羅海波

(西安航天動力機械廠,陜西西安 710025)

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羅海波

(西安航天動力機械廠,陜西西安 710025)

本文簡單介紹了真空電子束焊的基本原理,為保證在實際生產(chǎn)中的真空電子束焊接質(zhì)量,從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料方面對產(chǎn)品的焊接性、易出現(xiàn)的氣孔、焊偏、裂紋等焊接缺陷進行了分析,通過合理的選擇電子束工藝參數(shù)和裝配方法,使產(chǎn)品的焊接質(zhì)量得到了有效控制。

真空電子束焊接 工藝參數(shù) 焊接質(zhì)量

真空電子束焊是利用定向高速運動的電子束流撞擊工件使動能轉(zhuǎn)化為熱能而使工件熔化，形成焊縫。電子束焊接技術(shù)因其高能量密度和優(yōu)良的焊接質(zhì)量，率先在國內(nèi)航空工業(yè)得到應(yīng)用。本文針對電子束焊接在生產(chǎn)中遇到的某載重卡車車橋承載大、疲勞強度高進行了分析，解決了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量問題。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及對焊縫的質(zhì)量要求

橋殼中段是由16Mn板材沖壓后焊接而成，軸頭是30Mn2鑄件加工而成，中段與軸頭的焊縫是車橋主要受力焊縫，要求很高的疲勞強度。因此設(shè)計為真空電子束焊接結(jié)構(gòu)。這里采用的是止口式嵌入結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的目的在于需要達到以下要求：(1)實施熔透焊時焊縫不會低于母材。(2)將電子束焊常有的根部釘尖缺陷引入到不受力的內(nèi)襯環(huán)上。中段與軸頭的焊縫根據(jù)在垂直彎曲載荷下應(yīng)力狀態(tài)的不同，分為中性區(qū)、壓應(yīng)力區(qū)、張應(yīng)力區(qū)，張應(yīng)力區(qū)不允許存在咬邊，壓應(yīng)力區(qū)和中性區(qū)咬邊深度≤0．2mm。(3)不允許表面可見氣孔。(4)內(nèi)部焊縫需100%超聲波檢驗。(5)不允許裂紋、未熔合、未焊透。(6)按圖1示，車橋要承受最大載荷P1＝320KN，最小載荷P2＝20KN，頻率f＝5Hz，疲勞次數(shù)≥120萬次。

2 產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)的焊接性分析

車橋的真空電子束焊縫具有很高的質(zhì)量要求，主要問題如下。

2.1 裂紋

橋殼中段材料為16Mn，軸頭材料為30Mn2，從材料的成份可見，這兩種低合金鋼均有較高的碳當(dāng)量，尤其30Mn2超過了0．5，在焊接冷卻過程易形成淬火組織，使焊接區(qū)硬度提高，塑性下降，易出現(xiàn)裂紋。

2.2 氣孔

產(chǎn)生氣孔的主要原因有：(1)母材中溶解的氣體在凝固過程中來不及逸出；(2)零件毛坯中原來存在的氣孔缺陷和難于清理的油污被重新卷入焊縫；(3)深熔深焊接凝固過程中體積收縮引起的收縮孔。

圖1 車橋結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 焊偏

焊縫的有效深度為13．6mm，釘尖缺陷引出深度最佳為3～5mm，焊縫總的熔深為17mm～19mm。電子束焊縫通常是很窄的，橋殼批生產(chǎn)加工中零件對接端面的垂直精度要求并不是很高，稍微對不正焊縫就會產(chǎn)生焊偏。

3 產(chǎn)品的電子束焊接工藝

3.1 焊前清理

電子束焊熔深大，產(chǎn)品17～19mm的焊縫深度可一次焊透，無需開坡口，加焊絲。由于產(chǎn)品零件經(jīng)過沖壓、焊接、機加等多道工序，零件表面存在大量的油污、鐵銹，對于束焊質(zhì)量會產(chǎn)生很大的影響，同時，焊接產(chǎn)生的大量油污蒸汽會對真空室造成污染。因此，電子束焊前，應(yīng)嚴(yán)格對焊接區(qū)域附近進行清理，具體步驟如下。

(1)對軸頭采用汽油進行整體清洗，去除油污。(2)對橋殼中段對接面及兩側(cè)進行拋光除銹。(3)裝配前焊縫對接面及兩側(cè)用無水酒精擦拭。

(4)清理完畢后，應(yīng)立即裝配產(chǎn)品，置入真空室內(nèi)抽真空保護。

3.2 產(chǎn)品裝配方式

電子束焊接是利用小孔效應(yīng)成型，為防止焊漏、縮孔等缺陷，對接裝配間隙的要求十分嚴(yán)格，通常不大于0．1mm。車橋的這種止口嵌入式焊縫結(jié)構(gòu)還要求內(nèi)襯環(huán)與零件內(nèi)孔的配合間隙不大于0．5mm。

為適應(yīng)批量生產(chǎn)高效、方便的要求，軸頭與中段的裝配連接我們采用的是夾具連接方式。

產(chǎn)品的這種拉緊式裝配，可以給接頭預(yù)緊力，焊接時抵消部分焊接收縮時所受的拉應(yīng)力，降低裂紋的產(chǎn)生幾率。另外，足夠大的預(yù)緊力，可以防止焊縫在焊接過程中受熱張開，從而省去電子束焊定位的工序。這里要求裝配預(yù)緊力矩不小于30Kg·m。

表1 焊接效果對比

3.3 工藝參數(shù)的選擇

我們使用的真空電子束焊機，是高真空(2×10-4Tr)中壓(60KV)型焊機，可編程自動控制焊接過程。電壓值60KV不可調(diào)，其余主要設(shè)置的焊接參數(shù)如下。

3.3.1 工作距離

車橋焊接時，電子槍位于焊縫正上方，實施平焊。有效工作距離范圍是：50mm～400mm。在電子束焊接過程中，焊縫金屬易揮發(fā)和電離，產(chǎn)生的金屬蒸汽和飛濺可能進入到電子槍中，對槍體污染或造成高壓擊穿，為防止金屬蒸汽或離子進入電子槍中，工作距離應(yīng)選擇大一些。依據(jù)經(jīng)驗，該產(chǎn)品工作距離設(shè)定在250mm。

3.3.2 聚焦電流

聚焦電流是調(diào)節(jié)電子束焦點位置的。焦點位置對于焊縫的成型深寬比影響很大，對于鋼材產(chǎn)品大于10mm焊接熔深，通常采用下焦點法聚焦。為實現(xiàn)17mm左右的熔深，同時控制有效焊縫的寬度在2mm以上，依據(jù)經(jīng)驗將束流焦點設(shè)在焊縫表面下5mm。

3.3.3 掃描方式

電子束可以通過掃描方式控制束流的能量密度，從而控制焊縫成型。軸頭材料碳當(dāng)量較高，易造成裂縫缺陷，在保證產(chǎn)品焊透，同時控制熱輸入，應(yīng)選擇能量密度偏低的圓形掃描方式。此方式可以使小孔呈圓柱形下潛，焊接受熱區(qū)域較大，整個焊縫熔寬接近，避免液態(tài)金屬凝固過快，可防止裂縫的生成。

3.3.4 焊接速度和焊接電流的匹配

我們利用產(chǎn)品模擬焊接試樣分別進行了多組低速小電流和高速大電流的試驗對比，結(jié)果如表1。

可見低速小電流的焊接效果非常理想，可以達到焊縫質(zhì)量控制要求。

3.4 焊縫整形

為避免應(yīng)力集中，車橋表面焊縫的要求是很高的，必須采用散焦小束流的方式進行外觀焊縫整形焊接，使焊縫圓滑美觀。

4 補焊

焊縫質(zhì)量經(jīng)超聲檢驗后，如不滿足車橋質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，可對焊縫進行全長或局部電子束重熔補焊，消除缺陷。補焊時為保證溶深，應(yīng)將缺陷處的焊縫余高打磨平。

5 工藝實施效果

(1)利用制定的焊接工藝進行了一萬多件車橋的焊接，經(jīng)100%超聲檢測，只有8．2%車橋一次焊接不合格，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，完全能夠滿足批量生產(chǎn)焊接的要求。

(2)對每1000根車橋抽檢進行疲勞強度的測試，均能滿足要求。

6 結(jié)語

通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料認(rèn)真的分析，利用焊接模擬試樣，確定了合理的焊接參數(shù)，采取焊接前認(rèn)真清理、拉緊式裝配等措施，應(yīng)用真空電子束焊接技術(shù)，成功焊接了載重車橋，焊縫內(nèi)在質(zhì)量滿足要求，表觀焊縫成型美觀，為真空電子束焊接在車橋批量生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參與文獻:

[1]中國機械學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊[M].第二卷.北京:機械工業(yè)出版社,2004.

羅海波(1967-),男,漢族,遼寧海城人,職稱:高級技師,本科學(xué)歷,研究方向:主要從事高能束焊。