哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046
摘要：电子束焊是一项高精密的焊接技术，它具有电子束穿透力强、焊缝熔宽比大、焊接速度快、热影响区小、焊接变形小等特点，逐渐代替了以往的加工方法和生产流程，应用日益广泛。本文介绍了电子束焊接特点和原理及分类，并重点分析了电子束焊接隔板的制造方法和焊接参数对焊接质量的影响。
关键词：汽轮机；隔板；电子束焊接
隔板是汽轮机中技术含量和要求高、批量大、制作工艺复杂的重要部件之一，它在汽轮机生产中占有很大的比重。另外，由于汽轮机隔板的焊接部位极多，且形状复杂，难以确保焊接质量。随着电子束、等离子等新的焊接能源的开发，焊接技术得到了惊人的发展，促进了焊接生产的机械化和自动化，从而提高了产品的质量。
一、电子束焊接特点及原理
1、特点。1）电子束焊接的能量密度高，可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝；2）电子束焊接是在真空中进行，焊缝的化学成分稳定且纯净，接头强度高，焊缝质量高；3）电子束焊接速度快，热影响区小，焊接热变形小；4）电子束焊接适用于焊接所有的金属材料，尤其适合铝材焊接；5）电子束焊接可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可以不开坡口一次成形；6）电子束焊接结合计算机技术，实现了工艺参数的精确控制，使焊接过程完全自动化。
2、原理。电子束焊接是近年来发展起来的一种新颖、高能量密度的熔化焊方法。它是利用空间定向高速运动的电子束，在撞击工件后将部份动能转化为热能，从而使被焊工件熔化，形成焊缝。电子的产生及电子束的形成和会聚的工作原理比较简单。发射材料加热后，由于热发射效应，表面就发射电子，热发射电子在电场的作用下，就沿着电场强度的反方向运动。所以在热发射材料和被焊工件之间加上电位差，通常是工件接正（接地），热发射材料接负（负高压），则热发射电子就会连续不断地加速飞向工件，形成了电子束流。但这样的电子束流，其束流密度低、能量不集中，只能加热却难以熔化金属，只有通过电子光学系统，把束流会聚起来以提高其能量密度后才能达到熔化焊接的目的。
二、电子束焊接分类
1、高压电子束焊接。高压电子束焊接指加速电压的范围为≥60-150千伏。在相同功率情况下，高压电子束焊接所需的束流小，加速电压高，这样就易于获得直径小、功率密度大的焦点和深宽比大的焊缝，这对大厚度板材的单道焊及难焙金属和热敏感性强的材料焊接特别适宜。高压电子束焊接的缺点是：屏蔽焊接时产生的X射线比较困难，电子枪的静电部分为防止高压击穿需用耐高压的绝缘子，使其结构显得复杂而笨重。
2、低压电子束焊接。当焊接所用加速电压低于30千伏时称为低压电子束焊接。低压电子束焊机不需采取特殊的铅板防护，也不存在电子枪间跳高压的危险，所以设备简单，电子枪可做成小型移动式。其特点是在相同功率的情况下，低压电子束的束流大，加速电压低，束流的会聚较困难。通常低压电子束的焦点直径难以达到一毫米以下，其功率也限于10千瓦以内，这就决定了低压电子束焊接只用于焊缝深宽比要求不高的薄板材料的焊接。
3、中压电子束焊接。中压电子束焊接所用加速电压的范围为30-60千伏。当电子束的功率不超过30千瓦时，中压电子束焊机的电子枪能保证焦点的直径小于0.4毫米，除极薄材料外，这样的焦点尺寸完全能满足焊接要求。30千瓦的中压电子束焊机可焊接的最大钢板厚度可达70毫米左右。中压电子束焊接时产生的X射线，完全能由适当厚度的钢制真空室壁所吸收，不需要采用铅板防护。电子枪极间不要求特殊的绝缘子，所以电子枪可做成固定型或移动型。
三、电子束焊接隔板
1、隔板制造方法。汽轮机隔板的制造，以往大多采用埋弧焊。由于汽轮机隔板的焊接部位极多，形状复杂，所以，掌握隔板的强度和变形量是一个重要的课题。六十年代以来，国外在汽轮机隔板的制造中开始采用电子束焊接技术。在隔板制造中采用电子束焊接法的主要目的是：1）由于一次就可获得熔焊的深度，能够减少隔板的变形，从而提高了隔板的制造质量；2）由于不需要加工坡口，所以能在定位板与隔板内外环拼合的情况下进行焊接，从而降低了制造成本。
2、焊接参数对焊接质量的影响
1）功率密度的影响。电子束焊接采用深穿入式成形，焊缝的熔深主要取决于形成空胶的金属蒸发速率。而金属蒸发速率的大小与电子束功率密度密切相关，电子束功率对焊缝成形的影响也是通过改变功率密度而起作用的。当保持作表面时，其功率密度还与枪的电子光学系统（即电子束焦点的工作距离）以及加速电压、电子束电流的大小等有关。
2）规范参数对焊缝成形的影响。在维持最佳聚焦的条件下，电子束焊接的主要规范参数是加速电压、电子束电流、焊接速度、电子枪工作距离和焦点位置。这些参数可以进行单独调节。有些参数的变化不仅改变着电子束的功率密度，而且还改变了电子束的功率和线能量，所以每个参数对焊缝成形的影响程度不尽相同。①加速电压。提高加速电压，焊缝熔深的增加斜率最大。这是由于加速电压升高时，除了电子束功率随之增大而提高功率密度外，由于电子光学系统聚焦性能的改善，进一步提高了电子束焦点的功率密度。②电子束电流。当增加电子束电流时，熔深的增加斜率较小，这是由于束电子的功率虽然增加，但由于空间电荷效应和热扰动加剧，使电子光学系统的聚焦性能变坏，所以电子束焦点的功率密度增加缓慢。③焊接速度。当改变焊接速度时，熔深的变化斜率更趋平缓，这是因为用降低焊接速度来增大线能量时，电子束焦点的功率密度没有变化，而由于热传导而造成的能量损失增大了的缘故。④工作距离。当工作距离变化后，为了获得最佳聚焦条件，必须调节磁透镜的聚焦电流。工作距离大，则聚焦电流小，反之亦然。当工作距离增大后，聚焦电流小，在其他规范参数不变的前提下，则磁透镜的放大倍数增大，因而电磁焦点增加，致使电子束功率密度减小，焊缝的熔深相应减小，减小工作距离，则焙深相应增大。⑤焦点位置。在电子束焦点的上下附近，存在着功率密度近乎相等的一段区域，称为活性区域。电子束焊接时，一般工件都处在活性区域内。活性区域的长度与电子束的会聚角有关。当工件处于活性区域的不同范围内进行电子束焊接时，焊缝横截面的形状及焙深亦有所区别。当焦点位置ab<1时，熔深最大。
3、电子束焊接隔板的可靠性。为了确保汽轮机隔板的可靠性，国外科技人员对电子束焊接隔板的变形特性和疲劳寿命进行了大量的试验研究工作。例如，某公司将电子束焊接隔板和埋弧焊隔板置于二倍于设计载荷的条件下，对其施加7.5×104反复载荷，并对其强度特性进行比较。结果表明：埋弧焊隔板发生了严重的变形和接合部断裂现象，而电子束焊接隔板虽因叶片挤压产生了若干变形，但无裂纹扩张和接合部断裂等现象。因此，电子束焊接隔板和埋弧焊隔板在挠度刚性方面均无大的差别，应力幅度也基本相同，但电子束焊接隔板的疲劳强度相对较高。在二倍于设计值的反复载荷下，埋弧焊隔板的疲劳寿命仅为l×104，而电子束焊接隔板的疲劳寿命则为3×104，提高了二倍。
四、电子束焊接的应用
电子束焊接技术的成功，为活性金属和难熔金属及其合金的焊接开辞了一条新的途径。目前，电子束焊接不仅应用于发电、宇航、原子能等工业部门的特殊材料和结构的焊接，而且在一般机械制造工业中，尤其是大批量生产和流水线生产，充分显示了这一方法有着无可比拟的技术经济效果，因而与其它焊接方法相比，具有很大的竞争能力。
五、结语
隔板作为汽轮机中的核心部件，其焊接方法经历了从早期的手工焊条电弧焊到CO2气体保护焊、MIG焊、窄间隙MAG焊，再到真空电子束焊，这为汽轮机隔板焊接技术的不断提高打下了良好的基础。
参考文献：
[1]赵正光.焊接方法与技术[J].科学技术出版社，2014.
[2]李全华.浅析汽轮机隔板电子束焊接方法[J].焊接技术，2015.
[3]张丽艳.汽轮机隔板电子束焊接方法分析[J].焊接学报，2014.