摘要：电子束焊接(ElectronBeamWelding,EBW)是利用热发射或场发射阴极来产生电子，并在阴极和阳极间的高压(25~300kV)电场作用下加速到很高的速度(0.3c~0.7c)，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击工件表面时，高速运动的电子与工件内部原子或分子相互作用，在介质原子的电离与激发作用下，将电子的动能转化为试件的内能，使被轰击工件迅速升温、熔化并汽化，从而达到焊接的目的。真空电子束焊接借助于独特的传热机制以及纯净的焊接环境，使之与其他的熔化焊方法相比具有热输入量低、焊接变形小、能量密度大、穿透能力强、焊缝深宽比大、焊缝纯洁度高、工艺适应性强、重复性和再现性好等特点，在航空航天、微纳制造、生物医学等诸多工程领域有着广泛的应用。
关键词：真空电子束；焊接技术；应用
1铝合金电子束焊接
电子束焊接方法对铝合金的焊接具有独特的适应性，特别是中厚板铝合金的焊接，电子束焊接具有明显的优势。焊接方法自熔焊发展出了扫描焊、偏束焊以及多池焊等电子束焊接方法。厚板铝合金焊接存在困难，有学者研究了加速电压、工作距离和焊接速度对焊缝深宽比和金相组织的影响。采用加速电压为60kV，电子束流为120mA，焊接速度为800mm/min等工艺参数，对20mm厚7A52铝合金进行焊接，可得到良好的焊缝成形。铝/钢异种材料焊接性较差，添加Ag中间层可实现铝/钢的电子束焊接。接头中在银中间层和铝合金界面处会存在一个由Ag2Al和铝的共晶物组成的过渡层，过渡层的厚度随着偏向银的距离的增加而减小。当偏束距离较大时，接头中会存在两个分别由FeAl和FeAl3组成的金属间化合物层。接头最大抗拉强度为193MPa。铝合金焊接的主要缺陷为气孔和裂纹，铝合金焊接的气孔来源有主要有两个：一个是氢气孔，一个是Mg,Al2O3和MgO氧化膜的部分汽化形成的气孔，其中后者的影响较大。采用较大的电子束斑、较低的焊接速度和复杂的扫描波形可以消除接头的气孔缺陷。彻底清除氧化膜、实施焊后重熔均可有效减少焊缝气孔的产生，焊后重熔和增加搅拌同样对焊缝内的根部缩孔有一定的改善作用。对电子束扫描焊接参数（扫描图形、扫描频率、聚焦、焊接速度）对气孔率的影响进行研究，结果表明采用圆形扫描、高扫描频率、较小焊接速度等参数，可显著降低气孔率。铝合金电子束焊接头中的裂纹为结晶裂纹，增加电子束流搅拌以减少成分偏析，细化组织可减少裂纹的产生。哈尔滨工业大学对25mm厚2A12铝合金电子束对接焊进行研究，发现直接焊时焊缝中存在较多气孔，而采用扫描焊接等方式，可以显著降低焊缝中的气孔数量。利用数值模拟技术可以计算出铝合金电子束焊接过程中瞬态流场分布，进而可以从理论上解释匙孔的形成过程及气孔和钉尖缺陷的产生机理。在较大的束流下，熔池的不稳定性增加，匙孔底部会形成蒸汽空腔，冷却时液态金属来不及填充，最终形成钉尖缺陷。哈尔滨工业大学对电子束焊接时匙孔穿透过程进行了研究，计算结果表明，匙孔并非一下形成，而是存在一个热量积累过程。电子束焊接起始阶段大部分能量用以熔化金属，熔池表面在表面张力及Marangoni剪切力共同作用下微微凹陷。当熔池温度超过材料沸点2730K时，液态金属发生强烈蒸发，从而对熔池液态金属产生较大的金属蒸汽反作用力，伴随着金属汽化损失及金属蒸汽反作用力同时 作用，使匙孔不断深穿，最终形成穿透型匙孔。
2铜及铜合金电子束焊接
铜及铜合金同种材料电子束焊接在国内外的研究较少，而铜/钢及铜/钛的电子束焊接研究较多。铜和钢虽然不会产生金属间化合物，但其物化性能差异较大，焊接存在困难，特别是铜与奥氏体不锈钢焊接，接头中的渗透裂纹很难避免。铜和钛焊接时焊缝中会生成较多的金属间化合物，严重降低了接头的力学性能。采用偏束焊的方式可以有效减少焊缝中的缺陷，获得良好的焊接接头，接头的抗拉强度高达250MPa，接近铜母材的抗拉强度。采用扫描焊接的方法也可获得性能较好的铜/钢电子束焊接接头，并且电子束扫描焊接对接头冲击强度和伸长率的提高具有很大的帮助。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当扫描路径为圆形，扫描幅值为1mm时接头性能最佳，相比于直接焊接，室温力学性能相差不大，但是400℃时，伸长率提升100%，冲击强度提升67%。由于铜/钢电子束直接焊接存在元素烧损问题，表面下塌较为严重，采用电子束填丝焊接可以有效解决表面下塌缺陷，获得成形和性能均较好的铜/钢电子束焊接接头。利用大束流(395mA)、小电压(15kV)的方式可实现大厚度(25mm)铜/钢异种材料的电子束焊接，焊缝中无气孔和裂纹等缺陷，但焊缝内部组织很不均匀。铜/钛电子束焊接时，电子束斑点偏向铜侧可以提高接头的抗拉强度，此时焊缝包括熔合区及TC4侧反应层两部分。熔合区主要由铜基固溶体组成，硬度较TC4母材有所降低；反应层成分过渡较大，含有多种金属间化合物相。利用二次毗邻电子束焊接方法，也可实现铜/钛异种金属的有效连接，接头的最高抗拉强度高达Cu母材的89%。该方法的原理是第一次电子束偏置焊接形成熔钎焊接头，然后第二次在另一侧母材进行焊接，通过热传导的作用使第一次熔钎焊形成的IMCs层低熔点组分重熔，金属间化合物减少，从而提高接头的抗拉强度。
3难熔金属电子束焊接
3.1钨及钨合金
钨的熔点为3410℃，是熔点最高的难熔金属。由于钨的熔点较高，焊接时需要较高的热输入，焊缝氧化严重。对于钨/钨同种材料的焊接，钨母材被电子束熔化后，由于钨的导热性能较好，熔池在很短的时间内凝固，熔池存在时间很短，最终会导致焊缝的孔隙较高。钨焊接时需要进行焊前预热，焊后也需要消应力处理。采用扫描方式焊接，有助于细化晶粒，最终使焊缝性能提高。由于电子束的真空环境，所以利用电子束焊接钨时孔隙问题相比于其他焊接方式会稍有降低，但焊接接头依然存在脆性大、孔隙率高等问题。钨和其他材料焊接时由于材料热物理性能的差异，需采用偏束焊来实现有效的连接。钨/铜异种材料焊接时，电子束向钨侧偏移0.2mm，采用低速焊接，可以形成有效熔池。拉伸结果表明断裂发生与钨侧热影响区，表明Cu的加入会使焊缝的性能提高。钨/铜焊接时也可采用偏铜焊接，形成熔钎焊接头。
3.2钽及钽合金
钽具有较好的耐腐蚀性，较高的高温强度和特殊的介电性能等优异的性能，在热交换器、热偶套管、穿甲弹中起到关键作用。纯钽的焊接性好，但由于自然界中钽的含量较少，如果单独使用钽材料，会大大提高成本，目前解决办法是将钽和其他金属材料连接，在保证使用性能的条件下尽量减少钽的使用量。哈尔滨工业大学利用电子束焊接方法，采用锁底结构焊接0.5mm厚钽薄片和1mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢板，对中焊时接头成形一般，焊缝表面下凹；电子束偏向钽侧时，不锈钢几乎不熔化，无法形成有效的焊接接头；而当电子束偏向不锈钢一侧(0.2mm)时焊缝成形最好，形成类似于熔钎焊接头。利用电子束焊接方法对同等直径的纯钽棒和钢棒进行焊接，添铜作为中间层可以获得性能较好的焊接接头；而使用钼片作为中间层时，焊缝力学性能较差。哈尔滨工业大学对TC4和Ta-W异种金属电子束焊接进行了研究，采用偏向钽钨合金一侧进行对接焊，接头成形良好，在一定偏束量时焊缝中Ta和W元素含量较高，焊缝组织为以β钛为基的固溶体组织，无脆性化合物生成，存在富钽区和贫钽区，焊缝中元素分布不均匀，接头宏观形貌及横截面形貌见图8。在合适的偏束量(0.4mm)下，焊缝的抗拉强度高达714MPa，接近母材强度，断裂位置位于焊缝处。钽钨侧热影响区硬度较母材降低，钛侧熔合线处出现硬度最大值。
结论
鉴于新材料研究的不断突破，特别是航空航天用的高温结构材料和复合材料，目前国际上逐步将电子束焊接技术应用领域扩大。基于电子束焊接技术在新材料及异种材料连接方面的独特优势，针对目前国内外研究的不足，深入开展高温新型结构材料、异种材料、功能复合材料等电子束焊接的研究具有深远的意义和较优的应用前景。
参考文献：
[1]韦寿祺,刘胜,岳庆功.非真空电子束焊接关键技术[J].真空科学与技术学报,2017,37(09):933-938.
[2]罗怡,韩静韬,朱亮,张成洋.真空电子束焊接气孔缺陷诱发及平衡机制分析[J].焊接学报,2017,38(08):107-110+133-134.
论文作者:苑文广
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：电子束论文; 气孔论文; 熔池论文; 金属论文; 铝合金论文; 抗拉强度论文; 材料论文; 《电力设备》2018年第12期论文;