電子束非穿透焊中束流品質(zhì)對焊縫質(zhì)量的影響

滕文華，張偉超，沈顯峰，余 洋

（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

電子束非穿透焊中束流品質(zhì)對焊縫質(zhì)量的影響

滕文華，張偉超，沈顯峰，余 洋

（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽621900）

針對電子束非穿透焊接，通過工藝試驗研究束流品質(zhì)與焊縫內(nèi)部質(zhì)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)影響非穿透焊中產(chǎn)生釘尖缺陷的主要因素是束流品質(zhì)的下部寬度和峰值能量，并進(jìn)行了理論分析。采用Design-Expert軟件響應(yīng)面分析法，建立束流品質(zhì)與焊縫熔深之間的數(shù)學(xué)模型。

電子束焊；束流品質(zhì)；焊縫質(zhì)量

0 前言

焊縫質(zhì)量是決定電子束焊接接頭承載性能的關(guān)鍵要素，是電子束焊接質(zhì)量控制的主要對象。焊縫質(zhì)量可以用兩個特征來表示，一是焊縫熔深，另一個是焊縫內(nèi)部質(zhì)量。由于在產(chǎn)品上形成的焊縫熔深等質(zhì)量特性不易測量，因此電子束焊接屬于特殊工藝。在電子束焊接中，電子束束流是直接作用于工件形成焊縫的能量源，掌握束流品質(zhì)對電子束焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律是建立基于束流品質(zhì)控制的電子束焊接質(zhì)量方法的重要前提之一。本研究的束流品質(zhì)用四個參數(shù)來表征，分別是上部寬度、中部寬度、下部寬度和峰值能量，如圖1所示。

圖1 束流品質(zhì)的四個表征參數(shù)

1 束流品質(zhì)對焊縫內(nèi)部質(zhì)量的影響規(guī)律

在電子束非穿透焊中，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)的超標(biāo)氣孔往往以焊縫底部的氣孔（或空洞）為主。這是因為電子束在未熔透情況下容易出現(xiàn)釘尖缺陷，這些釘尖缺陷不僅會造成焊縫底部凹凸不平，有些釘尖甚至插進(jìn)基體金屬，釘尖缺陷的產(chǎn)生將導(dǎo)致焊縫底部產(chǎn)生氣孔或空洞，如圖2所示。

圖2 焊縫底部氣孔

在電子束焊接中，焊縫內(nèi)部質(zhì)量是影響產(chǎn)品焊接接頭承載性能的重要因素之一，較多的氣孔將直接降低焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其主要原因是氣孔減小了結(jié)構(gòu)承載橫截面的有效面積，并且在孔洞周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中。

因此，在電子束非穿透焊中，控制釘尖缺陷的產(chǎn)生是抑制氣孔的最佳技術(shù)措施。為此，開展了不同束流品質(zhì)下焊縫底部釘尖缺陷的發(fā)生情況，以期找出抑制釘尖缺陷產(chǎn)生的規(guī)律。焊接試驗在不銹鋼對接試板上進(jìn)行，主要工藝參數(shù)如表1所示，共進(jìn)行了7組試驗。為正確揭示束流品質(zhì)對內(nèi)部氣孔的影響規(guī)律，7組試驗采用的加速電壓、工作距離、焊接速度、攪拌函數(shù)均一致。

表1 焊接主要工藝參數(shù)

不同束流品質(zhì)下的焊縫形貌如圖3所示，不同束流品質(zhì)所形成的焊縫內(nèi)部質(zhì)量差別明顯：1號、2號、3號焊縫的底部存在明顯的氣孔，釘尖缺陷的特征較為明顯，這些釘尖缺陷造成了焊縫底部凹凸不平，有些釘尖甚至插進(jìn)基體金屬；4號、5號、6號焊縫的底部逐步趨向平滑，焊縫底部也未發(fā)現(xiàn)明顯的釘尖缺陷和氣孔；7號焊縫的底部非常光滑，焊縫內(nèi)部無任何可見的釘尖缺陷和氣孔。在相似的峰值能量下，形成的焊縫內(nèi)部質(zhì)量完全不同（3號、6號），而這兩種焊縫束流品質(zhì)最大的區(qū)別是其束流品值的上部寬度、中部寬度和下部寬度。

在電子束深熔焊過程中，Schauer分析匙孔內(nèi)力，認(rèn)為電子束焊接過程中匙孔壁面受蒸汽反沖壓力和表面張力的作用，在匙孔壁面上存在一個力的平衡點。在力的平衡點以下，蒸汽反沖壓力大于表面張力；之上是表面張力大于蒸汽反沖壓力。在這種力的作用下，匙孔上部液態(tài)金屬在表面張力的驅(qū)動下輕微向內(nèi)流動，到達(dá)壓力平衡區(qū)，形成一個熔體突出物（見圖4a），此時少量的熔體突出物可能進(jìn)入束流通道，一旦它進(jìn)入束流通道，熔體上表面被加熱到很高的溫度，直至蒸發(fā)，破壞了原來的壓力平衡，同時產(chǎn)生很大的反沖作用力驅(qū)使突出物熔體流向匙孔底部（見圖4b），這樣部分填入匙孔（見圖4c），接著束流在一個較厚的熔池上作用，通過熔體鉆入一個孔（見圖4d），重新建立壓力平衡，整個過程周期性發(fā)生[1]。

綜合以上試驗結(jié)果，并結(jié)合Schauer提出的匙孔振蕩理論，發(fā)現(xiàn)束流品值的下部寬度是影響釘尖缺陷產(chǎn)生的重要因素之一。在電子束焊接中，熔體突出物由熔池上方向底部不斷周期性移動，在接近熔池的底部時，一方面由于匙孔的波動會引起局部區(qū)域附近液態(tài)金屬都向“突起”位置流動，“突起”將繼續(xù)變大；另一方面，在熔池底部匙孔尺寸逐步趨向狹小，兩方面的綜合作用將導(dǎo)致“突起”閉合（見圖5b），完全隔斷入射的電子束，從而造成作用于匙孔底部的電子束受到金屬蒸發(fā)量的影響，焊縫底部在焊接過程中得到不同的熱輸入，造成熔深不一致，即產(chǎn)生釘尖缺陷，這種釘尖缺陷將導(dǎo)致氣孔或空洞的產(chǎn)生概率變大（見圖5c）。當(dāng)束流品質(zhì)的下部寬度足夠大時，將使接近熔池底部的匙孔尺寸變大，這時即使變大的突起也不能發(fā)生閉合，從而避免了釘尖缺陷的產(chǎn)生。在電子束焊接中，通過控制束流品質(zhì)下部寬度達(dá)到一定閾值可以獲得無釘尖缺陷的焊縫，因此控制束流品質(zhì)下部寬度是保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量的首要因素。

2 束流品質(zhì)對焊縫熔深的影響規(guī)律

2.1 第一輪實驗

首輪焊接實驗在平板直接進(jìn)行表面堆焊，不采用對接焊接結(jié)構(gòu)，排除加工精度和對接間隙等因素的影響。焊接時控制各焊道之間的距離，且保證每次焊接的位置相同，起弧、收弧尺寸以及焊接長度的相同，排除因輸入熱量、散熱等狀況的不同而導(dǎo)致的差異。堆焊的主要工藝參數(shù)以及對應(yīng)的束流品質(zhì)參數(shù)和熔深結(jié)果如表2所示，24組試驗均采用相同的工作距離（500mm）和焊接速度（1000mm/min）。

圖3 不同束流品質(zhì)下焊縫的形貌

圖4 匙孔振蕩模式

分別考察束流品質(zhì)四個表征參數(shù)與熔深之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖6所示，熔深與峰值能量的關(guān)系最為密切，具有較為一致的對應(yīng)關(guān)系。

圖5 焊縫底部釘尖形成過程

圖6 束流品質(zhì)表征參數(shù)與熔深的對應(yīng)關(guān)系

三種不同加速電壓下，峰值能量與熔深之間的關(guān)系如圖7所示，由圖7可知，熔深與峰值能量之間存在著較為一致的關(guān)系，隨著峰值能量增大，熔深也呈現(xiàn)增加趨勢，但是三種電壓下均存在著少數(shù)的突變點。研究發(fā)現(xiàn)這些突變點均是下部寬度較大的點。不同加速電壓下，相近的峰值能量所獲得熔深是不同的，隨著加速電壓的增大，同樣的峰值能量可以獲得更大的熔深。在電子束焊接過程中，加速電壓是電子產(chǎn)生加速的動力，加速電壓越大，汽化毛細(xì)血管作用中的散射損失較低，相應(yīng)的熔深就越大。

2.2 第二輪實驗

根據(jù)第一輪的實驗結(jié)果，又進(jìn)行了第二輪實驗。實驗的前提是保持加速電壓不變，采用的基本工藝參數(shù)與表1一致，焊接試驗同樣是在不銹鋼對接試板上進(jìn)行。利用Design-Expert軟件響應(yīng)面分析法（Response surface method）進(jìn)行了試驗設(shè)計。以熔深為設(shè)計目標(biāo)，以下部寬度、峰值能量兩個影響因素作為設(shè)計輸入，選取合適的取值范圍，最終試驗的設(shè)計方案和測試結(jié)果如表3所示。在分析（Analysis）模塊下完成二次多項式模型擬合。擬合模型的殘差分布情況如圖8所示，殘差各點的分布幾乎在一條直線上，模型擬合效果較好。最終獲得熔深與下部寬度、峰值能量之間的二次方程模型。

表2 束流品質(zhì)參數(shù)及對應(yīng)的焊接熔深

下部寬度、峰值能量與熔深之間的等高云圖如圖9所示。峰值能量對焊縫熔深的影響最大，熔深隨著峰值能量的增大而急劇增加；下部寬度同樣也對熔深有影響，隨著下部開口寬度的增加，熔深也將增加，這種影響程度隨著峰值能量的增加而加劇，但是在較低的峰值能量下，影響并不明顯，這也解釋了為什么在圖7中不同電壓下均存在著幾個突變點。

圖7 三種電壓下峰值能量與熔深的對應(yīng)關(guān)系

在電子束焊接過程中，高速電子束流轟擊工件，將電子束動能轉(zhuǎn)化為晶格振動能，使工件快速升溫，熔化并氣化母材，液態(tài)金屬在金屬蒸汽流的反沖作用力下形成凹陷的“匙孔”（見圖10），高能密度的電子束流通過該匙孔直接達(dá)到熔池底部，轟擊“匙孔”底部未被熔化的金屬，隨著焊接過程工件的移動，便形成了焊縫[2]。根據(jù)Schauer提出的匙孔振蕩理論，由于匙孔壁“突起”的存在，并不是全部的電子束都作用于“匙孔”底部，但是隨著下部寬度的增大，這種削弱電子束能量的作用將進(jìn)一步減弱，將直接增加熔深。

表3 試驗設(shè)計方案與測試結(jié)果

圖8 擬合模型殘差分布

圖9 下部寬度、峰值能量、熔深之間的等高云圖

圖10 匙孔模型

3 結(jié)論

實驗發(fā)現(xiàn)，束流品質(zhì)的下部寬度和峰值能量是影響焊縫質(zhì)量的重要因素，焊縫內(nèi)部質(zhì)量與下部口寬度直接相關(guān)，焊縫熔深與束流品質(zhì)的下部寬度和峰值能量兩個表征參數(shù)有關(guān)。因此，建立基于束流品質(zhì)的電子束質(zhì)量控制方法的核心是控制束流品質(zhì)上述的兩個表征參數(shù)。

[1]周琦，劉方軍.電子束深穿透焊接過程匙孔動力學(xué)研究進(jìn)展[J].焊接學(xué)報，2001（3）：88－92.

[2]張春柱，楊美周.電子束焊接焊縫氣孔缺陷分析及預(yù)防[J].機(jī)電信息，2015（15）：85－87.

Influence of beam quality on weld quality in electron beam non penetration welding

TENG Wenhua，ZHANG Weichao，SHEN Xianfeng，YU Yang
（InstituteofMechanicalManufacturingTechnology，ChinaAcademyofEngineeringPhysics，Mianyang 621900，China）

In view of the non penetrating electron beam welding,study the relationship between beam quality and internal quality of the weld joint through the process test，find the main factor that effect of non penetrating welding nail tip defect is the beam quality of the bottom width and peak power，and has carried on the theoretical analysis.The mathematical model of beam quality and weld penetration is established byusingthe response surface analysis method ofdesign-expert software.

electron beam welding；beam quality；weld quality

TG456.3

A

1001－2303（2016）06－0101-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.21

2016-04-02

滕文華（1976—），男，山東青島人，高級工程師，碩士，主要從事激光加工、電子束焊接工藝技術(shù)的研究工作。