電子束焊接焊縫氣孔缺陷分析及預防

張春柱 楊美周

（江鉆股份公司武漢鉆頭制造廠，湖北 武漢430223）

0 引言

電子束焊接由于具有焊接功率密度高、焊縫深寬比較大（10∶1～50∶1）、熱影響區及變形小、組織性能好、易于實現計算機控制等優點，在工業領域有廣泛應用。在實際應用過程中筆者發現，車焊皮后的焊縫經常出現密集氣孔，給節奏緊的生產帶來了很大的困擾。通過長期的生產跟蹤，結合缺陷產生的理論知識，筆者對氣孔的產生因素進行了分析，并提出預防措施，取得了良好的效果。

1 氣孔產生機理

1.1 匙孔振蕩模式

電子束焊接的工作原理是：高速電子束流轟擊工件，將電子束動能轉化為晶格振動能，使工件快速升溫，熔化并氣化母材，液態金屬在金屬蒸汽流的反沖作用力下形成凹陷的“匙孔”（圖1）；液態金屬在多種驅動力的作用下流動，最終形成焊縫。

圖1 匙孔模型

Sehauer的匙孔振蕩模型理論（圖2）指出：平穩的小頻率振蕩是匙孔平衡系統固有的特征，大頻率的振蕩是缺陷產生的原因所在［1－2］。

圖2 匙孔振蕩模式

1.2 氣孔產生機理

根據匙孔振蕩模式的原理，當匙孔出現波動后，局部區域附近液態金屬都向“突起”位置流動。當“突起”形成后，隨著焊接過程的進行會表現出兩個特征。一是“突起”繼續變大，直至完全隔斷入射的電子束，導致氣孔缺陷，該過程中形成的氣孔分布在焊縫中部，而且體積較大［3］。

另外，由于突起對電子束的吸收，導致熱量積聚，突起部位金屬強烈蒸發，在強烈的金屬蒸汽反沖壓力作用下，匙孔壁面恢復平滑狀態，如果局部蒸發劇烈，導致作用在“突起”上的反沖壓力過大，可能導致局部的內陷，形成凹面，隨著凹面的長大最終成為一個氣體球，在焊縫凝固過程中殘留的氣體球成為氣孔缺陷，此時氣孔往往分布于焊縫兩側，且體積較小。

2 氣孔產生的現實因素

2.1 焊縫間隙

在跟蹤分析氣孔產生原因的過程中發現，連續有3件產品出現大量焊縫氣孔，焊接記錄顯示它們的焊縫間隙普遍＞0.20mm，其中名稱為SR001的焊縫間隙更是達到了0.30mm，如表1所示。

表1 焊縫間隙

對此，筆者進行了兩次模擬試驗。試驗樣件焊縫間隙控制在0.02mm以內，樣件結構和尺寸同產品連接結構相同，焊接參數和產品焊接參數相同。試驗結果如表2所示。

表2 試驗樣件焊接氣孔情況

試驗樣件焊接結果顯示，當焊縫間隙＜0.02mm時，可有效控制氣孔產生。

模擬試驗后，筆者加強了對焊縫間隙的控制，將產品焊縫間隙都控制在0.1mm以下，隨后跟蹤統計的65件產品顯示均未出現密集氣孔缺陷。

2.2 焊接面質量

焊接面質量指的是焊接面表面凹凸不平，當電子束流打在焊接面表面凸起部分時，凸起部分會瞬間氣化，形成金屬蒸汽。凹坑由于沒有金屬，無法形成金屬蒸汽或者產生的蒸汽壓力較小。這種蒸汽壓力時大時小的振動會引起“匙孔”平衡劇烈振蕩，產生氣孔。

在實際的生產過程中有兩種焊接面：（1）車削形成的具有一定粗糙度的機加工面；（2）噴砂處理形成的毛面。為提高焊接面質量，筆者提升了對表面粗糙鍍的要求，并取消了噴砂工藝，在隨后6個月的監控中未發現密集氣孔。

3 結論

通過上述分析得出下列結論：（1）焊接前應嚴格控制焊縫間隙，焊縫間隙應＜0.1mm，間隙越小越有利于抑制氣孔出現。（2）不能用現行的噴砂工藝清理焊接面，焊接面清理應避免產生大的凹凸，保持焊接面平整。

當然，引起匙孔劇烈振蕩的因素還有很多，例如設備發射電子束的穩定性、焊接材料均勻性、焊接面氧化物等都需要嚴格控制，在此不再一一分析。

［1］Schauer D A.Thermal and dynamic effects in electron beam welding cavities［D］.California：University of California，1977.

［2］Schauer D A，Giedt W H.Prediction of electron beam welding spiking tendency［J］.Welding Journal，1978，57（7）：189－195.

［3］趙勇.基于力學平衡條件電子束焊接匙孔形態的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.