電子束焊基本原理

電子是物質(zhì)的一種基本粒子，通常情況下他們圍繞原子核高速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)給電子一定的能量，他們能脫離軌道躍遷出來。加熱一個(gè)陰極，使得其釋放并形成自由電子云，當(dāng)電壓加大到30到200kv時(shí)，電子將被加速，并向陽極運(yùn)動(dòng)。

電子束焊接因具有不用焊條、不易氧化、工藝重復(fù)性好及熱變形量小的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、國防及軍工、汽車和電氣電工儀表等眾多行業(yè)。電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場的加速下再通過電磁場的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接處工件熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接。

電子束焊機(jī)用高壓電源與其它類型的高壓電源相比，具有不同的技術(shù)特性。根據(jù)國外電子束焊機(jī)制造商的出廠標(biāo)準(zhǔn)、德國DIN標(biāo)準(zhǔn)和我國電子束焊機(jī)的技術(shù)要求，電子束焊機(jī)用高壓電源的要求具體如下:

電子束焊機(jī)用高壓電源的技術(shù)要求由于在國內(nèi)外還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一些廠商提出的技術(shù)要求主要為紋波系數(shù)和穩(wěn)定度，紋波系數(shù)要求小于1%，穩(wěn)定度為± 1%，幾乎所有的電子束焊機(jī)制造商都提出這樣要求。其中德國PTR公司還提出了中壓型的技術(shù)要求，它要求相對(duì)紋波系數(shù)小于0.5%，穩(wěn)定度為±0.5%，同時(shí)還提出了重復(fù)性要求小于0.5%。以上要求均根據(jù)電子束斑和焊接工藝所決定。另外，德國Pro-beam 集團(tuán)提出了電子束硬化所作的鋼含碳 量必須大于0.18%,真空的優(yōu)勢是退火后無顏色變化，無氫脆，深度在0.1-1.7mm之間，無表面溶解。

電子束焊機(jī)用高壓電源在操作時(shí)必須與有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行連鎖保護(hù)，主要有真空連鎖、陰極連鎖、閘閥連鎖、聚焦連鎖等，以確保設(shè)備和人身安全。高壓電源必須符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，具有軟起動(dòng)功能，防止突然合閘對(duì)電源的沖擊。

較高的可靠性，屬戶內(nèi)設(shè)備，要求連續(xù)工作，外觀滿足工業(yè)設(shè)備要求，維修方便等。

高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過流抑制電路進(jìn)入高壓升壓整流變壓器的一次，二次升壓到100kV左右。此交流高壓再經(jīng)12相整流濾波獲得160kV左右的直流高壓，加到高壓真空電子管和電子槍上，其中高壓電子管在工作時(shí)承受的電壓為40kV，這樣加在電子槍上的高壓為120kV。高壓真空電子管是用來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出的。根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的高壓電源的主電路原理圖見圖2，由圖2知本電源為典型的串聯(lián)型直接在高壓側(cè)調(diào)節(jié)的高壓直流穩(wěn)壓電源，其主電路主要由過流抑制電路、高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過壓、過流保護(hù)電路、高壓真空電子管調(diào)節(jié)電路等組成。高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過壓、過流保護(hù)電路都放在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿變壓器油，保證電源本體在工作時(shí)的絕緣和散熱需要。由于高壓電源需連續(xù)工作，為確保工作時(shí)的熱量能及時(shí)散出，油箱內(nèi)部還設(shè)計(jì)了水冷卻系統(tǒng)。

電源各電路的組成和作用如下:過流抑制電路由三相橋式整流電路和扼流電感器組成，如果負(fù)載出現(xiàn)過流或電源由于突然合閘在變壓器內(nèi)引起電磁暫態(tài)過程而出現(xiàn)大電流等現(xiàn)象時(shí)，過流抑制電路能有效限制電源內(nèi)部出現(xiàn)過電流，以保護(hù)電源不受損壞。其原理主要是利用電感電流不能突變的特性限制過電流，確保高壓變壓器不損壞。正常時(shí)，三相電流平衡，流入過流抑制電路的電流很小。整流變壓器二次為四線圈分別接成星型和三角型各2組，各組整流后串聯(lián)獲得12相直流脈動(dòng)電壓，有利于降低諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染、減少濾波電容量和減小電源的紋波系數(shù)，提高電源本身性能。整流電路由高壓硅堆和阻容元件組成，阻容電路主要防止高壓硅堆產(chǎn)生的過電壓，保證高壓硅堆不致?lián)p壞。限流電阻和保護(hù)電阻分別用來限制電源內(nèi)部的過電流、過電壓，保證電源的正常工作，要求電阻耐壓水平較高、承受發(fā)熱功率較大。當(dāng)電源外部短路時(shí)，保護(hù)電路能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，使得各有關(guān)元器件不致?lián)p壞。高壓濾波電容器濾除直流輸出中的交流脈動(dòng)成份，保證加在電子槍和調(diào)整管上的電壓平直。電容芯子直接放置在高壓油箱內(nèi)，能減小電源本體的體積。調(diào)整管為一多極高壓真空電子管，其工作耐壓水平達(dá)160kV，主要有陽極、控制極、第一、二、三陽極等組成，調(diào)整管的陽極接在高壓整流器的正極，調(diào)整管陰極通過束流取樣電阻連接到大地。調(diào)整管能在控制電路的作用下自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出。高壓調(diào)整管由于工作電壓高，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為此設(shè)計(jì)了特殊的散熱裝置，即把整個(gè)調(diào)整管放在一裝絕緣油的油箱中，以確保冷卻和絕緣需要，油箱內(nèi)部還裝有專用散熱的水冷系統(tǒng)，以保證調(diào)整管能長期可靠工作。調(diào)整管的輔助電源很多，考慮到散熱和布局需要也放在油箱內(nèi)。調(diào)整管的調(diào)節(jié)原理是其陰極由于加熱而發(fā)射電子。電子在陽極高壓的加速下，分別到達(dá)第二陽極和陽極，如果第二陽極的電壓很高，受加速的電子就會(huì)全部到達(dá)第二陽極，此時(shí)電子管處于高阻狀態(tài)，電源上的電壓全加在調(diào)整管上。只要調(diào)節(jié)第二陽極電壓的大小，調(diào)整管上的電壓也得以調(diào)節(jié)，這樣加在電子槍上的高壓也得以調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸出的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

電源的控制電路如圖3所示，由圖3知，控制電路由反饋信號(hào)隔離電路、PI給定調(diào)節(jié)電路、自動(dòng)重加高壓電路、功率放大電路及其附屬電路等組成，各電路的組成及工作原理如下:

反饋電路由高壓電阻分壓器、信號(hào)隔離電路、過壓過流抑制元件等組成。高壓電阻分壓器由2路相互獨(dú)立的精密金屬膜電阻制成，1路用來測量高壓，1路提供反饋信號(hào)給控制電路用以控制和調(diào)節(jié)高壓。高壓電阻分壓器放置在由有機(jī)玻璃制成的支架上，考慮到絕緣和散熱的需要將其放在高壓油箱里，以保證電源工作時(shí)電阻值的穩(wěn)定，最終保證取樣信號(hào)的穩(wěn)定。高壓電源在工作時(shí)，由于電子槍放電或外部其它原因，電源內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生過電壓，為防止過電壓竄入控制電路損壞低壓電子元器件，在取樣電阻兩端并聯(lián)高壓放電管、壓敏電阻及電容吸收電路，同時(shí)取樣電阻都放在電磁屏蔽盒里，能有效地防止各種電磁干擾信號(hào)進(jìn)入控制電路。高壓分壓器的取樣信號(hào)在進(jìn)入控制電路以前還設(shè)置了信號(hào)隔離電路使得反饋信號(hào)與控制電路相互隔離，并同時(shí)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)給控制電路，以上措施確保了控制電路中的反饋信號(hào)的準(zhǔn)確性。

PI調(diào)節(jié)電路[4]由運(yùn)算放大器及外接電阻、電容元件組成，它把給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后給預(yù)放大管，以控制放大管的輸出。在PI調(diào)節(jié)電路中還設(shè)置了調(diào)試給定電路，其目的是為了高壓電源調(diào)試用。在試驗(yàn)時(shí)，給定信號(hào)由Rtest供給，調(diào)節(jié)Rp的值，高壓輸出即可由零到額定值調(diào)節(jié)，有利于焊接工藝試驗(yàn)和高壓電源的參數(shù)調(diào)整。

自動(dòng)重加高壓電路的原理是利用三極管的控制原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓的快速截止和導(dǎo)通。它由運(yùn)算放大器和三極管等電路組成。它的工作原理是當(dāng)反饋信號(hào)超過給定信號(hào)時(shí)，比例放大器IC2的輸出為高電平，V4導(dǎo)通，IC3輸出低電平，V3導(dǎo)通，V2截止，封鎖PI調(diào)節(jié)器的輸出，從而關(guān)斷高壓調(diào)整管以切斷高壓。反之，當(dāng)反饋信號(hào)小于給定時(shí)IC2輸出低電平，V4截止，IC3輸出高電平，V3截止，PI調(diào)節(jié)器正常工作，由于三極管從導(dǎo)通到截止，恢復(fù)時(shí)間很快，因此加在電子槍上高壓在控制電路的作用下很快恢復(fù)正常工作狀態(tài)而不停機(jī)，確保電子束焊機(jī)能夠正常生產(chǎn)。

功率放大電路由前級(jí)預(yù)放管VL33和功率放大管VL32組成，工作過程是V2在負(fù)電源的作用下，由PI調(diào)節(jié)器輸入的調(diào)節(jié)量經(jīng)V2放大后送到真空管VL33的控制極，陽極接到輔助電源的正極，陰極接地，控制極電壓越高(負(fù))，VL33的陽極對(duì)地電壓越高，高壓調(diào)整管VL32的陽極電壓越高，電子槍上的電壓越低，相反時(shí)控制電路按以上相反的過程調(diào)節(jié)電子槍上的高壓，最終實(shí)現(xiàn)電子槍上高壓的穩(wěn)定。

高壓電源應(yīng)用到雙金屬鋸帶焊接生產(chǎn)線時(shí)，工作穩(wěn)定，通過對(duì)電源技術(shù)指標(biāo)的測量，具體參數(shù)如下:

額定加速電壓:120kV，紋波系數(shù)<1%，穩(wěn)定度<1%;

額定電子束流:50mA，紋波系數(shù)<1%，穩(wěn)定度<1%。

電源在電子槍內(nèi)打火時(shí)，高壓電源能快速恢復(fù)而不停機(jī)。

在高壓側(cè)由高壓真空管調(diào)節(jié)高壓直流電源的輸出，其輸出特性好，紋波系數(shù)小，穩(wěn)定度高。由于調(diào)整管隔離濾波電容器，電源在過壓保護(hù)停機(jī)時(shí)，電容器上的能量不會(huì)泄放到工件上而導(dǎo)致工件的損壞。經(jīng)在雙金屬鋸帶生產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)行，電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足生產(chǎn)線的工藝要求。

鍛焊結(jié)構(gòu)閥門閥體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前我國大型閥門閥體的生產(chǎn)一般采用鑄件結(jié)構(gòu)，不但工藝復(fù)雜，材料浪費(fèi)，而且往往在鑄件的內(nèi)訓(xùn)產(chǎn)生疏松、縮孔等缺陷，不能滿足質(zhì)量要求。為了解決上述問題，一些廠家已逐步將閥門閥體的鑄造結(jié)構(gòu)改為鍛焊結(jié)構(gòu)，在焊接生產(chǎn)上主要采用氬弧焊、手工電弧焊或埋弧焊，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，接頭質(zhì)量受人為因素影響較大。圖1為鍛焊結(jié)構(gòu)閥體示意圖。

這些閥門閥體的壁厚一般在40-140mm之間，外形盡寸不超過750mmx750mmx850mm，因而選用電子束方法來進(jìn)行焊接具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)產(chǎn)品本身尺寸并不十分巨大，因此不需要體積很大的真空室，這樣右以使真空本身的制造成本降低，縮短了抽真空的時(shí)間。

(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求環(huán)縫隙中間位置有一開孔，安裝法蘭。對(duì)于電子束焊來說在始焊點(diǎn)和焊接結(jié)束點(diǎn)處最易產(chǎn)生焊接缺陷，而針對(duì)該產(chǎn)品的特點(diǎn)，可以把環(huán)縫的搭接點(diǎn)作為開孔位置，簡化了焊接工藝。

2試驗(yàn)材料及設(shè)備

2.1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能

本文采用材質(zhì)為SA106B，規(guī)格為φ404mmx73mm的大口徑鋼管模擬鍛焊閘閥的產(chǎn)品試樣進(jìn)行工藝評(píng)定。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的是烏克蘭巴頓焊接研究所研制的KL105真空電子束焊機(jī)，其設(shè)備的主要性能參數(shù)見表2。

3模擬件的焊接

電子束焊接設(shè)備分為高壓電源、真空設(shè)備、控制系統(tǒng)等幾部分，設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高，使用及維護(hù)動(dòng)技術(shù)要求高。因此對(duì)操作要求較嚴(yán)格，必須按照操作程序進(jìn)行。

3.1焊前準(zhǔn)備

(1)為防止釘尖缺陷的產(chǎn)生，電子束焊時(shí)往往要加襯墊，襯墊的材料應(yīng)與產(chǎn)品的材料相同。襯墊的厚度應(yīng)不小于被焊接工件厚度的30%，參數(shù)的選擇應(yīng)保證熔深比實(shí)際接頭要求的焊接深度大20%。焊后采用機(jī)加的方法去除襯墊。

(2)為防止焊縫隙表面的金屬外流，在破口的外側(cè)還需加擋圈，待焊接結(jié)束后采用機(jī)加的方法去除。

(3)待焊工件的接縫區(qū)應(yīng)精確加工并采用專用夾具進(jìn)行裝配和固定，焊接集團(tuán)采用了橫焊，焊接時(shí)工件固定，焊槍運(yùn)動(dòng)。

(4)焊縫表面的清理。由于電子束焊接過程中將金屬加熱成金屬蒸氣，與此同時(shí)焊縫表面的夾雜、油銹水等也被加熱蒸氣。在焊接過程中這些蒸氣與金屬蒸氣將共同填滿焊縫，這會(huì)形成氣孔、夾渣等缺陷，降低焊接的質(zhì)量。因此焊接前要冼焊接表面采用酒精和丙酮進(jìn)行擦洗，防止留有鐵銹、夾雜和水。對(duì)于真空電子工業(yè)束焊接設(shè)備，焊件表面的清理更加嚴(yán)格，否則不僅會(huì)導(dǎo)致焊縫缺陷及軟科學(xué)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)會(huì)加導(dǎo)師真空泵軸老化。

3.2焊前調(diào)試

(1)首先安裝工件，通過控制系統(tǒng)將電子槍調(diào)整至待焊位置，使電子槍與待焊件保持一定的距離。我們稱焊接過程中電子工業(yè)槍與工位之間的距離為工作距離。在整個(gè)焊接過程中，這一距離將保持不變。

(2)關(guān)閉真空室的大門，開始抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到規(guī)定數(shù)值0.667Pa即可進(jìn)行焊接。電子束焊機(jī)的工作環(huán)境溫度應(yīng)控制在12-35℃之間，廠房應(yīng)配有空氣干燥系統(tǒng)以降低環(huán)境

(3)調(diào)整焊槍使之對(duì)準(zhǔn)銅棒，在銅棒上測試最大電流。在焊接過程式中，電子工業(yè)束束流過小，會(huì)使發(fā)射電子束的陰極受損，通常在焊接前，要將電流加以測試。

(4)進(jìn)行焊接起始點(diǎn)位置的調(diào)試。通過X，Y，Z方向位移來確定焊縫的位置。

3.3焊接參數(shù)

電子束焊接隨著焊接參數(shù)的不同，所能焊接的壁厚也不同。通過大量的試驗(yàn)研究，所確定的適合于該產(chǎn)品的焊接參數(shù)見表3。

在該圖中，縱坐標(biāo)是焊接電流及聚焦電流(括號(hào)中標(biāo)出)，橫坐標(biāo)是電子槍的移動(dòng)距離。各階段分別為:階段①是將程序調(diào)整至正常狀態(tài);階段②是將電流調(diào)整到工作狀態(tài);階段③是保持工作狀態(tài);階段④是電流進(jìn)行逐步衰減并進(jìn)行焊縫隙的搭接。

3.4試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭力學(xué)性能檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果完全滿足ASME及國內(nèi)相應(yīng)法規(guī)的要求。

目前新一代航天發(fā)動(dòng)機(jī)中大量采用新材料及異種材料的連接結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮材料各自的性能優(yōu)勢及結(jié)構(gòu)的特殊用途，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。雙相不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐全腐蝕性能，特別是具有良好的抗應(yīng)力腐蝕能力，因此已廣泛應(yīng)用于石油、化工、原子能工程及航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造等領(lǐng)域[1]。而鉻青銅是一種耐蝕性較好、熱導(dǎo)率較高的材料，其中微量元素Cr的加入起到了細(xì)化晶粒、進(jìn)一步提高強(qiáng)度的雙重作用[2]。

鉻青銅與雙相不銹鋼異種材料的有效組合同時(shí)滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)推力室冷卻及高強(qiáng)要求，從而涉及到銅-鋼異種材料的焊接。針對(duì)電子束焊接具有能量密度高、加熱速度快、焊接熱影響區(qū)及變形小、參數(shù)穩(wěn)定再現(xiàn)性好、易于控制及適于焊接難熔及異種金屬等一系列的優(yōu)點(diǎn)[3-5]，本文對(duì)QCr0.8與1Cr21Ni5Ti進(jìn)行了電子束焊接的試驗(yàn)研究,并對(duì)不同偏銅距離下束焊接而形成接頭的顯微組織狀態(tài)及其力學(xué)性能進(jìn)行了分析,其結(jié)果可為合理的制定QCr0.8與1Cr21Ni5Ti焊接工藝,獲得其優(yōu)質(zhì)連接提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鉻青銅及雙相不銹鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

試驗(yàn)用焊接設(shè)備為法國TECHMETA公司生產(chǎn)的MEDARD43型真空電子束焊機(jī)，焊機(jī)最大加速電壓60KV，最大功率6kw,本實(shí)驗(yàn)所使用的陰極直徑為Ф2.0。如圖1所示，將清理好的鉻青銅與雙相不銹鋼試件底面平齊沿長邊對(duì)接放入焊機(jī)真空室工作臺(tái)上的自制夾具中緊貼壓靠，注意使其對(duì)接縫間隙最大不得超過0.25mm。然后在真空度為5.4×10-4mbr,加速電壓HV=60KV，電子束束流Ib=45mA,焊接速度v=1m/min,表面聚焦?fàn)顟B(tài)下，改變電子束相對(duì)于對(duì)接接頭中線向鉻青銅側(cè)的偏移值進(jìn)行施焊。

圖1 電子束焊對(duì)接接頭示意圖

采用日本進(jìn)口的PMG3 OLYMPOS光學(xué)顯微鏡對(duì)焊后試樣接頭區(qū)進(jìn)行顯微組織分析。并在INSTRON MODEL1186電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1接頭組織狀態(tài)

QCr0.8與1Cr21Ni5Ti兩種材料的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率等熱物理性能存在顯著差異。通常純Cu的熱導(dǎo)率比純Fe要大6~10倍，因此Cu側(cè)的傳熱比Fe要快得多。這樣，在偏銅值為0mm(即對(duì)中焊)時(shí)電子束作用于QCr0.8與1Cr21Ni5Ti對(duì)接接頭母材兩側(cè)熱量的分布極不均勻，這種相對(duì)于對(duì)接接頭中線非對(duì)稱溫度場的形成將導(dǎo)致兩側(cè)母材熔化不均，1Cr21Ni5Ti的熔化量要大于QCr0.8，這對(duì)形成可靠熔焊接頭不利。同時(shí)，考慮到在高能電子束作用下QCr0.8側(cè)Cu元素?zé)龘p嚴(yán)重。為此，我們采用如圖1所示的不等厚偏銅側(cè)下束的接頭形式以使焊縫兩側(cè)母材的熱輸入達(dá)到平衡，同時(shí)彌補(bǔ)了Cu燒損而引起的下塌焊縫形狀。由圖2(a)可見，偏銅值為0mm接頭兩側(cè)母材均發(fā)生熔化，其焊縫組織宏觀極不均勻，左上部的淺色組織區(qū)與中部及右上部的深色組織區(qū)有明顯的分界線，結(jié)合Fe-Cu二元相圖我們推斷焊縫中部及近不銹鋼側(cè)的深色組織為α+ε相鑄態(tài)混合組織;焊縫左上部近QCr0.8側(cè)的淺色組織為Fe在Cu中的固溶體Cu(ss.Fe)，內(nèi)含少量離散分布的α+ε相。

此外，焊縫中α+ε兩相組織的體積含量要大于Cu(ss.Fe) 相，說明在電子束對(duì)中焊接頭中線兩側(cè)形成了非對(duì)稱分布的溫度場，從而導(dǎo)致兩側(cè)母材熔化不均。這種宏觀組織和成分不均勻焊縫的形成緣于異種材料物理化學(xué)性能差異及電子束高能量密度，高效快速成縫的焊接特點(diǎn)。在對(duì)中焊時(shí)，兩側(cè)母材雖都有熔化參與熔池形成，但由于二者熔點(diǎn)、密度、原子活性及高溫流動(dòng)性的差異，在快速移動(dòng)電子束深穿作用下兩側(cè)熔化母材金屬尚未在液態(tài)無限互溶即開始結(jié)晶凝固，從而形成焊縫宏觀組織的不均勻。在偏銅值為0.3mm時(shí),如圖2(b)所示，鉻青銅側(cè)熔化量明顯增加，焊縫組織均勻化程度有所改善，焊縫為Cu(ss.Fe)與α+ε相混合組織，其中α+ε相不再聚集成大片的組織區(qū)，而是以小區(qū)塊離散分布在焊縫中，在鋼側(cè)熔合線附近依然可見1Cr21Ni5Ti的明顯熔化痕跡。如圖2(c)所示，隨著偏銅值的進(jìn)一步增加，在偏銅值為0.8mm左右，可見焊縫組織基本上為全Cu(ss.Fe)相，接頭區(qū)宏觀組織不均勻現(xiàn)象完全消失。

a) 偏銅0mm(對(duì)中焊) b)偏銅0.3mm

c) 偏銅0.8mm d)偏銅2.0mm

1Cr21Ni5Ti

圖2 不同偏銅值接頭中上部區(qū)域顯微組織形貌

對(duì)該接頭鋼側(cè)熔合線處的焊縫及熱影響區(qū)的進(jìn)一步觀察(見圖3)我們可以看出，在鋼側(cè)熔合線靠近試件上表面的很短的長度范圍內(nèi)，出現(xiàn)了一個(gè)熔合過渡區(qū)，結(jié)合其組織形態(tài)及Fe-Cu二元相圖,我們分析認(rèn)為其組織為Fe元素含量較高的α+ε相;在焊縫鋼側(cè)熔合線中下部1Cr21Ni5Ti母材未見熔化，而是與焊縫區(qū)形成了一薄的擴(kuò)散過渡層。進(jìn)一步增加電子束的偏移值，如圖3(d)所示，只有銅側(cè)母材熔化，而鋼側(cè)母材未熔合，從圖中可見清晰的未焊合對(duì)接面。

a)鋼側(cè)熔合線上部 b)鋼側(cè)熔合線下部

圖3 熔釬焊縫結(jié)合界面微觀形貌(偏銅0.8mm)

綜上所述，隨著電子束距對(duì)接中線銅側(cè)偏移量的增加，電子束在母材兩側(cè)形成的焊接溫度場的分布也隨之變化，焊縫組織逐漸均勻化。在偏銅值0.8-1.0mm范圍內(nèi)，接頭呈熔釬焊縫結(jié)合特征。此時(shí)，鉻青銅母材熔化，而鋼側(cè)母材幾乎不熔，熔化的鉻青銅母材作為釬料，與鋼側(cè)母材相聯(lián)結(jié)。偏銅量超過2.0mm，則接頭無法熔合。

2.2 接頭力學(xué)性能

圖4 電子束偏銅距離對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

為了考核不同偏銅距離對(duì)接接頭的連接性能,我們進(jìn)行了接頭拉伸試驗(yàn)。由圖4可見，隨電子束距對(duì)接中線銅側(cè)偏移值的增加，QCr0.8/1Cr21Ni5Ti電子束焊接接頭的強(qiáng)度呈近拋物線變化規(guī)律。在偏移值為0mm(即對(duì)中焊)時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度很低，由上述組織分析可知，這主要是對(duì)中焊接頭的焊縫組織及成分的宏觀極不均勻分布造成的。隨偏移值的增加，接頭組織及成分逐漸均勻化，直至偏移值達(dá)0.8-1.0mm時(shí)，接頭強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，形成焊縫組織成分均勻化的熔釬接頭。此時(shí)接頭聯(lián)結(jié)良好，強(qiáng)度最高可達(dá)330Mpa左右，已近接頭最低母材強(qiáng)度的90%以上。偏銅值進(jìn)一步增加，由于電子束斑的較大偏移及銅側(cè)母材的急劇熱散失，從而使接頭鋼側(cè)對(duì)接面的電子束溫度場的熱作用降低，導(dǎo)致釬接界面處的原子擴(kuò)散能力及程度下降，接頭性能也隨之降低。在偏銅量超過2.0mm時(shí)，由于電子束只對(duì)銅側(cè)母材的加熱作用，已無法形成有效的熔釬接頭，接頭未焊合。

結(jié)論

1) 電子束距對(duì)接中線銅側(cè)偏移值的增加將導(dǎo)致QCr0.8/1Cr21Ni5Ti對(duì)接接頭焊縫組織及成分的均勻化，改善了接頭的熔接狀態(tài)。

2)銅側(cè)偏移值達(dá)0.8-1.0mm時(shí)，形成焊縫組織成分均勻化的熔釬接頭，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)330Mpa左右，已可滿足實(shí)際使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 任家烈,吳愛萍.先進(jìn)材料的連接[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 森永卓一.銅及銅合金[M].國防工業(yè)出版社,1963.

[3] 王之康,高永華等.真空電子束焊接設(shè)備及工藝[M].原子能出版社出版,1990.

[4] R.R.college. Electron beam welding[J]. Tooling & production, june 1974:66-67.

[5] [蘇]B.B.巴申柯等.電子束焊接[M].國防工業(yè)出版社,1975.

作者簡介

張秉剛，男，1971年9月出生，博士研究生。主要研究方向?yàn)楫惙N材料電子束焊接工藝及機(jī)理。發(fā)表論文5篇。

低真空電子束焊是在10-1～10Pa的壓強(qiáng)下進(jìn)行的。壓強(qiáng)為4Pa時(shí)束流密度及其相應(yīng)的功率密度的最大值與高真空的最大值相差很小。因此，低真空電子束焊也具有束流密度和功率密度高的特點(diǎn)。由于只需抽到低真空，明顯地縮短了抽真空時(shí)間，提高了生產(chǎn)率，適用于批量大的零件的焊接和在生產(chǎn)線上使用。例如：變速器組合齒輪多采用低真空電子束焊接。