中国第一台电子束焊机的诞生

清华大学机械工程系教授  包芳涵

 

    1964年3月28日，中华人民共和国科学技术委员会的《发明纪录》中列入了一项标题为“ZD－30型真空电子束焊接设备”的发明。

 

    1964年5月，国家计划委员会、国家经济委员会和国家科学技术委员会共同就此项目向清华大学冶金系颁发了工业新产品二等奖证书。

 

      真空电子束焊接方法是法国原子能委员会首先于1954年开始研究，并于1956年取得专利的一种新型焊接方法，1957年11月在巴黎原子能燃料元件技术会议上公开了这项技术。1958年，美、英、苏联等国家开始进行此项研究。在我国，最早了解到此项技术是在 1958年 10月号的英国焊接杂志《Welding and Metal Fabrication》上一篇文章中的简短介绍，但文章只给出了简单的基本原理和设备外形图。由于电子束焊机的研制涉及到高电压技术、电子光学、真空技术、控制系统、焊接原理等多方面的专业领域，对它的研究是一项综合性很强的课题，需要解决很多技术关键。在上海电焊机厂初步试验的基础上，1960年初，我校当时的治金系焊接教研组派出了一个毕业设计小分队，与上海电焊机厂合作进行真空电子束焊机的研制工作。

 

 

    由于当时发达国家对新中国的严密技术封锁，更因为电子束焊机最初又是为解决原子能工程中的某些焊接技术问题（如燃料棒外壳的真空封焊）而研制的，涉及到了敏感的国防领域，他们就更加不会公布任何实际有用的具体技术了。所以，当时根本没有任何可供参考的有用的资料，全部研制工作都只有依靠参加研制的人员自己摸索进行了。

 

    虽然电子束焊机的基本原理比较简单，但具体技术却十分复杂。一台电子束焊机实际上就象一只巨大的电子管，它的金属真空室体积当然比普通玻璃外壳的电子管大得多，而且为了能装卸焊接工件，还必须能够打开和关闭，因此真空密封和快速抽真空的问题就是普通电子管所没有的困难。

 

    开始时大家都不熟悉真空技术，他们就虚心向这方面的内行学习，在实践中学习，失败了就改进设计再试验，逐渐地入了门，摸索出了规律，真空技术对他们就不再那么神秘了。为了进行焊接就要使工件或电子枪在真空室内移动或转动，如何从真空室外向真空室内进行机械传动又必须解决活动的真空密封这个难题，保证在传动的同时不致破坏室内的真空的问题，又成了新的拦路虎。他们设计了多种不同方案的动态密封结构进行试验，经过一连串的失败，终于获得了比较满意的结果，保证了试验的进行。焊接过程中金属熔化产生的蒸气会使真空度降低而导致高压击穿，如何做到在金属熔化时电子枪附近仍能保持足够的真空度，避免高压击穿，也是一个必须加以解决的关键问题。除了加大抽真空的速率之外，他们又采取了改善电子枪局部抽气条件和防止金属蒸气上升到电子枪部位等措施，完全克服了高压击穿问题。

 

      电子束焊接的能源是电子束，也就是高速冲击到被焊工件上去的电子流，而电子束要靠电子枪发射出来，焊接用的电子枪发射的电子束必须具有足以熔化一定厚度金属的能力，也就是说必须能够产生相当大的电子流。这样大功率的电子枪应该如何设计？它的阴极、阳极、聚束极应该采用什么材料？做成什么形状？它们在空间上相互之间的位置和距离应如何安排？产生电子束后又怎样保证电子束能够压缩到很小的范围，形成细小的焦点并准确地轰击在需要焊接的位置上，这些又涉及到电子束的聚焦和偏转控制方案问题……。

 

    总之，摆在面前的是一大堆困难的技术关键有待于这支小分队去逐个加以解决。经过多次的反复试验和改进设计，加工了大量的电子枪和聚焦偏转机构的零件，最终达到了必要的技术条件，制作出了符合焊接要求的电子枪。此外，还有一个时间限制的问题，因为他们是一支毕业设计小分队，所以解决问题的时间只有短短的一个学期，或者说五个多月的时间可供利用，这当然更加大了工作的紧迫性和难度。

 

 

    当年的焊接教研组还是个成立只有五年的年轻教研组，教师队伍十分年轻，绝大多数教师都还是未满三十岁的青年助教。被派到上海去的小分队当然也不例外，带队的毕业设计指导教师算是年龄最大，他当时二十八岁，学生们当然更年轻几岁，都只有二十岁刚出头。这支小分队里除了焊接专业的师生之外，还有两位来自当时无线电系的师生。就是这样的年轻小分队，肩负起了这项填补国内空白，赶超世界先进水平的艰巨任务。

 

    年轻人是最敢想敢干的，也是最不受条条框框约束的。他们丝毫没有为这项任务的复杂、艰巨而产生过畏难情绪，甚至也没有想过能否成功，失败了怎么办之类的问题，似乎是必须去闯，而且一定能够成功。那时所倡导的是“国家的需要就是我们的理想。”“教育与生产劳动相结合。”因而在他们的心目中，解决这样的技术问题是自己义不容辞的义务，也是只许成功不许失败的任务。在那个年代，他们谁也不曾想到做这样的毕业设计会有什么名、利在等待着自己，他们所想的只有如何去克服困难，一点一点地解决摆在他们面前的他们所不熟悉的各种问题。

 

 

    1960年，国家正处于困难时期，当时出差住在外地，生活条件是十分艰苦的。小分队师生自己背着铺盖到上海，住在工厂的职工宿舍里，睡的是双层木板床，晚上蚊子多，只能睡在闷热的纹帐里。厂里只有一个职工食堂，小分队里有两名同学是回民，而工厂附近又没有回民食堂或餐馆。他们就克服困难与大家一同在大食堂进餐，只不过必须挑选符合他们条件的饭菜，当然就只能吃得很简单了。这群年轻的师生就这样团结一致，度过了半年多的时间。为了赶任务保证进度，他们经常要加夜班或倒班连续工作，晚上需要吃夜餐，可是大家的粮食定量是有限的，粮票、菜票自然经常处于紧张状态，而且那时候要想买点零食作为补充也是不可能的，因为没有地方能买到，而且经济力量也不允许。但就这样，大家都没有任何怨言，而是默默地自己克服困难，忍受一点饥饿也就过来了，并没有影响工作进度。

 

    小分队师生心里想的就是如何完成研制任务，所以工作是十分紧张的，很少有时间放假休息。有时为了弄清楚一个问题，白天跑到上海市的图书馆去查阅资料，而回到厂里晚上还要再接着进行试验。时间对于他们是极为珍贵的。不少人是初次来到繁华的大上海，也没有时间去观光游览。有亲友在上海的，也没有时间去探视。一位教师的爱人在北京正要临产，他也没有可能回北京照顾，坚持在上海进行研制工作，而当他完成任务回到清华见到孩子时，孩子出生己经两个多月了。

 

 

    默默的耕耘最终获得了丰硕的成果。经过半年的努力，他们全面完成了研制真空电子束焊机的任务，作出了全套的焊接设备，其中包括；电子光学系统（电子枪、聚焦及偏转等部分）；真空系统（焊接真空室、机械泵、油扩散泵、进气阀及管道等）、高压电源（交流升压、三相全波整流电源）和机械传动系统（电动机和减速箱安装在真空室外，传动轴通过真空旋转密封装置进入真空室）。真空室的两个门上有密封耐高温的石英玻璃观察窗，通过此窗观察并操纵焊接过程。1960年11月由一机部指定上海市电机局组织国家鉴定委员会对这台ZD－30型真空电子束焊机进行了全面鉴定，鉴定委员会认为它能满足焊接要求并可以小批试生产。

 

    ZD－30电子束焊机与英国爱德华高真空有限公司（Edwards High Vacuum Limited）的电子束焊机相比，各项技术性能指标基本相似，而有些性能则超过了英国的设备，如：焊接高熔点金属银时，ZD－30焊机焊接的最大厚度为0．5mm，且焊缝宽度仅3mm，而英国焊机焊接的最大厚度只有0．254mm。，焊缝宽度则大到6mm；ZD－30焊机的偏转方法为电磁方式，操作方便平稳，而英国的焊机则是手动机械方式，操作不易稳定。

 

      和今天国内外的电子束焊机相比，ZD－30真空电子束焊机在1960年代所具有的性能，也许就象是“丑小鸭”了，但在当时，它却是一次关键的突破。这种新型的焊接方法已经具有很大优越性的。首先，焊接时熔池周围的气氛纯度很高，例如在5 X10^-4mmHg的真空度时，其纯度相当于99．9999342%，比高纯度的氮气（99．997％）还要高45倍以上，而且，由于焊接时不需要电极，更避免了电极蒸发物质的污染。其次，电子束的能量密度大，它采用高电压（1．5万伏）小电流（只有若干毫安），电子都集中在很小的面积之内，所以能量密度很大。第三，由于能量密度大，所以焊接时加热时间短，焊接速度快，这样能使热影响区和变形都减小，保证焊接质量。此外，这种焊接方法尤其适用于一些有特殊要求的领域，如；必须严格保护的活泼金属或稀有金属的焊接；为防止燃料的氧化，原子能工业中燃料的外壳在焊接时要求壳内保持足够的真空度，都可以采用真空电子束焊机焊接。

 

    在研制ZD－30真空电子束焊机的基础上，1961年又做了适当的改进，定名为ZD－6型真空电子束焊机，并由上海电焊机厂投入试验性生产，产品供应给了有关的科研单位使用，包括清华大学在内的这些单位利用此项设备成功地焊接了钼、铌、钽、锆、钨、钛等一系列的活泼金属、稀有金属和难熔金属。清华大学焊接教研组还为本校200号试验基地研制了专门用于焊接燃料棒外壳的电子束焊机。现在，全国各地己经普遍开花，许多科研及生产部门都装备了各式各样的电子束焊机，它们在国民经济各部门发挥着十分重要的作用。