电子束焊技术

特种焊接技术
———电子束焊接
利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法，称为电子束焊（Electronic Beam Welding）。

电子束焊是高能量密度的焊接方法，它利用空间定向高速运动的电子束，撞击工件表面后，将部分动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却结晶后成焊缝。

电子束撞击工件时，其动能的96%可转化为焊接所需的热能，能量密度高达103~105kw/cm2，而焦点处的最高温度达5930o C左右。

电子束焊在工业上的应用只有50多年的历史，首先是用于原子能及宇航工业，继而扩大到航空、汽车、电子、电气、机械、医疗、石油化工、造船、能源等几乎所有工业部门，创造了巨大的社会及经济效益。

电子束焊中的核心装置是电子枪，其作用是发射电子，并使其加速和聚焦。

一种常用的三极电子枪枪体，其电极系统由阴极、偏压电极和阳极组成。

阴极处于高的负电位，与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。

偏压电极相对于阴极呈负电位，通过调节其负电位的大小和改变偏压电极形状及位置可以调节电子束流的大小和改变电子束流的形状。

一、电子束焊接的工作原理
在真空条件下。

从电子枪中发射的电子束在高电压(通常为20～300kV)加速下,通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束。

当电子束轰击工件时,电子的动能转化为热能,焊区的局部温度可以骤升到6000℃以上。

使工件材料局部熔化实现焊接。

当电子束撞击到工件表面时，电子动能转化为热能，使金属迅速熔化蒸发。

在高压金属正气的作用下熔化的金属被排开，电子束继续撞击深处的固态金属，很快在被焊工件上钻出一个琐形小孔，表面的高温还可以向焊接件深层传导。

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。

提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。

形成深熔焊的主要原因是金属蒸气的反作用力。

它的增加与电子束焊的功率密度成正比。

电子束功率密度低于103kw/cm2时，金属表面不产生大量蒸发现象，电子束穿透能力很小。

在大功率焊接中，电子书的功率密度可达105kw/cm2，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。

在大厚件的焊接中，焊缝的深宽比可高达60：1，焊缝两边缘基本平行，似乎温度横向传导几乎不存在。

但是电子束在轰击路途上会与金属蒸气和二次发射粒子碰撞，造成功率密度下降，液态金属在重力和表面张力的作用下对通道有浸灌作用和封口作用。

从而使通道变窄，甚至被切断，干扰和阻断了电子束对熔池底部待熔金属的轰击。

焊接过程中，通道不断被切断和恢复，达到一个动态平衡。

二、电子束焊分类
①按被焊接工件所处真空度的高低分为:
高真空电子束焊：被焊工件放在真空度为5×1022Pa以上的工作室中进行焊接。

这种方法是目前应用最为广泛的。

其缺点是工件大小受工作室尺寸的限制;
低真空电子束焊：工作室真空度保持在1～10Pa。

它与高真空电子束焊相比,具有真空系统简单、启动快、效率高。

减弱了焊接时的金属蒸发等;
非真空电子束焊：它是将在真空条件下形成的电子束流,引入到大气环境中对工件进行焊接,为了保护焊缝金属不受污染和减少电子束的散射。

束流在进入大气中时先经过充满氦的气室,然后与氦气一起进入
到大气中。

非真空电子束焊接成为一种实用的焊接方法,其最大优点是摆脱了工作室尺寸对工件的限制。

因而扩大了电子束焊的应用范围。

②按电子束焊机的加速电压高低分为:
高压电子束焊：其加速电压范围一般为60～150kV,可得到直径小,功率密度大的束班和深宽比大的焊缝。

其缺点是屏蔽焊接时产生的X射线比较困难;
中压电子束焊：加速电压范围为30～60kV;低压电子束焊,加速电压低于30kV。

适于焊缝深宽比不高的薄板材料的焊接。

电子束焊接主要用于以下方面:
1) 难熔金属的焊接。

如对钨、钼等金属进行焊接,可在一定程度上解决此类材料焊接时产生的再结晶发脆问题;
2) 化学性质活泼材料的焊接。

如对铌、锆、钛、钛合金、铝、铝合金、镁等金属及其合金进行焊接;
3) 耐热合金和各种不锈钢、镍基合金、弹簧钢、高速钢的焊接;
4) 对不同性质材料的焊接。

如对钢与青铜、钢与硬质合金、钢与高速钢、金属与陶瓷, 以及对厚度相差悬殊零件的焊接。

三、电子束焊接特点
①加热功率密度大。

电子束功率为束流及其加速电压的乘积,电子束功率可从几十kW到一百kW以上。

电子束束斑(或称焦点)的功率可达106～108W/cm2,比电弧功率密度约高100～1000倍。

由于电子束功率密度大、加热集中、热效率高、形成相同焊缝接头需要的热输入量小,所以适宜于难熔金属及热敏感性强的金属材料的焊接。

而且焊后变形小,可对精加工后的零件进行焊接。

②焊缝熔深熔宽比(即深宽比)大。

普通电弧焊的熔深熔宽比很难超过2。

而电子束焊接的比值可高达20以上,所以电子束焊可以利用大功率电子束对大厚度钢板进行不开坡口的单面焊。

从而大大提高了厚板焊接的技术经济指标。

目前电子束单面焊接的最大钢板厚度超过了100 mm,而对铝合金的电子束焊,最大厚度已超过300mm。

③熔池周围气氛纯度高。

因电子束焊接是在真空度为10-2～10-4Pa的真空环境中进行的。

残余气体中所存在的氧和氮量要比纯度为99.99%的氩气还要少几百倍左右,因此电子束焊不存在焊缝金属的氧化污染问题。

所以特别适宜焊接化学活泼性强、纯度高和在熔化温度下极易被大气污染(发生氧化)的金属。

如铝、钛、锆、钼、高强度钢、高合金钢以及不锈钢等。

这种焊接方法还适用于高熔点金属,可进行钨—钨焊接。

④焊接速度快，焊缝组织性能好。

能量集中，熔化和凝固过程快。

例如焊接厚度125mm的铝板，焊接速度达40cm/min，是氩弧焊的40倍。

高温作用时间短，合金元素烧损少，能避免晶粒长大，使街头性能改善，焊缝抗蚀性好。

⑤焊件热变形小。

功率密度高，输入罕见的热量少，焊件变形小。

⑥工艺适应性强。

工艺参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛适应性。

且工艺参数易于实现机械化、自动化控制，重复性、再现性好，提高了产品质量的稳定性。

⑦可焊材料多。

不仅能焊接金属和异种金属材料，也可焊接非金属材料。

⑧可简化加工工艺。

可将重复的或大型整体焊件分为易于加工的、简单的或小型部件，用电子束焊为一个整体，减少加工难度，节省材料，简化工艺。

由于电子束焊是在真空内用聚焦高能电子束(>10kV)把接头加热到熔化温度的焊接,加热区域非常集中,因此只能焊接真空室内放得下的小零件。

四、电子束焊的优缺点
优点：
1、电子束穿透力强，焊缝熔宽比大。

目前，电子束焊缝的深宽比可达50∶1。

焊接厚板时可以只开I形坡口实施焊接，因此比电弧焊可以节省辅助材料和降低能源消耗。

2、焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。

对精加工的焊件可用作最后连接工序，焊后焊件仍保持足够高的精度。

3、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，因而特别适合于活泼金属的焊接。

4、电子束在真空中可以传到较远的位置上进行焊接，因而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。

缺点：
1、设备比较复杂，费用比较昂贵。

2、焊前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确、间隙小而且均匀。

3、焊件的尺寸和形状受到工作室的限制。

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，会产生X射线，需严加防护。

五、电子束的应用
真空电子束焊接技术的应用已相当广泛,不仅应用于原子能、航天、航空等国防工业生产部门的特殊材料和结构的连接。

而且在一般机械制造工业中,尤其是在大批量生产和流水生产线中广为应用。

例如电子工业中微型器件和真空器件的焊接、导航仪器要求内部真空的密封焊接;还可用电子束焊接来修补宇宙飞船及飞行器。

这种电子束焊接设备不需配真空系统(因宇宙空间就是天然真空),可制成很小的手枪式的焊接设备;例如美国西屋公司制造的轻便型非真空电子束焊机,可焊接高42m、直径10m、壁厚12.7mm,由铝合金制作的土星五号火箭的外壳和燃料箱外壳。

另外,电子束焊还可作为真空钎焊的热源。

电子束焊所具有的优越性，使其在工业发达国家得到了迅速发展和广泛应用。

电子束焊接产品已由原子能、火箭、航空航天等国防尖端部门扩大到机械工业等民用部门。

目前全世界拥有的电子束焊机约有8000多台，焊机功率为2~300kw，实用的最大焊机功率在100kw左右。

20世纪60年代初，我国开始跟踪世界电子束焊焊接技术的发展，并开始其设备及工艺的研究工作。

我国开展电子束焊工艺研究及应用的主要领域是航空航天、汽车、电力及电子等工业部门。

电子束焊技术在我国的一些工业部门得到了广泛应用。

我国科技人员先后对多种材料，如铝合金、钛合金、不锈钢、超高强钢、高温合金等进行了较系统的研究。

在新型飞机、发动机、导弹等的试制中都用到了电子束焊技术。

目前电子束焊已作为一种先进的制造技术应用于我国航空工业。

在我国其他工业部门中，采用电子束焊的主要有高压气瓶、核电站反应堆内构件筒体、汽车齿轮、电子传感器、雷达波导等。

另外，炼钢炉的铜冷却风口、汽轮机叶片等也有的采用了电子束焊。

电子束焊的研究和推广应用非常迅速。

电子束加速电压由20~40kw发展为60kv、150kv甚至300~500kv，焊机功率也由几百瓦发展为几千瓦、十几千瓦甚至数百千瓦，一次焊接的深度可达到数百毫
米。

电子束焊接主要用于质量和生产率要求高的产品，前者主要用于核能、航空航天及电子工业，典型实例有核燃料密封罐、特种合金的喷气发动机部件、火箭推进系统压力容器、密封真空系统等；后者主要用于汽车、焊管、双金属锯条等，典型实例有汽车传动齿轮、直缝连续焊铜及钢管、齿部为钨钢背部为弹簧钢的双金属机用锯条。

近年来，国外对电子束焊及其他电子束加工技术的研究主要在于完善超高能密度电子束热源装置、掌握电子束品质和对材料的交互行为特性，以及通过计算机控制提高设备柔性、扩大应用领域等几个方面。

就工艺性来说，真空电子束很高的能量密度保证大厚度的工件可以在不开坡口的条件下一次焊成，生产率显著提高，由于焊接热影响区宽度和变形都很小，能用于精密构件的焊接，也可以用于焊接经过热处理的构件，不致引起接头组织和性能的显著变化。

因此，采用真空电子束焊，可以节约焊后校正变形及热处理所需要的人力和物力，改进焊接构件的生产工艺过程。

六、电子束焊的应用前景及发展概况
1.电子束焊在复杂零件的大批量生产中有较大的发展，例如在汽车工业中，采用电子束焊技术焊
接汽车的齿轮和后桥，可以提高工作效率、降低成本、提高零件质量。

2.在航空航天工业中，电子束焊技术将继续扩大其应用，并发展电子束焊的在线监测技术。

3.由于电子束焊在厚大件焊接中有独特的优势，所以在能源、重工业中大有用武之地。

4.在修复领域，电子束焊技术将是有价值的工艺方法之一。

5.电子束焊的焊接设备将趋向于多功能及柔性化。

电子束焊已属成熟技术，随着应用领域的扩大，
出于经济方面的考虑，多功能电子束焊的焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化将越来
越显得重要。

6.电子束焊接将是实现空间结构焊接的强有力工具。

宇航技术中所有的各类火箭、卫星、飞船、空间站、太阳能电站等的结构件、发动机以及各种仪器均需用焊接技术，而电子束焊是满足其需求的强有力的工具。

20 世纪60 年代初,我国开始跟踪世界电子束焊接技术的发展,并开始了电子束焊接设备及工艺的研
究工作。

航空工业总公司北京航空工艺研究所、广西桂林电器科学研究所及中科院沈阳金属研究所均是最早开展此项工作的几家单位之一。

该三所均分别自行研制出了中高压的真空电子束焊接设备,并用其成功进行了一系列的电子束焊接理论探讨及工艺试验,为我国电子束焊接技术的起步及发展作出了贡献。

随着我国对外开放的不断深入,进入20 世纪80 年代以后,我国多家科研单位及大型工业企业对外引进了国
外的先进电子束焊接设备,从而使我国的电子束焊接技术在研究与应用上逐步发展壮大。

在我国,电子束焊接技术已广泛应用于汽车工业、齿轮加工业、精密仪器及电子仪表制造业、电工电能领域和航空航天领域的制造及维修业。

我国重型汽车集团在“七五”期间,采用电子束焊接方法成功实现了奥地利引进项目的板材冲压货车桥壳的生产。

在中国南方航空动力机械公司,许多航空发动机关键零部件和民品生产都使用了电子束焊接技术。

北京航空工艺研究所在30 多年的时焊接间里,进行了一系列的电子束焊接工艺研究,对诸如铝合金、钛合金、不锈钢、超强钢及高温合金等均进行了较为系统的研究,
例如在某型新研制的航空发动机上,电子束焊接工作量占25 %～30 %,可以说整个发动机就是用电子束焊
接连接起来的。

电子束焊接技术在我国齿轮加工业中也得到了广泛的应用,电子束焊接分体齿轮制造技术
的应用提高了齿轮综合力学性能,极大的降低了成本,提高了生产率。

我国在不断推广电子束焊接应用的同时,还加强了电子束焊接理论方面的研究。

多年来,沈阳金属研究所等单位在电子束焊深熔及缺欠产生机理及控制方面的研究取得了一定的进展。

研究者[10]提出了电子束径非均匀线热源与聚焦点热源叠加的热源模型,并对LD11R 铝合金电子束快速焊时的空腔前沿热场分布进行了研究,建立起电子束空腔前沿的传热数学模型,并通过研究功率密度与熔化空腔前沿Si ,Mg 溶质原子的交互作用对液态金属迁移的影响提出了相应的深熔及缺欠形成理论。

北京航空材料研究院利MARC 有限元分析软件对GH909 电子束焊接热过程进行了数值模拟,引入了小孔内壁受热的能量输入模式,得到的模拟结果更好地反映了电子束焊缝的形状特点。

在异种材料的电子束焊接上,我国先后开展了双金属锯条、高温合金和不锈钢及异种高温合金材料(如GH4169/ GH907)等焊接工艺的研究。

在新材料的电子束焊接方面,国内对Ti3Al 基合金、金属间化合物Ni3Al 以及1420 铝锂合金进行了电子束焊接性的研究,探讨了焊接工艺参数对接头性能的影响。

目前,我国开展的电子束焊接技术的研究还主要以同种材料的焊接工艺应用研究为主,异种材料电子束焊接的研究范围及深度有待进一步扩大。

由于试验分析检测方法及手段上的欠缺,电子束焊接在理论研究上与国外相比还有一定的差距。