焊接結(jié)構(gòu)對真空電子束焊焊接氣孔的影響

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 前言

電子束焊接（Electron Beam Welding）除具有輸入能量密度高、加熱面積小、焊接速度快、焊縫熱影響區(qū)窄、工件變形小等特點外，還具有電子束穿透深、焊縫深寬比大、電子束控制方便以及真空環(huán)境中焊縫不受污染等特點。電子束焊接適用于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。涉及的材料有高熔點金屬、高彈性合金、不銹鋼、高強鋼、有色金屬及其合金和陶瓷等非金屬材料；涉及的工件結(jié)構(gòu)多種多樣，以中小型精密零件為主。

本研究從電磁閥、推力器的焊接實例入手，討論影響電子束焊接質(zhì)量的幾個工藝因素。焊接接頭經(jīng)CT探傷后發(fā)現(xiàn)，影響焊縫強度的主要因素為焊縫內(nèi)部的氣孔缺陷。因此，為了保證焊接接頭的力學(xué)性能，分析焊縫內(nèi)部氣孔的成因及防止措施是本研究探討的重點。

1 焊縫結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)難點分析

1.1 焊縫結(jié)構(gòu)特點

焊接材料的化學(xué)成分如表1所示。焊縫結(jié)構(gòu)均為鎖底結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電磁閥主要由不銹鋼和軟磁合金兩種材料組成，推力器主要由鈮合金和鈦合金兩種材料組成。由圖1a可知，結(jié)構(gòu)件本身存在封閉的內(nèi)腔，圖1b中焊縫A、B、C結(jié)構(gòu)下面有退刀槽。但是焊縫B相比于焊縫A、C距離退刀槽較遠(yuǎn)，圖1c有推力器焊接結(jié)構(gòu)清根后造成的空腔。

表1 焊接材料的化學(xué)成分

圖1 結(jié)構(gòu)件的焊接結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)難點

在焊接上述結(jié)構(gòu)件過程中可觀察到熔池熔滴飛濺、焊縫凹陷（見圖2a），產(chǎn)品要求焊縫表面與基本金屬接近齊平。同時，結(jié)構(gòu)件焊接后，焊縫容易存在氣孔（見圖2b、2c）等缺陷，對于推力器產(chǎn)品的焊縫，必須經(jīng)過補焊才能進(jìn)一步提高產(chǎn)品合格率。重復(fù)焊接使焊縫的熱輸入增大，可以修飾焊縫表面和消除表層氣孔。但是多次重熔容易造成焊接接頭晶粒粗大、合金元素（特別是易揮發(fā)元素）的燒損，影響焊縫的強度和塑性，因此不能多次重復(fù)焊接。但是對于焊縫A、C，補焊無法消除焊接氣孔（見圖2d）。

因此，必須從結(jié)構(gòu)件本身的結(jié)構(gòu)特點以及焊縫接頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析焊接缺陷產(chǎn)生原因，提高一次焊接合格率，避免補焊，提高生產(chǎn)效率。

2 解決措施

為了使電子束焊接方法成為焊接結(jié)構(gòu)件的重要加工手段，應(yīng)提高焊縫質(zhì)量，杜絕焊接氣孔的存在，減少有益元素的燒損，使焊縫金屬得到合適的化學(xué)成分。因此，應(yīng)加強焊接區(qū)金屬的保護(hù)，使其不受到氧化、氮化等有害作用。

由于電子束焊接是在真空度高于0.1 Pa的真空室內(nèi)進(jìn)行，氣體只可能來自焊接結(jié)構(gòu)件。焊接區(qū)域存在大量有機物，有機物分解形成氣體，同時由于焊接速度快、熱輸入量小，氣體來不及從熔池逸出，造成焊接氣孔，嚴(yán)重影響焊接接頭的力學(xué)性能。從焊接結(jié)構(gòu)可以看出，密閉空間中存在著大量空氣，這可能是焊接氣孔產(chǎn)生的主要原因之一。為防止焊縫氣孔，可從以下4個方面著手：（1）合理使用潤滑油，增加焊接區(qū)域的清潔度；（2）排除密閉內(nèi)腔的氣體，減少空氣在焊接結(jié)構(gòu)件中的含量；（3）改進(jìn)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，使密閉空間遠(yuǎn)離焊縫，避免影響焊縫質(zhì)量；（4）提高加工精度，避免清根留下空腔。

2.1 焊縫區(qū)域的清潔

真空電子束焊對零件焊接面的清洗要求較高。由于電子束焊接過程中將金屬加熱成金屬蒸汽，同時焊縫表面的夾雜、油、銹、水等也被加熱蒸發(fā)形成蒸汽，在焊接過程中這些蒸汽共同填滿焊縫，造成氣孔、夾渣等缺陷，影響焊接質(zhì)量。因此應(yīng)增加焊縫區(qū)域的清潔度，防止留有油、夾雜和水。

圖2 焊縫焊接缺陷照片

在以前的產(chǎn)品裝配過程中潤滑油使用過多，導(dǎo)致其在焊縫區(qū)域的吸附較多，影響焊接質(zhì)量。因此在滿足加工條件下，合理減少潤滑油的使用量，有利于提高產(chǎn)品焊縫區(qū)清潔度，從而減少焊接過程中潤滑油受熱分解產(chǎn)生氣體進(jìn)入焊接金屬熔池，形成焊接氣孔。對于真空電子束焊接設(shè)備，焊件表面的清理要求更加嚴(yán)格，否則不僅會導(dǎo)致焊縫缺陷和機械性能劣化，而且影響抽氣時間與焊槍運行穩(wěn)定性，同時加劇真空泵油的老化。

2.2 焊縫區(qū)精確加工

電子束焊接熱源的熱流沿厚度方向施加影響，產(chǎn)生較大的焊縫深寬比，是一種體積分布熱源。熔池的溫度分布很不均勻，前半部分因高溫而進(jìn)行金屬熔化、氣體吸收有利于吸熱反應(yīng)，熔池的后半部分由于溫度下降而進(jìn)行金屬凝固、氣體逸出，有利于放熱反應(yīng)。

焊縫連接處在材料加工過程中存在清根留下的空腔，造成連接處下部結(jié)合不緊密，留有配合間隙，存在大量氣體，焊接過程中這些氣體在溫度場的影響下加熱膨脹并形成氣流吹向熔池，同時，液態(tài)金屬溶解氣體量隨著溫度的升高進(jìn)一步增加。熔池的液態(tài)金屬吸收周圍的氣體，并與周圍空氣發(fā)生激烈的相互作用使得焊縫金屬中的氧、氮含量顯著增加，當(dāng)焊縫金屬凝固時，超過溶解極限的氣體就會析出。同時，有益元素因燒損和蒸發(fā)而減少，致使焊縫金屬的塑性和韌性急劇下降，并造成熔滴飛濺，從而破壞焊接過程的穩(wěn)定性。待焊工件的接縫區(qū)應(yīng)精確加工，精確加工后的焊縫示意如圖3a所示，連接處無縫連接，避免因存在氣體形成焊接氣孔。

2.3 機械機構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)

從焊縫結(jié)構(gòu)A、B可以看出，環(huán)形焊縫下面有環(huán)形退刀槽，退刀槽內(nèi)含有大量空氣，焊接連接處連接較為緊密，在工作室抽真空過程中不易抽到空腔內(nèi)的氣體，使真空度較低。空氣（主要是N2、O2、H2O等）以及水蒸氣（分解產(chǎn)物有H2、O2等）對焊縫質(zhì)量的影響較大。

圖3 改進(jìn)后的焊接結(jié)構(gòu)示意

從焊接材料成分可以看出，存在與氮發(fā)生作用的金屬，如 Fe、Si、Cr、Ti等，它們既能溶于氮，又能與氮形成穩(wěn)定的氮化物，氮在液態(tài)金屬中的溶解度隨著溫度的升高而增大。

氧來源于水分、空氣，焊接時能與焊接材料中的Al發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)，所形成的氧化物容易造成夾雜、未焊透等缺陷，F(xiàn)e、Ni、Ti等金屬可以有限地溶解氧。在焊接過程中，氧能燒損合金中的有益合金元素，導(dǎo)致焊接金屬性能變壞。

焊接時，氫主要來源于焊接材料中的水分和有機物、周圍空氣中的水分，能夠溶解于 Al、Fe、Ni、Cr等金屬及其合金中，由于氫的作用可能產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致焊接接頭性能變壞。

液態(tài)金屬在高溫時可以溶解大量氣體，而在凝固結(jié)晶時氣體的溶解度突然下降，這時過飽和的氣體以氣泡形式逸出，如果焊縫金屬的結(jié)晶速度大于氣體的逸出速度，就會在焊縫中形成氣泡。為消除氣體對焊接金屬的有害作用，必須改進(jìn)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，加強焊接區(qū)的保護(hù)，防止空氣進(jìn)入焊接區(qū)與液態(tài)金屬發(fā)生作用。

相對于焊縫A，焊縫B結(jié)構(gòu)距離焊接部位較遠(yuǎn)，影響較小，且因整體結(jié)構(gòu)的需要未對其進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的A焊接結(jié)構(gòu)如圖3b所示。

焊后產(chǎn)生的主要焊接缺陷是氣孔，是由于產(chǎn)品內(nèi)密閉空間內(nèi)存在的氣體所致。若采用的焊接工藝參數(shù)和機械結(jié)構(gòu)不當(dāng)，焊縫中會出現(xiàn)大量較為集中的氣孔缺陷。同時，焊縫金屬易下塌，焊縫正面凹陷。為了達(dá)到環(huán)線焊縫最佳焊接效果，焊縫結(jié)構(gòu)和配合間隙的設(shè)計至關(guān)重要，既要考慮結(jié)構(gòu)件在整機中的作用，又必須滿足被焊材料可焊性和具體焊接工藝的要求[5]。因此在實施焊接前，需通過工藝試驗確定合理的結(jié)構(gòu)和間隙尺寸，與工程設(shè)計人員共同討論焊接件的焊縫結(jié)構(gòu)。

2.4 內(nèi)腔呈真空狀態(tài)

電磁閥體為密閉空腔型結(jié)構(gòu)，當(dāng)閥體外部處于高真空狀態(tài)時，內(nèi)部仍然是低真空狀態(tài)，內(nèi)腔空氣不易抽出，焊接時熔池會發(fā)生濺射現(xiàn)象。必須通過通電釋放內(nèi)部的大量氣體，處于高真空狀態(tài)，才能避免氣體對焊縫質(zhì)量的影響。

電子束焊接前首先將工作室內(nèi)抽真空，真空度高于0.1 Pa，然后對電磁閥線圈進(jìn)行通電使閥門打開，排除閥體內(nèi)腔的氣體，開閥門時間約為1 min，否則會對閥體內(nèi)的高分子材料造成影響；接著焊接焊縫A、B，可以獲得滿意的結(jié)果，既能達(dá)到內(nèi)腔呈真空狀態(tài)的目的，又可以保證焊接時不發(fā)生焊縫濺射。

焊縫A、B焊接完成后進(jìn)行CT探傷，發(fā)現(xiàn)焊縫A無氣孔，合格率達(dá)到100%；而焊縫B由于連接區(qū)有退刀槽，雖然距離焊縫較遠(yuǎn)，但是仍然會有影響，其合格率約為90%。然后將焊縫A、B合格的結(jié)構(gòu)件再按照上述步驟進(jìn)行焊縫C的焊接，經(jīng)檢測焊縫C的合格率達(dá)到100%。由于焊縫A、B已經(jīng)焊接完，內(nèi)腔在第一次抽真空后，內(nèi)腔空氣不易抽出，第二次抽真空，真空度明顯降低，達(dá)到0.4 Pa。可見焊接焊縫C時，內(nèi)腔低真空度對焊縫質(zhì)量影響很大。

電磁閥電子束焊焊縫金相照片見圖4，推力器焊縫金相照片見圖5。可以看出，焊接接頭成形良好，焊縫幾何尺寸對稱，其邊緣熔合較好，表面較為平整，避免了飛濺等環(huán)境污染。改進(jìn)后的措施主要解決了焊接氣孔等問題，合格率幾乎達(dá)到100%。

在實踐中探索并綜合分析減少焊接結(jié)構(gòu)件內(nèi)存在密閉空間對焊縫質(zhì)量的影響因素。可以看出焊接時金屬熔池對空氣的敏感度相當(dāng)大，因此應(yīng)盡可能采用高的真空環(huán)境進(jìn)行焊接，有效控制焊縫中氣孔的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

圖4 焊縫A、C改進(jìn)后焊縫金相照片

圖5 推力器焊縫改進(jìn)后金相照片

針對環(huán)縫結(jié)構(gòu)真空電子束焊接在焊接過程中產(chǎn)生焊接氣孔的情況，分析原因為硅油使用不合理、內(nèi)腔未處于真空狀態(tài)、退刀槽的位置不合理以及清根后留有空腔等。采用焊接前提高焊接結(jié)構(gòu)件表面的清潔度、零件內(nèi)的密閉內(nèi)腔通電打開閥門抽真空、退刀槽的位置后移以及提高加工精度等措施，焊縫經(jīng)過CT探傷完全符合技術(shù)要求，焊縫表面光滑美觀，熔合良好，組織致密，無氣孔。既提高了效率，又降低了成本，同時提高了焊接接頭的力學(xué)性能。綜上所述，抑制氣孔缺陷的措施效果明顯。

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