2mm板厚304L真空电子束焊焊接工艺
电子束焊接是利用空间定向高速电子束焊（EBW）是指在真空或非真空环境
中，利用汇聚的高速电子流轰击焊件接缝处所产生的热能，使被焊金属融合的一
种焊接方法。电子束焊接是一种高能束流焊接方法,可以焊接熔点、热导率、溶
解度相差很大的异种金属。可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料，而对接头的
力学性能没有太大的影响。可实现不开坡口单道大厚度材料的焊接，节约大量填
充材料，降低能源消耗，焊接速度快、焊缝组织性能好，焊接变形小，焊缝纯度
高、接头质量好，工艺适应性强，可焊材料多，再现性好，可简化加工工艺。
一、设计题目及要求
2mm板厚304L真空电子束焊焊接工艺
母材尺寸：300mm×100mm×2mm的304L试件二块。
二、母材性能介绍
304L不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，它广泛地用于制作要求良好综合
性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。
304L是碳含量较低的304不锈钢的变种，较低的碳含量使得在靠近焊缝的
热影响去中所析出的碳化物减少至最少，而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些
环境中产生晶间腐蚀。
1、母材化学成份见表1：
表1 304L化学成分w(%)
钢号 化学成分w（%）
304L
C Mn Si S P Cr Ni
≤0.03 ≤2.0％ ≤1.0 ≤0.03 ≤0.035 18.0~20.0 8.0~11.0
2、母材的物理、力学性能见表2：
表2 304L物理、力学性能
物理、力学性能
性
能
分
类
屈服强度（MPa） 抗拉强度 延伸率 硬度 熔点
≥205 ≥520 ≥40 HB≤187 HRB≤90 HV≤20 1398~1420℃
三、焊接设备的选择及特性
选择高真空电子束焊。
1、高真空电子束焊机型号EZ-60/100 如图1
图1、 EZ-60/100焊机
选用电子束焊设备时，应综合考虑被焊材料、板厚、形状、产品批量等因素。
一般来说，焊接化学性能活泼的金属（如W、Ta、Mo、Nb、Ti）及其合金应选用
高真空焊机；焊接易蒸发的金属及其合金应选用低真空焊机；厚大焊件应选用高
压型焊机，中等厚度工件选用中压焊机；成批量生产时应选用专用焊机，品种多、
批量小或单件生产选用通用型焊机。所以选用EZ-60/100型号电子束焊机,制造
商是桂林师达，特性是焊接时不需要填充焊丝或其他材料；超精密焊接，焊接深
度可在0.05～100mm范围内精确控制；焊缝深宽比大，中压焊机可达25:1以上，
高压焊机可达到60:1以上；热影响区小，使焊后工件变形小；可进行数控精密
焊接，能焊接复杂几何形状；焊后不需要进行焊缝表面处理和加工，大大减少机
加工工作量； 焊接速度快，效率高，特别适合大批量生产；可焊接各种金属，
包括不同种金属和难熔金属；由于焊接是在真空中进行，还可采用扫描搅拌焊接，
因而有利于焊接过程中气体杂质的排出，且焊缝表面光亮美观、无氧化现象。电
子束焊机结构原理如图2所示。
图2 电子束焊机结构原理
真空电子束焊机主要由电子枪、工作室（也称真空室）、电源及电气控制系
统、真空系统、工作台以及辅助装置等部分组成。电子束焊机的关键部件是电子
枪，为了减少电子在射入工件前与其他气体分子碰撞而引起能量损失和电子束发
散，电子枪与焊接室都必须在一定的真空状态下工作。
2、高真空电子束焊的优点
（1）焊缝深宽比大;
（2）焊接速度快，焊缝组织性能好;
（3）焊接变形小;
（4）焊缝纯度高，接头质量好;
3、高真空电子束焊的技术特点及范围
（1）真空度/Pa：10—4～10—1;
（2）加速电压为15～175KV，最大工作距离1000mm;
（3）电子束功率密度高，焦点尺寸小，焊缝神宽比大，质量高;
（4）可防止熔化金属氧化，但真空系统较复杂，抽真空时间长，生产率低，
焊件尺寸受真空室限制。
四、焊前准备
1、试件材料：304L
2、试件尺寸：300mm×100 mm×12mm
3、焊接位置：平焊
4、结合面的加工与清理：
电子束焊接接头属于无坡口对接形式，装配时力求零件紧密接触，电子束焊
要求结合面经过机加工，其表面粗糙度在1.5～2.5mm之间，使用对接接头，无
需开坡口。清理完毕后不能再用手或工具触及接头区，以免再次污染。
5、零件装配
零件装配式力求紧密接触，接缝间应尽可能小而均匀，并使结合面平行。
电子束焊夹具和工作台的零部件应使用非磁性材料来制造，避免电子束发生
磁偏转。若夹具是非磁性材料，焊接前应去磁，并用磁强计测量工件剩磁，一般
剩磁强度应低于（0.5～3）×10—4T。
6、抽真空
电子束焊机的抽真空程序是自动进行的，避免由于人为的误操作而发生事
故，真空室要保持干净，仔细清楚被焊工件上的油污。
7、焊前预热
工件装入真空室进行预热，因工件较小，加热引起的变形不能影响工件质量，
可在真空室内用散焦电子束来进行预热。
五、焊接工艺参数确定
电子束焊的工艺参数主要包括加速电压、电子束电流、聚焦电流、焊接速度
和工作距离等。电子束焊的工艺参数主要由板厚来决定。板厚越大，所要求的热
量输入越高。为了防止裂纹、气孔和保证质量，对焊接工艺参数要严格控制。
1、加速电压
在相同的功率、不同的加速电压下，所得焊缝深度和形状是不同的。提高加
速电压可增加焊缝的熔深，焊缝断面深宽比与加速电压成正比例。当焊接大厚度
件并要求得到窄而平的焊缝或电子枪与焊件的距离较大时可提高加速电压。查表
可得本次焊接需要的加速电压为45～55kV。
2、电子束电流
由电子枪阴极发射流向阳极的电子束电流（也称束流）与加速电压一起决定
着电子束的功率。电子束的功率是指电子束单位时间内放出的能量，用加速电压
与电子束电流的乘积表示。增加电子束电流，熔深和熔宽都会增加。在电子束焊
中，由于加速电压基本不变，所以为满足不同的焊接工艺要求，常常要调整电子
束电流来满足不同的焊接工艺需要。增加电子束流，熔深和熔宽都会增加。查表
可得本次焊接需要的电子束电流为75～85mA。
3、焊接速度
焊接速度和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、宽度以及被焊材料熔池行为
（冷却、凝固及焊缝融合线形状）。增加焊接速度会使焊缝变窄，熔深减小。查
表可得本次焊接的焊接速度为28～33cm/min。
4、聚焦电流
电子束聚焦状态对熔深及焊缝成形影响很大。焦点变小可使焊缝变窄，熔深
增加。厚板焊接时，应使焦点位于工件表面以下0.5～0.75mm的熔深处；薄板焊
接时，应使焦点位于工件表面。根据被焊材料的焊接速度、接头间隙等决定聚焦
位置，进而确定电子束斑点大小。
5、工作距离
焊件表面至电子枪的工作距离影响到电子束的聚焦程度，工作距离应在设备
最佳范围内。工作距离变小时，电子束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，
增加了电子束功率密度。但工作距离太小会使过多的金属蒸汽进入枪体造成放
电。在不影响到电子枪稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。对于
确定的电子束焊接设备，加速电压一般固定不变，必须时也只做较小的调整。焊
接电流和焊接速度是主要调整的工艺参数。热输入与电子束焊接功率成正比，与
焊接速度成反比。利用焊接热输入与焊接厚度的对应关系，初步选定焊接工艺参
数，经实验修正后方可作为实际使用的焊接工艺参数。此外，还应考虑焊缝横断
面、焊缝外形及防止产生焊缝缺陷等因素，综合选择和实验确定焊接工艺参数。
规范参数对焊缝形状的影响。
304L电子束焊的焊接参数见表3。电子束焊接焊缝形成的原理如图3所示。
表3 高真空电子束焊焊接参数
材质 板厚/mm 加速电压/KV 电子束电流/mA 焊接速度/(cm.min-1) 工作距离
/mm
304L不锈钢 2 25 28 50.6 500
图3 电子束焊接焊缝形成的原理
六、注意事项
1、防止高压电击
（1）高压电源和电子枪应保证有足够的绝缘，绝缘实验电压应为额定的1.5
倍。
（2）设备应装置专用地线，外壳用截面积大于12mm2的粗铜线接地，保证
接地良好，接地电阻应小于3Ω。
（3）操作时应戴耐高压的绝缘手套，穿绝缘鞋，使用铅玻璃窗口。
2、X射线的防护
电子束焊接时，高速运动的电子束与焊件撞击产生X射线；在抢体和工作室
内电子与气体分子或金属撞击时，也会产生相当数量的X射线；焊接时约有1％
以下的能量转变为X射线辐射。
此外，电子束焊接时会产生有害的金属蒸气，烟雾，臭氧及氧化氮等，应采
用抽气装置将真空室排出的废气，烟尘及时排出。并且焊接过程中观察熔池，必
须佩戴防护眼镜。
七、参考文献
1、曹朝霞主编特种焊接技术：机械工业出版社，2009
2、雷世明主编．焊接方法及设备雷．北京：机械工业出版社，2002
3、唐迎春主编. 焊接质量检测技术. 北京：中国人民大学出版社，2012
4、李志远主编. 先进连接方法. 北京：机械工业出版社，2000