电子束焊接在工业领域的应用及发展前景.doc

电子束焊接在工业领域的应用及发展前景 电子束焊接概述 电子束焊接（Electron Beam Welding）是19世纪中期发现和兴起的一种新型焊接技术，顾名思义，电子束焊接是利用被静电场聚焦并加速的电子束轰击待焊工件接头处，使材料快速熔化后迅速冷却来完成焊接过程。同以电弧为热源的传统焊接方法相比，电子束焊接在能量传递，热量析出部位和能量转换机理等方面，都有着显著的不同。 电子束的能量转换特点[1] 电子束焊接时的能量传递的载体是无任何化学属性的电子束，电子束能以与光速相当数量级的速度（0.3C-0.7C）穿过真空空间，直接作用于材料，而不需要经过电弧空间的气体。 其次，常规电弧焊的热量在材料表面上方的阴、阳极斑点和弧柱区析出，而电子束焊接时热量在被轰击材料表面下的某一薄层下析出，该薄层被称为电子穿透层（见图1），一般厚约几十或几百微米。 。 图1 高能电子轨迹示意图 另外，电子束焊接的能量转换机理也不同。电子首先穿透电子穿透层，此时仅有很少一部分能量被二次电子发射、X 辐射或被弹性散射电子带走，所以电子不加热穿透薄层，动能损失也几乎可以忽略。当电子进入到穿透薄层以下一定厚度时，将会与晶格电子发生激烈碰撞，再由晶格电子相互间的振动将能量传送到全部晶格，被焊材料迅速达到非常高的温度，以至于瞬间熔化、蒸发、冷却后实现焊接。常规电弧热源的能量转换则没有这么复杂，主要是依靠热传导、热对流和热辐射完成热交换。 电子束焊接的基本特点 高能量密度 电子束的能量密度可以达到107-109W/cm2，因此电子束是一种高能束，另一种是激光。前面已经简单介绍了电子束特殊的能量转换机理——通过电子和晶格间的碰撞传递能量，这就具有很高的能量转换效率。因此，电子束焊接可以实现高速焊接和深宽比很大的深熔焊。另外，虽然电子束具有非常高的能量密度，但加热时间极短，输送到被焊材料的能量和引起的热变形却很小，热影响区也很小，特别适宜于精密焊接和微型焊接。 无污染 电子束焊接绝大多数是在真空中进行的，真空是一种理想的保护环境，在整个焊接过程中对焊缝金属几乎没有任何污染，而且还有净化和提纯作用。再加上电子束本身是没有任何化学性质的，而且电子束焊接不需要另外填充材料，从而避免了热源和填充材料对焊缝的污染。 优秀的可达性和可控性 由于电子静质量极小，所以具有很高的荷质比(1.74×108C/g)，可以几乎无惯性地被电场或磁场控制，这就使得电子束焊接的规范参数易于调节,工艺适应性强，焊接工艺参数的重复性和再现性好。比如，功率大小可精确调节、输送到工件的热量的调节范围很宽、施加到接头处位置精确、能大距离输送能量、电子束斑点直径可精确调整。因此电子束焊接易实现自动化，焊接效率高，适宜于大规模批量化生产。随着电子束偏转技术的发展，在焊接电子束以极高的频率进行扫描的同时，现在人们已经能对对电子束的焦点位置和功率分布进行控制，这就发展出一种新的电子束焊接方式——多焦点、多束电子束焊接（见图2），进一步显示出电子束焊接优秀的可达性和可控性。 图2 多焦点、多束电子束焊接 电子束焊接的应用范围 电子束焊接相对于传统焊接方式的突出优点，使其的应用范围十分广泛，从可焊接的材料来看有以下几个方面： 适合焊接各种金属材料 电子束可以焊接难熔金属钽、铌、钼，化学性质活泼的金属如钛、锆、铀等以及工业生产中大量使用的碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等。 可焊工件种类多 电子束焊接薄件、厚件及大厚件。薄件焊接厚度可以为0.1mm，厚件一次焊接厚度可达300mm，解决一些大厚件的焊接如汽轮机隔板的焊接。 能实现异种焊接 目前，工业中电子束已经较好地完成异种金属的焊接，如铜-钨焊接、钢-不锈钢焊接、钢-硬质合金焊接、半导体材料及陶瓷材料的焊接等。 电子束焊接的不足 当然电子束焊接方法也有一些不足,如：电子束焊机结构复杂,控制设备精度高,所需费用高；冷却过程中快速凝固,引起焊接缺陷,如气孔、焊接脆性等；工件大小受真空室尺寸的限制,每次装卸工件要求重新抽真空。 电子束焊接在工业上的应用 随着真空技术及相关科学技术的蓬勃发展，电子束焊接的可焊性和接头性能研究方面也获得了可喜的进展，电子束焊接相对于传统焊接方式的独特优势，使其开始广泛应用于各种材料、各种构件、各个行业的焊接领域。电子束焊机基本原理图如图3所示. 图3 电子束焊机基本原理图 电子束焊接在航空航天工业的应用[2] 作为一种现代先进的焊接技术，电子束焊接首先进入的就是航空航天领域。小到微型压力传感器，大到航天器外壳，航空航天零部件所用材料的独特性及焊接要求的特殊性, 使得电子束焊接迅速成为这些重要零部件加工所必须采用的工艺，大量应用于飞机重要承力件和发动机转子部件的焊接上。 美国的F-22战斗机机身段上,由电子束焊接的钛合