（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(diǎn)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(diǎn)。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(diǎn)金屬、高彈性合金、不銹鋼、高強(qiáng)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(shí)例入手，討論影響電子束焊接質(zhì)量的幾個(gè)工藝因素。焊接接頭經(jīng)CT探傷后發(fā)現(xiàn)，影響焊縫強(qiáng)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(diǎn)。

1 焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(diǎn)

在焊接上述結(jié)構(gòu)件過(guò)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(shí)，結(jié)構(gòu)件焊接后，焊縫容易存在氣孔（見圖2b、2c）等缺陷，對(duì)于推力器產(chǎn)品的焊縫，必須經(jīng)過(guò)補(bǔ)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(qiáng)度和塑性，因此不能多次重復(fù)焊接。但是對(duì)于焊縫A、C，補(bǔ)焊無(wú)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(diǎn)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(bǔ)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(qiáng)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(lái)自焊接結(jié)構(gòu)件。焊接區(qū)域存在大量有機(jī)物，有機(jī)物分解形成氣體，同時(shí)由于焊接速度快、熱輸入量小，氣體來(lái)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(gè)方面著手：（1）合理使用潤(rùn)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(jì)，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(duì)零件焊接面的清洗要求較高。由于電子束焊接過(guò)程中將金屬加熱成金屬蒸汽，同時(shí)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(guò)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(guò)程中潤(rùn)滑油使用過(guò)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(rùn)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(guò)程中潤(rùn)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(duì)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(huì)導(dǎo)致焊縫缺陷和機(jī)械性能劣化，而且影響抽氣時(shí)間與焊槍運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)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(guò)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(guò)程中這些氣體在溫度場(chǎng)的影響下加熱膨脹并形成氣流吹向熔池，同時(shí)，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(shí)，超過(guò)溶解極限的氣體就會(huì)析出。同時(shí)，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(guò)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(wú)縫連接，避免因存在氣體形成焊接氣孔。

2.3 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)程中不易抽到空腔內(nèi)的氣體，使真空度較低?？諝猓ㄖ饕荖2、O2、H2O等）以及水蒸氣（分解產(chǎn)物有H2、O2等）對(duì)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(lái)源于水分、空氣，焊接時(shí)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(guò)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(shí)，氫主要來(lái)源于焊接材料中的水分和有機(jī)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(shí)可以溶解大量氣體，而在凝固結(jié)晶時(shí)氣體的溶解度突然下降，這時(shí)過(guò)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(huì)在焊縫中形成氣泡。為消除氣體對(duì)焊接金屬的有害作用，必須改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)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(duì)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(duì)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(jī)械結(jié)構(gòu)不當(dāng)，焊縫中會(huì)出現(xiàn)大量較為集中的氣孔缺陷。同時(shí)，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(jì)至關(guān)重要，既要考慮結(jié)構(gòu)件在整機(jī)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(shí)施焊接前，需通過(guò)工藝試驗(yàn)確定合理的結(jié)構(gòu)和間隙尺寸，與工程設(shè)計(jì)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(shí)，內(nèi)部仍然是低真空狀態(tài)，內(nèi)腔空氣不易抽出，焊接時(shí)熔池會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象。必須通過(guò)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(duì)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(duì)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(shí)間約為1 min，否則會(huì)對(duì)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(shí)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(wú)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(huì)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(cè)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?？梢姾附雍缚pC時(shí)，內(nèi)腔低真空度對(duì)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?？梢钥闯?，焊接接頭成形良好，焊縫幾何尺寸對(duì)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(wèn)題，合格率幾乎達(dá)到100%。

在實(shí)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(duì)焊縫質(zhì)量的影響因素?？梢钥闯龊附訒r(shí)金屬熔池對(duì)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(duì)環(huán)縫結(jié)構(gòu)真空電子束焊接在焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接氣孔的情況，分析原因?yàn)楣栌褪褂貌缓侠?、?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(guò)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(wú)氣孔。既提高了效率，又降低了成本，同時(shí)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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