前言
电子束焊接作为一种先进的高能束焊接工艺，在航空零部件制造中有着广泛的应用。本文针对航空零件所使用的电子束焊工艺，介绍其工艺流程和控制要求，并给出一些应用实例。
材料
对于电子束焊接而言，主要材料就是母材，也就是待焊零件。电子束焊接的母材必须是同一个合金体系的，可以是同种或者异种金属。异种金属焊接时，要注意焊缝结构的设计要合理。当使用电子束焊接不同合金体系的时候，需要对焊缝组织、性能进行更深入系统的研究。有时候会遇到氩弧焊比较困难的材料，也可以考虑换成电子束焊接。
关于填充材料，航空电子束焊工艺几乎不使用焊丝等类似氩弧焊使用的填充材料，但是不等于无需填充材料。主要方式是通过熔化母材本身的厚度，实现填充，保证焊缝厚度，与氩弧焊的自熔焊工艺相同。另一种方式是特制的塞片，应用于难焊材料或者焊缝因脆性组织导致性能恶化的情况，类似熔焊需要过渡层的原理，通过塞片调节焊缝的成分，优化焊缝组织，避免形成有害相，提高可焊性和接头的机械性能。
航空电子束焊接会使用到引弧板、收弧板。当使用时，必须使用跟母材相同的材质，甚至是清洁方式，其尺寸尤其是厚度必须合适。引弧板、收弧板或者机加子零件的时候就直接加工出来，或者单独加工后焊接到子件上。此时，在装配到零件之前，引弧板、收弧板的边缘要与零件贴合好。
工装
工装最基本的要求是装配零件的时候，能够让各个子件保持在固定的位置，实现所需要的组件结构、装配精度、间隙误差等等。这也是工装最基本的功能，实际上工装的作用比这个要大得多。
首先就是这个电子束挡板。这个挡板材料是用来吸收穿透材料到焊缝背面的电子束的，并且阻止焊接飞溅。通常，挡板的材质要求是与母材相同的合金成分，不管母材有多高级、有多贵。当然，异种金属焊缝肯定是选择便宜的、易获得的那个。如果得到客户批准，也可以使用其它材料。
工装的另一个作用是控制变形。这个跟焊缝的结构、数量、位置，工装的设计、材料选择、固定方式，零件允许的变形量、收缩量、可能的变形模式等等因素的关联性极大。这也是对焊接工程师、工装设计师的绝对考验。
去磁
特别是对于电子束焊接工艺而言，真空室里的所有材料，包括工装等都必须无磁，或者去磁到磁通量满足相关要求。这个道理就是物理课程里学的电磁学知识，如果磁性过大，会导致电子束偏转，无法焊接。
如果所有材料实在无法满足该要求，那么至少要保证垂直焊缝一定的距离范围内满足以上要求。
焊缝加工
焊前接头区域、结合面要按照制造图纸（或者过程图纸）进行加工和准备，满足图纸的要求。看起来简单，实则不然；这里的注意事项也是多得很。最严重的问题，当属加工完成之后发现装配不上，结合面因为空间干涉无法闭合，导致废品，浪费极大！因此，零件工艺开发阶段务必引起重视，可以用软件将零件的装配过程演练一遍。
这里重点说一下装配间隙，也即结合面的间隙问题。规律是板越薄，间隙要求越小；板越厚，间隙要求就可以稍微放开，一般控制在0.1mm以内。相关规范中都有明确的要求。
焊前清理
焊前零件、工装等必须清洗干净，确保无油无水无污染，即“三无”。清理的方法必须要跟合金匹配，注意有些化学品不能用于钛合金的清理。
清理完成后，应该尽快完成焊接。企业要根据自身实际情况、生产节拍等规定一个时间，多长时间内必须完成焊接，比如48小时内；否则就要重新清洗。
另外，清洗完成后，零件在转运的过程中也要做到“三无”。搬运时，戴好手套，避免使用手掌直接触碰零件。转运及等待焊接期间，盖好、防护好，防止污染。
注意，以上所有过程中使用的工具，比如塞尺、卡尺、高斯计、扳手、压板、螺栓螺母、手套、盖板、塑料袋、木箱等，凡是与零件接触过的东西，都必须做到“三无”。
笔者常说，焊接适合有洁癖的人，可见一斑。
焊接工艺
在焊接产品之前，必须针对每个合金、熔深要求、接头型式开发合理的焊接工艺。最基本的就是深熔焊，除此以外，还有点焊、盖面焊（也称作，修饰焊）和其它目的的焊缝。
点焊不是必须的，但是点焊可以在工装限位的基础上进一步固定零件。如果点焊被后续的深熔焊完全熔化掉，那么点焊就不需要进行工艺评定，但是点焊的参数需要规定清楚。点焊参数可以使用深熔焊参数，但是必须严格限制点焊所占整个待焊焊缝长度的比例。当使用引弧板、收弧板时，要求点焊必须在它们上面结束，目的是为了使收弧坑留在上面。点焊参数也可以在深熔焊的基础上降低能量，此时可以点焊待焊焊缝的一部分，也可以是整个长度。如果点焊是离散的情况，要求采用对称焊接的顺序进行。
盖面焊，是在深熔焊之后，用来改善焊缝表面形貌的，所以也被称作修饰焊。它跟点焊最大的区别是盖面焊必须进行工艺评定。盖面焊有一个很大的作用，就是修复深熔焊时产生的缺陷，比如凹陷、表面裂纹、表面孔隙等；还有一个作用是重熔深熔焊时在焊缝上半部分形成的粗大的树枝晶，因其对生生长，性能较差。
另外还有一些其它特殊目的的焊缝，比如不锈钢焊前需要预热的时候，通过电子束扫描实现。再比如双束或者多束工艺，航空不常见。等等。
产品焊接的时候，要严格按照建立的并且被评定过的焊接工艺规程执行。
需要注意的是，航空零件价值较高，因此开发工艺时，需要对零件做必要的保护，同时别忘记了还要保护设备。例如，易挥发金属元素进入电子枪，导致电子束中断、焊接过程停止，严重时甚至导致电子枪故障，影响设备使用。
焊后返工
电子束焊接流程中还有一个非常重要的内容，就是焊后返工。国内国外，甚至不同的欧美公司对此的规定也是天壤之别！必须区分清楚。
首先，焊后返工必须是图纸或者规范所允许的。有些规范是不允许返工的，任何焊缝质量问题都是要打呈报走返修流程。如果允许，同样是返工，有的规范只允许使用相同的工艺，即电子束焊工艺进行返工，有的规范却允许使用其它工艺，比如氩弧焊工艺进行返工。如果是电子束焊接返工，是只返工缺陷的部分，还是整个焊缝全部重新焊接，相关规定又是不一样的！务必小心。
焊后热处理
焊后热处理按照图纸和规范的要求执行。针对航空常用的镍基高温合金，通常是去应力热处理、固溶、时效。一般而言，去应力热处理只是推荐的，不是必须的。那什么时候去应力又是必须的呢？
这里笔者分享一种情况。当机加时，焊接残余应力释放，会导致尺寸精度问题，此时可以借助去应力热处理。这时候国内外的体系又是不一样的：国外的设计图纸，如果注释或者引用的规范中没有说允许去应力，那么默认就是不允许的；国内的设计图纸相对没有这么严格。但是，如果把焊后去应力当做必然，这是有待商榷的。进一步问，最多允许几次去应力呢？
如果某个航空组件不只有电子束焊接，还有氩弧焊、钎焊工艺，现在再加上不同的热处理工艺要求，又该如何编排这些热工艺的工序呢？
焊后机加工
笔者在工作中，曾经接受过的培训是制造图纸（或者过程图纸）焊缝区域留有加工余量，并且给出了最佳实践，焊缝正面、焊缝背面留多少余量，焊后车掉即可。这种方法最大的优势是弥补径向收缩。但是随着工作中遇到的问题越来越多，其中最棘手的就是再热裂纹的问题，笔者不由得产生一个疑问：这种留有大余量，焊后再去除的工艺方法有没有技术上的缺点？
这里有一个很大的原因就是，电子束焊接的通常都是厚板，板厚Z在焊接热模型中的热传导、应力分布是必须考察的。焊后机加会带来两个方面的影响：一方面，焊缝表面大部分的修饰焊层被后续机加掉了；另一方面，厚度减薄以后，原有的应力平衡被打破，新的平衡重新建立。
应该说，焊后机加必不可少。笔者的看法是，图纸中的焊接符号包含了焊后机加工的信息。不管是正面、背面还是两者，是否允许机加，必须在图纸中注明，而允许多少去除量可以在规范中规定清楚。比如，对于全焊透工艺，加工余量不能超过焊缝厚度的10%；对于部分焊透的工艺，加工余量不能超过熔深的5%。数据仅供参考。
图片来源：Products » Paradigm Precision
从图片的颜色可以判断，这个组件的上、中、下三部分的材料是不一样的。最上面的的小环是前法兰，锻件材质；中间颜色暗一些的是导向器，铸件材质，熔模铸造而来，壁厚上带有空心结构；最下面的部分是后法兰，锻件。同样从颜色可以判断虽然前后法兰都是锻件，但是两者材质是不一样的。因为知识产权问题，具体材料就不写出来了。这个组件需要两道电子束焊，异种金属焊缝，控制好收缩量是一个挑战。
补充：1）中间导向器的结构实际上有不同设计。图示这种设计比较巧妙，只是对熔模铸造技术提出更高的要求。
2）这个零件实际上不只是电子束焊接，还有氩弧焊、钎焊工艺。可以想象一下，焊接变形、尺寸控制、这么多热加工工序，工艺难度还是非常高的！
应用实例二：燃烧室机匣
图片来源：
LEAP Engines – CFM International Jet Engines CFM
International (cfmaeroengines.com)
图中红色箭头所指的就是电子束焊接的焊缝，大家一眼就可以看出一个特点，就是焊缝区域的厚度比旁边的材料要厚很多。
该组件是由3个子件构成。最里边是一个小法兰，最外面一个大机匣，中间是气体出口导向器，图中蓝色的就是从压气机出来的一部分空气，进入燃烧室点火助燃。
该组件的制造难点是两道电子束焊缝，尺寸控制难度较大。材料选择上看，虽然都是镍基高温合金，但是具体材质国内外是不一样的，这在公开的文献中都能查到。该设计结构因为制造难度较高，后续已经进行了改版升级。
后记
文中大部分内容都是笔者工作中的一些思考，不一定正确，仅供参考。我们曾经问过几个已经退休的老爷子规范中某些要求的出处，已经失传了。建议读者可以在工作中寻求答案。想要超车，就必须知其然，知其所以然。
