电子束焊新技术和新工艺讲解

特种焊接——电子束焊新技术和新工艺目录1.前言2.电子束焊的特点3.电子束焊焊接方法的分类4.电子束焊的主要优缺点5.电子束焊的应用范围6.电子束焊的设备与装备7.电子束焊的焊接工艺8. 电子束焊的工艺参数9.获得深熔焊的工艺方法10.总结1.前言在各种产品制造工业中，焊接与切割（热切割）是一种十分重要的加工工艺。

据工业发达国家统计,每年仅需要进行焊接加工后使用的钢材就占钢总产量的45%左右。

金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。

焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天技术、原子能、电力、电子技术及建筑等部门。

随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术不断进步。

仅以新型焊接方法而言，到目前为止，已达数十种之多。

特种焊接技术是指除了焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等一些常规的焊接方法之外的一些先进的焊接方法，如激光焊、电子束焊、等离子弧焊、扩散焊等。

生产中选择焊接方法时，不但要了解各种焊接方法的特点和选用范围，而且要考虑产品的要求，然后还要根据所焊产品的结构、材料以及生产技术等条件做出初步选择。

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。

电子束撞击工件时，其动能的96%可转化为焊接所需的热能，能量密度高达310～510KW/2cm ，而焦点处的最高温度达5953C 左右。

电子束焊是一种先进的焊接方法，在工业上的应用只有不到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。

2.电子束焊的特点电子束焊（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。

3.电子束焊焊接方法的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。

3.1高真空电子束焊焊接是在高真空()411010Pa --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。

3.2低真空电子束焊焊接是在高真空()11010Pa -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。

3.3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。

4.电子束焊的主要优缺点4.1电子束焊的优点（1）加热功率密度大：电子束焦点处的功率密度可达310～510KW/2cm ，比普通电弧功率密度高100～1000倍。

（2）焊缝深宽比大：通常电弧焊的深宽比很难超过2，电子束焊的深宽比在50：1以上。

电子束焊比电弧焊可节约大量填充金属和电能，可实现高深宽比的焊接。

（3）焊接速度快和焊缝物理性能好：电子束焊速度快和能量集中，融化和凝固快，热影响区小，焊接变形小。

（4）焊缝纯度高：真快电子束焊的真空度一般为4510Pa -⨯，这种焊接方式尤其适合焊接钛及钛合金等活性材料。

（5）工艺参数调节范围广和适应性强：电子束焊的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好；而且电子束焊的焊接参数易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。

（6）可焊材料多：不仅可焊钢铁材料、有色金属和一种金属材料的接头，也可焊无机非金属材料和复合材料，如陶瓷、石英玻璃等。

4.2电子束焊的缺点（1）设备复杂，价格贵，使用维护技术要求高。

（2）焊接装备要求高，焊接尺寸受真空室大小的限制。

（3）需防护X射线。

电子束也可以用来在焊前对金属进行清理。

这项工作是用较宽、不聚焦的电子束扫过金属表面实现的。

把氧化物汽化，同时把不干净的杂质和气体生产物清除掉，给控制栅极以脉冲电流就能精确地控制电子束的能量。

5.电子束焊的应用范围电子束焊由于具有改善接头力学性能、减小缺陷、保证焊接稳定性、大大减少生产时间等优点，其所具有的优越性使得其在工业发达国家得到了迅速发展和广泛应用。

电子束焊产品已由原子能、火箭、航空航天等国防尖端部门扩大到机械工业等民用部门。

电子束焊接主要用于质量或生产率要求高的产品，焊接技术可应用于下列材料和场合：（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以用电子束焊接。

（2）可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的金属。

（3）可不开坡口焊接厚度不大的工件，焊接变形小；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，或用于焊件内部要求真空的密封器件；焊接精密仪器、仪表、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，还可用于钎焊热源。

6.电子束焊的设备与装备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。

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。

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。

7.电子束焊的焊接工艺7.1焊前准备（1）结合面的加工与清理电子束焊接头金属紧密配合无坡口对接形式，一般不加填充金属，仅在焊接异种金属或合金，又确有必要时才使用填充金属。

要求结合面经机械加工，表面。

宽焊缝比窄焊缝对结合面要求可放宽，搭接接头也粗糙度一般为1.5～25m不必过严。

焊前必须对焊件表面进行严格清理，否则易产生焊缝缺陷，力学性能变坏，还影响抽气时间。

清理完毕后不能再用手或工具触及接头区，以免污染。

（2）接头装配电子束焊接头要紧密结合，不留间隙，尽量使结合面平行，以便窄小的电子束能均匀融化接头两边的母材。

装配公差取决于焊件厚度、接头形状和焊接工艺要求，装配间隙宜小不宜大。

焊薄工件时装配间隙要小于0.13mm，随着焊件厚度的增加，可用稍大一些的间隙。

（3）夹紧电子束焊是机械或自动化操作的，如果零件不是设计成自紧式的，必须用夹具进行定位与夹紧，然后移动电子枪体或工作台完成焊接。

为了避免电子束发生磁偏转，要使用无磁性的金属制造所有的夹具和工具。

（4）退磁所有磁性的金属材料在电子束焊之前都必须退磁。

剩磁可能因磁粉探伤、电磁卡盘或电化加工等造成，即使剩磁不大，也足以引起电子束的偏转。

焊件退磁后可放在工频感应磁场中，靠慢慢移出进行退磁，也可用磁粉探伤设备进行退磁。

7.2接头设计电子束焊接的接头形式有对接、角接、搭接和卷边接头，均可进行无坡口全熔透或给定熔深的单道焊。

这些接头原则上可以用于电子束焊接的一次穿透完成。

如果电子束的功率不足以穿透接头的全厚度，也可采取正反两面焊的方法来完成。

电子束焊不同接头有各自特有的结合面设计、接缝准备和施焊的方位。

设计原则是便于接头的准备、装配和对中，减少收缩应力，保证获得所需熔透度。

8. 电子束焊的工艺参数电子束焊的工艺参数主要是加速电压、电子束电流、聚焦电流、焊接速度和工作距离。

电子束焊的工艺参数主要由板厚来决定。

板厚越大，所要求的热量输入越高。

为了防止裂纹、气孔和保证质量，对焊接工艺参数要严格控制。

（1）加速电压在相同的功率、不同的加速电压下，所得焊缝深度和形状是不同的。

提高加速电压可增加焊缝的熔深，焊缝断面深宽比与加速电压成正比例。

当焊接大厚度件并要求得到窄而平的焊缝或电子枪与焊件的距离较大时可提高加速电压。

（2）电子束电流由电子枪阴极发射流向阳极的电子束电流（也称束流）与加速电压一起决定着电子束的功率。

电子束的功率是指电子束单位时间内放出的能量，用加速电压与电子束电流的乘积表示。

增加电子束电流，熔深和熔宽都会增加。

在电子束焊中，由于加速电压基本不变，所以为满足不同的焊接工艺要求，常常要调整电子束电流。

（3）焊接速度焊接速度和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、宽度以及被焊材料熔池行为（冷却、凝固及焊缝融合线形状）。

增加焊接速度会使焊缝变窄，熔深减小。

（4）聚焦电流电子束焊时，相对于焊件表面而言，电子束焊的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种，焦点的位置对焊缝成形影响很大。

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。

（5）工作距离焊件表面至电子枪的工作距离影响到电子束的聚焦程度。

工作距离变小时，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。

但工作距离太小会使过多的金属蒸汽进入枪体造成放电。

在不影响到电子枪稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。

9.获得深熔焊的工艺方法电子束焊的最大优点是具有深熔透效应。

为了保证获得深熔透效果，除了选择合适的电子束焊工艺参数外，还可以采取如下的一些工艺措施。

（1）电子束水平入射焊当焊接熔深超过100mm时，可以采用电子束水平入射焊，从侧向进行焊接。

（2）脉冲电子束焊在同样的功率下，采用脉冲电子束焊可有效地增加熔深。

（3）变焦电子束焊极高的功率密度是获得深熔焊的基本条件。

电子束功率密度最高的区域在其焦点上。

焊接大厚度焊件时，可使焦点位置随着焊件的溶化速度变化而改变，始终以最大功率密度的电子束轰击待焊金属。