電子束焊接技術研究及進展

馬正斌，劉金合，盧施宇，王世清

(1.西北工業大學 材料學院，陜西 西安710072；2.新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056003)

電子束焊接技術研究及進展

馬正斌1，劉金合1，盧施宇2，王世清1

(1.西北工業大學 材料學院，陜西 西安710072；2.新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056003)

簡要介紹了電子束焊接技術的發展、基本原理以及應用范圍。著重介紹了電子束釬焊、活性劑電子束焊接、電子束復合焊接、電子束填絲焊、局部真空電子束焊接、電子束掃描焊接等電子束焊接新技術在國內的研究現狀，并對電子束焊接未來的發展做出了展望。

電子束焊接；焊接新技術；研究進展

0 前言

電子束的發現迄今已有100多年的歷史。電子束焊接技術起源于德國，1948年前西德物理學家K.H.Steigerwald首次提出電子束焊接的設想；1954年法國的J.A.Stohr博士成功焊接了核反應堆燃料包殼，標志著電子束焊接金屬獲得成功；1957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術大會上公布了該技術，電子束焊接被確認為一種新的焊接方法；1958年開始，美國、英國、日本及前蘇聯開始進行電子束焊接方面的研究，20世紀60年代后，我國開始從事電子束焊接研究。

隨著航空、航天、微電子、核能、交通運輸及國防工業的飛速發展，各種高強度、高硬度、高韌性的鋁合金、鎂合金、鈦合金和耐高溫合金等金屬材料以及復合材料廣泛應用，加之構件形狀日趨復雜化，對焊接工藝、加工精度和表面完整性提出了更高的要求。傳統的焊接工藝難以適應高技術制造領域的發展趨勢，對這些材料采用包括電子束焊接在內的高能束焊接技術優勢較大。電子束焊接是以高能密度電子束作為能量載體對材料和構件實現焊接和加工的新型特種加工工藝方法。它具有傳統焊接方法難以比擬的優勢和特殊功能：焊接能量密度高(107～109W／cm2)，容易實現金屬材料的深熔透焊接，焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區小、焊接工藝參數容易精確控制、重復性和穩定性好[1]。

隨著該技術的日趨成熟和廣泛應用，電子束焊接在技術和工藝(電子束釬焊、電子束填絲焊、電子束掃描焊接、活性劑電子束焊接、局部電子束真空焊接、電子束焊-釬焊復合焊、電子束-等離子弧復合焊接)方面都取得了重要進展。在此介紹電子束焊接的最新研究進展，并對其未來發展作出展望。

1 電子束焊基本原理

電子束焊是利用空間定向高速運動的電子束撞擊工件表面后，將部分動能轉化成熱能，使被焊金屬熔化，冷卻凝固后形成焊縫。

這種經過電子槍產生，并由高壓加速和電子光學系統匯聚成的功率密度很高的電子束撞擊到工件表面，電子的動能轉換為熱能，使金屬迅速熔化和蒸發。在高壓金屬蒸汽的作用下，熔化的金屬被排開，電子束就能繼續撞擊深處的固態金屬，同時很快在被焊工件上鉆出一個鎖性小孔(見圖1)，小孔的周圍被液態金屬包圍。隨著電子束與工件的相對移動，液態金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻、凝固形成焊縫[2]。

圖1 電子束焊接焊縫成形原理[2]

2 電子束焊接新技術

2.1 電子束釬焊

真空電子束釬焊作為一種高質量、高效率、精確控制的制造技術，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化為面熱源，實現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[3]。近年來國內外已通過電子束釬焊技術實現了陶瓷零件[4]、碳-碳復合材料[5]、立方氮化硼與碳化鎢基體[6]以及換熱器管板結構[7]的連接。在國內，電子束復合加工技術應用尚未普及，僅某航空研究所對飛機換熱器管板結構進行過初步研究。

李少青等人[8]分別采用電子束釬焊對不銹鋼管板進行連接。結果表明，接頭部位的釬縫均勻圓滑，釬焊透率100%，滿足技術規范要求，如圖2所示。

近年來更多的研究者認識到電子束釬焊在焊接領域的優越性，上海交通大學、北京航空制造工程研究所和哈爾濱工業大學等都在這方面做了大量的研究工作。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構的實用工藝兩方面，焊接機理方面的研究為實用工藝技術的形成奠定了基礎。目前，隨著計算機技術的不斷進步，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研究中的熱點之一。

圖2 釬焊接頭示意[8]

2.2 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，現已逐步形成了活性電子束焊的新技術。

與傳統電子束焊相比，活性電子束焊的特點為[9]：

(1)使用活性劑可明顯減小熔池上部寬度，改變熔池形狀。

(2)SiO2、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。

柴國明等人對用電子束活性劑焊接TA15板材進行堆焊實驗。結果表明，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。

樊丁等人[10-11]分別對6 mm厚LF21鋁合金和10 mm厚不銹鋼進行實驗，結果表明，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。

2.3 電子束復合焊接

近年來，哈爾濱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，如圖3所示。它采用電子束與等離子弧相串聯，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[12]。

圖3 電子束-等離子弧原理示意

2.4 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點。填充焊絲的電子束焊接技術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，節省成本，提高生產效率。

姚舜等人[13]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、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對焊縫成形的影響。結果表明：優先選用前送進方向的送絲方式，避免了終焊時的粘絲現象，焊絲送入點必須位于與電子束流移動方向一致的軸線上。

鎖紅波等人[14-15]通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼板材和Q235鋼的填絲焊接實驗得出：當參數選擇合適、裝配間隙不大于0.4 mm時，均可獲得外觀成形良好、內部無缺陷的焊縫。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。利用這一結果可較為方便地估計工藝裕度區間，優化參數。

2.5 局部真空電子束焊接

局部真空電子束焊接技術是在大尺寸結構件的焊縫及其附近局部區域建立真空環境，并進行電子束焊接的技術。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，可大大提高焊接質量并降低設備成本。為了發展這項技術，法國、德國等國家做了大量深入的研究工作。國內的航天科技集團公司五一○所于1986年研制了行程1.5 m、50 kV、5 kW直線型局部真空電子束焊機，已用于衛星燃料貯箱制造中。

劉志華等人[16-17]對5 mm厚LF6鋁合金進行局部真空電子束焊接工藝試驗，結果表明：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是一種先進的焊接技術，在國防工業和民用工業應用前景廣闊。

2.6 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。

3 結論

國內外學者開展電子束焊接技術研究的廣度和深度在不斷加大，已經在焊接理論和工藝實踐上取得了積極的研究成果。但由于電子束焊接過程中電子束與金屬間的深穿快速物理化學冶金作用，以及當前研究分析手段上的局限性，焊接機理的本質研究有待進一步深入。隨著焊接技術的發展，電子束焊接技術和工藝必將得以完善和發展。

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Research and development of electron beam welding

MA Zheng-bin1，LIU Jin-he1，LU Shi-yu2，WANG Shi-qing1
(1.School of Materials and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Xinxing Ductile Iron Pipes Co.，Ltd.，Handan 056003，China)

In recent years，with the electron beam welding technology has increasingly matured and been widely used，which has made important progress in the technical and technological aspects.This article briefly introduced the principle and development of electron beam welding.And mainly introduced the new technologies in the domestic research status of electron beam brazing，activating fluxes electron beam welding，electron beam hybrid welding，wire filling electron beam welding，local vacuum electron beam welding，electron beam deflection welding and so on.Meanwhile，this paper described the development prospect of electron beam welding.

electron beam welding；new welding technology；research development

TG48

C

1001-2303(2012)04-0093-04

2011-11-01

馬正斌(1986—)，男，河北石家莊人，在讀碩士，主要從事電子束焊接工藝和模擬研究。