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。
（4）焊前预热或预置坡口
焊前预热被焊件，可减少焊接时热量沿焊缝横向的热传导损失，有利于增加熔深。高强度钢焊前预热还可以减少裂纹倾向。在深熔焊时，往往有一定量的金属堆积在焊缝表面，如果预开坡口，这些金属会填充坡口，相当于增加了熔深。
10.总结
利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的方法统称为电子束加工，其中电子束焊接以及电子束表面处理在工业上的应用最为广泛，也最具有竞争力。近年来，电子束焊接技术的研究及推广应用极为迅速，在大批量生产、大型零件制造以及复杂零件的焊接加工方面显示出独特的优越性。电子束焊接在核工业、航空宇航工业、汽车工业、精密加工业以及大重型机械等工业部门得到广泛应用。
【参考文献】
1.《现代焊接技术》.曾乐.上海.上海科学技术出版社.1993
2.《特殊及难焊材料的焊接》.李亚江.北京.化学工业出版社.2003
3.《特种焊接技术及应用》（第二版）.李亚江.北京.化学工业出版社.2008
4.《国内外电子束焊接技术的应用与发展》（2）第5-8期.张秉刚、吴林.2004.
φ15 45钢+45钢连续驱动摩擦焊焊接工艺
一、母材技术状况
45钢属于优质碳素结构钢，是铁碳二元合金，含碳量为0.45%，综合力学性能良好，适合制作受力复杂的工件。一般45钢的交货状态可为正火状态。
1、化学成分如表1
2、物理性能：密度7.85g/cm3，弹性模量210GPa，泊松比0.269。
力学性能: 抗拉强度≥600Mpa ；屈服强度≥355Mpa ；伸长率：17% ；
二、焊接材料选择技术状况
1、摩擦焊的定义
摩擦焊（Friction Welding，FW）是利用焊件接触的端面相对运动中相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种固相焊接方法。
2、连续驱动摩擦焊的优点：
（1）焊接施工时间短，生产效率高。
（2）焊接热循环引起的焊接变形小，焊后尺寸精度高，不用焊后校形和消除应力。
（3）机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。当给定焊接条件后，操作简单，不需要特殊的焊接技术人员。
（4）适合各类异种材料的焊接，对常规熔化下不能焊接的铝-钢、铝-铜、钛-铜、金属间化合物-钢等都可以进行焊接。
（5）可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。
（6）焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。同时，与闪光焊相比，电能节约5-10倍。
3、连续驱动摩擦焊的应用:
目前我国连续驱动摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0～120mm的工件以及8000mm²的大截面管件，同时还开发了相位焊和径向摩擦焊技术，以及搅拌摩擦焊技术。不仅可焊接钢、铝、铜，而且还成功焊接了高温强度级相差很大的异种钢和异种金属，以及形成低熔点共晶和脆性化合物的异种金属。如高速钢—碳钢、耐热钢—低合金钢、高温和金—合金钢、不锈钢—低碳钢、不锈钢—电磁铁以及铝—铜、铝—钢等。近年来随着我国航空航天事业的发展，也加速了摩擦焊技术向这些领域的渗透，进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧固件等材料（Ln718Ti17300MGH159GH4169）以及金属与陶瓷、复合材料、粉末高温合金的摩擦焊工艺试验研究，某些电工材料的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。
三、焊前准备
1、破口形式：无需开坡口
2、接头形式：连续驱动摩擦焊可以实现棒材-棒材、管材-管材、棒材-管材、棒材-板材及管材-板材的可靠连接。接合面形状对获得高质量的接头非常重要，
图1给出了常用的接头形式。
图1
3、工件尺寸：φ15×100mm
4、焊前处理
焊接前还需对焊件作如下处理
1)焊件的摩擦端面应平整，中心部位不能有凹面或中心孔，以防止焊缝中
含空气和氧化物。
2)当结合面上具有较厚的氧化层、镀铬层、渗碳层或渗氮层时，常不易加热或被挤出，焊前应进行清除。
3）摩擦焊对焊件结合面的粗糙度、清洁度要求并不严格，如果能加大焊接缩短量，则气割，冲剪、砂轮磨削、锯断的表面均可直接施焊。
4）端面垂直度一般小于直径的1%，过大会造成不同轴度的径向力。
四、焊接设备与工具
连续驱动摩擦焊机通常由六部分组成，即主轴系统、加压系统、机身、夹头、控制系统及辅助装置。
1、主轴系统
主轴系统由主轴电动机、带传动轮、离合器、制动器、旋转主轴和轴承等组成。主轴电动机一般采用交流电动机，通过带传动轮直接带动主轴。摩擦加热终了时要求主轴迅速停车。对于功率较小、生产率不高的摩擦焊机，可以采用电动机反制动或能耗制动停车；生产率高和主轴电动机功率大的焊机，普遍采用离合-制动联合装置。
2、液压系统
加压系统主要包括加压机构和受力机构两部分，加压机构由加压方式决定。摩擦焊机加压方式有丝杠-螺母、凸轮等机械加压、气压、液压和气-液联合加压。
受力机构的作用是为了平衡轴向力和摩擦转矩以及防止焊机变形，保持主轴与加压系统的同轴度。
3、机身
机身一般为卧式，少数为立式，用来安装主轴、加压机构及导轨等。机身应有足够的刚度和强度，以防止焊接时产生变形和振动。
4、夹头
夹头分为旋转和固定两种。为了使夹持牢靠，不出现打滑旋转、后退、振动等，夹头与工件的接触部分硬度要高，耐磨性要好。
5、控制系统
控制系统包括焊接操作程序控制和焊接参数控制等。
程序控制即控制摩擦焊机按预先规定的动作次序完成送料、夹紧焊件、主轴旋转、摩擦加热、顶锻焊接、切除飞边和退出焊件等操作。
焊接参数控制主要有时间控制、摩擦加热功率峰值控制和综合参数控制等。
6、辅助装置
辅助装置主要包括自动送料、卸料以及自动切除飞边等。
五、焊接确定
连续驱动摩擦焊的工作原理：摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑形流动所产生的热量，使接触面金属件相互扩散、流动和动态再结晶而完成的固态连接方法。焊接过程不需要填充金属、焊剂或保护气体。其原理如图2
图2
六、焊接工艺参数确定
连续驱动摩擦焊的焊接参数主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶段时间、变形量等。
1、转速和摩擦压力
转速和摩擦压力是最主要的工艺参数。在焊接过程中，转速与摩擦压力直接影响摩擦转矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。
2、摩擦时间
摩擦时间决定了摩擦加热过程的阶段和加热程度，直接影响接头的加热温度、温度分布和焊接质量。碳钢工件的摩擦时间一般在1~40s范围内。
3、摩擦变形量
要得到牢固的接头，必须有一定的摩擦变形量，在焊接碳钢时，摩擦变形量通常选取的范围为1~10mm。
4、停车时间
停车时间影响接头变形层的厚度和焊接质量，通常通过变形层的厚度选
择参数。通常制动停车时间的选择范围为0.1~1s。
5、顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度
施加顶锻压力是为了能挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害杂质，并使金属得到锻造，结合紧密，晶粒细化，以提高接头性能。
七、操作要点及安全注意事项
1. 操作者必须熟悉机床操作顺序和性能，严禁超性能使用设备。
2 .操作者必须经过培训、考试或考核合格后，持证上岗。
3 .开机前，按设备润滑图表注油，检查油标油位或注油点。
4 .启动油泵电机，弹性夹头夹紧工件，调节液压系统压力、工作压力、夹紧
压力，顶锻压力，检查主轴箱润滑。
5. 在调整状态下，调节滑台、刀架移动速度和距离。
6 .检查主轴箱润滑、离合、制动，低速转动主轴。
7 .停机前复位，关闭主轴电机，待主轴停转后，关闭油泵电机。
8 .关闭机床电控总开关，关闭电控柜空气开关。
9 .清洁机床，按设备润滑图表或注油点进行注油。
10.严禁穿拖鞋、凉鞋、半短裤操作，以防铁屑烫伤，严禁戴手套操作。
11.夹具的防转块必须锁紧，避免螺钉或防转块飞觥
12.装卸夹具应用专门板手，不许把锥面变形的弹簧夹具装上使用。
13.快进、快退不能调得太快，防止发生危险，皮带张紧要适当，防护罩须锁紧。
14.飞边切前量应由小到大，工进要适当。
15.清洗油要及时处理，回火油不能装得太满，放、取料应小心。
16.机床油桶应有良好接地保护，不许擅自拆修。
八、探伤检测
1、根据GB/T3323—2005标准中规定，由缺陷性质、数量和大小将焊接接头质量分为四等级，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，质量依次降低。
Ⅰ级焊接接头：不允许存在任何裂纹、未熔合、未焊透以及条形缺陷，允许一定数量和一定尺寸的圆形缺陷存在。
Ⅱ级焊接接头：不允许存在任何裂纹、未熔合及未焊透，允许一定数量和一定尺寸的条形缺陷和圆形缺陷存在。
Ⅲ级焊接接头：不允许存在任何裂纹、未熔合以及双面焊和家垫板的单面焊中的未焊透，允许一定数量、一定尺寸的条形缺陷和圆形缺陷及为=未焊透（指非氩弧焊封底的不加垫板的单面焊）存在。
Ⅳ级焊接接头：焊接接头中缺陷超过Ⅲ级者。
九、参考文献
1、曹长霞主编. 特种焊接技术. 北京：机械工业出版社，2009
2、雷世明主编．焊接方法及设备雷．北京：机械工业出版社，2002
3、唐迎春主编. 焊接质量检测技术. 北京：中国人民大学出版社，2012
4、李志远主编. 先进连接方法. 北京：机械工业出版社，2000
电子束焊接原理
电子束焊接(EBW)是利用电子枪所产生的电子在阴阳极间的高电场作用下被拉出，并加速到很高速度，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处，其动能转化为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100kV加速电压下仅能穿透1/40mm，但电子束焊接所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因焊接过程中一部分材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力迫使底面液体向四周排开，让出新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一又深又窄的焊缝。
电子束焊接特点
电子束焊接是一种先进的焊接方法,其特点和要求主要表现在如下几方面：(1)由于电子束的能量密度很高,焊接速度快,焊件的热影响区和焊接变形极小,可作为零件的终加工工序。
(2)电子束焊缝的深宽比大,可达10∶1~40∶1,而一般电弧焊的深宽比约为1∶1. 5,因此,可以实现大厚度、不开坡口的焊接场合。
(3)可控性好。电子束焊接参数(电压、电流、焊接速度等)能够被精确控制,焊接时参数的重复性及稳定性好,能确保焊件的焊接质量。
(4)可将难于整体加工的零件分解为容易加工的几部分,再用电子束焊的方法将其焊成整体,使复杂工序变得简单。
(5)可用于不加填充焊丝的对接、角接、T形接等多种焊接场合。
(6)因电子束焊焦点小而能量集中,对组焊件配合处的机械加工精度及装配质量有严格要求,对接焊缝的两边缘要求平整、贴紧,一般不留间隙。
(7)为防止出现焊接裂纹等缺陷,对采用电子束焊接的零件材料,一般要求其碳当量小于0. 4%,
当材料的碳当量大于0. 6%时,裂纹就很难避免,且对焊接工艺的要求也特别高。
电子束焊接的应用
日本电子束焊接在压力容器中的实际应用
电子束焊接具有焊接热输入量小，焊缝非常窄，几乎没有热影响区，因此焊接接头的性能很好，在焊接过程中工件几乎没有收缩与变形;在真空中焊接，避免了氮、氢、氧的有害作用，可防止低合金高强度钢产生延迟裂纹，同时，由于在真空中避免了氮与氧的有害作用，使较活泼的金属也易于焊接等优点。因此，在日本对电子束焊接应用于压力容器非常重视。在日本有日立、石川岛播磨重工、川崎重工、东芝电气、三菱重工、新日铁等数家公司进行电子束焊接应用于压力容器的研究。三菱重工业株式会社神户造船所最近装备一台大型移动式电子束焊机，采用此焊机焊接压力容器产品，低合金钢可厚达10。毫米，不锈钢或钦合
金可厚达80毫米。
齿轮在机械工业是应用最广、用量最大的部件了，常用的齿轮生产是批量化的模具铸造或锻造而成，而对于没有专用机床设备的工厂来说,往往客户订购的产品数量不多,特别是某些新产品的试制,加工的数量只有几件,在这种情况下,对于斜齿轮的加工,就不可能采用专机专刀来进行了。以往对此类型的产品,曾采用过将斜齿轮和接合齿分开加工、待齿形加工好后再用手工电弧焊的方法把两者组焊成整体,但由于电弧焊焊接时间长,发热量大,使得工件变形量较大,导致最终的成品合格率都不够理想。在总结以往加工工艺方法的基础上采用了新工艺———电子束焊接。由于电子束焊接时间极短,由发热引起的焊接变形极微小。对这批加工的产品进行了焊接前、后的检验,同样以齿轮内孔为定位基准,检验斜齿轮与接合齿的齿圈跳动量,实测结果表明,焊接前、后的齿圈跳动量误差不大于0. 025 mm。可见,对于利用电子束焊接加工的齿轮产品来说,只要控制好焊接前各组件的加工精度,焊接后的产品质量是完全能够保证的。
近年来，为提高航空发动机压气机效率，一些新型机种盘鼓多采用钦合金、高温合金的整体焊接(电子束焊或摩擦焊)结构，以代替螺栓联接结构。整体焊接的盘鼓转子部件，能提高材料的利用率、减轻结构重量、保证发动机结构完整性、提高发动机性能和工作可靠性。英、美、法、德、前苏联等国的几大航空公司制造的发动机压气机转子部件上大量采用了电子束焊接技术，我国在这个领域也实现了电子束焊接的成功运用。通过分析零件的性能，零件焊接质量良好，控制焊接变形的工艺措施有效。零件加工精度较高。成功通过了地面试车。实现了预期的目标，满足了需求。
汽车行业中的应用
转向柱管的焊接要求变形小，焊接表面要光滑，故宜采用电子束焊接。其工艺过程是:先把切割下来的钢板卷成管子，然后焊接。设计人员可以自由选定板厚、管子直径和长度，这一点是选用圆形型材所达不到的。
配电盘凸轮必须是渗氮后焊接，用其它接合方法比较困难，故采用电子束焊接较为合适。由于焊缝直径很小，工件用不着转动，仅让电子束沿该焊缝的圆周进行偏转就行了，所以生产率相当高。
柴油机的预燃室过去一直采用钎焊，改成电子束焊后提高了质量，降低了成本。起动马达整流子铜环也采用电子束焊接，它能同时高速焊接数十个，生产率相当高，成
本可大幅度下降。由于电子束焊接的施焊速度非常快，不会使球接头中封装的黄油受热变质，所以此处也
用电子束焊接。
把变速器齿轮改成拼合式后，用电子束焊接起来是能改善性能、降低成本的。变速器齿轮的电子束焊接，是汽车零件采用焊接结构效果最好的一种。变速器齿轮多是整件加工而成，但加工过程中受多方面的制约而难于实现。用拼合法制造这样的齿轮并应用电子束焊接最为合适。它具有强度高、变形小及质量稳定等优点。特别是在欧洲和日本的轻型汽车采用拼合齿轮已成为主流。
电子束焊接实用上存在的问题及解决的办法
成本
电子束焊机与其它焊机相比，价格高得多，固定资产费在焊接费用中占80一90%。因此，为了降低电子束焊接成本，就需要采取提高速度，缩短真空排气时间等措施使每一台焊机能焊接尽可能多的零件，不过这也是有限度的。所以，虽
然采用电子束焊接对很多零件有技术效果，但由于成本太高仍有许多生产厂不能采用。
质量
电子束焊接从焊接速度及变形来看，无可非议是一种很好的焊接方法，但却存在着一些固有
的缺陷，例如由于输入热量少及加热、冷却速度快会引起硬化裂纹;由于焊缝宽度狭窄易出现焊缝偏移等。这些缺陷的检查方法，以超声波探伤检查最为有效。但有时由于部件的形状使用超声波检查难于实现，还可施加非破坏性载荷的方法对部分零件进行检验。
焊前焊件表面不清洁也是产生气孔、裂纹的主要原因，所以要充分地洗干净、干燥。最好是
浸在三氯代乙烯、丙酮等有机溶剂中用超声波清洗。另外，不要使电子束过于收缩，以减少气孔与飞溅。
焊机问题
(1)丝极寿命由于丝极寿命短，降低了工作效率，使质量也不稳定。丝极制造过程中的质量管理和焊接工艺的掌握对寿命有很大的影响。如果在这方面下些功夫，对提高寿命是很有
好处的。
(2)电子束偏移在更换丝极和作转动装置的维修等以后，常会产生电子束偏移现象。通常利用电子枪下部的显微镜和电子束扫描检测装置测定这种偏移，然后对电子束位置进行修正。最好还是采用不产生偏移的电子枪及电子束位置校正装置。
(3)焊接飞溅及牵属蒸气因为焊接飞溅物及金属蒸气冷凝堆积在焊接室和电子束通路上，易引起故障，产生废品，，所以必须在焊接飞溅物沉积及滑动部位上设置清除刮板等装置。
(4)夹具及焊机的可靠性①为了提高生产率和保证其精度，要尽量使电子束收缩和提高焊接速度，故要求电子束位置有高度的重复性。因此夹具的加工精度、刚性也必须相应地提高;②所选的真空泵应能在高负荷下连续运转，对润滑和防止异物落入等方面也需作专门的考虑，③由于在电压、电流、焦距等电子束控制上采用复杂的电子回路，所以需要对夏季的温度、湿度、灰尘等采取充分的防护措施;④高压电缆、高压变速器、真空泵等修理起来很困难，价格也贵，故需要具有备品。如果可能的话，最好有一台备用焊机。
电子束焊接焊接工艺
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(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、电接点等构件中。
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。
图8示出薄板膜盒零件及其装配焊接夹具，夹具材料为纯铜，对极薄厂件可考虑使用脉冲电子束流。
图8膜盒及其焊接夹具
1-顶尖2-膜盒3-电子束4-纯铜夹具
电子束功率密度高，易于实现厚度相差很大的接头的焊接。焊接时薄板应与厚度紧贴，适当调节电子束焦点位置，使接头两侧均匀熔化。(2)厚板的焊接电子束可以一次焊透300mm的钢板，焊道的深宽比可以高达50：1。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—0．75mm处电子束的穿透能力最强。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1/3处，可以发挥电子束的熔透效力并使焊缝成形良好。
焊接厚板时，保持良好的真空度有利于增大电子束焊缝的熔深。
(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，其主要作用是：
1)在接头装配间隙过大时可防止焊缝凹陷。
2)在焊接裂纹敏感材料或异种金属接头时可防止裂纹的产生。
3)在焊接沸腾钢时，加入少量含脱氧剂(铝、锰、硅等)的焊丝，或在焊接铜时加入镍，均有助于消除气孔。
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入或用定位焊固定。
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励磁电流，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100～1000H z，电子束偏转角度为2°～7°。
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50一l00m／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汽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°～9 0°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。图9所示的就是特殊偏转系统的一种形式，它的防护作用使电子枪在大厚度焊接过程中稳定工作。
图9特殊偏转系统对电子枪的保护
(7)焊接缺陷及其防治和其他熔焊一样，电子束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。当在焊缝底层还出现孔洞时，称为焊缝底层钉形缺陷，如图10所示。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的关系。加大束斑直径可消除这种缺陷。将电子束做圆形扫描，获得图11所示的功率分布，有利于消除熔深不均。改变电子束焦点在工件内的位置也会影响到熔深的大小和均匀程度。适当地散焦可以加宽焊缝，有利于消除和减小熔深不均的缺陷。
图10非穿透焊缝底层纵剖面金相照片
图11消除熔深不均匀所需要的电子束功率分布
长空洞及焊缝中部裂纹都是电子束深熔焊接时所特有的缺陷，降低焊接速度，改进材质有
Q345--综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40℃以上寒冷地区的各种结构(摘自《机械设计手册》Q345钢Q345是一种低合金高强度结构钢。Q 代表的是这种材质的屈服强度，后面的345，就是指这种材质的屈服值，在345兆帕左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。Q345是一种钢材的材质。它是低合金钢（C<0.2%)，广泛应用于建筑，桥梁、车辆、船舶、压力容器等。Q代表的是这种材质的屈服强度，后面的345，就是指这种材质的屈服值，在345兆帕左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。综合性能结构性能Q345综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。级别分类Q345按等级可分为Q345A，Q345B，Q345C，Q345D，Q345E。它们所代表的，主要是冲击的温度有所不同。Q345A 级，是不做冲击; Q345B级，是20度常温冲击; Q345C级，是0度冲击; Q345D级，是－20度冲击; Q345E级，是－40度冲击。在不同的冲击温度，冲击的数值也有所不同。化学成分Q345A：C≤0.20,Mn ≤1.7，Si ≤0.55，P≤0.045，S≤0.045，V 0.02~0.15；Q345B：C≤0.20，Mn ≤1.7，Si≤0.55，P≤0.040，S≤0.040，V 0.02~0.15；Q345C：C≤0.20，Mn ≤1.7，Si≤0.55，P≤0.035，S≤0.035，V 0.02~0.15，Al≥0.015；Q345D：C≤0.20，Mn ≤1.7，Si≤0.55，P≤0.030，S≤0.030，V 0.02~0.15，Al≥0.015；Q345E：C≤0.20，Mn ≤1.7，Si≤0.55，P≤0.025，S≤0.025，V 0.02~0.15，Al≥0.015；Q345与16Mn对比Q345钢是老牌号的12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代，而并非仅替代16Mn钢一种材料。在化学成分上，16Mn 与Q345也不尽相同。更重要的是两种钢材按屈服强度的不同而进行的厚度分组尺寸存在较大差异，而这必将引起某些厚度的材料的许用应力的变化。因此，简单地将16Mn钢的许用应力套用在Q345钢上是不合适的,而应根据新的钢材厚度分组尺寸重新确定许用应力。Q345钢的主要组成元素比例与16Mn钢基本相同，区别是增加了V、Ti、Nb微量合金元素。少量的V、Ti、Nb合金元素能细化晶粒，提高钢的韧性，钢的综合机械性能得到较大提高。也正因为如此，钢板的厚度才可以做得更大一些。因此，Q345钢的综合机械性能应当优于16Mn 钢，特别是它的低温性能更是16Mn钢所不具备的。Q345钢的许用应力略高于16Mn钢。力学性能对比Q345D无缝管力学性能：抗拉强度：490-675 屈服强度：≥345 伸长率：≥22 Q345B无缝管力学性能：抗拉强度：490-675 屈服强度：≥345 伸长率：≥21 Q345A无缝管力学性能：抗拉强度：490-675 屈服强度：≥345 伸长率：≥21 Q345C无缝管力学性能：抗拉强度：490-675 屈服强度：≥345 伸长率：≥22 Q345E无缝管力学性能：
焊接新技术 电子束焊 一、电子束焊的基本原理 电子束焊是一种高能束流焊接方法。一定功率的电子束经电子透镜聚焦后，其功率密度可以提高到106 W/cm2以上，是目前已实际应用的各种焊接热源之首。 电子束传送到焊接接头的热量和其熔化金属的效果与束流强度、加速电压、焊接速度、电子束斑点质量以及被焊材料的热物理性能等因素有密切的关系。 二、电子束焊的特点 1．电子束焊的优点 （1）电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。通常电弧焊的深宽比很难超过2：1，而电子束焊的深宽比可达到60：1以上，可一次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。 （2）焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。电子束焊速度一般在1m/mm以上。电子束焊缝热影响区很小。由于热输人低，控制了焊接区晶粒长大和变形，使焊接接头性能得到改善。由于焊接变形小，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尺寸精度。 （3）焊缝纯度高，接头质量好。真空电子束焊接不仅可以防止熔化金属受氢、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，也常用于焊接真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。 （4）再现性好，工艺适应性强。电子束焊的焊接参数可独立地在很宽的范围内调节，易于实现机械化、自动化控制，重复性、再现性好，提高了产品质量的稳定性。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）的位臵上进行焊接，因而也可以焊接难以接近部位的接缝。对焊接结构具有广泛的适应性。 （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。 2．电子束焊的缺点： （1）设备比较复杂，投资大，费用较昂贵。 （2）电子束焊要求接头位臵准确，间隙小而且均匀，因而，焊接前对接头加工、装配要求严格。 （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。
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
实训成绩 批阅教师 日期 高能束流焊接方法学习要点总结 课程名称焊接设备维修实训 专业年级焊接1311 学号2013118526113 学生姓名张华荣 指导教师李飞 2016年4月13日
高能束流焊接方法学习要点总结 一．高能束流焊接方法基本概念： 高能束流焊接是指以激光束、电子束、等离子体为热源，对金属、非金属材料进行焊接的精细加工工艺。 注：（1）高能束流焊接的功率密度（Power Density）达到105W/cm2以上。 （2）高能束流是由单一的电子、光子、电子和离子，或者二种以上的粒子组合而成。（一）电子束焊焊接方法基本概念： 电子束焊是利用会聚的高速电子轰击工作件接缝处所产生的热能，使金属熔合的一种焊接方法。 （二）激光焊焊接方法基本概念： 利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效而且精密的焊接方法。它是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量而进行焊接的。 聚焦的激光束是指：利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束。 （三）激光切割基本概念： 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。（四）等离子弧焊焊焊接方法基本概念： 等离子弧焊是以等离子弧为热源的一种高能速流焊接方法。 二．基本原理和分类 （一）获得高能束流的基本原理： 1.高功率密度激光束的获取 激光器通过谐振腔的方向选择、频率选择以及谐振腔和工作物质共同形成的反馈放大作用，使输出的激光具有良好的方向性、单色性以及很高的亮度。 2.高功率密度电子束的获取 阴极用以发射电子，阳极相对阴极施加高电压以加速电子，控制极用来控制电子束流的强度，聚焦线圈对电子束进行会聚，偏转线圈可使束流产生偏转以满足加工的需要。 3.高能束流的聚焦 （1）激光束的聚集 目前在激光焊中常用的聚集系统有三种：透镜聚集、反射镜聚集和改进型的。 （2）电子束的聚集 电子束聚集是依据于电场和磁场对电子的作用。常用的电子束聚集方法是静电透镜聚集好磁透镜聚集等。其中静电透镜聚集分别为同心球电极聚集。 （二）分类： 1.电子束焊接 2.激光焊 3.激光切割 4.等离子弧焊 （一）电子束焊工作原理： 电子束是从电子枪中产生的。通常电子是以热发射或者场致发射的方式从发射级（阴极）
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
电子束加工技术 摘要电子束加工简称EBM，是以高能电子束流作为热源，对工件或材料实施特殊的加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。随着科学技术的发展，电子束加工技术必将有一片广阔的应用前景。 关键词电子束原理应用发展前景 Abstract Electron beam processing referred to EBM, high energy electron beam is used as a heat source, or the material of the workpiece special processing embodiment, is a completely different from the traditional mechanical processing of new technology. They precision microfabrication, in particular in the field of microelectronics applications get more. With the development of science and technology, electron beam processing technology will have a broad application prospects. Keywords electron beam heory application prospects 1前言 电子束加工是以高能电子束流作为热源,对工件或材料实施特殊的加工,是一种完全不同于传统机械加工的新工艺,其加工原理如图1所示。按照电子束加工所产生的效应,可以将其分为两大类:电子束热加工和电子束非热加工。图1电子束加工原理 2. 1电子束热加工电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转化成热能,以实现对材料的加工,其中包括: 1)电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺,这种设备一般都采用微机控制,并且常为一机多用; 2)电子束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于,除高真空电子束焊机之外,还有低真空、非真空和局部真空等类型; 3)电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜;4)电子束熔炼。包括难熔金属的精炼。电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航空、航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。
电子束焊接原理 电子束焊接(EBW)是利用电子枪所产生的电子在阴阳极间的高电场作用下被拉出，并加速到很高速度，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处，其动能转化为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。 高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100kV加速电压下仅能穿透1/40mm，但电子束焊接所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因焊接过程中一部分材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力迫使底面液体向四周排开，让出新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一又深又窄的焊缝。 电子束焊接特点 电子束焊接是一种先进的焊接方法,其特点和要求主要表现在如下几方面： (1)由于电子束的能量密度很高,焊接速度快,焊件的热影响区和焊接变形极小,可作为零件的终加工工序。 (2)电子束焊缝的深宽比大,可达10∶1~40∶1,而一般电弧焊的深宽比约为1∶1. 5,因此,可以实现大厚度、不开坡口的焊接场合。 (3)可控性好。电子束焊接参数(电压、电流、焊接速度等)能够被精确控制,焊接时参数的重复性及稳定性好,能确保焊件的焊接质量。 (4)可将难于整体加工的零件分解为容易加工的几部分,再用电子束焊的方法将其焊成整体,使复杂工序变得简单。 (5)可用于不加填充焊丝的对接、角接、T形接等多种焊接场合。 (6)因电子束焊焦点小而能量集中,对组焊件配合处的机械加工精度及装配质量有严格要求,对接焊缝的两边缘要求平整、贴紧,一般不留间隙。 (7)为防止出现焊接裂纹等缺陷,对采用电子束焊接的零件材料,一般要求其碳当量小于0. 4%, 当材料的碳当量大于0. 6%时,裂纹就很难避免,且对焊接工艺的要求也特别高。 电子束焊接的应用 日本电子束焊接在压力容器中的实际应用 电子束焊接具有焊接热输入量小，焊缝非常窄，几乎没有热影响区，因此焊接接头的性能很好，在焊接过程中工件几乎没有收缩与变形;在真空中焊接，避免了氮、氢、氧的有害作用，可防止低合金高强度钢产生延迟裂纹，同时，由于在真空中避免了氮与氧的有害作用，使较活泼的金属也易于焊接等优点。因此，在日本对电子束焊接应用于压力容器非常重视。在日本有日立、石川岛播磨重工、川崎重工、东芝电气、三菱重工、新日铁等数家公司进行电子束焊接应用于压力容器的研究。三菱重工业株式会社神户造船所最近装备一台大型移动式电子束焊机，采用此焊机焊接压力容器产品，低合金钢可厚达10。毫米，不锈钢或钦合金可厚达80毫米。 齿轮在机械工业是应用最广、用量最大的部件了，常用的齿轮生产是批量化的模具铸造或锻造而成，而对于没有专用机床设备的工厂来说,往往客户订购的产品数量不多,特别是某些新产品的试制,加工的数量只有几件,在这种情况下,对于斜齿轮的加工,就不可能采用专机专刀来进行了。以往对此类型的产品,曾采用过将斜齿轮和接合齿分开加工、待齿形加工好后再用手工电弧焊的方法把两者组焊成整体,但由于电弧焊焊接时间长,发热量大,使得工件变形量较大,导致最终的成品合格率都不够理想。在总结以往加工工艺方法的基础上采用了新工艺———电子束焊接。由于电子束焊接时间极短,由发热引起的焊接变形极微小。对这批加工的产品进行了焊接前、后的检验,同样以齿轮内孔为定位基准,检验斜齿轮与接合齿的齿圈跳动量,实测结果表明,焊接前、后的齿圈跳动量误差不大于0. 025 mm。可见,对于利用电子
电子束焊接技术的最新进展 电子束焊接技术是一种新兴的焊接技术，其特点是焊接速度快、焊接质量高、对焊接物表面的准备要求低等特点，目前已经广泛 应用于航空航天、电子、汽车等领域。本文将会探讨电子束焊接 技术的最新进展。 一、电子束焊接技术概述 电子束焊接技术，是利用电子束的高速度和高能量进行焊接的 一种方法。该技术可以在高真空环境下进行，温度和气压几乎没 有影响，因此可以保证焊接的质量和稳定性。不仅如此，电子束 焊接技术还可以对大型、复杂的结构进行精密焊接，如航空发动 机燃烧室、火箭发动机臼板等。 电子束焊接技术的原理比较简单，就是利用电子束在焊接区域 产生高热，使得焊接区域的金属融化，进而形成焊缝。因为电子 束可以比其他热源更容易地聚焦到极小的面积内，所以焊缝的宽 度非常细，一般在0.1-0.2mm之间。 二、电子束焊接技术的最新进展
1.高功率电子束焊接技术 电子束焊接技术在航空航天、汽车、电子、船舶等领域得到了广泛应用，但是传统的电子束焊接技术存在焊接速度受限、焊接深度不够等一些局限性。近年来，随着高功率电子束源的出现，电子束焊接技术的局限性得到了改进。高功率电子束焊接技术可以提高焊接速度和焊缝深度，从而大大提高了电子束焊接的效率和质量。 2.复合材料电子束焊接技术 复合材料在飞机、汽车、车辆、运动器材等领域应用广泛，传统的焊接方法会导致材料的损伤和热变形。而电子束焊接技术可以减少这些负面影响，并进行更加精细的焊接。利用电子束焊接技术，可以实现不同种类、不同厚度的复合材料之间的焊接，而且焊接效果非常好，焊缝强度高，且没有损伤。 3.自适应控制技术
电子束焊接技术的焊接质量非常依赖于焊接过程的精密度和稳定性，如果焊接过程中出现一些变化，很可能会导致焊接效果的下降。自适应控制技术可以通过对焊接过程中各个参数的实时监测和调整来确保焊接质量始终保持在最佳状态。这种技术可以提高焊接的成功率和通过率，并且减少因焊接过程中出现问题而导致的损失。 4.数字焊接技术 数字焊接技术基于数学模型和物理模型，采用数值计算方法对焊接过程进行模拟分析。这种技术可以提前预测焊接的结果，并根据预测结果进行精密控制，从而实现更加精细的焊接。数字焊接技术还可以利用人工智能技术对焊接过程进行自动优化，提高焊接速度和质量。 三、结语 电子束焊接技术是一种新兴的焊接技术，其已经广泛应用于航空航天、汽车、电子、船舶等领域。随着科技的进步，电子束焊接技术的效率和质量也在不断提高。相信在不久的将来，电子束焊接技术将会有更加广泛和深入的应用。
电子束焊接工艺简介 电子束焊接是一种高效、精密的焊接技术，由于其在电子工业、航空航天等领域的广泛应用，成为热门研究和关注的焦点。本文将对电子束焊接的工艺流程、特点以及应用进行简要介绍。 一、电子束焊接的工艺流程 电子束焊接是一种高能量密度激光焊接方法，通过电子束束流的聚焦，将热能集中在焊缝上，使焊缝迅速熔化并形成牢固的焊接接头。其工艺流程如下： 1. 设定焊接参数：包括功率、电流、加速电压等，根据工件材料和所需焊接强度确定最佳参数。 2. 准备工件：将待焊接的工件进行清洁处理，确保表面没有灰尘、油污等杂质。 3. 定位工件：将工件安装在焊接平台上并进行精确定位，确保焊缝位置准确。 4. 开启真空系统：电子束焊接需要在真空环境下进行，确保焊接过程没有气体干扰。 5. 聚焦电子束：打开电子束发射装置，聚焦束流到焊缝上，形成高能量密度。 6. 进行焊接：启动电子束焊接机，控制焊接速度和焊接时间，实现焊缝的熔化和焊接。
7. 冷却焊接接头：焊接完成后，对焊接接头进行冷却处理，使焊缝 达到最佳的强度和连接性。 二、电子束焊接的特点 电子束焊接具有许多独特的特点，使其在高精度焊接领域具有广泛 的应用前景。 1. 高能量密度：电子束焊接采用高能量密度的电子束进行焦点聚焦，能够在瞬间将焊接区域加热到极高温度，实现快速熔化和焊接。 2. 焊缝精度高：电子束焊接具有非常小的焊缝宽度和热影响区，焊 缝几乎没有变形和气孔等缺陷，保证了焊接接头的精密度和可靠性。 3. 适用于多种材料：电子束焊接适用于各种金属材料的焊接，包括 不锈钢、铝合金、镍合金等，广泛应用于汽车、航空航天等行业。 4. 环境友好：电子束焊接不需要使用焊接剂和填充材料，避免了焊 接过程中的气体污染和材料浪费问题，对环境更加友好。 5. 自动化程度高：电子束焊接可以实现自动化和机器人化操作，提 高生产效率，降低人工成本。 三、电子束焊接的应用 电子束焊接广泛应用于电子元件、航空航天、汽车制造等领域。以 下为部分应用案例： 1. 电子元件焊接：电子束焊接适用于焊接微小尺寸的电子元件，如 电子芯片、连接器等，确保接头的高精密度和稳定性。
电子束焊接在工业领域的应用及发展前景
一、电子束焊接概述 电子束焊接（Electron Beam Welding）是19世纪中期发现和兴起的一种新型焊接技术，顾名思义，电子束焊接是利用被静电场聚焦并加速的电子束轰击待焊工件接头处，使材料快速熔化后迅速冷却来完成焊接过程。同以电弧为热源的传统焊接方法相比，电子束焊接在能量传递，热量析出部位和能量转换机理等方面，都有着显著的不同。 1.电子束的能量转换特点[1] 电子束焊接时的能量传递的载体是无任何化学属性的电子束，电子束能以与光速相当数量级的速度（0.3C-0.7C）穿过真空空间，直接作用于材料，而不需要经过电弧空间的气体。 其次，常规电弧焊的热量在材料表面上方的阴、阳极斑点和弧柱区析出，而电子束焊接时热量在被轰击材料表面下的某一薄层下析出，该薄层被称为电子穿透层（见图1），一般厚约几十或几百微米。 。 图1 高能电子轨迹示意图 另外，电子束焊接的能量转换机理也不同。电子首先穿透电子穿透层，此时仅有很少一部分能量被二次电子发射、X 辐射或被弹性散射电子带走，所以电子不加热穿透薄层，动能损失也几乎可以忽略。当电子进入到穿透薄层以下一定厚度时，将会与晶格电子发生激烈碰撞，再由晶格电子相互间的振动将能量传送到全部晶格，被焊材料迅速达到非常高的温度，以至于瞬间熔化、蒸发、冷却后实现焊接。常规电弧热源的能量转换则没有这么复杂，主要是依靠热传导、热对流和热辐射完成热交换。 2.电子束焊接的基本特点 1)高能量密度 电子束的能量密度可以达到107-109W/cm2，因此电子束是一种高能束，另一种是激光。前面已经简单介绍了电子束特殊的能量转换机理——通过电子和晶格间的碰撞传递能量，这就具有很高的能量转换效率。因此，电子束焊接可以实现高速焊接和深宽比很大的深熔焊。另外，虽然电子束具有非常高的能量密度，但加热时间极短，输送到被焊材料的能量和引起的热变形却很小，热影响区也很小，特别适宜于精密焊接和微型焊接。 2)无污染 电子束焊接绝大多数是在真空中进行的，真空是一种理想的保护环境，在整个焊接过程中对焊缝金属几乎没有任何污染，而且还有净化和提纯作用。再加上电子束本身是没有任何化学性质的，而且电子束焊接不需要另外填充材料，从而
焊接新技术电子束焊 焊接新技术——电子束焊 随着科技的不断进步，焊接技术也在不断革新。电子束焊作为一种 新兴的焊接技术，具有许多优势，被广泛应用于各个领域。本文将介 绍电子束焊技术的原理、应用以及其对焊接领域的影响。 一、电子束焊技术简介 电子束焊是利用电子束在高真空环境中对焊缝进行加热与熔化的焊 接方法。通过电子束的高能量和高密度，焊缝能够迅速达到熔化温度，完成焊接过程。电子束焊具有无需填充材料、焊接速度快、热影响区 小等优势。 二、电子束焊技术的原理 电子束焊利用高能电子束对焊接材料进行加热，使其瞬间达到熔点 并形成焊缝。电子束产生的源头为电子枪，通过极高的电压加速电子束，并通过聚焦装置使其形成高密度的电子束。高能电子束打击到焊 接材料上时，将能量转化为热量，使焊接材料瞬间熔化并形成焊接。 电子束的能量和速度可调节，可以实现对焊接过程的精确控制。 三、电子束焊技术的应用 1. 航空航天领域：电子束焊技术在飞机、火箭等航空航天器件的制 造中得到广泛应用。由于电子束焊的焊缝形成快、热影响区小，可以 确保焊接零件的高强度和耐疲劳性能，提高了飞行器的安全性。
2. 汽车制造：电子束焊技术在汽车制造业中有着重要的地位。它能 够快速、高效地焊接汽车零部件，提高了汽车的整体质量和制造效率。 3. 能源行业：电子束焊技术在核电站、石油化工等能源行业中得到 广泛应用。它可以实现对焊接工艺的精确控制，确保焊缝的质量，提 高了设备的运行安全性。 4. 其他领域：电子束焊技术还应用于电子器件、医疗器械、精密仪 器等领域，其高能量和高精度的优势使其成为这些领域中必不可少的 焊接工艺。 四、电子束焊技术的发展趋势 随着科技的不断进步，电子束焊技术也在不断演进和创新。未来， 电子束焊技术有望实现以下发展： 1. 自动化：电子束焊技术将更加智能化，实现焊接过程的自动化控制，提高生产效率。 2. 材料扩展：电子束焊技术将适用于更多种类的焊接材料，满足不 同行业的需求。 3. 环保节能：电子束焊技术将更加注重能源利用效率，减少焊接过 程中的能源消耗和环境污染。 总结： 电子束焊技术作为一种新兴的焊接技术，不仅具有高效、高精度的 特点，而且在各个领域都有着广泛的应用。随着科技的不断进步，电
电子束焊接 电子束焊接是一种利用电子束作为热源的焊接工艺。电子束发生器中的阴极加热到一定的温度时逸出电子，电子在高压电场中被加速，通过电磁透镜聚焦后，形成能量密集度极高的电子束，当电子束轰击焊接表面时，电子的动能大部分转变为热能，使焊接件的结合处的金属熔融，当焊件移动时，在焊件结合处形成一条连续的焊缝。对于真空电子束焊机，要焊接的工件置于真空室中，一般装夹在可直线移动或旋转的工作台上。焊接过程可通过观察系统观察。 电子束焊接技术因其高能量密度和优良的焊缝质量，率先在国内航空工业得到应用。先 进发动机和飞机工业中已广泛应用了电子束焊接技术，取得了很大的经济效益和社会效益，该项技术从上世纪八十年代开始逐步在向民用工业转化。汽车工业、机械工业等已广泛应用 该技术。 我国自行研制电子束焊机始于60 年代，至今已研制生产出不同类型和功能的电子束焊机上百台，并形成了一支研制生产的技术队伍，能为国内市场提供小功率的电子束焊机。 近年来，出现了关键部件 (电子枪，高压电源等) 引进、其它部件国内配套的引进方式，这种方式的优点是：设备既保持了较高的技术水平，又能大大降低成本，同时还能对用户提供较完善的售后服务。北京航空工艺研究所以此方式为某航空厂实施设备的总体设计和总成，实现了某重要构件的真空电子束焊接；桂林电器科学研究所也通过这种方式开发了 HDG(Z)-6 型双金属带材高压电子束连续自动焊接生产线，该机加速电压120kV、束流0〜 50mA、电子束功率6kW，带材运行速度0〜15m/min ，从而使我国挤身于世界上能生产这种生产线的几个国家之一。北京中科电气高技术公司近期为上海通用汽车公司研制成功自动变速车液力扭变器涡轮组件电子束焊机，70 s 内可完成两条端面圆焊缝的焊接，并已投入商业化生产。 目前，以科学院电工所的EBW 系列为代表的汽车齿轮专用电子束焊机占据了国内汽车齿轮电子束焊接的主要市场份额；我国的中小功率电子束焊机已接近或赶上国外同类产品的先进水平，而价格仅为国外同类产品的1/4 左右，有明显的性能价格比优势。 在机理及工艺研究上，北京航空工艺研究所、北京航空航天大学、天津大学、上海交通大学、西北工业大学、中国科学电工所、桂林电器科学研究所、西安航空发动机公司、航天材料及工艺研究所、哈尔滨焊接研究所开展的工作涉及熔池小孔动力学、电子束钎焊、接头疲劳裂纹扩展行为、接头残余应力、填丝焊接、局部真空焊接时的焊缝轨迹示教等。 电子束焊接技术的优点是：焊缝质量好、穿透深度深；热源稳定性、易控制适用于大批量生产，可作为最后加工工序或仅留精加工余量。目前电子束焊接铝合金厚度可达450mm ， 焊缝深宽可达比70:1 。 真空电子束焊接具有以下特点： 1) 电子束能量密度高、一般可达106~109W/cm2, 是普通电弧焊和氩弧焊的100~10 万
电子束焊接技术 电子束焊接技术（Electron Beam Welding，EBW）是一种高能束焊 接技术，采用电子束作为能量源进行焊接。它具有高能量密度、深焊 能力和小热影响区等优势，广泛应用于航空航天、汽车制造和核工程 等领域。本文将介绍电子束焊接技术的原理、应用及未来发展趋势。 一、电子束焊接技术的原理 电子束焊接技术利用带电粒子束（即电子束）的动能进行焊接。它 通过加速器将电子加速到非常高的速度，然后通过电场或磁场控制电 子束的方向进行聚焦。当电子束聚焦到极小的直径时，电子与被焊接 材料碰撞并转化为热能。这种高能量密度的热能可瞬间将工件局部区 域加热至熔化状态，形成焊缝。 二、电子束焊接技术的应用 1. 航空航天领域：电子束焊接技术在航空航天领域具有广泛的应用。它能够焊接高强度、高温合金材料，满足飞机发动机、燃气轮机和航 天器的要求。电子束焊接技术还能实现长轴件的自动化焊接，提高生 产效率。 2. 汽车制造：汽车制造行业对焊接质量和效率有着严格的要求。电 子束焊接技术能够焊接汽车车身、发动机和底盘等关键部件，确保焊 缝的强度和密封性。此外，电子束焊接技术还可以减少零件的变形， 提高整体车身结构的稳定性。
3. 核工程：核工程领域要求焊接材料具有高强度和较低的辐射损伤。电子束焊接技术能够实现高纯度材料的焊接，避免杂质引入。电子束 焊接技术还可以焊接厚度较大的核材料，保证核反应堆等设备的可靠 性和安全性。 三、电子束焊接技术的未来发展趋势 随着科学技术的不断进步，电子束焊接技术也将迎来更广阔的应用 前景。以下是未来电子束焊接技术的发展趋势： 1. 自动化与智能化：随着自动化技术的不断发展，电子束焊接技术 将越来越多地应用于自动化生产线。通过与机器人和控制系统的集成，实现焊接过程的自动控制和监测。 2. 优化设计与模拟：利用计算机辅助设计和数值模拟软件，对电子 束焊接过程进行优化设计和模拟预测。通过模拟分析，优化焊接参数 和工艺，提高焊接质量和效率。 3. 新材料与新工艺：随着新材料的应用不断拓展，电子束焊接技术 也将应用于更多新材料的焊接。同时，发展新的电子束发生器和聚焦 系统，提高焊接速度和精度。 4. 环境友好与能源节约：未来电子束焊接技术将更加注重环境友好 和能源节约。例如，采用低能耗的发生器和优化工艺，减少资源消耗 和废弃物产生。 综上所述，电子束焊接技术具有高能量密度、深焊能力和小热影响 区等优势，广泛应用于航空航天、汽车制造和核工程等领域。未来，
电子束焊接新工艺介绍 电子束焊接是一种高能束焊接工艺，利用高速电子束来熔化和连接金属材料。它具有高效、高精度和无污染等优点，因此在航空航天、能源、电子和汽车制造等领域得到了广泛的应用。本文将介绍电子束焊接的原理、应用以及其在新工艺中的创新。 1. 电子束焊接原理 电子束焊接利用高速电子束的热能将焊件加热到熔点，并通过材料的自身表面张力形成液态金属池，从而实现焊接。电子束产生器通过热发射电子枪发射高速电子束，通过电子光学系统将电子束聚焦到焊接点上。在焊接过程中，焊件表面与电子束相互作用，将大部分电子能量转化为热能，使焊接点迅速升温并熔化。 2. 电子束焊接的应用 电子束焊接广泛应用于如下领域： 2.1 航空航天领域 航空航天领域对焊接接头的质量和可靠性要求非常高。电子束焊接由于其高能量聚焦和熔池稳定性的特点，成为航空航天部件的首选焊接工艺，能够确保接头的强度和密封性。 2.2 能源领域
电子束焊接广泛应用于核电站中的管道和容器的焊接，能够保证焊 缝的强度和耐高温性能。同时，在太阳能光伏领域，电子束焊接可以 高效地连接光伏电池片和电池组件，提高太阳能电池的转换效率。 2.3 电子领域 电子束焊接可以用于连接微电子器件和半导体材料。其高能量聚焦 和熔池稳定性使得焊缝的尺寸控制精度高，适用于微尺寸器件的焊接，如微芯片、集成电路和MEMS。 2.4 汽车制造领域 电子束焊接在汽车制造中常用于焊接车身结构和发动机部件。电子 束焊接可以实现高强度焊缝和减少变形，提高汽车的结构强度和安全 性能。 3. 电子束焊接新工艺创新 近年来，电子束焊接工艺在不断创新发展中引入了一些新的技术和 方法。以下是一些典型的创新应用： 3.1 多束电子束焊接 多束电子束焊接利用多个电子束同时对焊件进行加热，可以提高焊 接速度和效率，同时减少焊接变形。这种方法广泛应用于大批量零件 的快速焊接，如汽车车身焊接和飞行器结构焊接。 3.2 电子束熔覆
电子束焊接的原理应用 1. 电子束焊接的原理 电子束焊接是一种利用高速电子束对工件进行熔化和焊接的方法。它是一种非 常高效、精确的焊接技术，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子器件等领域。电子束焊接的原理主要包括以下几个方面： 1.电子束的产生：电子束通过加速器加速电子，形成高速电子束。一 般来说，电子束的能量越高，焊接的功率越大，焊接速度也越快。 2.电子束的聚焦：经过加速器加速后的电子束，通过一系列的磁场和 电场装置进行聚焦，使电子束变得更加密集。聚焦的目的是使电子束能够集中到一个较小的区域内，提高焊接的精度和效率。 3.电子束与工件的交互作用：电子束照射到工件表面时，会与工件原 子或分子发生碰撞，使原子或分子的动能增加，使其发生熔化。同时，电子束的能量也会使工件表面产生局部融化。 4.焊接缺陷的控制：电子束焊接过程中，可能会出现一些缺陷，如焊 接变形、气孔等。为了控制焊接缺陷，可以采用预热、焊缝设计、焊接参数优化等措施。 2. 电子束焊接的应用 电子束焊接具有以下优点，使其在工业生产中得到了广泛应用： 1.高焊接速度和精度：由于电子束的高速和可调控的能量，电子束焊 接速度快，焊接精度高，能够满足高精度焊接的需求。 2.不产生氧化反应：电子束焊接过程中，焊接区域几乎没有氧气存在， 避免了焊点氧化的问题，保证了焊接质量。 3.无需外部填充材料：电子束焊接过程中，不需要使用外部填充材料， 减少了焊接工艺的复杂性，降低了焊接成本。 4.高能量密度：电子束焊接的能量密度非常高，能够迅速将焊接区域 加热到高温，提高焊接效率。 基于以上的优点，电子束焊接在以下领域得到了广泛应用： •航空航天：航空航天领域对于焊接质量和工艺要求非常高，电子束焊接能够满足这些要求，并且减少了焊接变形的问题。
非晶态合金电子束焊接工艺研究与应用 随着现代工程技术的不断发展，各种新型材料和先进工艺不断涌现，为现代制 造业的发展提供了有力支持和保障。带有现代工业科技特征的“非晶态材料”在现代制造业中占有重要的地位。但是，由于其高硬度、高熔点和强的化学稳定性，使得传统的金属间焊接方法变得非常困难。因此，探索一种高效可靠的非晶态合金电子束焊接技术，对于解决非晶态材料的加工、制造难度具有重要意义。 1. 非晶态合金概述 非晶态材料（Amorphous alloy）又称无定形合金，即在液态-固态转变时不透 明的金属材料。非晶态合金的原子有序性很差，呈一种杂乱无序的玻璃态结构，同时又具有与晶态材料相似的某些物理、化学和机械性质。非晶态合金由于其性能的优异，广泛应用于磁性记录材料、电子元器件，以及工艺模具材料等领域。 2. 传统焊接工艺的不足 非晶态合金具有非常高的硬度、高的熔点和强的化学稳定性，这些特性使得传 统的金属焊接技术难以实现。传统焊接技术使用的加热量通常很大，并且焊接区域受到的热影响阻碍了材料性能的优化，容易产生严重的热裂纹和变形等问题。因此，传统的金属焊接工艺不能满足非晶态合金的加工需要，新的焊接技术形式得到了广泛关注。 3. 非晶态合金电子束焊接工艺 电子束焊接技术是一种新兴的高能量密度焊接技术，具有独特的加热方式和材 料成分操控能力。非晶态合金电子束焊接技术是一种基于电子束焊接技术的非晶态合金焊接加工技术。与传统的焊接工艺相比，电子束焊接技术能够将能量集中在小面积上，从而可以实现高能量密度和高速度的焊接。此外，电子束焊接技术还能够对溶体深度、成分调控和热效应等参数进行优化，从而优化材料的加工性能和结构性能。
电子束加工技术及其应用 2008034121 电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高(106～109W/cm2)的电子束,以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在很短的时间(几分之一微秒)内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温,从而引起材料的局部熔化和气化,被真空系统抽走的加工技术。其加工原理如图1所示。 图1 电子束加工原理 1948年,德国物理学家K.H.Steigerwald发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊接)。1949年,德国首次利用电子束在厚度为0.5mm的不锈钢板上加工出直径小于0.2mm的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起了人们广泛重视。20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中,促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求,扫描电子束曝光机研制成功并在20世纪70年代进入市场,使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0.5μm。 近年来,国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于以下几个方面:1)完善超高能密度电热源装置;2)掌握电子束品质及与材料的交换行为特性,改进加工工艺技术;3)通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领域。我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺,经过多年的实践,在该领域也取得了一定成果。虽然电子束加工目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到应用,电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光和电子束热处理等也都陆续进入生产,但从电子束加工技术现状及新的发展趋势可以看出 ,我国在该领域的研究与世界先进水平差距很大。 按照电子束加工所产生的效应,可以将其分为两大类:电子束热加工和电子束非热加工。 电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转化成热能,以实现对材料的加工,其中包括:1)电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺, 这种设备一般都采用微机控制,并且常为一机多用; 2)电子束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于,除高真空电子束焊机之外,还有低真空、非真空和局部真空等类型;3)电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜;4 )电子束熔炼。包括难熔金属的精 1 / 4
电子束加工技术 摘要：简述了电子束加工技术工作原理，工作特点及应用，并简要介绍了国内外电子束焊接及其他电子束加工技术的现状及发展趋势。 关键词：电子束；原理；特点；应用；发展 ABSTRACT:In this article ,the current situation and the developing trend of EB welding as well as other EB processing technologies at home and abroad are briefly described. 一.简介 利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊 接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束曝光 则是一种利用电子束辐射效应的加工方法（见电子束与离 子束微细加工）。 作为加热工具，电子束的特点是功率高和功率密度大， 能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确 和迅速地调节，能用计算机控制并在无污染的真空中进行 加工。根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不 同，可以完成各种不同的加工。 二.电子束加工原理 电子束加工（electron beam machining，EBM）是在 真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能 量密度为106～109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面 上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。 1-发射阴极2-控制栅极3-加速阳极4-聚焦系统5-电子束斑点6-工件7-工作台
三.电子束加工的优缺点 1.优点 1）高功率密度属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时也不存在工具损耗问题。 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。 3）环境污染少适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。 4) 加工速度快，如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个，切割1毫米厚的钢板速度可达240毫米／分。 5) 设备的使用具有高度灵活性 ,并可使用同一台设备进行电子束焊接、表面改善处理和其他电子束加工; 6) 电子束加工是在真空状态下进行 ,对环境几乎没有污染; 7) 对于各种不同的被处理材料 ,其效率可高达 75%～98% ,而所需的功率则较低; 8. 能量的发生和供应源可精确地灵活移动 ,并具有高的加工生产率; 9) 可方便地控制能量束 ,实现加工自动化; 2.缺点 1）由于使用高电压，会产生较强 X射线，必须采取相应的安全措施； 2）需要在真空装置中进行加工； 3）设备造价高等。电子束加工对设备和系统的真空度要求较高 ,使得电子束加工价格昂贵 ,一定程度上限制了其在生产中的应用.。 由于电子束流具有以上特点 ,目前已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔,复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和抛光 ,以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断深入 ,电子束加工已成为高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。 电子束加工广泛用于焊接（见电子束焊），其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般为0.03～1.0毫米，最小孔径可达0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切缝仅为0.04毫米，因而可节省材料。 最重要的是，这些特性具有高的分解力和长的电场深度,电场是由于高能电子的短波产生的。电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。 四.电子束加工的应用 1.电子束钻孔 用聚焦方法得到很细的、功率密度为 10～10瓦/厘米的电子束周期地轰击材料表面的固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。同电子束焊接相比,电了束刻蚀、钻孔、切割所用的电子束功率密度更大而作用时间较短。电子束可在厚度为0.1～6毫米的任何材料的薄片上钻直径为1至几百微米的孔，能获得很大的深度－孔径比，例如在厚度为 0.3毫米的宝石轴承上钻直径为25微米的孔。电子束还适合在薄片（例如燃气轮机叶片）上高速大量地钻孔。 不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达
特种焊接技术 ———电子束焊接 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，称为电子束焊（Electronic Beam Welding）。电子束焊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，撞击工件表面后，将部分动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却结晶后成焊缝。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103~105kw/cm2，而焦点处的最高温度达5930o C左右。电子束焊在工业上的应用只有50多年的历史，首先是用于原子能及宇航工业，继而扩大到航空、汽车、电子、电气、机械、医疗、石油化工、造船、能源等几乎所有工业部门，创造了巨大的社会及经济效益。 电子束焊中的核心装置是电子枪，其作用是发射电子，并使其加速和聚焦。一种常用的三极电子枪枪体，其电极系统由阴极、偏压电极和阳极组成。阴极处于高的负电位，与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。偏压电极相对于阴极呈负电位，通过调节其负电位的大小和改变偏压电极形状及位置可以调节电子束流的大小和改变电子束流的形状。 一、电子束焊接的工作原理 在真空条件下。从电子枪中发射的电子束在高电压(通常为20～300kV)加速下,通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束。当电子束轰击工件时,电子的动能转化为热能,焊区的局部温度可以骤升到6000℃以上。使工件材料局部熔化实现焊接。当电子束撞击到工件表面时，电子动能转化为热能，使金属迅速熔化蒸发。在高压金属正气的作用下熔化的金属被排开，电子束继续撞击深处的固态金属，很快在被焊工件上钻出一个琐形小孔，表面的高温还可以向焊接件深层传导。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，逐渐冷却，凝固形成了焊缝。提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。 形成深熔焊的主要原因是金属蒸气的反作用力。它的增加与电子束焊的功率密度成正比。电子束功率密度低于103kw/cm2时，金属表面不产生大量蒸发现象，电子束穿透能力很小。在大功率焊接中，电子书的功率密度可达105kw/cm2，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。在大厚件的焊接中，焊缝的深宽比可高达60：1，焊缝两边缘基本平行，似乎温度横向传导几乎不存在。但是电子束在轰击路途上会与金属蒸气和二次发射粒子碰撞，造成功率密度下降，液态金属在重力和表面张力的作用下对通道有浸灌作用和封口作用。从而使通道变窄，甚至被切断，干扰和阻断了电子束对熔池底部待熔金属的轰击。焊接过程中，通道不断被切断和恢复，达到一个动态平衡。 二、电子束焊分类 ①按被焊接工件所处真空度的高低分为: 高真空电子束焊：被焊工件放在真空度为5×1022Pa以上的工作室中进行焊接。这种方法是目前应用最为广泛的。其缺点是工件大小受工作室尺寸的限制; 低真空电子束焊：工作室真空度保持在1～10Pa。它与高真空电子束焊相比,具有真空系统简单、启动快、效率高。减弱了焊接时的金属蒸发等; 非真空电子束焊：它是将在真空条件下形成的电子束流,引入到大气环境中对工件进行焊接,为了保护焊缝金属不受污染和减少电子束的散射。束流在进入大气中时先经过充满氦的气室,然后与氦气一起进入