电子束焊接技术

电子束焊焊接原理
电子束焊接基本概念
电子束焊接是利用会聚的 高能电子轰击工件接缝处 所产生的热能，使被焊材 料熔合的一种焊接方法。
通常束斑直径<1mm，在 0.1~0.75mm之间，速度 可达0.3~0.7C。
电子光学基础
电子的发射
(1) 空间电荷限制发射 (2) 温度限制发射 (3) 肖特基发射
(1)空间电荷限制发射
(2)温度限制发射
(3)肖特基发射
电子束由电子枪的阴极发射，通常是空间电荷限 制发射或温度限制发射。
电子的场致运动
(1)电子在电场中的运动
在平行板形成德电场中，电子的运动方向与正电 荷粒子运动方向相反，是由低电位向高电位方向运动。 根据能量守恒定律，当电子由静止状态开始向正极板 方向做匀加速运动时，将位能转变为动能，则有：
由此，可以计算得到电子到达正极板时的速度，这 就是电子束枪中电子在阴阳两极高压间被加速的理论 基础。
(2)电子在磁场中的运动
根据物理学，我们知道，电荷在磁场中运动时，磁场与运动 电荷有作用力，称为洛伦兹力。作用力的大小为：
式中：Q——电荷电量 V——电子运动速度 B——磁感应强度 a——磁力线与电子运动方向的夹角
1958年开始，美国、英国、日本和苏联 开始进行电子束焊接方面的研究。
1958年10月，我国在一本英国杂志 《welding and metal fabrication》 上见到了一篇有关电子束焊接方面 的报道。
1964年，我国研制生产了第一台型 号为ZD-30的真空电子束焊机，这 是清华大学冶金系为满足我国核工 业需要而开发的。
电子束形成
电子束焊接能量转换
(与通常熔化焊相比）
能量传递公式：以无任何化学属性的电子束为载体 热量析出部位：在电子穿透层下方析出 能量转换机制：电子动能 晶格振动能 热能
电子束焊缝形成
(1)电子束焊接加热特点 功率密度高和束精确、快速可控性。
(2)电子束焊缝形成方式 熔化式和熔穿入式成形
可使束流以给定的函数图像进行扫描； 因此，电子束焊机中的电子枪是发射、形成和
会聚电子束的装置。
电子枪的工作原理
电子枪包括静电荷和电磁两部分，静电部分有 阴极、聚束极和阳极组成，通常称静电透镜；电磁 部分又聚焦线圈和偏转线圈组成，通常称为磁透镜。 工作原理： (1)电子枪的阴极被加热，发射电子； (2)电子经阴阳极间的加速电压加速，同时受聚束极 的作用开始第一次聚焦，飞向阳极。 (3)通过了阳极小孔的电子束流，在继续行进中， 因受空间电荷及真空室压力的影响，又必然会发散； (4)通过电磁部分时，由聚焦线圈再次会聚，并在工 件上形成极小的高能量束斑； (5)为调整电子束束斑到工件表面的位置，电子束经 过偏转线圈磁场时，在洛伦兹力的作用下产生束偏转。
电子束焊接技术
中国科学院等离子研究所研制中心
目录
电子束焊接起源 电子束焊接原理 电子束焊接分类、特点及应用 电子束焊接工艺 电子束焊接研发现状 电子束焊接的安全防护 结束语
电子束焊接起源
电子束焊接起源
电子束焊接至今有100多年的历史
在人们了解电子性能之前，曾经有过“阴极极射 线”(cathode-ray)的名称。 早在1879年william crookersh发现在阴极射线管 中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现象。 20年后，1897年，J.J.Jhompaon的研究证明，所 谓的阴极射线实际就是电子束；
电子束焊接深穿入式成缝示意图
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电子束输入功率分配
电子束焊接熔池受力分析
电子束焊接设备基本构成
真空电子束焊机工作原理
电子枪的四个作用 电子枪的工作原理 阴极材料的选择 阴极加热方式 阴极结构设计 真空电子束焊机工作过程
电子枪的四个作用
a从阴极发射电子； b使电子在阴阳两极间被加速，形成束流； c电磁聚焦线圈使电子束聚焦； d偏转线圈使电子束偏转；若加入函数发生器，
钽加工性能好，能轧制成片 状，可制成直热式或间热式 的面发射阴极。
电子束的焊接技术起源于德国
1948年，西德k.h.steigerwald博士，在致力于 研究更高工作频率的示波器时，发现高功率密 度的电子束可以熔化、烧蚀、冲刷金属的现象。 据此，他提出了用电子束切割焊接的设想。
1951年，申请了在各种材料上钻孔的电子束设 备的专利，并与1952年，在蔡司公司(zeiss)制 造了第一台电子束加工机。
电子束焊接深穿过程
电子束与焊金属表面碰撞失去全部动能； 碰撞使晶格上的原子发生急剧的热振动，大部分动作
转化为热能； 在极短时间内，被焊材料迅速被加热至熔点及极高的
过熔点温度，迅速蒸发形成金属蒸汽； 金属蒸汽的反作用力使金属熔体向四周排开，露出下
层固体金属表面； 电子束继续作用，重复上述过程，实现深穿。
1954年电子束焊接金属获得成功
法国的斯托格博士(J.A.Stohr) 用自行研制的一台电子束焊接 设备，成功的焊接了法国原子 能委员会核反应堆得燃料包壳。
1957年11月，在法国巴黎召开的国际原 子能燃料元件技术大会上，法国方面公 布了该技术，使电子束焊接技术作为一 种新的焊接方法得到确认。
是结构简单，操作方便，但容易出现发射几何形 状变形，电子发射散乱现象，对聚焦不利。 间热式阴极是利用传导、辐射或电子轰击的方法 间接加热阴极，特点是结构复杂，阴极表面是等 位面，发射电流密度均匀，对聚焦有利。
阴极结构设计
根据束流值的大小，阴极形 状可做成点发射型或面发 射型。
钨加工成线材、棒材或块状 比较容易。因此，一般可用 钨丝烧制成直热式的发针状 或盘状阴极，钨块、钨棒可 制成间热式阴极。
阴极材料的选择
阴极是电子枪中的重要部件，要获得较高的发射电 流密度，就要求阴极材料具有较小的逸出功或较高 的熔点。在选用阴极材料时，还要考虑加工成形的 方便，高温时有足够的机械强度，足够长的寿命及 化学性能稳定。
阴极材料常采用难熔金属及其化合物，如钨、钽及 六硼化镧等。
阴极加热方式
阴极的加热方式可分为直热式和间热式两种。 直热式阴极，其加热方式是直接加热阴极，特点