平板對接接頭電子束焊接殘余應力研究

鄭岳

【摘 要】電子束焊接由于化學成分純凈，焊接接頭熱影響區小以及焊接變形小，而成為金屬連接的首選方法。電子束焊接屬于局部短時高溫加熱，焊縫窄而深，在焊接過程中會產生相當大的焊接應力，并在焊后形成殘余應力，對結構的安全使用具有重要的影響。平板對接接頭是焊接接頭中最常見的接頭形式，研究平板對接接頭的殘余應力是研究其它復雜焊接接頭殘余應力的基礎。文章重點就平板對接接頭電子束焊接殘余應力相關問題進行研究分析，以供參考和借鑒。

【關鍵詞】平板對接；電子束焊接；殘余應力；研究

電子束焊接作為一種先進的連接技術，在我國制造業中蘊藏著巨大的應用潛力和廣闊的開發空間。焊接殘余應力是影響構件強度和壽命的主要因素之一，電子束焊接屬于局部短時高溫加熱，焊縫窄而深，在焊接過程中會產生相當大的焊接應力，并在焊后形成殘余應力，對結構的安全使用具有重要的影響。

一、電子束焊接概述

電子束焊接是用極致密的高速電子打到被焊金屬上，使其加熱、熔化、冷卻結晶，從而形成焊縫的一種新型焊接工藝，它是電子束加工技術中發展最快、應用最廣的一種，當下已成為工業生產中的重要特種工藝。近十年來在工業中的應用發展迅速，電子束在真空環境中通過電子槍產生的，電子槍通常由陰極、聚束極和陽極組成。電子是以熱發射或場致發射的方式從陰極射出，在25-300kV的加速電壓的作用下，電子被加速到0.3-0.7倍的光速，具有一定的動能，經電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，電子會聚成功率密度很高的電子束。電子束焊接過程中正是由功率密度極高的高速電子流與工件碰撞時，電子與金屬晶格的整體也與金屬原子、分子和電子的相互作用，電子的動能轉化成熱能，使被轟擊的材料升溫熔化，達到焊接的目的。電子束作為焊接熱源有兩個明顯特點，即功率密度高和精確快速的可控性。基于上述特點和焊接時的真空條件，以電子束作為高能密度熱源的電子束焊接，具有很多優于傳統焊接工藝的特點：第一，可獲得窄而深的穿透型熔化焊縫，其深寬比可達60：1，焊接厚板時可不開坡口，不填充金屬，實現一次焊成，相對比傳統焊法可節省輔助材料和能源消耗；第二，焊接速度快，對材料熱輸入少，熱影響區窄，焊接變形小，對精加工可用其作為最后連接工序；第三，在真空中進行焊接可使氫、氧、氮等有害氣體，對金屬污染程度降至最低，且有利于焊縫金屬的凈化，所以很適于焊接活潑金屬；第四，電子束在真空中傳輸較遠，約500m的位置上可進行焊接，所以可以焊接難以接近部位的焊縫；第五，可以準確地控制焊接參數，便于電子束偏移，實現復雜接縫的自動焊接，可以通過電子束掃描熔池消除缺陷，提高接頭質量；第六，可焊材料多，不僅能焊金屬和異種金屬材料的接頭，也可以焊非金屬材料；第七，可簡化加工工藝，利用電子束的穿透性，對多層薄板可進行疊合一次焊接。

二、電子束焊接技術發展研究

電子束焊接技術起源于德國，1948年德國物理學家首先發明了第一臺電子束焊接設備，1954年法國的斯托格博士用自行研制一臺電子束焊接裝置，為法國原子能委員會成功焊接了核反應堆燃料包殼。進入二十世紀七八年代，隨著電子束焊接技術日趨成熟，以及電子束焊接設備穩定性和操作過程自動化程度的提高，電子束焊接技術不再牢固立足于尖端工業中，而是迅速普及擴大到一般機械制造業，特別是在大批量生產行業（汽車、軸承、工具制造業等）獲得了迅速推廣應用。1966年日本富士重工首先用電子束焊接汽車變速箱齒輪，到上世紀80年代末90年代初，電子束焊接進入了成熟和平穩發展期，全球的電子束焊機已達4000臺。進入二十一世紀，隨著人類活動空間向太空的進一步擴展，電子束焊接技術的應用也將從地面擴展到太空。電子束技術在空間結構焊接和加工中的作用將為人們進一步認識和發展，并將發揮重要作用。20世紀60年代初，國內開始跟蹤世界電子束焊接技術的發展，進行了電子束焊接設備及工藝的研究工作。北京航空制造工程研究所、廣西桂林電器科學研究所及中科院沈陽金屬研究所，均為最早開展此項工作的單位。進入20世紀80年代以后，我國多家科研單位及大型工業企業引進了國外的先進電子束焊接設備，使我國的電子束焊接技術在研究與應用上逐步發展壯大。我國電子束焊接技術已廣泛應用于汽車工業、齒輪加工業、精密儀器及電子儀表制造業、電工電能領域和航空航天領域的制造及維修業。

三、平板對接接頭電子束焊接殘余應力檢測方法研究

經過70余年的發展，目前已有多種可適于多種場合的檢測方法，一般分為應力釋放法和其他方法。國外很多學者一般都采用X射線衍射法、中子衍射法來測定電子束焊接接頭的殘余應力，如Huang采用多曝光X射線衍射法成功地測量了SAE4130鋼電子束焊接及其焊后熱處理兩種接頭的殘余應力的大小和分布。而Stone同樣把X射線衍射法和中子法應用到了WASPALOY合金電子束焊板的殘余應力的測量上，這些非破壞性方法，如X射線衍射法和中子法雖然對實際結構沒有破壞影響，但它需要昂貴的實驗設備，測試技術要求也較高，而且只能測量工件表面的應力，所以其廣泛應用有一定困難。應力釋放法是通過全部或局部釋放殘余應力，觀測應變，反推殘余應力分布，具有一定的破壞性，主要有切條、逐層切削、盲孔（小孔）等方法。因對結構有不同程度的破壞，故多用于實驗室研究。盲孔法是應力釋放法中的一種，就是在應力場中鉆一個小孔，應力平衡被打破，則鉆孔周圍的應力將重新調整。測得附近的應力，就可用彈性力學方法計算出小孔處的應力。盲孔法由馬澤—蘇埃特鉆孔法，即小孔法演變而來，因破壞性較小而應用較多，但其力學基礎方面還存在一定問題，需要標定，同時測取數據的適宜時間還有待于進一步研究。此法可用于實驗室及現場，可用于水平、垂直及仰視表面，優點是原理簡單，對試件損害較小，適用于焊縫及鄰近材料；缺點是鉆孔引起孔周邊緣塑性變形，影響測量結果，因此采用此法必須十分小心。近年來，國內外學者曾用小孔法、切削法、沖擊壓痕法、聲彈性法等研究焊接接頭近縫區的殘余應力應變，如M.E.S.AbdelMoneim等曾用切削法對銅鋁管的摩擦焊接殘余應力應變作了研究。90年代初，隨著光學技術的飛速發展，人們研究用各種光測方法并引用近代先進手段進一步深入研究焊接接頭的殘余應力應變，如高頻光柵、莫爾條紋、激光全息散斑等，近年來采用激光全息的方法在研究焊接后的殘余應力應變方面作了一定的工作。

四、結束語

綜上所述，電子束焊接的加熱方式為獨特的高能束流沖擊方式，雖然構件變形范圍很小，但其焊接殘余應力由于溫度梯度大而可能達到很高的數值。殘余應力對焊接構件的強度有重要的影響，它是造成焊接構件斷裂、疲勞破壞、應力腐蝕的重要因素。因此，必須通過實驗手段來弄清楚殘余應力的大小和分布，為焊接構件的設計和數值模擬提供依據和驗證。

【參考文獻】

[1]吳愛萍，李艷軍，趙玥，李權，朱瑞燦，劉磊，鄒貴生，王國慶.Ti_2AlNb合金電子束焊接接頭的殘余應力與再熱裂紋[J].航空制造技術，2018，61（08）：26-35.

[2]郭桂芳.鋁及鋁合金電子束焊接殘余應力的實測與模擬[D].內蒙古工業大學，2005.

[3]劉敏，陳士煊，陳勇，康繼東.鈦合金電子束焊接應力分析的有限元模型[J].焊接學報，2004（06）：62-65+131-132.