厚大件電子束焊接過程電子槍熱防護

宮在龍

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

哈爾濱汽輪機廠真空電子束焊機額定電壓為60 kV，額定功率60 kW，目前該公司用到的最大功率為30 kW左右，真空電子束焊機工作時要求為負壓，真空室內壓力為7.0×10-4mbar。電子槍的溫度傳感器位于第二層防護罩上，當電子槍的溫度增加到65℃時，就會出現電子槍的超溫報警現象。

由于電子束焊接的有效距離較小，為保證大厚零件的焊接，經常用200 mm左右的槍距進行焊接，隨著焊接時間的加長，當電子槍吸收的焊接輻射熱量達到或超過65℃時，真空電子束焊機就會出現槍頭過熱的報警，此報警在一次焊接沒有完成時，雖然不終止焊接，但是在進行下一次焊接時需等待報警消除，故考慮進行熱防護工作的研究。

1 焊接過程的隔熱處理

采用效果較好的隔熱方法，將電子槍與被焊接件隔離開，從而有效控制高溫輻射對電子槍的直接影響。熱障涂層，是目前隔熱效果較好的方法之一，其優點為：涂層厚度小、可實施性強。通過研究，目前已研制出了隔熱效果好、結合強度高、適合高真空環境的涂層材料，通過采用合理的工藝方法后，使得實際的噴涂過程更加的簡單快捷。

熱噴涂制備方法一般采用常壓等離子體噴涂。在涂層中存在一定的孔隙度，以降低涂層的熱導率，減少涂層中應力。可以保證電子束焊機的有效工作距離不變，避免了其他方案引起電子束焊機有效工作距離縮短的問題，故可采用在電子槍防護罩的表面噴涂熱障涂層的辦法，降低電子槍超溫的頻率，從而大大地提高真空電子束焊機的工作效率。其主要研究內容包括：

（1）噴涂材料的研究制定。

（2）噴涂工藝及設備的研究制定。

（3）涂層與基體結合強度的試驗研究及檢測。

（4）隔熱效果測試——熱導率的檢測。

（5）涂層厚度與隔熱效果的關系實驗以及涂層厚度的最終確定。

（6）高真空特殊環境的性能測試。

2 試驗過程分析

2.1 試驗目的

本報告為熱障涂層性能測試及結果觀察，包括：涂層外觀、顯微組織、孔隙率、彎曲試驗、結合強度等。

2.2 試驗方法

使用超音速噴涂設備制備NiCoCrAlY底層，用7 M等離子噴涂槍噴涂納米氧化鋯(ZrO2/Y2O3)面層來制備熱障涂層。按照試驗要求分：金相試樣、彎曲試樣、熱震試樣、拉伸試樣共四組。

對上述涂層分組進行性能測試，具體測試依據及方法見各測試報告。

2.3 試驗內容

2.3.1 熱障涂層制備

（1）底層噴涂

底層噴涂使用超音速火焰噴涂設備，基體表面溫度控制在Tmax<100℃。噴涂材料為NiCoCrAlY。具體工業參數如表1所示。

表1 底層噴涂工藝參數

（2）面層噴涂

面層噴涂使用80 kW高能等離子噴涂系統配和7 M槍進行噴涂。在噴涂時，基體溫度Tmax<150℃。噴涂材料為納米氧化鋯(8ZrO2/Y2O3)。

2.3 .2噴涂后試樣

噴涂后的試樣主要是金相試樣。試樣材料為不銹鋼板，尺寸為75 mm×25 mm×1.0 mm。噴涂方式采用平面噴涂，底層厚度為100 um，面層厚度為210 um，涂層總厚度為310 um。

2.3 .3涂層性能測試結果

（1）涂層外觀

用7X放大鏡在自然光下觀察，可見涂層完整，表面均勻連續，且無裂紋、邊緣翹起和剝落等缺陷。涂層面層孔隙率為24.9%，如圖1所示。

圖1 涂層面層孔隙率

（2）彎曲試驗

在彎曲直徑為覫10 mm的測試工裝上，將涂層面向外，以較慢的速度彎曲90°，仔細觀察被彎試樣，可發現除邊緣1.5 mm內有微小裂紋外，其涂層無翹起、無剝離、無貫穿裂紋等現象。

（3）結合強度

制備兩個試樣，在試樣端面制備涂層，保證涂層厚度大于等于0.4 mm。在兩試樣的涂層面涂上一層很薄的粘合劑，令兩試樣軸線重合，加力使之對接充分粘合，粘合劑中不得有氣泡，然后使粘合劑固化，將試樣裝備在試驗機上，進行強度試驗，通過測試，得出測試結果為：平均結合強度為55.69 MPa。

（4）熱膨脹系數及熱導率檢測

熱膨脹系數采用電磁感應熱機械法測定，電磁感應熱機械法是將頂桿的移動通過天平傳遞到差動變壓器，變換成電訊號，經過放大轉換，從而測量出試樣的伸長量。熱導率是采用徑向熱流法測量，涂層隔熱試驗結果如圖2所示，檢測計算依據如表2所示。

圖2 涂層隔熱試驗結果

表2 檢測計算數據

2.4 試驗結果分析

通過以上試樣試驗及各項檢測數據分析，噴涂納米氧化鋯(8ZrO2/Y2O3)熱障涂層試樣，底層厚度為100 um，面層厚度為210 um，涂層總厚度為310 um，涂層外觀完整，表面均勻連續，且無裂紋、邊緣翹起和剝落等缺陷。基體與打底層間無翹起、分層、界面污染物極少，材料熔化均勻。金相組織打底層與面層間無分層，材料熔化均勻，孔隙分布均勻。涂層面層孔隙率為24.9%。平均結合強度為55.69 MPa，涂層熱導率低隔熱效果可達170℃，根據涂層檢驗數據顯示完全可以滿足電子槍防護罩隔熱的要求。

3 結束語

在一級防護罩的表面進行噴涂處理，并設計加工兩個帶有防護涂層的附加防護板，使電子槍與被焊接件之間設立熱防護層，從而有效控制高溫輻射對電子槍的直接影響，起到良好的防護作用，且實際使用效果顯著，可使電子槍連續工作時間增長到原來的3~5倍，大大的提高了電子束焊機的工作效率。