1.引言
電子束焊接技術(shù)是高能束加工技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，與激光焊接相比各有優(yōu)點(diǎn)。電子束焊接除了具有輸入能量密度高、加熱面積小、焊接速度快、焊縫熱影響區(qū)窄、工件變形小等特點(diǎn)之外，還具有電子束穿透深、焊縫深寬比大、電子束控制方便以及真空環(huán)境中的焊縫不受污染等特點(diǎn)[2]。電子束焊接適于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。作為熱加工手段之一，電子束焊接技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但又有良好的發(fā)展勢(shì)頭，有關(guān)機(jī)理、自動(dòng)化程度、質(zhì)量監(jiān)控、應(yīng)用領(lǐng)域等研究內(nèi)容尚在不斷進(jìn)步。
我們從二十世紀(jì)六十年代開始進(jìn)行電子束焊接工藝及應(yīng)用研究，涉及的材料有高熔點(diǎn)金屬、高彈性合金、可伐合金、不銹鋼、高強(qiáng)鋼、有色金屬及其合金和陶瓷等非金屬材料；涉及的工件結(jié)構(gòu)多種多樣，以中小型精密零件為主。三十多年來已取得多項(xiàng)科技成果。本文試圖從一些具體工件的焊接實(shí)例入手（以本單位的應(yīng)用范例為主）討論影響電子束焊接質(zhì)量的幾個(gè)工藝因素。
2.焊縫結(jié)構(gòu)及配合間隙
在焊接實(shí)踐中，會(huì)碰到形形色色的工件，焊縫結(jié)構(gòu)也各不相同，但總體上可分為：對(duì)焊縫、端焊縫、角焊縫（包括穿透焊縫），或區(qū)分為直線焊縫、環(huán)線焊縫、曲線焊縫、點(diǎn)焊縫，還有等截面焊縫和變截面焊縫等。為了達(dá)到最佳焊接效果，焊縫結(jié)構(gòu)和配合間隙的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，既要考慮工件（部件）在整機(jī)中的作用，又必須滿足被焊材料可焊性和具體焊接工藝的要求。所以在實(shí)施焊接之前，應(yīng)該與工程設(shè)計(jì)人員共同討論焊接件的焊縫結(jié)構(gòu)，或通過工藝試驗(yàn)確定合理的結(jié)構(gòu)與間隙尺寸。
3.工裝模具
為了將被焊接的工件置于焊機(jī)之中，工裝模具（夾具）直接影響焊接的實(shí)施效果，從一定意義上講，模具的正確設(shè)計(jì)是焊接工作成功的一半。
（1）夾持作用。夾具的正確運(yùn)用關(guān)系到焊接的精度，一個(gè)合理的夾具既要保證工件的正確裝配，又要考慮到電子束的可達(dá)性。對(duì)于易變形的工件，在夾持（或頂緊）時(shí)，壓力要適中，可以用合適的彈簧起緩沖作用。
（2）散熱作用。對(duì)于易破碎或熱敏的工件，夾具的散熱作用不可忽視，如圖1是一種光電器件，其中玻璃管殼與金屬管殼、纖維屏玻璃與窗架盤均已經(jīng)完成封接或粘接，最后一道封口用電子束焊接。前二道焊縫均受不得熱沖擊，所以在電子束焊接時(shí)要有一個(gè)合適的夾具，以幫助散熱。在設(shè)計(jì)和選材時(shí)要注意：夾具與工件的配合要好，接觸面要大；材料用熱傳導(dǎo)較好的材料，如純銅。
（3）合攏作用。有的工件屬于空腔型，如空心球體，只有通過焊接手段才能夠制成。電子束的焊接精度高，配以適當(dāng)?shù)暮蠑n模具，將兩個(gè)半球在焊接室內(nèi)合擾后施焊，可以獲得滿意的結(jié)果，如用圖2所示的專用模具即可。這種焊接過程，既能夠獲得內(nèi)腔呈真空狀態(tài)的目的；而且又可以保證焊接時(shí)不會(huì)發(fā)生焊縫濺射問題（如果事先在焊接室外合擾，內(nèi)腔空氣不易抽出，焊接時(shí)熔池會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象）。
4.焊接參數(shù)
根據(jù)被焊工件的材料、尺寸及結(jié)構(gòu)選取相應(yīng)的工藝參數(shù)是焊接工作的主要內(nèi)容。
（1）焊接功率的影響。電子束的焊接功率指：
P=U·I
式中P—功率（w），U—電壓（kV），I—束流（mA）它直接影響焊接的熔深，隨著焊接功率的增大，焊接熔深呈線性增大，如圖3所示。
從加速電壓的高低區(qū)分，高壓焊機(jī)（如150kV）的電子束穿透能力更強(qiáng)，與低中壓焊機(jī)相比，同等功率時(shí)焊接熔深會(huì)大一些；但亦有一種觀點(diǎn)認(rèn)為焊接熔深取決于電子槍的性能。
（2）焊接線能量的影響。焊接線能量指：
E=P/S
式中E—線能量（J/mm），P—功率（w），S—焊速（mm/s）
焊接線能量的輸入大小對(duì)焊縫的成型起很大作用，如可以獲得焊縫的最佳深寬比。另外，快速焊接時(shí)工件變形較??；慢速焊接可防止高強(qiáng)鋼等工件產(chǎn)生裂紋。
高碳鋼焊接之后會(huì)產(chǎn)生裂紋，這是由于它的組織結(jié)構(gòu)變化所致（如形成馬氏體的時(shí)間長，它的膨脹力與冷卻收縮不平衡）。據(jù)報(bào)導(dǎo)[3]，鋼的含碳量（C）小于0.35%是安全的，焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂紋；當(dāng)C量增加，為了避免出現(xiàn)裂紋，需要采取相應(yīng)的措施，其中之一可以將焊接速度降低，以減慢冷卻速率，此時(shí)容易獲得良好焊縫。C量高甚者則需要預(yù)熱、退火或填絲焊等其它辦法。
（3）臨界焊接參數(shù)的作用。我們?cè)谶M(jìn)行薄件和高精度工件的焊接工藝試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的焊接參數(shù)非常嚴(yán)格，偏大或偏小均會(huì)導(dǎo)致失敗，將此參數(shù)稱之謂臨界焊接參數(shù)。如圖4所示應(yīng)變傳感器焊接[4]，需要將基片（厚0.15mm）與細(xì)管（φ1mm，厚0.1—0.15mm）在外側(cè)相焊。這是一個(gè)難度較大的工藝問題，我們采用半穿透焊接，可以減小基片的變形。此時(shí)的焊接參數(shù)不能過大，不然全穿透焊接除了變形增大，還會(huì)造成細(xì)管內(nèi)部MgO粉的濺射；參數(shù)過小時(shí)焊接強(qiáng)度太低或焊接不成。這種焊接情況，工藝參數(shù)非常臨界。
5.電子束焦斑及轟擊部位
電子束焊接的一大特點(diǎn)是焊縫窄、熔深大，這是由于電子焦斑可聚焦得很細(xì)，一般焦點(diǎn)直徑在0.5—1mm左右（取決于電子束功率大?。?nbsp;
（1）常規(guī)焊接。電子束焊接工件時(shí)，一般情況下將電子束焦斑調(diào)到最佳狀態(tài)，即束斑聚焦在工件表面（對(duì)于厚度較大的工件，焦點(diǎn)位置控制到工件內(nèi)部）。電子束轟擊的部位則是在工件的接觸縫（焊縫）上。
（2）束斑略偏于焊縫一側(cè)的焊接。對(duì)于某些情況或工件，能否取得焊接的成功，電子束的轟擊部位起著關(guān)鍵作用。如厚薄不均的工件，電子束轟擊應(yīng)偏于厚工件一側(cè)；熔點(diǎn)各異的工件，電子束轟擊則應(yīng)偏于熔點(diǎn)較高的工件一側(cè)。有些特殊的工件，更要視具體情況而定，例如多孔鎢與鉬的焊接，雖然鎢的熔點(diǎn)較高，但為了能夠獲得光滑的焊縫，電子束轟擊偏于鉬材，使鉬件局部熔融后流附到多孔鎢表面和內(nèi)部（表層）[5]。
又如鈮與鉬焊接，電子束轟擊部位與焊縫的強(qiáng)度密切相關(guān)，如果轟擊于焊縫正中，則它的強(qiáng)度為66.6N/mm2，屬于沿晶斷裂（圖5（a））；如果電子束轟擊偏于Nb側(cè)約0.2mm，則焊接強(qiáng)度大于279.5N/mm2，呈穿晶斷裂（圖5（b））。
這是由于Nb具有良好塑性和一定吸氣能力，會(huì)使晶界上氣體成分減少，焊縫質(zhì)量較高；而鉬的晶格再結(jié)晶后晶粒粗大，加之晶界雜質(zhì)影響，鉬熔焊后呈脆性[。
（3）電子束散焦焊接。對(duì)于某些工件的焊接，電子束略為散焦效果更佳，如網(wǎng)狀工件的焊接，如果電子束聚焦得過細(xì)，焊接時(shí)工件易被切斷。
6.預(yù)熱和退火
對(duì)于某些材料或結(jié)構(gòu)件的焊接，為了防止裂紋的產(chǎn)生，對(duì)被焊接的工件需要進(jìn)行預(yù)熱或焊后退火處理。
（1）電子束預(yù)熱和退火。利用較小功率并且散焦的電子束轟擊工件，使工件具有一定的溫度，以達(dá)到預(yù)熱或退火的目的。具體工藝（溫差）視不同的材料和工件結(jié)構(gòu)而定，因?yàn)樗嗌婕暗讲牧辖M織的相變問題。
（2）輔助預(yù)熱和退火。利用電阻爐或石墨爐來對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱和退火。我們?cè)谶M(jìn)行陶瓷與金屬的焊接工藝試驗(yàn)時(shí)，化了比較大的精力于電阻爐的試制（圖6）及預(yù)熱退火工藝的操作（圖7）。最終達(dá)到了良好效果，取得了陶瓷與金屬焊接的成功[6]。
7.添加材料（填絲）
通常電子束焊接不用任何焊料，但是對(duì)于某些特殊結(jié)構(gòu)的工件和某些異種材料，為了取得焊接的成功，除了采用電子束轟擊偏于焊縫一側(cè)等方法之外，還可以添加第三種材料，即用填絲的方法。
（1）釬焊。這里用的第三種材料起到釬料的作用，即此材料熔化后將兩個(gè)零件粘接在一起，或使焊縫兩側(cè)表層有一些擴(kuò)散作用，此時(shí)工件基材尚未熔化。如圖8所示的小齒輪焊接，為了防止齒與軸的變形過大，電子束轟擊僅使釬料（銀銅釬料）熔化，將小齒輪與軸粘接起來，聯(lián)接強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求（扭矩強(qiáng)度大于118N.cm），同時(shí)變形量很?。ㄝS的跳動(dòng)量小于0.05mm）。
（2）填絲焊接。對(duì)于可焊性較差的異種材料，為了不致出現(xiàn)裂紋，能夠得到良好的金相組織，可以在焊縫中添加一種填充材料，以起到過渡作用，焊接時(shí)此材料與局部基材均同時(shí)熔化。焊縫的硬度、合金元素的組成和微觀結(jié)構(gòu)，取決于焊接參數(shù)和所用的填充材料。這種填充材料形狀呈絲狀或片狀；自動(dòng)填絲焊機(jī)則利用送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行填絲熔融焊接。填充材料的成份視被焊工件的材料而定，必須考慮到能與基材形成合適的組成（如固溶體等），例如鎳基材料、銀基材料、硅鋁材料等。
8.其它因素
在實(shí)際焊接過程中，為了解決碰到的難道并獲得良好的焊接性能，還有許多因素需要注意，雖然對(duì)于每一個(gè)工件而言，不一定必須面面俱到，但對(duì)于某些情況還是有作用的。
8.1真空度的影響
按工件所在焊接室的真空度的不同，可分為高真空、低真空（包括局部低真空）、非真空（局部保護(hù)氣氛）焊接。工件的焊縫深度以及焊縫質(zhì)量是有很大區(qū)別的。選用何種狀態(tài)焊接，視被焊工件的材料和結(jié)構(gòu)等而定。
8.2電子束跟蹤焊接
對(duì)于曲線焊縫或偏斜焊縫，用電子束自動(dòng)跟蹤焊縫的焊接方法是比較合適的。它是利用電子束在焊縫的前方以極快的速度進(jìn)行探測(cè)掃描，收取焊縫兩側(cè)的二次電子作為信號(hào)，來控制跟蹤焊縫（電子束偏移或工作臺(tái)移動(dòng)）。我們?cè)谠囼?yàn)時(shí)，利用記憶示波器拍攝到了正常運(yùn)行時(shí)的二次電子信號(hào)電壓波形照片，同時(shí)獲得了焊接曲線焊縫的成功（圖9）。
8.3電子束偏擺焊接
有時(shí)可將被焊工件固定在工作臺(tái)上，利用程控的偏擺電子束環(huán)繞被焊件的焊縫進(jìn)行焊接，它適用于尺寸較小、厚度較薄工件的對(duì)稱焊縫，如圖10所示的方波導(dǎo)與法蘭的焊接。此工作過程比較簡單，適用于多工位裝置的多工件焊接，對(duì)提高生產(chǎn)效率有一定幫助。
8.4電子束掃描焊接
對(duì)于厚度較大的工件，為了使焊縫熔池內(nèi)的氣體能夠充分排出，以減少焊縫中的氣孔或裂紋，利用掃描電子束是很有意義的。它實(shí)質(zhì)上是一種電子束攪動(dòng)焊縫熔池的作用，從而使氣體排出。有時(shí)為了取得異種材料焊接成功，亦可以進(jìn)行掃描焊接。電子束掃描的波形、頻率和幅度等因素視具體情況而定。
8.5脈沖焊接
為了防止被焊工件過熱和達(dá)到其它特殊目的（如提高薄件焊縫的深寬比），利用脈沖電子束焊接是很合適的。通過試驗(yàn)來確定束流峰值、脈沖寬度、重復(fù)頻率、平均輸入功率及焊接速度等參數(shù)。
8.6修飾焊接
有些工件的焊縫需要有較高的光潔度或有其它原因，可以采用修飾焊接的工藝過程。一般講，修飾焊的電子束功率密度低于實(shí)際焊接的功率密率。
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