电子束焊航空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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动图详解：激光焊、搅拌焊、电子束焊、摩擦焊……

01 激光焊接

激光焊接： 激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

▲对焊接件进行点焊固定

▲进行连续激光焊接

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。 功率密度小于10~10 W/cm为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于10~10 W/cm时，金属表面受热作用下凹成"孔穴"，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

激光焊接技术广泛被应运在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域，给人们的生活质量带来了重大提升，更是引领家电行业进入了精工时代。

特别是在大众汽车创造的42米无缝焊接技术，大大提高了车身整体性和稳定性之后，家电领头企业海尔集团隆重推出首款采用激光无缝焊接技术生产的洗衣机，先进的激光技术可以为人民的生活带来巨大的改变。

02 激光复合焊接

激光复合焊接是激光束焊接与MIG焊接技术相结合， 获得最佳焊接效果，快速和焊缝搭桥能力，是当前最先进的焊接方法。

激光复合焊的优点是： 速度快，热变形小，热影响区域小，并且确保了焊缝的金属结构与机械属性。

激光复合焊除了汽车薄板结构件的焊接，还适用于很多其它应用。例如将这项技术应用于混凝土泵和移动式起重机臂架的生产，这些工艺需对高强度钢进行加工，传统技术往往会因为需要其它辅助工艺（如预热）而导致成本的增加。再则，该技术也可应用于轨道车辆的制造及常规钢结构（如桥梁，油箱等）。

03 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。

搅拌摩擦焊在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。

焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。

搅拌摩擦焊可实现异种材料间焊接，如金属、陶瓷、塑料等。搅拌摩擦焊焊接质量高，不易产生缺陷，容易实现机械化、自动化、质量稳定、成本低效率高。

04 电子束焊接

电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。

电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。

▲电子束焊接原理

电子束焊接工作原理

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。

▲电子束焊接机

电子束焊接的主要特点

电子束穿透能力强，功率密度极高，焊缝深宽比大，可达到50:1，可实现大厚度材料一次成形，最大焊接厚度达到300mm。焊接可达性好，焊接速度快，一般在1m/min以上，热影响区小，焊接变形小，焊接结构精度高。电子束能量可以调节，被焊金属厚度可以从薄至0.05mm到厚至300mm，不开坡口，一次焊接成形，这是其他焊接方法无法达到的。能采用电子束焊接的材料范围较大，特别适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

05 超声波金属焊接

超声波金属焊接是利用超声频率的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转变为工作间的摩擦功、形变能及有限的温升。接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接。

它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象，超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接。可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。

超声波金属焊接利用高频振动波传递到需焊接的金属表面，在加压的情况下，使两个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。

超声波金属焊接优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚(一般小于或等于5mm)、焊点位不能太大、需要加压。

06 闪光对焊

闪光对焊的原理是利用对焊机使两端金属接触，通过低电压的强电流，待金属被加热到一定温度变软后，进行轴向加压顶锻，形成对焊接头。

两个焊件未接触前被两个夹钳电极夹紧并连接电源，移动可动夹具，两焊件端面轻轻接触即通电加热，接触点因加热形成液态金属发生爆破，喷射火花形成闪光，连续移动可动夹具，连续发生闪光，焊件两端获得加热，达到一定温度后，挤压俩工件端面，切断焊接电源，牢固的焊接在一起。利用电阻加热焊件接头使接触点产生闪光，熔化焊件端面金属，迅速施加顶端力完成焊接。