电子束焊

　　电子束焊是利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使金属熔合的一种焊接方法。电子轰击工件时，动能转变为热能。电子束作为焊接热源有两个明显的特点：

　　1、功率密度高   电子束焊接时常用的加速电压范围为30～150kV，电子束电流20～1000mA，电子束焦点直径约为0.1～1mm，这样，电子束功率密度可达106W/cm2以上。

　　2、精确、快速的可控性 作为物质基本粒子的电子具有极小的质量（9.1×10-31kg）和一定的负电荷（1.6×10-19C），电子的荷质比高达1.76×1011C/kg,通过电场、磁场对电子束可作快速而精确的控制。电子束的这一特点明显地优于激光束，后者只能用透境和反射镜控制，速度慢。

　　基于电子束的上述特点和焊接时的真空条件，电子束焊接具有下列主要优缺点。

　　1、优点：

　　1）电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。目前，电子束焊缝的深宽比可达到60：1。焊接厚板时可以不开坡口实现单道焊，比电弧焊可以节省辅助材料和能源的消耗。

　　2）焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后连接工序，焊后工件仍保持足够高的精度。

　　3）真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、氮等有害气体的污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，因而特别适于活泼金属的焊接。也常用电子束焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。

　　4）电子束在真空中可以传到较远的位置上进行焊接，因而也可以焊接难以接近部位的接缝。

　　5）通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接缝的自动焊接。可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。

　　2、缺点：

　　1）设备比较复杂、费用比较昂贵。

　　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。

　　4）电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量。

　　5）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。

　　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、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:

　　1、薄板的焊接

　　板厚在0.03~2.5mm的零件多用于仪表、压力或真空密封接头、膜盒、封接结构、电接点等结构中。薄板导热性差，电子束焊接时局部加热强烈。为防止过热，应采用夹具。夹具材料为纯铜。对极薄工件可考虑使用脉冲电子束流。电子束功率密度高，易于实现厚度相差很大的接头的焊接。焊接时薄板应与厚板紧贴，适当调节电子束焦点位置，使接头两侧均匀熔化。

　　2、厚板的焊接

　　目前电子束可以一次焊透300mm的铜板。焊道的深宽比可以高达50：l。当被焊钢板厚度在60mm以上时，应将电子枪水平放置进行横焊，以利焊缝成形。电子束焦点位置对熔深影响很大，在给定的电子束功率下，将电子束焦点调节在工件表面以下。熔深的0.5~0.75处电子束的穿透能力最好。根据实践经验，焊前将电子束焦点调节在板材表面以下，板厚的三分之一处，可以发挥电子束的熔透效力并使焊缝成形良好。

　　3、添加填充金属

　　只有在对接头有特殊要求或者因接头准备和焊接条件的限制不能得到足够的熔化金属时，才添加填充金属。

　　添加填充金属的方法是在接头处放置填充金属，箔状填充金属可夹在接缝的间隙处，丝状填充金属可用送丝机构送人或用定位焊固定。

　　送丝机构应保证焊丝准确地送入电子束的作用范围内。送丝嘴应尽可能靠近熔池，其表面应有涂层以防金属飞溅物的沾污。应选用耐热钢来制造送丝嘴。应能方便地对送丝机构进行调节。以改变送丝嘴到熔池的距离、送丝方向以及与工件的夹角等。焊丝应从熔池前方送入。焊接时采用电子束扫描有助于焊丝的熔化和改善焊缝成形。

　　送丝速度和焊丝直径的选择原则是使填充金属量为接头凹陷体积的1.25倍。

　　4、定位焊

　　用电子束进行定位焊是装夹工件的有效措施，其优点是节约装夹时间和经费。

　　可以采用焊接束流或弱束流进行定位焊，对于搭接接头可用熔透法定位，有时先用弱束流定位，再用焊接束流完成焊接。

　　5、焊接可达性差的接头

　　电子束很细、工作距离长、易于控制，所以电子束可以焊接狭窄间隙的底部接头。这不仅可以用于生产过程，而且在修复报废零件时也非常有效。复杂形状的昂贵铸铁件常用电子束来修复。

　　对可达性差的接头只有满足以下条件才能进行电子束焊接：

　　（1）焊缝必须在电子枪允许的工作距离上；

　　（2）必须有足够宽的间隙允许电子束通过，以免焊接时误伤工件；

　　（3）在电子束的路径上应无干扰磁场。

　　6、电子束扫描和偏转

　　在焊接过程中采用电子束扫描可以加宽焊缝降低熔池冷却速度，消除熔透不均等缺陷，降低对接头准备的要求。

　　电子束扫描是通过改变偏转线圈的激磁电流，从而使横向磁场变化来实现的。常用的电子束扫描图形有正弦形、圆形、矩形、锯齿形等。通常电子束扫描频率为100~1000Hz。电子束偏转角度为2°~5°。

　　电子束扫描还可用来检测接缝的位置和实现焊缝跟踪，此时电子束的扫描速度可以高达50~100m/s，扫描频率可达20kHz。

　　在焊接大厚度工件时为了防止焊接所产生的大量金属蒸气和离子直接侵入电子枪可设置电子束偏转装置。使电子枪轴线与工件表面的垂直方向成5°~90°夹角，这对于大量生产中保证电子枪工作稳定是十分有利的。

　　7、焊接缺陷及其防治

　　和其它熔化焊一样，电子束焊接接头也会出现未熔合、咬边、焊缝下陷、气孔、裂纹等缺陷。此外电子束焊缝特有的缺陷有熔深不均、长空洞、中部裂纹和由于剩磁或干扰磁场造成的焊道偏离接缝等。

　　熔深不均出现在不穿透焊缝中，这种缺陷是高能束流焊接所特有的。它与电子束焊接时熔池的形成和金属的流动有密切关系。加大小孔直径可以消除这种缺陷。

　　长空洞及焊缝中部裂纹都是电子束深熔透焊接时所特有的缺陷。降低焊接速度，改进材质有利于消除此类缺陷。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　电子束焊可焊接所有的金属材料和某些异种金属接头,从箔片至板材均可一道焊成，钢板可焊厚度达100毫米,铝板达150毫米，铜板可达25毫米。碳钢在真空中焊接时，由于钢中原含有的气体会释放出来，焊缝金属容易产生微气孔。

　　电子束焊机成本高。工件装配、接缝与电子束对正，都要求有较高的精度。但电子束焊的多能性和高精度，往往能补偿其高成本，因此在汽车、原子能、航空、航天等许多工业中已成为重要的焊接方法之一。

　　1.在大批量生产中将有较大的发展。例如：在汽车工业中，采用电子束焊技术焊接汽车的齿轮和后桥，可以提高工效、降低成本、减轻零件的质量。

　　2.在航空航天工业中，电子束焊技术将继续扩大其应用，并发展电子束焊在线检测技术。

　　3.由于电子束在厚大件焊接中独树一帜，所以在能源、重工业中大有用武之地。

　　4.在修复领域，电子束焊技术将是有价值的工艺方法之一。

　　5.电子束焊的焊接设备将趋向多功能及柔性化。电子束焊已属成熟技术，随着应用领域的扩大，出于经济方面的考虑，多功能电子束焊的焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化将越来越显得重要。

　　6.电子束焊将是实现空间结构焊接的强有力工具。

　　宇航技术中所用的各类火箭、卫星、飞船、星球车、空间站、太阳能电站等的结构件、发动机以及各种仪器均需用焊接技术，而电子束焊是满足其需求的强有力的工具。

　　宇航零部件所用电子束焊的焊接设备可分为两类：一类是常规的电子束焊机，用来焊接可以在地面进行装配的零部件；另一类是在太空条件下所用的电子束焊机，需要宇航员到太空进行焊接操作，因此要适应太空的特殊环境。