电子束的聚焦应用一文读懂真空电子束焊接技术及应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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。

微信搜索并关注公众号：iVacuum真空聚焦，获取更多真空科技前沿资讯。 iVacuum真空聚焦由《真空》杂志社主办，致力于报道国内外真空获得及应用等领域最新的科技进展、成功经验和案例。欢迎行业交流/寻求报道。

聚焦电子束调控二硫化钼能隙

科学家再次突破了人类对二维材料的掌控力，做出 1.81eV 到 1.42eV 之间的二维二硫化钼（MoS2）。

对材料学家来说，调整材料性质以符合应用所需是一重要任务，从巨观的机械性质到微观的纳米结构，都是关注的焦点。能隙（Band gap）是材料的诸多重要性质之一，决定该材料发光以及吸收光子的能量大小。通常来说一旦材料组成固定，其能隙也就固定，不太具有调控的余地。

三五族材料的组成原子很多，调控的自由度很大，但并不是所有物质皆是如此。面对二硫化钼（MoS2）这种原子比例固定的化合物又要怎么办呢？

二硫化钼是二维材料，跟石墨烯类似，只有薄薄几层原子，根据组成的层数及结构不同，会产生不同性质。其中，1T 结构为金属性，2H 结构为半导体（至于 1T、2H 实际上是什么结构本文不多做解释）。1T 结构并无能隙，能带图如同金属一般；2H 结构像半导体一样具有能隙、导带（Conduction band）及价带（Valence Band），其能隙为 1.81eV。 1T 及 2H 两者差异在于原子排列的方式不同，虽然他们都是二硫化钼，但有不同性质。

但即便如此，1T 跟 2H 两种结构也只有两种性质，谈何调控？

加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California - Santa Barbara）电机系（Department of Electrical and Computer Engineering） Kaustav Banerjee 教授研发出一种精准调控二硫化钼能隙的方法。他们以具半导体的 2H 结构作为基底，在 2H 结构上制作做出具有周期性的纳米 1T 结构，这些没有能隙的 1T 结构规律的散布在 2H 基底上就像一个个位能井（Quantum well）。借由控制 1T 在 2H 中的分布及大小，便可以做出能隙在 1.81eV 到 1.42eV 之间的二维二硫化钼。这项研究成果被发表于 Scientific Reports。

这些 1T 结构们是利用聚焦电子束（focused electron beam）打在 2H 结构上形成，现行技术可以精准控制聚焦电子束的位置，让 1T 结构之间的间距只有数纳米，并具有周期性，而非散乱排列，以确保能隙大小。这是科学家首次在二维材料上做出如此精准且具规模的纳米结构，每一个1T结构就像个量子点（Quantum dot）

论文作者 Xuejun Xie 表示：“我们的方法克服了以往制作这类结构的随机性及准确度，我们精准的调控了材料的能隙以符合应用面的需求。”“这是个新的制作材料方式（利用聚焦电子束让二维材料产生相变化），其应用面非常广，包括量子计算及通讯（quantum computing and communication）。这些结构互相之间距离非常小，因此电子之间会互相影响，这是实现量子计算的重要关键。”

Banerjee 教授说：“聚焦电子束的大小可以决定量子点的大小，一旦能做到这点，便可以控制二维材料的能隙。你说你要能隙 1.5eV 我就给你1.5eV；你要 1.6eV 我一样可以给你。”

原始论文：Xie， Xuejun， Jiahao Kang， Wei Cao， Jae Hwan Chu， Yongji Gong， Pulickel M. Ajayan， and Kaustav Banerjee. "Designing artificial 2D crystals with site and size controlled quantum dots." Scientific Reports 7 （2017）.