電子束焊接缺陷產生機理及原因分析

李強，楊冬，王大勇

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

電子束焊接缺陷產生機理及原因分析

李強，楊冬，王大勇

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

文章對電子束焊接過程中氣孔和裂紋的產生原因進行了分析，并提出了相應的解決措施。

電子束焊接，氣孔，裂紋

0　引言

電子束焊接具有變形小、熱影響區窄、接頭性能優良等優點［1-8］，為此公司部分隔板產品采用了電子束焊接結構。但真空電子束焊接和其他熔焊方法一樣，當工藝參數不正確或工藝不當時，電子束焊接頭也會出現未熔合、咬邊、焊縫下陷、氣孔、裂紋、長空洞、熔深不均等缺陷。除此之外，在電子束焊接中還出現了一些深熔焊中所獨有的缺陷如釘尖氣孔、焊偏等［9］。本文主要針對在焊接試驗中出現的氣孔、裂紋缺陷進行探討和分析。

1　氣孔產生的原因分析及減少氣孔的工藝措施

1.1氣孔產生的原因

電子束焊接是一個復雜的冶金過程，焊接質量的好壞以及產生氣孔的大小、數量，不僅與材料本身的化學成分、微量元素及雜質含量有關，而且與零件的狀態、接頭表面粗糙度、焊前的清潔度及焊接規范等有關。

本文在進行12%Cr馬氏體不銹鋼真空電子束焊接試驗時，在焊縫的縱剖面上，可見到焊縫底部是凹凸不平的 “釘形”，而釘形的產生往往伴隨有根部氣 （縮）孔的形成過程 （見圖1）。

從圖2所示的電子束焊縫的縱切面可以看出，熔化帶的基礎由許多狹窄的針狀熔化金屬構成，有些金屬針之間有孔洞，因此，稱作 “峰值效應”或 “焊根峰值”。這是電子束深熔焊的一種特有缺陷，主要是由于電子束功率的脈動造成的。在電子束焊接過程中，在材料中形成的適合焊接的蒸汽匙孔和熔化金屬或多或少具有固定形狀，但是，當焊接速度慢，或是進行部分熔透電子束焊時，就可觀察到某一特殊的穩定性。在這些情況中，蒸汽壓力不能使熔化物維持特定的形狀，熔化金屬向外膨出，塌陷并掉入匙孔的底部。這樣，匙孔的深度就會減少，它的幾何面積以及涉及到的物理力全部消失。只有工件的前進才能重塑匙孔，然后它又開始了導致熔化金屬新塌陷的過程。

圖1　電子束焊縫釘形的形成過程［10］

圖2　部分熔透焊根部的縱切面

塌陷的熔化金屬也能阻塞一部分匙孔。隨著凝固的快速產生，這一部分將和熔化材料分開，當蒸汽濃縮后，匙孔將不再填滿熔化材料。由于它的密集，且呈釘尖狀，造成應力集中，最終可能在使用時引起破壞。為了避免這種缺陷，可加墊板或采用梯形底接頭 （鎖底接頭），將缺陷引出受力部位或改為全熔透焊縫。

1.2氣孔成因的影響因素及分析

1.2.1深熔焊機理對氣孔的影響

電子束焊時，高速電子流轟擊焊件表面時被轟擊的表層溫度很高，表層金屬迅速被熔化，表層高溫還可向焊件深層傳導，由于界面上的傳熱速度低于內部，因而焊件呈現出圖3（a）所示的趨向深層的等溫線。

在束斑直徑縮得足夠小時，功率密度分布曲線變得窄而陡，熱傳導等溫線便向深層擴散，形成窄而深的加熱模式 （見圖3（b））。從而可以得出一個基本結論：提高電子束的功率密度可以增加穿透深度。但是在這種情況下，焊接缺陷，尤其是氣孔的產生傾向也越大。當電子束功率增大時，焊接區的等溫線陡然加深，從而形成窄而深的焊縫，對減小焊接熱影響區是非常有利的，但對焊縫中氣體的逸出十分不利，因而，不能盲目用增加功率的方式來增加熔深［11］。

圖3　電子束轟擊金屬熱傳導等溫線示意圖

1.2.2不同焊速下“匙孔”與熔池的形貌對氣孔的影響

在不同的焊接速度下 “匙孔”與熔池的形貌呈現出明顯的區別 （見圖4）。當焊接速度快時，熔池的形貌變得非常狹窄，熔池表面積減小，所以選用慢的焊速更有利于氣體的逸出［12］。

圖4　相同功率、不同焊接速度下，　“匙孔”與熔池的形貌［13］

1.2.3電子束動態偏轉對氣孔的影響

氣孔產生的一個重要因素是對熔池的攪拌不充分。若熔池攪拌緩和，則不利于深層氣孔充分逸出；若攪拌劇烈，氣孔則容易逸出。在前期的試驗過程中，不采用動態偏轉與采用動態偏轉的焊縫相比，根部氣孔出現的機率要大。也有研究表明，采用 “∞”型的電子束偏轉比采用 “”型電子束偏轉使熔池的攪拌更加劇烈；若采用更復雜的組合函數圖形，對氣孔的逸出更為有利。

1.2.4母材對氣孔的影響

電子束焊一般不添加任何填充材料，因此無法改變熔池的金屬成分以減少焊縫氣孔的形成；同時，電子束焊是在真空度相當高的情況下進行的，所以由空氣引起的氣孔基本上不存在。除工藝方法外，試件母材不純、雜質含量較高也是試件焊接時產生氣孔的主要原因。這是因為在熔池高溫作用下，這些雜質元素氣化和逸出形成一個個微小的氣孔源，當這些氣孔源越來越多，在表面張力及熔池的流動等共同作用下，這些微小的氣孔最終匯聚在一起，從而形成了較大的氣孔。較大氣孔形成以后，在還未來得及逃逸時，電子束就離開了已熔化區域，焊縫中就形成了氣孔缺陷。

1.3減少氣孔的焊接工藝措施

1.3.1選擇較大的電子束斑

較大的電子束斑可以使熔池的體積增大，熔池的表面積也相應增大，有利于焊縫中已經形成的氣孔逃逸出熔池的表面，從而達到消除氣孔的目的。

1.3.2電子束偏擺掃描法

通過函數發生器或微機，控制偏轉線圈，使電子束按一定的波形、振幅和頻率偏擺，熔池受到攪拌，有利于氣體的排除；同時偏擺掃描能改變匙孔中輸入能量的分布，破壞非穿透焊縫釘形等根部缺陷的形成條件，可消除釘形、減少氣孔、改善焊縫成型。不加偏擺掃描時，焊縫根部變化劇烈，焊縫中氣孔粗大，數量多，氣孔多集中于焊縫根部一帶。根據文獻介紹，當加 “∞”形偏擺，頻率為300 Hz時，隨偏擺幅值的增加，焊縫根部變化逐漸平緩，熔深變淺，氣孔的數量和尺寸逐漸減少。

1.3.3低焊速法

適當降低焊接速度，可使熔池停留時間增加，氣體得以排出，從而減少氣孔率 （見圖5）。

圖5　焊速與氣孔率的關系

1.3.4選擇含氣量低的母材

試驗表明：母材含氣量越低，焊縫中出現的氣孔就越少。關于含氣量多少為合格，目前沒有一個國際或國內標準，但從試驗結果來看，母材的氮、氫、氧三種氣體含量總和不應超過200 ppm，單項指標不應超過 100 ppm。母材的氮、氫、氧三種氣體含量總和在200 ppm～300 ppm尚能焊接，但氣孔缺陷明顯增多，超過300 ppm將出現大量氣孔缺陷，同時也可能伴隨著產生裂紋。

2　裂紋產生的原因分析及防止裂紋的措施

2.1裂紋產生的原因

裂紋產生的機理與類型和其他熔焊方法類似，但一般來說電子束焊時裂紋的傾向要小些。在電子束焊接試驗過程中，產生過焊縫金屬中心結晶裂紋 （見圖6）。

高溫裂紋具有沿晶斷裂的性質，產生的原因是由于金屬的塑性應變超過了金屬晶間的塑性變形能力，即：

式中：

ε—高溫階段晶間所具有的塑性應變量；

δmin—高溫階段晶間所具有的塑性。

圖6　裂紋

ε與δmin的對應關系決定了是否會產生焊接熱裂紋。影響焊接熱裂紋產生的因素有兩個：冶金因素和力學因素。從冶金因素上來說，某些元素在晶界區偏聚和析出，以及在重新加熱的條件下晶間物質 （共晶或第二相）的熔化是裂紋形成的前提。從力學因素上說，陡變的溫度梯度、快速的熱應變為高溫階段晶間金屬開裂行為提供了必要條件［14］。文獻［15］、［16］通過有限元模型計算得出，在焊縫及近縫區很窄的區域內，存在著數值接近材料屈服極限的縱向殘余拉應力，而表面的橫向殘余應力則為壓應力，且殘余應力在厚度上呈不均勻分布。本文涉及到的電子束試件厚度較大、焊縫最大深度達60 mm，焊后應力分布狀態更加復雜，誘發高溫裂紋的因素更多。

此外，電子束焊接熱裂紋還與焊接速度、焊接順序和焦點位置有關。焊接速度太慢，焊縫會比較寬，高溫停留時間較長，使得液態焊縫存在的時間增加，加上低熔點共晶或第二相的影響而增加了結晶溫度區間，焊縫容易出現熱裂紋；同理，焊接順序不對，也會造成焊接熱量過度集中導致產生熱裂紋；而焦點位置處于工件表面附近，則會使焊縫出現兩頭小中間大 （俗稱 “鼓肚子”）現象，這樣焊縫深度方向兩頭先凝固結晶，中間部位最后凝固，同樣會因低熔點共晶物的影響產生結晶裂紋。

對于焊縫冷裂紋的產生機理與常規的焊接冷裂紋形成機理基本一樣，與焊接材料的淬硬傾向和焊接速度等參數有關。相對常規焊接來講，同樣的材料，由于焊接熱輸入非常集中，熱影響區寬度小，電子束焊接更不容易產生冷裂紋，但焊接速度對冷裂紋的影響比較大，焊接速度過快，使焊縫冷卻加快，對于淬硬傾向大的材料容易出現大量的淬硬馬氏體組織，從而導致冷裂紋的產生。

2.2防止裂紋產生的措施

2.2.1焊接熱裂紋的控制

（1）采用冶金措施控制易形成低熔點共晶物的有害元素S、P、Si等的含量和改善焊縫金屬的一次結晶。

（2）從工藝角度來看，采用擺動電子束、散焦電子束辦法 （調節焊縫截面形狀）來防止裂紋的產生。

（3）控制焊接速度和調整焊接順序，盡量減少工件過熱，縮短焊縫高溫停留時間。即，采用相對較快的焊接速度和跳焊 （焊完一條環縫后，不能緊接著焊旁邊的焊縫，應至少間隔一條再焊）。

2.2.2焊接冷裂紋的控制

由于電子束焊接沒有焊接材料的填充，從焊接材料上控制冷裂紋是不現實的，主要措施還是要從工藝上著手。

（1）對于母材，要控制對冷裂紋有害元素C、Mo、V、B等的含量，以降低裂紋敏感指數，改善母材的抗裂性能。

（2）對于淬硬傾向比較大的材料，可以采用電子束散焦預熱，焊后在真空室保溫緩冷，出真空室后及時進行去應力熱處理等。

（3）裝配和焊前均應嚴格清理油污、水分等雜物。

（4）控制焊接速度也顯得非常重要，一般采用較慢的焊接速度施焊有助于防止冷裂紋的產生。

3　結論

（1）本文分析了電子束焊接過程中氣孔的成因及影響因素，在此基礎上提出了減少氣孔的焊接工藝措施。

（2）本文分析了電子束焊接過程中冷、熱裂紋產生的原因，并據此提出了防止裂紋產生的措施。

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Analysis of the Generation Mechanism and Reasons of the Electron Beam Welding Defects

Li Qiang，Yang Dong，Wang Dayong

（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper analyzes reasons of pore and crack in the process of electron beam welding，and proposes measures to solve problems.

electron beam welding，pore，crack

TG456

A

1674-9987（2015）02-0048-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.010

李強 （1977-），男，工程師，主要從事隔板焊接技術、生產管理工作。