电子束焊接中的小孔效应及其应用展望

1.电子束焊的特点

电子束焊是一种高能量密度的焊接方法，它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，使被焊金属熔化或穿孔，随着电子束与工件的相对移动，小孔周围的熔融金属凝固形成焊缝。

基于电子束的特点和焊接时的真空条件，电子束焊有下述主要的特点：

1）功率密度大，热量集中。焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达1000mA以上；加速电压为几十到几百千伏；电子束功率从几十千瓦到100kW以上，而电子束焦点直径小于1mm。因此，电子束焦点处的功率密度可达10⁶～10⁸W/cm²，比普通电弧功率密度高100～1000倍，热量更集中。

2）电子束穿透能力强，焊缝深宽比（H/B）大。通常电弧焊的深宽比很难超过2∶1，电子束焊的深宽比可达到60∶1以上，厚板对接焊时可不开坡口实现单道焊。电子束焊比电弧焊可节约大量填充金属和能源的消耗，可焊透0.1～300mm厚度的不锈钢板。

3）焊接速度快，焊缝组织性能好。电子束焊能量集中，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。由于热输入低，控制了焊接区的晶粒长大和变形，使焊接接头性能得到改善；高温作用时间短，合金元素烧损少。

4）焊缝纯度高。真空电子束焊可以防止熔化金属受到氧、氮等气体的污染，有利于焊缝金属的除气和净化，可制成高纯度的焊缝。可以通过电子束扫描熔池来消除缺陷，提高接头质量。

5）焊接参数调节范围大，适应性强，可在焊接过程中对焊缝形状进行控制。电子束焊的参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，再现性好。通过控制电子束的偏移，可以实现复杂接缝的自动焊接，提高了产品质量的稳定性。

6）可焊材料多。不仅能焊接金属、金属间化合物和异种材料的接头，也可焊接非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。真空电子束焊的真空度一般为5×10^-4Pa，适合焊接钛及钛合金等活性材料，也常用于焊接陶瓷真空密封元件，焊后元件内部保持在真空状态。

现在公认的是在电子束焊中存在小孔效应。汇聚的电子束撞击到工件表面，电子的动能转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气的作用下熔化的金属被排开，电子束能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊工件上“钻”出一个锁形匙孔（见图2-8），小孔的周围被液态金属包围。

图2-8 电子束焊焊缝形成的原理

a）接头局部熔化、蒸发 b）金属蒸气排开液体金属，电子束“深入”母材形成“匙孔” c）电子束穿透工件，小孔由液态金属包围 d）电子束后方形成焊缝

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、凝固形成了焊缝。也就是说，电子束焊接过程中的焊接熔池始终存在一个“小孔”。“小孔”的存在从根本上改变了焊接熔池的传质、传热规律，由一般熔焊方法的“导热焊”转变为“穿孔焊”。提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。

电子束焊是一种通过高能量密度的电子束轰击焊件使其局部加热和熔化而实现焊接的一种方法。电子束焊的分类方法很多，按焊件所处环境的真空度可分为：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊，见表2-6。

表2-6　不同类型电子束焊的特点及应用范围

近年来，移动式真空室或局部真空电子束焊接方法，既保留了真空电子束焊高能量密度的优点，又不需要真空室，在大型工件的焊接工程上有应用前景。

2.电子束焊的应用

电子束焊所具有的优越性，使其得到了迅速的发展和广泛的应用。电子束焊技术最初应用于原子能、火箭、航空航天等国防部门，继而扩大到汽车、电子电器、机械、医疗器械、石化、造船、能源等民用部门。几十年来，电子束焊创造了巨大的社会及经济效益。

我国开展电子束焊研究及应用的主要领域是航空航天、汽车、电力及电子等工业部门。先后对多种材料，如钛合金、不锈钢、高温合金、陶瓷、金属间化合物等进行了研究。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应用了电子束焊技术。目前电子束焊已作为一种先进的制造技术应用于我国航空工业，并在我国其他的工业部门中得到了应用。

在我国其他工业部门中，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、电子传感器和雷达波导等。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。

（1）目前的应用场合 电子束焊可应用于下述材料和场合：

1）除含锌高的材料（如黄铜）和未脱氧处理的普通低碳钢外，绝大多数金属及合金都可用电子束焊。按焊接性由易到难的顺序排列为：钽、铌、钛、铂族、镍基合金、钛合金、铜、钼、钨、铍、铝及镁。

2）可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。

3）可不开坡口焊接厚大工件，焊接变形很小；能焊接可达性差的焊缝。

4）可用于焊接质量要求高，在真空中使用的器件，或用于焊接内部要求真空的密封器件；可焊接精密仪器、仪表或电子工业中的微型器件。

5）散焦电子束可用于焊前预热或焊后缓冷，还可用作钎焊热源。

电子束焊主要应用于质量或生产率要求高的产品，前者主要用于核能、航空航天及电子工业，典型实例有核燃料密封罐、特种合金的喷气发动机部件、火箭推进系统压力容器、密封真空系统等；后者主要用于汽车、焊管、双金属锯条等。电子束焊的部分应用实例见表2-7。

表2-7　电子束焊的部分应用实例

在电子和仪表工业中，有许多零件要求用精密焊接方法制造。这些零件除材料特殊、结构复杂且紧凑外，有时还有特殊的技术要求，如焊后形成真空腔，不能破坏热敏元件等。真空电子束焊在解决这一焊接难题时，发挥了独特的作用。

（2）未来的应用前景 电子束焊的应用前景如下：

1）在复杂零件的大批量生产中将有较大的发展。例如：在电子器件中，采用电子束焊技术焊接陶瓷密封件，可以提高生产效率，同时提高零件的质量和工作稳定性。

2）在航空航天工业中，电子束焊针对先进材料的连接将继续扩大其应用。

3）由于电子束焊在厚大件焊接中具有独特的优势，所以在能源、核工业、重型机械制造中大有用武之地。

4）随着电子束焊应用领域的扩大，出于经济方面的考虑，多功能电子束焊的焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化将越来越重要。

5）宇航技术中的各类火箭、卫星、飞船、空间站、太阳能电站等的结构件、发动机和各种仪器需用焊接技术来完成，电子束焊将是满足其需求的强有力工具。

3.电子束焊的焊接参数

电子束焊的主要焊接参数是加速电压U_a、电子束电流I_b、聚焦电流I_f、焊接速度v和工作距离等。一般说来，熔深与加速电压、电子束电流成正比，与束斑直径（受聚焦电流影响）、工作距离和焊接速度成反比。电子束电流和焊接速度是主要调整的焊接参数。

（1）加速电压U_a 根据电子枪的类型（低、中、高压）加速电压通常选取某一数值，如60kV或150kV。在相同的功率、不同的加速电压下，焊缝熔深和形状是不同的。提高加速电压可增加焊缝的熔深，在保持其他参数不变的条件下，焊缝横截面深宽比与加速电压成正比。

（2）电子束电流I_b 电子束电流（简称束流）与加速电压决定着电子束焊的功率。增加电子束电流，熔深和熔宽都会增加。在电子束焊中，为满足不同的焊接工艺需要，常常要调整电子束电流值。这些调整包括以下几方面：

1）焊接环缝时控制电子束电流的递增、递减，以获得良好的起始、收尾搭接处的质量。

2）焊接不同厚度的材料时，要改变电子束电流，以得到不同的熔深。

3）焊接厚大件时，由于焊接速度较低，随着焊件温度的增加，电子束电流需逐渐减小。

对于同一台电子束焊设备，焊接同一零件，可能有几组适用的焊接参数。针对不同零件的具体要求，可以选择更为合适的焊接参数进行焊接。

（3）焊接速度v 焊接速度和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、熔宽和熔池行为（冷却、凝固及熔合区形状）。增加焊接速度会使焊缝变窄，熔深减小。热输入是焊接参数综合作用的结果。电子束焊时，热输入的计算公式为：

q＝60U_bI_b/v （2-1）

式中　q——热输入（kJ/cm）；

U_b——加速电压（kV）；

I_b——电子束电流（mA）；

v——焊接速度（cm/min）。

在保证全焊透的条件下，利用热输入与材料厚度及焊接速度的关系，初步选定焊接参数。因为不同设备的电子枪特性是不同的，初步选定的参数须经过试验修正。还应考虑焊缝截面、焊缝外形及防止焊缝缺陷等因素，综合试验确定实际使用的焊接参数。

（4）聚焦电流I_f 电子束焊时，相对于焊件表面而言，电子束的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种，电子束聚焦状态对熔深及焊缝成形影响很大，焦点变小可使焊缝变窄、熔深增加。根据被焊材料的焊接速度、接头间隙等决定聚焦位置，进而确定电子束斑点的大小。薄板焊接时，应使焦点位于工件表面。工件厚度大于10mm时，常采用下焦点焊（即焦点处于焊件表面的下部），且焦点在焊缝熔深的30%处。厚板焊接时，应使焦点位于工件表面以下0.5～0.75mm的熔深处。

（5）工作距离 焊件表面与电子枪的工作距离会影响电子束的聚焦。工作距离变小时，电子束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，从而增加了电子束能量密度。但工作距离太小会使过多的金属蒸气进入枪体中导致放电，所以在不影响电子枪稳定工作的前提下，应采用尽可能短的工作距离。

4.先进材料的电子束焊实例

（1）金属间化合物的电子束焊 采用能量集中的电子束焊接Fe₃Al金属间化合物，试验结果表明，采用图2-9所示的电子束焊的焊接热循环，当焊接速度为0.42cm/s时，从焊缝、熔合区到焊接热影响区显微硬度无明显变化，也没有明显的脆硬相生成（见图2-10）。力学性能试验结果表明，焊接接头区的室温拉伸和弯曲时断裂均发生在母材部位，抗拉强度和抗弯强度较大，焊接接头区没有明显弱化焊接结构件的力学性能。

图2-9 Fe₃Al合金电子束焊的焊接热循环

图2-10 Fe₃Al合金电子束焊接头显微硬度的分布

焊后放置6个月的Fe₃Al薄板焊接试样，经过X射线无损检测未发现裂纹等缺陷。Fe₃Al合金在电子束焊过程中不产生热裂纹，因为焊接在真空中进行，H和O原子的浓度很低，抑制了氢的作用，所以焊后也不产生延迟裂纹。

电子束焊接Fe-28Al-5Cr-0.5Nb-0.1C合金的熔合区组织细化，焊缝组织为柱状晶组织，沿热传导方向生长，热影响区窄，局部温度梯度较大，晶粒组织较TIG焊焊缝细化。控制焊接速度在2cm/s以下，几种Fe₃Al合金的焊接接头区均未见有裂纹出现。

（2）陶瓷与金属的电子束焊　电子束焊应用到金属-陶瓷连接工艺中，扩大了选用材料的范围，也提高了被连接件的气密性和使用性能，满足了多方面的需求。对于陶瓷与金属的焊接，可采用高真空度低压型的电子束焊枪，比较合适的接头形式以平对接焊为最好。

陶瓷与金属真空电子束焊的焊接参数对接头质量影响很大，尤其对焊缝熔深和熔宽的影响更敏感，这也是衡量电子束焊的重要指标。选择合适的焊接参数可以使焊缝形状、强度、气密性等达到设计要求。

陶瓷与金属的真空电子束焊目前多用于难熔金属（W、Mo、Ta、Nb等）与陶瓷的焊接，而且要求陶瓷的线胀系数与金属的线胀系数相近，实现接头的匹配性。由于电子束的加热斑点很小，集中在一个非常小的面积上，通过采取焊前预热、焊后缓慢冷却以及合理设计接头形式等措施，可以获得满足使用要求的焊接接头。

例如，18-8不锈钢与陶瓷电子束焊的工艺步骤如下：

1）焊前将18-8不锈钢和陶瓷分别进行仔细清洗和酸洗，去除油污及氧化物等杂质，然后以40～50℃/min的加热速度将工件加热到1200℃，保温4～5min关闭预热电源，以便陶瓷预热均匀。

2）对工件的其中一端进行焊接，焊接速度应均匀。因陶瓷的熔点比18-8不锈钢高，所以焊接时电子束应偏离接头中心线（偏向陶瓷一侧）一定距离。距离大小根据陶瓷的熔点确定，两种母材熔点相差越大，偏离距离越大。

3）第一条焊缝焊好后，要重新将工件加热到1200℃，以防止产生裂纹，然后才能进行第二条焊缝的焊接。

4）接头全部焊完后，以20～25℃/min的冷却速度随炉缓冷。冷却过程中由于收缩应力的作用，陶瓷中首先产生轴向挤压力。所以工件要缓慢冷却到300℃以下才可以从加热炉中取出在空气中缓冷，以防挤压力过大而挤裂陶瓷。

5）对焊后接头进行质量检验，如发现焊接缺陷，应重新焊接，直至质量合格。

（3）异种材料的电子束焊　异种材料电子束焊的焊接性取决于被焊材料各自的物理、化学性能。彼此可以形成固溶体的异种金属焊接性良好，易生成金属间化合物的异种金属接头的韧性差。对于不能互溶和难以直接进行电子束焊的异种金属，可以通过加入两种金属兼容的中间过渡金属（通常采用箔片）或加入填充金属来实现焊接。

用电子束焊接异种材料时，可以采取的工艺措施如下：

1）两种材料的熔点接近，这种情况对焊接无特殊要求，可将电子束指向接头中间；如果为改善组织性能而要求焊缝金属的熔合比不同，可把电子束倾斜一角度而偏于要求熔合比多的母材一侧。

2）两种材料的熔点相差较大，这种情况下为了防止低熔点母材熔化过多，应将电子束偏向熔点较高的母材一侧。也可利用铜护板传递热量，以保证两种母材受热均匀。为了防止焊缝根部产生未焊透等缺陷，应改变电子束对焊件表面的倾斜角。

3）异种金属相互接触和受热时会产生电位差，这会引起电子束偏向一侧，应注意这一特殊现象，防止焊偏等。

4）焊接难熔的异种金属时应降低热输入，采用小束斑，尽可能在固溶状态下施焊，焊后进行时效处理。