電子束焊接常見質量問題與控制

高 敏 王東輝

(1.東北電力大學機械工程學院；2.一汽轎車股份有限公司)

零件材料化學成分和熱處理狀態的不同，使其焊接性能有明顯差異。近年來，電子束焊接技術逐漸推廣應用于機械行業中，但在不同程度上存在一些焊接質量問題，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理的基礎上，分析了影響焊縫成形的因素，并給出了常見的電子束焊接缺陷及其防治措施。

1 電子束焊縫的形成機理

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，使其表層溫度達到104℃以上、功率密度達到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[1]。但在常規加速電壓的作用下，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300mm)相比是微不足道的。

當束功率密度低于105W/cm2時，電子束的能量在工件表面將轉換為熱能[2]，由于工件表面的散熱條件較好，通過熱傳導的方式，熔池有向工件深層發展的趨勢，此時焊縫熔深較淺，稱為熔化成形；當束功率密度增大到超過105W/cm2時，焊縫表面金屬迅速熔化且劇烈蒸發，在蒸發反作用力的排斥下，熔池下凹，排開液態金屬而露出新的固態金屬表面，使電子束可以穿透到相當的深度，形成一個細長的束孔。隨著電子束的移動，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揮其深寬比較大的優點[3]。

2 影響焊縫成形的因素

焊接過程中焊接參數的選擇關系到焊接質量。焊接參數主要是指加速電壓、束流、焊接速度、工作距離、焦點位置及真空度等，其數值主要根據零件大小、焊縫深度、允許變形量甚至材料的不同而不同。圖1所示為試驗得出的完全熔透條件下線能量與熔深的關系，對初步選定焊接參數有一定的參考價值。

圖1 完全熔透條件下線能量與熔深的關系

線能量J(J/cm)的計算公式為：

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實際生產情況和經驗靈活掌握。

加速電壓的增加，加大了電子束的功率，同時電子槍的聚焦性能也有所改善，增大了焦點的功率密度，同時還使電子束柱的活性區加長，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，也可使電子光學系統的聚焦性能變壞，又有減小熔深并加大焊縫寬度的趨勢。考慮到焊后變形的要求，對于3～4mm的熔深，束流大約在30～50mA之間；對于6～8mm的熔深，束流大約在50～80mA之間。

在不改變其他參數的情況下，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動態特性的影響。

操作過程中為方便計量，通常取真空室頂部到工件的距離作為工作距離。當工作距離減小后，其他參數不變，為獲得最佳聚焦條件，必須增加聚焦電流，此時焊縫熔深隨功率密度的增加而增加。為保證焊接過程的長期穩定性，實際操作中一般通過工裝的高低調整來保證各品種齒輪間的工作距離保持一致，這樣既能縮短調試時間，又減少了對焦過程中人為因素的干擾，可提高焊接產品的質量穩定性。

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

圖2 活性區在不同位置時焊縫成形情況

真空室中真空度的降低導致電子束產生散射、束斑變寬，影響焊縫的深度、寬度和截面形狀。此外，低真空時導致能量密度降低，使被焊材料的熱影響區加寬。因此，焊接時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0.01～0.10Pa后，對電子束的散射作用已不明顯，卻會使設備成本增加、生產率下降。

3 常見焊接缺陷與防治措施

電子束焊縫的外部和內部缺陷主要有焊瘤、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造成的焊道偏離等[4]。

焊瘤有局部的、也有在焊縫全長內呈周期性忽高忽低的。焊瘤常和未焊透、咬邊、表面下陷或內部氣孔等缺陷同時發生。為防止產生焊瘤，應選擇合理的焊接規范參數，尤其是焊接速度要控制在允許范圍內。

電子束焊接通常不填充焊料，在焊縫兩側很容易形成咬邊缺陷，尤其是在穿透焊和高速焊接時更為嚴重。為避免該缺陷，應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，如仍不能解決問題，則要重新調整槍體的合軸系統。

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

當束流過大、焊速過慢、焊縫間隙過大和焊縫邊緣倒角過大時，由于金屬的自重和金屬蒸氣的反作用力造成下陷。為避免產生這種缺陷，焊前需作好參數試驗，選擇參數時應盡量用較快的焊速，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、焊接參數配合不當及電子束落點在焊縫全長內與焊縫有位置偏差等。未焊透大多數情況下是一種隱藏缺陷，因此在制定工藝時要嚴格控制焊接參數，另外焊前需調整好焊縫軌跡、嚴格清洗工件并保證無磁。

由于金屬結晶速度快，導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、有的單獨存在。要避免氣孔，焊件必須嚴格清洗并經烘干處理，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熔池的形成和金屬的流動有密切關系，熔池越深越容易出現根部缺陷。電子束做圓形掃描有利于消除熔深不均；改變電子束焦點在工件內的位置也會影響熔深及其均勻程度；適當地散焦可加寬焊縫，有利于消除或減少熔深不均。

裂紋按其發生機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到固態轉變的過程中產生的，如焊件中存在硫及磷等雜質過多就容易產生熱裂紋。冷裂紋是在焊縫冷卻過程中產生的，如含碳較高或合金元素較多就容易出現冷裂紋。一般，材料的碳當量小于0.4%時，基本不會產生裂紋，而當材料的碳當量大于0.6%時，裂紋就很難完全避免。焊縫中含有過多的氫，也是導致冷裂的主要原因之一。

焊偏的發生除磁場干擾外，電子束焊縫窄也是其中一個原因，稍微對不準、焊件裝夾不到位或夾具松動就會導致焊偏。

4 結束語

零件的電子束焊接要求盡量選用雜質少、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，則應在工藝上采用相應的措施，如預熱及緩冷等，還要根據實際情況選用合適的電子束焊接參數，盡可能減少焊接應力。

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

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

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

[4] 陳明儀,丁立軍,王蘭維.電子束焊接齒輪的實踐應用[J].機械管理開發,1999,(4):42～43.