电子束焊工艺

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电子束焊工艺
一、电子束焊的特点电子束焊是利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使金属熔合的一种焊接方法。

电子轰击工件时，动能转变为热能。

电子束作为焊接热源有两个明显的特点：（1）功率密度高电子束焊接时常用的加速电压范围为30～150kV，电子束电流20～1000mA，电子束焦点直径约为0.1～
1mm，这样，电子束功率密度可达106W/cm2以上。

（2）精确、快速的可控性作为物质基本粒子的电子具有极小的质量（9.1×10-31kg）和一定的负电荷（1.6×10-19C），电子的荷质比高达1.76×1011C/kg,通过电场、磁场对电子束可作快速而精确的控制。

电子束的这一特点明显地优于激光束，后者只能用透境和反射镜控制，速度慢。

基于电子束的上述特点和焊接时的真空条件，电子束焊接具有下列主要优缺点。

优点： 1）电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。

目前，电子束焊缝的深宽比可达到60:1。

焊接厚板时可以不开坡口实现单道焊，比电弧焊可以节省辅助材料和能源的消耗。

2）焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。

对精加工的工件可用作最后连接工序，焊后工件仍保持足够高的精度。

3）真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、氮等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而特别适于活泼金属的焊接。

也常用电子束焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。

4）电子束在真空中可以传到较远的位置上进行焊接，因而也可以焊接难以接近部位的接缝。

5）通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接缝的自动焊接。

可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。

缺点： 1）设备比较复杂、费用比较昂贵。

2）焊接前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确、间隙小而且均匀。

3）真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到工作室的限制。

4）电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量。

5）电子束焊接时产生的X射线需要严加防护以保证操作人员的健康和安全。

二、工作原理和分类（1）工作原理电子束是从电子枪中产生的。

通常电子是以热发射或场致发射的方式从发射体（阴极）逸出。

在25～300kV的加速电压的作用下，电子被加速到0.3～0.7倍的光速，具有一定的动能，经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，电子会聚成功率密度很高的电子
束。

这种电子束撞击到工作表面，电子的动能就转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发。

在高压金属蒸气的作用下熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，很快在被焊工件上“钻”出一个锁形小孔，小孔的周围被液态金属包围。

随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却、凝固形成了焊
缝。

电子束传送到焊接接头的热量和其熔化金属的效果与束流强度、加速电压、焊接速度、电子束斑点质量以及被焊材料的性能等因素有密切的关系。

（2）分类电子束焊的分类方法很多。

按被焊工件所处的环境的真空度可分为三种：高真空电子束焊，低真空电子束焊和非真空电子束焊。

高真空电子束焊是在10-4～10-1Pa的压强下进行的。

良好的真空条件，可以保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

低真空电子束焊是在10-1～10Pa的压强下进行的。

压强为4Pa时束流密度及其相应的功率密度的最大值与高真空的最大值相差很小。

因此，低真空电子束焊也具有束流密度和功率密度高的特点。

由于只需抽到低真空，明显地缩短了抽真空时间，提高了生产率，适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。

例如：变速器组合齿轮多采用低真空电子束焊接。

在非真空电子束焊机中，电子束仍是在高真空条件下产生的，然后穿过一组光阑、气阻和若干级预真空小室，射到处于大气压力下的工件上。

在压强增加到7～15Pa时，由于散射，电子束功率密度明显下降。

在大气压下，电子束散射更加强烈。

即使将电子枪的工作距离限制在20～50mm，焊缝深宽比最大也只能达到5:1。

目前，非真空电子束焊接能够达到的最大熔深为30mm。

这种方法的优点是不需真空室，因而可以焊接尺寸大的工件,生产率较高。

近年来，移动式真空室或局部真空电子束焊接方法，既保留了真空电子束高功率密度的优点，又不需要真空室，因而在大型工件的焊接工程上有
应用前景。