奧氏體不銹鋼電子束焊襯底尺寸設(shè)計(jì)

崔春　卿熹　謝海春　黃曉君

【摘 要】電子束焊接常見的帶襯底對(duì)接結(jié)構(gòu)中，襯底的縫隙腐蝕對(duì)焊縫質(zhì)量有直接的影響，需通過研究確定滿足焊接熔深、根部成形等要求的最小的襯底寬度，才有可能減小縫隙腐蝕發(fā)生的幾率。本文研究了奧氏體不銹鋼在10mm和17mm熔深條件下，電子束焊接工藝與襯底尺寸的匹配規(guī)律，通過對(duì)比工藝試驗(yàn)，確定了10mm、17mm熔深的適宜襯底寬度為1mm，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的坡口設(shè)計(jì)提供了技術(shù)輸入。通過對(duì)焊縫進(jìn)行無損和破壞性檢測(cè)，焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】不銹鋼;電子束焊接;襯底結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： V263;TG456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）27-0061-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.026

0 前言

電子束焊接方法被廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域的焊接。其中，對(duì)于平板或圓柱形零件的電子束焊接，襯底結(jié)構(gòu)是一種最普遍的坡口形式[1]。具體的鎖底接頭形式有互字形結(jié)構(gòu)、止口結(jié)構(gòu)以及襯環(huán)結(jié)構(gòu)等[2]，典型結(jié)構(gòu)如圖1。

該類結(jié)構(gòu)的電子束焊接，通常是要求熔深大于H，不允許穿透厚壁零件，且為了避免在圓柱形工件內(nèi)部形成飛濺，焊縫根部的寬度不允許超過b，因此，在開展電子束工藝試驗(yàn)的過程，應(yīng)關(guān)注電子束焊縫形貌與尺寸b和H相匹配。同時(shí)，焊縫的縫隙腐蝕也是產(chǎn)品性能影響的重點(diǎn)因素，襯底寬度的大小直接影響縫隙的腐蝕程度。因此，本文采用奧氏體不銹鋼開展了電子束焊接工藝與襯底結(jié)構(gòu)匹配的研究，掌握了電子束工藝參數(shù)與典型襯底結(jié)構(gòu)的匹配規(guī)律，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的坡口設(shè)計(jì)提供了技術(shù)輸入。

1 試驗(yàn)材料及焊接設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

母材采用20mm厚的06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼板材進(jìn)行加工，試件加工后經(jīng)超聲清洗。化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2。

1.2 焊接設(shè)備

本工藝實(shí)驗(yàn)采用的焊接設(shè)備為英國CVE公司生產(chǎn)的電子束焊機(jī)，焊接位置為平焊位置。實(shí)驗(yàn)設(shè)備真空室內(nèi)腔尺寸為4.5m×0.8m×0.8m，最大功率4kW，高壓有效范圍（20～40）kV 可調(diào)，束流范圍（0～100）mA，聚焦電流范圍（0～3）A，電子束掃描角度0～5°。

2 焊接工藝試驗(yàn)過程

針對(duì)某產(chǎn)品要求的10mm、17mm兩種不同的熔深要求分別開展了不同襯底尺寸的焊接工藝匹配試驗(yàn)。在電子束束流聚焦?fàn)顟B(tài)不改變的情況下，當(dāng)焊縫熔深越高，則焊接需要的電參數(shù)就越大，焊縫根部成形就可能越寬，在保證襯底不熔塌的情況下，需要的襯底寬度也就寬;反之，熔深要求越小，則焊接需要的電參數(shù)相對(duì)也小，焊縫根部成形就可能窄，需要的襯底寬度也就越窄。因此，襯底的寬窄b與熔深的大小、焊縫根部形狀應(yīng)相互匹配。

2.1 熔深要求10mm焊接工藝試驗(yàn)

分別采用下聚焦、表面聚焦兩種方式開展焊接對(duì)比研究。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，下聚焦焊接方式易出現(xiàn)焊接鎖孔和釘尖缺陷，見圖2。表面聚焦焊縫中未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。焊接參數(shù)見表3，焊接結(jié)果見表4。該工藝基本滿足技術(shù)條件要求。

2.2 熔深要求17mm焊接工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：針對(duì)17mm的熔深要求，采用表面聚焦的方式焊縫根部較尖，易出現(xiàn)電子束焊接特有的釘尖缺陷，且內(nèi)部組織晶粒長大厲害，說明表面聚焦的方式不合適深熔焊接;在上聚焦與下聚焦對(duì)比焊接的過程中，焊縫表面和根部成形良好，根部過渡圓滑，未見任何缺陷，但上聚焦深寬比較下聚焦深寬比小，因此，在滿足焊接要求的情況下，下聚焦的焊接方式更適合深熔焊接。由此，初步確定了17mm熔深的焊接工藝及參數(shù)：高壓U=40kV、束流Ib=98mA、聚焦電流If=1.95mA、焊接速度V=450mm/min。

3 襯底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同熔深要求的零部件，設(shè)計(jì)了多種不同的襯底寬度，見表5。同時(shí)設(shè)計(jì)加工了兩種不同熔深要求的模擬件，對(duì)焊縫進(jìn)行性能檢驗(yàn)。

3.1 熔深要求10mm焊縫襯底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用工藝試驗(yàn)確定的參數(shù)范圍對(duì)襯底寬度b為0.5mm、1mm、2mm的3種試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

分析與討論：b=0.5的襯寬被熔透，與10mm的熔深不匹配;b=1mm和b=2mm的襯底寬度均滿足10mm熔深的焊接要求，見圖5和圖6。焊后焊縫表面光滑美觀;對(duì)焊縫寬度進(jìn)行了測(cè)量，焊寬均勻;將試件進(jìn)行解剖，檢測(cè)內(nèi)部質(zhì)量和熔深，均滿足技術(shù)要求;熔深檢測(cè)結(jié)果見表6。考慮縫隙越小越利于抗縫隙腐蝕，所以在滿足焊接要求的情況下，選擇b=1mm的襯底寬度作為10mm熔深要求下的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 熔深要求17mm焊縫襯底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用工藝試驗(yàn)確定的參數(shù)對(duì)襯底寬度b為0.5mm、1mm、2mm、3mm的4種試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

焊接結(jié)果：焊后焊縫表面光滑美觀;對(duì)焊縫寬度進(jìn)行了測(cè)量，焊寬均勻;將試件進(jìn)行解剖，檢測(cè)內(nèi)部質(zhì)量和熔深，均滿足技術(shù)要求;具體的各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果見表7。

分析與討論：從表3的焊接結(jié)果可以看出，襯底b為2mm和3mm的試件焊后，熔深達(dá)到技術(shù)要求，焊縫根部離襯底的邊緣較遠(yuǎn)，襯底不可能焊塌。這兩個(gè)尺寸均滿足焊接要求，但這2種尺寸的試件焊后剩下的配合縫隙較長，產(chǎn)生縫隙腐蝕的幾率增加，因此，這兩種尺寸的襯底不作為17mm熔深下焊接的最佳選擇;襯底b為0.5mm和1mm的試件焊后，熔深達(dá)到技術(shù)要求，焊縫根部離襯底的邊緣較近，剩下的配合縫隙較短，發(fā)生縫隙腐蝕的幾率較小，這兩種尺寸均滿足17mm熔深的焊接要求。但在焊接過程中，在人為的對(duì)中發(fā)生偏差的情況下，0.5mm的襯底是很有可能焊塌的。再者，實(shí)際產(chǎn)品的零部件加工也同樣存在一定的允許誤差，也可能導(dǎo)致較窄襯底的尺寸不均勻，薄弱環(huán)節(jié)處也可能導(dǎo)致0.5mm的襯底焊塌。因此，0.5mm的襯底也不作為17mm熔深下焊接的最佳選擇。為了確保焊縫的內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，選擇1mm的襯底作為17mm熔深要求下的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1）通過工藝研究，確定了滿足10mm、17mm熔深要求的06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼板材的電子束焊接工藝參數(shù)。

2）通過對(duì)比工藝試驗(yàn)，確定了10mm、17mm熔深的適宜襯底寬度分別為1mm、1mm，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的坡口設(shè)計(jì)提供了技術(shù)輸入。

3）對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)，焊縫質(zhì)內(nèi)部量滿足技術(shù)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔡閏生，任華友，袁生平等.電子束焊鏈狀氣孔與釘尖缺陷的判別[J].無損探傷，2013，37（5）：24-26.

[2]李塞川，尹小波，楊樹余等.帶鎖底厚壁管的焊接技術(shù)探研[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（21）：166-167.