新型焊接接头电子束焊工艺研究

新型焊接接头电子束焊工艺研究

袁烨

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摘要：真空电子束焊是在真空状态下利用空间会聚的高速电子流，在撞击工件后将部分动能转化为热能，从而使被焊工件熔化实现焊接。具有焊缝深宽比大、焊接速度高，热影响区小，焊接变形小等优点。航天器产品焊缝一般采用电子束焊连接方式，焊缝结构通常采用锁底接头和对接接头。本文主要分析新型焊接接头电子束焊工艺研究。

关键词：真空电子束焊；焊接接头；焊接工艺

引言

真空电子束焊接过程中的焊接变形过大问题，摸索出一套通过焊接参数优化、焊接胎具改进、焊接顺序和起弧位置优化控制多段型工件焊接变形的方法，显著减小了焊接变形进而提高了焊后工件的同轴度，保证了后续加工成品率。因采用一次装卡焊接多条焊缝的方法，减少了抽真空与装卡时间，单件工件焊接时间减少一半，显著提高了生产效率。

1、焊接接头简介

1.1常用焊接接头

航天器产品焊接常用锁底接头，优点是便于装配对齐；锁口较小时，焊后可避免留下未焊合的缝隙；由于焊缝根部有锁底，可以起到避免焊穿和多余物的作用。对接接头也常用于电子束焊接，具有受力好，强度大，应力集中较小和节省金属材料等优点。由于每两个零件间都需配合紧密，致使3个零件加工比较繁琐，其次3个零件两两相互焊接产生2条焊缝，分别焊接的效率低，焊后累加变形大，并增加了焊缝探伤和检漏成本。

1.2新型焊接接头

针对上述问题，我们设计了一种新型焊接接头，即在两个对接零件之间加一个有小凸台带托底结构。此焊接接头可以实现上述两种接头优点，装配简单，应力集中小，强度大，三个零件两条焊缝通过调节凸台尺寸和焊接熔合宽度进行一次点焊，一次圆周焊接使与凸台相连的两个零件形成的焊缝熔合成型。

2、焊接技术常见的缺陷

2.1在焊接后出现裂纹缺陷

焊接中所出现的裂纹根据不同的条件以及不同的原因可能会产生冷裂纹、热裂纹以及再生裂纹等几种不同的裂纹。在两百摄氏度以下所产生的裂纹叫做冷裂纹，冷裂纹的产生与氢元素有密不可分的关系。如果对大的具有一定厚度的工件选用不适合的预热温度，或者焊接后的冷缓措施做的不够好，将可能会产生冷裂纹。冷裂纹产生的原因还有可能是在焊接中选用的材料不合适，或者焊接接头的刚性过大，工艺不合理以及焊缝附近产生了脆硬组织，或者焊接过程做的不够规范，将可能会导致冷裂纹的产生。热裂纹指的是在300℃以上所产生的裂纹，这种裂纹主要是凝固裂纹。产生热裂纹的原因主要是存在成分的影响，如在焊接时采用纯奥氏体钢或者某些高某合金钢和有色金属时，将极易产生热裂纹。或者在焊接时，焊缝中含有较多的硫元素等有害的杂质元素，焊接条件的影响以及焊接的接头形式选择不当都有可能产生热裂纹。焊接中所出现的再热裂纹指的是消除应力退火裂纹。再热裂纹是在高强度的焊接区中，由于焊后的热处理不当，或者是在高温使用下，在高温的影响下所产生的晶间裂纹。再热裂纹所产生的原因是由于结构设计不合理所造成了大量的应力集中所导致的，或者是在消除应力退火的热处理中，由于处理的条件不当，也有可能会产生再热裂纹。再者，由于铬、钒、硼等合金成分的影响，会增大焊接技术中产生再热裂纹的概率。

2.2在焊接后出现焊瘤缺陷

多余的焊接金属通过气体流出来，金属的熔化面没有熔化。由于熔池的温度过高，液态金属在磁重作用下缓慢凝固，向下垂下形成焊瘤。在焊接过程中熔化了的金属进入未熔化的金属的焊缝当中时，而未融化的母体材料上会形成金属瘤。在立焊接和仰焊接时，经常会发生焊瘤缺陷现象，在平焊接中，焊接时也会在第一层的背后面上产生。当使用埋弧自动焊接的最小焊线直径时，常常会出现此缺陷。该缺陷会影响焊接产品的质量以及美观性，而且接头的尺寸变化会使施工设备的性能受到影响。管子壁的焊瘤也会影响管内液体的流动，影响焊接设备的性能。除此之外，未焊接未熔合的现象也常常存在于此缺陷当中。同时，过大的角焊接流也因接线强度不足而可能断裂，这是焊接技术中常见的缺陷之一。

3、解决措施

3.1凸台尺寸优化

因为电子束焊是采用电子束给工件加热，母材自身熔化才形成焊缝。熔化自身材料形成焊缝这个过程本身会挥发一部分母材，而且焊接过程没有填料，可能导致焊缝外观塌陷等缺陷。凸台高度尺寸主要影响外观成型，通常情况下1条焊缝焊接时，不会存在外观塌陷，而对于3个零件2条焊缝焊接，挥发的金属材料更多，因此必须对中间配合零件的凸台高度尺寸进行优化，选择合理的凸台高度，使凸出的材料再熔到焊缝中，从而防止焊缝外观塌陷，增加强度。经试验分析，当选取凸台高度为0.7mm时，焊缝外观圆滑过渡，成型好。凸台宽度对焊缝内部成型状态有很大影响。如果中间凸台宽度较小，由于焊接功率大，易被焊穿，存在强度不足。若中间凸台宽度太大，两条焊缝的距离较大，焊缝内部一次成型较困难，易出现未熔合缺陷。在其它焊接参数都固定时，研究不同的凸台宽度下焊缝内部的熔合状态。通过分析焊缝基本外径尺寸和薄壁结构托底尺寸，选取了三种凸台宽度进行试验对比。当选取合适的中间凸台宽度0.45mm时，可通过一次焊接，确保焊缝内部成型好，满足强度要求。

3.2焊接变形控制

对于钢结构白层，焊接变形控制要求操作人员熟悉操作过程，明确工程的实际焊接质量标准。第一，操作人员控制焊接间隙的接触面，只要焊接质量得到保证，且不允许过度焊接。此外，焊接工艺中应控制焊缝的数量，而且越少越好。在焊接过程中，焊缝最大保持对称，这可以作为变形控制的基础。第二，工人可以采用回焊工艺进行焊接处理，这可以促进焊接工艺中的热回收，避免不必要的膨胀现象。最后，工人可以通过逆向变形法焊接，钢结构中需要焊接的部分可以在焊接前预先钻油，从而在一定程度上抵消收缩力。此外，操作人员可以通过对钢结构应用一定的返回力来补偿收缩力。特别是，均匀焊接的零件会相互连接、冷却，然后相应地进行处理，从而有效地防止变形。

3.3减少焊接应力集中

钢结构白层中，工程师可以将焊接材料改为焊接材料，有效控制焊接应力。例如，可以选择具有较高和p值的材料进行焊接，从而有效地防止焊接过程中出现不良裂纹。二、有效控制整个焊接工艺。在焊接工艺控制中，控制焊接电流和一次性焊接速度，特别是有效控制焊接速度，为连续传热奠定基础，避免不必要的应力集中现象。最后，工程师们很有必要进行相应的焊接前预热处理和焊接后冷处理。通过上述两项操作，可以有效控制焊接裂纹现象。

3.4焊缝区精确加工

电子束焊接热源的热通量沿厚度方向施加影响，导致焊接深度和宽度比较高，这是体积分布热源。熔融盆地的温度分布很不均匀。熔融池的前半部分用于高温的内皮反应，而熔池的后半部分用于金属凝固和温度下降引起的气体外热反应。在接头处进行材料加工时，根部清洗会产生空腔，导致接头底部未牢固连接，留下通孔间隙，且存在大量气体。在焊接过程中，这些气体在温度场的影响下加热和膨胀，形成气流吹进熔化的盆地。同时，液态金属中溶解气体的量随着温度的升高而不断增加。熔融池中的液态金属吸收周围气体，与周围空气剧烈相互作用，从而显着增加焊接金属中氧和氮的含量。当焊接金属凝固时，超过溶解极限的气体就会脱落。

结束语

通过设计新型焊接接头以及焊接接头尺寸优化、焊接工装、焊接参数优化控制等措施，解决了因直径大、壁薄易变形的问题，以及3个零件一次焊接，使2条焊缝一次焊接成型的内部缺陷问题，保证了焊缝质量。此焊接结构以及焊接工艺方法能够实现3个零件之间的连接，也为后续其它异种材料连接性能稍差的的高能束流焊接提供技术参考。

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