敘述了局部真空電子束焊接的特點(diǎn)及其在國防工業(yè)和民用工業(yè)的應(yīng)用前景，敘述了國內(nèi)外局部真空電子束焊接的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了自行研制的法蘭環(huán)縫局部真空電子束焊接裝置和它的主要技術(shù)指標(biāo)，以及該設(shè)備研制已突破的關(guān)鍵技術(shù)。

　　局部真空電子束焊接技術(shù)是在大尺寸結(jié)構(gòu)件的焊縫及其附件局部區(qū)域建立真空環(huán)境，并進(jìn)行電子束焊接的技術(shù)。

　　電子束焊接是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種熔化焊方法，電子束具有很高的能量密度(10 ⁶-10 ⁹W/cm²)，焊縫深度比高可達(dá)20:1，熱影響區(qū)小，工件變形小，晶粒細(xì)密等，被焊金屬的厚度從0.05-300mm，不開坡口，一般不添加焊絲，一次焊成且焊縫質(zhì)量好，這是其他焊接方法無法達(dá)到的。但是通常這類焊接機(jī)的特點(diǎn)是將被焊工件作為整體放在真空室中進(jìn)行焊接，由此可稱為全真空室電子束焊接設(shè)備。目前這類焊接的功率可達(dá)100Kw以上，真空室容積高達(dá)幾百立方米甚至上千立方米，由于該設(shè)備的造價(jià)很高，發(fā)展中國家難以承受這樣大的經(jīng)濟(jì)開支。60年代中期，出現(xiàn)了非真空電子束焊接設(shè)備，電子束在穿透大氣時(shí)的能量損失很大，影響穿透深度，而且X射線的防護(hù)是一個(gè)嚴(yán)重玩兒問題，難以推廣使用。

　　局部真空電子束焊接設(shè)備采用較小的真空室將焊接縫區(qū)域覆蓋起來，使電子束處于焊接縫局部區(qū)域的局部真空中，這種方法既保留了真空電子束焊接的特點(diǎn)又避開了龐大的真空室，解決了厚大工件的焊接問題，可大大提高焊接質(zhì)量并大幅度降低設(shè)備的成本。對于導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭，大多焊件為圓柱體、圓錐體、箱體和法蘭環(huán)縫。形狀比較簡單和規(guī)則，所以對航天工業(yè)而言，這種設(shè)備具有較大的共用性。

1、國內(nèi)真空電子束焊接方法的應(yīng)用情況

　　我國從60年代初開始研究電子束焊接技術(shù)，目前該技術(shù)已處于平穩(wěn)發(fā)展時(shí)期，在未來航天運(yùn)載器上的應(yīng)用將迅速擴(kuò)大，特別在厚壁構(gòu)件的鏈接中。

　　國內(nèi)電子束焊接的保有量約百臺(tái)，焊接應(yīng)用對象主要是航天和汽車齒輪零件，核工業(yè)的燃料包套、高強(qiáng)鋼壓力容器，航空工業(yè)的膜盒、過濾器、功率軸等，航天工業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力室、頭部噴注器、渦輪轉(zhuǎn)子、鈦或鋁合金壓力容器、活門組件、密封元件、彈性元件和傳感器。

　　目前國內(nèi)局部真空電子束焊接機(jī)的應(yīng)用較少，只有航天科技集團(tuán)公司五一0所在“東方紅三號(hào)”衛(wèi)星燃料貯箱的研制中使用了一臺(tái)直線型局部真空電子束焊機(jī)。1998年首都航天機(jī)械公司從烏克蘭巴頓電焊研究所引進(jìn)了一臺(tái)焊接火箭筒體φ190mm法蘭的局部真空電子束焊機(jī)， 目前還在進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)中， 沒有應(yīng)用到型號(hào)任務(wù)的生產(chǎn)中。

2、局部真空電子束焊接技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

　　在60年代中期已有美、德等國原理性研究的專利和報(bào)道。70年代中期有較大的發(fā)展，特別是法國，研制了十多種類型的直線型和環(huán)縫焊機(jī)。80年代該技術(shù)在法、 德等國已進(jìn)入應(yīng)用階段，日本的發(fā)展有后來居上之勢， 前蘇聯(lián)的發(fā)展也非常迅速，前蘇聯(lián)將這種技術(shù)用于能源”號(hào)火箭燃料貯箱鋁合金外殼焊接， 以提高焊接質(zhì)量。其縱縫、對接環(huán)縫和法蘭環(huán)縫焊接共使用了7種局部真空電子束焊機(jī)。在磁液密封、 電子槍旋轉(zhuǎn)饋電、金屬蒸氣收集、薄殼結(jié)構(gòu)焊接預(yù)應(yīng)力以及高壓放電抑制等技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究。

　　法國Clover、Sciaky、Languepin等公司最突出的成就是焊接原子能用錳鋼鍋爐縱縫及反應(yīng)堆熱交換器的管板焊設(shè)備， 鍋爐的長度約為3cm，壁厚123mm，熱交換器管直徑為12-40mm，每小時(shí)可焊60-80根。為了發(fā)展這種技術(shù)，法國研制了平焊、 立焊和橫焊的各種直線型焊接設(shè)備。德國也研制了直線型電子束焊接設(shè)備， 利用逐段移動(dòng)的辦法焊接了長度為20多米的機(jī)翼。在焊縫自動(dòng)跟蹤及電子束功率密度分布測試等基礎(chǔ)方面也做了大量深入的研究工作。

　　日本起步較晚， 但為了提高研究起點(diǎn)， 日本采用引進(jìn)和參與國外研究的辦法。曾引進(jìn)法國:3m縫焊機(jī)，用于船體構(gòu)件和核裝置的焊接，并有多個(gè)公司分別參與法國Sciaky公司和德國Stelgerwald公司直線型焊機(jī)的研究，與此同時(shí)，在國內(nèi)進(jìn)行不同類型焊機(jī)的實(shí)用性開發(fā)。80年代初期大坂大學(xué)與三菱重工合作研制了100kv、120kW核聚變?nèi)萜鳝h(huán)縫對焊裝置，工件直徑為φ1.4m，壁厚50mm，材料為SA533鋼。至90年代三菱重工仍利用類似的裝置焊接了更大的核聚變裝置。日本還利用這種技術(shù)進(jìn)行了H-1型火箭貯箱共底拼焊，材料為2219鍛鋁合金，直徑為φ2.44m， 壁厚為80mm。

　　從國外發(fā)展情況看， 這項(xiàng)技術(shù)在航空、 航天、 能源、 造船等工業(yè)部門都發(fā)揮著重要的作用。在發(fā)展過程中針對穩(wěn)定性、 可靠性及實(shí)用性進(jìn)行了多方面的基礎(chǔ)性研究， 為局部真空電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　此項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展已有良好的開端， 航天科技集團(tuán)公司五一0所于1986年研制了行程1.5km、50kV、5kW直線型局部真空電子束焊機(jī)，已用于衛(wèi)星燃料貯箱制造中1mm和16mm鈦合金板材拼焊工作。從國內(nèi)情況看，國內(nèi)在航空、航天、鍋爐制造、 造船、 原子能等領(lǐng)域都迫切需要這種能用于大型結(jié)構(gòu)焊接的先進(jìn)焊接技術(shù)。

3、國內(nèi)外航天工業(yè)對局部真空電子束焊接技術(shù)的需求分析

　　由于電子束焊接的顯著特點(diǎn)， 在箭、 船箱體結(jié)構(gòu)的焊接中， 可以保證焊件具有很高的幾何形狀精度和尺寸精度。據(jù)介紹， 焊接直徑在1000-8000mm的筒段時(shí)， 周長精度可達(dá)±0.5-2.5mm，外型輪廓與理論偏差只有1mm。這一特點(diǎn)對薄壁低剛度的箱體結(jié)構(gòu)是十分寶貴。電子束焊接箱體這類大型構(gòu)件已有許多應(yīng)用，但大型真空裝置成本太高，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)件尺寸還有增大的趨勢，為了解決這一矛盾，航天大國發(fā)展了局部真空電子束焊接技術(shù)，并且在箭、船箱體結(jié)構(gòu)的焊接中得到了應(yīng)用。

　　前蘇聯(lián)研制并推廣應(yīng)用了兩種類型的局部真空電子束焊接裝置，一種用于焊接圓筒殼段縱向焊縫和環(huán)形焊縫，另一種用于焊接殼段法蘭上的圓焊縫， 據(jù)報(bào)道^[1,2]，“能源” 號(hào)火箭燃料貯箱鋁合金外殼焊接， 共用了7種局部真空電子束焊機(jī)。

　　美國土星V的一級(jí)S-IC Y形環(huán)也使用了局部真空電子束焊機(jī)。