电子束焊接在大尺寸结构中面对的挑战
尽管电子束焊接有着很大的优点,但在应用过程中也面临很多挑战及自身的不足。其中最明显的就是焊接必须在高度真空(10^-3至10^-5个大气压,取决于焊接的金属种类)的环境中进行,在10^-5大气压环境下焊接由钛合金组成的WCS或更大的结构始终是一个巨大的挑战。芝加哥桥梁/钢铁公司(Chicago Bridge & Iron)专门设计了两个10*11*13英尺(长宽高,约3*3.4*4米)尺寸的钢室,这些钢室的两侧都有一个大型的全高/全宽门,使用精密导轨运送钢室内外的各种部件,一个可移动的滑车可以装载需要焊接的部件出/入钢室。
能够产生一个足够容纳WCS的真空室的方式只有一个,那就是大型机械真空泵(mechanical "roughing"pumps),它能迅速的将室内的压力降低到10^-2至10^-3个大气压。然后再使用大型的扩散泵(diffusion pumps)将压力降低到所需要的10^-5个大气压范围,整个过程大约需要25到30分钟。
在WCS的电子束焊接过程中,在无尘室内维持恒定温度和湿度是非常有必要的,因为焊接部件必须尽可能的干净。所以,在这些区域内不准吃食物、饮料,也不能吸烟,每个进入该区域的人都必须清理自己的鞋子,以防装配过程中产生的碎片进入。对经过清洗(脱脂和酸/碱性喷淋)的待焊接部件的任何操作都必须带着干净的亚麻手套进行,工具也要清洗后才能被带入该区域。

最后,除了在真空室和抽气设备上的巨额投入外,我们还在高压、高稳定性的电子束焊枪(西亚基52KV/1000mA)进行了投资,结合数控系统后可以进行全自动焊接。当然我们还需要熟练的操作人员、随叫随到的技术支持工程师以及特别检测人员和设备。他们都以断裂韧性标准来进行工作,必须知道焊接缺陷具体有多少、是什么类型、在什么地方发生。因此,每一个焊接部位都必须进行100%的目视检测、尺寸检测、荧光渗透检测、X射线检测以及浸泡超声波检测,每一个WCS都按照飞机编号保存了所有的检测记录。
制造WCS
F-14的成功依赖于以钛合金组成的WCS的设计和制造,使用电子束焊接构建机翼承载贯穿结构是唯一的方式。没有其他制造工艺可以在保持深度熔透、单道焊、高几何精度和结构完整性的同时显著降低结构重量,同时还要有着工程、制造和质量上的保证。这些成功保证了在后来生产了超过700个WCS。

焊接完成的WCS
从中间向外侧焊接
为实现WCS所需的严格尺寸公差,尤其是在22英尺部件上枢轴到枢轴之间那小于0.005英寸的精度,由电子束焊接在一起的33个精密加工零共使用了77次深度熔透、单焊缝的工序。WCS首先被焊接成开放的盒形状态,当整个组件从枢轴盘到枢轴盘都被组装完成后,就开始焊接顶部板和枢轴盘了,这一过程遵循从中间向外侧焊接的原则,这种方法允许在装配的各阶段调整尺寸上的偏差。一旦翼盒中央左侧和右侧(包括把前/后封闭横梁用电子束焊接到下板和中部腹板或肋板结构上)被电子束焊接到一起后,再在焊缝顶部0.180英寸和根部0.100英寸位置使用熔透方式焊接约2.15英寸(54.6毫米)厚。这种狭窄焊缝的收缩率最小(并且是均匀的,因为和大多数熔融焊接类似,焊缝是平行而不是梯形的)。两个中间对接部位末端将会在对接线被加工成所需精度。至于外侧的左/右开放段(不包括枢轴盘部分)将会和中间段焊接到一起。然后,端板会以正确的方式焊接并进行机械加工以对齐对接线。最后枢轴盘被焊接在端板上,其轴孔必须很精确地定位。各处理工序结合起来带来了极小的收缩率,然后通过机械加工达到所需的尺寸和公差精度。
定位和设计焊点
任何人都知道使用焊接工艺来组装关键结构时,焊缝需要被适当定位、设计和布置在结构内(如在厚的、低应力部分或中轴线的任何弯曲部分等),它们将优化结构的性能,促进焊接及之后的检查。对于F-14的WCS来讲,应用到了下面的一些技术:

•所有焊缝都经过了定位和设计成直线或方形以完全焊透且紧密贴合(经过精密加工后),这有助于减少"钉尖缺陷"。通常会辅以在根部进行熔融锁孔焊接以便允许使用X射线进行检查。
•为了避免产生初始和结束缺陷,这种缺陷存在与绝大多数焊接过程中,但在高能量密度的锁孔焊接会尤为严重。无论是整体焊接还是点焊都会使用启动和停止跳格,这会取消后续焊接,产生的缺陷也会通过机械加工的方式被移除。
•允许使用完全熔透焊接,一些焊缝需要被偏移成90度角。









