电子束焊接原理

电子束焊接，也叫电子束焊，是指利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊接面，使被焊工件熔化实现焊接。真空电子束焊是目前应用最广的电子束焊。

电子束在30～150kV的加速电压作用下，被加速到光速的1/2～2/3倍，高速电子流轰击工件表面，使其表层温度达到104℃以上、功率密度达到107W/cm2。因此，能量密度高度集中和局部高温是电子束焊接的最大特点。但在常规加速电压的作用下，电子束穿透工件的深度仅为几十分之一毫米，这与电子束焊缝的熔深(最大可达300mm)相比是微不足道的。

当束功率密度低于105W/cm2时，电子束的能量在工件表面将转换为热能，由于工件表面的散热条件较好，通过热传导的方式，熔池有向工件深层发展的趋势，此时焊缝熔深较浅，称为熔化成形。

当束功率密度增大到超过105W/cm2时，焊缝表面金属迅速熔化且剧烈蒸发，在蒸发反作用力的排斥下，熔池下凹，排开液态金属而露出新的固态金属表面，使电子束可以穿透到相当的深度，形成一个细长的束孔。

随着电子束的移动，束孔前沿的金属不断熔化并被排斥到熔池后方，冷凝后形成焊缝，这种焊缝称为深穿入成形。电子束焊接中主要采用这种成形方法以发挥其深宽比较大的优点。

电子束焊接技术具有能量密度高、焊接速度快、焊接变形区小、参数易于控制、可焊接难熔及异种金属等优点，在工业上得到了广泛应用。

1、电子束焊接的优势

①能量密度高(1010-1013W/m2)。焊缝窄，热影响区小且具有平行边缘，焊接变形小;一般焊接无需填充金属;对于高质量的工业产品具有较高的焊接速度;可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时不开坡口一次成形。

②真空条件下焊接。避免在焊接过程中工件氧化，焊缝纯净度高。

③可靠性及重复性好。焊接参数自动控制，能够保证焊缝质量;焊接参数易于调节，工艺适应性强。

④适用于异种金属材料焊接，包括部分陶瓷材料。

2、电子束焊接的局限性

窄焊缝(熔化区)要求焊前对工件进行精细的准备;焊接接头边缘需加工;焊接接头要求没有装配间隙或非常小的间隙(通常无填充金属);真空下进行焊接可能使被焊工件的尺寸受限制;大规格工件需定制特殊设备;特殊工件需采用局部真空电子束焊;对带磁的部件敏感，即电子路径受磁场韵影响;从阴极至工件轰击点的磁场;针对被焊金属工件内部磁场必须退磁。

1、电子束钎焊

真空电子束钎焊作为一种高质量、高效率、精确控制的制造技术，对各种精密、复杂部件的连接制造具有非常重要的意义。用电子束作为加热源进行真空钎焊，就是用电子束高速扫描，使电子束由点热源转化为面热源，实现零件的局部高速均匀加热。该工艺具有普通真空钎焊无法比拟的优越性，如高温停留时间短、大大减少钎料对母材的溶蚀、输入能量精密可控、能量输入路径可任意编辑等。

近年来国内外已通过电子束钎焊技术实现了陶瓷零件、碳-碳复合材料、立方氮化硼与碳化钨基体以及换热器管板结构的连接。在国内，电子束复合加工技术应用尚未普及，仅某航空研究所对飞机换热器管板结构进行过初步研究。

有学者分别采用电子束钎焊对不锈钢管板进行连接。结果表明，接头部位的钎缝均匀圆滑，钎焊透率100%，满足技术规范要求，如下图所示。

近年来更多的研究者认识到电子束钎焊在焊接领域的优越性。围绕电子束钎焊所开展的研究主要为钎接机理和针对具体材料与结构的实用工艺两方面，焊接机理方面的研究为实用工艺技术的形成奠定了基础。目前，随着计算机技术的不断进步，对电子束钎焊的热作用控制研究逐渐引起了人们的重视，成为电子束钎焊技术研究中的热点之一。

2、活性剂电子束焊接

将活性剂应用于电子束焊也是目前活性焊接研究的重要领域之一。在一定条件下，活性剂对电子束焊的熔深影响很大，现已逐步形成了活性电子束焊的新技术。

与传统电子束焊相比，活性电子束焊的特点为：

①使用活性剂可明显减小熔池上部宽度，改变熔池形状。

②SiO2、TiO2、Cr2O3单组元活性剂对电子束焊接熔深增加有影响。

③由SiO2、TiO2、Cr2O3等组成的多组元不锈钢电子束焊活性剂，可使聚焦电子束焊接熔深增加两倍多。

④使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有影响。

有学者对用电子束活性剂焊接TA15板材进行堆焊实验。结果表明，活性剂对熔池形状有很大影响，通过添加活性剂改变表面张力梯度，改善了焊缝咬边。

还有学者分别对6mm厚LF21铝合金和10mm厚不锈钢进行实验，结果表明，用电子束焊接铝合金，表面张力梯度改变理论对铝合金熔深增加的作用不明显。电子束焊接不锈钢使用活性剂可增加电子束焊的熔深，使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有较大影响。

随着对活性焊接机理的进一步研究，新的高效活性焊接法将得到应用。

3、电子束复合焊接

近年来，焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法，即电子束-等离子弧焊接，如下图所示。

它采用电子束与等离子弧相串联，叠加起来进行焊接，电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气，穿过等离子弧后熔化金属进行焊接。这样可以减小电子束的能量损失，也有助于稳定等离子弧，等离子弧可以很好的保护焊接熔池，并作为附加热源预热工件，有助于改善焊缝成形，增加熔深。

4、电子束填丝焊

与自熔性电子束焊接相比，电子束填丝焊接具有许多特殊的优点。填充焊丝的电子束焊接技术放宽了对间隙和对接面加工精度的要求，从而降低了工艺难度，节省成本，提高生产效率。

有学者通过对角焊缝低真空填丝电子束焊接的研究，详细讨论了束流形态、填充金属送进、聚焦点位置等主要填丝电子束焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明：优先选用前送进方向的送丝方式，避免了终焊时的粘丝现象，焊丝送入点必须位于与电子束流移动方向一致的轴线上。

有学者通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢板材和Q235钢的填丝焊接实验得出：当参数选择合适、装配间隙不大于0.4mm时，均可获得外观成形良好、内部无缺陷的焊缝。电子束填丝焊接时，焊缝截面几何特征在聚焦电流变化时，以表面焦点处的聚集电流为中心，均存在一定程度的对称性。利用这一结果可较为方便地估计工艺裕度区间，优化参数。

5、局部真空电子束焊接

局部真空电子束焊接技术是在大尺寸结构件的焊缝及其附近局部区域建立真空环境，并进行电子束焊接的技术。这种方法既保留了真空电子束焊接的特点，又避开了庞大的真空室，解决了厚大工件的焊接问题，可大大提高焊接质量并降低设备成本。为了发展这项技术，法国、德国等国家做了大量深入的研究工作。

有学者对5mm厚LF6铝合金进行局部真空电子束焊接工艺试验，结果表明：采用局部真空电子束焊接工艺焊接铝合金是完全可行的，焊缝质量与真空电子束焊相同。铝合金局部真空电子束焊时须采用较强的聚焦和较窄的焊缝，以利于焊缝成形和抑制气孔生成。

局部真空电子束焊接技术是一种先进的焊接技术，在国防工业和民用工业应用前景广阔。

6、电子束扫描焊接

电子束扫描焊接作为一种细化晶粒的焊接方法，目前主要应用于钛合金焊接，可一定程度细化焊缝组织，元素偏析降低了焊接接头强度，提高了缺口冲击韧度。

电子束焊接工艺参数主要有：加速电压、电子束电流、焊接速度、聚焦电流、焦点位置、工作距离以及电子束扫描形式等。

根据产品材料的特性，以基本焊接试样的焊接参数为基础，在筒形试件上通过熔敷焊接，试验不同的焊接规范组合，调整焊接参数，使焊缝完全焊透并兼顾两面(焊冠和焊漏)成型良好为标准，找出最佳焊接规范组合。

1、加速电压

通常情况下，根据电子枪的类型选取某一数值，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，在保持其他参数不变的条件下，焊缝横断面深宽比与加速电压成正比例。

当焊接大厚件并要求得到窄而平的焊缝，或电子枪与焊件间的距离较大时可提高加速电压。在这次试验中，由于焊接距离较大，因此，要对达到8mm厚的铝合金件达到焊透的效果，加速电压基本控制在30～60kV。

2、电子束电流

电子束电流与加速电压一起决定着电子束的功率。增加电子束电流，熔深和熔宽都会增加。在电子束焊过程中，由于加速电压基本不变。

为满足不同的焊接工艺需要，常常要调链电子束的电流值。在这次试验中，在起始、收尾搭接处用了渐变电流，在整个试验中，电子束电流在55～210mA范围内进行了较大调节。

3、焊接速度

焊接速度和电子束功率共同决定着焊缝的熔深、焊缝的宽度以及被焊熔池形状(冷却、凝固及焊缝溶合线形状)。增加焊接速度会使焊缝变窄，熔深减小。因此，焊接速度的大小对焊缝的内外成型及焊缝的质量影响较大。

4、聚焦电流

电子束焊时，相对于焊件表面而言，电子柬的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点3种，焦点的位置对焊缝形状影响很大。

当焊件被焊厚度大于10mm时，通常采用下焦点焊，焦点在焊缝熔深的30%处。当焊件厚度大于50mm时，焦点在焊缝熔深的50%～70%之间更合适。经过多次试验，证明采用表面聚焦的方式比采用其他聚焦方式的焊接结果合适，当聚焦电流分别为1.33A和1.71A时，焊接结果良好。

5、工作距离

焊件表面与电子枪的工作距离影响电子束的聚焦程度，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，增加了电子柬功率密度。而工作距离太小，会使过多的金属蒸汽进入枪体造成放电。

在不影响电子枪稳定工作的前提下，应尽可能采用短的工作距离。在本次试验中，采用水平的焊枪，在夹具设计完成后，已经确定了焊接的工作距离为455mm。这是所有焊接参数中，唯一确定且不变的一个参数。

1、零件焊接接头的清洗

电子束焊对零件焊接部位的清洁度要求较高。在焊接前要将焊接表面的油、锈、氧化物以及其他杂质清除干净。

少数零件焊接时，可用汽油清洗去油污，再用丙酮擦洗脱水和脱脂;大批量零件进行焊接时，可采用机械化清洗方式。清洗完毕后，必须在矩时间内进行焊接。

2、焊前压配

焊前压配指焊接零件的定位和装夹。焊接前零件装配精度对电子束焊质量的影响很大，因为端面接触部位存在间隙或零件配合过松都会造成焊接变形，所以，不论是冷压还是热装，都要控制机加工的公差配合，保证零件焊接前压配的精度，确保装配到位。

3、焊接试验

焊接试验是为了调试焊接工艺参数。电子束焊接参数的选用是否合适直接影响着焊接质量的好坏。焊接参数主要包括加速电压、束流、焊接速度、聚焦电流、焊接距离、焦点位置以及电子束扫描形式。

根据线能量公式q=IU/v，(其中I为焊接电流，U为加速电压，v为焊接速度)，并通过焊接试件调整焊接参数，在线能量口较小的情况下获得焊缝质量较好的焊接参数。

4、探伤

即焊后检验。对于电子束焊的检验，一般先日视检查其外观，待车光电子束焊缝凸起及锁底后，可进行X光检查，不允许有缺陷。对于不合格或表面成型不好的零件，一般允许进行电子束补焊。

5、焊后热处理

由于焊缝及其热影响区发生了复杂的物理化学变化，其组织成分和性能已不同于母材，所以焊接后一般要通过热处理来改善焊缝和热影响区的组织，消除残余应力，促使残余的氢逸出，从而提高焊接接头的韧性，增强零件抵抗应力腐蚀的能力，保证零件形状和尺寸的长期稳定。