电子束焊的特点

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第331页（2821字）

1．电子束焊的原理

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，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。

在电子束焊中存在小孔效应。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是力图使液态金属表面压凹，随着电子束功率密度的增加，金属蒸气量增加，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。

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。实验表明，电子束功率密度低于10⁵W／cm²时，金属表面不产生大量蒸发现象，电子束的穿透能力很小。在大功率焊接中，电子束的功率密度可达10⁸W／cm²以上，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。

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。

由此可见，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^{［1，3，4］}。

2．电子束焊的分类

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、低真空电子束焊和非真空电子束焊。

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、难熔金属和质量要求高的焊接。

低真空电子束焊是在10^－1～10Pa的压强下进行的，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，明显的缩短了抽真空的时间，提高了生产效率，适用于批量大的零件的焊接和生产线上使用。

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，射到处于大气压力下的工件上。在大气压下，电子束散射强烈，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要真空室，因而可以焊接尺寸大的工件，生产效率高。近年来，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，因而在大型工件的焊接工程上有应用前景。

3．电子束焊的优缺点

(1)优点：

①加热功率密度大 焊接用电子束电流为几十到几百mA，最大可达1000mA以上；加速电压为几十到几百kV；故电子束功率从几十kW到一百kW以上，而电子束焦点直径小于1mm。故电子束焦点处的功率密度可达10³～10⁵kW／cm²，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，电子束焊的深度比在50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，深宽比达60∶1，可依次焊透0．1～300mm厚度的不锈钢板。

③焊接速度快，焊缝热物理性能好 焊接速度快，能量集中，熔化和凝固过程快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用做最后的连接工序，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^－4Torr，这种焊接方式尤其适合焊接钛及钛合金等活性材料。

⑤焊接工艺参数调节范围广，适应性强 电子束焊接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 不仅能焊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。

(2)缺点：

(1)设备复杂，价格贵，使用维护要求高。

(2)焊接装备要求高，尺寸受真空室大小的限制。

(3)需防护X射线。

3．电子束焊的应用范围

(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，或用于焊接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，还可用做钎焊热源^［1，4］。

电子束焊接的部分应用实例如表1－10－5所示。

表1－10－5 电子束焊接的部分应用实例