电子束焊接技术

1、电子束焊接技术 目 录 电子束焊接起源 电子束焊接原理 电子束焊接分类、特点及应用 电子束焊接工艺 电子束焊接研发现状 电子束焊接的安全防护 结束语 电子束焊接起源 电子束焊接起源 电子束焊接至今有100多年的历史 在人们了解电子性能之前，曾经有过“阴极极 射线”(cathode-ray)的名称。 早在1879年william crookersh发现在阴极射 线管中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现 象。 20年后，1897年，J.J.Jhompaon的研究证明， 所谓的阴极射线实际就是电子束； 电子束的焊接技术起源于德国 1948年，西德k.h.steigerwald博士，在致力于研究更高工

2、作 频率的示波器时，发现高功率密度的电子束可以熔化、烧蚀、 冲刷金属的现象。据此，他提出了用电子束切割焊接的设想。 1951年，申请了在各种材料上钻孔的电子束设备的专利，并与 1952年，在蔡司公司(zeiss)制造了第一台电子束加工机。 1954年电子束焊接金属获得成功 法国的斯托格博士(J.A.Stohr) 用自行研制的一台电子束焊接 设备，成功的焊接了法国原子 能委员会核反应堆得燃料包壳。 1957年11月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上，法国方 面公布了该技术，使电子束焊接技术作为一种新的焊接方法得到确认。 1958年开始，美国、英国、日本和苏联开始进行电子束焊接方面的研

3、究。 1958年10月，我国在一本英国杂志welding and metal fabrication上见到了一篇有关电子束焊接方面的报道。 1964年，我国研制生产了第一台型号为ZD-30的真空电子束焊 机，这是清华大学冶金系为满足我国核工业需要而开发的。 电子束焊焊接原理 电子束焊接基本概念 电子束焊接是利用会聚 的高能电子轰击工件接 缝处所产生的热能，使 被焊材料熔合的一种焊 接方法。 通常束斑直径1mm， 在0.10.75mm之间， 速度可达0.30.7C。 电子光学基础 电子的发射 (1) 空间电荷限制发射 (2) 温度限制发射 (3) 肖特基发射 (1)空间电荷限制发射 (2)温度限

4、制发射 (3)肖特基发射 电子束由电子枪的阴极发射，通常是空间电荷限 制发射或温度限制发射。 电子的场致运动 (1)电子在电场中的运动 在平行板形成德电场中，电子的运动方向与正 电荷粒子运动方向相反，是由低电位向高电位方向 运动。根据能量守恒定律，当电子由静止状态开始 向正极板方向做匀加速运动时，将位能转变为动能， 则有： 由此，可以计算得到电子到达正极板时的速度， 这就是电子束枪中电子在阴阳两极高压间被加速的 理论基础。 (2)电子在磁场中的运动 根据物理学，我们知道，电荷在磁场中运动时，磁场与运动电荷有作用力，称为 洛伦兹力。作用力的大小为： 式中：Q电荷电量 V电子运动速度 B磁感应强度

5、 a磁力线与电子运动方向的夹角 电子束形成 电子束焊接能量转换 (与通常熔化焊相比） 能量传递公式：以无任何化学属性的电子束为载体 热量析出部位：在电子穿透层下方析出 能量转换机制：电子动能 晶格振动能 热能 电子束焊缝形成 (1)电子束焊接加热特点 功率密度高和束精确、快速可控性。 (2)电子束焊缝形成方式 熔化式和熔穿入式成形 电子束焊接深穿过程 电子束与焊金属表面碰撞失去全部动能； 碰撞使晶格上的原子发生急剧的热振动，大部分动 作转化为热能； 在极短时间内，被焊材料迅速被加热至熔点及极高 的过熔点温度，迅速蒸发形成金属蒸汽； 金属蒸汽的反作用力使金属熔体向四周排开，露出 下层固体金属表面

6、； 电子束继续作用，重复上述过程，实现深穿。 电子束焊接深穿入式成缝示意图 电子束输入功率分配 电子束焊接熔池受力分析 电子束焊接设备基本构成 真空电子束焊机工作原理 电子枪的四个作用 电子枪的工作原理 阴极材料的选择 阴极加热方式 阴极结构设计 真空电子束焊机工作过程 电子枪的四个作用 a从阴极发射电子； b使电子在阴阳两极间被加速，形成束流； c电磁聚焦线圈使电子束聚焦； d偏转线圈使电子束偏转；若加入函数发生器，可使束流以给定 的函数图像进行扫描； 因此，电子束焊机中的电子枪是发射、形成和会聚电子束的装 置。 电子枪的工作原理 电子枪包括静电荷和电磁两部分，静电部分有 阴极、聚束极和阳极

7、组成，通常称静电透镜；电磁 部分又聚焦线圈和偏转线圈组成，通常称为磁透镜。 工作原理： (1)电子枪的阴极被加热，发射电子； (2)电子经阴阳极间的加速电压加速，同时受聚束极 的作用开始第一次聚焦，飞向阳极。 (3)通过了阳极小孔的电子束流，在继续行进中， 因受空间电荷及真空室压力的影响，又必然会发散； (4)通过电磁部分时，由聚焦线圈再次会聚，并在工 件上形成极小的高能量束斑； (5)为调整电子束束斑到工件表面的位置，电子束经 过偏转线圈磁场时，在洛伦兹力的作用下产生束偏转。 阴极材料的选择 阴极是电子枪中的重要部件，要获得较高的发射 电流密度，就要求阴极材料具有较小的逸出功或 较高的熔点。

8、在选用阴极材料时，还要考虑加工 成形的方便，高温时有足够的机械强度，足够长 的寿命及化学性能稳定。 阴极材料常采用难熔金属及其化合物，如钨、钽 及六硼化镧等。 阴极加热方式 阴极的加热方式可分为直热式和间热式两种。 直热式阴极，其加热方式是直接加热阴极，特 点是结构简单，操作方便，但容易出现发射几 何形状变形，电子发射散乱现象，对聚焦不利。 间热式阴极是利用传导、辐射或电子轰击的方 法间接加热阴极，特点是结构复杂，阴极表面 是等位面，发射电流密度均匀，对聚焦有利。 阴极结构设计 根据束流值的大小，阴极 形状可做成点发射型或面 发射型。 钨加工成线材、棒材或块 状比较容易。因此，一般 可用钨丝烧

9、制成直热式的 发针状或盘状阴极，钨块、 钨棒可制成间热式阴极。 钽加工性能好，能轧制成 片状，可制成直热式或间 热式的面发射阴极。 六硼化镧一般做成间热式 阴极。各种阴极的形状、 特点及其适用范围如表所 示。 真空电子束焊机工作过程 电子束焊接分类、特点及应用 电子束焊接分类 (1)按照电子束加速电压不同 低压电子束焊接(U=15-30KV) 中压电子束焊接(U=40-60KV) 高压电子束焊接(U=100-150KV) 超高压电子束焊接(U300KV) (2)按照真空度不同 高真空电子束焊接(10-3-10-6torr) 低真空电子束焊接(10-2-0.5torr) 非真空电子束焊接(大气中

10、) (3)按照焊件在真空室中位置 全真空电子束焊接 局部真空电子束焊接 (4)按照功率不同 大功率电子束焊接(60KW以上) 中功率电子束焊接(30-60KW) 小功率电子束焊接(30KW以下) (5)按照电子枪特征 定枪式和动枪式 直热式和间热式 二级枪和三级枪 (6)按照深穿加热特点 普通电子束焊接 脉冲电子束焊接 电子束焊接优点 高能量密度，焊缝深宽比大； 能耗低，热影响区窄，焊接变形小； 焊速快，焊接效率高； 焊接参数再现性好，易于控制实现自动化； 真空施焊，可获得高质量的焊缝； 工艺适用性好，所焊材料范围宽； 电子束焊接缺点 电子束焊接成套设备价格昂贵； 束缝对中精度要求高； 焊前接

11、头设计、清理及装夹要求高； 电子束易受磁场干扰； 工件大小受真空室尺寸限制； 焊接质量受真空条件限制； 焊接时产生X射线，需严加防护。 电子束焊接的应用 适用于焊接难熔金属、活泼金属和高纯度金属； 适用于通常熔焊方法无法焊接的一种金属材料 的焊接； 可焊接经淬火的或加工硬化的金属； 由于焊缝金属的热影响区小，可焊接紧靠热敏 感性材料的零件； 可对已经精加工到最后尺寸的零件进行焊接； 可对可达性差的接头进行焊接； 非真空电子束焊接。 电子束焊接工艺 焊接规范参数对焊缝成型的影响 (1)功率密度的影响 (2)主要参数对成形的影响 加速电压Ub 电子束束流Ib 焊接速度V 工作距离L 聚焦电流If(

12、或焦点位置) 功率密度对焊缝成形的影响 电子束焊接采用深穿入式成形时，焊缝 的熔深主要取决于形成空腔的金属蒸发 速率，而金属蒸发速率的大小与电子束 的功率密度密切相关。研究表明，电子 束的功率密度越大，则熔深增加，而焊 缝宽度减少。 加速电压对焊缝成形的影响 加速电压增加，使得束斑点功率密度提 高，从而使金属的气化速率显著增加； 同时，加速电压增加使得电子枪的电子 光学聚焦性能改善，这也会导致束斑点 功率密度的提高。综合上述影响，对焊 缝成形的影响为，加速电压增加，则熔 深增加，熔宽减小，深宽比增加。 束流对焊缝成形的影响 束流增加，将使得束斑点功率密度有所 提高，但是束流增加的同时，又会使空

13、 间电荷扰动加剧，从而使电子枪的聚焦 性能变差。综合作用的影响是，束流增 加，熔深增加，熔宽也略增加。 焊接速度对焊缝成形的影响 焊接速度增加，将使得焊接线输入能 量减少，从而使熔深及熔宽均减少。 工作距离对焊缝成形的影响 工作距离增加，为了实现深穿入式焊 接，需调整减小聚焦电流，从而使聚 焦变大，导致电磁透镜的放大倍数增 加，使聚焦性能恶化，从而束斑点功 率密度会下降。这样，增加工作距离 的结果，使得熔深减小，而熔宽增加。 聚焦电流对焊缝成形的影响 在电子束焦点上下附近，存在着一段束斑点 大小变化不大，功率密度几乎相等的区域，称 为活性区。活性区的大小与电子枪的电子光学 性能有关。 图中：D

14、f焦距 D0物距 ab= Df/D0活性参数 当ab1为 上聚焦(散焦)。 聚焦电流的变化，会影响到电子束活性区与工件 作用位置及范围的改变，从而影响焊缝成形。电 子活性区对焊缝成形的影响如下图所示，可见下 焦点时，焊缝的深宽比最大。焦点位置对焊接熔 深的影响有效到达的顺序为： 上焦点表面聚焦下焦点 真空电子束焊接中的能量选择 式中 q 线能量，J/cm； Ub加速电压，KV； Ib电子束束流，mA； V焊接速度，cm/min 电子束焦点的观察、测量与对中 (1)电子束焦点的观察 (2)电子束焦点的测量 (3)电子束焦点的对中 电子束焦点的观察 (1)肉眼目视 通过真空室的观察窗直接观察。 (

15、2)光学观察 借助光学系统进行精确观察，以达到 精 确测量电子束位置和实现电子 束与焊缝对中的目的。 电子束焦点的测量 一般测量小功率电子束焦点的方法有： 小孔法(或称环形探头法) 细丝法 平板法 缝隙法 倾斜试板焊接法(或称为AB试验法) 电子束焦点的对中 反射电子法：利用扫描电镜原理，采用电子 束扫描时完好金属表面与接缝处反射电子能 力不同来进行成像，从而确定焦点与焊缝的 相对位置，实现束缝对中。 探针法：是一种电气机械跟踪控制系统， 装在电子枪上的探针位于接缝处，由它检测 的位移信号经变换器传递给控制系统以保证 电子枪自动对中焊缝。 电子束焊接接头设计 1.接头设计原则 2.接头形式 对

16、接接头 角接接头 T型接头 搭接接头 边接接头 圆柱体对接接头 特殊接头 接头设计原则 焊接接头应保证具有足够的强度和刚度，保证有一定的使用寿命； 要考虑焊接接头的使用条件，如温度、压力、耐蚀性、振动及疲劳等因素； 接头形式应符合电子束焊接的要求； 焊后尽可能不再进行机械加工或作少量加工； 在设计时，尽可能减少结构的焊接应力和变形； 焊接接头要便于进行焊后检验，如射线探伤、超声探伤等； 对接接头：电子束焊接最适应的一种接头形式。 角接接头：与对接接头相比，差别在于对非破坏性试验的适用性和缺口的 敏感性。 T型接头 搭接接 头 边接接头：用于气敏性部 件。 圆柱体对接接头 特殊接头 真空电子束焊

17、接工艺过程 (1)电子束焊接经济性和焊接结构合理性分析 (2)焊接工装夹具的设计与制造 (3)焊接规范参数的选择确定 (4)产品焊前的清理 (5)装夹 (6)施焊 (7)焊后检测 电子束焊接经济性与结构合理性分析 经济性：不重要的非主承力焊缝，一般的碳钢及低 合金结构钢焊缝，接头结构复杂，有遮挡，需做复 杂工装的焊缝不采用电子束焊。 结构合理性： 密闭容器要有放气工艺孔； 工件之间配合紧密； 止口焊缝下部有间隙； 圆焊缝与旋转夹具通心； 尽量采用简单结构； 考虑工作室的尺寸； 考虑电子束的可达性。 焊接规范参数的选择确定 焊接规范参数的选择： 试件法： 加工一些与工件结构类似的模拟件进行试焊，

18、得到规范参数 后，再用这些参数对正式件进行焊接。 曲线法： 在积累大量资料数据的基础上，可以根据不同的参数绘制出 不同的曲线，也可以通过试验做出常用材料的参数曲线。 正交试验法： 利用正交表的正交性，进行少数几项试验就可以找到焊接参 数的趋势和理想参数。 焊前清理 机械清理：砂纸打磨、刮削等。 化学清理：酸洗、丙酮及酒精擦拭。 电子束焊缝常见缺陷 常见的电子束焊缝外部和内部缺陷有： 焊瘤、咬边、焊缝不连续、弧坑、未焊透、下塌、焊偏、钉尖、 冷隔、气孔、裂纹。 电子束焊接独有的焊接缺陷： (1)钉尖 (2)冷隔(空洞) 钉尖 产生部位常发生在部分熔透焊缝的根部。 形成原因电子束功率的脉动，液态金

19、属表面张力和冷却速 度过 大而液相金属来不及流入所致。 解决措施接头采用垫板，将缺陷引出； 全熔透； 偏转扫描电子束 冷隔 产生部位厚件焊缝根部和稍高处会 出现较大的空洞，把上下熔化金属分隔 来。 形成原因厚件中气孔的一种特殊表 现形 式，与电子束焊缝形成机制有关。厚板 焊接 时，金属蒸汽和其它气体逸出受阻，在 较快 冷却速度下留在寒风中。 解决措施减少工件产生气体的来源； 降 低加速电压，适当降低焊速；采用扫描 束。 几种金属材料的真空电子束焊接 (1)不锈钢电子束焊接 (2)铝及铝合金电子束焊接 (3)钛及钛合金电子束焊接 (4)铜及铜合金电子束焊接 (5)难熔金属的电子束焊接 (6)真空

20、电子束可焊性表 不锈钢电子束焊接 不锈钢的电子束焊接接头具有较高的抗 晶间腐蚀的能力，这是因为电子束焊接 时高的冷却速度可以防止碳化物的析出。 由于奥氏体不锈钢没有磁性，因此不会 产生束偏移，焊接质量稳定性好。 铝及铝合金电子束焊接 焊前应对接缝两侧宽度不小于10mm的表面应 用机械和化学方法做除油和清除氧化膜处理。 推荐使用的铝合金电子束焊接条件 钛及钛合金电子束焊接 钛是一种非常活泼的金属，因此需要在良好 的真空条件下(1.33x10-2pa)进行焊接。 氢气孔是熔化焊接钛时最常见的缺陷，预防 措施是降低熔池中氢含量和保证良好的结晶 条件。例如：焊前对焊缝进行化学清洗和刮 削，施加重复焊道

21、，焊速低于30cm/min以 下。 铜及铜合金电子束焊接 电子束焊接铜具有突出的优点，40mm厚铜板采用电子束 焊接所需要的线能量是自动埋弧焊所需线能量的1/5-1/7， 焊接横截面积是其1/25-1/30。 焊接铜合金可能发生的主要缺陷是气孔，对于厚度为1- 2mm的铜板，焊缝不易产生气孔，对于厚度为2-4mm的 铜板，焊速应低于34cm/min，才可防止产生气孔。厚度 大于4mm时，焊速过慢将使焊缝成形变化，焊缝空洞变多， 增加装配间隙、焊前预热和重复施焊都是减少焊缝气孔的 有效措施。 为了减少金属的蒸发，对于厚度为1-2mm的铜板，电子束 焦点应处在工件表面以上，对于厚度大于10-15m

22、m时可将 电子枪水平放置，进行横焊。 难熔金属的电子束焊接 锆、铌、钼及钨等难熔金属适宜采用电子束 进行焊接，这与电子束焊接高能量密度的特 点有关，焊接时需要在高真空条件下进行。 以铌的电子束焊接为例，焊接真空度应优于 1.33x10-2pa，真空室的泄漏率不得超过 4x10-4m3pa/s。铌合金焊缝中常见的缺陷是 气孔和裂纹。采用细电子束进行焊接不易产 生裂纹；用散焦电子对接缝进行预热，有清 理和除气作用，有利于消除气孔。 电子束焊接研发现状 电子束焊接研发现状概述 国内外对于电子束焊接技术的研究主要是围绕着电子束 焊接设备及控制、同种及异种材料焊接工艺、电子束焊 接理论及电子束焊接冶金和

23、表面加工至四个方面展开的。 主要的研发机构有： 德国的PTR和IGM公司 德国的 PROBEAM公司 法国的TECHMETA(泰克米特)公司 英国的CVE公司 乌克兰的巴东焊接研究所 北京航空工艺研究所 中科院沈阳研究 所 桂林电器科学研究所 德国PTR公司生产的 ebw3000/15- 150CNC 型电子束焊机 真空室： 1.7mX1.25mX1.45 m； 额定功率：15KW； 额定电压：150KV 法国TECHMETA公司LARA52型： 真空室：350X600X800； 额定功率：30KW； 额定电压：60KV 法国TECHMETA公司MEDARD43型： 真空室：500X500X5

24、00； 额定功率：6KW； 额定电压：60KV 英国CVE公司2000 系列 加速电压：60KV 额定功率：4KW 英国CVE公司XW系列 加速电压：150KV 额定功率：75KW 乌克兰巴东焊接研究所KL110型： 真空室：2.5X2.5X5m 额定电压：60KV 额定功率： 60KW 德国probeam公司 桂林电科所 型号： HDZ-38EBW 真空室： 300X300X200m m 额定电压：70KV 额定功率：3KW 主要研究方向 电子束焊接深熔机理 电子束焊接匙孔效应及动力学机制 电子束焊接缺陷产生机理及控制 电子束焊接热过程及温度场 新材料及异种材料电子束焊接 电子束钎焊工艺及机

25、理 电子束表面加工 电子束焊接熔炼与涂覆 电子束焊接热输入能量控制 电子束焊接深熔机理 经典匙孔深熔理论： 连续直线钻入式 梨形空腔串入式(有代表性) Hashimoto等在以下假设的基础上，提出了熔深与电子束参数及材料性 质的关系； 电子束焊接匙孔效应及动力学机制 Arata.Y等利用X射线图像高速摄像和光学 高速摄像拍摄了匙孔和熔池的运动行为，对 匙孔 的描述建立在高速摄影的基础上，证实了匙 孔波 动起伏现象，右图所示。作者指出，电子束 焊接 过程中，形成的匙孔增加到一定的深度后建 立起 平衡。匙孔的大小、形状随时在变化，并伴 着一 个特征振荡，匙孔的前壁较光滑，而后壁上 有隆 起的“壁瘤

26、”和凹陷的“壁坑”，并且这样 的“壁坑”以 20-30cm/s的速度逐渐向上移动和长大。 n Tong.H等利用脉冲高压X射线技术拍摄了焊接过程中的匙孔 辐射照片。Tong等人的研究表明，利用脉冲X射线拍摄的照片 所看到的匙孔特征形状与抛射物投入水中形成的空腔有惊人的 相似。因此，作者提出电子束焊接匙孔的形状可认为是与周期 性抛入流体的抛射物行为相似。 电子束熔炼及涂覆 目前，世界上电子束熔炼及涂敷技术以乌克兰巴顿电焊研究 所的实力为最强。1958年起巴东电焊所开始从事有关电子束焊 接方面的研究，几乎与此同时开展了在真空中不同物质电子束气 化及冷凝的物理化学过程的研究。经过40多年的发展，在电

27、子 熔炼及气相沉积等领域取得了丰硕的成果，特别是在苏联的空间 焊接领域为飞行器表面的修复作出了重大贡献。因电子束气相沉 积技术在制备功能材料、热阻梯度材料等方面的独特优势，使其 在新材料的制取上得到了越来越多的应用，预计在近五十年内世 界范围内通过气相沉积技术制造材料的能力将达到每年一万吨的 水平。同时，巴顿电焊所在电子束区域熔炼方法制备硅单晶材料 上居世界领先水平。 电子束焊接输入能量控制新技术 多焦点、多束能量控制在电子束焊接中的作 用 1.焊接速度更快、精度更高 减少气孔 2.提高焊接质量 抑制裂纹 消除变形 多束预热 减少气孔与止裂 热裂纹 使用多束第二热源抑制热裂纹 应用实例1 应用实例2 应用实例3 电子束焊接安全防护 电子束焊接安全防护 1.高压电源和电子枪应保证有足够的绝缘和良好的接地； 2.更换阴极组件和维修时，应切断高压电源，并用放电 棒接触准备更换的零件，以防高压； 3.我国规定对无监护的工作人员允许的X射线剂量小于等 于0.25mR/h(欧洲标准是小于等于0.3mR/h)；其中， 60KV以下的电子束焊机采用厚钢板来防护，