电子束焊接(EBW)

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
大型电子束焊接设备(EBW)真空抽气系统设计
大抽速的真空抽气系统是大型电子束焊接设备(electron beam welding,EBW)中必不可少的组成部分。

本文介绍了一个大型电子束焊设备中真
空抽气系统的组成及其设计思路、方法,并对此真空抽气系统所能得到的本底真
空度、工况真空度以及各阶段的抽气时间进行了详细的计算。

为大型真空设备
的研制提供一个有益的思路和便捷的方法。

国际热核聚变实验反应堆
电子束焊是近三十年来新发展起来的一种熔化焊接方法, 它利用空间定向
运动的电子束以高速撞击到工件表面后产生的热能使工件熔化，形成焊缝。

电
子束焊接的质量一方面取决于电子束源以及加工工艺的优化，而从电子束的加
工工艺来说，很大程度上取决于真空的环境，真空度的提高可以减少高速电子
束的减速和阻尼现象，而抽真空速率对电子束的整个加工时间起着决定性的作用。

此大型电子束焊接设备的需抽容积较大，需要一个大抽速的真空系统，
现对此真空抽气系统进行设计。

设计要求
为了使电子束内的杂质微粒对真空的影响减至最小，延长阴极寿命，应
尽可能地提高电子束焊接室的真空度。

工作时焊接室需经常开启以更换焊接
件，因此要尽可能地减少真空抽气时间，以提高焊接效率。

此真空抽气系统的具体设计要求如下：
(1) 焊接室需抽容积为48 m3，材料为复合不锈钢。

在焊接前，焊接室的本底真空度要求达到1 乘以10- 2 Pa。

电子束焊EBW)电子束焊是从1950年晚些时候开始商业应用的，它已经赢得了业界的认可。

开始时，该工艺要求在一个高真空室内操作。

然而，该工艺迅速得到改进，只在电子束产生的部位需要高真空。

这就有了在中真空或非真空环境中焊接的选择。

这个进步使得该工艺被汽车和消费品制造商认可。

所以，EBW在世界范围的工业中得到广泛的应用(见图3.44-3.46)。

EBW是一种熔化连接工艺，它通过带有高能量的电子束撞击要焊接的接头来连接材料。

电子束焊的关键部位是电子束枪。

电子是通过加热与负极相连的发射阴极或“灯丝”，使它达到它的热电子发射温度范围，电子蒸发并被吸引到与正极相连的阳极上而产生的(见图3.47)。

在发射器周围有配置好的栅格或偏罩，以帮助加速和成型电子形成电子流。

电子束通过阳极上的开孔离开电子枪继续向工件运动(见图3.48)。

一但电子束离开电子枪，它会渐渐发散。

为了抵消这种发散，使用一个电磁镜系统来汇聚电子束，它将电子束在工件上汇聚成一个点。

电子束的发散和汇聚角度都很小，这可使聚焦的电子束得到一英寸的范围的有效聚焦或“景深”。

电子束焊有四个基本参数：加速电压，电子束电流，焦点尺寸和焊接速度。

基本设备包括真空室，控制和电子束枪(见图3.44-3.46)。

典型的功率是30-175kV和50-1000mA。

电子束产生比激光束更高的能量密度。

如激光束焊一样，电子束焊通常采用“小孔”模式，它产生非常深非常窄的焊缝(见图3.49)。

在大多数应用中，熔深比宽度大得多，而且产生的热影响区非常窄。

例如，在真空条件下，0.5英寸(13mm)板材对接，焊缝宽度会小至0.003英寸(0.8mm)。

这与弧焊和气焊的焊接接头有着明显不同的焊缝区，主要是通过导热熔化得到熔透。

通过电磁偏转可以很容易地移动电子束。

在大多数情况下，偏转是用于调整电子束和接头之间的偏移，或用于产生圆，椭圆或其它形状。

偏转会修订作用于接头的平均能量密度，这会改变焊道的形状。

影响电子束焊接质量的几个工艺因素摘要：电子束焊接具有它独特的优点，应用广泛。

为了得到高质量的焊缝，需要注意诸多问题。

本文通过对实际例子的论述和分析，讨论了影响电子束焊接质量的一些工艺因素，如焊缝结构设计、工装模具、焊接参数、电子束斑点位置、预热和退火、填充材料以及电子束跟踪焊接等。

关键词：电子束焊接质量工艺因素1.引言电子束焊接（Electron Beam Welding—EBW）技术是高能束（High Energy Density Beam—HEDB）加工技术的一个重要组成部分，与激光焊接相比各有优点[1]。

电子束焊接除了具有输入能量密度高、加热面积小、焊接速度快、焊缝热影响区窄、工件变形小等特点之外，还具有电子束穿透深、焊缝深宽比大、电子束控制方便以及真空环境中的焊缝不受污染等特点[2]。

电子束焊接适于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。

作为热加工手段之一，电子束焊接技术已经比较成熟，但又有良好的发展势头，有关机理、自动化程度、质量监控、应用领域等研究内容尚在不断进步。

我们从二十世纪六十年代开始进行电子束焊接工艺及应用研究，涉及的材料有高熔点金属、高弹性合金、可伐合金、不锈钢、高强钢、有色金属及其合金和陶瓷等非金属材料；涉及的工件结构多种多样，以中小型精密零件为主。

三十多年来已取得多项科技成果。

本文试图从一些具体工件的焊接实例入手（以本单位的应用范例为主）讨论影响电子束焊接质量的几个工艺因素。

2.焊缝结构及配合间隙在焊接实践中，会碰到形形色色的工件，焊缝结构也各不相同，但总体上可分为：对焊缝、端焊缝、角焊缝（包括穿透焊缝），或区分为直线焊缝、环线焊缝、曲线焊缝、点焊缝，还有等截面焊缝和变截面焊缝等。

为了达到最佳焊接效果，焊缝结构和配合间隙的设计至关重要，既要考虑工件（部件）在整机中的作用，又必须满足被焊材料可焊性和具体焊接工艺的要求。

所以在实施焊接之前，应该与工程设计人员共同讨论焊接件的焊缝结构，或通过工艺试验确定合理的结构与间隙尺寸。

航空发动机制造的电子束焊接技术分析电子束焊接是一种高效、高精度的焊接技术，可以用于航空发动机制造中的许多关键部件的焊接，如进气道、涡轮叶片、压气机叶盘和推进器等。

本文将介绍航空发动机制造中电子束焊接的技术原理、应用和优势。

一、技术原理电子束焊接利用电子束作为热源将两个或更多金属材料连接在一起。

电子束是由电子枪产生的高速电子流，其速度接近光速并由半导体电子透镜控制成较小的直径束流。

当电子束进入金属材料表面时，将会对材料表面的原子产生剧烈的碰撞，从而使材料表面的原子逐渐被加热，最终达到熔化的状态，再与另一块金属材料相连。

二、应用航空发动机制造中，由于零部件的特殊性，需要对材料进行高强度和高精度的焊接。

电子束焊接技术可以通过精确的控制焊接参数来满足这些要求，主要应用于以下部分：1. 进气道：进气道是航空发动机中负责吸入空气以供给发动机所需的部件。

在制造进气道时，一般需要将多个壳体部件焊接在一起，电子束焊接技术可以实现高精度、不失真的连接。

2. 涡轮叶片：涡轮叶片是发动机中的关键部件，其质量和精度直接影响发动机的性能。

电子束焊接技术可以实现对叶片的高精度连接和修复，提高了叶片的使用寿命和性能。

3. 压气机叶盘：压气机叶盘是发动机中压缩空气并将其送至燃烧室的重要部件。

使用电子束焊接技术可以实现对叶盘高精度、高强度的连接，确保叶盘在高压力下不会出现问题。

4. 推进器：推进器是发动机中将燃气排出的部分，其工作环境非常苛刻，需要耐高温、耐磨损的连接方式。

电子束焊接技术可以实现高强度、不失真的连接，从而确保推进器的可靠性和性能。

三、优势1. 高精度：电子束焊接技术可以实现焊接时对热输入和熔深的高精度控制，从而确保焊缝的精度和表面质量。

2. 高强度：电子束焊接技术的焊接强度较高，可以满足航空发动机的高强度要求。

3. 不失真：电子束焊接技术的焊接过程中产生的热量仅仅聚焦在工件的焊缝处，不会对整个工件造成明显的变形，从而保证了产品的精度。

电子束焊接技术在工业中的应用和发展电子束焊接技术在工业中的应用和发展摘要:本文介绍了电子束焊接及主要特点,总结了近年来电子束焊接在航空航天、电子与仪表、汽车等工业领域中应用现状,并对其发展作了展望。

关键词: 电子束焊接应用现状发展电子束焊接(EBW)是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法和现代焊接技术,自50年代首先应用于核工业,经过四十多年的发展,电子束焊接不仅在一些高新技术领域充分应用,而且已成为一般工业部门的一种重要加工手段。

一、电子束焊接的特征由于高能量密度的电子束流集中作用的结果,使电子束焊接熔池“小孔”形成机理与其他熔化焊有所不同。

电子束焊接过程是,高压加速装置形成的高功率电子束流,通过磁透镜会聚,得到很小的焦点(其功率密度可达104~109W/cm2),轰击置于真空或非真空的焊件时,电子的动能迅速转变为热能,熔化金属,实现金属焊接的目的。

电子束焊接的特点可概括如下:(1)电子束斑点直径小,加热功率密度大,焊接速度快,热影响区小;(2)可获得深宽比大的焊缝,焊接厚件时可以不开坡口一次成形;(3)多数构件是在真空条件下焊接,焊缝纯洁度高;(4)规范参数易于调节,工艺适应性强;(5)适于焊接多种金属材料;(6)焊接热输入低,焊接热变形小。

但是电子束焊接方法也有一些不足,如:(1)电子束焊机结构复杂,控制设备精度高,所需费用高;(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,每次装卸工件要求重新抽真空;(4)冷却过程中快速凝固,引起焊接缺陷,如气孔、焊接脆性等;(5)电子束易受杂散电磁场的干扰,影响焊接质量;(6)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。

二、电子束焊接的分类1、根据焊件所处真空度的差异可分为:(1)高真空电子束焊接(真空度为10-4～10-1Pa):该方法电子散射小,作用在工件上的功率密度高,穿透深度大,焊缝深宽比大,适宜于活性金属、难熔金属及质量要求高的工件焊接,应用最为广泛。

EBW-MG/GE系列电子束焊机使用维护手册前言目录安全指南 1EBW-MG/GE系列电子束焊机介绍 2操作指南 3日常维护与维修 4焊接工艺及要求 5保修维修条例目录前言---------------------------------------------------------------------1 目录---------------------------------------------------------------------2 第一章安全指南----------------------------------------------------------41.1 使用环境条件 -----------------------------------------------------51.2 操作法规---------------------------------------------------------61.3 维护法规---------------------------------------------------------8 第二章EBW－MG/GE系列电子束焊机介绍----------------------------------102.1 特点 ------------------------------------------------------------112.2 技术规格参数----------------------------------------------------122.3 基本结构--------------------------------------------------------13 第三章操作指南---------------------------------------------------------263.1 真空控制--------------------------------------------------------273.2 焊接操作--------------------------------------------------------313.3 参数调整--------------------------------------------------------363.4 调试------------------------------------------------------------443.5 报警信息--------------------------------------------------------483.6 系统设置--------------------------------------------------------493.7 更换灯丝--------------------------------------------------------543.8 工装------------------------------------------------------------573.9 安全防护--------------------------------------------------------583.10 紧急情况的处置-------------------------------------------------60 第四章日常维护与维修--------------------------------------------------634.1 焊机日常维护----------------------------------------------------644.2 真空系统维护及故障处理------------------------------------------654.3 放电故障处理----------------------------------------------------674.4 工装卡具维护与故障处理------------------------------------------69第五章焊接工艺及要求--------------------------------------------------705.1 基本概念--------------------------------------------------------715.2 电子束焊缝的形成机理--------------------------------------------725.3 影响焊缝成形的因素----------------------------------------------735.4 常见焊缝缺陷的产生原因及其防治措施------------------------------755.5 辅助工艺--------------------------------------------------------785.6 焊接工艺--------------------------------------------------------79 附件保修维修条例-----------------------------------------------------84安全指南11.1使用环境条件1.2操作法规1.3维护法规EBW-MG/GE系列电子束焊机在设计时把使用者的安全放在首位，但任何设备，包括设计得非常完美的设备都有危险性。

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。

焊接方法代号范文1.SMAW（手工电弧焊接）SMAW（Shielded Metal Arc Welding），也称为手工电弧焊接。

该方法使用熔化电极进行焊接，电弧通过电极和工件之间的间隙产生，并使电极和工件熔化，形成焊缝。

SMAW通常用于大工件的焊接，包括钢结构、船舶、桥梁等。

2.GMAW（气体金属电弧焊接）GMAW（Gas Metal Arc Welding），也称为气体金属电弧焊接。

该方法使用熔化金属电极进行焊接，电弧在熔化电极和工件之间形成，并使电极和工件熔化，形成焊缝。

GMAW通常用于焊接钢、铝、镍等金属材料。

3.GTAW（氩弧焊接）GTAW（Gas Tungsten Arc Welding），也称为氩弧焊接。

该方法使用不熔化的钨电极进行焊接，通过电弧在钨电极和工件之间形成，使用氩气或其他惰性气体作为保护气体。

GTAW适用于焊接不锈钢、合金材料和高纯度金属材料。

4.FCAW（通用焊丝焊接）FCAW（Flux-Cored Arc Welding），也称为通用焊丝焊接。

该方法使用带有焊剂的焊丝进行焊接，焊丝中的焊剂在熔化时释放出气体和化学物质，用于保护电弧和焊缝。

FCAW可以在室外和风场环境中进行焊接，适用于焊接钢、铁和铝等材料。

5.SAW（埋弧焊接）SAW（Submerged Arc Welding），也称为埋弧焊接。

该方法使用熔化焊丝和焊剂进行焊接，焊缝在埋在焊剂下面，保护焊缝不受外界气体和杂质的影响。

SAW适用于厚板和大工件的焊接，特别是用于制造船舶、压力容器和核反应堆。

6.ESW（电渣焊接）ESW（Electroslag Welding），也称为电渣焊接。

该方法使用电流通过熔化焊剂和工件之间的电渣来形成焊缝。

ESW适用于焊接厚板，特别是钢板和合金材料。

7.PAW（等离子弧焊接）PAW（Plasma Arc Welding），也称为等离子弧焊接。

该方法使用电弧在钨电极和工件之间形成，通过喷射等离子气体在电弧和焊缝之间形成高温等离子体。

电子束焊接技术在核能工业中的应用前景引言核能工业作为当今世界能源发展的重要方向之一，对安全性和可靠性的要求极高。

而电子束焊接技术作为一种先进的焊接技术，具有高效、高品质和低热输入等优势，因此在核能工业中具有广阔的应用前景。

本文将对电子束焊接技术在核能工业中的应用前景进行探讨。

一、电子束焊接技术概述电子束焊接技术是利用电子束与工件相互作用产生的高能量电子束流来完成焊接过程的一种焊接方法。

它利用电子的高速运动和高能量使金属工件加热融化，并通过金属表面的冷却产生的热量将焊缝区域迅速冷却。

电子束焊接技术具有焊缝狭窄、热影响区小、焊缝深度大、焊接速度快和焊缝质量高的特点。

二、电子束焊接技术在核能工业中的应用1. 反应堆核壳的制造反应堆核壳是核能工业中至关重要的部件之一，其密封性和可靠性对于防止核辐射外泄至关重要。

电子束焊接技术可以实现高精密度的焊接，确保核壳的密封性。

电子束焊接技术的高能量特性可以增加焊接强度，并且焊接速度快，可大幅提高工作效率。

2. 燃料棒的制造燃料棒是核能工业中用于储存和输送核燃料的关键部件。

采用电子束焊接技术可以实现焊接点无缺陷，并确保焊接强度。

电子束焊接技术对材料金属化层的影响较小，可以更好地保护燃料棒的金属包覆层，提高其使用寿命和可靠性。

3. 不锈钢管道的制造不锈钢管道在核能工业中扮演着重要的角色，用于输送冷却剂和处理核废料等。

采用传统的焊接方法容易产生氢致开裂等问题，而电子束焊接技术能够实现焊缝处无缺陷、焊缝熔合区没有热影响并保持较低的残余应力，可以提高管道的耐腐蚀性能和使用寿命。

4. 辅助设备的制造核能工业中的辅助设备如水冷器、换热器、压力容器等具有复杂的结构和高要求的焊接质量。

电子束焊接技术具有高品质、高效率和高自动化程度，可以满足这些辅助设备的生产要求，提高焊接质量和生产效率。

三、电子束焊接技术在核能工业中的优势1. 高品质焊接质量：电子束焊接技术具有极高的焊缝质量，焊接缺陷率低，可以满足核能工业对高可靠性和高安全性的要求。

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。

电子束焊EBW介绍及优缺点电子束焊是从1950年晚些时候开始商业应用的，它已经赢得了业界的认可。

开始时，该工艺要求在一个高真空室内操作。

然而，该工艺迅速得到改进，只在电子束产生的部位需要高真空。

这就有了在中真空或非真空环境中焊接的选择。

这个进步使得该工艺被汽车和消费品制造商认可。

所以，EBW在世界范围的工业中得到广泛的应用(见图3.44-3.46)。

EBW是一种熔化连接工艺，它通过带有高能量的电子束撞击要焊接的接头来连接材料。

电子束焊的关键部位是电子束枪。

电子是通过加热与负极相连的发射阴极或“灯丝”，使它达到它的热电子发射温度范围，电子蒸发并被吸引到与正极相连的阳极上而产生的(见图3.47)。

在发射器周围有配置好的栅格或偏罩，以帮助加速和成型电子形成电子流。

电子束通过阳极上的开孔离开电子枪继续向工件运动(见图3.48)。

一但电子束离开电子枪，它会渐渐发散。

为了抵消这种发散，使用一个电磁镜系统来汇聚电子束，它将电子束在工件上汇聚成一个点。

电子束的发散和汇聚角度都很小，这可使聚焦的电子束得到一英寸的范围的有效聚焦或“景深”。

电子束焊有四个基本参数：加速电压，电子束电流，焦点尺寸和焊接速度。

基本设备包括真空室，控制和电子束枪(见图3.44-3.46)。

典型的功率是30-175kV和50-1000mA。

电子束产生比激光束更高的能量密度。

如激光束焊一样，电子束焊通常采用“小孔”模式，它产生非常深非常窄的焊缝(见图3.49)。

在大多数应用中，熔深比宽度大得多，而且产生的热影响区非常窄。

例如，在真空条件下，0.5英寸(13mm)板材对接，焊缝宽度会小至0.003英寸(0.8mm)。

这与弧焊和气焊的焊接接头有着明显不同的焊缝区，主要是通过导热熔化得到熔透。

通过电磁偏转可以很容易地移动电子束。

在大多数情况下，偏转是用于调整电子束和接头之间的偏移，或用于产生圆，椭圆或其它形状。

偏转会修订作用于接头的平均能量密度，这会改变焊道的形状。