真空电子技术的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。

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真空技术的典型应用

现代社会每个人都在享受着真空技术给我们带来的便利。例如：暖壶能保温的秘诀就在于瓶壁内有真空的空间，减少了热传导，以保持壶内温度;荧光灯、街灯、汽车照明灯的内部也是真空状态，否则就无法发光。电视、电脑显示器等也离不开真空。眼镜和摄像机、照相机镜头为了提高光的透过率，表面所镀的光学薄膜也是应用了真空技术。

半导体产业离不开真空技术。

生产半导体元件：

(1)要在硅片上掺入相应的其他元素;

(2)在生产集成电路时要形成复杂的金属薄膜和绝缘膜;

(3)要进行表面的刻蚀处理等复杂的工序。

如果生产过程中的真空度不够，表面上沾了灰尘或油滴之后会出现严重的后果。集成电路中细线的宽度是吸烟时吐出的烟雾颗粒直径的1/3，是一粒灰尘直径的近万分之一。对集成电路而言，哪怕落有一颗烟雾的颗粒，就好像大路上停了一架大型飞机一样，使电子无法通过或造成短路。

新材料开发离不开真空。

以分子束外延为代表的薄膜生长技术是新材料开发的重要手段，薄膜材料放到蒸发源中之后被蒸发或升华，在超高真空环境中，薄膜材料的原子或分子可以长距离飞行，到达衬底成膜;而且由于残留气体少，衬底表面形成的薄膜纯度高。

表面科学领域对真空度的要求极高。

在极高真空的环境下，通过高温退火或结合离子溅射而获得物质的清洁表面，这时的表面没有吸附任何其他的分子或原子。利用扫描隧道电子显微镜等尖端的表面分析实验手段，可以看到物质表面的原子排列和电子状态。

物理学中最尖端的粒子加速器，是大规模真空技术的组合。

电子(或其他带电粒子)要被加速到接近光速，如果电子储存环中不是超高真空状态，则电子会和其中的分子或原子碰撞，从而迅速衰减。另外，核聚变反应要达到上亿度的高温，极高真空环境是系统工作的基本前提。

军工、宇宙开发方面也离不开真空。

隐形飞机或潜艇，要最大限度地吸收雷达波，以达到不被发现的目的。涂在飞机或潜艇上的吸收雷达波材料，就是活用真空技术而获得的纳米颗粒。宇宙开发更离不开真空，因为宇宙本身就处于超高真空状态。宇宙飞船使用的材料、对接技术，以及宇航员的太空服，处处都是真空技术的结晶.

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真空技术的典型应用