电子束焊接

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1、电子束焊接摘 要：电子束焊接广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车 和电气电工仪表等众多行业。电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接 或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可 以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能， 使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。它具有不用焊条、不易 氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点。关键词：电子束焊接；应用发展；基本原理；1、电子束焊接的应用及发展电子束焊是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。电子束焊是一种先进的焊接方法，在工业上的应

2、用只 有不到 60 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、电器、机械、医疗、石油化工、造船、能源等工业部门，创造了巨大的社 会经济效益，并日益受到人们的关注。1.1 电子束焊接的应用现状电子束焊在新型材料加工业中的应用非常广泛，新型材料加工业是一个新兴 的具有很大发展前景的产业。电子束焊在新型材料加工业中的应用如图 1 所示。 有些新兴材料热比较敏感，用普通的焊接方法进行焊接作业时很容易产生形变， 而电子束焊接产生的电子束极细，且可以通过汇聚作用实现有效的控制，在焊接 时能够将热量控制在极小部位，瞬间将材料融化并立即凝固，对焊缝周边材料几 乎没有影响，从而实现了对

3、热敏感材料的焊接。随着新型材料加工业的发展壮大 和新型材料类型的增加，电子束焊接也会在这个领域有更多的应用1。图 1 电子束焊接新技术航空航天领域对于各种零部件的精细化程度和耐受力要求到近乎苛刻的程 度，要能够承受高空恶劣的环境、高低温度的变化、超重和失重等，确保万无一 失。电子焊接技术在航空航天领域有重要的应用，是促进航空航天事业发展的强 有力工具之一。电子焊接具有很好的柔性，在飞机重要承力件、发动机转子等部件的焊接上 应用广泛。比如。美国生产的F-22战机（禽猛）的机身需要焊接一种钛合金，对 焊缝长度和厚度要求很高，一般的焊接技术无能只能望洋兴叹，而采用电子束焊 接技术成功实现了达 87彻

4、的焊缝长和 20mm 的厚度焊接，而且采用电子束焊接技 术，不需要另附连接焊条，减少了战机的有效载重提高了灵敏度和作战能力。高真空电子束焊接技术非常适用于宇宙空间站和太阳能电站的建设及宇宙 飞船的修复。宇宙空间站和太阳能电站建设时，在宇宙空间用电子束焊接，不需 要使用焊条，避免了额外的增重，而宇宙空问处于真空状态，也和电子束焊接所 需条件不谋而合。美国在上世纪六十年代就研制出了在宇宙空间进行焊接作业的 电子束焊机，专门用来对阿波罗登月舱进行维修，防止登月舱与地球表面碰撞时 受到损坏而无法返回地球。科学家们经过大量实验，认为电子束焊机是最理想的 修复宇宙空间站和太阳能电站的技术，在未来的空间站和

5、太阳能电站发展中，电 子束焊接技术将发挥重要的作用2。图 2 某型号发动机功率轴的焊接电子束焊在重工业领域也得到了广泛的应用，重工业领域对焊接作业的需求 量很大，特别是在一些诸如厚大界面不锈钢、异种材料、Al或Ti合金的焊接中， 电子束焊接技术都得到了广泛的应用。如在核工业的大型核反应堆隔板的焊接中 采用电子束焊接技术，可以实现 150mm 的焊接深度，最大程度上避免隔板焊缝处 开裂引起的核泄漏。在精密仪器、发动机、专用刀具等的制造工序中，经常需要将两种或以上不 宜相容的金属进行对接焊，由于金属特性的差异性，一般的焊接手段很难做到， 而电子束焊接凭借其超高的能量密度，可以实现几种不同熔点金属的

6、瞬间熔化， 从而实现完美焊接。美国在二十世纪六十年代就开始将非真空电子束焊接应用到 汽车零件的生产中，大大提高了零件生产的效率和产量，非真空电子束焊接也逐 步受到汽车制造商的青睐。非真空电子束焊接凭借其成本低廉、重复性好和焊接 处变形小质量高的优势，在汽车工业中占有了一席之地。电子束焊在汽车行业的 应用如图 3 所示。齿轮b电于東押接恸检图丨桥壳结构示总图1.牺头坯玛竝 一蝕兰/环埠纹 氛铠兰用d.轴头 i华桥売仇垛向胖讎t_2J- 整悴式自轮图 3 电子束焊接应用于汽车制造1.2 电子束焊接的发展电子束的发现迄今已有 100 多年的历史。电子束焊接技术起源于德国，1948 年前西德物理学家

7、K. H. Steigerwald 首次提出电子束焊接的设想；1954 年法 国的 J. A. Stohr 博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志着电子束焊接金属 获得成功；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公 布了该技术，电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；1958 年开始，美国、英 国、日本及前苏联开始进行电子束焊接方面的研究，20 世纪 60 年代后，我国开 始从事电子束焊接研究3。随着电子束焊接技术在各工业领域的渗透应用，特别是其在精密加工、原子 能及航空航天领域的良好应用前景，使得各国的研究者竞相展开了对电子束焊接 基础理论及应用技术的研究。国外的研究

8、工作者已对电子束的焊接机理及焊接工 艺进行了较系统全面的研究，并取得了一系列丰硕成果，极大地推动了电子束焊 接技术的完善和发展。目前,研究领域正不断地扩大2。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。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

9、成本，提高了生产率4。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。如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。2、电子束焊接及其焊接原理电子束焊（Electronic Beam Welding）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，撞击工件表面并将动能转化为热能，使被焊金属迅 速融化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，融化的金属

10、被排开，电子束能继续撞 击深处的固态金属，很快在被焊工件上钻出一个锁形小孔，表层的高温还可以向 焊件深层传导。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，冷却结晶后形成焊缝。提高电子束的功率密度可以增加穿透厚度，电子束焊 的最大优点是具有深熔透效应。采用电子枪和电子光柱组装而成并应用于电子柬焊的原理如图 4 所示。该图 表明，三极管（阴极、栅极、阳极）型的电子枪用以产生电子束流，同时，聚焦和 偏转电子光学系统用以控制电子柬流撞击工件的方式 （产生最终束斑大小和定 位）。在操作过程中，阴极、发射器由于直接或间接加热而发射电子，该电子在 焊枪栅极、阳极产生的静电场加速下，形成平行

11、光束，聚焦并形成高能量密度的 电子束流撞击到工件表面。驱fil療图4电子束焊原理图5锁孔焊原理KL f * Mat mm溜;冈琶在任何固定操作电压条件下，三极管型电子枪允许枪内电子流的大小逐渐按 期望值进行调整(例如，电子束操作电流，从而将产生的光束能量传递给工件)。 因此，通过改变阴极与阳极问电位差，电子束能容易瞬时关闭或在高度控制模式 下实现操作水平大幅增加或降低。除了提供产生高度聚焦或轻微散焦在工件上的 能力外，电子光学系统还提供了以静态(固定位置变化)或动态(振动位置变化)方 式偏转电子束光斑的能力。对比传统的焊接方法，电子束焊的主要连接优点在于能够进行称之为“锁孔 焊接”的能力，如图

12、5 所示。在锁孔焊接中，高能密度电子束撞击到工件表面产 生金属蒸气并渗入到工件中。这就要求电子束能量直接被传递到焊接点结合表面 并渗入工件内部，而不是像传统的焊接方法简单的堆积在结合表面。由于金属蒸 气的移动，在其前进边缘不断形成熔化的金属液并流动，在其后侧边缘不断凝固 并形成最终焊接接头5。2.1 电子束焊分类焊接方法各类繁多，而且新的方法仍在不断涌现，因此如何对焊接方法进行 科学的分类是一个十分重要的问题。正确的分类不仅可以帮助人们了解、学习各 种焊接方法的特点和本质，而且可以为科学工作者开发新的焊接技术提供有力根 据。目前，国内外焊接方法分类法种类甚多，各有差异。传统意义上通常是将焊 接

13、方法划分为三大类，即熔化焊(Fusion Welding)、压焊(Pressure Welding)、 钎焊(Brazing and Soldering),然后，根据不同的加热方式、工艺特点等将每 一大类方法再细分为若干小类。电子束焊是通过高能密度的电子束轰击焊件使其局部加热和融化而实现焊 接的，所以，电子束焊属于熔化焊。电子束焊按被焊工件所处环境的真空度可分 为三类：高真空电子束焊、低真空电子束焊、非真空电子束焊。高真空电子束焊是在高真空 工作室的压强下进行的。良好的高真空环境， 可以保证对熔池的“保护”，防止金属元素的氧化和烧坏，适用于活泼性金属、 难熔金属的焊接。低真空电子束焊是在高真空

14、 工作室的压强下进行的。低真空电子束焊也具有束流密度大和功率密度高的特点。由于只需要抽到低 真空，明显地缩短了抽真空的时间，提高了生产效率，适用于批量生产大的零部 件和生产线上使用。非真空电子束焊没有真空工作室，电子束仍是在高真空条件 下产生的，通过一定的手段引入到大气中对焊件进行焊接。2.2 电子束焊特点电子束焊接的特点可概括如下：电子束斑点直径小，加热功率密度大，焊接 速度快，焊缝宽度狭窄，热影响区小，特别适宜于精密焊接和微型焊接：可获得 深宽比大的焊缝，焊接厚件时可以不开坡口一次成形；多数构件是在真空条件下 焊接，焊缝纯洁度高；规范参数易于调节，工艺适应性强。焊接工艺参数的重复 性和再现

15、性好；适于焊接多种金属材料；焊接热输入低，焊接热变形小。当然电子束焊接方法也有一些不足，例如：电子束焊机结构复杂，控制设备 精度高，所需费用高；冷却过程中快速凝固，引起焊接缺陷，如气孔、焊接脆性 等；工件大小受真空室尺寸的限制，每次装卸工件要求重新抽真空4。2.3 电子束焊的设备与装备选用电子束焊设备时，应综合考虑被焊材料、板厚、形状、产品批量等因素。 电子束焊机通常由电子枪、高压电源、控制系统、真空工作室、真空系统、工作 台及辅助装置等几大部分组成。电子束焊焊机示意图以及焊缝形状如图 6 所示。一般来说，焊接化学性能活泼的金属（如w、Ta、Mo、Nb、Ti）及其合金应 选用高真空焊机；焊接易

16、蒸发的金属及其合金应选用低真空焊机；厚大焊件应选 用高压型焊机，中等厚度工件选用中压焊机；成批量生产时应选用专用焊机，品 种多、批量小或单件生产选用通用型焊机。图 6 焊机示意图和焊缝形状2.4 激光焊和电子束焊的比较电子束与激光加工同属于高能密度束流加工技术，应用的领域大体相同，其 能量密度在同一段数量级远高于其他热源。与传统焊接技术比较，激光焊接与电 子束焊接都具有更多优异的特性：能量密度高（大于105W/cm2）；焊接速度高（一 般可以达到510m/min）；热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%20%）；热流输 入少、工件变形小；易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；非接触加工、无后 续加工。相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊 前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所