電子束焊是利用會(huì)聚的高速電子流轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使金屬熔合的一種焊接方法。電子轟擊工件時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。電子束作為焊接熱源有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：

　　1、功率密度高?? 電子束焊接時(shí)常用的加速電壓范圍為30～150kV，電子束電流20～1000mA，電子束焦點(diǎn)直徑約為0.1～1mm，這樣，電子束功率密度可達(dá)106W/cm2以上。

　　2、精確、快速的可控性 作為物質(zhì)基本粒子的電子具有極小的質(zhì)量（9.1×10-31kg）和一定的負(fù)電荷（1.6×10-19C），電子的荷質(zhì)比高達(dá)1.76×1011C/kg,通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)電子束可作快速而精確的控制。電子束的這一特點(diǎn)明顯地優(yōu)于激光束，后者只能用透境和反射鏡控制，速度慢。

　　基于電子束的上述特點(diǎn)和焊接時(shí)的真空條件，電子束焊接具有下列主要優(yōu)缺點(diǎn)。

　　1、優(yōu)點(diǎn)：

　　1）電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大。目前，電子束焊縫的深寬比可達(dá)到60：1。焊接厚板時(shí)可以不開(kāi)坡口實(shí)現(xiàn)單道焊，比電弧焊可以節(jié)省輔助材料和能源的消耗。

　　2）焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接變形小。對(duì)精加工的工件可用作最后連接工序，焊后工件仍保持足夠高的精度。

　　3）真空電子束焊接不僅可以防止熔化金屬受到氧、氮等有害氣體的污染，而且有利于焊縫金屬的除氣和凈化，因而特別適于活潑金屬的焊接。也常用電子束焊接真空密封元件，焊后元件內(nèi)部保持在真空狀態(tài)。

　　4）電子束在真空中可以傳到較遠(yuǎn)的位置上進(jìn)行焊接，因而也可以焊接難以接近部位的接縫。

　　5）通過(guò)控制電子束的偏移，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜接縫的自動(dòng)焊接。可以通過(guò)電子束掃描熔池來(lái)消除缺陷，提高接頭質(zhì)量。

　　2、缺點(diǎn)：

　　1）設(shè)備比較復(fù)雜、費(fèi)用比較昂貴。

　　2）焊接前對(duì)接頭加工、裝配要求嚴(yán)格，以保證接頭位置準(zhǔn)確、間隙小而且均勻。

　　3）真空電子束焊接時(shí)，被焊工件尺寸和形狀常常受到工作室的限制。

　　4）電子束易受雜散電磁場(chǎng)的干擾，影響焊接質(zhì)量。

　　5）電子束焊接時(shí)產(chǎn)生的X射線需要嚴(yán)加防護(hù)以保證操作人員的健康和安全。

　　如圖所示，熱陰極（或燈絲）發(fā)射的電子，在真空中被高壓靜電場(chǎng)加速，經(jīng)磁透鏡產(chǎn)生的電磁場(chǎng)聚集成功率密度高達(dá)1.5×10(瓦／厘米(的電子束(束徑為0.25～1毫米),轟擊到工件表面上,釋放的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?熔化金屬，焊出既深又窄的焊縫（深／寬比可達(dá)10:1～30:1），焊接速度可達(dá)125～200米/時(shí),工件的熱影響區(qū)和變形量都很小。電子束的焊接工作室一般處于高真空狀態(tài)，壓力為10(～100帕，稱(chēng)為高真空電子束焊。處于低真空狀態(tài)時(shí)壓力為100～10000帕，稱(chēng)為低真空電子束焊。在大氣中焊接的稱(chēng)為非真空電子束焊。真空工作室為焊接創(chuàng)造高純潔的環(huán)境，因而不需要保護(hù)氣體就能獲得無(wú)氧化、無(wú)氣孔和無(wú)夾渣的優(yōu)質(zhì)焊接接頭。隨著工作室氣壓的增加，電子束散焦程度增大，焊縫的深／寬比減小。

　　電子束焊原理圖:

　　1、薄板的焊接

　　板厚在0.03~2.5mm的零件多用于儀表、壓力或真空密封接頭、膜盒、封接結(jié)構(gòu)、電接點(diǎn)等結(jié)構(gòu)中。薄板導(dǎo)熱性差，電子束焊接時(shí)局部加熱強(qiáng)烈。為防止過(guò)熱，應(yīng)采用夾具。夾具材料為純銅。對(duì)極薄工件可考慮使用脈沖電子束流。電子束功率密度高，易于實(shí)現(xiàn)厚度相差很大的接頭的焊接。焊接時(shí)薄板應(yīng)與厚板緊貼，適當(dāng)調(diào)節(jié)電子束焦點(diǎn)位置，使接頭兩側(cè)均勻熔化。

　　2、厚板的焊接

　　目前電子束可以一次焊透300mm的銅板。焊道的深寬比可以高達(dá)50：l。當(dāng)被焊鋼板厚度在60mm以上時(shí)，應(yīng)將電子槍水平放置進(jìn)行橫焊，以利焊縫成形。電子束焦點(diǎn)位置對(duì)熔深影響很大，在給定的電子束功率下，將電子束焦點(diǎn)調(diào)節(jié)在工件表面以下。熔深的0.5~0.75處電子束的穿透能力最好。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，焊前將電子束焦點(diǎn)調(diào)節(jié)在板材表面以下，板厚的三分之一處，可以發(fā)揮電子束的熔透效力并使焊縫成形良好。

　　3、添加填充金屬

　　只有在對(duì)接頭有特殊要求或者因接頭準(zhǔn)備和焊接條件的限制不能得到足夠的熔化金屬時(shí)，才添加填充金屬。

　　添加填充金屬的方法是在接頭處放置填充金屬，箔狀填充金屬可夾在接縫的間隙處，絲狀填充金屬可用送絲機(jī)構(gòu)送人或用定位焊固定。

　　送絲機(jī)構(gòu)應(yīng)保證焊絲準(zhǔn)確地送入電子束的作用范圍內(nèi)。送絲嘴應(yīng)盡可能靠近熔池，其表面應(yīng)有涂層以防金屬飛濺物的沾污。應(yīng)選用耐熱鋼來(lái)制造送絲嘴。應(yīng)能方便地對(duì)送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以改變送絲嘴到熔池的距離、送絲方向以及與工件的夾角等。焊絲應(yīng)從熔池前方送入。焊接時(shí)采用電子束掃描有助于焊絲的熔化和改善焊縫成形。

　　送絲速度和焊絲直徑的選擇原則是使填充金屬量為接頭凹陷體積的1.25倍。

　　4、定位焊

　　用電子束進(jìn)行定位焊是裝夾工件的有效措施，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約裝夾時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

　　可以采用焊接束流或弱束流進(jìn)行定位焊，對(duì)于搭接接頭可用熔透法定位，有時(shí)先用弱束流定位，再用焊接束流完成焊接。

　　5、焊接可達(dá)性差的接頭

　　電子束很細(xì)、工作距離長(zhǎng)、易于控制，所以電子束可以焊接狹窄間隙的底部接頭。這不僅可以用于生產(chǎn)過(guò)程，而且在修復(fù)報(bào)廢零件時(shí)也非常有效。復(fù)雜形狀的昂貴鑄鐵件常用電子束來(lái)修復(fù)。

　　對(duì)可達(dá)性差的接頭只有滿足以下條件才能進(jìn)行電子束焊接：

　?。?）焊縫必須在電子槍允許的工作距離上；

　　（2）必須有足夠?qū)挼拈g隙允許電子束通過(guò)，以免焊接時(shí)誤傷工件；

　　（3）在電子束的路徑上應(yīng)無(wú)干擾磁場(chǎng)。

　　6、電子束掃描和偏轉(zhuǎn)

　　在焊接過(guò)程中采用電子束掃描可以加寬焊縫降低熔池冷卻速度，消除熔透不均等缺陷，降低對(duì)接頭準(zhǔn)備的要求。

　　電子束掃描是通過(guò)改變偏轉(zhuǎn)線圈的激磁電流，從而使橫向磁場(chǎng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常用的電子束掃描圖形有正弦形、圓形、矩形、鋸齒形等。通常電子束掃描頻率為100~1000Hz。電子束偏轉(zhuǎn)角度為2°~5°。

　　電子束掃描還可用來(lái)檢測(cè)接縫的位置和實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，此時(shí)電子束的掃描速度可以高達(dá)50~100m/s，掃描頻率可達(dá)20kHz。

　　在焊接大厚度工件時(shí)為了防止焊接所產(chǎn)生的大量金屬蒸氣和離子直接侵入電子槍可設(shè)置電子束偏轉(zhuǎn)裝置。使電子槍軸線與工件表面的垂直方向成5°~90°夾角，這對(duì)于大量生產(chǎn)中保證電子槍工作穩(wěn)定是十分有利的。

　　7、焊接缺陷及其防治

　　和其它熔化焊一樣，電子束焊接接頭也會(huì)出現(xiàn)未熔合、咬邊、焊縫下陷、氣孔、裂紋等缺陷。此外電子束焊縫特有的缺陷有熔深不均、長(zhǎng)空洞、中部裂紋和由于剩磁或干擾磁場(chǎng)造成的焊道偏離接縫等。

　　熔深不均出現(xiàn)在不穿透焊縫中，這種缺陷是高能束流焊接所特有的。它與電子束焊接時(shí)熔池的形成和金屬的流動(dòng)有密切關(guān)系。加大小孔直徑可以消除這種缺陷。

　　長(zhǎng)空洞及焊縫中部裂紋都是電子束深熔透焊接時(shí)所特有的缺陷。降低焊接速度，改進(jìn)材質(zhì)有利于消除此類(lèi)缺陷。

　　電子束焊的分類(lèi)方法很多。按被焊工件所處的環(huán)境的真空度可分為三種：高真空電子束焊，低真空電子束焊和非真空電子束焊。

　　高真空電子束焊是在10-4～10-1Pa的壓強(qiáng)下進(jìn)行的。良好的真空條件，可以保證對(duì)熔池的“保護(hù)”防止金屬元素的氧化和燒損，適用于活性金屬、難熔金屬和質(zhì)量要求高的工件的焊接。

　　低真空電子束焊是在10-1～10Pa的壓強(qiáng)下進(jìn)行的。壓強(qiáng)為4Pa時(shí)束流密度及其相應(yīng)的功率密度的最大值與高真空的最大值相差很小。因此，低真空電子束焊也具有束流密度和功率密度高的特點(diǎn)。由于只需抽到低真空，明顯地縮短了抽真空時(shí)間，提高了生產(chǎn)率，適用于批量大的零件的焊接和在生產(chǎn)線上使用。

　　在非真空電子束焊機(jī)中，電子束仍是在高真空條件下產(chǎn)生的，然后穿過(guò)一組光闌、氣阻和若干級(jí)預(yù)真空小室，射到處于大氣壓力下的工件上。在壓強(qiáng)增加到7～15Pa時(shí)，由于散射，電子束功率密度明顯下降。在大氣壓下，電子束散射更加強(qiáng)烈。即使將電子槍的工作距離限制在20～50mm，焊縫深寬比最大也只能達(dá)到5：1。目前，非真空電子束焊接能夠達(dá)到的最大熔深為30mm。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需真空室，因而可以焊接尺寸大的工件，生產(chǎn)率較高。

　　電子束焊機(jī)有兩類(lèi)：低壓電子束焊機(jī)的加速電壓為30～60千伏；高壓電子束焊機(jī)的加速電壓可達(dá)175千伏。

　　電子束焊可焊接所有的金屬材料和某些異種金屬接頭,從箔片至板材均可一道焊成，鋼板可焊厚度達(dá)100毫米,鋁板達(dá)150毫米，銅板可達(dá)25毫米。碳鋼在真空中焊接時(shí)，由于鋼中原含有的氣體會(huì)釋放出來(lái)，焊縫金屬容易產(chǎn)生微氣孔。

　　電子束焊機(jī)成本高。工件裝配、接縫與電子束對(duì)正，都要求有較高的精度。但電子束焊的多能性和高精度，往往能補(bǔ)償其高成本，因此在汽車(chē)、原子能、航空、航天等許多工業(yè)中已成為重要的焊接方法之一。

　　1.在大批量生產(chǎn)中將有較大的發(fā)展。例如：在汽車(chē)工業(yè)中，采用電子束焊技術(shù)焊接汽車(chē)的齒輪和后橋，可以提高工效、降低成本、減輕零件的質(zhì)量。

　　2.在航空航天工業(yè)中，電子束焊技術(shù)將繼續(xù)擴(kuò)大其應(yīng)用，并發(fā)展電子束焊在線檢測(cè)技術(shù)。

　　3.由于電子束在厚大件焊接中獨(dú)樹(shù)一幟，所以在能源、重工業(yè)中大有用武之地。

　　4.在修復(fù)領(lǐng)域，電子束焊技術(shù)將是有價(jià)值的工藝方法之一。

　　5.電子束焊的焊接設(shè)備將趨向多功能及柔性化。電子束焊已屬成熟技術(shù)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，多功能電子束焊的焊接設(shè)備和集成工藝以及電子束焊機(jī)的柔性化將越來(lái)越顯得重要。

　　6.電子束焊將是實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)焊接的強(qiáng)有力工具。

　　宇航技術(shù)中所用的各類(lèi)火箭、衛(wèi)星、飛船、星球車(chē)、空間站、太陽(yáng)能電站等的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)以及各種儀器均需用焊接技術(shù)，而電子束焊是滿足其需求的強(qiáng)有力的工具。

　　宇航零部件所用電子束焊的焊接設(shè)備可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是常規(guī)的電子束焊機(jī)，用來(lái)焊接可以在地面進(jìn)行裝配的零部件；另一類(lèi)是在太空條件下所用的電子束焊機(jī)，需要宇航員到太空進(jìn)行焊接操作，因此要適應(yīng)太空的特殊環(huán)境。