电子束焊接技术研究及进展

马正斌，刘金合，卢施宇，王世清

(1.西北工业大学 材料学院，陕西 西安710072；2.新兴铸管股份有限公司，河北 邯郸 056003)

电子束焊接技术研究及进展

马正斌1，刘金合1，卢施宇2，王世清1

(1.西北工业大学 材料学院，陕西 西安710072；2.新兴铸管股份有限公司，河北 邯郸 056003)

简要介绍了电子束焊接技术的发展、基本原理以及应用范围。着重介绍了电子束钎焊、活性剂电子束焊接、电子束复合焊接、电子束填丝焊、局部真空电子束焊接、电子束扫描焊接等电子束焊接新技术在国内的研究现状，并对电子束焊接未来的发展做出了展望。

电子束焊接；焊接新技术；研究进展

0 前言

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。

随着航空、航天、微电子、核能、交通运输及国防工业的飞速发展，各种高强度、高硬度、高韧性的铝合金、镁合金、钛合金和耐高温合金等金属材料以及复合材料广泛应用，加之构件形状日趋复杂化，对焊接工艺、加工精度和表面完整性提出了更高的要求。传统的焊接工艺难以适应高技术制造领域的发展趋势，对这些材料采用包括电子束焊接在内的高能束焊接技术优势较大。电子束焊接是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。它具有传统焊接方法难以比拟的优势和特殊功能：焊接能量密度高(107～109W／cm2)，容易实现金属材料的深熔透焊接，焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好[1]。

随着该技术的日趋成熟和广泛应用，电子束焊接在技术和工艺(电子束钎焊、电子束填丝焊、电子束扫描焊接、活性剂电子束焊接、局部电子束真空焊接、电子束焊-钎焊复合焊、电子束-等离子弧复合焊接)方面都取得了重要进展。在此介绍电子束焊接的最新研究进展，并对其未来发展作出展望。

1 电子束焊基本原理

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(见图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[2]。

图1 电子束焊接焊缝成形原理[2]

2 电子束焊接新技术

2.1 电子束钎焊

真空电子束钎焊作为一种高质量、高效率、精确控制的制造技术，对各种精密、复杂部件的连接制造具有非常重要的意义。用电子束作为加热源进行真空钎焊，就是用电子束高速扫描，使电子束由点热源转化为面热源，实现零件的局部高速均匀加热。该工艺具有普通真空钎焊无法比拟的优越性，如高温停留时间短、大大减少钎料对母材的溶蚀、输入能量精密可控、能量输入路径可任意编辑等[3]。近年来国内外已通过电子束钎焊技术实现了陶瓷零件[4]、碳-碳复合材料[5]、立方氮化硼与碳化钨基体[6]以及换热器管板结构[7]的连接。在国内，电子束复合加工技术应用尚未普及，仅某航空研究所对飞机换热器管板结构进行过初步研究。

李少青等人[8]分别采用电子束钎焊对不锈钢管板进行连接。结果表明，接头部位的钎缝均匀圆滑，钎焊透率100%，满足技术规范要求，如图2所示。

近年来更多的研究者认识到电子束钎焊在焊接领域的优越性，上海交通大学、北京航空制造工程研究所和哈尔滨工业大学等都在这方面做了大量的研究工作。围绕电子束钎焊所开展的研究主要为钎接机理和针对具体材料与结构的实用工艺两方面，焊接机理方面的研究为实用工艺技术的形成奠定了基础。目前，随着计算机技术的不断进步，对电子束钎焊的热作用控制研究逐渐引起了人们的重视，成为电子束钎焊技术研究中的热点之一。

图2 钎焊接头示意[8]

2.2 活性剂电子束焊接

将活性剂应用于电子束焊也是目前活性焊接研究的重要领域之一。在一定条件下，活性剂对电子束焊的熔深影响很大，现已逐步形成了活性电子束焊的新技术。

与传统电子束焊相比，活性电子束焊的特点为[9]：

(1)使用活性剂可明显减小熔池上部宽度，改变熔池形状。

(2)SiO2、TiO2、Cr2O3单组元活性剂对电子束焊接熔深增加有影响。

(3)由SiO2、TiO2、Cr2O3等组成的多组元不锈钢电子束焊活性剂，可使聚焦电子束焊接熔深增加两倍多。

(4)使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有影响。

柴国明等人对用电子束活性剂焊接TA15板材进行堆焊实验。结果表明，活性剂对熔池形状有很大影响，通过添加活性剂改变表面张力梯度，改善了焊缝咬边。

樊丁等人[10-11]分别对6 mm厚LF21铝合金和10 mm厚不锈钢进行实验，结果表明，用电子束焊接铝合金，表面张力梯度改变理论对铝合金熔深增加的作用不明显。电子束焊接不锈钢使用活性剂可增加电子束焊的熔深，使用活性剂后，聚焦电流和束流对电子束焊熔深增加有较大影响。

随着对活性焊接机理的进一步研究，新的高效活性焊接法将得到应用。

2.3 电子束复合焊接

近年来，哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法，即电子束-等离子弧焊接，如图3所示。它采用电子束与等离子弧相串联，叠加起来进行焊接，电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气，穿过等离子弧后熔化金属进行焊接。这样可以减小电子束的能量损失，也有助于稳定等离子弧，等离子弧可以很好的保护焊接熔池，并作为附加热源预热工件，有助于改善焊缝成形，增加熔深[12]。

图3 电子束-等离子弧原理示意

2.4 电子束填丝焊

与自熔性电子束焊接相比，电子束填丝焊接具有许多特殊的优点。填充焊丝的电子束焊接技术放宽了对间隙和对接面加工精度的要求，从而降低了工艺难度，节省成本，提高生产效率。

姚舜等人[13]通过对角焊缝低真空填丝电子束焊接的研究，详细讨论了束流形态、填充金属送进、聚焦点位置等主要填丝电子束焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明：优先选用前送进方向的送丝方式，避免了终焊时的粘丝现象，焊丝送入点必须位于与电子束流移动方向一致的轴线上。

锁红波等人[14-15]通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢板材和Q235钢的填丝焊接实验得出：当参数选择合适、装配间隙不大于0.4 mm时，均可获得外观成形良好、内部无缺陷的焊缝。电子束填丝焊接时，焊缝截面几何特征在聚焦电流变化时，以表面焦点处的聚集电流为中心，均存在一定程度的对称性。利用这一结果可较为方便地估计工艺裕度区间，优化参数。

2.5 局部真空电子束焊接

局部真空电子束焊接技术是在大尺寸结构件的焊缝及其附近局部区域建立真空环境，并进行电子束焊接的技术。这种方法既保留了真空电子束焊接的特点，又避开了庞大的真空室，解决了厚大工件的焊接问题，可大大提高焊接质量并降低设备成本。为了发展这项技术，法国、德国等国家做了大量深入的研究工作。国内的航天科技集团公司五一○所于1986年研制了行程1.5 m、50 kV、5 kW直线型局部真空电子束焊机，已用于卫星燃料贮箱制造中。

刘志华等人[16-17]对5 mm厚LF6铝合金进行局部真空电子束焊接工艺试验，结果表明：采用局部真空电子束焊接工艺焊接铝合金是完全可行的，焊缝质量与真空电子束焊相同。铝合金局部真空电子束焊时须采用较强的聚焦和较窄的焊缝，以利于焊缝成形和抑制气孔生成。

局部真空电子束焊接技术是一种先进的焊接技术，在国防工业和民用工业应用前景广阔。

2.6 电子束扫描焊接

电子束扫描焊接作为一种细化晶粒的焊接方法，目前主要应用于钛合金焊接，可一定程度细化焊缝组织，元素偏析降低了焊接接头强度，提高了缺口冲击韧度。

3 结论

国内外学者开展电子束焊接技术研究的广度和深度在不断加大，已经在焊接理论和工艺实践上取得了积极的研究成果。但由于电子束焊接过程中电子束与金属间的深穿快速物理化学冶金作用，以及当前研究分析手段上的局限性，焊接机理的本质研究有待进一步深入。随着焊接技术的发展，电子束焊接技术和工艺必将得以完善和发展。

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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

马正斌(1986—)，男，河北石家庄人，在读硕士，主要从事电子束焊接工艺和模拟研究。