哈尔滨工业大学
先进焊接与连接国家重点实验室
电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景
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2013年6月29日
电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景
综述：
本文对电子束焊接的原理，运用时的优缺点及基本特点做出简单介绍；并对其在现在航空航天，汽车行业机械制造业等方面综述其运用，最后根据电子束焊接技术存在的问题及现有新技术的发展提出其将来的发展方向。
一、电子束焊接的原理
电子束焊是利用空间定向高速运动的电子束撞击工件表面后，将部分动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却凝固后形成焊缝。这种经过电子枪产生，并由高压加速和电子光学系统汇聚成的功率密度很高的电子束撞击到工件表面，电子的动能转换为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下，熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊工件上钻出
一个锁性小孔(见图 1)，小孔的周围被液态金属包围。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，逐渐冷却凝固成焊缝。
二、电子束焊接的优缺点 2.1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,使得电子束焊接熔池小孔的形成机理与其他熔化焊有所不同。根据真空度的不同,电子束焊接可分为高真空焊接、低真空焊接和非真空焊接三种。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,焊缝宽度狭窄,热影响区小,特别适宜于精密焊接和微型焊接;
(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。焊接工艺参数的重复性和再现性好; (5)适于焊接多种金属材料; (6)焊接热输入低,焊接热变形小。 当然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)冷却过程中快速凝固,引起焊接缺陷,如气孔、焊接脆性等; (3)工件大小受真空室尺寸的限制,每次装卸工件要求重新抽真空。
2.2 电子束焊接的基本特点
2.2.1 极高的能量密度
电子束的能量密度可达 107～109W/cm2,比大功率氩弧高 2～4 个数量级。同时，电子束特殊的能量转换机构具有很高的能量转换效率。这样不但可以实现高速焊接（每分钟数十米），深穿透焊接（焊接厚度达 150mm（钢）和 300mm（铝合金），深宽比达 50﹕1），而且焊接时输送到焊件上的总能量和引起的焊接变形几乎比常规弧焊小一个数量级，对材料的热影响也相当小。甚至可以把精加工的零件焊在一起，而不需要焊后加工。此外，极高的能量密度提供了用电子束焊接任何金属，甚至包括陶瓷等非金属，以及复合材料的可能性。
2.2.2 理想的保护条件
众所周知，焊接技术的发展史是同研究不断改进和完善熔池的保护条件紧密联系着的。电子束焊接大多是在真空中进行的，真空是一种理想的保护环境，对焊缝金属和整个零件几乎没有任何污染。目前真空电子束焊接常用的真空度都在103～104乇之间，这比工业用一级氩气的纯度要高几个数量级。这样纯净的环境，对熔化金属只有净化、提纯作用，而不会带来任何污染。此外，电子束本身是没有任何化学性质的，通常电子束焊接不需要另外填充材料，从而避免了热源和填充材料带来的污染。
2.2.3 良好的可达性和可控性
在所有的荷电基本粒子中，电子具有最小的质量（其静止质量为 9.1×10-28g），很高的荷质比(1.74×108c/g)，可以几乎无惯性的受到电场或磁场的
控制。这样就使得电子束在目前已知的各种焊接热源中，成为一种最容易操纵的热源，它允许在很宽的范围内调节输送到工件上的热量，很精确地施加到接头处，并能在很大的距离（数十毫米到上千毫米）内输送能量。这样就可以对复杂零件不易接近部位、可达性差的接头进行焊接，也可焊接某些空间焊缝或遮挡焊缝(多层焊缝)。此外，电子束的功率和焦点直径都可以精确调整，这样其功率密度便可根据需要很方便地进行调节，既可以散焦在较大的面积上进行焊前预热或清理，也可以聚焦在很小的面积上实现精密焊接甚至切割，这是常规焊接热源无法实现的。近年来随着电子束偏转技术的发展，在焊接电子束以极高的频率进行扫描的同时，人们可以对电子束的焦点位置和功率分布进行控制，这就允许同时在一个焊件上施焊多条焊缝。这是连采用激光束也很难实现的，进一步显示出电子束焊接良好的可达性和可控性。
三、电子束焊接在工业领域的应用 3.1电子束焊接在电子和仪表工业中的应用
电子工业和仪表工业中使用的电子束焊接主要是高真空电子束焊接。电子束焊接技术可以解决电子工业和仪表工业中许多精密零件的焊接难题，例如封装焊接、高熔点金属焊接、集中加热焊接、穿透焊接等，焊接效率很高，因此电子束焊接技术对发展电子工业和仪表工业具有重要作用。
3.1.1 电子元器件焊接 （1）电子元器件管壳封口焊接
电子束焊接加热集中，用电子束焊接来完成电子元器件的管壳封口是很合适的。它可以使离焊缝不远处的其它零件或原先的一次焊缝免遭损坏，能大大提高制管成品率。
（2）电子管阴极的焊接
阴极是电子管的心脏部件，由它发射出电子，因此要求它具有良好的工作性能。钡钨阴极具有大发射，耐轰击、抗中毒等特点，现已应用于多种微波电子管。钡钨阴极的基本零件是多孔钨（或称海绵钨）块与钼支持筒（或盘）。两者的装配或焊接一直是一个难题，在一定程度上影响电子管的可靠性和使用寿命。电子束焊接具有焊接高熔点的金属的能力，焊缝不受污染，因此利用真空电子束焊接来解决钡钨阴极的焊接问题是非常合适的。
（3）特殊工件的焊接
电子工业中某些特殊部件加工难度较大，可以采用组合焊接的方案来实施。
