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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，撞击工件表面并将部分动能转化成热能，使被焊金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下熔化的金属被排开，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（图3.1）。提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。
图3.1 电子束焊焊缝的形成原理
①加热功率密度大 焊接用电子束加速电压为几十到几百千伏；电流为几十到几百毫安，最大可达1000mA以上；电子束功率从几十千瓦到数百千瓦，电子束焦点直径小于1mm。电子束焦点处的功率密度达10 3 ～10 5 kW/cm 2 ，比普通电弧功率密度高100～1000倍。
②焊缝深宽比（ H/B ）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，可实现大深宽比的焊接。
③焊接速度快和焊缝性能好 电子束焊速度快和能量集中，熔化和凝固快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后的连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。能避免晶粒长大，使焊接接头性能得到改善；高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。
④焊缝纯度高 真空电子束焊的真空度一般为5×10 -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 不仅能焊接钢铁材料、有色金属和异种金属材料的接头，也可焊接无机非金属材料和复合材料，如陶瓷、石英玻璃等。
电子束焊接的不足之处如下。
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，焊件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。这项工作是用较宽的、不聚焦的电子束扫过金属表面实现的。把氧化物气化，同时把杂质和气体生成物清除掉，给控制栅极以脉冲电流就能精确地控制电子束的热量。这时使用一种与电阻焊计时线路相似的线路，使频率能在很宽的范围内调节，获得短而恒定的焊接脉冲。
电子束焊中存在小孔效应，小孔的形成是一个复杂的高温流体动力学过程。高功率密度的电子束轰击焊件，使焊件表面材料熔化并伴随着液态金属的蒸发，材料表面蒸发走的原子的反作用使液态金属表面压凹。随着电子束功率密度的增加，金属蒸气量增多，液面被压凹的程度也增大，并形成一个通道。电子束经过通道轰击底部的待熔金属，使通道逐渐向纵深发展。
液态金属的表面张力和流体静压力力图拉平液面，达到力的平衡状态时，通道的发展才停止，并形成小孔。电子束焊小孔和熔池的形状与焊接参数有关，如图3.2所示。
图3.2 相同功率、不同焊接速度下小孔与熔池的形貌
（CCD摄像结果， P =3.6kW， I f =512mA， I b =60mA）
形成小孔效应或深熔焊的主要原因是金属蒸气的反作用力，它的增大与电子束焊的功率密度成正比。电子束功率密度低于10 5 W/cm 2 时，金属表面不产生大量蒸发现象，电子束的穿透能力很小。大功率电子束焊的功率密度可达10 8 W/cm 2 以上，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。在大厚度件的焊接中，电子束焊缝的深宽比可高达60∶1，焊缝两边缘基本平行。但是电子束在轰击路途上会与金属蒸气和二次发射的粒子碰撞，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。
电子束焊具有很多优于传统焊接方法的特点，可归纳在表3.1中。为了获得电子束焊的深熔焊效应，除了要增加电子束的功率密度外，还要设法减轻二次发射和液态金属对电子束通道的干扰。
表3.1 电子束焊的主要特点
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熔化而实现焊接的。电子束焊按被焊工件所处环境的真空度可分为以下三类。
焊接是在高真空（10 -4 ～10 -1 Pa）工作室的压强下进行。工作室和电子枪可用一套真空机组抽真空，也可用两套机组分别抽真空。为了防止扩散泵油污染工作室，工作室和电子枪室通道口处设有隔离阀。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损，适用于活泼性金属、难熔金属的焊接。
焊接是在低真空（10 -1 ～10Pa）工作室内进行，但电子枪仍在高真空（10 -3 Pa）条件下工作。电子束通过隔离阀和气阻通道进入工作室，电子枪和工作室各用一套独立的抽气机组单独抽真空。低真空电子束焊也具有束流密度和功率密度高的特点。由于只需要抽到低真空，缩短了抽真空的时间，提高了生产效率，适用于批量大的零部件的焊接和生产线上使用。
没有真空工作室，电子束仍是在高真空条件下产生的，然后通过一组光阑、气阻通道和若干级真空小室，引入到大气环境中对工件进行焊接。在大气压下电子束散射强烈，即使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。非真空电子束焊各真空室采用独立的抽真空系统，在电子枪和大气间形成压力依次增大的真空梯度。
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要真空室，可以焊接尺寸大的工件，生产效率高。近年来发展起来的移动式真空室或局部真空电子束焊接方法，既保留了真空电子束焊高功率的优点，又不需要真空室，在大型工件的焊接工程上有应用前景。
20世纪60年代初，我国开始跟踪世界电子束焊技术的发展。我国科技人员对多种材料（如铝合金、钛合金、不锈钢、超高强钢、高温合金等）的电子束焊进行了系统的研究。在新型飞机、航空发动机、导弹等的试制中都用到了电子束焊技术。电子束焊已作为一种先进的制造技术在我国航空航天、汽车、电力及电子等工业部门得到广泛应用。在其他工业部门中，采用电子束焊的主要有高压气瓶、核电站反应堆内构件筒体、汽车齿轮、电子传感器、雷达波导等。传动主轴、汽轮机叶片等也有的采用了电子束焊。
电子束焊所具有的优越性，使其在工业发达国家得到迅速发展和广泛应用。电子束焊接产品已由原子能、火箭、航空航天等国防尖端部门扩大到机械制造业等民用部门。目前全世界拥有的电子束焊机有一万多台，焊机功率为2～300kW，实用中的最大电子束功率在100kW左右。
电子束焊接可应用于下述材料和场合。
①除含锌高的材料（如黄铜）、低级铸铁和未脱氧处理的普通碳钢外，绝大多数金属及合金都可用电子束焊接。按焊接性由易到难的顺序排列为钽、铌、钛、铂族、镍基合金、钛基合金、铜、钼、钨、铍、铝及镁。
②可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。
③可不开坡口焊接厚大工件，焊接变形很小；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、仪表或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，还可用作钎焊热源。
近年来，电子束焊的研究和推广应用非常迅速。电子束加速电压由20～40kV发展为60kV、150kV甚至300～500kV，焊机功率也由几百瓦发展为几千瓦、几十千瓦甚至数百千瓦，一次焊接的深度可达到数百毫米。
电子束焊接主要用于质量或生产率要求高的产品，前者主要用于核能、航空航天及电子工业，典型实例有核燃料密封罐、喷气发动机特种合金部件、火箭推进系统压力容器、密封真空系统等；后者主要用于汽车、焊管、双金属锯条等，例如汽车传动齿轮、直缝连续焊铜管或钢管、齿部为钨钢（W6Mn65Cr4V2）背部为弹簧钢（50CrV2）的双金属机用锯条等。
电子束焊接的部分应用领域见表3.2。
表3.2 电子束焊接的部分应用领域
电子束焊在下述领域有良好的应用前景。
①电子束焊在复杂零件的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，可以提高工作效率、提高零件的质量。
②在航空航天工业中，电子束焊技术将继续扩大其应用，并发展电子束焊的在线检测技术以及通过计算机控制提高其焊接稳定性和自动化水平。
③由于电子束焊在厚大件焊接中有独特的优势，所以在能源、核电站、重型机械等产业部门中大有用武之地。
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电子束焊的设备将趋向于多功能及柔性化。随着应用领域的扩大，多功能电子束焊的成套设备、集成工艺以及电子束焊机的柔性化将越来越重要。
⑥电子束焊接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、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。
真空电子束很高的能量密度保证大厚度的工件可以在不开坡口的条件下一次焊成，生产率显著提高。由于焊接热影响区宽度和变形都很小，能用于精密构件的焊接，也可用于经过热处理的构件的焊接，不致引起接头组织和性能的显著变化。采用真空电子束焊，可以节省焊后校正变形及热处理所需要的人力和物力，改进焊接构件的生产工艺过程。
真空电子束焊的设备投资较高，所焊工件的尺寸受真空室的限制，这些因素在分析可行性时须同时予以考虑。
在电子和仪表工业中，有许多零件要求用精密焊接方法制造。这些零件除材料特殊、结构复杂且紧凑外，有时还有特殊的技术性能要求，如需保证气密性、焊后形成真空腔、不能破坏温敏元件等。真空电子束焊在解决这些技术难题时起到了独特的作用。电子束焊在电子和仪表工业中的应用示例见表3.3。
表3.3 电子束焊在电子和仪表工业中的应用示例
早在20世纪60年代，美国就将非真空电子束焊引入了批量汽车零件的生产中，因为电子束焊用于焊接厚大件时比其他焊接方法有明显的优势。为了克服大型真空电子束焊机造价高、设备复杂、抽真空时间长的缺点，非真空电子束焊的应用受到人们的关注。
近几年欧洲汽车制造大量采用了电子束焊，因为非真空电子束焊成本低、效率高，可在汽车生产线上连续进行焊接。为了减轻结构质量、节省燃料及减少废气排放，汽车上采用了一些铝合金零部件，非真空电子束焊用于焊接汽车用铝合金可得到质量良好的接头。
几种电子束焊的典型汽车组件如下。
①汽车转矩转换器 该组件上部与下部壳体采用搭接形式，采用填丝非真空电子束焊接工艺，电子束焊机是多工位的。目前在世界范围内每天焊接的汽车转矩转换器达25000个以上。
②汽车变速箱齿轮组件 汽车的变速箱齿轮及一些载重汽车、越野汽车、公共汽车等的离合器组件可采用非真空电子束焊。通常焊接这些变速箱齿轮组件采用对接接头，材料是中碳钢和合金钢。
③铝合金仪表板的焊接 汽车上的仪表板等采用铝合金焊接结构制造，接头形式一般是卷边的，多采用非真空电子束焊。