电子束焊接(EBW)
大型电子束焊接设备(EBW)真空抽气系统设计
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
大型电子束焊接设备(EBW)真空抽气系统设计
大抽速的真空抽气系统是大型电子束焊接设备(electron beam welding,EBW)中必不可少的组成部分。
本文介绍了一个大型电子束焊设备中真
空抽气系统的组成及其设计思路、方法,并对此真空抽气系统所能得到的本底真
空度、工况真空度以及各阶段的抽气时间进行了详细的计算。
为大型真空设备
的研制提供一个有益的思路和便捷的方法。
国际热核聚变实验反应堆
电子束焊是近三十年来新发展起来的一种熔化焊接方法, 它利用空间定向
运动的电子束以高速撞击到工件表面后产生的热能使工件熔化，形成焊缝。
电
子束焊接的质量一方面取决于电子束源以及加工工艺的优化，而从电子束的加
工工艺来说，很大程度上取决于真空的环境，真空度的提高可以减少高速电子
束的减速和阻尼现象，而抽真空速率对电子束的整个加工时间起着决定性的作用。
此大型电子束焊接设备的需抽容积较大，需要一个大抽速的真空系统，
现对此真空抽气系统进行设计。
设计要求
为了使电子束内的杂质微粒对真空的影响减至最小，延长阴极寿命，应
尽可能地提高电子束焊接室的真空度。
工作时焊接室需经常开启以更换焊接
件，因此要尽可能地减少真空抽气时间，以提高焊接效率。
此真空抽气系统的具体设计要求如下：
(1) 焊接室需抽容积为48 m3，材料为复合不锈钢。
在焊接前，焊接室的本底真空度要求达到1 乘以10- 2 Pa。
电子束焊接
1.3.1 焊前准备
焊前清理：真空电子束焊前必须对焊件表面
进行严格清理，否则将导致焊缝产生缺陷， 接头的力学性能降低，不清洁的表面还会延 长抽真空时间，影响电子枪工作的稳定性， 降低真空泵的使用寿命。
1.3.1 焊前准备
观察窗口通常由三重玻璃组成，里层为普通玻璃；中层 的铅玻璃是防护X射线的作用；外层的钢化玻璃是承受 真空室内外压力差的。
采用工业电视可以使操作者能连续观察焊接过程，防止 肉眼受强烈光线刺激的危害。
1.2.2 电子束焊机的选用
选用电子束焊机通常考虑以下几个方面： 焊接化学性能活泼的金属（如W、Ta、Mo等）及其合金应
零件装配： 对于无锁底的对接接头，板厚δ＜1.5mm时，局部最
大间隙不应超过0.07 mm；随板厚增加，间隙略增。 板厚超过3.8mm时，局部最大间隙可到0.25 mm。
焊薄工件时，一般装配间隙不应大于0.13mm。
1.3.1 焊前准备
非真空电子束焊时，装配间隙可以放宽到0.75mm。 深熔焊时，装配不良或间隙过大，会导致过量收缩、 咬边、漏焊等缺陷。
1.1.2 电子束焊的特点及分类
2．电子束焊的缺点 设备比较复杂，投资大，费用较昂贵； 电子束焊要求接头位置准确，间隙小而且均匀，
焊前对接头加工、装配要求严格； 真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到
工作室的限制； 电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量； 电子束焊接时产生X射线，需要操作人员严加防护。
由电子枪、工作室（也 称真空室）、电源及电 气控制系统、真空系统、 工作台以及辅助装置等 几大部分组成。
1.2.1 电子束焊机的组成
电子束焊
• 电子束电流：（简称束流）与加速电压一起决定着
电子束焊的功率。 • 增加电子束流，热输入增大，熔深和熔宽都会增加。 • 在电子束焊中，由于加速电压基本保持不变，所以
为满足不同的焊接工艺需要，常常要调整电子束电
流值。
• 焊接速度：电子束焊接的一个基本工艺参数，其影响 焊缝的熔深、熔宽以及被焊材料的熔池行为（冷却、 凝固及焊缝熔合线形状）。 • 通常随着焊接速度的增大，熔宽变窄，熔深减小 • 热输入与电子束焊接能量成正比，与焊接速度成反比。
• 低真空电子束焊：在真空度为10-1～10Pa范围内进行。由于 只需要抽到低真空，减小了抽真空的时间，从而加速焊接过
程，提高了生产效率。
• 适用于大批量零件的焊接和生产线上使用。 • 非真空电子束焊接：电子束是在真空条件下产生的，然后穿 过一组光阑、气阻通道和若干级预真空小室，射到处于大气 压力下的工件上。非真空电子束焊接能够达到的最大熔深为
时很快在被焊焊件上“钻”出一个匙孔，小孔的周围被
液态金属包围。 • 随着子束与焊件的相对移动，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。
• 在电子束焊接过程中，焊接熔
池始终存在一个匙孔。匙孔的
存在，从根本上改变了焊接熔 池的传质、传热规律，由一般 熔焊方法的“热导焊”转变为 “穿孔焊”。
• 电子束焊接的角接头：
• 电子束焊接T形接头：
• 搭接接头：常用于焊接厚度小于1.6mm的焊件。
8.主要焊接参数及其选择
• 加速电压：电子束焊接的一个重要工艺参数；
• 提高加速电压可增加焊缝的熔深。在大多数电子束
焊过程中，加速电压参数往往不变，但当电子枪的
工作距离较大或者要求获得深穿透的平行焊缝时， 应提高加速电压(选用高压型设备)。 • 通常电子束焊机工作在额定电压下，通过调节其他 参数来实现焊接参数的调整。
电子束焊EBW
电子束焊EBW)电子束焊是从1950年晚些时候开始商业应用的，它已经赢得了业界的认可。
开始时，该工艺要求在一个高真空室内操作。
然而，该工艺迅速得到改进，只在电子束产生的部位需要高真空。
这就有了在中真空或非真空环境中焊接的选择。
这个进步使得该工艺被汽车和消费品制造商认可。
所以，EBW在世界范围的工业中得到广泛的应用(见图3.44-3.46)。
EBW是一种熔化连接工艺，它通过带有高能量的电子束撞击要焊接的接头来连接材料。
电子束焊的关键部位是电子束枪。
电子是通过加热与负极相连的发射阴极或“灯丝”，使它达到它的热电子发射温度范围，电子蒸发并被吸引到与正极相连的阳极上而产生的(见图3.47)。
在发射器周围有配置好的栅格或偏罩，以帮助加速和成型电子形成电子流。
电子束通过阳极上的开孔离开电子枪继续向工件运动(见图3.48)。
一但电子束离开电子枪，它会渐渐发散。
为了抵消这种发散，使用一个电磁镜系统来汇聚电子束，它将电子束在工件上汇聚成一个点。
电子束的发散和汇聚角度都很小，这可使聚焦的电子束得到一英寸的范围的有效聚焦或“景深”。
电子束焊有四个基本参数：加速电压，电子束电流，焦点尺寸和焊接速度。
基本设备包括真空室，控制和电子束枪(见图3.44-3.46)。
典型的功率是30-175kV和50-1000mA。
电子束产生比激光束更高的能量密度。
如激光束焊一样，电子束焊通常采用“小孔”模式，它产生非常深非常窄的焊缝(见图3.49)。
在大多数应用中，熔深比宽度大得多，而且产生的热影响区非常窄。
例如，在真空条件下，0.5英寸(13mm)板材对接，焊缝宽度会小至0.003英寸(0.8mm)。
这与弧焊和气焊的焊接接头有着明显不同的焊缝区，主要是通过导热熔化得到熔透。
通过电磁偏转可以很容易地移动电子束。
在大多数情况下，偏转是用于调整电子束和接头之间的偏移，或用于产生圆，椭圆或其它形状。
偏转会修订作用于接头的平均能量密度，这会改变焊道的形状。
电子束焊接工艺
焊件
电子枪 电子束流 真空室
真空电子束焊接示意图
阴极 聚束极 阳极 聚焦线圈 偏转线圈 焊件
灯丝电源 偏压电源 高压电源
电子束
阳极 聚束极 阴极
灯丝电源
静电部分示意图
• 小结： • （1）阴极发射电子束 （2）聚束极控制束流大小 • （3）阳极加速电子束流 • （4）阴极和阳极形成同心球静电场，从阴极发射束流形成锥束 • （5）聚焦线圈控制工作距离 （6）偏转线圈改变焦点的位置 • 二，真空电子束焊的特点 • 1，加热功率密度大 2，焊缝深宽比大 3，焊缝不易污染 • 4，规范参数调节范围宽，适应性强 • 三，应用 • 1，电子工业微型器件 2，航天真空密封件 3，原子能工业 • 4，汽车 5，机械工业
• §2真空电子束焊接工艺
• 一，焊缝形成过程 • 1，熔化成型方式 • 2，深穿入式成型方式 • 二，规范参数对焊缝成型的影响 • 三，接头形式与电子束焊的特异功能
• 1，对接
2，搭接
3，丁接
• 四，焊接缺陷及防止措施
• 1，焊缝成型不连续
2，咬边 3，下塌
• §3低真空，非真空电子束焊及电子束焊的分类
• 一，低真空及非真空电子束焊的提出
• 二，电子束焊真空度对熔深的影响
• 三，电子束焊的分类方法
• 按其真空度分：
• 1，真空电子束（高真空） 2，低真空电子束 3，非真空电子束
• 按其加速电压分：
• 1，高压电子束焊 2，中压电子束焊 3，低压电子束焊
第三章电子束焊接
• 电子束焊接：EBW——Electron Beam Welding
• §1真空电子束焊接(图2)
• 一，原理(图3) • 电子枪分为两部分： • 1，静电部分(图4) • 静电部分的作用： • （1）发射电子束流 （2）控制束流的大小 • （3）加速电子束Байду номын сангаас （4）会聚电子束流 • 2，电磁部分 • 电磁部分分为聚焦线圈和偏转线圈
影响电子束焊接质量的几个工艺因素
影响电子束焊接质量的几个工艺因素摘要：电子束焊接具有它独特的优点，应用广泛。
为了得到高质量的焊缝，需要注意诸多问题。
本文通过对实际例子的论述和分析，讨论了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。
关键词：电子束焊接质量工艺因素1.引言电子束焊接（Electron Beam Welding—EBW）技术是高能束（High Energy Density Beam—HEDB）加工技术的一个重要组成部分，与激光焊接相比各有优点[1]。
电子束焊接除了具有输入能量密度高、加热面积小、焊接速度快、焊缝热影响区窄、工件变形小等特点之外，还具有电子束穿透深、焊缝深宽比大、电子束控制方便以及真空环境中的焊缝不受污染等特点[2]。
电子束焊接适于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。
作为热加工手段之一，电子束焊接技术已经比较成熟，但又有良好的发展势头，有关机理、自动化程度、质量监控、应用领域等研究内容尚在不断进步。
我们从二十世纪六十年代开始进行电子束焊接工艺及应用研究，涉及的材料有高熔点金属、高弹性合金、可伐合金、不锈钢、高强钢、有色金属及其合金和陶瓷等非金属材料；涉及的工件结构多种多样，以中小型精密零件为主。
三十多年来已取得多项科技成果。
本文试图从一些具体工件的焊接实例入手（以本单位的应用范例为主）讨论影响电子束焊接质量的几个工艺因素。
2.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。
航空发动机制造的电子束焊接技术分析
航空发动机制造的电子束焊接技术分析电子束焊接是一种高效、高精度的焊接技术，可以用于航空发动机制造中的许多关键部件的焊接，如进气道、涡轮叶片、压气机叶盘和推进器等。
本文将介绍航空发动机制造中电子束焊接的技术原理、应用和优势。
一、技术原理电子束焊接利用电子束作为热源将两个或更多金属材料连接在一起。
电子束是由电子枪产生的高速电子流，其速度接近光速并由半导体电子透镜控制成较小的直径束流。
当电子束进入金属材料表面时，将会对材料表面的原子产生剧烈的碰撞，从而使材料表面的原子逐渐被加热，最终达到熔化的状态，再与另一块金属材料相连。
二、应用航空发动机制造中，由于零部件的特殊性，需要对材料进行高强度和高精度的焊接。
电子束焊接技术可以通过精确的控制焊接参数来满足这些要求，主要应用于以下部分：1. 进气道：进气道是航空发动机中负责吸入空气以供给发动机所需的部件。
在制造进气道时，一般需要将多个壳体部件焊接在一起，电子束焊接技术可以实现高精度、不失真的连接。
2. 涡轮叶片：涡轮叶片是发动机中的关键部件，其质量和精度直接影响发动机的性能。
电子束焊接技术可以实现对叶片的高精度连接和修复，提高了叶片的使用寿命和性能。
3. 压气机叶盘：压气机叶盘是发动机中压缩空气并将其送至燃烧室的重要部件。
使用电子束焊接技术可以实现对叶盘高精度、高强度的连接，确保叶盘在高压力下不会出现问题。
4. 推进器：推进器是发动机中将燃气排出的部分，其工作环境非常苛刻，需要耐高温、耐磨损的连接方式。
电子束焊接技术可以实现高强度、不失真的连接，从而确保推进器的可靠性和性能。
三、优势1. 高精度：电子束焊接技术可以实现焊接时对热输入和熔深的高精度控制，从而确保焊缝的精度和表面质量。
2. 高强度：电子束焊接技术的焊接强度较高，可以满足航空发动机的高强度要求。
3. 不失真：电子束焊接技术的焊接过程中产生的热量仅仅聚焦在工件的焊缝处，不会对整个工件造成明显的变形，从而保证了产品的精度。
电子束焊接技术在工业中的应用和发展
电子束焊接技术在工业中的应用和发展电子束焊接技术在工业中的应用和发展摘要:本文介绍了电子束焊接及主要特点,总结了近年来电子束焊接在航空航天、电子与仪表、汽车等工业领域中应用现状,并对其发展作了展望。
关键词: 电子束焊接应用现状发展电子束焊接(EBW)是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法和现代焊接技术,自50年代首先应用于核工业,经过四十多年的发展,电子束焊接不仅在一些高新技术领域充分应用,而且已成为一般工业部门的一种重要加工手段。
一、电子束焊接的特征由于高能量密度的电子束流集中作用的结果,使电子束焊接熔池“小孔”形成机理与其他熔化焊有所不同。
电子束焊接过程是,高压加速装置形成的高功率电子束流,通过磁透镜会聚,得到很小的焦点(其功率密度可达104~109W/cm2),轰击置于真空或非真空的焊件时,电子的动能迅速转变为热能,熔化金属,实现金属焊接的目的。
电子束焊接的特点可概括如下:(1)电子束斑点直径小,加热功率密度大,焊接速度快,热影响区小;(2)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;(3)多数构件是在真空条件下焊接,焊缝纯洁度高;(4)规范参数易于调节,工艺适应性强;(5)适于焊接多种金属材料;(6)焊接热输入低,焊接热变形小。
但是电子束焊接方法也有一些不足,如:(1)电子束焊机结构复杂,控制设备精度高,所需费用高;(2)焊接前对接头加工、装配要求严格,以保证接头位置准确、间隙小而且均匀;(3)真空电子束焊接时,被焊工件尺寸和形状常常受到工作室的限制,每次装卸工件要求重新抽真空;(4)冷却过程中快速凝固,引起焊接缺陷,如气孔、焊接脆性等;(5)电子束易受杂散电磁场的干扰,影响焊接质量;(6)电子束焊接时产生的X射线需要严加防护,以保证操作人员的健康和安全。
二、电子束焊接的分类1、根据焊件所处真空度的差异可分为:(1)高真空电子束焊接(真空度为10-4～10-1Pa):该方法电子散射小,作用在工件上的功率密度高,穿透深度大,焊缝深宽比大,适宜于活性金属、难熔金属及质量要求高的工件焊接,应用最为广泛。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
焊接时产生X射线需严加防护
26
电子束焊接独有的两种缺陷
（1）钉尖
产生部位： 常发生在部分熔透焊缝的根部。 形成原因： 电子束功率的脉动，液态金属表面张力和冷却速度过大 而液相金属来不及流入所致。 解决措施: 接头采用垫板，将缺陷引出；偏转扫描电子束；
27
电子束焊接独有的两种缺陷
（2）冷隔
产生部位： 厚件焊缝根部和稍高处会出现较大的空洞， 把上下熔化金属分隔来。 形成原因：
（2）曲线法
在积累大量资料数据的基础上，可以根据不同的参数 绘制出不同的曲线，也可以通过试验做出常用材料的参数 曲线。
（3）正交试验法
利用正交表的正交性，进行少数几项试验就可以 找到焊接参数的趋势和理想参数。 18
焊前清理
（1）机械清理：砂纸打磨、刮削等。 （2）化学清理：酸洗、丙酮及酒精擦拭。
19
电子束焊分类
（5）按照电子枪特征分类
定枪式和动枪式 直热式和间热式
二级枪和三级枪
（6）按照深穿加热特点分类
普通电子束焊接 脉冲电子束焊接
9
电子束焊接的接头
（1）对接接头：电子束焊接最适应的一种接头形式
10
电子束焊接的接头
（2）T型接头
11
电子束焊接的接头
（3）搭接接头
12
电子束焊接的接头
（4）边接接头：用于气敏性部件
2
基本原理
9 11 1 2 3
14 15
10 16 17 7 8
13
6 4 5
12
电子束焊接结构原理示意图
(1) 阴极 (2) 聚束极 (3) 阳极 (4) 聚焦线圈 (5) 偏转线圈 (6) 光学观察系统 (7) 真空工作室 (8) 工作台及传动系统 (9) 高压电源 (10)电气控制系统 (11)电子枪真空系统 (12)工作室真空系统 (13)真空控制及监测系统 (14)阴极加热控制器 (15)束流控制器 (16)聚焦电源 (17)偏转电源
焊接规范参数对焊缝成型的影响
（1）功率密度的影响 （2）主要参数对成型的影响
加速电压U、电子束束流I、焊接速度V
20
功率密度的影响
焊缝的熔深主要取决于形成空腔的金属蒸发速率，而金属 蒸发速率的大小与电子束肚饿功率密度密切相关。研究表明 电子束的功率密度越大，则熔深增大，而焊缝宽度减小。
21
加速电压的影响
目录
背景知识
真空能提供比保护气体更纯净的环境，但是电弧 这些元素对氧、氮、氢的亲和力导致在保护气 加速电子提供能量源来融化焊接金属的 促使人们对高熔点金属及稀贵金属需求的增加 1950年前后，核工业发展 不能再真空中维持 氛下的接头质量不够稳定 想法应运而生
1
基本原理
定义：
电子束焊接是利用会聚的高能电子束轰击工件 接缝处产生热能使工件融合的一种焊接方法。通常 束斑直径小<1mm(0.1~0.75mm）。
31
电子束焊接与激光焊接的对比
激光焊接的优点：
不需要真空室，可在空气中进行 不需要对焊件进行去磁处理，可焊接磁性材料 没有防X射线问题
循环时间大大低于电子束焊接
32
电子束焊接与激光焊接的对比
电子束焊接的优点：
能量转化率大大高于激光焊接 不考虑材料反射问题 可用于大功率焊接，较激光焊接经济 具有更高的深宽比
3
电子束焊接机实物图
4
基本原理
电子与材料的相互作用
5
基本原理
电子束 金属蒸汽
液态金属 反冲力f
基材
6
电子束焊分类
（1）按照加速电压不同
低压电子束焊接（U=15~30KV） 中压电子束焊接（U=40~60KV） 高压电子束焊接（U=100~150KV） 超高压电子束焊接（U>300KV）
（2）按照真空度不同分类
13
电子束焊接的接头
（5）圆柱体对接接头
14
电子束焊接的接头
（6）特殊接头
15
真空电子束焊接的工艺过程
（1）电子束焊接经济性和焊接结构合理性分析 （2）焊接工装夹具的设计与制造 （3）焊接规范参数的选着确定 （4）焊接前清理 （5）装夹 （6）施焊 （7）焊后检测
16
电子束焊接经济性与结构合理性分析
高真空电子束焊接（10-3~10-6torr） 低真空电子束焊接（10-2~0.5torr）
非真空电子束焊接（大气中）
7
电子束焊分类
（3）按照焊件在真空中的位置分类
全真空电子束焊接
局部真空电子束焊接
（4）按照功率不同分类
大功率电子束焊接（60KW以上）
中功率电子束焊接（30~60KW）
小功率电子束焊接（30KW以下） 8
(1)加速电压增加，斑点功率密度提高，从而使金属的汽
化速率提高 (2)加速电压增加也会改善电子的光学聚焦性能，提高功 率密度
综上，增加加速电压，熔深增加，熔宽减小，深宽比增大
22
束流的影响
（1）束流增加，使得束斑功率密度增加 （2）束流增加，空间电荷扰动增加，降低电子束聚焦性能
综合影响为：束流增加，熔深增加，熔宽也略微增加。
33
谢谢~
厚件中气孔的一种特殊表现形式，与电子束焊缝形
成机制有关。厚板焊接时，金属蒸汽和其它气体逸出 受阻，在较快冷却速度下留在焊缝中。
解决措施：
减少工件产生气体的来源；降低加速电压， 适当降低焊速；采用扫描束。 28
焊缝的对比
29
电子束焊接应用实力照片
30
电子束焊接与激光焊接的对比
共同的优异特性：
能量密度高(>105 w/cm2) 焊接速度快(一般可达5~10m/min) 热影响区窄(一般为焊缝的10%~20%) 热流输入少，工件变形小 无后续加工 易实现自动控制
23
焊接速度的影响
焊接速度的增加，将使焊接输入能量减少，从而使 熔深，，焊缝深宽比大 能量低，热影响区窄 焊速快，焊接效率高 焊接参数再现性好，易于控制实现自动化
真空焊接可实现高质量的焊缝
工艺适用性好，可焊材料范围宽
25
电子束焊接缺点
电子束焊接成套设备价格昂贵 焊缝对中精度要求高 焊接前接头设计，清理及装配要求高 电子束易受磁场干扰 工件尺寸受真空室大小限制 焊接质量受真空条件限制
（1）经济性：
不重要的非主承力焊缝，一般的碳钢及低合金结构钢焊缝，接 头结构复杂，有遮挡，需做复杂工装的焊缝不采用电子束焊。
（2）结构合理性：
密闭容器要有放气工艺孔；工件之间配合紧密； 尽量采用简单结构；考虑工作室的尺寸；
考虑电子束的可达性。
17
焊接规范参数的选择确定
（1）试件法
加工一些与工件结构类似的模拟件进行试焊，得到 规范参数后，再用这些参数对正式件进行焊接。