电子束焊机应用 一文读懂真空电子束焊接技术及应用

一文读懂真空电子束焊接技术及应用

什么是电子束焊接

电子束焊接是熔化焊的一种，它利用会聚的高速电子束轰击工件接缝，产生热能从而使金属熔合。 它包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算机等多学科技术。

电子束焊技术最早于1948年源起于德国，1952年制造了第一台电子束加工机，1958年诞生了第一台电子束焊机。

它的基本原理是： 在真空条件下，电子从电子枪中的发射体（阴极）逸出，在加速电压作用下，电子被加速至光速的0.3～0.7倍，具有一定的动能。再经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，会聚成功率密度很高的电子束流。这种电子束流撞击工件表面，电子动能转变为热能而使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气作用下，工件表面被迅速“钻”出一个小孔，也称之为“匙孔”，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，并冷却凝固形成焊缝。

为什么要在真空中进行

● 在大气的环境下，高速运动的电子遇到大气中的空气分子，会发生强烈的反射，折射，散射等现象，电子束的能量会消耗殆尽，无法正常焊接；

● 即使所剩的能量很高，在大气状态下焊接，焊接的质量也很难保证，比如气孔等；

● 基于安全角度进行考虑，因为电子束焊接过程中会有X射线产生，对人体的危害是比较大的，通过真空室可以消除X射线的影响。

高真空电子束焊在10-4～10-1Pa的压强下进行。良好的真空条件，可以保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

低真空电子束焊在10-1～10Pa的压强下进行，也具有束流密度和功率密度高的特点。低真空缩短了抽真空时间，提高了生产率，适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。

电子束焊接的优势

加热功率密度大。 焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达l000mA以上；加速电压为几十到几百千伏。故电子束功率从几十kw到100kw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。

焊缝深宽比(H/B)大。 通常电弧焊接的深宽比很难超过2，相比电弧焊接，电子束焊接可节约大量填充金属和电能，实现高深宽比的焊接，深宽比可达60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。

焊接速度快，焊缝热物理性能好。 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，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。

焊缝纯度高。 真空电子束焊接适合焊接钛及钛合金等活性材料。

● 国内电子束焊接机

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。

可焊材料多。 不仅能焊金属和异种金属材料的接头，也可焊接非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。

电子束焊接的应用

国外最早将电子束焊应用于飞机发动机核心机部件的制造，典型代表是美国大型客机发动机——MF56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊，使发动机的质量、结构设计、结构制造精度和使用寿命均得到了改善。

先进的飞机发动机是采用焊接技术连接而成的，电子束焊接技术对飞机发动机的制造起着至关重要的作用。目前在航空制造中已普遍采用电子束焊接技术，其中需要焊接的材料包括钛合金、高温合金、超高强度钢等。我国开展电子束焊工艺研究及应用的主要领域是航空航天、汽车、能源及电子等工业部门，在新型飞机、航空发动机、导弹等的预研、攻关及小批量试制中都运用了电子束焊技术。

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。另外，炼钢炉的铜冷却风口、汽轮机叶片等也有的采用了电子束焊。

未来，电子束焊接在复杂零件的大批量生产中将有较大的发展，在航空航天工业中，电子束焊接技术将继续扩大其应用，并发展电子束焊接的在线检测技术，并在能源、核工业、重型机械制造中大有用武之地。随着电子束焊应用领域的扩大，多功能电子束焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化也会越来越重要。

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电子束焊基本知识-亨孚科技

电子束焊接是指使用加速和聚焦的电子束轰击真空或非真空中的焊接表面，以熔化待焊接的工件。真空电子束焊接是应用最广泛的电子束焊接。

基本原理

电子是物质的基本粒子，通常在原子核周围高速运动。当电子被给予一定的能量时，它们会跳出轨道。加热阴极使其释放并形成自由电子云。当电压增加到30至200千伏时，电子将加速并向阳极移动。

电子束焊接是一种焊接方法，它利用会聚的高速电子电流产生的热能轰击工件的接合处来熔化金属。当电子轰击工件时，动能转化为热能。电子束作为焊接热源有两个明显的特点:

(1)功率密度高

电子束焊接常用的加速电压范围为30~150千伏，电子束电流为20~1000毫安，电子束聚焦直径约为01~1毫米，这样电子束功率密度可达106瓦/平方厘米以上。

(2)精确、快速的可控性

作为物质的基本粒子，电子具有极小的质量(9.1×10-31kg)和一定的负电荷(1.6×1019C)，电子的荷质比高达176×1011C/kg。电子束可以被电场和磁场快速而精确地控制。电子束的这一特性明显优于激光束，激光束只能由透明和反射镜控制，并且速度较慢。

1、优点

1)电子束穿透能力强，焊缝深宽比大。目前，电子束焊接的深宽比可达60：1。焊接厚板时，可实现单通焊接，无需坡口，与电弧焊相比，可节省辅助材料和能源消耗。

2)焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。成品工件可作为最终的连接工序，焊接后的工件仍保持足够高的精度。

3)真空电子束焊接不仅可以防止熔融金属被氧气和氢气等有害气体污染，而且有利于焊缝金属的除气和净化，特别适用于活性金属的焊接。电子束焊接真空密封元件也是常用的，焊接后元件保持真空状态。

4)电子束可以传输到远处进行真空焊接，从而在难以接近的位置进行焊缝焊接。

5)通过控制电子束的偏转，可以实现复杂接头的自动焊接。电子束扫描池可以消除缺陷，提高接头质量。

2、缺点

1)设备相对复杂且昂贵。

2)焊接前，对接头加工和装配有严格要求，保证接头位置准确、间隙小、均匀。

3)在真空电子束焊接过程中，待焊接工件的尺寸和形状经常受到工作室的限制。

4)电子束容易受到杂散电磁场的干扰，影响焊接质量。

5)电子束焊接产生的X射线需要严格保护，以确保操作人员的健康和安全。

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