材料加工首次采用電子束（EB）始于20世紀(jì)初，用于在真空條件下熔化耐火材料。此后，隨著電子束兩個主要支撐技術(shù)（真空工程及電子光學(xué)）水平的提高，應(yīng)用電子束加工其它類型的材料逐步增加，電子束技術(shù)不斷進(jìn)步與成熟。目前電子束的應(yīng)用見附表，從附表中可以看出，電子束應(yīng)用范圍從低功率密度（窄，表層型）到高功率密度（深，滲入型）的變化過程。
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德國于20世紀(jì)50年代初期最先采用電子束進(jìn)行焊接，到50年代中期擴(kuò)展到法國，50年代后期，電子束焊被引入到美國，美國通過從德國購買電子束焊用于西屋電氣貝提斯工廠。 EBW過程基本原理
采用電子槍和電子光柱組裝而成并應(yīng)用于電子束焊的原理如圖1所示。該圖表明，三極管（陰極、柵極、陽極）型的電子槍用以產(chǎn)生電子束流，同時，聚焦和偏轉(zhuǎn)電子光學(xué)系統(tǒng)用以控制電子束流撞擊工件的方式（產(chǎn)生最終束斑大小和定位）。在操作過程中，陰極、發(fā)射器由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在焊槍柵極、陽極產(chǎn)生的靜電場加速下，形成平行光束，聚焦并形成高能量密度的電子束流撞擊到工件表面。
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在任何固定操作電壓條件下，三極管型電子槍允許槍內(nèi)電子流的大小逐漸按期望值進(jìn)行調(diào)整（例如，電子束操作電流，從而將產(chǎn)生的光束能量傳遞給工件）。因此，通過改變陰極與陽極間電位差，電子束能容易瞬時關(guān)閉或在高度控制模式下實(shí)現(xiàn)操作水平大幅增加或降低。除了提供產(chǎn)生高度聚焦或輕微散焦在工件上的能力外, 電子光學(xué)系統(tǒng)還提供了以靜態(tài)（固定位置變化）或動態(tài)（振動位置變化）方式偏轉(zhuǎn)電子束光斑的能力。
對比傳統(tǒng)的焊接方法，電子束焊的主要連接優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行稱之為“鎖孔焊接”的能力，如圖2所示。在鎖孔焊接中，高能密度電子束撞擊到工件表面產(chǎn)生金屬蒸氣并滲入到工件中。這就要求電子束能量直接被傳遞到焊接點(diǎn)結(jié)合表面并滲入工件內(nèi)部, 而不是像傳統(tǒng)的焊接方法簡單的堆積在結(jié)合表面。由于金屬蒸氣的移動，在其前進(jìn)邊緣不斷形成熔化的金屬液并流動，在其后側(cè)邊緣不斷凝固并形成最終焊接接頭。
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20世紀(jì)60年代到80年代中期
電子束焊進(jìn)入美國后，其利潤快速增加。在20世紀(jì)60年代早期舉行大量的電子束焊專題討論會、研討會及學(xué)術(shù)會議，為與會者提供了關(guān)于電子束焊工藝國內(nèi)外用戶與制造廠家的電子束焊工藝信息資源。同時，各種各樣的設(shè)備供應(yīng)商開始在焊接展中展示。兩者的結(jié)合強(qiáng)烈的促進(jìn)了電子束焊的快速擴(kuò)展以及美國焊接界擁有的電子束焊工藝及其工業(yè)應(yīng)用范圍。
在上世紀(jì)60年代早期，電子束焊通過鎖孔焊接形式來獲得深熔深，主要依靠采用的電子束功率密度而不是采用的操作電壓等級。各種各樣的美國公司開始進(jìn)入電子束焊接裝備的生產(chǎn)中，其操作電壓橫跨從25~150kV的全范圍。這些公司包括美國Nuclide 公司、美國國際研究Hamilton公司及Sci- aky公司等（僅舉幾例）。然而，在20 世紀(jì)60年代末，許多公司停止了生產(chǎn), 僅留下了Hamilton Standard與Sciaky兩家公司，盡管兩家公司都?xì)v經(jīng)幾次所有權(quán)的變更，但時至今日，這兩家公司仍然是電子束焊接裝備企業(yè)的領(lǐng)頭羊。黃金年代
20世紀(jì)60年代無疑是美國電子束發(fā)展的黃金時期。在這十年時間里，美國安裝了大約500臺電子束焊機(jī)，這數(shù)字多于美國過去50年里安裝總數(shù)的1/3。此外，60年代早期安裝的電子束焊成套裝備電子束功率輸出能量較低, 高度真空室較小，這就限制了工件的運(yùn)動。到60年代中期，這些成套裝備更換為電子束電源，束縛范圍達(dá)45kW, 具有相對較大的高度真空室，該真空室具有工件和電子槍的多軸轉(zhuǎn)動運(yùn)動的能力。幾乎同一時期，設(shè)備具有在部分真空及非真空及高度真空條件下應(yīng)用的能力，同時引入同步電流單元輔助進(jìn)行數(shù)控操作工件運(yùn)動及電子束參數(shù)控制。
電子束焊多樣性
20世紀(jì)60年代，電子束焊成為了一種多模式焊接工藝，被認(rèn)為是一種具有潛力應(yīng)用于幾乎所有類型可想象到的連接任務(wù)中，包括從鋁箔、網(wǎng)格材料到工藝連接多樣性的金屬材料生產(chǎn)中。在這十年期間，導(dǎo)致了大量較好的創(chuàng)新方式和方法的快速發(fā)展，擴(kuò)大了電子束焊應(yīng)用范圍。典型實(shí)例如下：
1）多孔壁空心陰極：一種冷陰極裝置，用以產(chǎn)生電子束，加工成為環(huán)形、球形和圓柱形，任何一種形式提供了一個簡單裝置以在bell-jat環(huán)境下連接管狀零部件。
2）手持式電子槍：一種為美國國家航空航天局宇航員開發(fā)的空間焊接制造及修復(fù)裝置
3）便攜式EBW管道焊機(jī)：一套為美國天然氣協(xié)會制造的系統(tǒng)，采用起重機(jī)支撐、夾具風(fēng)格高度真空室，包含驅(qū)動小車、角度合理的電子槍以用于野外管道360°周邊焊接。
4）殼形抓斗EBW系統(tǒng)：一套為格魯曼航空公司生產(chǎn)的裝置，用以焊接大型翼板結(jié)構(gòu)零部件，如魯曼航空公司生產(chǎn)的F-14 TOMCAT戰(zhàn)斗機(jī)的制造中。
20世紀(jì)60年代其它產(chǎn)品則包括了對非真空條件下電子束管道加工，提供了高速非真空條件下焊接管道的能力，即直接從條料不斷形成管道。另一個則是前期高度真空和后期高度真空壓力階段獨(dú)立管道的使用。這為鋸片工業(yè)中使用的雙金屬產(chǎn)品以連續(xù)空對空方式提供了焊接能力。 20世紀(jì)70年代的轉(zhuǎn)變
在20世紀(jì)60年代末期，美國平均每年電子束焊設(shè)備的安裝達(dá)到了頂峰, 大約每年安裝100臺，70年代初呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這導(dǎo)致了當(dāng)時電子束焊裝備在航天、醫(yī)療、航空、工程建設(shè)行業(yè)市場的飽和狀態(tài)。然而，在60 年代，如果電子束焊產(chǎn)品質(zhì)量能夠被顯著增加的話，美國汽車工業(yè)對電子束焊可能提供的各種連接優(yōu)點(diǎn)十分感興趣。批量加載方法首次被用來增加電子束焊接工藝每次處理零部件的數(shù)量，焊接區(qū)環(huán)境就不得不達(dá)到一個非常高的真空水平。在60年代，電子束焊局部真空和非真空模式應(yīng)用逐漸成熟。由于電子束焊的應(yīng)用顯著減少或完全消除加載零部件到高度真空環(huán)境下生產(chǎn)時間，電子束焊能夠獲得更大的生產(chǎn)效率。
因此，在20世紀(jì)60年代后期至70 年代，電子束焊裝備銷售至汽車工業(yè)中的數(shù)量逐步增加，美國電子束焊設(shè)備每年安裝數(shù)量接近于100臺。然而, 在70年代結(jié)束時，一系列事件引發(fā)了電子束焊產(chǎn)品銷售量的再一次下降至80年代初期銷售值，如圖3所示。
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70年代，美國電子束焊裝備的市場構(gòu)成也開始發(fā)生變化，國外制造廠家（Steigerwald，Torr Vac.與Wentgate）通過注冊公司進(jìn)行電子束焊裝備生產(chǎn)的方法開始進(jìn)入市場，并采用電子束焊銷售店方法來作為其銷售代表。幾個美國新興供給企業(yè)（Union Carbide 與Westinghouse）也幾乎同時進(jìn)入市場, 因此給Sciaky與Hamilton Standard公司電子束焊設(shè)備銷售帶來了新的競爭。
在20世紀(jì)70年代，汽車工業(yè)是美國電子束焊設(shè)備的主要采購者。在此期間安裝的電子束焊裝備大部分是部分真空電子束焊（PVEBW）或非真空電子束焊接（NVEBW）。早期應(yīng)用于汽車工業(yè)的兩種電子束焊，到20世紀(jì)70年代早期分別被安裝并完全可控，其中，活底型PVEBW飛輪焊接機(jī)（如圖4所示）用于福特公司，旋轉(zhuǎn)型 NV-EBW轉(zhuǎn)向柱保護(hù)罩機(jī)應(yīng)用于通用公司。20世紀(jì)70年代中期之前，包括滑動密封PV EBW及活底模型，加之空間型NVEBW裝備等數(shù)量眾多的活底型, 已被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，為一些汽車工廠生產(chǎn)操作提供了多達(dá)10~20臺電子束焊裝備。
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20世紀(jì)70年代供應(yīng)的電子束焊裝備性質(zhì)上也產(chǎn)生了諸多變化。盡管電子束焊制造商提供給航空、核電及其它工業(yè)的電子束焊在應(yīng)用方面相當(dāng)令人滿意，但是，當(dāng)電子束焊制造商將成套裝備提供給汽車生產(chǎn)時，他們很快就明白了在高峰生產(chǎn)月期間系統(tǒng)不得不適應(yīng)連續(xù)操作（例如，每天24小時，每周7天）的需要。因此，在20世紀(jì)70年代，電子束焊裝備制造商不得不開始合作、新裝備設(shè)計(jì)及工藝性能改善等工作。與此同時，制造商也不得不開始采用數(shù)字控制取代模擬控制, 以滿足汽車工業(yè)日益增長的要求，即較高的操作靈活性、裝備適用性。因此，到上世紀(jì)80年代初，美國大部分電子束焊裝備都采用了一些數(shù)字控制。
20世紀(jì)80年代中期至今
由于在20世紀(jì)80年代中期美國電子束焊裝備較20世紀(jì)60年代和70年代略有提高，且20世紀(jì)80年代大部分電子束焊成套裝備采用PLC或CNC控制系統(tǒng)、固態(tài)控制模塊改善光束診斷軟件包，購買電子束焊裝備的成本顯著增加。因此，由于當(dāng)時惡劣的經(jīng)濟(jì)條件, 在經(jīng)濟(jì)態(tài)勢及對重要裝備購買嚴(yán)格限制條件下，從1980年初持續(xù)到整個十年之久，每年新設(shè)備的銷售都呈現(xiàn)下降。
然而，到80年代美國已有了800臺電子束焊成套裝備，市場通過增加銷售客戶支持功能（現(xiàn)場服務(wù)、備件、配件）而略有起色，如同采用新的方法銷售設(shè)備一樣，到時就對外開放。這就是“升級包”（例如，式樣翻新、重新裝備、現(xiàn)代化改造）為現(xiàn)有設(shè)備、工具銷售法來銷售現(xiàn)有設(shè)備，這種方法為現(xiàn)有設(shè)備安裝基址超過一半以上是60年代的老設(shè)備提供了銷售潛能。提供的升級包包括一些大項(xiàng)目，如PLC 和CNC控制改進(jìn)、電子束產(chǎn)生系統(tǒng)改進(jìn)等。設(shè)備改進(jìn)的主要方式一般通過現(xiàn)有設(shè)備維修預(yù)算撥款，而不是對重要裝備支出許可授權(quán)。升級市場持續(xù)提供了一個良好銷售的機(jī)會，甚至直到今天。目前估計(jì)表明，美國在過去50多年里安裝的900~1000或1400~1500 臺設(shè)備目前仍有部分在使用（-75％）, 要么在原始購買工廠使用，要么在第二、第三（甚至隨后的）設(shè)備所有者處使用。目前在用數(shù)百臺設(shè)備要么是60年代的老設(shè)備，要么是70年代的老系統(tǒng)（-30％）。電子束焊專賣店增加
到80年代，購買電子束焊系統(tǒng)成本增加引發(fā)的另一商業(yè)領(lǐng)域則是履行合同、電子束焊專賣店。這是由于以下事實(shí)：電子束焊交易將該工藝提供給潛在用戶，通常將其運(yùn)用到他們的產(chǎn)品上，但無法達(dá)到完全購買電子束焊系統(tǒng)必要的即時利用水平。這為到電子束焊專賣店外購設(shè)備提供了一個良機(jī)。電子束焊交易不斷隨時間而擴(kuò)展，如圖5所示。這表明目前在美國國內(nèi)至少有50個在營電子束焊專賣店，其大多數(shù)都位于東部和西部海岸，主要在加州和新英格蘭。這些設(shè)備尺寸范圍從小（有1~2個在營電子束焊單元）到大（有5~10個在營電子束焊單元），包括電子束焊專賣店被美國主要的電子束焊接裝備提供者與Sciaky操作的焊接交易。
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新產(chǎn)品
20世紀(jì)90年代，電子束焊設(shè)備供應(yīng)商開始提供價格適度的縮小系統(tǒng)（如圖6A所示），以替代高度專業(yè)化的、價格昂貴的系統(tǒng)（如圖6B所示）。這些更緊湊和經(jīng)濟(jì)的設(shè)備，一般電壓變化范圍小，其電子束輸出功率15kW 或以下。然而，大多數(shù)情況下，繼續(xù)為用戶提供現(xiàn)有規(guī)模更大，更昂貴的裝備的改進(jìn)版。自20世紀(jì)90年代早期以來，為電子束焊裝備購買者全方位提供了高低電壓、高度真空、部分真空、非真空從高到低的更多選擇，價格更為適度。上世紀(jì)80和90年代期間, 電子束焊設(shè)備的使用范圍也擴(kuò)大了，包括焊接以外的工作，如表面處理（淬火、上釉、釬焊）、曲面加工（制備和輔助制造）等。同時，該設(shè)備具有提供用戶可選的“計(jì)算機(jī)光束診斷圖像及模擬”多束處理任務(wù)的能力。
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結(jié)束語
在過去50多年期間，美國電子束焊已逐漸從最初被認(rèn)為是一種推進(jìn)核工業(yè)和航天產(chǎn)業(yè)的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)室工具，發(fā)展成為一種高度精密的生產(chǎn)工具，從某種程度來說，已被美國大多數(shù)工業(yè)部門所采用。因此，當(dāng)今電子束焊工業(yè)應(yīng)用橫跨較大的范圍，從提供相當(dāng)貴重產(chǎn)品部件（最小生產(chǎn)率要求）的航空及核行業(yè)到相對低成本產(chǎn)品部件（具有較高的生產(chǎn)率要求）的汽車及制造行業(yè)。因此，這些年來，電子束焊穩(wěn)步成長是一個為用戶提供高度可靠的加工過程，已逐步表明其有完成兩種淺表層和深層滲透類型的能力?？紤]到電子束焊在光束發(fā)生控制及缺陷監(jiān)測技術(shù)取得的持續(xù)不斷的進(jìn)步，電子束焊未來將繼續(xù)提高其應(yīng)用能力。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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