电子束焊接发展及优势

【摘要】电子束焊接经过几十年的发展，已经在实验室研究和工业生产中得到了广泛研究与应用，能够很好的解决不锈钢、钛合金和铜合金等的焊接问题。相对于其他几种焊接方式，电子束焊接具有焊接变形小；聚焦透镜焦长大利于实现焊接过程；适用于较大厚度范围工件的焊接；异种金属焊接和更大的穿透深度等优点。特别是在厚度较大工件以及绝缘材料焊接方面具有较大的优势和广阔的应用前景，需对其进行较为系统的研究以指导生产及应用。

【关键词】电子束焊接；焊接变形；厚板焊接；异种焊接；穿透深度

一、电子束焊接的发展

电子束的发现距今已有100多年的历史，由于电子具有获得容易并自身带有电荷，在电场下能够很容易被加速从而获得很高的能量，所以电子束很早即被研究。电子束焊接设备与当今一般应用的电子束设备相似，电子束被加速到具有很高的能量并通过电磁透镜聚焦于一点，然后作用于工件表面，电子的动能转变为热能从而进行材料的焊接。电子产生电子束，电子束在电磁透镜的聚焦下作用于工件表面，完成对工件的焊接。附属设备包括真空室、抽真空设备、水冷系统、光学观察系统以及各种阀门等。电子束能量密度D由下式决定：

D=k·I0.25V3.5

式中k为电子常数、I为电子束电流、V为加速电压，从式中各参数的指数出发，增大加速电压能够较大的增加电子束的能量密度，所以当前电子束焊接设备已发展到了300kV或更高，再配合电磁透镜的汇聚聚焦作用，以及真空度的提高，使得电子束作用于工件表面的能量密度越来越高，获得较好的焊接和加工效果。

二、电子束焊接的优点

电子束焊接在实验室研究以及工业生产方面均得到了广泛的应用，相对于其他焊接方式其具有特点和优势具体如下：

1、最小的焊接变形

扭曲变形与焊接过程中的热传导过程有关，而且一般是热量越高，焊接扭曲变形越大。电子束焊接过程热影响区小，焊接过程中收缩应变较小，所以适用于那些运用传统焊接方法焊接易开裂金属的焊接。

I. Magnabosco等[1]系统研究了电子束焊接过程中三种接头（Cu+AISI 304L不锈钢—接头Ⅰ；Cu+ AISI 304不锈钢—接头Ⅱ和Cu+ AISI 316L不锈钢—接头Ⅲ）热影响区的特性，焊接过程中除电子束电流、电子离工件的高度、焊接路径和铜板-钢板的厚度不同外，其他工艺参数均相同。得出以下结论：接头Ⅰ的热影响区基本可以忽略，接头Ⅱ和接头Ⅲ的热影响区仅为几十微米；三种接头热影响区的厚度大小与焊接过程中电子束能量相对应：接头Ⅰ焊接过程中电子的功率较小，输出能量较低，所以接头处除了发现一些Cu的渗透外，没有观察到其他缺陷；接头Ⅱ和接头Ⅲ在焊接过程中电子的功率较大，Cu的大量扩散使得奥氏体不锈钢颗粒变脆，一般情况下，这种现象会促进由于热作用而导致的微观裂纹的产生，使接头性能变差。

2、长焦长使得焊接过程容易实现

电子束作为粒子束而不能通过传统的光学透镜进行聚焦，能够使其聚焦的电磁透镜的具有较大的焦长，当前一般高压设备中电磁透镜的焦长可达180cm，且通过精确控制电子束能够穿透宽度仅为630μm的缝隙。因此对于那些几何形状较复杂的工件，有些部位不适宜传统焊的放置和焊接，但电子束焊接不受工件形状的，使得焊接过程更容易实现。

3、电子束焊接能够实现较大厚度范围工件的焊接

通过控制工艺参数，电子束焊接能够实现从千分之一英尺厚的到几英尺厚度金属的焊接。而且同一设备还能实现厚度差异较大工件之间的焊接，这是传统焊接方法所不能达到的。因为传统焊接方法是使工件发热然后熔化完成焊接过程，但这一过程中，如果热量恰好使厚件熔化，由于存在热传递，此时薄件承受不了如此之大的热量。反之，热量不足以使厚件熔化，不能实现焊接。为了改善接头的抗疲劳性能和韧性，必须获得较好的微观组织，这就需要在不改变工艺参数的前提下，改变接头处的组成，以达到目的。试验证明在焊接过程中引入纯Ti为填充物，对改善接头性能具有一定作用。电子束焊接还能实现厚度更薄的工件的焊接，而且焊缝质量良好，所以电子束焊接在薄件焊接方面具有较大优势。

4、电子束焊接能够实现不同金属之间的焊接

为了满足不同的需要，有时需要把不同材料焊接起来，例如承受较大扭矩的轴类件，其传动部分可以用一种材料，但抗疲劳部分需用另一种材料，电子束焊接能够实现这一过程。这样能够集多种材料的优点于一身，获得更好的实用性能。随着航空航天、军事、医学等的发展，Ti及其合金逐渐走进人们的视野，由于其具有好的力学性能、密度小、良好的生物相容性等优点，使得对其可焊性能的研究也逐渐开展起来。但传统焊接方法在Ti及其合金的焊接过程中，Ti极易与气氛中的O、N等气体结合生成化合物，破坏接头的性能。因此电子束焊接成为对Ti及其合金进行焊接的首选方法。

Ti合金具有优良的性能使得其与其他金属组合时能够表现出很多复合的优异性能，所以现在越来的越多的金属间焊接技术被研究。WANG Ting等[2]运用电子束焊接技术对Ti-15-3钛合金和304不锈钢进行了焊接性能研究。实验发现，在靠近Ti合金区域一侧，Cu与Ti的反应优先控制冶金学过程，生成Cu/Ti金属间化合物，具有很高的硬度；焊缝中部是Cu的固溶体并在其中分散着TiFe2，TiFe2不但能够增强焊缝的塑性，而且还能强化较软的Cu固溶体；靠近不锈钢一侧是Cu与Fe的固溶体，其中弥散有TiFe2。对焊缝进行抗拉强度试验，抗拉强度可达234MPa。

5、电子束焊接具有更大的穿透深度

电子束具有较高的能量，所以其可以穿透厚板或穿透与厚板厚度相当的多层板，这使得电子束焊接的应用范围更广，可以实现17mm厚的Ti6Al4V合金的焊接，像氩弧焊等传统的焊接方法是很难达到性能要求的。

三、结论

电子束焊接自20世纪50年代发展至今，已经在实验室和工业生产中得到了广泛研究与应用。相对于其他几种焊接方式，电子束焊接具有焊接变形小；聚焦透镜焦长大利于实现焊接过程；适用于较大厚度范围工件的焊接；异种金属焊接和更大的穿透深度等优点。因此其在不锈钢、钛合金、铜合金等对焊接条件要求较为苛刻的材料体系方面，特别是厚度较大工件以及绝缘材料焊接方面具有独有的优势和广阔的应用前景，正是由于这一系列优势，电子束焊接在研究及工业生产方面均发挥着不可替代的作用。

参考文献：

[1] I. Magnabosco， P. Ferro， F. Bonollo， et al. An investigation of fusion zone micro- structures in electron beam welding of copper-stainless steel. Materials Science and Engineering A 424 （2006） 163-173.

[2] WANG Ting， ZHANG Bing-gang， CHEN Guo-qing， et al. Electron beam welding of Ti-15-3 titanium alloy to 304 stainless steel with copper interlayer sheet. Trans. Nonferrus. Met. Soc China 20（2010） 1829-1834.