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摘要：20世纪70年代，伴随着电子束焊接技术的不断发展，电子束焊接装备的可靠性和作业的自动化水平不断提升，再加上对机器制造行业技术革新的迫切需求，电子束焊不但在高端行业站稳了脚跟，更因其精密的焊接特性，被广泛应用于普通机器制造行业。80年代后期，电子束焊接技术更是利用其高穿透性，将其应用于大厚度和重型构件的焊接。电子束焊接技术属于一种高科技产品，它的发展也受到了社会各界人士的广泛关注。在当前社会发展的背景下，人们对于高科技产品的要求越来越高。基于此，本文对电子束焊接技术进行了分析与研究。
关键词:电子束,焊接技术,技术应用
在国内航空工业中，电子束焊接技术的使用非常普遍，对其技术的要求也更加苛刻。目前，在国内，有三种焊接技术，第一种是电弧焊接技术，第二种是电阻焊接技术，第三种是电子束焊接技术。前两种常规的焊接工艺在对精度要求不高的加工工艺中得到了比较多的使用，但在受空间约束和对精度要求比较高的条件下就存在着很大的局限。因此，电子束焊接技术的问世，有效地弥补了国内在焊接工艺方面存在的缺陷和短板，使得国内的焊接技术在焊接质量和降低焊接成本方面都得到了很大程度的改善和提高，在国内的制造产业中具有十分广阔的应用前景。21世纪以来，电子束作为一种先进和成熟的焊接工艺，已在国内外众多的航空航天、核电、电力、机械和汽车等工业生产中占有举足轻重的地位。
1电子束焊接技术
1.1电子束的原理
电子束焊接是利用高速运动的电子流在工件上产生局部加热熔融的热源焊接技术，从而达到焊接的目的。在焊接过程中，电子束主要通过被焊材料表面反射，然后再被聚焦到被焊材料的表面上，电子束的能量和波长也有很大的关系。其原理分析如下：①电子源。电子束焊接采用的是电子加速器或电子枪进行电子束生成，这些电子源通常采用高频电子管或固态透明场发射器等，能够产生高速精密可控的电子束，并可以通过加速电压调节电子束的速度和能量。②热源。电子束在工件上瞬间受到阻力而被吸收，将能量传递给工件表面的材料，使其熔化并形成熔池，从而实现焊接。电子束所传递的能量密度非常高，可使熔池形成速度快、深度深、宽度窄、热影响区小。③加速器。通过电子束加速器的加速管，电子束可以达到高速度，并精密地射在焊接材料表面上。④比例控制。电子束焊接通过比例控制来控制电子束，使其能够对焊接工件表面进行精密掌控和定向。⑤收集器。电子束在焊接后会通过收集器收集，以便在下一次焊接时进行再利用。
整体而言，电子束焊接利用高速精密控制的电子束在焊接工件上产生局部高能量密度的热源，使工件焊接材料熔融，形成熔池并完成焊接的技术。其焊接速度快、深度深、热影响区小、焊缝质量高等特点，适用于复杂的焊接工艺和高强度、高密度的焊接结构。
1.2分类
电子束焊接技术在我国的应用已经有了近30年的历史，它是在传统的手工电弧焊、氧乙炔焊和氩弧焊的基础上发展起来的一种新型焊接技术。经过多年的发展，它已经形成了独立的学科——电子束焊接，在此基础上，电子束焊接技术又有了新的分类，主要有电子束流焊接、电子束与等离子体焊接等。虽然电子束焊接技术在发展过程中不断地进行着完善和改进，但是它一直被广泛地应用到工业生产中。1.3特点
（1）速度快，能量集中，在瞬间产生的热效应可以达到1000倍～10000倍。在进行焊接时，焊缝组织致密、均匀、无气孔。
（2）自动化程度高，能实现机械化和自动化焊接。由于电子束焊具有能量密度高、焊缝质量好、接头性能优良、易于实现计算机控制等特点，所以它的焊接效率较高，产品质量稳定，是一种理想的自动化焊接设备。
（3）焊后无须热处理和抛光，可进行再加工。电子束焊接工件的焊缝无须进行热处理和再加工，因此，可以大大减少在生产中产生的废品，节约原材料，降低成本。
（4）电子束焊也可用于异种材料的连接或各种异种材料的组合焊接，具有广阔的应用前景。
1.4发展状况
电子束焊接技术在我国的发展还比较晚，但是在应用的过程中，已经取得了很好的成绩。电子束焊接技术在我国已经得到了广泛的应用，目前，我国已经有很多企业都利用电子束焊接技术对各种金属进行焊接。随着科学技术的不断进步，电子束焊接技术的研究也取得了很大的进展。
电子束焊接技术是一种新型的焊接技术，主要有熔化焊、扩散焊、钎焊、熔钎焊和电子束熔敷五种形式，其中电子束焊接技术是应用最为广泛的一种。在电子束焊接过程中，电子束与工件表面相互作用，形成焊接熔池并蒸发，在形成焊缝的同时，电子束向工件表面施加的能量由熔池中蒸发的液态金属完成传递。熔池的形状变化及温度场分布对焊缝质量具有重要影响。随着电子束功率及速度的增加，焊缝宽度和深度呈指数关系增大。当电子束功率超过1kW时，熔池宽度和深度变化趋于线性，但当电子束功率超过5kW时，熔深急剧增大。这主要是因为当电子束功率超过一定值后，其作用于熔池的能量超出了熔池吸收的能量。
电子束焊接过程中，焊缝中不同区域温度不同。随着电子束功率及速度增加，熔池内温度分布更加均匀。焊缝中心区域温度最低，焊缝两侧区域温度较高；焊缝区上部温度最低而下部温度最高。
焊接过程中熔池流场是影响焊缝成形质量的主要因素之一。熔池内部存在不同深度和宽度的涡流区。在电子束焊过程中，焊接热源以极快的速度进入熔池中并将其加热到熔点以上。随着电子束流密度增加，熔池内涡流区长度变短而宽度增加；在高功率时，涡流区长度更短而宽度更宽。这是因为随着电子束流密度增加，其能量密度也增大；在相同功率下，涡流区长度越短、宽度越宽则形成焊缝的熔深越大。
焊接过程中缺陷的形成是多种因素共同作用的结果。在电子束焊接过程中，由于电弧电压过高、焊接速度过快等原因可能导致熔池中气泡逸出或脱弧形成气孔和裂纹等缺陷。焊缝中存在气孔、裂纹等缺陷是影响焊缝质量的重要因素。因此在实际焊接过程中必须控制焊接工艺参数及保证良好的冷却条件等才能减少或避免焊缝中的缺陷和降低焊接变形。
2电子束焊接技术的优缺点
2.1优点
（1）电子束焊接具有热输入小、焊缝组织致密、焊缝区无热影响区等优点。由于电子束焊接设备是利用加速阴极电子来形成一定能量的电子束，它能使焊缝金属获得高达数兆焦耳的能量，而且不产生任何合金元素的氧化，所以对焊件而言，是一种非常好的焊接方法。电子束焊接时，不存在熔池金属蒸发以及气孔等缺陷。而且，电子束焊接还可以避免在热输入较大时所产生的不稳定现象。
（2）电子束焊接技术主要适用于薄壁件的焊接。随着社会的发展和技术的进步，人们对产品质量要求越来越高，因此薄壁件焊接所能达到的精度也越来越高。而且，对于薄壁件而言，如果采用一般的电弧焊接或者熔化极气体保护焊接时很难获得优良的焊缝质量。但是对于薄壁零件而言，由于它对材料厚度比较敏感，而且焊接质量要求也很高。电子束焊接能根据不同材料对束流参数进行灵活地调节。
（3）电子束焊接技术可以进行多种复杂形状零件的焊接。由于电子束焊接过程中采用了电流密度非常大的加速阴极电子来形成高能量密度的束流，所以能使工件实现复杂形状零件之间的连接。如利用电子束进行各种异种金属之间的连接、异种金属和金属之间以及金属和非金属之间的连接等。
（4）电子束焊接技术对工件材料要求不高，主要适用于铝及其合金、钛及其合金以及镍基合金等难熔材料。另外，电子束焊接也适用于某些难焊金属材料的连接。
（5）电子束焊接技术具有工艺适应性强、易于实现自动化等优点。它可以实现对薄壁零件和异种材料零件之间的连接、各种薄壁零件之间以及各种异种金属和金属之间以及金属和非金属之间等复杂形状零件之间的连接以及异种合金和难焊金属材料之间的连接。
（6）电子束焊接技术还可以焊接陶瓷、塑料、橡胶等非金属材料。
2.2缺点
（1）电子束焊接技术的焊接速度较慢，所以如果需要用较高速度进行焊接时，就要增加相应的辅助设备，这样会增加一定的制造成本。
（2）电子束焊接技术的光束质量不是很好，所以在进行电子束焊接时，需要对工件进行适当地保护。
（3）电子束焊接技术的焊接质量受到工件表面状况和环境等因素影响较大。当工件表面有油污、水分或者其他杂质时，就会使电子束焊接设备不能正常工作。
（4）电子束焊接技术只能用于单件或者小批量生产的场合，所以在生产规模较大或产品要求精度高的场合时，采用电子束焊接技术就显得非常困难了。
3电子束焊接技术在航空航天、机械制造等领域的应用
3.1电子束对航空航天合金材料中的应用
在航空航天领域，焊接技术起着至关重要的作用。航空航天领域的材料都是合金材料，但是其结构件很大，因此在焊接过程中需要特殊的焊接设备，不仅要具有高的焊接效率，还要求焊缝质量好。其中，TC4铝合金是一类具有低密度、高强度、高刚度、高耐热、耐腐蚀等优良特性的新型钛基材料，在航空航天、汽车、船舶、生物医学等众多行业具有重要的应用价值。TC4是航天领域常用的一种新型材料，广泛应用于发动机风扇、压气机圆盘、叶片和飞机机架的承载部件。电子束焊接可焊合金含量较高的金属材料，并可焊接有色金属；焊缝质量高，有很好的气密性，可焊性良好；焊接速度快，可达10m/min以上；能焊接各种特殊材料，如高温合金、钛及钛合金、碳化物不定形耐火材料等；有较好的焊接工艺性，在焊接过程中不需要对工件进行加热或冷却。已成为一种重要的先进焊接技术之一。
3.2电子束焊接技术在汽车对接焊缝中的应用
汽车制造对焊接要求非常严格，例如，车身结构的对接焊缝和车门与车顶之间的连接焊缝等。电子束焊接技术应用于汽车制造领域，能够有效地解决上述问题。电子束焊接技术是基于电子束的一种新型焊接方法，它能够在较低温度下实现金属材料之间的连接。并且它还具有较高的能量密度和能量转化率。其最大的优点就是可以在极低温度下进行焊接。这就使得在焊接过程中，不需要对工件进行加热或冷却，从而可以有效地降低焊接变形，提高焊接质量。
3.3电子束焊接技术在兵器制造领域的应用
我国兵器制造领域应用最广泛的先进焊接技术。电子束焊接技术是利用电子束在极低温度下将金属熔化的特点进行连接的。我国兵器制造领域对电子束焊接技术的需求非常高，这就使得电子束焊接技术在我国兵器制造领域得到了广泛应用。目前，我国在电子束焊接技术上所取得的成就非常显著。例如，我国自主研发出的新型高功率电子束焊接设备以及电子束焊接机器人等设备都已经投入使用。
4电子束焊接设备
电子束焊接设备主要包括聚焦系统、辅助系统和控制系统三大部分。其工作原理如下。
（1）聚焦系统。在电子束焊接设备中，电子束焊接需要聚焦装置，它将能量通过一系列的装置进行集中，然后通过电极向工件传递。
（2）辅助系统是指在电子束焊接过程中起到冷却作用的装置，包括真空冷却系统、冷却空气通道和保护气体管道等。其作用是在电子束焊接过程中，将能量逐渐转移到工件上，同时保证工件的温度不超过熔点。
（3）控制系统是指利用计算机来实现电子束焊接过程的控制和管理的设备。它的作用是实时跟踪电子束的动态变化情况，并根据其变化情况来调整焊接参数，保证焊接质量。
首先，我国在电子束焊接技术中的关键技术，比如，电子束功率、电子束的聚焦特性、电子束的均匀性等都取得了很大的进展；其次，电子束焊接技术的设备也得到了很大的改进，比如现阶段研制出的一种新型的焊接设备，这种设备在一定程度上减少了焊接所用时间，同时也提高了焊接的质量；再次，我国在电子束焊接技术中还使用了新型的材料；最后，随着电子束焊接技术应用范围和深度的不断扩大，电子束焊接技术也得到了很大的发展。
5电子束焊接技术运用的趋势
（1）电子束焊接应用。将电子束焊技术应用于航空航天、兵器、船舶等领域，如,采用电子束焊技术制造大型铸件和承力构件等；将电子束焊接技术应用于汽车领域，如,采用电子束焊技术制造发动机曲轴。
（2）电子束焊接设备的发展。在提高焊缝成形质量的前提下，开发更小能量密度、更高能量密度的电子束焊接设备，实现小能量密度的电子束焊接；开发电子束焊接设备，如真空电子束焊接、真空电子束焊接等设备。
（3）电子束焊接工艺的研究。电子束焊接技术作为一种新工艺，其应用也有待于进一步的研究，如：对不同材质、不同结构、不同工艺参数等条件下，对焊缝质量及焊缝形成进行系统研究；电子束焊接前准备和工艺优化等。
（4）电子束焊接质量控制。针对电子束焊接过程中的质量问题，如：电子束焊接缺陷、热影响区大小等进行系统研究；针对电子束焊接过程中的工艺参数进行优化。
（5）电子束与其他先进技术结合。将电子束与激光、等离子弧等先进的加工技术结合，实现高效、高精度加工。
电子束焊接技术作为一种新型的焊接技术，它与其他的焊接技术相比，具有很大的优势，同时也具有很大的发展空间。在未来的发展中，电子束焊接技术将会朝着智能化、自动化、节能化的方向发展，使其能够适应不同材料和工件的需求。同时随着社会经济以及科学技术的不断发展，电子束焊接技术也将会朝着更高质量、更高效率和更低成本方向发展，为电子束焊接技术带来新的活力和生机，促进其更加广泛地应用于工业生产中。电子束焊接技术的应用范围比较广泛，它可以用来焊接不锈钢、铝合金、铜及其合金等金属材料，同时还可以用于焊接异种材料，例如钛及其合金、镁及其合金等；还可以用于焊接塑料、陶瓷以及复合材料等。在现代工业生产中，电子束焊接技术已经成为一项不可替代的技术，它的应用范围和应用价值已经越来越广泛和深入。
6结语
综上所述，随着电子束焊接技术的发展，电子束焊接设备也得到了不断地改进，使得其在焊接领域发挥着越来越重要的作用。电子束焊接技术作为工业制造领域中主要的焊接技术之一，对电子束焊接技术进行系统深入的研究具有十分重要的意义。现阶段，提高电子束焊接技术的质量和性能首先要提高科研人员对电子束焊接设备的认识程度和重视程度；其次要加强该设备的创新力度。才能够使其在工业制造领域中得到更好地应用和发展，从而使其能够更好地适应我国经济建设的发展需要。
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