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电子束-电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景

电子束-电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景

电子束-电子束焊接技术在工业领域的应用及其发展前景

摘要：本文主要论述了电子束焊接技术的原理、特点及其工艺参数确定。并且，叙述了电子束焊接技术在工业领域——难熔金属行业、航空行业、核电厂、汽车行业和船舶行业等中的应用.依据电子束焊接的特点以及工业领域对焊接技术提出的要求,展望电子束焊接的发展前景。

关键词：电子束焊接；工业领域；电子束

电子束的发现迄今已有100多年的历史。电子束焊接技术起源于德国，1948年前西德物理学家K．H．Steigerwald首次提出电子束焊接的设想；1954年法国的J．A．Stohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志着电子束焊接金属获得成功;1957年11月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上公布了该技术,电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；1958年开始,美国、英国、日本及前苏联开始进行电子束焊接方面的研究，20世纪60年代后，我国开始从事电子束焊接研究。

电子束焊接是把高能密度电子束作为能量的载体来实现材料和构件焊接的工艺方法,在经过了五十多年的发展之后，电子束焊接技术不仅仅应用在高新的技术领域，已经成为了工业领域当中的一项重要的加工工艺。在过去的半个世纪里，电子束焊接技术走出了实验室，发展成为一种成熟、可靠的先进制造技术，牢固立足于制造业的众多领域,在核工业、航空、航天、汽车、压力容器以及工具制造等工业中发挥了重要作用。特别是在大批量生产、大厚度焊接,以及复杂、特殊构件的焊接中,显示了其独特的优越性。我国作为最早研发电子束焊机的国家之一，一直跟踪国际技术发展方向，在电子束焊接基础理论和应用研究方面开展了大量的工作,使该项技术成为我国高科技发展不可或缺的一项特种加工手段。

1电子束焊接技术

1.1电子束焊接技术原理

电子束焊是利用空间定向高速运动的电子束撞击工件表面后，将部分动能转化成热能,使被焊金属熔化，冷却凝固后形成焊缝。这种经过电子枪产生，并由高压加速和电子光学系统汇聚成的功率密度很高的电子束撞击到工件表面，电子的动能转换为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下,熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊工件上钻出一个锁性小孔（如图1—1），小孔的周围被液态金属包围.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，逐渐冷却、凝固形成焊缝。

图1—1:电子束焊接原理图

图1-2：电子束焊接焊缝形成原理

1.2电子束焊接技术特点

电子束焊接是在真空条件下,利用电子枪产生的电子经加速、聚焦，形成高能量密度极细束流，高速冲击到工件表面,并在极短的时间内将电子的动能大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度,致使材料局部熔化或蒸发，达到焊接的目的。电子束所具有的高能量密度在现在所实际采用的各种焊接热源中居于首位,其优质、高效、低耗、清洁和灵活生产等优越的技术特性,日益受到制造业的重视，具有很多传统焊接工艺所无法比拟的技术优势。与传统焊接工艺相比，真空电子束焊接一般不需要填充焊丝或其他材料，主要具有以下优点：

(1)电子束能量密度高达106～109W/cm2，可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝。

（2）电子束焊接是在真空中进行，焊缝的化学成分稳定且纯净，接头强度高，焊缝质量高。

（3)电子束焊接速度快,效率高，适合大批量生产。

（4)电子束焊接热影响区小，变形小。

（5）电子束焊缝深宽比大,其深宽比很容易达到10∶1.电子束焊接技术在汽车齿轮及深熔零件焊接中的应用。

（6）电子束可焊接几乎所有的金属材料，包括不同种金属和难熔金属。

（7）焊接过程中可以采用扫描搅拌，有利于焊接过程中气体的排出。

但是，真空电子束焊的缺点也十分明显：

（1）需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制。

（2）由于真空室的存在,每次循环周期都必须有抽真空、充气过程，严重影响生产效率。

(3)由于电子带电，会受磁场偏转影响，要求电子束焊工件焊前去磁处理。

（4)存在X射线问题,需对操作人员实施保护。

（5）对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。

1。3电子束焊接技术工艺参数

（1）高压（0—60)kV：高压在焊接过程中主要是改变焊接的深度，因为当高压升高时,加大了电子束的功率，同时将电子枪的聚焦性能也有了改善，这样使电子束焦点的功率密度大为增加，同时还使电子束的活性区加长，有利于增加焊接的深宽比。

（2）束流（(0-80）mA：电子束电流简称束流，也是提高电子束的功率,有加大焊接深度的趋势.但是束流的加大,一方面，使电子光学系统得聚焦性变坏,过大反而会有减小熔深;另外一面，过大