电子束焊接在各种商业领域中的应用: 1 医疗 2 原材料和能源供应 3 火车和铁轨技术

电子束焊接的应用涵盖了从薄膜焊接到一次性接合200mm的两个 工件的焊接。电子束技术的产生使得机械零件的设计具有了更多的自由度。同时,它还应用在航空航天和太空开发部件的加工、船舶制造业或电子和汽车工业的批量生产上。

作为组成物质的基本粒子,电子是一个传导能量的极好介质。当电子受到阻挡减速后,电子以热能的方式精确地在作用点释放其能量。而周围的材料依然保持原来的冷状态。由于具有深度熔化效应,所以能够加工出非常窄而深的焊缝。电子束可以很容易地进行偏转,因此能够对其进行精确的控制。

由于是在真空条件下工作,就可能将电子束聚焦在一个非常小的点上。当加工钛、锌或铌等活性金属时,当真空度到达5x 10-4mbar时,就可以达到最佳的冶金状态。从成本的角度上看,真空状态工作要比在惰性气体气氛状态工作更为经济。同时,电子束在工作时,并不释放有害物质。

电子束焊接为零件的设计和加工提供了新的可能。它可以允许被连接件的表面相对比较粗糙,并能在放置在生产线上的任何一道工序中。它甚至还可以用在最后一道工序上,这是由于电子束焊接不会对已加工过的零件,经加工表面,焊接或淬火前的装配组件产生任何的影响。

1 由铸造铝制成的热交换器

2 商用车的大活塞(175mm)

3 行星传动轮

电子是物质的一种基本粒子,通常情况下它们围绕原子核高速运转。当给电子一定的能量,它们能脱离轨道跃迁出来。加热一个阴极,使得其释放并形成自由电子云,当电压加大到30到200KV时,电子将被加速,并向阳极运动。适当的放置偏压杯和电磁透镜以聚焦自由电子,可以产生一个非常窄的带电粒子流。在电子枪中,粒子流可以达到1/3到2/3的光速。

当电子穿透材料时,它们的速度就会降低并释放出动能(大多数转化  为热能),深度焊接是按下面的过程产生的:当电子一个接一个的冲击到工作表面某点时,会对该点产生加热,当能量密度大于106W/ cm2,在被成为焦点中心处的材料熔化蒸发。这样就在熔化物质中产生了蒸汽形成的管,这就允许电子渗入更深一些,并能熔化更多的固态金属。如果工件与电子束有相对移动,那么在电子束前面的材料就会被熔化,而后就沿着蒸汽形成的毛细管流动并随后固化。深度熔融可以焊出很窄并且深度超过100mm的焊缝。

和其它的一些焊接工艺相比,电子束的焊接速度非常快,对于很薄的箔片来说,当能量达到107Watt/cm2时,其焊接速度最高可达60m/min(1,000mm/s)。对于焊接20-2mm深的焊缝来说,典型的焊    接速度范围为10-100mm/s,采用单次焊接厚度为200mm的钢板时,其  焊接速度为1.25mm/s,即焊接1米长的该钢板只需13.3分钟。相比之下,伴有平行焊的深埋弧焊每焊接1米长要花10小时,手工电弧堆焊每焊接1米则要花130个小时(数据来源于美国钢板锅炉焊接标准)。传统  焊接工艺仅其所需要的填料的成本就和用电子束焊接工艺焊这样一条焊缝的成本一样高。

焦点处的能力密度：105-109W/cm2,焦点直径为0.1-2mm。

深宽比（焊缝深度和宽度比）：最高可达50:1

允许的焊接时缝隙：最大允许的间隙为焊缝深度的1-5%,但最大为0.3mm,在每个焊接任务前都必须与此偏差的值进行校准。

1 压力传感器       2 大众和保时捷公司所用的750Nm扭矩的传动轴

对于焊接含有敏感内部元件,比如传感器,更加显出电子束焊的优势。电子束焊工艺只有少量的热量传递到周围的材料或者内部电路系统。这一特点对于传感器的生产制造来说,具有绝对优势。

压力传感器装有用薄膜技术生产的一个压力计,它不但对压力很敏感,而且生产过程中的温度变化也很敏感。由于这个原因,当作为最后一道工序的传感区域被焊接到壳体上时,必须避免热应力的产生。在焊接过程中,只允许生产很小的收缩压力,并且任何这样的压力都必须是对称的。否则,这道最后的加工工序将破坏传感器的测量特性。对于测量压力达到2000bar的传感器来说,焊缝的强度是非常重要的。4毫米的焊缝深度可以保证传感器能够承受相当大的压力,这种类型的传感器一般用在如钻井平台的应用中。

在汽车行业,电子束焊接的优势为:很低的扭曲变形和加工参数的精确控制。对于汽车的传动装置,零件或组件的整体装配公 差的精确控制是平稳运行的保证。奥迪公司采用这一技术进行焊接他的革新性的Uulftronic变速器。焊接主动齿轮必须十分精确,它是将表面淬火钢制成的齿轮焊接在装配好的传动箱上(行星齿轮架上)。

行星齿轮架造好以后,离合器壳的片状钢 必须焊接到锻造金属薄片上,这个薄片有5mm厚,然而决不能让焊缝穿透它。正是  由于离合器外壳复杂的外形,采用其它的工艺根本不能完成有这么高可靠性要求的工件。

电子束工艺为设计工程师，在处理连接问题时带来难以想象的自由度，通过优化材料选择，引领您进入成本节约型产品生产。

使用电子束进行焊接可以保证低变形和非常高的精确度,此外,采用电子束能够克服其它焊接工艺的局限。例如,采用电子束技术。pro-beam公司能够可靠的连接压力铸铝零件,隔离残余应力,让它以气体的方式陷入材料,然后再慢慢从材料中逃逸以避免引起爆炸。利用新开发的双电子束焊接技术,借助于一层薄薄的铜介质可以把铁和铝焊接到一起。在许多情况下,利用高强度的镊合金,通过散焦加热,可以避免热裂的形成。我们有许多创造性应用的例子,同时也思考着如何一步步地扩展电子束技术潜在应用的疆域。

火车的滑动连接器要承受很高的应力，来自于pro-beam的一个创新性的工艺使得可以采用不同的标准化元件和各种不同结构的单独元件组合生产这些连接器。先前的这些连接件都是由一个整块加工成的，在随后对其进行回火处理。

然而,这个部件可以分割为几个单独的元件:一个弹簧外壳和一个由热处理过的钢质的联结器结套管,这些元件都可以承受高载荷。借助于电子束焊接技术,这个壳体可以由标准管和由超细晶粒结构钢制成的结套管加工而成。基于容易处理的原则,采用了单个元件,利用电子束,这个元件可以非常可靠并且精确的焊接到一起,对于不同情况,要提前安排所需要的加工步骤。焊接是整个工艺的最后一道工序,由于这些联结器对于火车的安全性非常重要,它们必须经过铁路部门的质量保证机构进行证明才能使用。

通过优化连接环的材料,减少在动力传递和储存上的费用,显著地减少了生产成本。相同的连接环也用在ICE高速火车上,一些城  市比如说在慕尼黑、Oresundabahn,以及新加坡和上海地铁等项 目,也都使用这样的连接环。它清楚地展示了这一技术的灵活性。

1 燃气发动机的火花塞

2 上海地铁的车拉钩

3 钠冷却的活塞阀门

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