影响电子束焊接质量的几个工艺因素

发布时间：2016/6/1 浏览量：2420

                                         影响电子束焊接质量的几个工艺因素

                                              作者：林世昌

摘要：电子束焊接具有它独特的优点，应用广泛。为了得到高质量的焊缝，需要注意诸多问题。本文通过对实际例子的论述和分析，讨论了影响电子束焊接质量的一些工艺因素，如焊缝结构设计、工装模具、焊接参数、电子束斑点位置、预热和退火、填充材料以及电子束跟踪焊接等。 
关键词：电子束焊接 质量 工艺因素 

1.引言 

电子束焊接（Electron Beam Welding—EBW）技术是高能束（High Energy Density Beam—HEDB）加工技术的一个重要组成部分，与激光焊接相比各有优点[1]。电子束焊接除了具有输入能量密度高、加热面积小、焊接速度快、焊缝热影响区窄、工件变形小等特点之外，还具有电子束穿透深、焊缝深宽比大、电子束控制方便以及真空环境中的焊缝不受污染等特点[2]。电子束焊接适于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。作为热加工手段之一，电子束焊接技术已经比较成熟，但又有良好的发展势头，有关机理、自动化程度、质量监控、应用领域等研究内容尚在不断进步。 

我们从二十世纪六十年代开始进行电子束焊接工艺及应用研究，涉及的材料有高熔点金属、高弹性合金、可伐合金、不锈钢、高强钢、有色金属及其合金和陶瓷等非金属材料；涉及的工件结构多种多样，以中小型精密零件为主。三十多年来已取得多项科技成果。本文试图从一些具体工件的焊接实例入手（以本单位的应用范例为主）讨论影响电子束焊接质量的几个工艺因素。 

2.焊缝结构及配合间隙 

在焊接实践中，会碰到形形色色的工件，焊缝结构也各不相同，但总体上可分为：对焊缝、端焊缝、角焊缝（包括穿透焊缝），或区分为直线焊缝、环线焊缝、曲线焊缝、点焊缝，还有等截面焊缝和变截面焊缝等。为了达到最佳焊接效果，焊缝结构和配合间隙的设计至关重要，既要考虑工件（部件）在整机中的作用，又必须满足被焊材料可焊性和具体焊接工艺的要求。所以在实施焊接之前，应该与工程设计人员共同讨论焊接件的焊缝结构，或通过工艺试验确定合理的结构与间隙尺寸。 

3.工装模具 

为了将被焊接的工件置于焊机之中，工装模具（夹具）直接影响焊接的实施效果，从一定意义上讲，模具的正确设计是焊接工作成功的一半。 

（1）夹持作用。夹具的正确运用关系到焊接的精度，一个合理的夹具既要保证工件的正确装配，又要考虑到电子束的可达性。对于易变形的工件，在夹持（或顶紧）时，压力要适中，可以用合适的弹簧起缓冲作用。 

（2）散热作用。对于易破碎或热敏的工件，夹具的散热作用不可忽视，如图1是一种光电器件，其中玻璃管壳与金属管壳、纤维屏玻璃与窗架盘均已经完成封接或粘接，最后一道封口用电子束焊接。前二道焊缝均受不得热冲击，所以在电子束焊接时要有一个合适的夹具，以帮助散热。在设计和选材时要注意：夹具与工件的配合要好，接触面要大；材料用热传导较好的材料，如纯铜。 

（3）合拢作用。有的工件属于空腔型，如空心球体，只有通过焊接手段才能够制成。电子束的焊接精度高，配以适当的合拢模具，将两个半球在焊接室内合扰后施焊，可以获得满意的结果，如用图2所示的专用模具即可。这种焊接过程，既能够获得内腔呈真空状态的目的；而且又可以保证焊接时不会发生焊缝溅射问题（如果事先在焊接室外合扰，内腔空气不易抽出，焊接时熔池会发生溅射现象）。 

4.焊接参数 

根据被焊工件的材料、尺寸及结构选取相应的工艺参数是焊接工作的主要内容。 

（1）焊接功率的影响。电子束的焊接功率指： 

P=U·I 

式中P—功率（w），U—电压（kV），I—束流（mA）它直接影响焊接的熔深，随着焊接功率的增大，焊接熔深呈线性增大，如图3所示。 

从加速电压的高低区分，高压焊机（如150kV）的电子束穿透能力更强，与低中压焊机相比，同等功率时焊接熔深会大一些；但亦有一种观点认为焊接熔深取决于电子枪的性能。 

（2）焊接线能量的影响。焊接线能量指： 

E=P/S 

式中E—线能量（J/mm），P—功率（w），S—焊速（mm/s） 

焊接线能量的输入大小对焊缝的成型起很大作用，如可以获得焊缝的最佳深宽比。另外，快速焊接时工件变形较小；慢速焊接可防止高强钢等工件产生裂纹。 

高碳钢焊接之后会产生裂纹，这是由于它的组织结构变化所致（如形成马氏体的时间长，它的膨胀力与冷却收缩不平衡）。据报导[3]，钢的含碳量（C）小于0.35%是安全的，焊接时不会产生裂纹；当C量增加，为了避免出现裂纹，需要采取相应的措施，其中之一可以将焊接速度降低，以减慢冷却速率，此时容易获得良好焊缝。C量高甚者则需要预热、退火或填丝焊等其它办法。 

（3）临界焊接参数的作用。我们在进行薄件和高精度工件的焊接工艺试验时，发现它的焊接参数非常严格，偏大或偏小均会导致失败，将此参数称之谓临界焊接参数。如图4所示应变传感器焊接[4]，需要将基片（厚0.15mm）与细管（φ1mm，厚0.1—0.15mm）在外侧相焊。这是一个难度较大的工艺问题，我们采用半穿透焊接，可以减小基片的变形。此时的焊接参数不能过大，不然全穿透焊接除了变形增大，还会造成细管内部MgO粉的溅射；参数过小时焊接强度太低或焊接不成。这种焊接情况，工艺参数非常临界。 

5.电子束焦斑及轰击部位 

电子束焊接的一大特点是焊缝窄、熔深大，这是由于电子焦斑可聚焦得很细，一般焦点直径在0.5—1mm左右（取决于电子束功率大小）。 

（1）常规焊接。电子束焊接工件时，一般情况下将电子束焦斑调到最佳状态，即束斑聚焦在工件表面（对于厚度较大的工件，焦点位置控制到工件内部）。电子束轰击的部位则是在工件的接触缝（焊缝）上。 

（2）束斑略偏于焊缝一侧的焊接。对于某些情况或工件，能否取得焊接的成功，电子束的轰击部位起着关键作用。如厚薄不均的工件，电子束轰击应偏于厚工件一侧；熔点各异的工件，电子束轰击则应偏于熔点较高的工件一侧。有些特殊的工件，更要视具体情况而定，例如多孔钨与钼的焊接，虽然钨的熔点较高，但为了能够获得光滑的焊缝，电子束轰击偏于钼材，使钼件局部熔融后流附到多孔钨表面和内部（表层）[5]。 

又如铌与钼焊接，电子束轰击部位与焊缝的强度密切相关，如果轰击于焊缝正中，则它的强度为66.6N/mm2，属于沿晶断裂（图5（a））；如果电子束轰击偏于Nb侧约0.2mm，则焊接强度大于279.5N/mm2，呈穿晶断裂（图5（b））。 
这是由于Nb具有良好塑性和一定吸气能力，会使晶界上气体成分减少，焊缝质量较高；而钼的晶格再结晶后晶粒粗大，加之晶界杂质影响，钼熔焊后呈脆性[5]。 

（3）电子束散焦焊接。对于某些工件的焊接，电子束略为散焦效果更佳，如网状工件的焊接，如果电子束聚焦得过细，焊接时工件易被切断。 

6.预热和退火 

对于某些材料或结构件的焊接，为了防止裂纹的产生，对被焊接的工件需要进行预热或焊后退火处理。 

（1）电子束预热和退火。利用较小功率并且散焦的电子束轰击工件，使工件具有一定的温度，以达到预热或退火的目的。具体工艺（温差）视不同的材料和工件结构而定，因为它亦涉及到材料组织的相变问题。 

（2）辅助预热和退火。利用电阻炉或石墨炉来对工件进行预热和退火。我们在进行陶瓷与金属的焊接工艺试验时，化了比较大的精力于电阻炉的试制（图6）及预热退火工艺的操作（图7）。最终达到了良好效果，取得了陶瓷与金属焊接的成功[6]。 

7.添加材料（填丝） 

通常电子束焊接不用任何焊料，但是对于某些特殊结构的工件和某些异种材料，为了取得焊接的成功，除了采用电子束轰击偏于焊缝一侧等方法之外，还可以添加第三种材料，即用填丝的方法。 

（1）钎焊。这里用的第三种材料起到钎料的作用，即此材料熔化后将两个零件粘接在一起，或使焊缝两侧表层有一些扩散作用，此时工件基材尚未熔化。如图8所示的小齿轮焊接，为了防止齿与轴的变形过大，电子束轰击仅使钎料（银铜钎料）熔化，将小齿轮与轴粘接起来，联接强度达到设计要求（扭矩强度大于118N.cm），同时变形量很小（轴的跳动量小于0.05mm）。 

（2）填丝焊接。对于可焊性较差的异种材料，为了不致出现裂纹，能够得到良好的金相组织，可以在焊缝中添加一种填充材料，以起到过渡作用，焊接时此材料与局部基材均同时熔化。焊缝的硬度、合金元素的组成和微观结构，取决于焊接参数和所用的填充材料。这种填充材料形状呈丝状或片状；自动填丝焊机则利用送丝机构进行填丝熔融焊接。填充材料的成份视被焊工件的材料而定，必须考虑到能与基材形成合适的组成（如固溶体等），例如镍基材料、银基材料、硅铝材料等。 

8.其它因素 

在实际焊接过程中，为了解决碰到的难道并获得良好的焊接性能，还有许多因素需要注意，虽然对于每一个工件而言，不一定必须面面俱到，但对于某些情况还是有作用的。 

8.1真空度的影响 

按工件所在焊接室的真空度的不同，可分为高真空、低真空（包括局部低真空）、非真空（局部保护气氛）焊接。工件的焊缝深度以及焊缝质量是有很大区别的。选用何种状态焊接，视被焊工件的材料和结构等而定。 

8.2电子束跟踪焊接 

对于曲线焊缝或偏斜焊缝，用电子束自动跟踪焊缝的焊接方法是比较合适的。它是利用电子束在焊缝的前方以极快的速度进行探测扫描，收取焊缝两侧的二次电子作为信号，来控制跟踪焊缝（电子束偏移或工作台移动）。我们在试验时，利用记忆示波器拍摄到了正常运行时的二次电子信号电压波形照片，同时获得了焊接曲线焊缝的成功（图9）。 

8.3电子束偏摆焊接 

有时可将被焊工件固定在工作台上，利用程控的偏摆电子束环绕被焊件的焊缝进行焊接，它适用于尺寸较小、厚度较薄工件的对称焊缝，如图10所示的方波导与法兰的焊接。此工作过程比较简单，适用于多工位装置的多工件焊接，对提高生产效率有一定帮助。 

8.4电子束扫描焊接 

对于厚度较大的工件，为了使焊缝熔池内的气体能够充分排出，以减少焊缝中的气孔或裂纹，利用扫描电子束是很有意义的。它实质上是一种电子束搅动焊缝熔池的作用，从而使气体排出。有时为了取得异种材料焊接成功，亦可以进行扫描焊接。电子束扫描的波形、频率和幅度等因素视具体情况而定。 

8.5脉冲焊接 

为了防止被焊工件过热和达到其它特殊目的（如提高薄件焊缝的深宽比），利用脉冲电子束焊接是很合适的。通过试验来确定束流峰值、脉冲宽度、重复频率、平均输入功率及焊接速度等参数。 

8.6修饰焊接 

有些工件的焊缝需要有较高的光洁度或有其它原因，可以采用修饰焊接的工艺过程。一般讲，修饰焊的电子束功率密度低于实际焊接的功率密率。 

9.结束语 

电子束焊接是一种高技术加工手段，属于先进制造技术，焊接设备（焊机）越来越先进；但作为一项工艺技术，影响焊接质量的因素则需要在实践中探索并给予综合分析。 

我们通过长期的试验和应用研究，找到了一些通用规律和特殊的经验，虽然不可能包罗全部，但对于从事电子束焊接工作者，可能会有一些帮助。 

参考文献 
1.林世昌，丘宁茂。电子束焊接技术的某些应用前景及与激光焊接的综合比较。中国电工技术学会第六届学术会议论文集，1999,北京，p467—472 
2.Schultz H. Electron beam welding. Abington Publising，Cambridge England,1993 
3.Setsuji Minehisal，et al. Proceedings of the International Conference of the International Institute of Welding,1986，Tokyo Japan 
4.Lin Shichang （林世昌）,Fan Binglin （范炳林）,Hu Zongyao（胡宗耀），Wang Xiumel（王秀梅），Zhang Yansheng（张燕生）.Packaging technology of ultrathin film sensors by electron beam welding. Sensors and Actuators， 1993（35），p283-285 
5.Lin Shichang （林世昌），Fan Binglin（范炳林），Guan Zuoyoa（管祚尧）。Proceedings of the International Conference of the IIW，1896，Tokyo Japan.Electron and Laser Beam Welding. Pergamon Press，1986，p227—235 
6.Lin Shichang （林世昌），Xiao Naiyuan（肖乃元）。Proceedings of 4th International Colloquium on Welding and Melting by Electron and Laser Beam.Cannes France，1988，p251—258 

作者简介： 
林世昌 中国科学院电子学研究所研究员，中国电工技术学会理事并电子束离子束专委会主任委员，中国电子学会资深委委员并焊接专委会副主任委员，中国焊接学会高能束及特种焊接专委会委员。(end)