第9章 高能束焊接
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电子束是由高压加速装置产生的高能束流，经过加速和会聚的 高能电子束流具有极高的能量密度，可达106W/cm2以上。 原理 在电子束焊(EBW，electron beam welding)过程中，高功率电 子束定向高速运动，撞击置于真空或非真空中的工件表面后， 在表面以下很浅的范围内电子动能转化为热能，使金属迅速熔 化和蒸发，产生小孔效应，形成深熔型焊接。 为了获得电子束焊的深熔焊效应，除了要增加电子束的功率密 度外；还要设法减轻二次发射和液态金属对电子束通道的干扰 分类 （1）按被焊工件所处环境分类 1）高真空电子束焊 2）低真空电子束焊 3）非真空电子束焊 Tianjin Univ. 4）局部真空型
(2)按电子束加速电压分类 1)高压电子束焊接 加速电压在120kV以上 2)中压电子束焊接 加速电压在40~l00kV之间 3)低压电子束焊接 加速电压低于40kV (3)按电子束对材料的加热机制分类 1)传热焊接 当作用在工件表面的功率密度小于105W/cm2 时，无显著的金属蒸发，电子束能量在工件 表面转化的热能是通过热传导使工件熔化 。 2)深熔焊接 作用在工件表面的功率密度大于105W/cm2 时，金属被熔化并伴随有强烈的蒸发，形成 小孔效应，焊缝深宽比大 。
1.1 热源百度文库
第一节
高能束焊接的特点
进行焊接的热源功率密度有一定的范围，过大或过小都不能 进行焊接，如图9-1所示。
图9-1 热源功率密度与焊接的关系
Tianjin Univ.
1.2 高能束焊接的焊缝成形特点
高能束焊接的焊缝形状与束流功率密度有密切关系，功率密 度对熔深的影响尤其显著，如图9-2所示。
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2.3 电子束焊的特点及应用 特点 ：
优点： 1）加热功率密度大 2）焊缝深宽比(H/B)大 3）焊接速度快，焊缝热物理性能好 4）焊缝纯度高 5）焊接工艺参数调节范围广，适应性强 6）可焊材料多。可实现异种金属材料接头的焊接 缺点 ：1）设备复杂，价格高，使用维护要求高。 2）焊接装备要求高，焊接件尺寸受真空室大小的限制。 3）高压电子束焊接需防护x射线。
图9-2功率密度对熔深的影响
Tianjin Univ.
脉冲激光焊分为传热焊和深熔焊
a传热焊 b 深熔焊 图9-3传热焊和深熔焊示意图 高能束流聚焦后的束斑直径一般都在1mm以下，高功 率密度和迅速的金属蒸发是产生小孔效应和深熔型焊 接的重要条件和标志。
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第二节 电子束焊
2.1 电子束焊原理及分类
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1.电子枪 电子枪是电子束焊机的核心部件，是产生电子、使之加速、 会聚成电子束的装置，电子枪的组成可参考图9-5。
静电部分 电子枪 电磁部分
阴极 阳极 聚束极 电磁透镜(聚焦线圈) 偏转线圈 合轴系统
图9-5 电子束发生原理(电子枪)
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2.电源及控制系统 通常由： (1)加速电压电源 通常由升压、整流、调压三个部分组成 (2)阴极(灯丝)加热电源 阴极加热电源的输出功率决定阴极发 射电子的能力 (3)电磁透镜电源 要求其励磁电流稳定度≤0.1％，为提高其 稳定度，必须进行闭环控制。 (4)偏转线圈电源 无论是静偏转或动偏转，都要求偏转线圈的 电流波动小于0.1％。 (5)电气控制系统 精确控制电子束流，控制电子束流的斜坡上 升和下降时间；控制电子束的聚焦和偏转。 3.工作室及真空系统 工作室尺寸由应用范围确定。真空室的设计一方面应满足气密 性要求；另一方面应满足刚度要求；此外还要满足x射线防护 需要。
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真空系统一般分为两部分：电子枪抽真空系统和工作室抽真空 系统。 低真空泵 该系统中大多使用三种类型的真空泵 油扩散泵 涡轮分子泵 真空系统还需要真空阀门及密封措施，以保证真空室的气压稳 定；真空程度的测量则利用适用于不同压力范围的真空计。 4.工作台和辅助装置 工作台、夹具、转台对于在焊接过程中保持电子束与接缝的位 置准确、焊接速度稳定、焊缝位置的重复精度都是非常重要的。
Tianjin Univ.
2.3 电子束焊的工艺参数
1.电子束焊工艺过程 （1）焊前准备及接头设计 1）焊前准备电子束焊接头焊前应紧密配合，一般采用无坡口 对接形式，不加填充金属，要求接合面必须经机械加工。 真空电子束焊前必须对焊件表面进行严格清理，对于非真空电 子束焊，要求可适当降低。 2）接头设计 电子束焊接的接头形式有对接、角接、T形接头、搭接、端接 等，均可进行无坡口全熔透焊接或给定熔深的单道焊。 图9-6是典型的对接接头示意图。 图9-7是常见的角接接头。 图9-8是常见的T形接头。 图9-9是常见的电子束搭接接头 。
2.2 真空电子束焊设备
由电子枪、工作真空室、高压电源、控制及调整系统、真空系 统、工作台以及辅助装置等几大部分组成，如图9-4所示。
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图9-4 真空电子束焊设备的组成示意图 1-阴极 2-聚束极 3-阳极 4-光学观察系统 5-聚焦线圈 6-偏转线圈 7-聚焦电源 8-偏转电源 9-真空工作室 10-工作台及传动系统 11-工作室真空系统 12-真空控制及监测系统 13-电子枪真空系统 14-高压电源 15-束流控制器 16-阴极加热控制器 17-电气控制系统
College of Materials Science and Engineering Tianjin University
第9章 高能束焊接
Tianjin Univ.
高能束焊接又称高能焊、高能密度焊，是指利用电子束、激 光束以及等离子弧等具有高能量密度的束流作为焊接热源的 焊接方法。其功率密度通常高于5×105W/cm2，本章主要介 绍电子束焊和激光焊的相关内容。
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应用
电子束焊接可应用于下述材料和场合： 1）除含锌高的材料(如黄铜)、低级铸铁和未脱氧处理的普通低 碳钢外，绝大多数金属及合金都可用电子束焊接，按焊接性 由易到难的顺序排列为鉭、铌、钛、铂族、镍基合金、钛基 合金、铜、钼、钨、铍、铝及镁。 2）可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。 3）对不开坡口焊厚大工件，焊接变形很小；能焊接可达性差的 焊缝。 4）可用于焊接质量要求高，在真空中使用的器件，或用于焊接 内部要求真空的密封器件；焊接精密仪器、仪表或电子工业 中的微型器件。 5）散焦电子束可用于焊前预热或焊后冷却，还可用作钎焊热源。 6）在外太空等极端条件下的焊接，可能是其潜在的应用领域。
(2)按电子束加速电压分类 1)高压电子束焊接 加速电压在120kV以上 2)中压电子束焊接 加速电压在40~l00kV之间 3)低压电子束焊接 加速电压低于40kV (3)按电子束对材料的加热机制分类 1)传热焊接 当作用在工件表面的功率密度小于105W/cm2 时，无显著的金属蒸发，电子束能量在工件 表面转化的热能是通过热传导使工件熔化 。 2)深熔焊接 作用在工件表面的功率密度大于105W/cm2 时，金属被熔化并伴随有强烈的蒸发，形成 小孔效应，焊缝深宽比大 。
1.1 热源百度文库
第一节
高能束焊接的特点
进行焊接的热源功率密度有一定的范围，过大或过小都不能 进行焊接，如图9-1所示。
图9-1 热源功率密度与焊接的关系
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1.2 高能束焊接的焊缝成形特点
高能束焊接的焊缝形状与束流功率密度有密切关系，功率密 度对熔深的影响尤其显著，如图9-2所示。
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2.3 电子束焊的特点及应用 特点 ：
优点： 1）加热功率密度大 2）焊缝深宽比(H/B)大 3）焊接速度快，焊缝热物理性能好 4）焊缝纯度高 5）焊接工艺参数调节范围广，适应性强 6）可焊材料多。可实现异种金属材料接头的焊接 缺点 ：1）设备复杂，价格高，使用维护要求高。 2）焊接装备要求高，焊接件尺寸受真空室大小的限制。 3）高压电子束焊接需防护x射线。
图9-2功率密度对熔深的影响
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脉冲激光焊分为传热焊和深熔焊
a传热焊 b 深熔焊 图9-3传热焊和深熔焊示意图 高能束流聚焦后的束斑直径一般都在1mm以下，高功 率密度和迅速的金属蒸发是产生小孔效应和深熔型焊 接的重要条件和标志。
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第二节 电子束焊
2.1 电子束焊原理及分类
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1.电子枪 电子枪是电子束焊机的核心部件，是产生电子、使之加速、 会聚成电子束的装置，电子枪的组成可参考图9-5。
静电部分 电子枪 电磁部分
阴极 阳极 聚束极 电磁透镜(聚焦线圈) 偏转线圈 合轴系统
图9-5 电子束发生原理(电子枪)
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2.电源及控制系统 通常由： (1)加速电压电源 通常由升压、整流、调压三个部分组成 (2)阴极(灯丝)加热电源 阴极加热电源的输出功率决定阴极发 射电子的能力 (3)电磁透镜电源 要求其励磁电流稳定度≤0.1％，为提高其 稳定度，必须进行闭环控制。 (4)偏转线圈电源 无论是静偏转或动偏转，都要求偏转线圈的 电流波动小于0.1％。 (5)电气控制系统 精确控制电子束流，控制电子束流的斜坡上 升和下降时间；控制电子束的聚焦和偏转。 3.工作室及真空系统 工作室尺寸由应用范围确定。真空室的设计一方面应满足气密 性要求；另一方面应满足刚度要求；此外还要满足x射线防护 需要。
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真空系统一般分为两部分：电子枪抽真空系统和工作室抽真空 系统。 低真空泵 该系统中大多使用三种类型的真空泵 油扩散泵 涡轮分子泵 真空系统还需要真空阀门及密封措施，以保证真空室的气压稳 定；真空程度的测量则利用适用于不同压力范围的真空计。 4.工作台和辅助装置 工作台、夹具、转台对于在焊接过程中保持电子束与接缝的位 置准确、焊接速度稳定、焊缝位置的重复精度都是非常重要的。
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2.3 电子束焊的工艺参数
1.电子束焊工艺过程 （1）焊前准备及接头设计 1）焊前准备电子束焊接头焊前应紧密配合，一般采用无坡口 对接形式，不加填充金属，要求接合面必须经机械加工。 真空电子束焊前必须对焊件表面进行严格清理，对于非真空电 子束焊，要求可适当降低。 2）接头设计 电子束焊接的接头形式有对接、角接、T形接头、搭接、端接 等，均可进行无坡口全熔透焊接或给定熔深的单道焊。 图9-6是典型的对接接头示意图。 图9-7是常见的角接接头。 图9-8是常见的T形接头。 图9-9是常见的电子束搭接接头 。
2.2 真空电子束焊设备
由电子枪、工作真空室、高压电源、控制及调整系统、真空系 统、工作台以及辅助装置等几大部分组成，如图9-4所示。
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图9-4 真空电子束焊设备的组成示意图 1-阴极 2-聚束极 3-阳极 4-光学观察系统 5-聚焦线圈 6-偏转线圈 7-聚焦电源 8-偏转电源 9-真空工作室 10-工作台及传动系统 11-工作室真空系统 12-真空控制及监测系统 13-电子枪真空系统 14-高压电源 15-束流控制器 16-阴极加热控制器 17-电气控制系统
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第9章 高能束焊接
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高能束焊接又称高能焊、高能密度焊，是指利用电子束、激 光束以及等离子弧等具有高能量密度的束流作为焊接热源的 焊接方法。其功率密度通常高于5×105W/cm2，本章主要介 绍电子束焊和激光焊的相关内容。
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应用
电子束焊接可应用于下述材料和场合： 1）除含锌高的材料(如黄铜)、低级铸铁和未脱氧处理的普通低 碳钢外，绝大多数金属及合金都可用电子束焊接，按焊接性 由易到难的顺序排列为鉭、铌、钛、铂族、镍基合金、钛基 合金、铜、钼、钨、铍、铝及镁。 2）可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。 3）对不开坡口焊厚大工件，焊接变形很小；能焊接可达性差的 焊缝。 4）可用于焊接质量要求高，在真空中使用的器件，或用于焊接 内部要求真空的密封器件；焊接精密仪器、仪表或电子工业 中的微型器件。 5）散焦电子束可用于焊前预热或焊后冷却，还可用作钎焊热源。 6）在外太空等极端条件下的焊接，可能是其潜在的应用领域。