第9章 高能束焊接..

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—阴极加热控制器 16—束流控制器 17—电气控制系统
图9-4 真空电子束焊设备的组成示意图
电子束打孔
电子束打孔是一种特殊的热加工工艺，电子束能量密度 需大于108W/cm2。脉冲电子束打孔时，每个电子束脉 冲打一个孔，脉冲宽度一般只有几毫秒。电子束可以对 最坚硬的材料进行打孔，可打垂直孔也可打倾斜一定角 度的斜孔，打孔的速度可达每秒几个到3000个，是一种 效率极高的“钻”孔工艺。电子束打孔可得到0.05～1.1 mm 的孔径，孔深可达10mm。几乎所有金属包括各种 难熔、高强度和非导电材料，如陶瓷、玻璃甚至人造革 等均可使用电子束打孔。它是一种不受材料硬度限制和 没有磨损的加工工艺，影响深度和公差的主要因素是材 料的热物理性能。国外在电子束打孔工艺上最有成效的 工业应用是航空发动机的燃气轮机上的叶片、混合板和 消音器。
电子束在其他加工中的应用
电子束表面改性 电子束打孔 电子束气相沉积
电子束表面改性
(1)电子束表面淬火 电子束直接轰击需要硬化的焊件表面(0.1~2.0m m深度)，使表面温度迅速上升，当达到焊件材料的相变温度以上时， 持续加热一定时间，然后突然切断电子束流，焊件表面温度急速下 降，产生淬火组织。 (2)电子束表面回火/退火 用电子束加热材料到一定深度，然后冷却， 控制马氏体的转变，实现表面回火/退火。 (3)电子束表面重熔 用电子束加热焊件表面(0.1~0.3mm深度)，使其 达到焊件的熔化温度以上，切断电子束流后，通过自冷却使得熔化 的表面金属快速凝固(急速冷却，甚至可形成非晶态表层组织)，从而 改变了表层成分的微观结构和组织。
2、焊接工艺参数对焊缝形状的影响 真空电子束焊的工艺参数主要包括加速 电压、轰击偏压、电子束电流、聚焦电流工 作距离、焊接速度及真空度等。 3、真空电子束焊接技术
电子束焊的应用
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 排列为钽、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。
电子束表面改性
(4)电子束表面合金化 用电子束加热材料表层和辅助材料(可事先沉 积在表面或在电子束处理过程同时加上)，达到基体材料和辅助材料 熔化点温度以上，随后通过自淬火，改变表层化学成分和微观组织 结构的变化。 (5)电子束表面涂层 用电子束加热焊件材料表面及辅加材料至熔化 温度以上，待焊件表层材料和辅加材料完全转化成液相，随后快速 冷却，在焊件表层形成化学成分、微观结构、组织形状均不同的涂 层，涂层与基体牢固结合。
高 能 量 密 Biblioteka Baidu 焊
热源
图9-1 热源功率密度与焊接的关系
高能束焊接的焊缝成形特点
图9-2 功率密度对熔深的影响
高能束焊接的焊缝成形特点
图9-3 传热焊和深熔焊示意图
a)传热焊 b)深熔焊
由于电子束、激光、等离子弧三种束流 的能量密度特别高，所以将电子束焊、激光 焊、等离子弧焊统称为高能量密度焊。
激光的产生及特性
图9-13 激光的特性
激光焊的特点
1)聚焦后的激光具有很高的功率(105～107W/cm2或更高)，焊接可以 以深熔方式进行；与电弧焊相比，在相同功率和焊接厚度条件下， 焊接速度高；由于激光加热范围小(直径＜1mm)，所以焊接热影响区 小，激光焊残余应力和变形小。 2)可焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可 用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。 3)激光能反射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可进行 远距离或一些难以接近部位的焊接。 4)一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又 可用于切割、合金化和热处理，一机多用。 5)与电子束焊相比，激光焊最大的优点是不需要真空室，不产生X射 线，同时光束不受电磁场影响；但焊接厚度比电子束焊小。
一、电子束焊
是利用电子枪产生的电子束流，在强电 场的作用下以极高的速度撞击待焊焊件表面 ，并把部分动能转化为热能使焊件熔化而形 成焊缝的一种工艺方法。
（一）电子束焊的特点、分类及应用 1、电子束焊的特点 电子束焊与其它焊接方法相比，具有以下特点 ： （1）加热的能量密度高； （2）焊缝熔深与熔宽比（即深宽比）大； （3）焊缝金属纯度高； （4）工艺参数调节范围广，适应性强。
电子束气相沉积
图9-12 EB-PVD制备热障涂层的工作原理
二、激光焊
（一）激光焊及其特点 激光：即受激发射光(Laser-Light amplification by stimulated emission of radiation) ，是利用辐射激发光放大原理，使工作物质受激 而产生一种单色性高、方向性好及亮度大的光， 经透镜或反射镜高度聚焦后，供给焊接、切割或 材料表面处理等所需的高功率密度热源。
激光焊：是以聚焦的激光束作为能源轰击焊 件接缝所产生的热量进行焊接的方法。 与一般焊接方法相比，激光焊的特点： 1) 聚焦后的激光，其光斑直径可小到0.01mm，具有 很高的功率密度，焊接多以深熔方式进行。 2) 激光加热范围小 (＜ 1mm)，在相同功率和焊件厚 度条件下，其焊接速度高。板愈薄，焊速愈高， 达10m/min以上。
2、电子束焊的分类及应用 (1) 按真空度分：高真空、低真空、非真空 三种电子束焊。 (2) 按加速电压分： 在电子枪中，用以加速电子运动的阴极与 阳极之间的电压称加速电压。 按电子束焊机的加速电压的高低可分为高 压、中压、低压三种电子束焊。
（二）真空电子束焊接
1、真空电子束焊接的原理
真空电子束焊设备