
随着航空航天装备的发展，对高温结构材料的性能要求也越来越高。耐高温金属材料(如TiAl、Ni3Al等金属间化合物、金属基复合材料、Ti2AlNb合金等)自身及其与异种材料(陶瓷与金属)的焊接技术，是该类材料工程应用的关键技术之一。然而由于该类材料室温塑性低、变形能力差，使其采用熔焊工艺进行连接时，焊缝极易形成裂纹而导致零件报废，从而成为该类材料工程化应用的难点。目前针对该类材料的焊接方法主要为钎焊以及固相焊，而氩弧焊、激光焊和电子束焊等熔化焊方法尚不能避免焊接裂纹缺陷的产生，不能满足工程化应用需要。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其目的是实现材料或零件在高温条件和良好保护环境下的高质量电子束焊接，解决室温低塑性材料如：金属间化合物、金属基复合材料等脆性材料和金属与陶瓷异种材料的焊接裂纹问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备包括一个具有水冷炉壁1、隔热屏2和发热体3组成的真空炉，该真空炉的加热温度达到1250℃，其特征在于：在水冷炉壁1的外侧面的冷区上安装一个电子枪4，该电子枪4的电子束5通过隔热屏2上开出的窗口6进入炉内热区以实现对炉内已被加热工件7的电子束焊接；
在炉内热区的下部设置能够进行直线和旋转动作的进给机构8，该进给机构(8)由电机(9)，电机9设置在隔热屏2的外侧并通过隔热屏2上开孔将作动力传递给进给机构8，进给机构8的顶端设置连接机构10来实现对工件7的夹持和支撑并带动处于热区内的工件7作直线或旋转单轴运动。
在一种实施中，电子枪4安装在水平移动轴以实现对电子束5的移动或偏摆控制，并与进给机构8组合形成二轴联动，从而实现对焊接轨迹的规划。
在一种实施中，隔热屏2上开出的窗口6为长条缝隙状。
在一种实施中，在隔热屏2上开出的窗口6上安装局部隔热屏11，该局部隔热屏11通过沿窗口6移动以保证窗口6通过电子束5以外的区域被局部隔热屏11遮挡，以免炉内热区的热量过度散失。
在一种实施中，采用二次电子成像或光学成像实现对电子束(5)在工件(7)上的聚焦位置进行对准或追踪。
在一种实施中，该真空炉内的发热体3元件采用对称布置来消除磁场对电子束的偏转影响。
在实施中，该设备所使用的耐热材料为C/C复合材料或其它高熔点金属材料。
在一种实施中，该设置进行焊接的工艺参数为：预热温度为1050℃，加速电压为60kV，束流为40mA，聚焦电流为800mA，焊接速度为30mm/s。
本发明技术方案与传统电子束焊接的区别在于：
1)本发明的真空电子束焊设备能够实现工件整体加热至1250℃后的高温状态焊接。在高温状态下设备电子枪、传动机构以及观察系统能够正常工作。
2)本发明的真空电子束焊设备能够实现工件在真空条件下整体加热至高温状态后实施焊接，在高温状态下材料塑性提高、变形能力改善，焊接应力大大降低，从而能够有效避免焊接裂纹的产生且焊缝冶金质量优良。同时电子束热源的高能量密度特点使焊后零件具有小的变形和高的尺寸精度。
附图说明
图1为高温条件下焊接的真空电子束焊设备内部结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
参见附图1所示，该种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备包括一个具有水冷炉壁1、隔热屏2和发热体3组成的真空炉，该真空炉的加热温度达到1250℃，其特征在于：在水冷炉壁1的外侧面的冷区上安装一个电子枪4，该电子枪4的电子束5通过隔热屏2上开出的窗口6进入炉内热区以实现对炉内已被加热工件7的电子束焊接；
在炉内热区的下部设置设置能够进行直线和旋转动作的进给机构8，该进给机构8由电机9，电机9设置在隔热屏2的外侧并通过隔热屏2上开孔将动力传递给进给机构8，耐热材料为C/C复合材料，进给机构8的顶端设置连接机构10来实现对工件7的夹持和支撑并带动处于热区内的工件7作直线或旋转单轴运动。
在一种实施中，电子枪4安装在水平移动轴以实现对电子束5的移动或偏摆控制，并与进给机构8组合形成二轴联动，从而实现对焊接轨迹的规划。
本实施例中，隔热屏2上开出的窗口6为长条缝隙状，在窗口6上安装局部隔热屏11，该局部隔热屏11通过沿窗口6移动以保证窗口6通过电子束5以外的区域被局部隔热屏11遮挡，以免炉内热区的热量过度散失。
本实施例中，采用二次电子成像或光学成像实现对电子束5在工件7上的聚焦位置进行对准或追踪。
本实施例中，该真空炉内的发热体3元件采用对称布置来消除磁场对电子束的偏转影响。
采用该设备进行高温条件下电子束焊接的方法步骤如下：
步骤一
焊接直径500mm，壁厚5.0mm厚Ti2AlNb合金环形件。焊前将Ti2AlNb合金环形件平口对接装夹于工装中并放置在旋转工作平台上，在数控系统中通过光学观察系统记录焊缝沿圆周方向的位置，关闭炉门后抽真空。采用旋片泵、罗茨泵以及扩散泵组合方式，真空度达到5×10-2Pa以下时，停止抽真空。设定加热温度为1050℃，开启加热室加热电源，当炉体内部温度达到设定温度时，自动进入保温状态。加热过程中局部隔热屏11在窗口6正上方，且保持不动。
步骤二
通过二次电子观察系统检查高温状态下焊缝位置，并编程。电子束束流、线速度、聚焦电流和扫描幅值等参数。关闭炉体加热程序，开启电子束焊接程序，焊接工艺参数见表1。焊接过程中局部隔热屏11随电子枪移动，保持电子束始终能够通过局部隔热屏11小孔和窗口6，达到工件7。
表1焊接工艺参数
Figure BDA0002782466330000041
步骤三
焊后开启炉体加热程序，在设定温度下保温0.5h后关闭加热程序，随炉冷却至200℃一下时，向炉体内充入空气，去除零件。
检测结果表明：采用此高温条件下焊接的电子束焊接设备及合理的焊接工艺能够获得高质量的焊件。

Claims (8)

1.一种可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，该设备包括一个具有水冷炉壁(1)、隔热屏(2)和发热体(3)组成的真空炉，该真空炉的加热温度达到1250℃，其特征在于：在水冷炉壁(1)的外侧面的冷区上安装一个电子枪(4)，该电子枪(4)的电子束(5)通过隔热屏(2)上开出的窗口(6)进入炉内热区以实现对炉内已被加热工件(7)的电子束焊接；
在炉内热区的下部设置能够进行直线和旋转动作的进给机构(8)，该进给机构(8)的电机(9)设置在隔热屏(2)的外侧并通过隔热屏(2)上开孔将作动力传递给进给机构(8)，进给机构(8)的顶端设置连接机构(10)来实现对工件(7)的夹持和支撑并带动处于热区内的工件(7)作直线或旋转单轴运动。
2.根据权利要求1所述的可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其特征在于：电子枪(4)安装在水平移动轴以实现对电子束(5)的移动或偏摆控制，并与进给机构(8)组合形成二轴联动，从而实现对焊接轨迹的规划。
3.根据权利要求1所述的可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其特征在于：隔热屏(2)上开出的窗口(6)为长条缝隙状。
4.根据权利要求1、3所述的可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其特征在于：在隔热屏(2)上开出的窗口(6)上安装局部隔热屏(11)，该局部隔热屏(11)通过沿窗口(6)移动以保证窗口(6)通过电子束(5)以外的区域被局部隔热屏(11)遮挡，以免炉内热区的热量过度散失。
5.根据权利要求1所述的可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其特征在于：采用二次电子成像或光学成像实现对电子束(5)在工件(7)上的聚焦位置进行对准或追踪。
6.根据权利要求1所述的可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其特征在于：该真空炉内的发热体(3)元件采用对称布置来消除磁场对电子束的偏转影响。
7.根据权利要求1所述的可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其特征在于：该设备所使用的耐热材料为C/C复合材料或其它高熔点金属材料。
8.根据权利要求1所述的可在高温条件下焊接的真空电子束焊设备，其特征在于：该设置进行焊接的工艺参数为：预热温度为1050℃，加速电压为60kV，束流为40mA，聚焦电流为800mA，焊接速度为30mm/s。
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