1.引言 
電子束焊接技術是高能束加工技術的一個重要組成部分，與激光焊接相比各有優點。電子束焊接除了具有輸入能量密度高、加熱面積小、焊接速度快、焊縫熱影響區窄、工件變形小等特點之外，還具有電子束穿透深、焊縫深寬比大、電子束控制方便以及真空環境中的焊縫不受污染等特點[2]。電子束焊接適于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、率焊接和特殊焊接等。作為熱加工手段之一，電子束焊接技術已經比較成熟，但又有良好的發展勢頭，有關機理、自動化程度、質量監控、應用領域等研究內容尚在不斷進步。 

我們從二十世紀六十年代開始進行電子束焊接工藝及應用研究，涉及的材料有高熔點金屬、高彈性合金、可伐合金、不銹鋼、高強鋼、有色金屬及其合金和陶瓷等非金屬材料；涉及的工件結構多種多樣，以中小型精密零件為主。三十多年來已取得多項科技成果。本文試圖從一些具體工件的焊接實例入手（以本單位的應用范例為主）討論影響電子束焊接質量的幾個工藝因素。 

2.焊縫結構及配合間隙 
在焊接實踐中，會碰到形形色色的工件，焊縫結構也各不相同，但總體上可分為：對焊縫、端焊縫、角焊縫（包括穿透焊縫），或區分為直線焊縫、環線焊縫、曲線焊縫、點焊縫，還有等截面焊縫和變截面焊縫等。為了達到*焊接效果，焊縫結構和配合間隙的設計至關重要，既要考慮工件（部件）在整機中的作用，又必須滿足被焊材料可焊性和具體焊接工藝的要求。所以在實施焊接之前，應該與工程設計人員共同討論焊接件的焊縫結構，或通過工藝試驗確定合理的結構與間隙尺寸。 

3.工裝模具 
為了將被焊接的工件置于焊機之中，工裝模具（夾具）直接影響焊接的實施效果，從一定意義上講，模具的正確設計是焊接工作成功的一半。 
（1）夾持作用。夾具的正確運用關系到焊接的精度，一個合理的夾具既要保證工件的正確裝配，又要考慮到電子束的可達性。對于易變形的工件，在夾持（或頂緊）時，壓力要適中，可以用合適的彈簧起緩沖作用。 
（2）散熱作用。對于易破碎或熱敏的工件，夾具的散熱作用不可忽視，如圖1是一種光電器件，其中玻璃管殼與金屬管殼、纖維屏玻璃與窗架盤均已經完成封接或粘接，zui后一道封口用電子束焊接。前二道焊縫均受不得熱沖擊，所以在電子束焊接時要有一個合適的夾具，以幫助散熱。在設計和選材時要注意：夾具與工件的配合要好，接觸面要大；材料用熱傳導較好的材料，如純銅。 
（3）合攏作用。有的工件屬于空腔型，如空心球體，只有通過焊接手段才能夠制成。電子束的焊接精度高，配以適當的合攏模具，將兩個半球在焊接室內合擾后施焊，可以獲得滿意的結果，如用圖2所示的模具即可。這種焊接過程，既能夠獲得內腔呈真空狀態的目的；而且又可以保證焊接時不會發生焊縫濺射問題（如果事先在焊接室外合擾，內腔空氣不易抽出，焊接時熔池會發生濺射現象）。 

4.焊接參數 
根據被焊工件的材料、尺寸及結構選取相應的工藝參數是焊接工作的主要內容。 
（1）焊接功率的影響。電子束的焊接功率指： 

P=U·I 
式中P—功率（w），U—電壓（kV），I—束流（mA）它直接影響焊接的熔深，隨著焊接功率的增大，焊接熔深呈線性增大，如圖3所示。 
從加速電壓的高低區分，高壓焊機（如150kV）的電子束穿透能力更強，與低中壓焊機相比，同等功率時焊接熔深會大一些；但亦有一種觀點認為焊接熔深取決于電子槍的性能。 
（2）焊接線能量的影響。焊接線能量指： 
E=P/S 
式中E—線能量（J/mm），P—功率（w），S—焊速（mm/s） 
焊接線能量的輸入大小對焊縫的成型起很大作用，如可以獲得焊縫的*深寬比。另外，快速焊接時工件變形較小；慢速焊接可防止高強鋼等工件產生裂紋。 
高碳鋼焊接之后會產生裂紋，這是由于它的組織結構變化所致（如形成馬氏體的時間長，它的膨脹力與冷卻收縮不平衡）。據報導[3]，鋼的含碳量（C）小于0.35%是安全的，焊接時不會產生裂紋；當C量增加，為了避免出現裂紋，需要采取相應的措施，其中之一可以將焊接速度降低，以減慢冷卻速率，此時容易獲得良好焊縫。C量高甚者則需要預熱、退火或填絲焊等其它辦法。 
（3）臨界焊接參數的作用。我們在進行薄件和高精度工件的焊接工藝試驗時，發現它的焊接參數非常嚴格，偏大或偏小均會導致失敗，將此參數稱之謂臨界焊接參數。如圖4所示應變傳感器焊接[4]，需要將基片（厚0.15mm）與細管（φ1mm，厚0.1—0.15mm）在外側相焊。這是一個難度較大的工藝問題，我們采用半穿透焊接，可以減小基片的變形。此時的焊接參數不能過大，不然全穿透焊接除了變形增大，還會造成細管內部MgO粉的濺射；參數過小時焊接強度太低或焊接不成。這種焊接情況，工藝參數非常臨界。 

5.電子束焦斑及轟擊部位 
電子束焊接的一大特點是焊縫窄、熔深大，這是由于電子焦斑可聚焦得很細，一般焦點直徑在0.5—1mm左右（取決于電子束功率大小）。 
（1）常規焊接。電子束焊接工件時，一般情況下將電子束焦斑調到*狀態，即束斑聚焦在工件表面（對于厚度較大的工件，焦點位置控制到工件內部）。電子束轟擊的部位則是在工件的接觸縫（焊縫）上。 
（2）束斑略偏于焊縫一側的焊接。對于某些情況或工件，能否取得焊接的成功，電子束的轟擊部位起著關鍵作用。如厚薄不均的工件，電子束轟擊應偏于厚工件一側；熔點各異的工件，電子束轟擊則應偏于熔點較高的工件一側。有些特殊的工件，更要視具體情況而定，例如多孔鎢與鉬的焊接，雖然鎢的熔點較高，但為了能夠獲得光滑的焊縫，電子束轟擊偏于鉬材，使鉬件局部熔融后流附到多孔鎢表面和內部（表層）[5]。 
又如鈮與鉬焊接，電子束轟擊部位與焊縫的強度密切相關，如果轟擊于焊縫正中，則它的強度為66.6N/mm2，屬于沿晶斷裂（圖5（a））；如果電子束轟擊偏于Nb側約0.2mm，則焊接強度大于279.5N/mm2，呈穿晶斷裂（圖5（b））。 
這是由于Nb具有良好塑性和一定吸氣能力，會使晶界上氣體成分減少，焊縫質量較高；而鉬的晶格再結晶后晶粒粗大，加之晶界雜質影響，鉬熔焊后呈脆性[。
（3）電子束散焦焊接。對于某些工件的焊接，電子束略為散焦效果更佳，如網狀工件的焊接，如果電子束聚焦得過細，焊接時工件易被切斷。 
6.預熱和退火 
對于某些材料或結構件的焊接，為了防止裂紋的產生，對被焊接的工件需要進行預熱或焊后退火處理。 
（1）電子束預熱和退火。利用較小功率并且散焦的電子束轟擊工件，使工件具有一定的溫度，以達到預熱或退火的目的。具體工藝（溫差）視不同的材料和工件結構而定，因為它亦涉及到材料組織的相變問題。 
（2）輔助預熱和退火。利用電阻爐或石墨爐來對工件進行預熱和退火。我們在進行陶瓷與金屬的焊接工藝試驗時，化了比較大的精力于電阻爐的試制（圖6）及預熱退火工藝的操作（圖7）。zui終達到了良好效果，取得了陶瓷與金屬焊接的成功[6]。 

7.添加材料（填絲） 
通常電子束焊接不用任何焊料，但是對于某些特殊結構的工件和某些異種材料，為了取得焊接的成功，除了采用電子束轟擊偏于焊縫一側等方法之外，還可以添加第三種材料，即用填絲的方法。 

（1）釬焊。這里用的第三種材料起到釬料的作用，即此材料熔化后將兩個零件粘接在一起，或使焊縫兩側表層有一些擴散作用，此時工件基材尚未熔化。如圖8所示的小齒輪焊接，為了防止齒與軸的變形過大，電子束轟擊僅使釬料（銀銅釬料）熔化，將小齒輪與軸粘接起來，聯接強度達到設計要求（扭矩強度大于118N.cm），同時變形量很小（軸的跳動量小于0.05mm）。 

（2）填絲焊接。對于可焊性較差的異種材料，為了不致出現裂紋，能夠得到良好的金相組織，可以在焊縫中添加一種填充材料，以起到過渡作用，焊接時此材料與局部基材均同時熔化。焊縫的硬度、合金元素的組成和微觀結構，取決于焊接參數和所用的填充材料。這種填充材料形狀呈絲狀或片狀；自動填絲焊機則利用送絲機構進行填絲熔融焊接。填充材料的成份視被焊工件的材料而定，必須考慮到能與基材形成合適的組成（如固溶體等），例如鎳基材料、銀基材料、硅鋁材料等。 

8.其它因素 
在實際焊接過程中，為了解決碰到的難道并獲得良好的焊接性能，還有許多因素需要注意，雖然對于每一個工件而言，不一定必須面面俱到，但對于某些情況還是有作用的。 

8.1真空度的影響 
按工件所在焊接室的真空度的不同，可分為高真空、低真空（包括局部低真空）、非真空（局部保護氣氛）焊接。工件的焊縫深度以及焊縫質量是有很大區別的。選用何種狀態焊接，視被焊工件的材料和結構等而定。 

8.2電子束跟蹤焊接 
對于曲線焊縫或偏斜焊縫，用電子束自動跟蹤焊縫的焊接方法是比較合適的。它是利用電子束在焊縫的前方以極快的速度進行探測掃描，收取焊縫兩側的二次電子作為信號，來控制跟蹤焊縫（電子束偏移或工作臺移動）。我們在試驗時，利用記憶示波器拍攝到了正常運行時的二次電子信號電壓波形照片，同時獲得了焊接曲線焊縫的成功（圖9）。 

8.3電子束偏擺焊接 
有時可將被焊工件固定在工作臺上，利用程控的偏擺電子束環繞被焊件的焊縫進行焊接，它適用于尺寸較小、厚度較薄工件的對稱焊縫，如圖10所示的方波導與法蘭的焊接。此工作過程比較簡單，適用于多工位裝置的多工件焊接，對提高生產效率有一定幫助。 

8.4電子束掃描焊接 
對于厚度較大的工件，為了使焊縫熔池內的氣體能夠充分排出，以減少焊縫中的氣孔或裂紋，利用掃描電子束是很有意義的。它實質上是一種電子束攪動焊縫熔池的作用，從而使氣體排出。有時為了取得異種材料焊接成功，亦可以進行掃描焊接。電子束掃描的波形、頻率和幅度等因素視具體情況而定。 

8.5脈沖焊接 
為了防止被焊工件過熱和達到其它特殊目的（如提高薄件焊縫的深寬比），利用脈沖電子束焊接是很合適的。通過試驗來確定束流峰值、脈沖寬度、重復頻率、平均輸入功率及焊接速度等參數。 

8.6修飾焊接 
有些工件的焊縫需要有較高的光潔度或有其它原因，可以采用修飾焊接的工藝過程。一般講，修飾焊的電子束功率密度低于實際焊接的功率密率。