电子束焊

电子束焊焊接方法基本概念

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。

基本原理和分类

电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而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。

电子束焊的分类方法很多。按被焊工件所

处的环境的真空度可分为三种：高真空电

子束焊，低真空电子束焊和非真空电子束

焊。

1.高真空电子束焊是在10-4～10-1Pa

的压强下进行的。良好的真空条件，可以

保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化

和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质

量要求高的工件的焊接。

2.低真空电子束焊是在10-1～10Pa

的压强下进行的。压强为4Pa时束流密度

及其相应的功率密度的最大值与高真空的

最大值相差很小。因此，低真空电子束焊

也具有束流密度和功率密度高的特点。由

于只需抽到低真空，明显地缩短了抽真空

时间，提高了生产率，适用于批量大的零

件的焊接和在生产线上使用。

3.在非真空电子束焊机中，电子束仍

是在高真空条件下产生的，然后穿过一组光阑、气阻和若干级预真空小室，射到处于大气压力下的工件上。在压强增加到7～15Pa 时，由于散射，电子束功率密度明显下降。在大气压下，电子束散射更加强烈。即使将电子枪的工作距离限制在20～50mm，焊缝深宽比最大也只能达到5：1。目前，非真空电子束焊接能够达到的最大熔深为30mm。这种方法的优点是不需真空室，因而可以焊接尺寸大的

工件，生产率较高。

工艺特点和应用范围

1.工艺特点

①电子束穿透能力强(功率密度可达106W/cm2)，焊缝深宽比大(可达50:1)，易于实现厚度差极大的焊件之间的接。

②焊接速度特快(大于1m/min )，热影响区小，焊接变小。

③真空环境中焊接，有利于提高焊缝质耸。

④可达性好。在真空环境下，电子束可发射到较远位置，且束流直径远细于任何电极或焊枪。

⑤可控性好。通过控制电子束聚焦，可实现穿透数层非焊接件后再聚焦于焊接位置进行焊接；通过控制电子束偏移，可实现复杂接缝的自动焊接；还可通过电子束扫描熔池以消除焊接缺陷。

应用范围

1.航空航天工业：加工一些技术要求高并有特殊用途的部件，如直升飞机的零部件或卫星燃料箱。

2.能源和电子工业：大批量加工铜制品和其它一些接触材料的产品如断路器

3.铁路，造船和医药工业：安全可靠的连接，如德国高速火车的扣环和适用人体的植入物。

4.机器设备制造和食品工业：小批量和大批量加工不锈钢制品以及其它不同的钢的结合物的产品。可通过电子束焊接重达50吨的工件

影响焊接质量的工艺参数

影响电子束焊接质量的一些工艺因素，如焊缝结构设计、工装模具、焊接参数、电子束斑点位置、预热和退火、填充材料以及电子束跟踪焊接等。

1.焊缝结构及配合间隙

在焊接实践中，会碰到形形色色的工件，焊缝结构也各不相同，但总体上可分为：对焊缝、端焊缝、角焊缝（包括穿透焊缝），或区分为直线焊缝、环线焊缝、曲线焊缝、点焊缝，还

有等截面焊缝和变截面焊缝等。为了达到最佳焊接效果，焊缝结构和配合间隙的设计至关重要，既要考虑工件（部件）在整机中的作用，又必须满足被焊材料可焊性和具体焊接工艺的要求。

所以在实施焊接之前，应该与工程设计人员共同讨论焊接件的焊缝结构，或通过工艺试验确定合理的结构与间隙尺寸。

2.工装模具

为了将被焊接的工件置于焊机之中，工装模具（夹具）直接影响焊接的实施效果，从一定意义上讲，模具的正确设计是焊接工作成功的一半。

3.焊接参数

根据被焊工件的材料、尺寸及结构选取相应的工艺参数是焊接工作的主要内容。

1）焊接功率的影响。电子束的焊接功率指：

P=U·I

式中P—功率（w），U—电压（kV），I—束流（mA）它直接影响焊接的熔深，随着焊接功率的增大，焊接熔深呈线性增大。

从加速电压的高低区分，高压焊机（如150kV）的电子束穿透能力更强，与低中压焊机相比，同等功率时焊接熔深会大一些；但亦有一种观点认为焊接熔深取决于电子枪的性能。

2）焊接线能量的影响。焊接线能量指

E=P/S

式中E—线能量（J/mm），P—功率（w），S—焊速（mm/s）

焊接线能量的输入大小对焊缝的成型起很大作用，如可以获得焊缝的最佳深宽比。另外，快速焊接时工件变形较小；慢速焊接可防止高强钢等工件产生裂纹。

3）临界焊接参数的作用。我们在进行薄件和高精度工件的焊接工艺试验时，发现它的焊接参数非常严格，偏大或偏小均会导致失败，将此参数称之谓临界焊接参数。

电子束焊接主要焊接焊接参数有电子束电流(束流)、加速电压、焊接速度、聚焦电流、焦点工作距离等。

(1)对熔深的影响熔深与加速电压、束流成止比，与束斑直径(受聚焦电流影响)、焦点工作距离及焊接速度成反比。

（2）对焊缝横断面深宽比的影响在其他参数不变情况下，焊缝横断面深宽比与加速电压成正比。增加束流，熔深和熔宽也都会增加。增加焊接速度会使焊缝变窄，熔深减小。电子束聚焦状态对熔深及焊缝形状有很大影响。焦点(束斑)变小可使焊缝变窄，熔深增加。

必须指出，以上趋势只是一般规律。对不同设备，由于电子枪结构、加速电压和真空度的差异，其束流品质并不完全一致，因而在不同设备上焊接同一接头时，上述诸工艺参数也并不完全相同。

焊接方法（系统）设备与装置组成和性能指标

电子束焊焊接装置按加速电压高低分，可分为高压电子束焊(>120kV)中压电子

束(60-100 kV)和低压电子束焊(<40kV)三类；按焊件所处环境分可分为高真空电

子束焊( 10-4~10-1 Pa)、低真空电子束焊(10-1~10Pa)和非真空电子束焊三类。

其装置主要由电子枪、电源、工作室(真空室)、运动系统、真空系统及电气控制

系统等组成。

(1)电子枪电子枪为电子束焊焊接装置的关键部件。

(2)电源由高压电源、阴极加热电源和偏压电源组成，密封于以纯净变压器油

作为介质的油箱中。

(3)真空系统用于电子枪和工作室的抽真空，分别以机械泵、油扩散泵和