摘要：电子束焊接具有它独特的优点，应用广泛。为了得到高质量的焊缝，需要注意诸多问题。本文通过对实际例子的论述和分析，讨论了影响电子束焊接质量的一些工艺因素，如焊缝结构设计、工装模具、焊接参数、电子束斑点位置、预热和退火、填充材料以及电子束跟踪焊接等。
关键词：电子束焊接 质量 工艺因素

1.引言

电子束焊接（Electron Beam Welding—EBW）技术是高能束（High Energy Density Beam—HEDB）加工技术的一个重要组成部分，与激光焊接相比各有优点[1]。电子束焊接除了具有输入能量密度高、加热面积小、焊接速度快、焊缝热影响区窄、工件变形小等特点之外，还具有电子束穿透深、焊缝深宽比大、电子束控制方便以及真空环境中的焊缝不受污染等特点[2]。电子束焊接适于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。作为热加工手段之一，电子束焊接技术已经比较成熟，但又有良好的发展势头，有关机理、自动化程度、质量监控、应用领域等研究内容尚在不断进步。

我们从二十世纪六十年代开始进行电子束焊接工艺及应用研究，涉及的材料有高熔点金属、高弹性合金、可伐合金、不锈钢、高强钢、有色金属及其合金和陶瓷等非金属材料；涉及的工件结构多种多样，以中小型精密零件为主。三十多年来已取得多项科技成果。本文试图从一些具体工件的焊接实例入手（以本单位的应用范例为主）讨论影响电子束焊接质量的几个工艺因素。

2.焊缝结构及配合间隙

在焊接实践中，会碰到形形色色的工件，焊缝结构也各不相同，但总体上可分为：对焊缝、端焊缝、角焊缝（包括穿透焊缝），或区分为直线焊缝、环线焊缝、曲线焊缝、点焊缝，还有等截面焊缝和变截面焊缝等。为了达到最佳焊接效果，焊缝结构和配合间隙的设计至关重要，既要考虑工件（部件）在整机中的作用，又必须满足被焊材料可焊性和具体焊接工艺的要求。所以在实施焊接之前，应该与工程设计人员共同讨论焊接件的焊缝结构，或通过工艺试验确定合理的结构与间隙尺寸。

3.工装模具

为了将被焊接的工件置于焊机之中，工装模具（夹具）直接影响焊接的实施效果，从一定意义上讲，模具的正确设计是焊接工作成功的一半。

（1）夹持作用。夹具的正确运用关系到焊接的精度，一个合理的夹具既要保证工件的正确装配，又要考虑到电子束的可达性。对于易变形的工件，在夹持（或顶紧）时，压力要适中，可以用合适的弹簧起缓冲作用。

（2）散热作用。对于易破碎或热敏的工件，夹具的散热作用不可忽视，如图1是一种光电器件，其中玻璃管壳与金属管壳、纤维屏玻璃与窗架盘均已经完成封接或粘接，最后一道封口用电子束焊接。前二道焊缝均受不得热冲击，所以在电子束焊接时要有一个合适的夹具，以帮助散热。在设计和选材时要注意：夹具与工件的配合要好，接触面要大；材料用热传导较好的材料，如纯铜。

（3）合拢作用。有的工件属于空腔型，如空心球体，只有通过焊接手段才能够制成。电子束的焊接精度高，配以适当的合拢模具，将两个半球在焊接室内合扰后施焊，可以获得满意的结果，如用图2所示的专用模具即可。这种焊接过程，既能够获得内腔呈真空状态的目的；而且又可以保证焊接时不会发生焊缝溅射问题（如果事先在焊接室外合扰，内腔空气不易抽出，焊接时熔池会发生溅射现象）。

4.焊接参数

根据被焊工件的材料、尺寸及结构选取相应的工艺参数是焊接工作的主要内容。

（1）焊接功率的影响。电子束的焊接功率指：

P=U·I

式中P—功率（w），U—电压（kV），I—束流（mA）它直接影响焊接的熔深，随着焊接功率的增大，焊接熔深呈线性增大，如图3所示。

从加速电压的高低区分，高压焊机（如150kV）的电子束穿透能力更强，与低中压焊机相比，同等功率时焊接熔深会大一些；但亦有一种观点认为焊接熔深取决于电子枪的性能。

（2）焊接线能量的影响。焊接线能量指：

E=P/S

式中E—线能量（J/mm），P—功率（w），S—焊速（mm/s）

焊接线能量的输入大小对焊缝的成型起很大作用，如可以获得焊缝的最佳深宽比。另外，快速焊接时工件变形较小；慢速焊接可防止高强钢等工件产生裂纹。

高碳钢焊接之后会产生裂纹，这是由于它的组织结构变化所致（如形成马氏体的时间长，它的膨胀力与冷却收缩不平衡）。据报导[3]，钢的含碳量（C）小于0.35%是安全的，焊接时不会产生裂纹；当C量增加，为了避免出现裂纹，需要采取相应的措施，其中之一可以将焊接速度降低，以减慢冷却速率，此时容易获得良好焊缝。C量高甚者则需要预热、退火或填丝焊等其它办法。

（3）临界焊接参数的作用。我们在进行薄件和高精度工件的焊接工艺试验时，发现它的焊接参数非常严格，偏大或偏小均会导致失败，将此参数称之谓临界焊接参数。如图4所示应变传感器焊接[4]，需要将基片（厚0.15mm）与细管（φ1mm，厚0.1—0.15mm）在外侧相焊。这是一个难度较大的工艺问题，我们采用半穿透焊接，可以减小基片的变形。此时的焊接参数不能过大，不然全穿透焊接除了变形增大，还会造成细管内部MgO粉的溅射；参数过小时焊接强度太低或焊接不成。这种焊接情况，工艺参数非常临界。

5.电子束焦斑及轰击部位

电子束焊接的一大特点是焊缝窄、熔深大，这是由于电子焦斑可聚焦得很细，一般焦点直径在0.5—1mm左右（取决于电子束功率大小）。

（1）常规焊接。电子束焊接工件时，一般情况下将电子束焦斑调到最佳状态，即束斑聚焦在工件表面（对于厚度较大的工件，焦点位置控制到工件内部）。电子束轰击的部位则是在工件的接触缝（焊缝）上。

（2）束斑略偏于焊缝一侧的焊接。对于某些情况或工件，能否取得焊接的成功，电子束的轰击部位起着关键作用。如厚薄不均的工件，电子束轰击应偏于厚工件一侧；熔点各异的工件，电子束轰击则应偏于熔点较高的工件一侧。有些特殊的工件，更要视具体情况而定，例如多孔钨与钼的焊接，虽然钨的熔点较高，但为了能够获得光滑的焊缝，电子束轰击偏于钼材，使钼件局部熔融后流附到多孔钨表面和内部（表层）[5]。

又如铌与钼焊接，电子束轰击部位与焊缝的强度密切相关，如果轰击于焊缝正中，则它的强度为66.6N/mm2，属于沿晶断裂（图5（a））；如果电子束轰击偏于Nb侧约0.2mm，则焊接强度大于279.5N/mm2，呈穿晶断裂（图5（b））。
这是由于Nb具有良好塑性和一定吸气能力，会使晶界上气体成分减少，焊缝质量较高；而钼的晶格再结晶后晶粒粗大，加之晶界杂质影响，钼熔焊后呈脆性[5]。

（3）电子束散焦焊接。对于某些工件的焊接，电子束略为散焦效果更佳，如网状工件的焊接，如果电子束聚焦得过细，焊接时工件易被切断。

6.预热和退火

对于某些材料或结构件的焊接，为了防止裂纹的产生，对被焊接的工件需要进行预热或焊后退火处理。

（1）电子束预热和退火。利用较小功率并且散焦的电子束轰击工件，使工件具有一定的温度，以达到预热或退火的目的。具体工艺（温差）视不同的材料和工件结构而定，因为它亦涉及到材料组织的相变问题。

（2）辅助预热和退火。利用电阻炉或石墨炉来对工件进行预热和退火。我们在进行陶瓷与金属的焊接工艺试验时，化了比较大的精力于电阻炉的试制（图6）及预热退火工艺的操作（图7）。最终达到了良好效果，取得了陶瓷与金属焊接的成功[6]。

7.添加材料（填丝）

通常电子束焊接不用任何焊料，但是对于某些特殊结构的工件和某些异种材料，为了取得焊接的成功，除了采用电子束轰击偏于焊缝一侧等方法之外，还可以添加第三种材料，即用填丝的方法。

（1）钎焊。这里用的第三种材料起到钎料的作用，即此材料熔化后将两个零件粘接在一起，或使焊缝两侧表层有一些扩散作用，此时工件基材尚未熔化。如图8所示的小齿轮焊接，为了防止齿与轴的变形过大，电子束轰击仅使钎料（银铜钎料）熔化，将小齿轮与轴粘接起来，联接强度达到设计要求（扭矩强度大于118N.cm），同时变形量很小（轴的跳动量小于0.05mm）。

（2）填丝焊接。对于可焊性较差的异种材料，为了不致出现裂纹，能够得到良好的金相组织，可以在焊缝中添加一种填充材料，以起到过渡作用，焊接时此材料与局部基材均同时熔化。焊缝的硬度、合金元素的组成和微观结构，取决于焊接参数和所用的填充材料。这种填充材料形状呈丝状或片状；自动填丝焊机则利用送丝机构进行填丝熔融焊接。填充材料的成份视被焊工件的材料而定，必须考虑到能与基材形成合适的组成（如固溶体等），例如镍基材料、银基材料、硅铝材料等。

8.其它因素

在实际焊接过程中，为了解决碰到的难道并获得良好的焊接性能，还有许多因素需要注意，虽然对于每一个工件而言，不一定必须面面俱到，但对于某些情况还是有作用的。

8.1真空度的影响

按工件所在焊接室的真空度的不同，可分为高真空、低真空（包括局部低真空）、非真空（局部保护气氛）焊接。工件的焊缝深度以及焊缝质量是有很大区别的。选用何种状态焊接，视被焊工件的材料和结构等而定。

8.2电子束跟踪焊接

对于曲线焊缝或偏斜焊缝，用电子束自动跟踪焊缝的焊接方法是比较合适的。它是利用电子束在焊缝的前方以极快的速度进行探测扫描，收取焊缝两侧的二次电子作为信号，来控制跟踪焊缝（电子束偏移或工作台移动）。我们在试验时，利用记忆示波器拍摄到了正常运行时的二次电子信号电压波形照片，同时获得了焊接曲线焊缝的成功（图9）。

8.3电子束偏摆焊接

有时可将被焊工件固定在工作台上，利用程控的偏摆电子束环绕被焊件的焊缝进行焊接，它适用于尺寸较小、厚度较薄工件的对称焊缝，如图10所示的方波导与法兰的焊接。此工作过程比较简单，适用于多工位装置的多工件焊接，对提高生产效率有一定帮助。

8.4电子束扫描焊接

对于厚度较大的工件，为了使焊缝熔池内的气体能够充分排出，以减少焊缝中的气孔或裂纹，利用扫描电子束是很有意义的。它实质上是一种电子束搅动焊缝熔池的作用，从而使气体排出。有时为了取得异种材料焊接成功，亦可以进行扫描焊接。电子束扫描的波形、频率和幅度等因素视具体情况而定。

8.5脉冲焊接

为了防止被焊工件过热和达到其它特殊目的（如提高薄件焊缝的深宽比），利用脉冲电子束焊接是很合适的。通过试验来确定束流峰值、脉冲宽度、重复频率、平均输入功率及焊接速度等参数。

8.6修饰焊接

有些工件的焊缝需要有较高的光洁度或有其它原因，可以采用修饰焊接的工艺过程。一般讲，修饰焊的电子束功率密度低于实际焊接的功率密率。

9.结束语

电子束焊接是一种高技术加工手段，属于先进制造技术，焊接设备（焊机）越来越先进；但作为一项工艺技术，影响焊接质量的因素则需要在实践中探索并给予综合分析。

我们通过长期的试验和应用研究，找到了一些通用规律和特殊的经验，虽然不可能包罗全部，但对于从事电子束焊接工作者，可能会有一些帮助。