[科普中国]-电子束焊接

简介

电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。

历史发展根据电子束焊接的基本原理，西方国家在70年代末期研究开发出双金属锯带电子束焊接新工艺生产线，代替传统的普通高速钢锯带生产工艺，从而大量节省了高速钢，并提高了锯带的使用寿命。双金属锯带就是把具有弹性性能好的弹簧钢和切削能力强的高速钢通过电子束焊接方法而获得的一种新型锯带。我国在80年代后期相继从德国引进若干条生产线以满足国内市场高速发展的需要，但还不能完全满足其市场要求。

由于电子束焊接包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算机等多学科技术，对国内一般厂商来说技术难度较大，而引进费用又昂贵，为此桂林电气科学研究所结合国外技术及多年从事电子束技术研究开发经验，研制成功了我国第一条国产双金属锯带生产线设备。其中高压电源是双金属锯带焊接设备的关键技术之一，它主要为电子枪提供加速电压，其性能好坏直接决定电子束焊接工艺和焊接质量。为此许多电子束焊机制造商及研究机构均对高压电源的可靠性、高压保护、高压打火对焊件的影响进行了研究，并相应制造出具有较高性能的高压电源，以满足不同的电子束焊机的需要。由于双金属焊接要求平行焊缝，要用高压电子束焊机(100kV以上)焊接双金属锯带，为此开展高压电源的开发和研究工作是非常必要的。

基本原理电子是物质的一种基本粒子，通常情况下他们围绕原子核高速运转。当给电子一定的能量，他们能脱离轨道跃迁出来。加热一个阴极，使得其释放并形成自由电子云，当电压加大到30到200kv时，电子将被加速，并向阳极运动。

特点1 )电子束焊接的能量密度高 ，可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝；

2)电子束焊接是在真空中进行 ，焊缝的化学成分稳定且纯净 ,接头强度高 ,焊缝质量高；

3)电子束焊接速度快 ,热影响区小 ，焊接热变形小；

4)电子束焊接适用于焊接几乎所有的金属材料，尤其适合铝材焊接；

5)电子束焊接可获得深宽比大的焊缝 (20∶ 1～50∶ 1) ,焊接厚件时可以不开坡口一次成形；

6)电子束焊接结合计算机技术 ，实现了工艺参数的精确控制 ，使焊接过程完全自动化。

电子束焊接技术是目前发展最快 ，应用最为广泛的电子束技术。

应用由于电子束流具有以上特点，目前，已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小的打孔，复杂形状的铣切，金属材料的焊接、熔化和分割，表面淬硬、光刻和抛光，以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断深入，电子束加工已成为高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。

电子束表面改性

电子束表面改性是利用电子束的高能、高热特点对材料表面进行改性处理。主要的改性手段有：电子束表面合金化、电子束表面淬火、电子束表面熔覆、电子束表面熔凝以及制造表面非晶态层。经过改性后的材料表面组织结构得到改善，强度和硬度得到大幅提高，耐腐蚀性和防水性也相应地得到增强。

电子束物理气相沉积

电子束物理气相沉积(EB—PVD)是电子束技术与物理气相沉积技术的有机结合，是利用高能电子轰击沉积材料，使其迅速升温气化而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。根据沉积材料的性质，可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷性能，对基体材料产生一定的保护作用。

该技术目前主要应用于以下几个方面。

1)耐磨涂层：选用硬度高的耐磨涂层材料沉积于工具和模具表面，可以大幅度提高工具和模具的使用寿命。

2)防腐涂层：由于EB．PVD技术制备出的涂层致密程度高，对于在腐蚀环境下工作的零件，其防腐效果非常好。除此之外，EB．PVD得到的涂层形貌良好，残余应力也明显地提高了基体材料的防腐性能。

3)热障涂层：热障涂层(TBCs)是由绝热性能良好的陶瓷材料构成，它沉积在耐高温金属或超合金表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，并且可以使器件(发动机等)热效率达到60%以上。同时，TBCs还具有抗腐蚀和抗氧化的作用1。