高 敏 王東輝

(1.東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.一汽轎車股份有限公司)

零件材料化學(xué)成分和熱處理狀態(tài)的不同，使其焊接性能有明顯差異。近年來(lái)，電子束焊接技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)中，但在不同程度上存在一些焊接質(zhì)量問(wèn)題，如裂紋、未焊透及焊坑等缺陷。筆者在研究電子束焊縫形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了影響焊縫成形的因素，并給出了常見(jiàn)的電子束焊接缺陷及其防治措施。

1 電子束焊縫的形成機(jī)理

電子束在30～150kV的加速電壓作用下，被加速到光速的1/2～2/3倍，高速電子流轟擊工件表面，使其表層溫度達(dá)到104℃以上、功率密度達(dá)到107W/cm2。因此，能量密度高度集中和局部高溫是電子束焊接的最大特點(diǎn)[1]。但在常規(guī)加速電壓的作用下，電子束穿透工件的深度僅為幾十分之一毫米，這與電子束焊縫的熔深(最大可達(dá)300mm)相比是微不足道的。

當(dāng)束功率密度低于105W/cm2時(shí)，電子束的能量在工件表面將轉(zhuǎn)換為熱能[2]，由于工件表面的散熱條件較好，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式，熔池有向工件深層發(fā)展的趨勢(shì)，此時(shí)焊縫熔深較淺，稱為熔化成形；當(dāng)束功率密度增大到超過(guò)105W/cm2時(shí)，焊縫表面金屬迅速熔化且劇烈蒸發(fā)，在蒸發(fā)反作用力的排斥下，熔池下凹，排開液態(tài)金屬而露出新的固態(tài)金屬表面，使電子束可以穿透到相當(dāng)?shù)纳疃?，形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的束孔。隨著電子束的移動(dòng)，束孔前沿的金屬不斷熔化并被排斥到熔池后方，冷凝后形成焊縫，這種焊縫稱為深穿入成形。電子束焊接中主要采用這種成形方法以發(fā)揮其深寬比較大的優(yōu)點(diǎn)[3]。

2 影響焊縫成形的因素

焊接過(guò)程中焊接參數(shù)的選擇關(guān)系到焊接質(zhì)量。焊接參數(shù)主要是指加速電壓、束流、焊接速度、工作距離、焦點(diǎn)位置及真空度等，其數(shù)值主要根據(jù)零件大小、焊縫深度、允許變形量甚至材料的不同而不同。圖1所示為試驗(yàn)得出的完全熔透條件下線能量與熔深的關(guān)系，對(duì)初步選定焊接參數(shù)有一定的參考價(jià)值。

圖1 完全熔透條件下線能量與熔深的關(guān)系

線能量J(J/cm)的計(jì)算公式為：

J=60×P/v

P=Ub×Ib

式中Ib——電子束束流，A；

P——功率，W；

Ub——加速電壓，V；

v——焊接速度，cm/min。

功率確定后，高壓與束流以及聚焦值的確定需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況和經(jīng)驗(yàn)靈活掌握。

加速電壓的增加，加大了電子束的功率，同時(shí)電子槍的聚焦性能也有所改善，增大了焦點(diǎn)的功率密度，同時(shí)還使電子束柱的活性區(qū)加長(zhǎng)，有利于增加焊縫的深寬比。

增加電子束電流，可使電子束的功率提高，加大焊縫熔深；另一方面，也可使電子光學(xué)系統(tǒng)的聚焦性能變壞，又有減小熔深并加大焊縫寬度的趨勢(shì)。考慮到焊后變形的要求，對(duì)于3～4mm的熔深，束流大約在30～50mA之間；對(duì)于6～8mm的熔深，束流大約在50～80mA之間。

在不改變其他參數(shù)的情況下，增加焊接速度可減小焊接線能量，焊縫熔深基本按比例減小，同時(shí)焊縫寬度隨之變窄，焊后變形也減小。但焊接速度的增加受到束功率的限制，也在一定程度上受到電子束參數(shù)動(dòng)態(tài)特性的影響。

操作過(guò)程中為方便計(jì)量，通常取真空室頂部到工件的距離作為工作距離。當(dāng)工作距離減小后，其他參數(shù)不變，為獲得最佳聚焦條件，必須增加聚焦電流，此時(shí)焊縫熔深隨功率密度的增加而增加。為保證焊接過(guò)程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)際操作中一般通過(guò)工裝的高低調(diào)整來(lái)保證各品種齒輪間的工作距離保持一致，這樣既能縮短調(diào)試時(shí)間，又減少了對(duì)焦過(guò)程中人為因素的干擾，可提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。

當(dāng)焦點(diǎn)位于工件上方時(shí)稱為上聚焦；位于工件表面時(shí)稱為表面聚焦；在工件內(nèi)部時(shí)稱為下聚焦。在電子束焦點(diǎn)位置附近存在著一段束斑點(diǎn)大小變化不大、功率密度幾乎相等的活性區(qū)。當(dāng)工件處于活性區(qū)的不同范圍內(nèi)進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫橫截面的形狀和熔深會(huì)有所區(qū)別，如圖2所示。當(dāng)活性區(qū)位于工件表面以下時(shí)，可以在束功率相同的情況下獲得較大的焊縫熔深；當(dāng)齒輪的焊深小于10mm時(shí)，采用表面焦即可；當(dāng)焊深大于6mm時(shí)，可以將焦點(diǎn)位置稍下沉熔深的20%～30%。

圖2 活性區(qū)在不同位置時(shí)焊縫成形情況

真空室中真空度的降低導(dǎo)致電子束產(chǎn)生散射、束斑變寬，影響焊縫的深度、寬度和截面形狀。此外，低真空時(shí)導(dǎo)致能量密度降低，使被焊材料的熱影響區(qū)加寬。因此，焊接時(shí)若想獲得窄而深的焊縫，工作室真空度越高越好。但真空度超過(guò)0.01～0.10Pa后，對(duì)電子束的散射作用已不明顯，卻會(huì)使設(shè)備成本增加、生產(chǎn)率下降。

3 常見(jiàn)焊接缺陷與防治措施

電子束焊縫的外部和內(nèi)部缺陷主要有焊瘤、咬邊、弧坑、焊縫表面下陷、未焊透、氣孔、熔池根部缺陷及裂紋等，此外電子束焊縫特有的缺陷有由于剩磁或干擾磁場(chǎng)造成的焊道偏離等[4]。

焊瘤有局部的、也有在焊縫全長(zhǎng)內(nèi)呈周期性忽高忽低的。焊瘤常和未焊透、咬邊、表面下陷或內(nèi)部氣孔等缺陷同時(shí)發(fā)生。為防止產(chǎn)生焊瘤，應(yīng)選擇合理的焊接規(guī)范參數(shù)，尤其是焊接速度要控制在允許范圍內(nèi)。

電子束焊接通常不填充焊料，在焊縫兩側(cè)很容易形成咬邊缺陷，尤其是在穿透焊和高速焊接時(shí)更為嚴(yán)重。為避免該缺陷，應(yīng)選擇較小的焊接線速度和焊接束流；由于電子槍合軸不良產(chǎn)生的咬邊要分析原因，一般可能是燈絲裝卡不正造成的，可以重新檢查燈絲夾具和胎具，如仍不能解決問(wèn)題，則要重新調(diào)整槍體的合軸系統(tǒng)。

弧坑是電子束焊接過(guò)程中束流突然中斷或束流啟停時(shí)上升、下降過(guò)快造成的。為避免該缺陷，應(yīng)合理選擇束流上升時(shí)間和下降時(shí)間，防止電子束突然中斷；應(yīng)保持電子槍清潔、防止污染、避免由于放電導(dǎo)致的束流突然中斷。

當(dāng)束流過(guò)大、焊速過(guò)慢、焊縫間隙過(guò)大和焊縫邊緣倒角過(guò)大時(shí)，由于金屬的自重和金屬蒸氣的反作用力造成下陷。為避免產(chǎn)生這種缺陷，焊前需作好參數(shù)試驗(yàn)，選擇參數(shù)時(shí)應(yīng)盡量用較快的焊速，加快焊縫金屬的冷卻速度。

未焊透的原因主要有電子束線能量不夠、焊接參數(shù)配合不當(dāng)及電子束落點(diǎn)在焊縫全長(zhǎng)內(nèi)與焊縫有位置偏差等。未焊透大多數(shù)情況下是一種隱藏缺陷，因此在制定工藝時(shí)要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，另外焊前需調(diào)整好焊縫軌跡、嚴(yán)格清洗工件并保證無(wú)磁。

由于金屬結(jié)晶速度快，導(dǎo)致氣體未能完全從金屬中溢出而造成氣孔。氣孔在焊縫中有的均勻分布、有的單獨(dú)存在。要避免氣孔，焊件必須嚴(yán)格清洗并經(jīng)烘干處理，盡量不選用含氫、氮及氧等成分較高的材料。

在不穿透焊縫中，熔池根部缺陷與焊接時(shí)熔池的形成和金屬的流動(dòng)有密切關(guān)系，熔池越深越容易出現(xiàn)根部缺陷。電子束做圓形掃描有利于消除熔深不均；改變電子束焦點(diǎn)在工件內(nèi)的位置也會(huì)影響熔深及其均勻程度；適當(dāng)?shù)厣⒔箍杉訉捄缚p，有利于消除或減少熔深不均。

裂紋按其發(fā)生機(jī)理可分為熱裂紋和冷裂紋兩類。熱裂紋是在焊縫金屬由液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中產(chǎn)生的，如焊件中存在硫及磷等雜質(zhì)過(guò)多就容易產(chǎn)生熱裂紋。冷裂紋是在焊縫冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的，如含碳較高或合金元素較多就容易出現(xiàn)冷裂紋。一般，材料的碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，基本不會(huì)產(chǎn)生裂紋，而當(dāng)材料的碳當(dāng)量大于0.6%時(shí)，裂紋就很難完全避免。焊縫中含有過(guò)多的氫，也是導(dǎo)致冷裂的主要原因之一。

焊偏的發(fā)生除磁場(chǎng)干擾外，電子束焊縫窄也是其中一個(gè)原因，稍微對(duì)不準(zhǔn)、焊件裝夾不到位或夾具松動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致焊偏。

4 結(jié)束語(yǔ)

零件的電子束焊接要求盡量選用雜質(zhì)少、可焊性好的材料；避免采用含碳量較高的材料，并且在淬火之前施焊；如果不得已要焊接含碳量高的材料，則應(yīng)在工藝上采用相應(yīng)的措施，如預(yù)熱及緩冷等，還要根據(jù)實(shí)際情況選用合適的電子束焊接參數(shù)，盡可能減少焊接應(yīng)力。

[1] 徐衛(wèi)權(quán).電子束焊接的理論焊接深度計(jì)算[J].汽車齒輪,2007,(3):22～23.

[2] 劉春飛,張益坤.電子束焊接技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及展望(Ⅰ)[J].航天制造技術(shù),2003,(1):33～36.

[3] 陳芙蓉,霍立興,張玉鳳.電子束焊接技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].電子工藝技術(shù),2002,23(2):56～58.

[4] 陳明儀,丁立軍,王蘭維.電子束焊接齒輪的實(shí)踐應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),1999,(4):42～43.