第9章 高能束焊接
电子束焊接原理
电子束焊接原理
电子束焊接是一种高能束流焊接技术，其原理是利用电子束对工件进行熔化和焊接。
电子束是通过对金属丝进行高电压电子轰击产生的，产生的电子束具有高速度和高能量，可在纳秒时间内将焊接部位加热到高温。
其焊接原理主要包括以下几个步骤：
1.电子发射与准直：将阴极表面加热，使其发射出电子，然后
通过电场和磁场的作用，使电子束准直成为直线束。
2.聚焦：利用磁场将电子束聚焦成细束，以增加束流密度和功
率密度。
3.定向和控制：通过磁场控制电子束的方向和位置，使其对准
焊接部位。
4.熔化和焊接：电子束轰击工件表面时，其动能会转化为热能，使焊接部位瞬间升温到熔化温度，形成熔池。
焊接材料进入熔池后，通过冷却凝固形成焊缝。
5.控温和控速：在焊接过程中，通过控制电子束的功率和移动
速度，来控制焊接温度和焊接速度，以实现理想的焊接效果。
电子束焊接具有焊接速度快、精度高、热影响区小等优点，适用于对高强度和高精度焊接要求的工件，如航空航天零部件、汽车零部件等。
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术（EBW）是一种先进的焊接方法，它利用高速电子束来熔化和连接金属材料。
这种焊接技术具有高能量密度、高焊接速度、优质的焊接效果和适用于各种金属材料等优点，因此在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。
本文将从高能束焊接技术的发展历程和原理、应用领域、优势和挑战等方面进行介绍。
一、高能束焊接技术的发展历程和原理高能束焊接技术最早是在20世纪50年代发展起来的，最初是用于核工业和航天航空领域。
1958年，美国杜邦公司开发出了第一台商用的电子束焊接机，这标志着电子束焊接技术开始走向工业化生产。
高能束焊接技术通过电子枪产生高速电子束，电子束击中工件表面时，产生的能量将工件表面瞬间加热到熔化温度，然后通过电子束辐照区域产生高温熔池，从而实现熔化和连接金属材料的目的。
高能束焊接技术的原理是利用高速电子束的能量瞬间加热金属材料，使其熔化并形成熔池，然后利用合适的焊接工艺来实现金属材料的连接。
与传统的焊接方法相比，高能束焊接技术具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小、热输入低等优点，因此可以实现高质量的焊接效果。
二、高能束焊接技术的应用领域高能束焊接技术在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，高能束焊接技术被广泛应用于飞机结构件、发动机零部件、航天器壳体等关键部件的焊接，以提高焊接质量和生产效率。
在汽车制造领域，高能束焊接技术通常应用于汽车车身焊接、汽车零部件焊接等工艺环节，以提高焊接强度和减少成本。
在核工业领域，高能束焊接技术被用于核反应堆压力容器、核燃料元件等核设备的焊接，以保证核设备的安全可靠性。
在电子行业领域，高能束焊接技术通常应用于电子器件的微细焊接和包装，以提高器件的性能和可靠性。
高能束焊接技术相对传统焊接方法有很多优势，主要包括以下几点：1. 高能量密度：高能束焊接技术的能量密度很高，可以实现瞬间加热和快速熔化金属材料，从而提高焊接速度和效率。
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术是一种现代焊接技术，它采用高能束作为焊接热源，利用高能束的集中能量和高能流密度，将焊接接头迅速加热至熔化温度并实现焊接。
高能束焊接技术包括激光焊接、电子束焊接和等离子焊接等多种形式。
这些焊接技术具有高能量浓度、热输入集中、加热速度快、熔深大、焊接变形小等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
高能束焊接技术的发展可追溯到20世纪40年代。
当时，电子束焊接技术首次应用于军事工业领域。
随着激光技术和等离子技术的发展，高能束焊接技术的应用范围逐渐扩大。
高能束焊接技术在航空航天领域中的应用十分广泛。
航空航天器的结构件往往需要具备高强度和高精度的特点，而高能束焊接技术能够满足这些要求。
激光焊接技术被应用于喷气发动机涡轮叶片的制造，能够提高制品的性能并保证焊接接头的质量。
电子束焊接技术被广泛应用于轻型航空航天器的生产，能够实现高效率、高质量的焊接，提高产品的可靠性。
在汽车制造领域，高能束焊接技术也发挥了重要作用。
汽车的表面涂层和涂漆往往会影响到其外观和耐腐蚀性能，而高能束焊接技术能够在不破坏基材的情况下，有效地去除涂层。
高能束焊接技术还可以用于汽车零部件的焊接，提高产品的质量和可靠性。
电子设备制造领域也是高能束焊接技术的主要应用领域之一。
电子器件往往需要高精度和高可靠性的连接，而高能束焊接技术能够实现精确的焊接和微小尺寸的焊接接头。
激光焊接技术被广泛应用于集成电路的封装和电子组装的焊接。
高能束焊接技术的发展和应用为现代工业生产带来了许多优势。
它能够实现高效率、高质量的焊接，提高产品的性能和可靠性。
随着科技的不断进步和创新，高能束焊接技术还将继续发展，并在更多领域得到应用。
《高能束加工》课件
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
焊接手册
焊接手册(第2版) 焊接方法及设备(第一卷)本卷共分6篇、41章，特点是焊接工艺与设备兼顾，原理与工艺（或设备）密切联系。
目的是引导读者正确选择和使用焊接方法及设备，并提供解决焊接工艺问题的基本途径。
具体内容包括各种电弧焊、电阻焊、高能束焊、钎焊、焊接过程自动化技术以及其他焊接方法等。
增加了药芯汉斯电弧焊及SMT中的焊接技术两章。
【目录】第1章焊接方法概述第1篇电弧焊第2章弧焊电源第3章焊条电弧焊第4章埋弧焊第5章钨极气体保护焊第6章等离子弧焊及切割第7章熔化极气体保护焊第8章药芯焊丝电弧焊第9章水下电弧焊于切割第10章螺柱焊第11章碳弧气刨第2篇电阻焊第12章点焊第13章缝焊第14章凸焊第15章对焊第16章电阻焊设备第17章电阻焊质量检验及监控第3篇高能束焊第18章电子束焊第19章激光焊于切割第4篇钎焊第20章钎焊方法及工艺第21章钎焊材料第22章各种材料的钎焊第5篇其他焊接方法第23章电渣焊及电渣压力焊第24章高频焊第25章气焊气割及高压水射流切割第26章气压焊第27章热剂焊(铝热焊)第28章爆炸焊第29章摩擦焊第30章变性焊第31章超声波焊接第32章扩散焊第33章堆焊第34章热喷涂第35章SMT中的焊接技术第36章胶接第6篇焊接过程自动化技术第37章焊接电弧控制技术第38章焊接传感器及伺服装置第39章计算机在焊接中的应用第40章焊接机器人第41章专用焊接设备设计概要-------------------焊接手册(第2版) 材料的焊接(第二卷)本卷分5篇、23章。
内容包括：材料焊接性基础、铁与钢、有色金属、异种材料、新型材料的焊接。
按生产的需要提供母材性能及焊接特点、焊接材料、焊接工艺、缺欠及防止，特别强调给出并分析生产实例、使手册更为实用。
【目录】第1篇材料的焊接性基础第1章焊接热过程第2章焊接冶金第3章焊接热影响区组织转变及其性能变化第4章焊接缺欠第5章金属焊接性及其试验方法第2篇铁与钢的焊接第6章碳钢的焊接第7章低合金钢的焊接第8章耐热钢的焊接第9章不锈钢的焊接第10章其它高合金钢的焊接第11章铸铁的焊接第3篇有色金属的焊接第12章铝、镁及其合金的焊接第13章钛及其合金的焊接第14章铜及铜合金的焊接第15章高温合金的焊接第16章镍基耐蚀合金的焊接第17章难熔金属的焊接第18章稀贵及其它有色金属的焊接第4篇异种材料的焊接第19章异种金属的焊接第20章金属材料堆焊第5篇新型材料的焊接第21章塑料的焊接第22章陶瓷与陶瓷陶瓷与金属的连接第23章复合材料的焊接--------------------焊接手册(第2版) 焊接结构(第三卷)本卷分为3篇、27章，介绍了焊接结构选材、设计、制造诸方面的问题，力求通过对典型结构的分析等介绍合理的焊接。
高能束焊接
两种高能束焊接各自特点和应用及其发展前景对于现代社会，效率对于工业生产是很重要的。
因此对于其应用的科学技术也要求很高。
为此，在焊接领域提出了利用高能密度束流作为热源的焊接方法，这就是高能束焊接。
目前狗啊能输焊接主要有两种：电子束焊接（EBW）和激光焊接（LBW）。
其能量密度必TIG或MIG等弧焊方法高一个数量级以上，通常高于5*105W/cm2。
一、电子束焊接（EBW）EBW焊接是以汇聚的高能电子束流轰击工件接缝处而产生的热能是材料融合的一种焊接方法。
这种焊接方法具有以下优点：⒈电子束功率密度高，其功率密度可达105-107W/cm2。
⒉焊缝深宽比大。
焊缝熔区很深很窄，其深宽比最高可达50：1，焊件变形可以忽略，不少零件可在精加工后焊接，不必进行后续精加工。
即使精度要求特别高的零件，焊后精加工留量可以很少，比用常规焊接方法可节省大量精加工工时。
可将原整体结构件分解成二件或二件以上工件焊接起来，可以变革原加工工艺，省时、省料、甚至可变革原零、部件的结构的设计使其更合理。
⒊电子束不仅能量密度高而且精确可调、被焊零件的厚度可以薄至0.05mm，厚至300mm（钢）或550mm（铝），不开破口，一次焊透。
⒋焊接在真空中进行，排除了大气中有害气体(如氢和氧等)的影响。
可高质量地焊一些活动性材料如钼、铍、铀、铌、钛等及其合金。
⒌可焊接物理常数差别大的材料，如非常薄的与非常厚的零件焊接或二者性质差别大的异种金属焊接，如钢与铜的焊接。
⒍由于电子束能量密度高，焊接速度可以很高，如焊O．8ram 薄钢板，焊接速度可迭200mm／s，焊接2'0 0mm 熔深锰钢，焊速可达300mmlmin。
在多工位电子束焊机上焊接汽车配电器(犒一平板焊列配电器凸轮上)其生产率可迭1440件／小时。
⒎由于焊接熔区小，焊接速度高，输入能量比常规焊接方法小得多，因此其热影响区小，有利提高焊接性能。
焊接区域邻近温度低，对封装热敏器件如集成电路组件，各类传感器探头的封装极为有利。
焊接技术与工程专业认识
焊接技术与工程专业认识引言焊接是一种重要的金属加工技术，广泛应用于各个领域，如船舶制造、航空航天、建筑、汽车制造等。
焊接技术与工程作为一门专业，旨在培养学生掌握焊接技术的原理与方法，具备设计、分析和实施焊接工程的能力。
本文将从基础概念、主要焊接方法及其应用、专业认识等方面进行详细介绍。
基础概念焊接定义焊接是利用热能使金属或非金属材料相互结合的一种工艺，通过高温、高压或电弧等手段将被焊接材料加热熔融，使其相互结合，并在冷却后形成可靠的连接。
焊接材料常见的焊接材料包括金属材料和非金属材料。
金属材料主要包括铝、铜、钢等，而非金属材料包括塑料、陶瓷等。
主要焊接方法及其应用电弧焊电弧焊是一种利用电弧加热将被焊接材料熔化的焊接方法。
常用的电弧焊包括手工电弧焊、半自动电弧焊和氩弧焊等。
电弧焊广泛应用于船舶制造、建筑结构等领域。
气体焊是利用气体燃烧产生的热能将被焊接材料熔化并连接的焊接方法。
常见的气体焊有氧乙炔焊、氩气焊等。
气体焊在汽车维修、家具制造等领域有广泛应用。
热熔焊热熔焊是利用加热将熔点较低的焊接材料加热到液态后，再将其涂覆在待焊接材料上，形成连接。
常见的热熔焊有热喷涂焊、塑料焊接等。
热熔焊在涂层修复、塑料制品加工等方面应用广泛。
高能束焊高能束焊是利用高能束（如激光束、电子束）将被焊接材料加热至熔点的焊接方法。
高能束焊具有焊接速度快、热影响区小等优点，广泛应用于微电子器件制造、精密仪器制造等领域。
专业认识资质要求从事焊接技术与工程专业的人员需要具备相应的资质和技能。
通常需要获得相关的教育背景，如焊接工程技术类专业的学士学位或高职高专学历。
此外，还需要通过相关的职业技能认证考试，如焊工资格证书等。
随着工业的发展和技术的进步，焊接技术与工程专业的需求也不断增加。
从事焊接技术与工程专业的人员可以在船舶制造、航空航天、建筑、汽车制造等领域找到就业机会。
同时，焊接技术的国内外交流与合作也不断增加，为从业人员提供了更广阔的发展空间。
高能束焊接双椭球热源模型参数的确定_王煜
高能束焊接双椭球热源模型参数的确定王 煜, 赵海燕, 吴 甦, 张建强＊(清华大学机械工程系,北京 100084)摘 要:双椭球热源模型常用于高能束焊接过程数值模拟,模型中形状参数选择的合理与否对于计算精度和效率有很大影响。
由于缺乏定量化描述,进行数值模拟时,只能依靠经验通过反复试算确定模型参数,选择的随机性很大。
为此该文提出了一种用解析法计算高能束焊接双椭球热源模型参数的方法,通过实例计算和有限元模拟对该方法进行了验证,并建立了确定模型形状参数的经验公式。
研究结果表明,使用该方法只需进行简单的解析计算便可直接求得数值模拟所需的热源参数,简化了试算过程,提高了数值模拟的效率和精度。
关键词:高能束焊接;双椭球热源模型;解析法;有限元中图分类号:TG402 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2003)02-67-04王 煜0 序 言高能束焊以其束流的强穿透能力,可获得窄而深的焊缝,且焊后成品的热影响区小,焊接质量高,因而得到了日益广泛的应用。
为了进一步提高生产效率和产品质量,需要对焊接过程进行深入详细的研究。
但焊接过程是高温下的动态过程,采用试验方法进行实时测量十分困难,数值模拟方法则提供了重要的研究手段。
对焊接热过程的准确模拟是确保热应力变形分析可靠性的重要前提,针对不同焊接过程,应采用不同的热输入模式(热源模型)进行计算。
由于高能束流具有能量密度高,加热范围集中及存在小孔效应等特点[1],用于模拟普通熔化焊过程的Gauss热源模型不适于描述这一过程,而较多采用双椭球热源模型进行焊接数值模拟[2]。
由于该热源模型所描述的热流密度分布在椭球形体积内,能够反映出束流沿深度方向对焊件进行加热的特点,因此可以对焊接温度场进行更为准确的模拟。
然而对于功率大小相同的热源,当热流密度分布不同时,计算结果会有很大差异。
双椭球模型的形状参数对其内部热流密度分布有决定性的影响,但在应用时并没有定量化的公式说明应该如何选取形状参数。
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2.2 真空电子束焊设备
由电子枪、工作真空室、高压电源、控制及调整系统、真空系 统、工作台以及辅助装置等几大部分组成，如图9-4所示。
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图9-4 真空电子束焊设备的组成示意图 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-束流控制器 16-阴极加热控制器 17-电气控制系统
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真空系统一般分为两部分：电子枪抽真空系统和工作室抽真空 系统。 低真空泵 该系统中大多使用三种类型的真空泵 油扩散泵 涡轮分子泵 真空系统还需要真空阀门及密封措施，以保证真空室的气压稳 定；真空程度的测量则利用适用于不同压力范围的真空计。 4.工作台和辅助装置 工作台、夹具、转台对于在焊接过程中保持电子束与接缝的位 置准确、焊接速度稳定、焊缝位置的重复精度都是非常重要的。
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应用
电子束焊接可应用于下述材料和场合： 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鉭、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。
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第9章 高能束焊接
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高能束焊接又称高能焊、高能密度焊，是指利用电子束、激 光束以及等离子弧等具有高能量密度的束流作为焊接热源的 焊接方法。其功率密度通常高于5×105W/cm2，本章主要介 绍电子束焊和激光焊的相关内容。
图9-2功率密度对熔深的影响
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脉冲激光焊分为传热焊和深熔焊
a传热焊 b 深熔焊 图9-3传热焊和深熔焊示意图 高能束流聚焦后的束斑直径一般都在1mm以下，高功 率密度和迅速的金属蒸发anjin Univ.
第二节 电子束焊
2.1 电子束焊原理及分类
电子束是由高压加速装置产生的高能束流，经过加速和会聚的 高能电子束流具有极高的能量密度，可达106W/cm2以上。 原理 在电子束焊(EBW，electron beam welding)过程中，高功率电 子束定向高速运动，撞击置于真空或非真空中的工件表面后， 在表面以下很浅的范围内电子动能转化为热能，使金属迅速熔 化和蒸发，产生小孔效应，形成深熔型焊接。 为了获得电子束焊的深熔焊效应，除了要增加电子束的功率密 度外；还要设法减轻二次发射和液态金属对电子束通道的干扰 分类 （1）按被焊工件所处环境分类 1）高真空电子束焊 2）低真空电子束焊 3）非真空电子束焊 Tianjin Univ. 4）局部真空型
1.1 热源
第一节
高能束焊接的特点
进行焊接的热源功率密度有一定的范围，过大或过小都不能 进行焊接，如图9-1所示。
图9-1 热源功率密度与焊接的关系
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1.2 高能束焊接的焊缝成形特点
高能束焊接的焊缝形状与束流功率密度有密切关系，功率密 度对熔深的影响尤其显著，如图9-2所示。
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2.3 电子束焊的特点及应用 特点 ：
优点： 1）加热功率密度大 2）焊缝深宽比(H/B)大 3）焊接速度快，焊缝热物理性能好 4）焊缝纯度高 5）焊接工艺参数调节范围广，适应性强 6）可焊材料多。可实现异种金属材料接头的焊接 缺点 ：1）设备复杂，价格高，使用维护要求高。 2）焊接装备要求高，焊接件尺寸受真空室大小的限制。 3）高压电子束焊接需防护x射线。
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2.3 电子束焊的工艺参数
1.电子束焊工艺过程 （1）焊前准备及接头设计 1）焊前准备电子束焊接头焊前应紧密配合，一般采用无坡口 对接形式，不加填充金属，要求接合面必须经机械加工。 真空电子束焊前必须对焊件表面进行严格清理，对于非真空电 子束焊，要求可适当降低。 2）接头设计 电子束焊接的接头形式有对接、角接、T形接头、搭接、端接 等，均可进行无坡口全熔透焊接或给定熔深的单道焊。 图9-6是典型的对接接头示意图。 图9-7是常见的角接接头。 图9-8是常见的T形接头。 图9-9是常见的电子束搭接接头 。
(2)按电子束加速电压分类 1)高压电子束焊接 加速电压在120kV以上 2)中压电子束焊接 加速电压在40~l00kV之间 3)低压电子束焊接 加速电压低于40kV (3)按电子束对材料的加热机制分类 1)传热焊接 当作用在工件表面的功率密度小于105W/cm2 时，无显著的金属蒸发，电子束能量在工件 表面转化的热能是通过热传导使工件熔化 。 2)深熔焊接 作用在工件表面的功率密度大于105W/cm2 时，金属被熔化并伴随有强烈的蒸发，形成 小孔效应，焊缝深宽比大 。
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1.电子枪 电子枪是电子束焊机的核心部件，是产生电子、使之加速、 会聚成电子束的装置，电子枪的组成可参考图9-5。
静电部分 电子枪 电磁部分
阴极 阳极 聚束极 电磁透镜(聚焦线圈) 偏转线圈 合轴系统
图9-5 电子束发生原理(电子枪)
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2.电源及控制系统 通常由： (1)加速电压电源 通常由升压、整流、调压三个部分组成 (2)阴极(灯丝)加热电源 阴极加热电源的输出功率决定阴极发 射电子的能力 (3)电磁透镜电源 要求其励磁电流稳定度≤0.1％，为提高其 稳定度，必须进行闭环控制。 (4)偏转线圈电源 无论是静偏转或动偏转，都要求偏转线圈的 电流波动小于0.1％。 (5)电气控制系统 精确控制电子束流，控制电子束流的斜坡上 升和下降时间；控制电子束的聚焦和偏转。 3.工作室及真空系统 工作室尺寸由应用范围确定。真空室的设计一方面应满足气密 性要求；另一方面应满足刚度要求；此外还要满足x射线防护 需要。