1、電子束焊LEE MAN (SCETC)焊前準備焊接接頭設計主要焊接參數及選擇接合面的加工與清理接合面的加工與清理零件裝配零件裝配抽真空抽真空焊前預熱焊前預熱對接角接T形接搭接端接加速電壓電子束電流焊接速度聚焦電流工作距離電電子子束束焊焊接接工工藝藝電子束焊LEE MAN (SCETC)第四節 典型材料的電子束焊 電子束焊是金屬材料焊接性較好的熔焊方法之一。各種金屬、合金、金屬間化合物等都可以采用電子束焊接，并且接頭具有良好的力學性能。 一、鋼的電子束焊（一）碳素結構鋼的焊接低碳鋼焊接性好，電子束焊縫和熱影響區晶粒細小。低碳沸騰鋼脫氧不徹焊接性好，電子束焊縫和熱影響區晶粒細小。低碳沸騰鋼脫氧不徹

2、底，焊接時可能產生強烈的熔池反應，易產生飛濺和氣孔。可在接底，焊接時可能產生強烈的熔池反應，易產生飛濺和氣孔。可在接頭間隙處夾一厚度為頭間隙處夾一厚度為0.20.3mm的鋁箔，以保證脫氧作用。焊接的鋁箔，以保證脫氧作用。焊接半鎮靜鋼過程中有時也會產生氣孔，降低焊速，加寬熔池有利于消半鎮靜鋼過程中有時也會產生氣孔，降低焊速，加寬熔池有利于消除氣孔。除氣孔。中碳鋼電子束焊時，其焊接性隨著含碳量的增高而變差。碳的質量分數大電子束焊時，其焊接性隨著含碳量的增高而變差。碳的質量分數大于于0.5的碳鋼用電子束焊時，開裂傾向比電弧焊時低，但需焊前的碳鋼用電子束焊時，開裂傾向比電弧焊時低，但需焊前預熱及焊后熱

3、處理。預熱及焊后熱處理。電子束焊LEE MAN (SCETC) 金屬間化合物金屬間化合物-是指金屬和金屬之間，類金屬和金屬原子之間以共價鍵形式結合生成的化合物，其原子的排列遵循某種高度有序化的規律。當它以微小顆粒形式存在于金屬合金的組織中時，將會使金屬合金的整體強度得到提高，非凡特性是在一定溫度范圍內，合金的強度隨溫度升高而增強，這就使金屬間化合物材料在高溫結構應用方面具有極大的潛在優勢。 然而事物的優劣總是一把雙刃劍。伴隨著金屬間化合物的高溫強度而來的，是它本質上難以克服的室溫脆性。當30年代金屬間化合物剛被發現時，它們的室溫延性大多數為零，也就是說，一拉就會斷。因此，許多人預言，金屬間化合

4、物作為一種大塊材料是沒有任何實用價值的。 類金屬-金屬與非金屬結合的化合物，其性質介于金屬和非金屬之間。常見的有金屬的硼化物、碳化物、硅化物等。許多類金屬化合物，為難熔化合物，熔點高，硬度高，良好的化學穩定性，很高的導電性和傳熱性，有的類金屬在真空中或在電場和熱的作用下有發射電子的能力。某些類金屬化合物還具有半導體性質，如一些硅化物、硫化物、氮化物和磷化物等。 電子束焊LEE MAN (SCETC)（二）合金鋼的焊接低合金鋼c0.3的低合金鋼電子束焊時，可不預熱和后熱。在工件厚度的低合金鋼電子束焊時，可不預熱和后熱。在工件厚度大，結構剛性強時，為防止開裂應預熱，預熱溫度為大，結構剛性強時，為防

5、止開裂應預熱，預熱溫度為250300。對焊前已進行過淬火和回火處理的零件，焊后回火溫度應略低于原對焊前已進行過淬火和回火處理的零件，焊后回火溫度應略低于原回火溫度。如輕型變速箱的齒輪大多采用電子束焊，齒輪材料是回火溫度。如輕型變速箱的齒輪大多采用電子束焊，齒輪材料是20CrMnTi或或16CrMn，焊前材料處于退火狀態，焊后進行調質和表，焊前材料處于退火狀態，焊后進行調質和表面滲碳處理。面滲碳處理。高強度合金鋼碳的質量分數高于碳的質量分數高于0.30的高強度合金鋼，可進行電子束的高強度合金鋼，可進行電子束焊接，退火或正火狀態下焊接性更好。當板厚大于焊接，退火或正火狀態下焊接性更好。當板厚大于6

6、mm時，應采用焊前預熱和焊后緩冷的工藝措施，以免產生時，應采用焊前預熱和焊后緩冷的工藝措施，以免產生裂紋。裂紋。 （三）工具鋼的焊接 電子束焊接工具鋼，焊接接頭性能良好，生產率高。與其他焊接方法相比，工具鋼電子束焊不需要進行退火等熱處理而實施高速焊接。例如，厚度為6mm的4Cr5MosiV鋼焊前硬度為50HRC，焊后進行550正火，焊縫金屬的硬度可以達到5657HRC，熱影響區硬度下降到4346HRC，但其寬度只有0.13mm。電子束焊LEE MAN (SCETC)（四）不銹鋼的焊接 不銹鋼的電子束焊接性較好，電子束焊接設備通常以不銹鋼的最大焊接深度及焊縫深寬比作為設備焊接能力的標志。奧氏體鋼

7、奧氏體鋼的電子束焊接接頭具有較高的抗晶間腐蝕的能力，這奧氏體鋼的電子束焊接接頭具有較高的抗晶間腐蝕的能力，這是因為高的冷卻速度可以防止碳化物的析出。是因為高的冷卻速度可以防止碳化物的析出。馬氏體鋼馬氏體鋼可以在任何熱處理狀態下焊接，但焊后接頭區會馬氏體鋼可以在任何熱處理狀態下焊接，但焊后接頭區會產生淬硬的馬氏體組織，而且隨著含碳量的增加和焊接速產生淬硬的馬氏體組織，而且隨著含碳量的增加和焊接速度的加快，馬氏體的硬度將提高，開裂敏感性也較強。度的加快，馬氏體的硬度將提高，開裂敏感性也較強。沉淀硬化不銹鋼沉淀硬化不銹鋼焊接接頭的力學性能較好。含磷高的沉淀硬化不銹鋼焊接接頭的力學性能較好。含磷高的沉

8、淀硬化不銹鋼的焊接性差。半奧氏體鋼，例如沉淀硬化不銹鋼的焊接性差。半奧氏體鋼，例如17-7PH（631）和）和PH14-8Mo，焊接性很好，焊縫為奧氏，焊接性很好，焊縫為奧氏體組織。降低半馬氏體鋼的碳含量可以降低馬氏體的體組織。降低半馬氏體鋼的碳含量可以降低馬氏體的硬度，改善其焊接性。硬度，改善其焊接性。電子束焊LEE MAN (SCETC) 二、非鐵金屬的電子束焊 （一）鋁及其合金的焊接純鋁及非熱處理強化鋁合金電子束焊接接頭的力學性能接近母材。電子束焊接接頭的力學性能接近母材。熱處理強化鋁合金電子束焊時，可能出現不同程度的裂紋、氣孔等缺電子束焊時，可能出現不同程度的裂紋、氣孔等缺陷，但只要工

9、藝參數選擇適當，可以減少缺陷并保陷，但只要工藝參數選擇適當，可以減少缺陷并保證接頭不會出現退火軟化區。對于含有較多強化元證接頭不會出現退火軟化區。對于含有較多強化元素鎂和鋅的鋁合金電子束焊時，焊接速度的選擇較素鎂和鋅的鋁合金電子束焊時，焊接速度的選擇較為重要，速度過慢會造成鎂和鋅的大量蒸發，若提為重要，速度過慢會造成鎂和鋅的大量蒸發，若提高焊接速度則焊縫成形惡化，并出現嚴重氣孔。無高焊接速度則焊縫成形惡化，并出現嚴重氣孔。無鋅的鋁合金宜用高壓、小束流的高速焊。鋅的鋁合金宜用高壓、小束流的高速焊。 鋁及其合金電子束焊前需要對接縫處進行除油和清除氧化膜處理，焊接過程中應控制焊接速度，以防止出現氣孔

10、并能改善焊縫成形。對厚度小于 40mm的鋁板，焊接速度應在 60120cmmin； 對40mm以上的厚鋁板，焊接速度應在60cmmin以下。電子束焊LEE MAN (SCETC) 鋁合金常用于制造汽車零件，非真空電子束焊接汽車用鋁合金可得到良好的接頭。早在20世紀60年代，美國就將非真空電子束焊引人了汽車零件的批 量生產中，既可降低成本，又可 提高效率，實現汽車生產線的連續焊接，同時可減輕結構質量，節省燃料及減少廢氣的排放。電子束焊LEE MAN (SCETC)（二）鈦及其合金的焊接 鈦是一種非常活潑的金屬，最常見的焊接缺陷是氫氣孔，應在高真空下（1.33 X 10-2Pa）進行焊接，而電子束

11、焊接是所有工業鈦及其合金最理想的焊接方法。采用電子束焊接能有效地避免有害氣體的污染，而且電子束的能量密度大，焊接速度高，焊縫中不會出現粗大的片狀相，因而焊接接頭的有效系數可達到100。焊接時為了防止晶粒長大，宜采用高電壓、小束流的工藝參數。 在飛機構件上電子束焊接鈦合金的例子最多。例如，F-14戰斗機鈦合金中央翼盒是典型的電子束焊接結構。該翼盒長7m，寬0.9m，整個結構由53個TC4鈦合金件組成，共70條焊縫，全部用電子束焊接而成，焊件厚度為1257.2mm，全部焊縫長55m，電子束焊使整個結構重量減輕了270kg。F-22是美國近年發展的戰斗機，其機身中經電子束焊焊接的鈦合金焊縫長度達87

12、.6m，厚度在6.425mm范圍。注：TC4+型鈦合金，（Ti-6Al-4V）電子束焊LEE MAN (SCETC) （三)銅及銅合金的焊接 電子束焊是純銅焊接最理想的方法之一。其工藝特點是：能量密度不宜選得太高在真空條件下純銅加熱時蒸發比較嚴重，所在真空條件下純銅加熱時蒸發比較嚴重，所以電子束流的能量密度不宜選得太高，以防以電子束流的能量密度不宜選得太高，以防止過量蒸發和飛濺，導致焊縫截面減弱。止過量蒸發和飛濺，導致焊縫截面減弱。電子束功率較高純銅導熱性好，焊接熱源的熱量易散失，焊接所需電子純銅導熱性好，焊接熱源的熱量易散失，焊接所需電子束功率要比焊接合金鋼大。束功率要比焊接合金鋼大。易產生

13、氣孔銅及其合金電子束焊時主要缺陷是氣孔，可采用增加裝配間銅及其合金電子束焊時主要缺陷是氣孔，可采用增加裝配間隙、焊前預熱和重復施焊等措施防止氣孔的產生。降低焊接隙、焊前預熱和重復施焊等措施防止氣孔的產生。降低焊接速度雖然也可以防止產生氣孔，但焊接速度過慢將使焊縫成速度雖然也可以防止產生氣孔，但焊接速度過慢將使焊縫成形變差，空洞增多。形變差，空洞增多。 對于40mm厚的銅板，采用電子束焊接所需要的熱輸入是埋弧焊所需熱輸入的l5l7。焊縫橫斷面積是埋弧焊時的l25l30。電子束焊LEE MAN (SCETC) （四）鎂及其合金的焊接 電子束焊接鎂及其合金的工藝與電弧焊類似。由于合金中鎂和鋅在真空條

14、件下蒸氣壓很高，易于產生氣孔，電子束焊接工藝參數應進行閉環控制，以防止焊縫底層過熱和產生氣孔 三、難熔金屬的電子束焊 電子束焊對于熔點在2000以上的鉬、鎢、妮、鉛等難熔金屬是較為理想的焊接方法，因為高功率密度可使用較小的熱輸人獲得性能良好的焊接接頭。電子束焊LEE MAN (SCETC)鉬和鎢的焊接兩種金屬的熔點高，常規熔焊時，熔化和再結晶會使它們的韌兩種金屬的熔點高，常規熔焊時，熔化和再結晶會使它們的韌性性-脆性轉變溫度提高到室溫以上，導致韌性降低，脆性增大。脆性轉變溫度提高到室溫以上，導致韌性降低，脆性增大。電子束焊能量密度高，母材易于熔化，且焊接速度快，高溫保電子束焊能量密度高，母材易

15、于熔化，且焊接速度快，高溫保留時間短，晶粒來不及長大，韌性留時間短，晶粒來不及長大，韌性-脆性轉變溫度的變化較小。脆性轉變溫度的變化較小。鉬的焊接鉬焊接時常見的缺陷是氣孔和裂紋。焊前仔細清理焊縫并進行預熱將有鉬焊接時常見的缺陷是氣孔和裂紋。焊前仔細清理焊縫并進行預熱將有利于消除氣孔。鉬合金中加入鋁、鈦、鋯、鉿、釷、碳、硼、釔或鑭，利于消除氣孔。鉬合金中加入鋁、鈦、鋯、鉿、釷、碳、硼、釔或鑭，能夠中和氧、氮及碳的有害作用，提高焊縫韌性。焊接速度為能夠中和氧、氮及碳的有害作用，提高焊縫韌性。焊接速度為5067cmmin時，每時，每1mm厚度的鉬約需要厚度的鉬約需要12kw電子束功率。電子束功率。鎢

16、合金的焊接焊接性較好。焊接時接頭準備和清理非常重要，清理后應進行除焊接性較好。焊接時接頭準備和清理非常重要，清理后應進行除氣處理，預熱防止出現冷裂紋。焊后退火可降低某些鎢合金焊接氣處理，預熱防止出現冷裂紋。焊后退火可降低某些鎢合金焊接接頭的脆性轉變溫度，但不能改善純鎢焊縫金屬的冷脆性。接頭的脆性轉變溫度，但不能改善純鎢焊縫金屬的冷脆性。鈮合金的焊接鈮合金焊縫中常見的缺陷是氣孔和裂紋。在鈮合金焊縫中常見的缺陷是氣孔和裂紋。在 1.33 X 10-2Pa的高真的高真空下進行，用散焦電子束對焊縫進行預熱，有清理和除氣作用，空下進行，用散焦電子束對焊縫進行預熱，有清理和除氣作用，有利于消除氣孔。有利于

17、消除氣孔。鋯的焊接鋯非常活潑，接頭準備和清理對焊接質量至關重要，焊接應在真空度鋯非常活潑，接頭準備和清理對焊接質量至關重要，焊接應在真空度達到達到1.33 X 10-2Pa以上的高真空中進行。焊后退火可提高接頭抗冷裂以上的高真空中進行。焊后退火可提高接頭抗冷裂和延遲破壞的能力。退火條件是在和延遲破壞的能力。退火條件是在10231128K的溫度下保溫的溫度下保溫1h，隨，隨爐冷卻。焊接鋯所用的熱輸入與同厚度的鋼相近。爐冷卻。焊接鋯所用的熱輸入與同厚度的鋼相近。電子束焊LEE MAN (SCETC) 四、異種金屬的電子束焊焊接性彼此能形成固溶體的異種金屬焊接性良好易生成金屬間化合物的異種金屬接頭韌

18、性差 電子束功率密度大，能有效地調節熱輸入和精確控制加熱范圍，從而可以避免金屬間化合物脆性差異導致的焊接困難，保證了接頭的致密和一定的力學性能。 隨著材料科學的進步，金屬間化合物越來越多地得到應用，如Ti3Al，Ni3Al等。對于不能互溶的兩種金屬電子束焊接，可以通過嵌放或預置與兩種金屬兼容的過渡金屬。焊接時，必須控制焊接熱輸入，采用較高的焊接速度，避免焊接裂紋和接頭脆性的產生。材料冶煉和鑄造過程中雜質控制的好壞，對焊接質量的影響很大，因此焊前應對材料成分及力學性能進行復驗。電子束焊LEE MAN (SCETC) 在電子和儀表工業中，有許多零件采用特殊材料制作，結構復雜且緊湊，有特殊的技術要求

19、，如需焊后形成真空腔，不能破壞溫敏元件等，或要求精密焊接制造，因此，真空電子束焊接就成為首選方法。例如，管式應變計傳感器要求管內裝有應變絲和MgO絕緣粉，焊縫半穿透，變形小，采用嚴格的電子束焊接工藝與合適的工裝配合，完全可以得到滿意的焊接質量，滿足產品的技術要求。電子束焊LEE MAN (SCETC)鈦合金電子束焊鋁合金電子束焊電子束焊LEE MAN (SCETC) 第五節 電子束焊的操作與防護 一、焊接操作一、焊接操作啟動 在真空室內的工件安裝就緒后，關閉真空室門，然后接通冷卻水，在真空室內的工件安裝就緒后，關閉真空室門，然后接通冷卻水，閉合總電源開關。按真空系統的操作順序啟動機械泵和擴散泵

20、，待閉合總電源開關。按真空系統的操作順序啟動機械泵和擴散泵，待真空室內的真空度達到預定值時，便可進入施焊階段。真空室內的真空度達到預定值時，便可進入施焊階段。焊接 將電子槍的供電電源接通，并逐漸升高加速電壓使之達到所需的數值。將電子槍的供電電源接通，并逐漸升高加速電壓使之達到所需的數值。然后相應地調節燈絲電流和轟擊電壓，使有適當小的電子束流射出，然后相應地調節燈絲電流和轟擊電壓，使有適當小的電子束流射出，在工件上能看出電子束焦點，再調節聚焦電流，使電子束的焦點達到在工件上能看出電子束焦點，再調節聚焦電流，使電子束的焦點達到最佳狀態。假如焦點偏離接縫，可調節偏轉線圈電流或電子槍作橫向最佳狀態。假

21、如焦點偏離接縫，可調節偏轉線圈電流或電子槍作橫向移動使其對中。此時調節轟擊電源使電子束電流達到預定數值。按下移動使其對中。此時調節轟擊電源使電子束電流達到預定數值。按下啟動按鈕，工件即按預定速度移動，進入正常焊接過程。啟動按鈕，工件即按預定速度移動，進入正常焊接過程。 停止 焊接結束時，必須先逐漸減小偏轉電壓使電子束焦點離開焊縫，然后焊接結束時，必須先逐漸減小偏轉電壓使電子束焦點離開焊縫，然后把加速電壓降低到零，并把燈絲電源及傳動裝置的電源降到零值，此把加速電壓降低到零，并把燈絲電源及傳動裝置的電源降到零值，此后切斷高壓電源、聚焦偏轉電源和傳動裝置電源，這樣就完成了一次后切斷高壓電源、聚焦偏轉

22、電源和傳動裝置電源，這樣就完成了一次焊接。待工件冷卻后，按真空操作程序從真空室中取出工件。焊接。待工件冷卻后，按真空操作程序從真空室中取出工件。電子束焊LEE MAN (SCETC)二、安全防護二、安全防護電子束焊的不安全因素：高壓電擊X射線可見光輻射煙氣高壓電子束焊機的加速電壓可達高壓電子束焊機的加速電壓可達150KV，觸電危險性很大，觸電危險性很大，必須采取盡可能完善的絕緣防護措施必須采取盡可能完善的絕緣防護措施 電子束焊接時，約有以下的射線能量轉變為射線輻射。我電子束焊接時，約有以下的射線能量轉變為射線輻射。我國規定，對無監護的工作人員允許的射線劑量不應大于國規定，對無監護的工作人員允許的射線劑量不應大于0.25mR/h。因此必須加強對射線的防護措施。因此必須加強對射線的防護措施 直接觀察熔化金屬發射的可見光對視力和皮膚有害，因此直接觀察熔化金屬發射的可見光對視力和皮膚有害，因此焊接過程中不允許用肉眼直接觀察熔池，必須配戴防護眼焊接過程中不允許用肉眼直接觀察熔池，必須配戴防護眼鏡。鏡。電子束焊接時會產生有害的金屬蒸氣、煙霧、臭氧及氧化氮等，電子束焊接時會產生有害的金屬蒸氣、煙霧、臭氧及氧化氮等，應采用