電子束焊接技術基礎研究

喬玉祥

（中核北方核燃料元件有限公司，內蒙古包頭014035）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，電子束焊接作為一種高效高能量密度的焊接方法，在核電站、航空、電子和汽車等制造產業中得以全面推廣，尤其在大型零件制造及復雜零件加工等方面都顯示出其獨特的優越性。電子束焊機結構復雜，涉及機械、電子束焊接、真空和數控等多方面專業技術，本文就電子束槍和電子束焊接技術作一介紹。

1 電子束焊接技術

電子束焊接技術具有能量密度高、焊接速度快、焊接變形區小、參數易于控制、可焊接難熔及異種金屬等優點，在工業上得到了廣泛應用。

1.1 電子束焊接技術優勢

1）能量密度高（1010～1013W/m2）。焊縫窄，熱影響區小且具有平行邊緣，焊接變形小；一般焊接無需填充金屬；對于高質量的工業產品具有較高的焊接速度；可獲得深寬比大的焊縫，焊接厚件時不開坡口一次成形。

2）真空條件下焊接。避免在焊接過程中工件氧化，焊縫純凈度高。

3）可靠性及重復性好。焊接參數自動控制，能夠保證焊縫質量；焊接參數易于調節，工藝適應性強。

4）適用于異種金屬材料焊接，包括部分陶瓷材料。

1.2 電子束焊接的局限性

窄焊縫（熔化區）要求焊前對工件進行精細的準備；焊接接頭邊緣需加工；焊接接頭要求沒有裝配間隙或非常小的間隙（通常無填充金屬）；真空下進行焊接可能使被焊工件的尺寸受限制；大規格工件需定制特殊設備；特殊工件需采用局部真空電子束焊；對帶磁的部件敏感，即電子路徑受磁場的影響；從陰極至工件轟擊點的磁場；針對被焊金屬工件內部磁場必須退磁。

1.3 電子束焊接原理

電子束焊接（EBW）是利用電子槍所產生的電子在陰、陽極間的高電場作用下被拉出，并加速到很高速度，經過聚焦、掃描后，形成密集的高速電子流，當其撞擊在工件接縫處，其動能轉化為熱能，使材料迅速熔化而達到焊接的目的。電子束焊只適用于金屬或合金材料。除非特殊情況，一般無需填充材料。

圖1 電子束焊接原理圖

1.4 適用焊縫型式及要求

電子束焊適用的焊縫型式見圖2。

電子束焊由于其自身的特殊性，對于焊接工件有一定要求：工件接頭邊緣必須加工，盡量避免倒角的存在；工件之間的間隙必須盡可能小。

圖2 焊縫型式

2 電子束槍的構成及功能

電子束槍結構單元由燈絲、陰極、柵極、陽極、聚焦線圈、偏轉/掃描線圈以及抽真空系統組成（圖3）。

圖3 電子束槍構造原理圖

2.1 燈絲

燈絲由鐵鎳材料制成的鼻子、鐵鎳合金制成的身部、鎢制成的螺旋線圈以及鐵鎳材料制成的螺旋支撐組成。燈絲的鼻子，也稱為會聚器，對陰極背面的電子能量會聚起著重要的作用。

燈絲被約13A的交流電加熱到很高的溫度（約2800℃，電子發射溫度），燈絲相對于陰極的電位為大約－3000 V。燈絲和陰極之間的電壓使燈絲發射的電子加速，轟擊陰極的背面，對陰極進行加熱。

2.2 陰極

陰極是電子束槍的基本元素：它是一個高精度部件，置于真空下并被加熱到電子發射溫度。當高密度的電場加在處于負電勢的陰極和接地的陽極之間時，陰極發射的電子被加速并形成電子束。

圖4 燈絲

陰極由一塊發射材料制成，通常有一個凹型發射面。陰極背面直徑較大，正面較小，大的表面用于加熱，小的發射面（柱）用于產生焊接電子束。陰極由易發射的材料（鎢、鉭或六硼化鑭）發射柱和陰極身部組成。

電子束槍有不同類型的陰極，Techmeta焊槍采用的陰極為間熱式陰極。間熱式陰極的原理是從燈絲發出的次級電子束從陰極背面對陰極進行加熱。目前大多數電子槍采用間熱式陰極，盡管需要附加一個電極加熱，但這一缺點被諸多優點所補償。其優點是：沒有磁場干擾；陰極質量大，具有更高的機械強度和更長的壽命。

圖5 間熱式陰極

2.3 柵極或溫耐爾極

柵極或溫耐爾極是電子槍的第三個電極。它處于陰極周圍并與陰極距離很近。它一方面通過調整等位面的形狀（電子垂直于等位面運動）控制電子束形狀；另一方面，作為控制極控制電子發射的數量。柵極對于電子起到控制閥的作用。

圖6 柵極

2.4 陽極

陽極與外殼連接并接地。加在陽極和陰極之間的電壓產生電磁場，處于負電勢的陰極釋放的電子被電場加速，并被陽極吸引，會聚并通過陽極孔。然后，電子依靠慣性保持此速度運動（對于30 kV電壓，速度約105km/s）。陽極和陰極是電子槍的兩個主要電極。

圖7 陽極

陽極有兩種類型：1）單體陽極。孔徑大于等于4 mm，陽極材料為不銹鋼；2）組合陽極。孔徑小于4 mm，由陽極支撐（材料為銅）、陽極法蘭（材料為銅）、陽極（材料為鉬）等幾部分組成。

Techmeta焊槍為組合陽極。

圖8 聚焦線圈

2.5 聚焦線圈

電子束在陽極出口處自然會聚到一點，稱為交叉點，然后發散。交叉點的位置主要取決于電極的幾何形狀且不可調整。而聚焦線圈的作用是使電子束在磁場的作用下重新會聚成焦點，并可以調整焦點距離。

聚焦電流為0 A時，自然電子束是發散的。通過聚焦線圈的電流產生磁場，使入射的電子束軌跡發生折射并會聚成一點。通過調整聚焦電流的大小，來控制電子束聚焦點位置，聚焦電流越大，聚焦點越往工件上方移動。工作原理見圖9。

圖9 電子束聚焦點調整示意圖

2.6 偏轉/掃描線圈

偏轉線圈使電子束在磁場的作用下，焦點位置發生偏移。

掃描線圈的作用是使電子束聚焦點按照預先設定的波形快速、重復偏移。

圖10 偏轉/掃描線圈

根據每個線圈中電信號的波形，可以獲得垂直或水平焊縫、圓形或橢圓形的焊縫型式。掃描信號的波形有兩個關鍵參數，為幅度和頻率，它們分別影響掃描的寬度和對熔化金屬的攪拌。

圖11 電子束偏轉、掃描示意圖

掃描可以對焊縫帶來以下正面影響：使熔化區變寬，因此可以接受的接頭間隙也增加；在豎槍水平焊的情況下，改善熔化金屬的均勻性；有利于熔池內氣體的排除；對某些合金，減少熱裂紋；進行小直徑圓焊縫的焊接，不需要移動工件或電子槍。

聚焦線圈是和偏轉/掃描線圈配合在一起工作的，從而控制電子束形狀和運動軌跡。

2.7 真空系統

真空裝置由一個或幾個密閉的室體組成，需要利用真空泵將室體內的壓力抽到大氣壓以下。不同的真空泵用具有一定流導的管道組合在一起。按照氣體壓力上升或下降的次序，真空泵和閥門依次啟動，可獲得的所需的真空度。

對于電子槍內的真空度：在10-4～10 Pa之間，只與初級真空和次級真空有關。為了獲得初級真空，大多用旋轉式泵（旋片泵）和羅茨泵。為了獲得次級真空，增加了蒸汽流泵（擴散泵），分子泵或低溫泵。

3 電子束槍的工作原理及方式

3.1 電子束槍工作原理

電子束槍是一個真空腔室，由電子發射區和電磁區組成。在電子發射區，電子被加速裝置加速；在電磁區，電子束在線圈的作用下聚焦和偏轉/掃描。

1）電子發射區。陰極被燈絲加熱，達到電子發射溫度時開始發射電子，電子被陰極和陽極之間的電壓加速。成群的電子形成電子束，穿過陽極孔，以極高的動能轟擊金屬工件使之熔化；在陰極和陽極之間插入第三個電極，即柵極或溫納爾極，通過改變柵極和陰極之間的電壓對電子束進行控制。

2）電磁區。電子束在陽極出口處自然會聚到一點，稱為交叉點，然后發散；聚焦線圈產生的磁場使電子束重新匯聚成焦點（通過改變磁場可以調整聚焦點的距離）；偏轉線圈產生的磁場使電子束的焦點偏移，掃描線圈使電子束按照預定的波形掃描，實現預定的焊縫型式。

電子束槍的燈絲被交流電加熱到很高的溫度（約2800°C，電子發射溫度），燈絲和陰極之間的電壓使燈絲發射的電子加速，轟擊陰極的背面，對陰極進行加熱，陰極加熱到一定的溫度時逸出電子，電子在高壓（3～60 kV）磁場中被加速，通過聚焦后，形成能量密集度極高的電子束，當電子束轟擊焊接表面時，電子的動能大部分轉變為熱能，使焊接件的結合處的金屬熔融，當焊件移動時，在焊件結合處形成一條連續的焊縫。Techmeta電子束槍在工作時是固定不動的，工件按照設定程序進行位移。為了使電子到達工件，必須使之處于真空室內。因為電子運動軌跡上的分子或粒子將阻礙電子的自由運動并造成能量損失，在高真空條件下可以獲得更好的效果。

電子束焊槍工作原理詳見圖12。

圖12 電子槍工作原理圖

3.2 電子束槍工作位置及焊接方式

電子槍處于垂直位置時，可以進行水平方向焊接（電子束垂直向下）（Techmeta）和仰視位置焊接。

圖13 電子槍工作位置圖

電子槍處于水平位置時，可以進行水平方向焊接（水平方向電子束）、垂直上升焊接（電子束上升）和垂直下降焊接（電子束下降）。

4 電子束焊接的應用

電子束焊接適用的焊縫類型眾多，可完成多種接縫類型的焊接，其中包括：局部穿透焊縫、全穿透焊縫、有支撐墊板的焊縫、搭接焊縫、穿越焊縫等。具體類型詳見圖14。

圖14 適用焊縫類型

目前，在國內核燃料元件領域，電子束焊接技術已成為極為重要的制造方法之一，也是今后核燃料元件制造發展的關鍵、核心技術，對今后各類型核燃料元件關鍵零部件制造起著舉足輕重的作用。

5 結語

通過對電子束焊接技術的研究，了解其電子束槍的構造及其工作原理，從而了解電子束焊接的技術特點和應用范圍，使該項焊接技術在機械制造中逐步推廣應用，并為大家了解和熟練運用焊接技術提供參考。

［1］Techmeta Co.Electron Beam Welding Machine Users Manual［M］.

［2］ 曾樂.現代焊接技術手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，1993.

［3］ 張秉剛.國內外電子束焊接技術研究現狀［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2004.