鋁合金電子束焊接技術

王靜

(成都紡織高等專科學校 機械工程與自動化系，四川 成都 611731)

鋁合金電子束焊接技術

王靜

(成都紡織高等專科學校 機械工程與自動化系，四川 成都 611731)

鋁合金因其良好的性能在航空航天、交通工具、機械制造等領獲得了廣泛應用，其焊接性限制了鋁合金的進一步應用和發展。電子束焊因其熔透性高、接頭性能優良等優點成為鋁合金焊接的重要方法之一。簡述了電子束焊接的基本原理和特點，綜述了鋁合金電子束焊在工藝、接頭組織性能、接頭缺陷預測和有限元數值模擬技術等方面的研究工作，展望了鋁合金電子束焊接的發展方向，對于今后系統開展鋁合金電子束焊接具有一定的參考。

電子束焊接；鋁合金；發展方向

0 前言

鋁合金由于其良好的耐腐蝕性，高的比模量、比強度、疲勞強度，以及良好的電導性和熱導性等特點，在航空航天、交通工具、機械制造、電工化工等行業中得到廣泛的應用[1-3]。近年來鋁合金的焊接一直是研究的熱點，主要有脈沖氬弧焊、焊條電弧焊和氣焊等常規方法[4-6]和電子束焊、激光焊[7-9]等高能束方法。在深入分析了鋁合金電子束焊的特點基礎之上，對鋁合金電子束焊的研究現狀、存在問題和發展方向進行了較為系統的分析，以期能對鋁合金電子束焊接提供參考。

1 鋁合金電子束焊基本原理和特點

電子束焊基本原理[9]是利用電子槍產生的電子，被高壓電場(30～200 kV)加速到極高的速度(約1／2光速)，經磁透鏡聚集，形成高密度、高能量(能量高可達105～107 W／cm2)的電子流，作用在焊縫處，能量發生轉換(動能轉化為熱能)，使焊縫區的材料迅速熔為一體，在極短的時間內冷卻凝固(冷卻速度約2 200℃／s)，從而實現焊接。其工作原理如圖1所示。

電子束焊主要特點為[8-10]：

(1)沒有引入焊接材料，只是通過待熔體的熔合，焊縫的純潔度高。

(2)焊接熱源調節溫度范圍大且易于精確調節，重復性好，可以焊接各種金屬及合金，工藝適應性強，通過控制電子束偏移，還可實現復雜焊縫的自動化焊接。

(3)電子束的斑點尺寸非常小，功率密度非常大，焊縫深寬比大，焊接厚板時不開坡口即可實現單道焊，較電弧焊節省材料和能源。

圖1 電子束焊工作原理[8]

(4)電子束的焊接能量集中，熔化和凝固的過程短，焊接速度快，可以避免晶粒的長大，從而改善焊接接頭的性能。

(5)電子束的作用導致焊接時熱量非常集中，焊接熱影響區小，焊件變形小。

正是由于這些特點，電子束焊在鋁合金中厚板焊接中應用較為廣泛。然而，電子束焊熱輸入量大，焊后冷卻速度快，容易引發接頭組織缺陷，加之電子束焊設備昂貴，制約了電子束焊的進一步應用。為更好評估電子束焊在鋁合金焊接中的進一步應用，將對鋁合金電子束焊的研究現狀、存在不足及發展方向進行綜述。

2 鋁合金電子束焊研究進展和存在問題

2.1 工藝性能

針對鋁合金電子束焊接工藝，不同的研究者采用不同的材料和試驗條件進行了大量的研究。呂世雄等人[11]針對薄壁鋁合金進行了電子束焊接的研究，得到了適宜的工藝參數。王俊元等人[12]利用試件法確定了2A12鋁合金的電子束焊接工藝參數，保證了焊縫所需的力學性能。唐家鵬等人[13]探討了特征參數與接頭性能之間的對應關系，得出了一鋁合金真空電子束焊接的最佳焊接規范參數。秦志云[14]對汽車空調鋁合金活塞的電子束焊接工藝方法進行了深入研究。

電子束焊接工藝參數主要有[15]：電子束流Ib(單位：mA)、聚焦電流If(單位：mA)、加速電壓U(單位：kV)、焊接速度v(單位：mm／min)和工作距離D(單位：mm)。在這些因素中電子束流Ib、加速電壓U和焊接速度v共同決定了焊接時工件所獲得的線能量J(單位：kJ／mm)，線能量J可表示為

從目前的研究成果來看，對于特定的零部件獲取適宜的電子束焊工藝參數已沒有任何技術問題。但是，電子束焊各工藝參數間的相互作用機理，至今還沒有研究結果說明這一問題[16]。

2.2 接頭組織性能

接頭組織性能是零部件服役的關鍵，國內許多研究者從微觀結構出發來評定鋁合金電子束焊接的性能。何金江等人[17]研究了高純Al合金6061的電子束焊接，通過顯徼組織和力學性能進行了分析。常艷君等人[18]對6061鋁合金焊接接頭的組織與性能分析進行了研究，結果表明焊接區組織主要為等軸晶和樹枝柱狀晶，熔合區組織主要為柱狀晶。其他的研究者[19-21]也對鋁合金的焊接性能進行了較為深入的研究，得到了類似的結果。

然而，上述研究僅限于對鋁合金電子束焊接頭組織性能的評價，并沒有提出提高鋁合金電子束焊接頭性能的具體辦法，文獻[22]采用人工時效的辦法對鋁合金電子束焊接接頭的組織與性能開展了研究，取得了較好的效果。

2.3 接頭缺陷

盡管鋁合金電子束焊解決了鋁合金焊接存在的諸多問題，但鋁合金焊接仍存在許多缺陷，主要包括氣孔、裂紋、焊縫成形不良以及合金元素燒損等。林世昌等人[23]針對空心鋁球的電子束焊接，分析了氣孔和裂紋等缺陷產生的原因。常艷君等人[24]對鋁合金電子束焊接氣孔進行了分析，指出了各參數條件與氣孔產生之間的關系。汪興均等人[25]研究了5A06鋁合金電子束焊接后熔池內Mg元素的分布及其對焊縫硬度的影響，并分析了焊接工藝參數對Mg元素燒損行為的影響。王俊元等人[26]對2A12鋁合金真空電子束焊接氣孔缺陷進行了分析，表明影響焊縫強度的主要因素是焊接過程中產生的氣孔缺陷，在采取一定的焊接工藝措施后，接頭中的氣孔缺陷可得到很好地控制，保證了焊縫所需的力學性能。

上述文獻研究了鋁合金焊接接頭存在的缺陷，找到了相應的降低措施，但由于電子束焊自身特點，完全解決鋁合金電子束焊接頭缺陷還十分困難。

2.4 焊縫成形

焊縫成形是評價焊接質量的重要指標，電子束焊一大重要特點是焊縫深寬比大。文獻[27-28]指出，熔深是影響電子束焊接接頭性能的關鍵因素，在其他參數不變的情況下，電子束焊熔深和加速電壓U、電子束流Ib成正比，與束斑直徑(受聚焦電流If影響)、工作距離D、焊接速度v成反比，據此可以設計合適的工藝參數，確保焊縫成形。文獻[29]對不銹鋼采用電子束焊，建立了電子束焊接參數與焊縫形狀參數之間的關系模型，為優化焊縫成形提供了研究基礎，這對控制鋁合金電子束焊縫成形也具有一定的借鑒作用。文獻[30]采用低加速電壓、大束流、過剩熱輸入和低焊接速度的軟焊接規范，確保了2219鋁合金焊接中得到良好的焊縫成形和合理的余高，為研究焊縫成形提供了新方法。

上述研究大多限于理論研究或針對實際問題來確保電子束焊縫成形，對電子束焊工藝參數與焊縫成形機理認識還有待進一步研究，以確保不同零部件的焊縫成形。

2.5 有限元仿真技術

有限元仿真技術的快速發展為鋁合金電子束焊接研究提供了新方法，主要集中在焊接過程中溫度場、接頭組織性能和殘余應力分析方面。郭桂芳等人[31]對7075鋁合金電子束焊接溫度場數值模擬，結果表明用有限元數值模擬方法得到的焊接和熱處理溫度場分布規律與實測溫度值基本一致。田艷紅等人[32]建立了三維有限元模型，模擬電子束焊接的一個大型復雜鋁合金結構溫度場，旨在控制焊接結構的最終變形。張海泉等人[33]在Windows NT平臺上采用C++Builder快速開發軟件和OpenGL圖形接口技術建立了電子束焊接動態過程仿真分析系統，其計算模擬與實測值比較吻合，但計算值普遍低于實測值，其誤差范圍在15%之內。郭桂芳等人[34]針對7075鋁合金電子束焊接殘余應力場進行了數值分析，對焊接接頭的殘余應力分布進行了計算機數值模擬的可行性研究。

有限元仿真技術將成為鋁合金電子束焊焊縫成形機理、溫度場、殘余應力、接頭缺陷等方面的研究手段，但如何確保所設置的邊界條件、物性參數與實際情況相一致則成為了鋁合金電子束焊有限元仿真技術面臨的重大難題。

3 鋁合金電子束焊展望

電子束焊在鋁合金焊接方面取得了較好的效果，但也存在諸多問題，未來研究工作建議從以下幾方面開展：

(1)電子束焊接接頭質量受多參數影響，且參數之間相互制約，需不斷完善設備參數的監控系統，對電子束流Ib、聚焦電流I、加速電壓U、焊接速度v和工作距離D等參數實現實時控制，從設備上確保參數精度控制，為獲得理想優化的焊接參數提供保證；另一方面，需要將數據庫技術、專家系統、模糊控制技術、神經網絡技術等引入到電子束焊設備中，使設備能夠具有自調節最優參數的能力。

(2)加強鋁合金電子束焊基礎理論研究。目前，鋁合金電子束焊基礎理論還不夠完善，需要從電子束流特性、電子束焊本質、電子束焊熔化機理、冶金結晶過程、溫度場、缺陷產生機理以及防止措施等方面開展系統研究。

(3)從電子束焊過程監控方面開展研究，如采用圖像處理技術檢測鋁合金電子束焊過程，建立熔池與焊接質量的相關模型；對電子束焊接過程中產生的帶電粒子進行檢測，完善電子束焊焊接機理。

(4)加強數值模擬技術在鋁合金電子束焊中的作用，完善鋁合金電子束焊接的熱源模型，推進鋁合金電子束焊溫度場、應力場、鋁合金電子束焊焊縫成形、電子束焊接缺陷產生機理及防止措施等方面的模擬研究工作，并與實際試驗相互結合，將其結果用來指導實際工況。

4 結論

綜述了鋁合金電子束焊研究現狀，指出其存在的問題，并對鋁合金電子束焊發展進行了展望。目前許多工廠仍然采用MIG焊、TIG焊，攪拌摩擦焊也呈現出前所未有的研究熱潮，但在中厚板焊接方面，電子束焊仍有巨大的優勢。伴隨著對電子束焊深入研究，不斷改進設備、完善工藝，電子束在鋁合金焊接中將獲得越來越廣泛的應用。

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Study on electron beam welding for aluminum alloy

WANG Jing
(Department of Engineering Mechanics and Automation，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China)

Aluminum alloy is applied widely in aeronantics and astronantics，traffic vehicle and mechanism industry，while the weldability of aluminum alloy restricts its application and development.Compared with other welding methods，electron beam welding possesses such advantages as high fusibility ability，good welding joint in quality，etc.Mechanism and characteristics of electron beam welding are explained.The progress in research on electron beam welding of aluminum alloy is discussed.Based on these general surveys，future research emphasis on electron beam welding of aluminum alloy is suggested.

electron beam welding；aluminum alloy；development direction

TG456

C

1001-2303(2011)08-0112-04

2011-01-13

王 靜(1968—)，女，講師，主要從事機械設計與制造、材料加工工藝的教學與研究工作。