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。
• 单道焊接厚度超过100mm的碳素钢，厚度超过400mm的铝
板，焊接时无需开坡口和填充金属； • 焊薄件的厚度可小于2.5mm，甚至薄到0.025mm • 可焊厚薄相差悬殊的焊件。 • 非真空电子束焊不受此限制，可以焊接大型焊接结构，但 必须保证电子枪底面出口到焊件上表面的距离，一般在 12～50mm之间，其可焊厚度单面焊时一般很少超过10mm。
30mm。
• 由于不需真空室，因而可以焊接尺寸大的工件，生产率较高。
5.电子束焊的适用范围
• 应用领域：由于电子束焊接具有焊接深度大、焊缝性能好、焊接变形小、焊
接精度高、并有较高的生产率等特点。因此，在航空航天、汽车制造、压力
容器、电力及电子等工业领域中得到了广泛地应用，能够实现特殊难焊材料 的焊接。
• 电子束焊的接头形式：对接、角接、T形、搭接和端接。
电子束直径细，能量集中，焊接时一般不加焊丝，所
以电子束焊接头设计应按无间隙接头考虑。 • 设计的原则：便于接头的准备、装配和对中，减少收 缩应力，保证获得所需熔透深度。 • 如果电子束的功率不足以一次穿透焊件，也可采用正 反两面焊的方法来完成。对重要承力结构，焊缝位置 应避开应力集中区。
• 真空电子束焊机组成： 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。
7.焊接工艺
焊前准备
• 接合面的加工： • 电子束焊接头属于无坡口对接形式，装配时力求使零 件紧密接触。电子束焊要求接合面经过机械加工，其 表面粗糙度由被焊材料、接头设计而定，在 1.5~25um间选定。 • 一般电子束焊接不用填充金属；只在焊接异种金属或
• 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。
3.电子束焊接独有的两种缺陷
3.1.针尖 • 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；
气进入枪体中造成放电现象；
• 在不影响电子枪稳定工作的前提下，可以采用尽可
能短的工作距离。
3. 电子束焊的分类
• 根据被焊工件所处环境的真空度可将电子束焊分为：高真空电子束焊、低真
空电子束焊和非真空电子束焊 三种。
• 高真空电子束焊接是在真空度为10-4～10-1Pa的环境
下进行，具有良好的真空条件，电子束很少发生散
射，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焊 接，也适用于各种形状复杂零件的精密焊接。
• 电子束聚焦状态：对焊缝的熔深及其成形影响较大。
• 焦点变小可使焊缝变窄，熔深增加。 • 根据被焊材料的焊接速度、接头间隙等决定聚焦位置，进而确定电子束斑点 大小。
• 工作距离：应在设备最佳范围内。
• 工作距离变小时，电子束的斑点直径变小，电子束
的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，增加了电
子束功率密度。但工作距离过小会使过多的金属蒸
3.2.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 开来。 • 形成原因：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。
• 上世纪60年代后，我国开始从事电子束焊接研究；
2.电子束焊的概述
• 电子束焊（Electronic Beam Welding，EBW）是指在真空或非真空环境中，
利用汇聚的高速电子流轰击焊件接缝处所产生的热能，使被焊金属熔合的一
种焊接方法。电子束焊是一种高能束流焊接方法。
3.电子束焊的基本原理
4.电子束焊的特点及分类
1．电子束焊的优点
• 电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。 • 焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。 • 焊缝纯度高，接头质量好。 • 再现性好，工艺适应性强。 • 可焊材料多。
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；
• 可焊接的材料：除含有大量高蒸气压元素的材料外， 一般熔焊能焊的金属，都可以采用电子束焊，如铁、
铜、镍、铝、钛及其合金等。此外，还能焊接稀有
金属、活性金属、难熔金属和非金属陶瓷等；焊接
熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。焊接
热处理强化或冷作硬化的材料，而接头的力学性能 不发生变化。
• 焊件的结构形状和尺寸：
• 电子束的产生：电子束从电
子枪中产生。一定功率的电 子束经透镜聚焦后，电子束 电流为20 ~ 1000mA，焦点直 径约为0.1 ~ 1mm，功率密度 可达106 W/cm2以上，比普通 电弧功率密度高100 ~ 1000倍， 属于高能束流。
Байду номын сангаас
• 电子束撞击到焊件表面，电子的动能就转变为热能，使
金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下熔化的 金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同
• 有特殊要求或特殊结构的焊件：
• 焊接内部需保持真空度的密封件，靠近热敏元件的焊件，
形状复杂而且精密的零部件；
• 施焊具有两层或多层接头的焊件，这种接头层与层之间
可以有几十毫米的空间间隔。
6.电子束焊机的组成
• 电子束焊机可按真空状态和加速电压分类：
• 按真空状态：真空型、局部真空型、非真空型；在实际 应用中以真空电子束焊机居多。 • 按电子枪加速电压：高压型（60~150kV）、中压型 （40~60kV）、低压型（≤40kV）。
1.电子束焊接起源与发展
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K.H.Steigerwald首次 提出用电子书焊接的设想； • 1954年法国J.A.Stohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志电子束焊接 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；
合金时，可根据需要使用填充金属。
• 焊件清理：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。
• 焊前预热：对需要预热的工件，根据一定的形状、尺寸及所需要的预 热温度，选择一定的加热方法（如气焊枪、加热炉、感应加热、红外 线辐射加热等），在工件装入真空室前进行。 • 如果工件较小，加热引起的变形不会影响工件质量时，可在真空室内 用散焦电子束来进行预热。