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【摘 要】研究电子束焊接（EBW）的可能性和设备的构造原理是由Boris Evgenyevich Paton院士领导的电子束焊接于1958年成立。它促使了第一个实验室规模的工厂开发以及各种小型焊接的完成。一年后，电子束焊接的方法被迫切需求于核电中工程，生产电动真空装置和液体燃料火箭发动机。在1961–1962年，由于政府一级的有效协调工作，第一台用于电子束焊接的生产设备在多家分公司开业。在未来几年内，电子束焊接的应用变得更广泛，首先是在上述行业中，同时电子束焊接开始被飞机和动力工程行業所接受。
【关键词】电子束焊接;帕顿电焊研究所;技术;设备
1.太空设施的电子束焊接
EBW牢固地建立在航空工程领域，从而有可能减轻重量和关键产品的制造时间。试车超过116台工业机器组织，首先是NIITM企业和PWI的参与，清楚地表明了EBW在该行业中的成功应用。EBW制造中环焊缝的位置和布局处于液体推进剂火箭燃烧室壳体发动机，同时异种材料的对接接头-铜基合金以及钢和镍合金位于发动机深处。这个发动机深度为20毫米，宽度为2-3毫米，氩弧焊工艺制造，同时集电器宽度不能小于大于5–6 mm，这会大大降低强度液体火箭发动机壳体的可靠性和可靠性（LPRE）。高强度铝合金油箱的EBWAl-Cu，Al-Mg-Mn，Al-Mg-Li系统最大42 mm厚，然后将切入的法兰焊接成圆柱形壳体提供的焊接接头强度不低于0.8倍母材强度，最小的焊接变形和焊缝的高紧密度允许降低结构重量并增加其几何精度。为此而设计的机器的主要特征操作，是整合在工具的焊接位置直接在焊接前加工边缘。
应该特别指出的是，PWI一个鲜明的特点为大型EBW设计的单元数量工件，用于室内电子枪，在不超过12 m的范围内移动。该解决方案允许土地利用系数的最大增加真空室内部容积。防止实质抽真空时真空室壁的变形，沿着焊枪移动，腔室有两个真空密封的相对薄壁的壳体（每个厚度8至12毫米），通过加强筋-框架相互连接。
带焊枪的专用机器KL-134在腔室上盖和KL-154机器上滑动被开发用于钛的电子束焊接球形罐用于太空应用。
这种箱形墙的设计应用和门（KL-109单元）代替常规的T形设计允许实现两倍高的力矩惯性并因此降低了腔室的下壁挠度疏散。此外，消除了外部加劲肋允许改善腔室外观并消除灰尘堆积在其外壁上。
2.飞机制造中的EBW
电子束焊接的初步经验在飞机框架结构制造中的应用于1985年在喀山的钛合金中心机翼飞机厂。
本机的真空室主要由塔和隧道部分从相对的两端邻接。塔和每个隧道部件具有以下特征内部尺寸：长x宽x高等于4×10×12 m?和17×4×4 m?。就这样腔室的总长度为38 m，总容积真空室的最大容积为1160立方米。机器配备带有旋转器的装载台，垂直轴为回转。腔室内的焊枪已安装在主塔上的操纵器上并沿它的高度（3.3 m的行程）和横向（行程4 m）运动。机器的动力单元由PWI自动接缝系统跟踪;并且在120 kV的加速电压下，最大光束功率为120 kW。
KL-115和KL-118机器被开发用于在美国飞机工业中的应用。2009年制造俄罗斯民用飞机Sukhoi Superjet 100，KL系列的钛合金塔架的焊接梁开发了138机并在其股份公司以尤里·加加林命名。该机器的显著特点是用于对焊缝根部进行整饰的设备，包括难以到达的偏远地区。为达到此目电子束转过90°，与对接点的光束对准由RASTR系统控制。配备两部分的KL-144机器体积为100立方米的真空室在同一个协会中运作。为了解决航空业的另一项任务-焊接机翼的开发–PWI执行了很大的任务高强度焊接大型面板的工作范围铝合金。
3.造船业的EBW
在1980年代，UL-214机器被开发用于纵向焊缝和环焊缝的单道焊在直径最大为8 m的大型海洋结构。加速时其动力装置的功率为60 kW电压为60 kV。真空内部尺寸腔室如下：直径为10.4 m，高度为9.6 m;容积为860立方米。面板直径垂直旋转轴为7m，允许的载荷为150吨腔室中的工作真空度为6.5米汞柱。UL-214机器操作经验证明了成功焊接的可能性。厚度为100–200 mm的钛合金PT-3V，最大到对接缝的间隙为1.0–1.5 mm，边缘未对准长达15毫米，从正面和背面的边缘开口焊缝最大为1.5–1.7 mm。随着PWI的广泛应用，船用气体制造中的电子束焊接涡轮发动机动力单元已在生产中掌握，相同的单元用作主要气体的鼓风机管道。焊接由80个零件组成，通过电子束焊接此类发动机的零件。
4.电子束焊枪及电源
在动力装置的开发和制造中，电源和计算机控制系统是PWI活动的优先领域。真空管PP-2为在高达120 kW的电源中用作线性过渡元件，该解决方案至今仍有效。电子束焊枪在几毫秒内当发射系统的介电强度为完全恢复，枪中的加速电压也恢复，焊接过程继续进行破坏焊接成形质量。高稳定性的加速电压维持和抑制电击穿，从而允许实现在一些区域形成无缺陷的环焊缝。减少电池中存储能量的愿望用加速电压源抑制焊枪故障，减少电源的整体尺寸和重量以便促成PWI逆变器电源的开发。逆变电源在电子束中的应用广泛，包括诸如工具+碳钢这样的异种金属。
束电流脉冲调制下加速电源中的瞬态过程将会导致突变光束位置相对于边缘对接产生变化，在焊接过程中，光束通过电磁系统，对加速电压幅度产生影响。为了解决这个问题PWI开发了具有电源功能的设备源。
5.多坐标EBW的计算机控制
运动系统专注于高精度应用工业，在1990年代末PWI与数学问题研究所合作，已开发软件工具，使操作员可以设计复杂EBW程序的可视化方法。除了传统使用的电脑系统外，下面介绍另外两种：
1.更高级别的HMI（人机界面），用于操作视觉设计的操作员界面焊接过程的程序和控制;
2.独立于其他处理器节点的额外的计算机，解决了对接问题通过接收到的工件表面图像进行识别RASTR跟踪设备，并与HMI联合计算，提供自动示教，校正和跟踪对接功能。
RASTR跟踪的工作原理设备是基于电流的测量以及循环扫描形成的二次发射电子（周期为300 mc），造成工件工作区域短期内聚焦的低功率光束焊接过程中断。工件表面图像由来自次级的信号形成发射电子拾音器，放在电子枪中紧邻焊接区域。跟踪设备编号，亮度等级的扫描表面部分由计算机存储作为图像帧（矩阵）并在单独的位置复制专用软件后的RASTR监视窗口处理。
参考文献：
[1] TA15钛合金电子束焊焊接接头力学性能[J].王利发，刘建中，胡本润.焊接学报.2007（01）.
[2] 国内外电子束焊接技术研究现状[J].张秉刚，吴林，冯吉才.焊接.2004（02）.
[3] Investigations into the effects of electron beam welding on thick Ti–6Al–4V titanium alloy[J].N.Saresh，M.Gopalakrishna Pillai，Jose Mathew.Journal of Materials Processing Tech.2007.
（作者单位：重庆交通大学）
【关键词】电子束焊接;帕顿电焊研究所;技术;设备
1.太空设施的电子束焊接
EBW牢固地建立在航空工程领域，从而有可能减轻重量和关键产品的制造时间。试车超过116台工业机器组织，首先是NIITM企业和PWI的参与，清楚地表明了EBW在该行业中的成功应用。EBW制造中环焊缝的位置和布局处于液体推进剂火箭燃烧室壳体发动机，同时异种材料的对接接头-铜基合金以及钢和镍合金位于发动机深处。这个发动机深度为20毫米，宽度为2-3毫米，氩弧焊工艺制造，同时集电器宽度不能小于大于5–6 mm，这会大大降低强度液体火箭发动机壳体的可靠性和可靠性（LPRE）。高强度铝合金油箱的EBWAl-Cu，Al-Mg-Mn，Al-Mg-Li系统最大42 mm厚，然后将切入的法兰焊接成圆柱形壳体提供的焊接接头强度不低于0.8倍母材强度，最小的焊接变形和焊缝的高紧密度允许降低结构重量并增加其几何精度。为此而设计的机器的主要特征操作，是整合在工具的焊接位置直接在焊接前加工边缘。
应该特别指出的是，PWI一个鲜明的特点为大型EBW设计的单元数量工件，用于室内电子枪，在不超过12 m的范围内移动。该解决方案允许土地利用系数的最大增加真空室内部容积。防止实质抽真空时真空室壁的变形，沿着焊枪移动，腔室有两个真空密封的相对薄壁的壳体（每个厚度8至12毫米），通过加强筋-框架相互连接。
带焊枪的专用机器KL-134在腔室上盖和KL-154机器上滑动被开发用于钛的电子束焊接球形罐用于太空应用。
这种箱形墙的设计应用和门（KL-109单元）代替常规的T形设计允许实现两倍高的力矩惯性并因此降低了腔室的下壁挠度疏散。此外，消除了外部加劲肋允许改善腔室外观并消除灰尘堆积在其外壁上。
2.飞机制造中的EBW
电子束焊接的初步经验在飞机框架结构制造中的应用于1985年在喀山的钛合金中心机翼飞机厂。
本机的真空室主要由塔和隧道部分从相对的两端邻接。塔和每个隧道部件具有以下特征内部尺寸：长x宽x高等于4×10×12 m?和17×4×4 m?。就这样腔室的总长度为38 m，总容积真空室的最大容积为1160立方米。机器配备带有旋转器的装载台，垂直轴为回转。腔室内的焊枪已安装在主塔上的操纵器上并沿它的高度（3.3 m的行程）和横向（行程4 m）运动。机器的动力单元由PWI自动接缝系统跟踪;并且在120 kV的加速电压下，最大光束功率为120 kW。
KL-115和KL-118机器被开发用于在美国飞机工业中的应用。2009年制造俄罗斯民用飞机Sukhoi Superjet 100，KL系列的钛合金塔架的焊接梁开发了138机并在其股份公司以尤里·加加林命名。该机器的显著特点是用于对焊缝根部进行整饰的设备，包括难以到达的偏远地区。为达到此目电子束转过90°，与对接点的光束对准由RASTR系统控制。配备两部分的KL-144机器体积为100立方米的真空室在同一个协会中运作。为了解决航空业的另一项任务-焊接机翼的开发–PWI执行了很大的任务高强度焊接大型面板的工作范围铝合金。
3.造船业的EBW
在1980年代，UL-214机器被开发用于纵向焊缝和环焊缝的单道焊在直径最大为8 m的大型海洋结构。加速时其动力装置的功率为60 kW电压为60 kV。真空内部尺寸腔室如下：直径为10.4 m，高度为9.6 m;容积为860立方米。面板直径垂直旋转轴为7m，允许的载荷为150吨腔室中的工作真空度为6.5米汞柱。UL-214机器操作经验证明了成功焊接的可能性。厚度为100–200 mm的钛合金PT-3V，最大到对接缝的间隙为1.0–1.5 mm，边缘未对准长达15毫米，从正面和背面的边缘开口焊缝最大为1.5–1.7 mm。随着PWI的广泛应用，船用气体制造中的电子束焊接涡轮发动机动力单元已在生产中掌握，相同的单元用作主要气体的鼓风机管道。焊接由80个零件组成，通过电子束焊接此类发动机的零件。
4.电子束焊枪及电源
在动力装置的开发和制造中，电源和计算机控制系统是PWI活动的优先领域。真空管PP-2为在高达120 kW的电源中用作线性过渡元件，该解决方案至今仍有效。电子束焊枪在几毫秒内当发射系统的介电强度为完全恢复，枪中的加速电压也恢复，焊接过程继续进行破坏焊接成形质量。高稳定性的加速电压维持和抑制电击穿，从而允许实现在一些区域形成无缺陷的环焊缝。减少电池中存储能量的愿望用加速电压源抑制焊枪故障，减少电源的整体尺寸和重量以便促成PWI逆变器电源的开发。逆变电源在电子束中的应用广泛，包括诸如工具+碳钢这样的异种金属。
束电流脉冲调制下加速电源中的瞬态过程将会导致突变光束位置相对于边缘对接产生变化，在焊接过程中，光束通过电磁系统，对加速电压幅度产生影响。为了解决这个问题PWI开发了具有电源功能的设备源。
5.多坐标EBW的计算机控制
运动系统专注于高精度应用工业，在1990年代末PWI与数学问题研究所合作，已开发软件工具，使操作员可以设计复杂EBW程序的可视化方法。除了传统使用的电脑系统外，下面介绍另外两种：
1.更高级别的HMI（人机界面），用于操作视觉设计的操作员界面焊接过程的程序和控制;
2.独立于其他处理器节点的额外的计算机，解决了对接问题通过接收到的工件表面图像进行识别RASTR跟踪设备，并与HMI联合计算，提供自动示教，校正和跟踪对接功能。
RASTR跟踪的工作原理设备是基于电流的测量以及循环扫描形成的二次发射电子（周期为300 mc），造成工件工作区域短期内聚焦的低功率光束焊接过程中断。工件表面图像由来自次级的信号形成发射电子拾音器，放在电子枪中紧邻焊接区域。跟踪设备编号，亮度等级的扫描表面部分由计算机存储作为图像帧（矩阵）并在单独的位置复制专用软件后的RASTR监视窗口处理。
参考文献：
[1] TA15钛合金电子束焊焊接接头力学性能[J].王利发，刘建中，胡本润.焊接学报.2007（01）.
[2] 国内外电子束焊接技术研究现状[J].张秉刚，吴林，冯吉才.焊接.2004（02）.
[3] Investigations into the effects of electron beam welding on thick Ti–6Al–4V titanium alloy[J].N.Saresh，M.Gopalakrishna Pillai，Jose Mathew.Journal of Materials Processing Tech.2007.
（作者单位：重庆交通大学）