310mm厚不銹鋼真空電子束焊接技術(shù)研究

◎馮曉明高殿寶王利媛

引言：電子束焊接是利用匯聚的高速電子流轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使被焊金屬熔合的一種焊接方法。電子束焊接技術(shù)以其高能量密度、高熔透性、焊接變形小、焊縫深寬比大、控制方便等特點(diǎn)，已在機(jī)械重工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

本文依托核電產(chǎn)品，針對厚度為10mm的06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼，開展了電子束焊接試驗，通過調(diào)試焊接參數(shù)，并對試件進(jìn)行檢驗，得到了合格的焊縫質(zhì)量，完成了06Cr18Ni11Ti電子束焊接技術(shù)研究。

一、試驗材料、設(shè)備與試驗方法

焊接試驗所用的母材為06Cr18Ni11Ti，化學(xué)成分見表 1，尺寸為 10×100×400mm。電子束焊接的坡口形式為I型坡口。

本試驗采用真空電子束焊接方法。用于焊接試驗的電子束焊接設(shè)備型號為TECHEMTA LARA 52，額定功率為10KW，最大輸出電壓為60KV。

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二、試驗過程

1.焊前準(zhǔn)備及裝配。在進(jìn)行電子束焊接前，需要使用酒精對待焊工件的待焊坡口進(jìn)行清理，去除油污雜質(zhì)。

將試板固定裝配在電子束焊接平臺上并找正，要求兩端坡口對齊，裝配后間隙≤0.10mm、錯邊≤0.10mm。

裝配完成后，將工件放入真空室，確認(rèn)焊縫與電子槍運(yùn)行軌跡是否重合，如不重合，則需要重新調(diào)整試板至焊縫與電子槍運(yùn)行軌跡重合。由于電子束焊接的焊縫非常窄，只有1.5～2mm，若焊縫與電子槍運(yùn)行軌跡存在偏差，極易使電子束偏離焊縫，造成焊偏，影響焊接質(zhì)量，因此試板的找正對于電子束焊接非常重要。

待試板找正后，開啟真空泵，對真空室抽真空。待真空室內(nèi)的真空度達(dá)到焊接要求后，調(diào)用程序進(jìn)行電子束焊接。

2.電子束焊接參數(shù)的影響。在對真空室抽取真空過程中，同時對電子束設(shè)備的NC程序系統(tǒng)進(jìn)行操作，調(diào)用焊接時需要使用的自動程序，并核對電子束焊接參數(shù)是否正確。在實際焊接中，需要調(diào)試的只有四個焊接參數(shù)，分別為：焊接電壓、焊接速度、焊接束流和聚焦電流。

電子束的焊接電壓與電弧焊時的電壓不同，它代表從陽極射出的電子的加速電壓，單位為KV，主要目的是給電子提供動能，焊接電壓越高，電子的能量越大，焊接能力也越強(qiáng)。

焊接速度為電子束在焊縫表面的移動速度，作為熱輸入量極小的高能束焊，電子束焊的焊接速度要遠(yuǎn)高于電弧焊，在焊接厚度小于5mm的焊縫時，焊接速度通常能夠達(dá)到800～1000mm/min。

焊接束流代表了電子束內(nèi)的電子數(shù)量，電子數(shù)量越多，電子束流的能量越大，其焊接能力也相應(yīng)增強(qiáng)，電子束的單位為mA。

聚焦電流是使電子束流在磁場的作用下進(jìn)行偏轉(zhuǎn)匯聚，主要控制電子束的焦點(diǎn)位置，根據(jù)焦點(diǎn)與工件的相對位置，共分三種聚焦形式：當(dāng)焦點(diǎn)位置未到達(dá)待焊工件時，稱為上聚焦；當(dāng)焦點(diǎn)位置恰好在待焊工件表面時，稱為表面聚焦；當(dāng)焦點(diǎn)位置超過待焊工件表面，深入焊縫內(nèi)部時，稱為下聚焦。三種聚焦形式中，表面聚焦能夠獲得最大的熔深和最大的深寬比，也是電子束焊接時最常用的聚焦形式。

3.電子束焊接過程。待確認(rèn)程序無誤，真空室達(dá)到焊接要求的真空度后，即可開始進(jìn)行電子束焊接。關(guān)閉真空室內(nèi)的觀察燈，將焊接設(shè)備的電子槍開關(guān)由設(shè)定檔調(diào)節(jié)至焊接檔，進(jìn)行程序執(zhí)行界面，并按下電子槍運(yùn)行按鈕，陰極就開始對陽極進(jìn)行加熱，加熱完成后，電子槍會根據(jù)程序自動發(fā)射電子束流，實現(xiàn)電子束焊接。在電子束焊接過程中，可以通過攝像頭觀察焊接情況，但是無法通過手工操作對焊接過程進(jìn)行干預(yù)操作。

4.電子束焊接參數(shù)。使用該工藝參數(shù)按照試驗過程的工藝要點(diǎn)焊接了多塊試板，RT探傷后均無缺陷，將全部焊接過程的主要參數(shù)和程序固化，后續(xù)焊接時按照該固化工藝執(zhí)行，即可獲得焊接執(zhí)行具體焊接參數(shù)見表2。

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三、試驗結(jié)果與分析

1.外觀與無損檢驗。試板焊后進(jìn)行外觀檢驗，由圖1可以看出，焊縫表面成型均勻，無氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。

圖1 電子束焊縫成形情況

試板焊后按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PT和RT檢驗，I級檢驗合格，表明焊縫表面以及內(nèi)部質(zhì)量較好。

2.焊接接頭的力學(xué)性能檢測。試件焊接完成后，對試件進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊檢驗，結(jié)果如下：

（1）拉伸性能。按照RCC-M SI 100對焊縫進(jìn)行室溫拉伸和100℃高溫拉伸，性能見表3：

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（2）彎曲性能。按照RCC-M SI 200對焊接接頭全厚度側(cè)彎，試驗溫度，試驗壓頭直徑為40mm，彎曲角度180°，試樣尺寸為10×16×300mm。4件試樣均無裂紋產(chǎn)生，表明焊縫表面和根部的塑性以及延展性都能可以滿足要求。

（3）沖擊韌性。對焊縫以及熱影響區(qū)按照RCC-M SI 300進(jìn)行沖擊性能測試，試驗溫度為室溫，試樣均取自于T/2厚度位置，缺口類型為V型。焊縫沖擊吸收功為 398/357/340J，熱區(qū) 319/210/283J，均遠(yuǎn)大于要求值（平均值≥60J，單個最小值≥42J）。

四、結(jié)論

本文通過開展06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼的電子束焊接試驗，獲得了滿足要求的電子束焊接參數(shù)，并實現(xiàn)了工藝固化，并對焊后試件進(jìn)行無損檢驗和破壞性檢驗，均合格，證明焊縫質(zhì)量良好，能夠滿足產(chǎn)品要求，具備應(yīng)用于產(chǎn)品制造的條件。