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1、特种焊接电子束焊技术和工艺名目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格外重要的加工工艺。据工业兴旺国家统计,每年仅需要进展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，使两个分别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
2、，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进展，焊接技术不断进步。仅以型焊接方法而言，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、集中焊等。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，然后还要依据所焊产品的构造、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展焊接的方法。电子
3、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103 105 KW/ cm2 ，而焦点处的最高温度达5953 C 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，制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，撞击工件外表并将动能转化为热能，使被焊金属快速溶化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，溶化的金属被排开，电子束能
4、连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，液态金属沿小孔四周流向熔池后部，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，而且的方法仍在不断涌现，因此如何对焊接方法进展科学的分类是一个格外重要的问题。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的焊接技术供给有力依据。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
5、、压焊pressure welding、钎焊brazing and soldering，然后，依据不同的加热方式、工艺特点等将每一大类方法再细分为假设干小类。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溶化而实现焊接的，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 (10-4 : 10-1 Pa )工作室的压强下进展的。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 (10-1 :
6、10Pa )工作室的压强下进展的。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，通过肯定的手段引入到大气中对焊件进展焊接。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103 105 KW/ cm2 ，比一般电弧功率密度高 1001000 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
7、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，溶化和凝固快，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510-4 Pa ，这种焊接方式尤其适合焊接钛及钛合金等活性材料。（5） 工艺参数调整范围广和适应性强：电子束焊的工艺参数可独立地在很宽的范围内调整，掌握敏捷，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、自动化掌握，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） 设备简单，价格贵，使
8、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展清理。这项工作是用较宽、不聚焦的电子束扫过金属外表实现的。把氧化物汽化，同时把不干净的杂质和气体生产物去除掉，给掌握栅极以脉冲电流就能准确地掌握电子束的能量。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、大大削减生产时间等优点，其所具有的优越性使得其在工业兴旺国家得到了快速进展和广泛应用。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，焊接技术可应用于以下材
9、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一般低碳钢外，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；焊接周密仪器、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、掌握系统、真空工作室、真空系统、工作台及关心装置等几大局部组成。选用电子束焊设备时，应综合考虑被焊材料、板厚、外形、产品
10、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 焊前预备（1） 结合面的加工与清理电子束焊接头金属严密协作无坡口对接形式，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，外表粗糙度一般为 1.525 m 。宽焊缝比窄焊缝对结合面要求可放宽，搭接接头也不必过严。焊前必需对焊件外表进展严格清理，否则易产生焊缝缺陷，
11、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严密结合，不留间隙，尽量使结合面平行，以便窄小的电子束能均匀溶化接头两边的母材。装配公差取决于焊件厚度、接头外形和焊接工艺要求，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，假设零件不是设计成自紧式的，必需用夹具进展定位与夹紧，然后移动电子枪体或工作台完成焊接。为了避开电子束发生磁偏转，要使用无磁性的金属制造全部的夹具和工具。（4） 退磁全部磁性的金属材料在电子束焊之前都必需退磁。剩磁可能因
12、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，靠渐渐移出进展退磁，也可用磁粉探伤设备进展退磁。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，均可进展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。假设电子束的功率缺乏以穿透接头的全厚度，也可实行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、接缝预备和施焊的方位。设计原则是便于接头的预备、装配和对中，削减收缩应力，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
13、度和工作距离。电子束焊的工艺参数主要由板厚来打算。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掌握。（1） 加速电压在一样的功率、不同的加速电压下，所得焊缝深度和外形是不同的。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放射流向阳极的电子束电流也称束流与加速电压一起打算着电子束的功率。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，由于加速电压根本不变
14、，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打算着焊缝的熔深、宽度以及被焊材料熔池行为冷却、凝固及焊缝融合线外形。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，相对于焊件外表而言，电子束焊的聚焦位置有上焦点、下焦点和外表焦点三种，焦点的位置对焊缝成形影响很大。依据被焊材料的焊接速度、接头间隙等打算聚焦位置，进而确定电子束斑点大小。（5） 工作距离焊件外表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
15、不影响到电子枪稳定工作的前提下，可以承受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，除了选择适宜的电子束焊工艺参数外，还可以实行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，可以承受电子束水平入射焊，从侧向进展焊接。（2） 脉冲电子束焊在同样的功率下，承受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根本条件。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转变，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
16、前预热被焊件，可削减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削减裂纹倾向。在深熔焊时，往往有肯定量的金属积存在焊缝外表，假设预开坡口，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展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外表处理在工业上的应用最为广泛，也最具有竞争力。近年来，电子束焊接技术的争论及推广应用极为快速，在大批量生产、大型零件制造以及简单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、周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.19932. 特别及难焊材料的焊接.李亚江.北京.化学工业出版社.20233. 特种焊接技术及应用其次版.李亚江.北京.化学工业出版社.20234. 国内外电子束焊接技术的应用与进展2第5-8 期.张秉刚、吴林.2023.