張春柱 楊美周

（江鉆股份公司武漢鉆頭制造廠，湖北 武漢430223）

0 引言

電子束焊接由于具有焊接功率密度高、焊縫深寬比較大（10∶1～50∶1）、熱影響區(qū)及變形小、組織性能好、易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用過程中筆者發(fā)現(xiàn)，車焊皮后的焊縫經(jīng)常出現(xiàn)密集氣孔，給節(jié)奏緊的生產(chǎn)帶來了很大的困擾。通過長期的生產(chǎn)跟蹤，結(jié)合缺陷產(chǎn)生的理論知識(shí)，筆者對(duì)氣孔的產(chǎn)生因素進(jìn)行了分析，并提出預(yù)防措施，取得了良好的效果。

1 氣孔產(chǎn)生機(jī)理

1.1 匙孔振蕩模式

電子束焊接的工作原理是：高速電子束流轟擊工件，將電子束動(dòng)能轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)能，使工件快速升溫，熔化并氣化母材，液態(tài)金屬在金屬蒸汽流的反沖作用力下形成凹陷的“匙孔”（圖1）；液態(tài)金屬在多種驅(qū)動(dòng)力的作用下流動(dòng)，最終形成焊縫。

圖1 匙孔模型

Sehauer的匙孔振蕩模型理論（圖2）指出：平穩(wěn)的小頻率振蕩是匙孔平衡系統(tǒng)固有的特征，大頻率的振蕩是缺陷產(chǎn)生的原因所在［1－2］。

圖2 匙孔振蕩模式

1.2 氣孔產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)匙孔振蕩模式的原理，當(dāng)匙孔出現(xiàn)波動(dòng)后，局部區(qū)域附近液態(tài)金屬都向“突起”位置流動(dòng)。當(dāng)“突起”形成后，隨著焊接過程的進(jìn)行會(huì)表現(xiàn)出兩個(gè)特征。一是“突起”繼續(xù)變大，直至完全隔斷入射的電子束，導(dǎo)致氣孔缺陷，該過程中形成的氣孔分布在焊縫中部，而且體積較大［3］。

另外，由于突起對(duì)電子束的吸收，導(dǎo)致熱量積聚，突起部位金屬強(qiáng)烈蒸發(fā)，在強(qiáng)烈的金屬蒸汽反沖壓力作用下，匙孔壁面恢復(fù)平滑狀態(tài)，如果局部蒸發(fā)劇烈，導(dǎo)致作用在“突起”上的反沖壓力過大，可能導(dǎo)致局部的內(nèi)陷，形成凹面，隨著凹面的長大最終成為一個(gè)氣體球，在焊縫凝固過程中殘留的氣體球成為氣孔缺陷，此時(shí)氣孔往往分布于焊縫兩側(cè)，且體積較小。

2 氣孔產(chǎn)生的現(xiàn)實(shí)因素

2.1 焊縫間隙

在跟蹤分析氣孔產(chǎn)生原因的過程中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)有3件產(chǎn)品出現(xiàn)大量焊縫氣孔，焊接記錄顯示它們的焊縫間隙普遍＞0.20mm，其中名稱為SR001的焊縫間隙更是達(dá)到了0.30mm，如表1所示。

表1 焊縫間隙

對(duì)此，筆者進(jìn)行了兩次模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)樣件焊縫間隙控制在0.02mm以內(nèi)，樣件結(jié)構(gòu)和尺寸同產(chǎn)品連接結(jié)構(gòu)相同，焊接參數(shù)和產(chǎn)品焊接參數(shù)相同。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)樣件焊接氣孔情況

試驗(yàn)樣件焊接結(jié)果顯示，當(dāng)焊縫間隙＜0.02mm時(shí)，可有效控制氣孔產(chǎn)生。

模擬試驗(yàn)后，筆者加強(qiáng)了對(duì)焊縫間隙的控制，將產(chǎn)品焊縫間隙都控制在0.1mm以下，隨后跟蹤統(tǒng)計(jì)的65件產(chǎn)品顯示均未出現(xiàn)密集氣孔缺陷。

2.2 焊接面質(zhì)量

焊接面質(zhì)量指的是焊接面表面凹凸不平，當(dāng)電子束流打在焊接面表面凸起部分時(shí)，凸起部分會(huì)瞬間氣化，形成金屬蒸汽。凹坑由于沒有金屬，無法形成金屬蒸汽或者產(chǎn)生的蒸汽壓力較小。這種蒸汽壓力時(shí)大時(shí)小的振動(dòng)會(huì)引起“匙孔”平衡劇烈振蕩，產(chǎn)生氣孔。

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中有兩種焊接面：（1）車削形成的具有一定粗糙度的機(jī)加工面；（2）噴砂處理形成的毛面。為提高焊接面質(zhì)量，筆者提升了對(duì)表面粗糙鍍的要求，并取消了噴砂工藝，在隨后6個(gè)月的監(jiān)控中未發(fā)現(xiàn)密集氣孔。

3 結(jié)論

通過上述分析得出下列結(jié)論：（1）焊接前應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫間隙，焊縫間隙應(yīng)＜0.1mm，間隙越小越有利于抑制氣孔出現(xiàn)。（2）不能用現(xiàn)行的噴砂工藝清理焊接面，焊接面清理應(yīng)避免產(chǎn)生大的凹凸，保持焊接面平整。

當(dāng)然，引起匙孔劇烈振蕩的因素還有很多，例如設(shè)備發(fā)射電子束的穩(wěn)定性、焊接材料均勻性、焊接面氧化物等都需要嚴(yán)格控制，在此不再一一分析。

［1］Schauer D A.Thermal and dynamic effects in electron beam welding cavities［D］.California：University of California，1977.

［2］Schauer D A，Giedt W H.Prediction of electron beam welding spiking tendency［J］.Welding Journal，1978，57（7）：189－195.

［3］趙勇.基于力學(xué)平衡條件電子束焊接匙孔形態(tài)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.