电子束焊
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。
电子束焊
化焊的目的。
❖通常电子枪的工作电压几十到几百千伏，为防止高压击 穿，束流散射和能量损耗，电子枪必须具有一定的真空。 所以电子束焊又称真空电子束焊接。
湘潭大学机械工程学院 洪波
一、电子束焊的基本原理
一定功率的电子束经电子透镜聚焦后， 其功率密度可以达到106 W/cm2以上，是目 前已实际应用的各种焊接热源之首。
湘潭大学机械工程学院 洪波
如果电子以平行于轴的方向射入磁透镜，受透镜的作用与
轴相交，交点称为磁透镜的焦点，焦点与透镜中心平面的 距离称为焦距f。改变透镜的安匝数NI，即可改变磁场强度， 可以改变焦距f。
NI
NI
f
会聚作用
f
经磁透镜会聚的电子束斑称为电磁束斑
实际上静电束斑散射后的电子束，经磁透镜重新会聚后， 不会在同一平面成像，理想的几何点也变成轮廓模糊的散 射园。这种现象称为像差，电子枪内磁透镜的像差主要是 球差和色差。
通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接 缝的自动焊接；电子束在真空中可以传到 较远（约500mm）的位置上进行焊接，因 而也可以焊接难以接近部位的接缝。有广 泛的适应性。
湘潭大学机械工程学院 洪波
5、可焊材料多。
电子束焊不仅能焊接金属和异种金属材料的接头， 也可焊非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。
真空电子束焊的真空度一般为5×10-4Pa，尤其 适合焊接钛及钛合金等活性材料、难熔合金和热 敏感性强的材料、纯度高的金属等。还可以焊接 形状复杂的工件。
湘潭大学机械工程学院 洪波
3）偏转线圈
由带极靴的圆环形的铁芯和套 在极靴上的线圈绕组组成。
❖线圈内通以直流电后，在两极靴 间产生均匀磁场；电子经过该磁 场时会产生劳伦磁力，方向垂直 于电子原来的运动方向，电子束 会发生偏转。
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。
电子行业电子束焊
电子行业电子束焊1. 引言电子束焊（Electron Beam Welding）作为高能电子束照射和加热材料表面来实现焊接目的的一种焊接技术，广泛应用于电子行业。
电子束焊具有高能量、高聚焦度、高功率密度等优点，能够实现高质量的焊接效果。
本文将介绍电子束焊在电子行业中的应用以及其工艺特点和优点。
2. 电子束焊在电子行业中的应用电子束焊作为一种高精度、高效率的焊接方法，被广泛应用于电子行业。
其主要应用包括以下几个方面：2.1 集成电路的封装在集成电路封装过程中，需要将封装芯片与引线焊接在一起。
电子束焊因其高能量的特点可以快速将引线和芯片焊接到一起，而不会造成局部过热的问题。
这对于保证芯片的性能和稳定性非常重要。
2.2 电子器件的组装电子器件的组装过程中，通常需要将不同的零件焊接在一起。
电子束焊因其高能量的特点可以快速将不同材料的零件焊接在一起，而不会对零件产生过多的热影响。
这种焊接方法可以确保焊点的质量和稳定性。
2.3 超导材料的制备在电子行业中，超导材料的制备是一项非常重要的工作。
电子束焊因其高能量的特点可以在材料表面形成高密度的热源，以实现超导材料的制备和改性。
2.4 电子元器件的修复在电子行业中，电子元器件的修复是一项常见的任务。
电子束焊因其高能量的特点可以将受损的电子元器件与其他部件焊接在一起，以实现修复的目的。
3. 电子束焊的工艺特点电子束焊作为一种特殊的焊接方法，具有以下工艺特点：3.1 高能量密度电子束焊使用高能电子束进行焊接，电子束能量密度非常高，可以使焊接过程中的热输入量和焊接速度得到很好的控制，从而实现高质量的焊接效果。
3.2 高聚焦度电子束焊使用电磁透镜系统聚集电子束，使其能量集中在很小的焦点上。
这种高聚焦度使得焊接过程中的热影响区域非常小，对焊接材料的热影响较小，可以减少变形和应力的产生。
由于电子束焊的高能量密度和高聚焦度特点，可以在很短的时间内完成焊接过程。
这种高速度的焊接可以提高生产效率，减少生产成本。
电子行业电子束焊接
电子行业电子束焊接简介电子束焊接是一种常用于电子行业的高精度焊接技术。
它利用电子束的高能量特性，将焊接材料加热至高温，快速融化并连接在一起。
电子束焊接具有精度高、焊接速度快和热影响区小等优点，广泛应用于半导体、电子元件和电路板的制造过程中。
工艺流程电子束焊接的工艺流程包括以下几个步骤：1.准备工作：对焊接材料进行清洁处理，确保表面不含杂质和氧化物。
同时，需要根据焊接要求确定焊接参数，包括电子束功率、聚焦电压和聚焦电流等。
2.对焊接材料进行定位和夹持：将待焊接的材料放置在焊接台上，并使用夹具进行固定，以确保焊接过程中的稳定性和准确性。
3.开始焊接：启动电子束装置，将电子束聚焦并瞄准焊接位置。
电子束穿过电子枪并聚焦在工件上，加热焊接材料达到融化温度并实现焊接。
4.焊接结束：完成焊接后，关闭电子束装置，等待焊接区域冷却。
同时，对焊接区域进行检查，确保焊接质量符合要求。
特点和优势电子束焊接在电子行业中得到广泛应用，主要受益于以下几个特点和优势：•高精度：电子束焊接能够提供非常精确的焊接结果，焊接位置和焊缝的尺寸控制非常准确，有助于保证电子产品的稳定性和可靠性。
•焊接速度快：电子束焊接的加热速度非常快，因为电子束本身具有高能量，能够迅速将焊接材料加热至融化温度。
相比传统焊接方法，电子束焊接能够大大缩短焊接时间，提高生产效率。
•热影响区小：电子束焊接时，焊接区域受热的时间非常短，因此在焊接过程中产生的热量对材料周围的影响非常小。
这意味着电子束焊接可以避免或减少由于热应力引起的变形和损坏，提高焊接质量。
•适用范围广：电子束焊接可以应用于各种材料的焊接，包括金属、陶瓷和非金属材料。
它在不同类型的电子元件、半导体和电路板的制造过程中都有重要的应用价值。
•自动化程度高：电子束焊接可以与自动化设备相结合，实现工艺的自动化和智能化。
通过编程和机器控制，可以实现焊接参数的精确控制和焊接过程的自动化控制。
应用案例LED封装在LED封装过程中，电子束焊接被广泛应用于焊接LED芯片和良好导热性能的基座之间的连接。
电子束焊
电子束焊利用高速、聚焦的电子流轰击金属工件表面，使其在瞬间熔化并形成焊缝的方法，称作电子束焊，焊接原理如动画所示。
通常在真空中从炽热阴极发射的电子，被高压静电场加速和聚焦后，又进一步由电磁场会聚成高能密度的电子束（束径0.25～100mm，能量密度5×106W/cm2）。
当电子束轰击工件表面时，由于受到金属原子的阻挡，电子的动能在瞬间变成热能，使金属加热、熔化、蒸发，并在工件表面下部产生一深熔空腔，电子束和工件相对移动时，使熔化金属向前转移，形成窄而深的大深宽比焊缝。
电子束焊特点：（1）热源能量密度高，焊接速度快，焊缝线能量小。
焊缝深宽比大，最大可达20：1～50：1。
焊接热影响区小，工件变形小。
（2）电子束可控性好，焊接规范调节范围宽且稳定。
（3）真空保护好，无金属电极污染，保证了焊缝金属的高纯度。
（4)节能、节材，在大批量或厚板产品生产中，焊接成本是电弧焊的50％左右。
（5）焊接设备复杂，造价高，焊接尺寸受真空室限制，使用维护技术要求高，需注意防护X射线。
利用电子束作为热源的焊接方法。
如图电子束焊原理图所示﹐热阴极(或灯丝)发射的电子﹐在真空中被高压静电场加速﹐经磁透镜產生的电磁场聚集成功率密度高达1.5×105瓦/厘米2的电子束(束径为0.25～1毫米)﹐轰击到工件表面上﹐释放的动能转变为热能﹐熔化金属﹐焊出既深又窄的焊缝(深/宽比可达10﹕1～30﹕1)﹐焊接速度可达125～200米/时﹐工件的热影响区和变形量都很小。
电子束的焊接工作室一般处於高真空状态﹐压力为10-1～100帕﹐称为高真空电子束焊。
处於低真空状态时压力为100～10000帕﹐称为低真空电子束焊。
在大气中焊接的称为非真空电子束焊。
真空工作室为焊接创造高纯洁的环境﹐因而不需要保护气体就能获得无氧化﹑无气孔和无夹渣的优质焊接接头。
随著工作室气压的增加﹐电子束散焦程度增大﹐焊缝的深/宽比减小。
电子束焊机有两类﹕低压电子束焊机的加速电压为30～60千伏﹔高压电子束焊机的加速电压可达175千伏。
焊接高级技师培训教材电子束焊
第一节 电子束焊概述 二.电子束焊的特点
(7)焊接金属质量高 在真空环境中焊接，不仅可以 防止熔化金属受到氢、氧、氮等有害气体的污染， 而且还有利于焊缝金属的除气和净化。
(8)电子束容易受控 焊接参数易于精确调节，通过 控制电子束的偏移，可以实现对复杂焊缝的自动焊 接，在焊接过程中可以通过电子束扫描熔池来消除 缺陷，从而提高焊接接头质量。
三.铝及铝合金的电子束焊
③ 焊接含有锌、镁元素的高强度铝合金时，为防止 过量的金属蒸汽，应该适当降低电子束的能量密度。 铝及铝电子束焊的焊接参数见表9-2。
铝及铝电子束焊的焊接参数
第四节 常用材料的电子束焊
四.纯铜的电子束焊
纯铜电子束焊的焊接参数
第四节 常用材料的电子束焊
五.钛及钛合金的电子束焊
第二节 电子束焊的焊接设备 五.运动系统
运动系统由工作台、转台及夹具组成。 目的是使电子束与焊件循焊接路线实行相对 (焊件不动，电子枪动，或反之)运动。
第二节 电子束焊的焊接设备 六.电气控制系统
电气控制系统目前已大都采用程控技 术，焊接过程已可实现全自动化。
第二节 电子束焊的焊接设备 七.辅助系统
1)焊前用化学方法，仔细清洗待焊处及对接边缘的油、 污、锈、垢及氧化膜。 2)填充焊丝或填片在焊前要进行真空退火除氢。 3)薄板焊接时，应采用卷边接头形式。 4)对于高温条件下使用的钛合金焊件，其工艺流程是： 退火-焊接-固熔处理-时效。 5)对于在其他条件下使用的钛合金焊件，其工艺流程是： 固熔处理-时效-焊接。
第一节 电子束焊概述 二.电子束焊的特点
深宽比通常在50：1
第一节 电子束焊概述 二.电子束焊的特点
(4)焊接速度快 电子束焊能量集中，熔化速度快， 一般焊接速度在1000mm/min以上。
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深又窄的焊缝（深／宽比可达10:1～30:1），焊接速度可达125～200米/时,
工件的热影响区和变形量都很小。电子束的焊接工作室一般处于高真空状态， 压力为10(～100帕，称为高真空电子束焊。处于低真空状态时压力为100～ 10000帕，称为低真空电子束焊。在大气中焊接的称为非真空电子束焊。真
空工作室为焊接创造高纯洁的环境，因而不需要保护气体就能获得无氧化、
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
电子是物质的一种基本粒子，通常情况下他们围绕原子核高速运转。当给电 子一定的能量，他们能脱离轨道跃迁出来。加热一个阴极，使得其释放并形 成自由电子云，当电压加大到30到200kv时，电子将被加速，并向阳极运动。 如图所示，热阴极（或灯丝）发射的电子，在真空中被高压静电场加速，经 磁透镜产生的电磁场聚集成功率密度高达1.5×10(瓦／厘米(的电子束(束径为 0.25～1毫米),轰击到工件表面上,释放的动能转变为热能,熔化金属，焊出既
谢谢
特种焊接技术及应用
电子束焊
姓名：吴中东
班级：焊接1311 学号：2013118526104
目录： 电子束焊
一 概念与基本原理 二 四 工艺特点与参数 焊机组成与指标
五
应用范围
应用实例 总结
一 绪论
电子束焊接至今有100多年的历史在人们了解电子性能之前，曾经有过“阴极极 射线”的名称。早在1879年Williamcrookersh发现在阴极射线管中的铂阳极因被 阴极射线轰击而熔化的现象。20年后，1897年，J.Jhompaon的研究证明，所谓 的阴极射线实际就是电子束。电子束的焊按技术起源于德国1948年，西德 k.h.steigerrwald博士，在致力于研究更高工作频率的示波器时，发现高功率密度 的电子束可以熔化、烧蚀、冲刷金属的现象。据此，他提出了用电子束切割焊接 的设想。1951年，申请了在各种材料上钻孔的电子束设备的专利，并与1952年， 在蔡司公司(zeiss)制造了第一台电子束加工机。
应用实例
航天工业中，压力容器的主要功能是为卫星或者飞船贮存并提供各种流体介 质，其中燃料贮箱和气瓶是星船推进系统最重要的部件，其作用是给星船各 种发动机提供燃料、高压气体等工作介质。推进系统部分或整体失效将意味 着卫星无法定点在指定轨道或无法进行轨道保持，最终导致卫星使用寿命降 低甚至整星报废。因此，研制高可靠的星船压力容器始终是卫星等空间系统 应用中最重要的保障技术条件之一，而电子束焊接在星船压力容器的制造中 占据着主导地位。高压气瓶（含肼瓶）是星船中配合贮箱共同完成推进系统 工作的重要部件[14]，一般需要承载几百个大气压的工作压力。从统计的故 障及失效实例表明，气瓶的焊缝是主要薄弱环节，因此针对星船气瓶焊接质 量的要求历来非常苛刻。由于产品需承受较高的压力并且瓶体内部洁净度要 求很严格，气瓶的主要焊接接头（中间赤道缝和两级圈盖板端面缝）只能采 用对接结构形式，焊接工艺必须采用单面焊双面成形的电子束穿透焊，且穿 透焊接过程中不允许有内部飞溅多余物，此外焊缝内外表面的咬边缺陷在这 类容器焊接中也比较常见，需要从设备及工艺等方面加强控制。
无气孔和无夹渣的优质焊接接头。随着工作室气压的增加，电子束散焦程度 增大，焊缝的深／宽比减小。
电子束焊原理图
电子束焊工艺
加热功率密度大 焊缝熔深熔宽比大 焊接速度快和焊缝热物理性能好 加速电压 电子束电流 焊接速度 焊缝纯度高
工艺特点
工艺参数调节范围广和适应性强 可焊材料多 聚焦电流
工艺参 数
工作距离
真空电子束焊接技术的应用已相当广泛,不仅应用于原子能、航天、航空等国防工业生 产部门的特殊材料和结构的连接。而且在一般机械制造工业中,尤其是在大批量生产和 流水生产线中广为应用。例如电子工业中微型器件和真空器件的焊接、导航仪器要求 内部真空的密封焊接;还可用电子束焊接来修补宇宙飞船及飞行器。这种电子束焊接设 备不需配真空系统(因宇宙空间就是天然真空),可制成很小的手枪式的焊接设备;例如美 国西屋公司制造的轻便型非真空电子束焊机,可焊接高42m、直径10m、壁厚12.7mm, 由铝合金制作的土星五号火箭的外壳和燃料箱外壳。另外,电子束焊还可作为真空钎焊 的热源。
高真空电子束焊
非真空电子束焊
低真空电子束焊
分类
焊机组成与指标
组成
高压电源及 控制系统 电子枪 工作台和辅助装置 真空工作室 真空系统
指标
1额定加速电压 120kV，纹波系数<1%，稳定度<1%
2额定电子束流50mA，纹波系数＜1%，稳定度＜1%
电子束焊的应用范围
1) 难熔金属的焊接。如对钨、钼等金属进行焊接,可在一定程度上解决此类 材料焊接时产生的再结晶发脆问题; 2) 化学性质活泼材料的焊接。如对铌、锆、钛、钛合金、铝、铝合金、镁 等金属及其合金进行焊接; 3) 耐热合金和各种不锈钢、镍基合金、弹簧钢、高速钢的焊接; 4) 对不同性质材料的焊接。如对钢与青铜、钢与硬质合金、钢与高速钢、 金属与陶瓷, 以及对厚度相差悬殊零件的焊接。
应用实例
如美洲虎攻击机的阿杜尔涡扇发动机钛合金压气机转子采用了7条环形电子 束焊缝；米格-29的PД -33涡扇发动机高压压气机转子前3级盘及第4~6级 盘鼓，苏-27的AЛ -31Ф 涡扇发动机高压压气机的第1~3级盘及4~6级盘， 均采用了电子束焊接技术；德国EADS SpaceTransportation公司已将电 子束焊接应用于火箭发动机燃烧室的生产。最典型的代表是美国大型客机发 动机—— CMF56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气 机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊接，使发动机的重量、结构设计、 结构的制造精度和使用寿命均得到了改善，使发动机的制造水平得到了极大 的飞跃。
总结
基于电子束焊接异种材料的优越性,当前各国在异种材料的电子束焊接方面 逐步扩大了异种材料之间连接的研究范围，目前航空航天用的高温结构材料及 先进的新型结构材料与黑色金属、有色金属的异种材料的电子束焊接已经成为 各国高度关注的研究热点。今后电子束焊接的发展趋势可以概括为： (1)扩大在航空航天工业中的应用范围,并在修复领域发挥作用； (2)焊接设备将趋向多功能化和柔性化； (3)非真空电子束焊接的研究和应用将越来越热门； (4)在厚大件和批量生产中继续发挥其独特优势； (5)电子束焊接将在空间结构焊接中发挥巨大作用； (6)将广泛应用于异种材料焊接。