聚焦電流和掃描模式對鋁合金電子束填絲焊焊縫成形的影響

湯瑩瑩，王 磊，王 煒，張益坤，夏 春，馬麗翠

1.首都航天機械有限公司 工藝研發(fā)中心，北京 100076

2.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063

0 前言

鋁合金具有較高的強度、良好的耐蝕性和焊接性，在航空航天、車輛、船舶及橋梁等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。電子束焊接具有功率密度高、真空環(huán)境保護好、焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊縫質(zhì)量優(yōu)異、缺陷少、變形小等優(yōu)點，是鋁合金高精密焊接的一種優(yōu)選方法，尤其在消除焊縫氣孔方面有明顯優(yōu)勢［1-2］。但電子束的束斑尺寸很小，對待焊件的接頭間隙要求非常嚴苛，按照國家軍用標準JB1718A-2005要求一般不得超過0.15 mm，薄壁件焊接最好為無間隙，因此焊前對零件加工精度及裝配精度的要求很高，使得一些產(chǎn)品的制造工藝難度及成本大幅提升［3-4］。

近些年，在電子束焊接的基礎(chǔ)上衍生出電子束填絲焊接技術(shù)，通過在電子束焊接過程中同步向熔池送進焊絲，利用焊絲熔化金屬填充間隙，可以大大放寬對焊件接頭間隙的要求，進而降低對零件加工精度及裝配精度的要求，縮減了產(chǎn)品制造周期及成本，因此在各金屬焊接中具有良好的應(yīng)用前景［5-10］。

在電子束焊接中，聚焦電流和掃描模式聯(lián)合控制著束流在工件表面的能量分布，對焊縫成形（包括焊縫表面成形及橫截面形貌）有重要影響。目前國內(nèi)外關(guān)于鋁合金電子束填絲焊的研究較少，為探究聚焦電流和掃描模式對鋁合金電子束填絲焊焊縫成形的影響規(guī)律，本文基于鋁合金試板的表面堆焊試驗，采用單一變量法研究了聚焦電流變化和掃描波形、頻率及幅值對電子束填絲焊焊縫成形的影響，為電子束填絲焊在實際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗方法

電子束填絲焊接試驗采用配有外置送絲系統(tǒng)的德國SST公司KS15-PN150KM型真空電子束焊接設(shè)備。電子束填絲焊接示意如圖1所示，工件為厚度6 mm的5A06鋁合金試板，試驗采用表面堆焊方式，之所以采用表面堆焊來研究聚焦電流和掃描模式對鋁合金電子束填絲焊焊縫成形的影響規(guī)律，是基于以下考慮：（1）聚焦電流和掃描模式對焊縫成形影響的大體規(guī)律不會因接頭間隙的有無而發(fā)生明顯變化，表面堆焊條件下的試驗結(jié)果也能為帶間隙接頭焊接時的工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考；（2）電子束填絲焊接本身因焊絲的添加已引入多個參量，若在不了解一些參量對焊縫成形影響規(guī)律的條件下就直接引入接頭間隙，不僅會增加各工藝參數(shù)之間優(yōu)化匹配的難度，而且可能會給研究聚焦電流和掃描模式對焊縫成形的影響規(guī)律帶來干擾。焊絲采用直徑1.2 mm的5B06鋁合金焊絲。焊接前，清理干凈工件和焊絲表面的氧化膜及油污。電子束填絲焊接主要工藝參數(shù)的初始值如表1所示。

圖1 電子束填絲焊接示意Fig.1 Schematic diagram of electron beam wire filling welding

表1 電子束填絲焊接主要工藝參數(shù)初始值Table 1 Initial values of main process parameters for electron beam wire filling welding

本文采用單一變量法研究聚焦電流和掃描模式的變化對鋁合金電子束填絲焊焊縫成形的影響，即在一定范圍內(nèi)改變某一參數(shù)時，保持其他參數(shù)為表1中的初始值。焊接后，使用單反數(shù)碼相機拍攝焊縫表面成形，然后制作焊縫橫截面金相試樣，使用3D-vision影像測量儀拍攝焊縫橫截面形貌。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 聚焦電流對焊縫成形的影響

聚焦電流控制著電子束的焦點位置，不同的焦點位置決定了電子束到達工件表面時的能量分布，直接影響到焊絲及工件的熔凝狀況，進而影響焊縫成形［4］。不同聚焦電流If的焊縫表面成形及橫截面形貌如圖2所示。

圖2 不同聚焦電流If下的焊縫表面成形及橫截面形貌Fig.2 Weld surface formation and cross section morphology under different focusing currents If

根據(jù)電子槍的磁透鏡原理，對比圖2中的焊縫橫截面形貌可知，改變聚焦電流對焊縫成形有顯著影響。當If=530 mA時，電子束大體處于表面聚焦狀態(tài)，工件表面的束斑尺寸最小，功率密度最大，在電子束的轟擊下工件金屬產(chǎn)生針狀小孔，形成焊縫深寬比較大，焊縫橫截面呈“釘字形”；當If=500 mA和510 mA時，電子束處于下聚焦狀態(tài)，焦點位置位于工件內(nèi)部，電子束達到工件表面時的束斑尺寸較大，相同熱輸入下的功率密度較小，無小孔效應(yīng)，焊縫形成以熱傳導(dǎo)為主，焊縫橫截面扁平；If=520 mA時，焦點位置在工件內(nèi)部上移，工件表面的束斑尺寸有所減小，功率密度增大，表現(xiàn)出一定的深熔效應(yīng)，焊縫橫截面呈上寬下窄的“漏斗形”；If=540 mA時，電子束處于上聚焦狀態(tài)，焦點位置位于工件上方，束流達到工件表面時的束斑尺寸較大，功率密度較小，焊縫形成以熱傳導(dǎo)為主，焊縫橫截面扁平?？傮w上，電子束偏離表面聚焦程度越大（即散焦程度越大），焊縫橫截面越扁平，由于焊絲熔化消耗了一部分電子束能量，同等散焦程度下，該規(guī)律比電子束自熔焊更加顯著。

對比圖2中的焊縫表面成形可知，當If=530 mA和540 mA時，束斑能量密度足以充分熔化焊絲，焊縫表面成形連續(xù)光滑均勻；當If=520 mA時，束斑能量密度不足以充分熔化焊絲，焊縫表面成形連續(xù)但不夠均勻光滑，另外受電子束下聚焦的影響，熔池金屬振蕩稍微強烈，焊縫周圍存在一定飛濺；當If=500 mA、510 mA、550 mA時，束斑能量密度明顯不足以充分熔化焊絲，焊縫表面成形不連續(xù)且周圍存在大顆粒飛濺?？傮w上，鋁合金電子束填絲焊接由于需要兼顧焊絲的充分熔化，相比電子束自熔焊，可選用的散焦范圍并不大。為增大束斑對焊絲送進位置的裕度，提高焊接過程的穩(wěn)定性，鋁合金電子束填絲焊接可以適當散焦，但為保證良好的焊縫成形，尤其考慮到下聚焦引起熔池振蕩可能產(chǎn)生飛濺，上聚焦、下聚焦與表面聚焦的電流偏差應(yīng)控制在-5～+10 mA范圍內(nèi)。

2.2 掃描模式對焊縫成形的影響

2.2.1 掃描波形

不同掃描波形下的焊縫表面成形及橫截面形貌如圖3所示。掃描頻率f均為500 Hz，圓形掃描和一字形掃描的幅值為1 mm、橢圓形掃描的幅值為1.2 mm/0.6 mm。可以看出，鋁合金電子束填絲焊接在掃描模式下的焊縫成形均不如無掃描的情況；由于電子束在一定范圍內(nèi)進行掃描運動，其能量作用區(qū)域擴大，相應(yīng)的熔池寬度增加，所得焊縫的橫截面形貌由無掃描情況的“釘字形”向“漏斗形”轉(zhuǎn)變，焊縫根部趨向圓弧形。對比三種掃描模式，橢圓形掃描時，電子束對熔池的攪拌強度最大，熔池波動最為劇烈，使焊縫表面金屬向一側(cè)堆積，且強烈的攪拌易造成焊接過程的不穩(wěn)定，發(fā)生焊縫局部斷續(xù)的現(xiàn)象；一字形掃描時，電子束束斑垂直于焊縫做往復(fù)直線運動，造成掃描軌跡拐點處在短時間內(nèi)的能量累積高于軌跡中心的能量累積，結(jié)果焊縫表面表現(xiàn)為中間低而兩側(cè)高的特點，焊縫根部表現(xiàn)為兩側(cè)突出的形態(tài)特征；相比而言，圓形掃描時的焊縫表面和根部形貌更為均勻。因此，鋁合金電子束填絲焊接若需要增加掃描，應(yīng)優(yōu)選圓形掃描。

圖3 不同掃描波形下的焊縫表面成形及橫截面形貌Fig.3 Weld surface formation and cross section morphology under different scanning waveforms

2.2.2 掃描頻率

采用圓形掃描，設(shè)置掃描幅值A(chǔ)=1.2 mm，不同掃描頻率f獲得的焊縫表面成形及橫截面形貌如圖4所示。由圖4可知，當掃描頻率較小時（50 Hz、100 Hz），盡管焊縫表面成形較好，但由于電子束掃描對熔池的攪拌效果較弱，形成的熔池面積較小，焊縫是由做旋轉(zhuǎn)運動的熔池疊加而成，因此焊縫根部呈波浪狀；隨著掃描頻率增大（500 Hz、1 000 Hz），高速掃描的電子束使熔池形態(tài)變成了環(huán)形，此時可將電子束束斑視作環(huán)形熱源，對焊絲末端的加熱也更為充分，不僅焊縫表面較均勻、致密，根部的過渡也相對圓滑。

圖4 不同掃描頻率f下的焊縫表面成形及橫截面形貌Fig.4 Weld surface formation and cross section morphology under different scanning frequencies f

2.2.3 掃描幅值

采用圓形掃描，設(shè)置掃描頻率f=500 Hz，不同掃描幅值A(chǔ)獲得的焊縫表面成形及橫截面形貌如圖5所示。

圖5 不同掃描幅值A(chǔ)下的焊縫表面成形及橫截面形貌Fig.5 Weld surface formation and cross section morphology under different scanning amplitudesA

由圖5可以看出，當A=0.2 mm時，由于電子束的掃描作用較弱，焊縫成形與橫截面形貌接近于無掃描的情況；當A增加到0.8～1.2 mm時，電子束掃描才起到明顯的作用，焊縫根部呈現(xiàn)圓滑過渡的形態(tài)；當A增大到1.4 mm及以上時，過大的掃描幅值可能使電子束對焊絲起到了較強的干擾和切割效應(yīng)，焊縫表面產(chǎn)生較多的飛濺。另外，過大的掃描幅值也使熔池攪拌效果進一步增強，將熔池中一部分熔體推至熔池邊緣，導(dǎo)致焊縫形貌惡化。

由于5A06鋁合金熔焊最關(guān)注的焊縫問題是氣孔缺陷。對于電子束焊接，通過掃描模式引起焊接熔池振蕩是抑制氣孔的常用方法，根據(jù)上述鋁合金電子束填絲焊接掃描模式的研究，推薦掃描波形為圓形掃描，掃描頻率f=500～1 000 Hz、掃描幅值A(chǔ)=0.8～1.2 mm。

3 結(jié)論

（1）鋁合金電子束填絲焊接的電子束散焦程度越大，焊縫橫截面越趨向扁平，由于焊絲熔化消耗了一部分電子束能量，同等散焦程度下，該規(guī)律比電子束自熔焊更加顯著。

（2）為增大束斑對焊絲送進位置的裕度，鋁合金電子束填絲焊接可采用散焦焊接，但為保證焊絲充分熔化和焊縫成形良好，聚焦電流與表面聚焦電流的偏差應(yīng)控制在-5～+10 mA。

（3）鋁合金電子束填絲焊接采用掃描模式的焊縫成形整體不如無掃描的情況，但通過掃描可以減少焊縫氣孔缺陷，相比橢圓形掃描和一字形掃描，優(yōu)選圓形掃描，因為后者的焊縫表面成形及根部形貌更為均勻。

（4）鋁合金電子束填絲焊接采用圓形掃描時，掃描頻率在50～100 Hz區(qū)間的焊縫根部呈波浪狀，在500～1 000 Hz區(qū)間的焊縫根部相對圓滑。因此，推薦掃描頻率控制在500～1 000 Hz。

（5）鋁合金電子束填絲焊接采用圓形掃描時，掃描幅值應(yīng)控制在0.8～1.2 mm以內(nèi)，幅值過小時掃描作用不明顯，幅值過大時熔池振蕩和焊絲擾動大，會導(dǎo)致焊縫成形惡化。