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电子束焊设备可按真空状态（焊接环境）和加速电压分类。按真空状态可分为高真空型、低真空型、非真空型；根据电子枪加速电压的高低，电子束焊机可分为高压型（60～150kV）、中压型（40～60kV）、低压型（<40kV）。各种电子束焊机的类型、特点和适用范围见表3.4。
表3.4 各种电子束焊机的类型、特点和适用范围
我国目前有数百台真空电子束焊设备在生产、科研中使用，大部分高压电子束设备是从国外进口的。国内生产的中、低压真空电子束设备和装置逐步完善，在科研和生产中发挥了重要的作用。
真空电子束焊机通常由电子枪、高压电源及控制系统、真空工作室、真空系统、工作台以及辅助装置等几大部分组成。
①电子枪 电子枪是电子束焊机的核心部件。电子枪是发射电子，并使其加速和聚焦的装置，主要由阴极、阳极、栅极、聚焦透镜等组成。电子枪的稳定性、重复性直接影响焊接质量。在电子枪中使电子束偏转，避免金属蒸气对束源段产生直接的影响。在大功率焊接时，将电子枪中心轴线上的通道关闭，而被偏转的电子束从旁边通道通过。还可采用电子枪倾斜或焊件倾斜的方法避免焊接时产生的金属蒸气对束源段污染。
电子枪一般安装在真空室的外部，垂直焊接时，放在真空室顶部；水平焊接时，放在真空室侧面。根据需要可使电子枪沿真空室在一定范围内移动。
②高压电源及控制系统 高压电源为电子枪提供加速电压、控制电压及灯丝加热电流。高压电源应密封在油箱内，以防止对人体的伤害及对设备其他控制部分的干扰。近年来，半导体高频大功率开关电源已应用到电子束焊机中，工作频率大幅度提高，用很小的滤波电容器即可获得很小的纹波系数；放电时所释放出来的电能很少，减少了其危害性。另外，开关电源通断时间比接触器要短得多，与高灵敏度微放电传感器联用，为抑制放电现象提供了有力的手段。
早期电子束焊机的控制系统仅限于控制束流的递减、电子束流的扫描及真空泵阀的开关。目前可编程控制器及计算机数控系统等已在电子束焊机上得到应用，使之控制范围和精度大大提高。
③真空工作室 真空电子束焊机的工作室尺寸由焊件大小或应用范围而定。真空室的设计一方面应满足气密性要求，另一方面应满足刚度要求；此外还要满足X射线防护需要。真空室上通常开一个或几个窗口用以观察内部焊件及焊接情况。
④真空系统 电子束焊机的真空系统一般分为两部分：电子枪真空系统和工作室真空系统。电子枪的高真空系统可通过机械泵与扩散泵配合获得。目前的新趋势是采用涡轮分子泵，其极限真空度更高，没有油蒸气污染，不需要预热，节省了抽真空时间。工作室真空度可在10 -3 ～10 -1 Pa之间。较低的真空度可用机械泵获得，高真空则采用机械泵及扩散泵系统。
⑤工作台和辅助装置 工作台、夹具、转台等对于在焊接过程中保持电子束与接缝的位置准确、焊接速度稳定、焊缝位置的精度都是非常重要的。大多数的电子束焊机采用固定电子枪，让工件作直线移动或旋转运动来实现焊接。对大型真空室，也可采用工件不动而移动电子枪的方法进行焊接。为了提高生产效率，可采用多工位夹具，抽一次真空室可以焊接多个零件。
国外生产的电子束焊设备的品种较多，真空电子束设备已商品化。我国真空电子束焊机的研制自20世纪80年代以来取得了较大进展。中等功率的真空电子束焊机已形成了系列，50kV、60kV的焊机已在生产中得到应用，一些焊接设备采用了微机控制等先进技术。
选用电子束焊设备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等）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；厚大工件选用高压型焊机，中等厚度工件选用中压型焊机；成批量生产时选用专用焊机，品种多、批量小或单件生产选用通用型焊机。
薄板导热性差，电子束焊局部加热速度快，为了防止过热应采用夹具，对极薄工件可考虑使用脉冲电子束流。电子束功率密度高，易于实现厚度相差很大的接头的焊接。焊接时薄板与厚板紧贴，适当调节电子束焦点位置，使接头贴合面两侧均匀熔化，可达到良好的接合效果。
目前电子束焊可以一次焊透300mm的钢板。焊缝的深宽比可高达60∶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，以利于焊缝成形。电子束焦点位置对于熔深影响很大，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好。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。表3.5示出不同焊接条件对电子束焊熔深的影响。
表3.5 电子束焊不同焊接条件对钢板熔深的影响
只有对接头有特殊要求或者受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。添加填充金属的主要作用如下。
①在接头装配间隙过大时可防止焊缝凹陷。
②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焊接沸腾钢时添加含少量脱氧剂（Al、Mn、Si等）的焊丝，或在焊接铜时加入Ni有助于消除气孔。
电子束焊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。
用电子束进行定位焊是装配工件的有效措施。其优点是节约装配时间和经费。可以采用焊接束流或弱束流进行定位焊，对于搭接接头可用电子束熔透法定位焊；有时先用弱束流定位焊，再用焊接束流完成焊接过程。
电子束很细、工作距离长、易于控制，所以电子束焊可以焊接狭窄间隙底部的接头。这不仅可以用于生产过程，而且在修复损坏零部件时也非常有效。复杂形状和昂贵的零部件常用电子束焊来修复。对可达性差的接头只有满足以下条件才能进行电子束焊。
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在电子束流通过的路径上应无干扰磁场。
在焊接过程中采用电子束扫描可以增大熔宽，降低熔池冷却速度，消除熔透不均匀等，降低对接头准备的要求。电子束焊接大厚度工件时，为了防止焊接产生的大量金属蒸气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°～90°夹角。这对于批量生产中保证电子枪工作稳定是十分有利的。
和其他熔化焊一样，电子束焊接头也会出现未熔合、咬边、焊缝下陷、气孔、裂纹等。此外电子束焊焊缝特有的缺陷有熔深不均、长孔洞、中部裂纹和由于剩磁或干扰造成的焊道偏离接缝等。熔深不均出现在非穿透焊缝中，这种缺陷是高能束流焊接所特有的。它与电子束焊接熔池的形成和金属的流动有密切的关系。加大小孔直径可消除这种缺陷。改变电子束焦点在工件内的位置也会影响熔深和均匀程度。适当的散焦可以加宽焊缝，有利于消除和减小熔深不均的缺陷。
①接合面的加工与清理 电子束焊接头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。要求接合面经机械加工，表面粗糙度一般为1.5～25μm。宽焊缝比窄焊缝对接合面要求可放宽，搭接接头也不必过严。
焊前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。对非真空电子束焊的焊件清理，不必像真空焊那样严格。清理方法可用丙酮，若为了强力去油而使用含有氯化烃类溶剂，随后须将工件放在丙酮内彻底清洗。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接合，不留间隙，尽量使接合面平行，以便窄小的电子束能均匀熔化接头两边的母材。装配公差取决于焊件厚度、接头设计和焊接工艺要求，装配间隙宜小不宜大。焊薄工件时装配间隙要小于0.13mm。随板厚增加，可用稍大一些的间隙。焊铝合金时的间隙比焊钢时大一些。若采用偏转或摆动电子束使熔化区变宽时，可以用较大的间隙。非真空电子束焊有时用到0.75mm的间隙。深熔焊时，装配不良或间隙过大，会导致过量收缩、咬边、漏焊等，大多数情况下装配间隙不应大于0.25mm。
③夹紧 电子束焊是机械或自动操作的，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，然后移动工作台或电子枪体完成焊接。要使用无磁性的金属制造所有的夹具和工具，以免电子束发生磁偏转。对夹具的强度和刚度要求不必像电弧焊那样高，但要求制造精确，因为电子束焊要求工件装配和对中极为严格。非真空电子束焊可用一般焊接变位机械，其定位、夹紧较为简便。
④退磁 所有的磁性金属材料在电子束焊之前应先退磁。剩磁可能因磁粉探伤、电磁卡盘或电化学加工等造成，即使剩磁不大，也足以引起电子束偏转。焊件退磁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。对于极窄焊缝，剩磁感应强度为0.5×10 -4 T；对于较宽焊缝为（2～4）×10 -4 T。
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。电子束焊常见的接头形式如图3.3所示。电子束焊的焊缝非常狭窄，在焊缝宽度方向上必须具有很高的尺寸精度。
图3.3 电子束焊常见的接头形式
电子束焊不同接头有各自特有的接合面设计、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。
①对接接头 电子束焊对接接头适于部分或全熔透焊，只需装妥夹紧即可。不等厚度板对接或平齐接比台阶接为好。焊台阶焊缝时，需采用较宽的电子束施焊，且焊接角度须精确控制，否则易焊偏造成脱焊。对接接头中的自定位接头，在环境、周边焊和其他特定焊缝中可以自行紧固。当采用部分母材作填充金属时，焊缝成形可得到改善。斜对接接头可增大焊缝金属面积，但装夹定位比较困难，只用于受结构条件限制的场合。
②角接头 电子束焊最常用的角接头形式如图3.4所示。图中（a）接头留有未焊合的接缝，承载能力差。图中（h）接头主要用于薄件，其中一个焊件须精确预先弯边90°。其他几种接头都易于装配与对齐。
图3.4 电子束焊的角接头与焊缝
③T形接头 电子束焊常用的T形接头形式如图3.5所示。图中（a）接头有未焊合的缝隙，接头强度差，有缺口和腐蚀敏感性。图中（b）为较好的接头，焊接时焊缝易于收缩，拘束应力小。图中（c）为双面焊的T形接头，用于板厚大于25mm的场合。焊接第二面时，先焊的第一面焊缝起拘束作用，有开裂倾向。
图3.5 电子束焊的T形接头与焊缝
④搭接接头 常用于焊接厚度小于1.6mm的焊件，图3.6是其中常用的三种接头形式。图中（a）和（b）均有剩余未焊透的缝隙。其中熔透型接头主要用于板厚0.2mm以下的场合，有时需采用散焦电子束或电子扫描以增加熔合宽度。厚板搭接焊时需填充焊丝以增加填角尺寸，有时也采用散焦电子束以加宽焊缝，并形成平滑的过渡。
图3.6 电子束焊的搭接接头与焊缝
⑤端接接头 厚板端接采用大功率深熔透焊，薄件或不等厚件常用小功率或散焦电子束进行焊接。
电子束焊的工艺参数主要是加速电压 U a 、电子束电流 I b 、聚焦电流 I f 、焊接速度 v 和工作距离。电子束焊的工艺参数主要按板厚来选择。图3.7示出电子束焊热量输入与板厚的关系。板厚越大，所要求的热量输入越高。
图3.7 电子束功率、热量输入和焊接速度与板厚的关系
加速电压是电子枪中用以加速电子运动的阴极和阳极之间的电压。在大多数电子束焊中，加速电压参数往往不变，根据电子枪的类型通常选取某一数值。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，焊缝横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。
由电子枪阴极发射流向阳极的电子束电流（也称为束流）与加速电压一起决定着电子束的功率。电子束功率是指电子束在单位时间内放出的能量，用加速电压与束流的乘积表示。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。这些调整包括以下几方面。
①焊接环缝时，要控制电子束电流的递增、递减，以获得良好的起始、收尾搭接处的焊接质量。
②焊接各种不同厚度的材料时，要调整电子束电流，以得到不同的熔深。
③焊接大厚度件时，由于焊接速度较低，随焊件温度增加，电子束电流需逐渐减小。
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、凝固及焊缝熔合形状）。增加焊接速度会使焊缝变窄，熔深减小。
电子束焊时，相对于焊件表面而言，电子束的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种，焦点处的电流即为聚焦电流。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。当被焊工件的厚度大于10mm时，通常采用下焦点焊（即焦点处于焊件表面的下层），且焦点在焊缝熔深的30%处。当焊接厚度大于50mm的工件时，焦点在焊缝熔深的50%～70%之间更合适。
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气进入枪体造成放电。在不影响电子枪稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。表3.6为常用材料电子束焊的工艺参数示例。
表3.6 常用材料电子束焊的工艺参数示例
①真空系统必须在接通冷却水后才能启动。
②机械泵启动时，必须先打开机械泵抽气口的阀门，使其与大气相通，待其运转正常后迅速与大气切断而转向需要抽气的部件。
③扩散泵必须在机械泵预抽真空达到一定的真空度时才能加热。停止加热后，必须待扩散泵完全冷却下来才能关闭机械泵，否则扩散泵的油易被氧化。
④停止机械泵前，必须先关闭机械泵抽气口的阀门，使其与真空系统断开，再与大气接通，以免机械泵油进入真空系统。
⑤真空系统及工作室内部应保持良好的真空状态，停止工作时必须保持其内部有一定的真空度。
①启动 真空室内的被焊工件安装就绪后，关闭真空室门，然后接通冷却水，闭合总电源开关。按真空系统的操作顺序启动机械泵和扩散泵，待真空室内的真空度达到预定值时，便可进入施焊阶段。
②焊接 将电子枪的供电电源接通，并逐渐升高加速电压使之达到所需的数值。然后相应地调节灯丝电流和轰击电压，使有适当小的电子束流射出，在工件上能看出电子束焦点，再调节聚焦电流，使电子束的焦点达到最佳状态。假如焦点偏离接缝，可调节偏转线圈电流或电子枪作横向移动使其对中。此时调节轰击电源使电子束电流达到预定数值。按下启动按钮，工件即按预定速度移动，进入正常焊接过程。
③停止 焊接结束时，必须先逐渐减小偏转电压使电子束焦点离开焊缝，然后把加速电压降低到零，并把灯丝电源及传动装置的电源降到零值，此后切断高压电源、聚焦偏转电源和传动装置的电源，这样就完成了一次焊接。待工件冷却后，按真空操作程序从真空室中取出工件。
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，从侧向进行焊接。因为水平入射侧向焊接时，液态金属在重力作用下，流向偏离电子束轰击路径的方向，对小孔通道的封堵作用降低，此时的焊接方向是自下而上或是横向水平施焊。
②脉冲电子束焊 在同样功率下，采用脉冲电子束焊可有效地增加熔深。因为脉冲电子束的峰值功率比直流电子束高得多，使焊缝获得高得多的峰值温度，金属蒸发速率会以高出一个数量级的比例提高。脉冲电子束焊可产生更多的金属蒸气，蒸气反作用力增大，小孔效应增加。
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熔化速度变化而改变，始终以最大功率密度的电子束轰击待焊金属。但由于变焦的频率、波形、幅值等参数与电子束功率密度、焊件厚度、母材金属和焊接速度有关，所以手工操作起来比较复杂，宜采用计算机自动控制。
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小裂纹倾向。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。结构允许时尽量采用穿透焊，因为液态金属的一部分可以在焊件的下表面流出，以减少熔化金属在接头表面的堆积，减小液态金属的封口效应，增加熔深，减少焊根缺陷。
①防止高压电击的措施 高压电子束焊机的加速电压可达150kV，触电危险性很大，必须采取尽可能完善的绝缘防护措施。主要预防措施如下。
a.保证高压电源和电子枪有足够的绝缘，耐压试验应为额定电压的1.5倍。
b.设备外壳应接地良好，采用专用地线；设备外壳用截面积大于12mm 2 的粗铜线接地，接地电阻应小于3Ω。
c.更换阴极组件或维修时，应切断高压电源，并用接地良好的放电棒接触准备更换的零件或需要维修的地方，放完电后才可以操作。
d.电子束焊机应安装电压报警或其他电子联动装置，以便在出现故障时自动断电。
e.焊工操作时应戴耐高压的绝缘手套、穿绝缘鞋。
②X射线的防护 电子束焊接时约有1%以下的射线能量转变为X射线辐射。我国规定，对无监护的工作人员允许的X射线剂量不应大于0.25mR/h。因此必须加强对X射线的防护措施。
a.加速电压低于60kV的焊机，一般靠焊机外壳的钢板厚度来防护。
b.加速电压高于60kV的焊机，外壳应附加足够厚度的铅板加强防护。
c.电子束焊机在高电压下运行，观察窗应选用铅玻璃，铅玻璃的厚度可按相应的铅当量选择（表3.7）。
表3.7 国产铅玻璃牌号和相应的铅当量
注：铅当量指1个单位厚度的铅玻璃相当于表中示出厚度的铅板。
d.电子束焊工作场所的面积一般不应小于40m 2 ，高度不小于3.5m。对于高压大功率电子束焊设备，应将高压电源设备和抽气装置与工作人员的操作室分开。
e.焊接过程中不准用肉眼观察熔池，必要时应佩戴铅玻璃防护眼镜。
此外，设备周围应通风良好，工作场所应安装抽尘装置，以便将真空室排出的油气、烟尘等及时排出。