電子束銲接參數

電子束的主要銲接參數有加速電壓(Accelerating voltage, AV )、射束電流(Beam current, BC)、聚焦電流(Beam focus, BF)、銲接速度(Travel speed, TS)、燈絲電流(Filament current;

FC)及射束偏轉(Beam deflection, BD)、工作距離(Gun-to-work distance, GTW)、真空度 (Vacuum)等[20]。電子束在工件表面所形成射束斑點(Beam spot)的大小是由 AV、BC、BF 及GTW 所決定。AV 或 BC 增加，則 EB 穿透深度及銲道寬度會增加，然 AV 對穿透深度 影響較大，而BC 對銲道寬度較具貢獻；AV 與 BC 的乘積為射束功率，其可以決定熔解金 屬的量。若相關參數不變，僅增加TS 則穿透深度幾乎成正比例的降低，銲道寬度會稍微減 小。

電子束銲接之輸出功率密度是目前使用銲接設備中最高的(圖 2-11)。其銲接時之熱 輸入量(θ)與射束功率(AV 與 BC 的乘積)有關，熱輸入量及功率密度之計算為：

(2-1)

(2-2)

圖2-11 銲接方法之功率密度分佈圖[35]

一般銲接深度與加速電壓、射束電流、銲接速度有下列關係：

圖2-12 銲接艙真空壓力對銲道形狀和熔深之影響[13]

2.3.6 銲接環境對銲接品質的影響

一般在較低的真空環境中，電子束會因繞射作用而影響銲接品質。如電子束的聚焦 調整部家，將導致形成的最大能量密度減小，進而降低銲接穿透能力；而電子透鏡的焦 距則會因顯著降低而使電子鎗至工件的工作距離變短，可知工作環境的氣體濃度對銲接 穿透能力及工作距離會造成影響。如圖2-12 所示，其銲道形狀隨真空度之升高而愈形 狹長，其深寬比值亦愈大。因此，工作環境真空壓力之不同，對銲接工作之銲道形狀和 熔深有很大的影響(圖 2-13)。因此目前工業上應用的電子束銲接設備，其電子鎗大都維 持在低於5×10^-4Torr 的真空環境內，並依工作艙的真空環境可概分為高真空、低真空及 非真空三個等級。

圖2-13 真空度與常態化銲接深度之關係[11]

2.3.7 電子束銲接之優良特性及特殊限制

電子束銲接一般較雷射銲接、TIG 與其他傳統銲接方法比較，具有下列的優良特性 [74]：

1. 銲縫品質佳，變形少，熱影響區窄：

利用電子束施以高電壓(25KV～200KV)加速運動(0.3～0.7 倍光速)，產生極高之動 能撞擊工件轉換為熱能，但輸入工件內之總熱量低，靠母材本身熔接，銲道及熱影 響區窄，如圖2-14 所示。EBW 與 TIG 銲接之銲道和熱影響區比較。因銲接殘留應 力少，工件收縮變形小，故極適於精密製造。

(a)EBW (b)TIG

(a) (b)

2. 可銲接經熱處理硬化或加工硬化後之金屬，而銲道強度高於母材。

3. 在高真空環境中施銲，無污染

電子束於真空環境下，通過磁場加以聚焦，功率密度可達10⁶～10⁸ w/mm²，且因在 真空中加工熔接，不受空氣中之油水器等之污染，有最佳的銲接品質，而且可不需 填料、助熔劑或保護氣體，銲接品質好。

4. 熔深比任何電弧皆深：

銲接滲透力強，銲道深而窄，對於厚的材料，與TIG 及 Plasma 之銲道比較具有最 大的銲道深/寬比如圖 2-15。

圖2-15 銲道形狀之比較[74]

5. 設備操作簡單，故節省操作人員訓練費用。

6. 銲接時間短、可一道銲接，而且不需要開槽及填料，節省許多時間和成本，同 時銲接速度快，可達100 mm/s，且生產力高。

7. 異種金屬亦可銲接，如鈦、鋯等合金活潑金屬銲接良好，通常凡屬相同結晶構 造且原子半徑大小相差在13％以內者，均具有相互熔銲之可行性。有關異種金 屬間之互銲特性[74]，如圖 2-16 所示。

圖2-16 異種材料之銲接特性[74]

X 易形成金屬間化合物－不可實施銲接 S 形成固溶體－具優良之銲接性

C 可能存在部分複雜之組織結構－可以實施銲接 D 可提供評估之數據不足－使用時應注意

N 無提供任何數據－使用時應特別謹慎小心 另外電子束銲接具有下列的特殊限制[20]：

1. 電子束銲機設備十分昂貴，尤其大型設備，動輒上億，除非高價值之銲件，一 般使用並不符合經濟效益。

2. 大型高真空銲接室實施銲接前，因其抽真空過程耗時長，故銲接產能效率差，

但對小型真空室之銲接則速度較快。

3. 因銲件幾何形狀和大小之不同，易因受真空銲接室容積之限制，另接頭準備耗 時，要求之密合性高。

4. 電子束銲接時會伴隨 X 光，設備受輻射防治法規範，人員操作需須注意 X 光外 洩之風險，以免產生輻射傷害。