喬玉祥

（中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古包頭014035）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)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(chē)等制造產(chǎn)業(yè)中得以全面推廣，尤其在大型零件制造及復(fù)雜零件加工等方面都顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及機(jī)械、電子束焊接、真空和數(shù)控等多方面專(zhuān)業(yè)技術(shù)，本文就電子束槍和電子束焊接技術(shù)作一介紹。

1 電子束焊接技術(shù)

電子束焊接技術(shù)具有能量密度高、焊接速度快、焊接變形區(qū)小、參數(shù)易于控制、可焊接難熔及異種金屬等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。

1.1 電子束焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）能量密度高（1010～1013W/m2）。焊縫窄，熱影響區(qū)小且具有平行邊緣，焊接變形小；一般焊接無(wú)需填充金屬；對(duì)于高質(zhì)量的工業(yè)產(chǎn)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(shí)不開(kāi)坡口一次成形。

2）真空條件下焊接。避免在焊接過(guò)程中工件氧化，焊縫純凈度高。

3）可靠性及重復(fù)性好。焊接參數(shù)自動(dòng)控制，能夠保證焊縫質(zhì)量；焊接參數(shù)易于調(diào)節(jié)，工藝適應(yīng)性強(qiáng)。

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(qū)）要求焊前對(duì)工件進(jìn)行精細(xì)的準(zhǔn)備；焊接接頭邊緣需加工；焊接接頭要求沒(méi)有裝配間隙或非常小的間隙（通常無(wú)填充金屬）；真空下進(jìn)行焊接可能使被焊工件的尺寸受限制；大規(guī)格工件需定制特殊設(shè)備；特殊工件需采用局部真空電子束焊；對(duì)帶磁的部件敏感，即電子路徑受磁場(chǎng)的影響；從陰極至工件轟擊點(diǎn)的磁場(chǎng)；針對(duì)被焊金屬工件內(nèi)部磁場(chǎng)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(chǎn)生的電子在陰、陽(yáng)極間的高電場(chǎng)作用下被拉出，并加速到很高速度，經(jīng)過(guò)聚焦、掃描后，形成密集的高速電子流，當(dāng)其撞擊在工件接縫處，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料迅速熔化而達(dá)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(wú)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(jiàn)圖2。

電子束焊由于其自身的特殊性，對(duì)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(gòu)成及功能

電子束槍結(jié)構(gòu)單元由燈絲、陰極、柵極、陽(yáng)極、聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)/掃描線圈以及抽真空系統(tǒng)組成（圖3）。

圖3 電子束槍構(gòu)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(huì)聚器，對(duì)陰極背面的電子能量會(huì)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(fā)射溫度），燈絲相對(duì)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(fā)射的電子加速，轟擊陰極的背面，對(duì)陰極進(jìn)行加熱。

2.2 陰極

陰極是電子束槍的基本元素：它是一個(gè)高精度部件，置于真空下并被加熱到電子發(fā)射溫度。當(dāng)高密度的電場(chǎng)加在處于負(fù)電勢(shì)的陰極和接地的陽(yáng)極之間時(shí)，陰極發(fā)射的電子被加速并形成電子束。

圖4 燈絲

陰極由一塊發(fā)射材料制成，通常有一個(gè)凹型發(fā)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(fā)射面（柱）用于產(chǎn)生焊接電子束。陰極由易發(fā)射的材料（鎢、鉭或六硼化鑭）發(fā)射柱和陰極身部組成。

電子束槍有不同類(lèi)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(fā)出的次級(jí)電子束從陰極背面對(duì)陰極進(jìn)行加熱。目前大多數(shù)電子槍采用間熱式陰極，盡管需要附加一個(gè)電極加熱，但這一缺點(diǎn)被諸多優(yōu)點(diǎn)所補(bǔ)償。其優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)有磁場(chǎng)干擾；陰極質(zhì)量大，具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和更長(zhǎng)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(gè)電極。它處于陰極周?chē)⑴c陰極距離很近。它一方面通過(guò)調(diào)整等位面的形狀（電子垂直于等位面運(yùn)動(dòng)）控制電子束形狀；另一方面，作為控制極控制電子發(fā)射的數(shù)量。柵極對(duì)于電子起到控制閥的作用。

圖6 柵極

2.4 陽(yáng)極

陽(yáng)極與外殼連接并接地。加在陽(yáng)極和陰極之間的電壓產(chǎn)生電磁場(chǎng)，處于負(fù)電勢(shì)的陰極釋放的電子被電場(chǎng)加速，并被陽(yáng)極吸引，會(huì)聚并通過(guò)陽(yáng)極孔。然后，電子依靠慣性保持此速度運(yùn)動(dòng)（對(duì)于30 kV電壓，速度約105km/s）。陽(yáng)極和陰極是電子槍的兩個(gè)主要電極。

圖7 陽(yáng)極

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

Techmeta焊槍為組合陽(yáng)極。

圖8 聚焦線圈

2.5 聚焦線圈

電子束在陽(yáng)極出口處自然會(huì)聚到一點(diǎn)，稱為交叉點(diǎn)，然后發(fā)散。交叉點(diǎn)的位置主要取決于電極的幾何形狀且不可調(diào)整。而聚焦線圈的作用是使電子束在磁場(chǎng)的作用下重新會(huì)聚成焦點(diǎn)，并可以調(diào)整焦點(diǎn)距離。

聚焦電流為0 A時(shí)，自然電子束是發(fā)散的。通過(guò)聚焦線圈的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，使入射的電子束軌跡發(fā)生折射并會(huì)聚成一點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整聚焦電流的大小，來(lái)控制電子束聚焦點(diǎn)位置，聚焦電流越大，聚焦點(diǎn)越往工件上方移動(dòng)。工作原理見(jiàn)圖9。

圖9 電子束聚焦點(diǎn)調(diào)整示意圖

2.6 偏轉(zhuǎn)/掃描線圈

偏轉(zhuǎn)線圈使電子束在磁場(chǎng)的作用下，焦點(diǎn)位置發(fā)生偏移。

掃描線圈的作用是使電子束聚焦點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)定的波形快速、重復(fù)偏移。

圖10 偏轉(zhuǎn)/掃描線圈

根據(jù)每個(gè)線圈中電信號(hào)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(hào)的波形有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為幅度和頻率，它們分別影響掃描的寬度和對(duì)熔化金屬的攪拌。

圖11 電子束偏轉(zhuǎn)、掃描示意圖

掃描可以對(duì)焊縫帶來(lái)以下正面影響：使熔化區(qū)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(nèi)氣體的排除；對(duì)某些合金，減少熱裂紋；進(jìn)行小直徑圓焊縫的焊接，不需要移動(dòng)工件或電子槍。

聚焦線圈是和偏轉(zhuǎn)/掃描線圈配合在一起工作的，從而控制電子束形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.7 真空系統(tǒng)

真空裝置由一個(gè)或幾個(gè)密閉的室體組成，需要利用真空泵將室體內(nèi)的壓力抽到大氣壓以下。不同的真空泵用具有一定流導(dǎo)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(mén)依次啟動(dòng)，可獲得的所需的真空度。

對(duì)于電子槍內(nèi)的真空度：在10-4～10 Pa之間，只與初級(jí)真空和次級(jí)真空有關(guān)。為了獲得初級(jí)真空，大多用旋轉(zhuǎn)式泵（旋片泵）和羅茨泵。為了獲得次級(jí)真空，增加了蒸汽流泵（擴(kuò)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(gè)真空腔室，由電子發(fā)射區(qū)和電磁區(qū)組成。在電子發(fā)射區(qū)，電子被加速裝置加速；在電磁區(qū)，電子束在線圈的作用下聚焦和偏轉(zhuǎn)/掃描。

1）電子發(fā)射區(qū)。陰極被燈絲加熱，達(dá)到電子發(fā)射溫度時(shí)開(kāi)始發(fā)射電子，電子被陰極和陽(yáng)極之間的電壓加速。成群的電子形成電子束，穿過(guò)陽(yáng)極孔，以極高的動(dòng)能轟擊金屬工件使之熔化；在陰極和陽(yáng)極之間插入第三個(gè)電極，即柵極或溫納爾極，通過(guò)改變柵極和陰極之間的電壓對(duì)電子束進(jìn)行控制。

2）電磁區(qū)。電子束在陽(yáng)極出口處自然會(huì)聚到一點(diǎn)，稱為交叉點(diǎn)，然后發(fā)散；聚焦線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使電子束重新匯聚成焦點(diǎn)（通過(guò)改變磁場(chǎng)可以調(diào)整聚焦點(diǎn)的距離）；偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使電子束的焦點(diǎn)偏移，掃描線圈使電子束按照預(yù)定的波形掃描，實(shí)現(xiàn)預(yù)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(fā)射溫度），燈絲和陰極之間的電壓使燈絲發(fā)射的電子加速，轟擊陰極的背面，對(duì)陰極進(jìn)行加熱，陰極加熱到一定的溫度時(shí)逸出電子，電子在高壓（3～60 kV）磁場(chǎng)中被加速，通過(guò)聚焦后，形成能量密集度極高的電子束，當(dāng)電子束轟擊焊接表面時(shí)，電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使焊接件的結(jié)合處的金屬熔融，當(dāng)焊件移動(dòng)時(shí)，在焊件結(jié)合處形成一條連續(xù)的焊縫。Techmeta電子束槍在工作時(shí)是固定不動(dòng)的，工件按照設(shè)定程序進(jìn)行位移。為了使電子到達(dá)工件，必須使之處于真空室內(nèi)。因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)軌跡上的分子或粒子將阻礙電子的自由運(yùn)動(dòng)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(jiàn)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(shí)，可以進(jìn)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(shí)，可以進(jìn)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(yīng)用

電子束焊接適用的焊縫類(lèi)型眾多，可完成多種接縫類(lèi)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(lèi)型詳見(jiàn)圖14。

圖14 適用焊縫類(lèi)型

目前，在國(guó)內(nèi)核燃料元件領(lǐng)域，電子束焊接技術(shù)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(fā)展的關(guān)鍵、核心技術(shù)，對(duì)今后各類(lèi)型核燃料元件關(guān)鍵零部件制造起著舉足輕重的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電子束焊接技術(shù)的研究，了解其電子束槍的構(gòu)造及其工作原理，從而了解電子束焊接的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，使該項(xiàng)焊接技術(shù)在機(jī)械制造中逐步推廣應(yīng)用，并為大家了解和熟練運(yùn)用焊接技術(shù)提供參考。

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

［2］ 曾樂(lè).現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993.

［3］ 張秉剛.國(guó)內(nèi)外電子束焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.