电子束焊接技术应用新方向

摘要：电子束焊接由于具有热影响区小、聚焦焦点小且能量密度高以及不受被焊工件是否导电的限制，其在复合材料、C纳米管以及绝缘材料焊接方面具有一定的优势。电子束焊接复合材料过程中能够在较小的热影响区下使基材熔化但保证增强相不发生分解，与此同时亦能抑制母材的高温蒸发，最终得到性能优良的焊缝结构。C纳米管需要改变其化学键合来实现焊接，电子束能量在C化合键破坏阈值附近，因此能够实现C纳米管的原位破坏并重新形成键合。绝缘材料虽然在电子束焊接过程中虽然会在表面形成电子积累而形成负电势，但远小于电子束加速电压，所以电子束焊接能够实现绝缘材料之间的焊接。

关键词：电子束焊接 复合材料 C纳米管 绝缘材料

科技的进步已使钢铁等传统结构材料的的需求量逐年减少，取而代之的是复合材料、碳材料、Ti及其合金、Zr及其合金等。因此对于复合材料的连接问题正日益被重视起来，而电子束焊接能够在复合材料焊接发面具有不可替代的优势和能力。由于电子束能够被聚焦，当前透射电子显微镜的分辨率可达零点几个纳米，说明电子束的聚焦斑尺寸应该也在这个量级，所以电子束焊接可用来焊接诸如C纳米管以及晶须等纳米材料。传统的氩弧焊以及电弧焊等焊接方法均要求被焊工件是电的良导体，所以绝缘体之间的焊接问题亟待解决，但电子束不受工件是否导电的限制，在绝缘材料的连接上显示了独到的优势。本文将着重阐述电子束焊接在复合材料、C纳米管以及绝缘体焊接中的应用。

1、电子束焊接在复合材料焊接中的应用

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

铝基复合材料具有高的比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、导电导热性能好、热膨胀系数小等优点，应用于航空航天、军事、汽车和电子工业等领域。[1]南京航空航天大学的季小辉[2]等综述了SiC颗粒增强铝基复合材料的电子束焊接研究现状，文中指出SiC颗粒增强铝基复合材料电子束焊接存在一系列问题：已有研究表明SiC颗粒增强铝基复合材料直接进行电子束焊接，其焊缝不容易成型，这是由于在焊接过程会生成脆性相Al4C3，再有就是Al基体本身在焊接过程中蒸发较为严重，在焊缝处仅剩下SiC骨架，而且熔池附近的熔融金属中由于存在不熔物SiC，使得金属的流动性变差，不能及时回填到焊缝中，使得焊缝不能成型。Bush等[3]发现SiC颗粒增强铝基复合材料的电子束焊接的关键是使基体材料熔化的同时，SiC增强相不发生分解。郭绍庆等[12]采用非增强的中间夹层来解决焊缝难以成型的问题。将一定厚度的中间层嵌入待焊复合材料之间，中间层的厚度可通过改变箔片的层数进行调节，焊接时电子束直接作用于中间层，通过熔化该中间层间接熔化复合材料的边缘从而实现连接。通常中间层大多选择流动性好、含硅量高、有利于焊缝成形的共晶合金。

电子束直接对准非增强的中间层进行轰击加热，焊缝的上部由于熔池表面直接接受电子束加热，过热较严重，中间层两侧的SiC 和铝基体间接受热，过热度减轻。因此在焊缝上部会有少量SiC溶入液态铝基体中，在随后凝固时析出少量Al4C3；中间层中由于Si的含量较高，能有效抑制基体Al和SiC颗粒之间的界面反应，故在焊缝边缘区域中未发现由置换反应生成的Al4C3脆性相；焊缝中部及下部均未发现有Al4C3脆性相，虽然有少量的SiC颗粒从母材两侧脱落掺入到焊缝之中，但由于熔池内导热性良好的液态铝占主导地位，能够进行对流换热，所以熔池的过热程度得到有效控制，抑制了脆性相Al4C3的生成，改善了铝基复合材料焊接接头性能。

2、电子束焊接在C纳米管焊接中的应用

C纳米管由于独特的性能而具有潜在应用于电子器件的潜力，例如单壁纳米碳管可以作为纳米尺度导线；两个C纳米管形成的节结构，如果其中一个是半导体性质、另一个是金属性质，则可以形成整流二极管；多接头的异质节结构可以作为晶体管。这些节结构可以由化学键合、退火处理、运用原子力显微镜进行操纵而获得，与这些焊接处理方法相比，电子束焊接具有3个优点：1、对样品的污染少；2、电子束可以聚焦成为纳米尺度的光点；3、这个过程可以在商业的电子显微镜上进行。Inkook Jang[5]等运用电子束焊接技术研究了交叉C纳米管的焊接过程。选用4组手性不同的C纳米管作为研究对象，电子束焊接后对样品进行退火，总结所形成节结构的键合情况，结果如表3[5]所示。从表中可以看出：四种节结构中键合情况无明显差别，只是（10，0）-（10，0）节中sp键含量较少；退火处理能够增加几种接头内部sp3杂化原子的百分比，除了（8，3）-（8，3）节。所有的节结构中都存在一定的无序键合，这是因为电子束焊接过程只一个非热力学平衡过程，所以试验结果会与理论计算结果会存在一定的偏差。这种节结构相对于理想情况具有较小的抗拉强度和较好的延展性，研究结果显示，电子束焊接C纳米管过程中的缺陷相对于离子照射过程中的要少，这是由于电子束焊接能量是在使C化合键发生破坏的阈值附近，每次碰撞都是在原位进行破坏；但离子束照射是用高能离子轰击C纳米管，高能量使得缺陷密度增加。

3、电子束焊接在绝缘体焊接中的应用

传统的电弧焊等焊接方法只能对电的良导体进行焊接，但电子束焊接不受这一条件限制，它能够实现绝缘体的焊接。V A Burdovitsin等在5-15Pa的条件下，运用阴极等离子体电子束实现了绝缘体的焊接，在电子束照射过程中，绝缘工件表面会产生电势，但其值远小于电子束加速电压，而且绝缘体所带负电荷可以被辉光放电过程产生的正电荷所中和，所以可以实现电子束直接对其进行焊接。这一理论可以指导人们运用电子束焊接实现绝缘陶瓷之间、绝缘陶瓷与金属、橡胶、塑料等绝缘体之间的焊接。

4、结论

电子束焊接经过几十年的发展已经在Ti合金、Zr合金等新型结构材料方面得到了广泛应用，不单由于其具有较高的能量密度，原因还包括电子束具有能够聚焦且焦长可调使得焊接过程顺利进行；且电子束焊接热影响区较小，对焊缝周围的母材性质影响较小；电子束焊接的另一大优势就是其不受工件是否导电的限制。因此电子束焊接在复合材料、C纳米管以及绝缘材料的焊接发面具有其他焊接方法无法比拟的优势，显示了巨大的应用前景。

参考文献

[1]任家烈， 吴爱萍. 先进材料的连接[M] . 北京：机械工业出版社，2000 ：34 - 41.

[2]季小辉， 王少刚， 赵小群， 董桂萍. SiC颗粒增强铝基复合材料的电子束焊接研究现状. 轻合金加工技术 37（2009） 11- 15

[3]BUSCH W B. Electron beam and friction welding of metal-matrix composites [M]. France： Woodhead Publishing， 1993 ：545 - 551.

[4] 郭绍庆， 袁华， 谷为华， 等. 采用非增强中间层电子束焊接SiCp/Al [J ]. 复合材料学报， 2006， 23 （1）： 19 – 21

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