電子束焊接，也叫電子束焊，是指利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊接面，使被焊工件熔化實現(xiàn)焊接。真空電子束焊是目前應用最廣的電子束焊。

電子束在30～150kV的加速電壓作用下，被加速到光速的1/2～2/3倍，高速電子流轟擊工件表面，使其表層溫度達到104℃以上、功率密度達到107W/cm2。因此，能量密度高度集中和局部高溫是電子束焊接的最大特點。但在常規(guī)加速電壓的作用下，電子束穿透工件的深度僅為幾十分之一毫米，這與電子束焊縫的熔深(最大可達300mm)相比是微不足道的。

當束功率密度低于105W/cm2時，電子束的能量在工件表面將轉(zhuǎn)換為熱能，由于工件表面的散熱條件較好，通過熱傳導的方式，熔池有向工件深層發(fā)展的趨勢，此時焊縫熔深較淺，稱為熔化成形。

當束功率密度增大到超過105W/cm2時，焊縫表面金屬迅速熔化且劇烈蒸發(fā)，在蒸發(fā)反作用力的排斥下，熔池下凹，排開液態(tài)金屬而露出新的固態(tài)金屬表面，使電子束可以穿透到相當?shù)纳疃?，形成一個細長的束孔。

隨著電子束的移動，束孔前沿的金屬不斷熔化并被排斥到熔池后方，冷凝后形成焊縫，這種焊縫稱為深穿入成形。電子束焊接中主要采用這種成形方法以發(fā)揮其深寬比較大的優(yōu)點。

電子束焊接技術(shù)具有能量密度高、焊接速度快、焊接變形區(qū)小、參數(shù)易于控制、可焊接難熔及異種金屬等優(yōu)點，在工業(yè)上得到了廣泛應用。

1、電子束焊接的優(yōu)勢

①能量密度高(1010-1013W/m2)。焊縫窄，熱影響區(qū)小且具有平行邊緣，焊接變形小;一般焊接無需填充金屬;對于高質(zhì)量的工業(yè)產(chǎn)品具有較高的焊接速度;可獲得深寬比大的焊縫，焊接厚件時不開坡口一次成形。

②真空條件下焊接。避免在焊接過程中工件氧化，焊縫純凈度高。

③可靠性及重復性好。焊接參數(shù)自動控制，能夠保證焊縫質(zhì)量;焊接參數(shù)易于調(diào)節(jié)，工藝適應性強。

④適用于異種金屬材料焊接，包括部分陶瓷材料。

2、電子束焊接的局限性

窄焊縫(熔化區(qū))要求焊前對工件進行精細的準備;焊接接頭邊緣需加工;焊接接頭要求沒有裝配間隙或非常小的間隙(通常無填充金屬);真空下進行焊接可能使被焊工件的尺寸受限制;大規(guī)格工件需定制特殊設(shè)備;特殊工件需采用局部真空電子束焊;對帶磁的部件敏感，即電子路徑受磁場韻影響;從陰極至工件轟擊點的磁場;針對被焊金屬工件內(nèi)部磁場必須退磁。

1、電子束釬焊

真空電子束釬焊作為一種高質(zhì)量、高效率、精確控制的制造技術(shù)，對各種精密、復雜部件的連接制造具有非常重要的意義。用電子束作為加熱源進行真空釬焊，就是用電子束高速掃描，使電子束由點熱源轉(zhuǎn)化為面熱源，實現(xiàn)零件的局部高速均勻加熱。該工藝具有普通真空釬焊無法比擬的優(yōu)越性，如高溫停留時間短、大大減少釬料對母材的溶蝕、輸入能量精密可控、能量輸入路徑可任意編輯等。

近年來國內(nèi)外已通過電子束釬焊技術(shù)實現(xiàn)了陶瓷零件、碳-碳復合材料、立方氮化硼與碳化鎢基體以及換熱器管板結(jié)構(gòu)的連接。在國內(nèi)，電子束復合加工技術(shù)應用尚未普及，僅某航空研究所對飛機換熱器管板結(jié)構(gòu)進行過初步研究。

有學者分別采用電子束釬焊對不銹鋼管板進行連接。結(jié)果表明，接頭部位的釬縫均勻圓滑，釬焊透率100%，滿足技術(shù)規(guī)范要求，如下圖所示。

近年來更多的研究者認識到電子束釬焊在焊接領(lǐng)域的優(yōu)越性。圍繞電子束釬焊所開展的研究主要為釬接機理和針對具體材料與結(jié)構(gòu)的實用工藝兩方面，焊接機理方面的研究為實用工藝技術(shù)的形成奠定了基礎(chǔ)。目前，隨著計算機技術(shù)的不斷進步，對電子束釬焊的熱作用控制研究逐漸引起了人們的重視，成為電子束釬焊技術(shù)研究中的熱點之一。

2、活性劑電子束焊接

將活性劑應用于電子束焊也是目前活性焊接研究的重要領(lǐng)域之一。在一定條件下，活性劑對電子束焊的熔深影響很大，現(xiàn)已逐步形成了活性電子束焊的新技術(shù)。

與傳統(tǒng)電子束焊相比，活性電子束焊的特點為：

①使用活性劑可明顯減小熔池上部寬度，改變?nèi)鄢匦螤睢?/p>

②SiO2、TiO2、Cr2O3單組元活性劑對電子束焊接熔深增加有影響。

③由SiO2、TiO2、Cr2O3等組成的多組元不銹鋼電子束焊活性劑，可使聚焦電子束焊接熔深增加兩倍多。

④使用活性劑后，聚焦電流和束流對電子束焊熔深增加有影響。

有學者對用電子束活性劑焊接TA15板材進行堆焊實驗。結(jié)果表明，活性劑對熔池形狀有很大影響，通過添加活性劑改變表面張力梯度，改善了焊縫咬邊。

還有學者分別對6mm厚LF21鋁合金和10mm厚不銹鋼進行實驗，結(jié)果表明，用電子束焊接鋁合金，表面張力梯度改變理論對鋁合金熔深增加的作用不明顯。電子束焊接不銹鋼使用活性劑可增加電子束焊的熔深，使用活性劑后，聚焦電流和束流對電子束焊熔深增加有較大影響。

隨著對活性焊接機理的進一步研究，新的高效活性焊接法將得到應用。

3、電子束復合焊接

近年來，焊接研究所提出了新型非真空電子束焊接方法，即電子束-等離子弧焊接，如下圖所示。

它采用電子束與等離子弧相串聯(lián)，疊加起來進行焊接，電子束通過真空和等離子槍的陰極進入大氣，穿過等離子弧后熔化金屬進行焊接。這樣可以減小電子束的能量損失，也有助于穩(wěn)定等離子弧，等離子弧可以很好的保護焊接熔池，并作為附加熱源預熱工件，有助于改善焊縫成形，增加熔深。

4、電子束填絲焊

與自熔性電子束焊接相比，電子束填絲焊接具有許多特殊的優(yōu)點。填充焊絲的電子束焊接技術(shù)放寬了對間隙和對接面加工精度的要求，從而降低了工藝難度，節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率。

有學者通過對角焊縫低真空填絲電子束焊接的研究，詳細討論了束流形態(tài)、填充金屬送進、聚焦點位置等主要填絲電子束焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響。結(jié)果表明：優(yōu)先選用前送進方向的送絲方式，避免了終焊時的粘絲現(xiàn)象，焊絲送入點必須位于與電子束流移動方向一致的軸線上。

有學者通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼板材和Q235鋼的填絲焊接實驗得出：當參數(shù)選擇合適、裝配間隙不大于0.4mm時，均可獲得外觀成形良好、內(nèi)部無缺陷的焊縫。電子束填絲焊接時，焊縫截面幾何特征在聚焦電流變化時，以表面焦點處的聚集電流為中心，均存在一定程度的對稱性。利用這一結(jié)果可較為方便地估計工藝裕度區(qū)間，優(yōu)化參數(shù)。

5、局部真空電子束焊接

局部真空電子束焊接技術(shù)是在大尺寸結(jié)構(gòu)件的焊縫及其附近局部區(qū)域建立真空環(huán)境，并進行電子束焊接的技術(shù)。這種方法既保留了真空電子束焊接的特點，又避開了龐大的真空室，解決了厚大工件的焊接問題，可大大提高焊接質(zhì)量并降低設(shè)備成本。為了發(fā)展這項技術(shù)，法國、德國等國家做了大量深入的研究工作。

有學者對5mm厚LF6鋁合金進行局部真空電子束焊接工藝試驗，結(jié)果表明：采用局部真空電子束焊接工藝焊接鋁合金是完全可行的，焊縫質(zhì)量與真空電子束焊相同。鋁合金局部真空電子束焊時須采用較強的聚焦和較窄的焊縫，以利于焊縫成形和抑制氣孔生成。

局部真空電子束焊接技術(shù)是一種先進的焊接技術(shù)，在國防工業(yè)和民用工業(yè)應用前景廣闊。

6、電子束掃描焊接

電子束掃描焊接作為一種細化晶粒的焊接方法，目前主要應用于鈦合金焊接，可一定程度細化焊縫組織，元素偏析降低了焊接接頭強度，提高了缺口沖擊韌度。

電子束焊接工藝參數(shù)主要有：加速電壓、電子束電流、焊接速度、聚焦電流、焦點位置、工作距離以及電子束掃描形式等。

根據(jù)產(chǎn)品材料的特性，以基本焊接試樣的焊接參數(shù)為基礎(chǔ)，在筒形試件上通過熔敷焊接，試驗不同的焊接規(guī)范組合，調(diào)整焊接參數(shù)，使焊縫完全焊透并兼顧兩面(焊冠和焊漏)成型良好為標準，找出最佳焊接規(guī)范組合。

1、加速電壓

通常情況下，根據(jù)電子槍的類型選取某一數(shù)值，在相同的功率、不同的加速電壓下，所得焊縫深度和形狀是不同的。提高加速電壓可增加焊縫的熔深，在保持其他參數(shù)不變的條件下，焊縫橫斷面深寬比與加速電壓成正比例。

當焊接大厚件并要求得到窄而平的焊縫，或電子槍與焊件間的距離較大時可提高加速電壓。在這次試驗中，由于焊接距離較大，因此，要對達到8mm厚的鋁合金件達到焊透的效果，加速電壓基本控制在30～60kV。

2、電子束電流

電子束電流與加速電壓一起決定著電子束的功率。增加電子束電流，熔深和熔寬都會增加。在電子束焊過程中，由于加速電壓基本不變。

為滿足不同的焊接工藝需要，常常要調(diào)鏈電子束的電流值。在這次試驗中，在起始、收尾搭接處用了漸變電流，在整個試驗中，電子束電流在55～210mA范圍內(nèi)進行了較大調(diào)節(jié)。

3、焊接速度

焊接速度和電子束功率共同決定著焊縫的熔深、焊縫的寬度以及被焊熔池形狀(冷卻、凝固及焊縫溶合線形狀)。增加焊接速度會使焊縫變窄，熔深減小。因此，焊接速度的大小對焊縫的內(nèi)外成型及焊縫的質(zhì)量影響較大。

4、聚焦電流

電子束焊時，相對于焊件表面而言，電子柬的聚焦位置有上焦點、下焦點和表面焦點3種，焦點的位置對焊縫形狀影響很大。

當焊件被焊厚度大于10mm時，通常采用下焦點焊，焦點在焊縫熔深的30%處。當焊件厚度大于50mm時，焦點在焊縫熔深的50%～70%之間更合適。經(jīng)過多次試驗，證明采用表面聚焦的方式比采用其他聚焦方式的焊接結(jié)果合適，當聚焦電流分別為1.33A和1.71A時，焊接結(jié)果良好。

5、工作距離

焊件表面與電子槍的工作距離影響電子束的聚焦程度，工作距離變小時，電子束的壓縮比增大，使電子束斑點直徑變小，增加了電子柬功率密度。而工作距離太小，會使過多的金屬蒸汽進入槍體造成放電。

在不影響電子槍穩(wěn)定工作的前提下，應盡可能采用短的工作距離。在本次試驗中，采用水平的焊槍，在夾具設(shè)計完成后，已經(jīng)確定了焊接的工作距離為455mm。這是所有焊接參數(shù)中，唯一確定且不變的一個參數(shù)。

1、零件焊接接頭的清洗

電子束焊對零件焊接部位的清潔度要求較高。在焊接前要將焊接表面的油、銹、氧化物以及其他雜質(zhì)清除干凈。

少數(shù)零件焊接時，可用汽油清洗去油污，再用丙酮擦洗脫水和脫脂;大批量零件進行焊接時，可采用機械化清洗方式。清洗完畢后，必須在矩時間內(nèi)進行焊接。

2、焊前壓配

焊前壓配指焊接零件的定位和裝夾。焊接前零件裝配精度對電子束焊質(zhì)量的影響很大，因為端面接觸部位存在間隙或零件配合過松都會造成焊接變形，所以，不論是冷壓還是熱裝，都要控制機加工的公差配合，保證零件焊接前壓配的精度，確保裝配到位。

3、焊接試驗

焊接試驗是為了調(diào)試焊接工藝參數(shù)。電子束焊接參數(shù)的選用是否合適直接影響著焊接質(zhì)量的好壞。焊接參數(shù)主要包括加速電壓、束流、焊接速度、聚焦電流、焊接距離、焦點位置以及電子束掃描形式。

根據(jù)線能量公式q=IU/v，(其中I為焊接電流，U為加速電壓，v為焊接速度)，并通過焊接試件調(diào)整焊接參數(shù)，在線能量口較小的情況下獲得焊縫質(zhì)量較好的焊接參數(shù)。

4、探傷

即焊后檢驗。對于電子束焊的檢驗，一般先日視檢查其外觀，待車光電子束焊縫凸起及鎖底后，可進行X光檢查，不允許有缺陷。對于不合格或表面成型不好的零件，一般允許進行電子束補焊。

5、焊后熱處理

由于焊縫及其熱影響區(qū)發(fā)生了復雜的物理化學變化，其組織成分和性能已不同于母材，所以焊接后一般要通過熱處理來改善焊縫和熱影響區(qū)的組織，消除殘余應力，促使殘余的氫逸出，從而提高焊接接頭的韌性，增強零件抵抗應力腐蝕的能力，保證零件形狀和尺寸的長期穩(wěn)定。