奧氏體不銹鋼電子束單面焊雙面成形焊接技術

王 鑫， 王利媛

電子束焊是指在真空環(huán)境下， 利用匯聚的高速電子流轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能， 使被焊金屬熔化的一種焊接方法。 主要的優(yōu)點有： 穿透能力強， 焊縫深寬比大； 焊接速度快， 熱影響區(qū)小， 焊接變形??； 真空環(huán)境有利于提高焊縫質量；焊接可達性好， 能夠焊接其他焊接方法較難接近的部位； 電子束易受控制， 易實現(xiàn)復雜接縫的自動焊接。 但同時， 由于電子束焊接設備的造價高昂， 可焊工件尺寸和形狀受到真空室尺寸和電子槍位置影響， 也給電子束焊接技術在工業(yè)中的應用帶來了限制。 近年來， 隨著局部真空電子束焊接技術和非真空電子束焊接技術的發(fā)展， 以及各種高電壓電子束焊接設備不斷改進， 電子束焊接技術在航空航天[1]、 核能裝備、 船舶制造[2]等多個制造行業(yè)中的應用日趨廣泛。

本文對奧氏體不銹鋼電子束單面焊雙面成形焊接技術進行研究， 通過焊接試驗確定奧氏體不銹鋼電子束單面焊雙面成形焊接工藝， 確保電子束焊縫全部焊透， 背面無明顯焊瘤， 成形良好， 對電子束單面焊雙面成形的參數(shù)控制進行分析和討論。

1 焊接設備及材料

焊接試驗使用的設備型號為TECHEMTA LARA 52， 額定功率為10 kW， 電子槍最大輸出電壓為60 kV。

焊接試驗所用的母材為06Cr18Ni11Ti（ 見表1） 。 焊接試驗件為5 mm×125 mm×400 mm 的不銹鋼試板， 坡口形式為I 型坡口。 試板用10 mm 鋼板加工得到， 為減小加工變形， 僅對待焊坡口位置進行加工（ 見圖1） 。 需要注意的是， 在電子束單面焊雙面成形焊接過程中， 一定要嚴格控制坡口端面， 不得存在倒角， 否則會對焊接結果有較大影響。

圖1 電子束焊接試板

2 試驗過程及結果

2.1 焊接操作

在焊接試板前， 首先清理待焊坡口， 清除油污雜質， 以免影響焊接質量。

清理后， 將試板裝在電子束焊接平臺上， 找正， 并用壓板壓緊， 不得存在間隙和錯邊。 然后，將工件放入真空室， 使用校準線確認焊縫與電子槍運行軌跡重合。 由于電子束焊接的焊縫只有1.5～3 mm， 所以試板的找正非常重要。 找正完成后開啟真空泵抽真空， 待真空度≤7×10-4mbar 即可進行電子束焊接。

2.2 焊接參數(shù)對焊縫的影響

在試驗中， 筆者采用不同焊接參數(shù)焊接， 焊后觀察焊縫正面和背面的成形情況， 對焊接參數(shù)進行調整優(yōu)化。

電子束焊接過程中最主要焊接參數(shù)有4 個， 分別是： 焊接電壓， 焊接束流， 焊接速度和聚焦束流。 其中聚焦束流的主要作用是調節(jié)電子束流焦點位置， 對于擺放位置固定的工件， 聚焦束流是可以確定的。 因此， 本文不再對聚焦束流對焊接過程的影響進行討論。

（1） 焊接電壓

電子束的焊接電壓是指給從陰極發(fā)射出的電子進行加速的加速電場電壓。 通過加速電場的電子獲得較大動能， 這部分能量就是電子束焊接時使金屬蒸發(fā)汽化的能量來源。 電子束焊接電壓是對熔深影響最大的焊接參數(shù)， 根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗， 當焊接束流固定不變時， 焊接電壓每增加10 kV， 熔深增加約5 mm。

（2） 焊接速度

焊接速度是指電子束流在焊縫表面的相對移動速度， 作為熱輸入量極小的高能束焊， 電子束焊的焊接速度要遠高于電弧焊， 在焊接深度小于5 mm的焊縫時， 焊接速度通常能夠達到800～2 500 mm/min。 由于電子束的能量密度較大， 熔深較大， 故在產(chǎn)生小孔效應的情況下， 改變電子束的焊接速度對焊縫影響較小， 只有在散焦狀態(tài)下， 電子束的焊接速度才對焊接過程有較大影響。

（3） 焊接束流

焊接束流是指從陰極發(fā)射出的電流中包含的電子數(shù)量， 焊接束流越大， 電子數(shù)量越多， 焊接能力越強。 在焊接電壓相同的情況下， 增加焊接束流能少量增大熔深和焊縫的熔寬， 但由于電子束流的能量密度沒有增加， 焊縫熔深和焊縫深寬比不會顯著增加。

2.3 單面焊雙面成形參數(shù)

電弧焊的單面焊雙面成形焊接是焊縫背面的液體金屬表面張力、 向下的電弧壓力、 洛倫茲力及熔池底部因溫度梯度產(chǎn)生的橫向剪切應力等在焊縫背面形成穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。 對于電子束焊縫的單面焊雙面成形， 也需要在焊縫背面形成穩(wěn)定的平衡狀態(tài)， 本文的焊接試驗就是以確定這一平衡狀態(tài)為目的。

在電弧焊單面焊雙面成形焊接時， 需要使用能夠熔透焊縫鈍邊的焊接電流進行焊接， 以維持單面焊雙面成形時焊縫背面的平衡狀態(tài)， 為了確保平衡狀態(tài)穩(wěn)定可控， 要在焊接時盡量降低焊接速度。

根據(jù)這一經(jīng)驗， 在焊接試驗過程中， 優(yōu)先選定焊接電壓， 在焊接電壓不變的條件下， 調整焊接束流和焊接速度進行試驗（見圖2）。

當電子束流較小時， 焊縫熔深小于試板厚度，無法穿透焊接試板， 背面焊縫未焊透。

隨著電子束流的增加， 焊縫熔深逐漸增大至接近試板厚度， 焊縫背面出現(xiàn)周期性的焊縫余高， 但焊縫未完全凸出， 仍然存在未焊透區(qū)域（ 見圖2（a））。

圖2 不同形狀的電子束焊縫

繼續(xù)增大焊接束流， 焊縫熔深進一步增大， 但并未獲得背面成形良好的電子束焊縫， 焊縫正面存在下凹， 而焊縫背面存在排列均勻的焊瘤（ 見圖2（b） ， （ c）） 。 在電流不變的情況下， 改變焊接速度， 能夠在一定程度上改變焊縫背面焊瘤的大小和焊瘤間距， 但是既無法消除焊縫正面的下凹， 也無法消除焊縫背面的焊瘤（見圖2（d））。

在此基礎上進一步增加焊接束流， 焊縫正面的下凹和焊縫背面的焊瘤更加嚴重。 但當焊接束流達到某一值以上， 并且同時提高焊接速度時， 焊縫背面的焊瘤會逐漸減小， 焊縫背面趨于平整， 隨著焊接束流和焊接速度進一步增加， 焊縫背面的焊瘤最終能夠完全消除， 焊縫正面的下凹也顯著減少（見圖2（e）， （f））。

當焊接束流繼續(xù)增大時， 焊縫正面和背面均會下凹（見圖2（g）， （h））。

2.4 試驗結果討論

電子束焊接作為一種高能束焊接方法， 在焊接過程中會產(chǎn)生小孔效應， 能量密度極高的電子束流會使小孔內的焊縫金屬直接汽化， 并對小孔側壁產(chǎn)生較大的壓力。 除此之外， 由于電子束焊縫底部汽化的金屬蒸汽產(chǎn)生的壓力存在較大波動， 會使電子束焊縫根部產(chǎn)生鋸齒形狀， 同時在該處還可能存在周期性的微小未熔合、 冷隔等焊接缺陷， 這種電子束焊接特有的特點被稱作釘尖效應， 其在焊縫根部形成的周期性微小焊接缺陷被稱為釘尖缺陷。

在焊接束流較小時， 形成小孔的電子束流能量不足以穿透焊縫金屬， 會在焊縫最大熔深處至焊縫根部這一范圍內形成未焊透缺陷。

隨著焊接束流的增大， 焊縫熔深接近焊接試板厚度， 但在小孔效應的作用下， 焊縫背面局部凸出， 形成余高， 而其余部分則未完全焊透， 焊縫背面無法凸出， 有時甚至在焊縫背面觀察到典型的釘尖缺陷（見圖3）。

通過增加焊接束流， 使焊縫熔深增大至略大于試板厚度， 電子束流將完全穿透試板。 此時， 在金屬蒸汽壓力作用下， 焊縫底部金屬被壓出焊縫表面， 而金屬蒸汽的壓力同時釋放， 隨后金屬蒸汽壓力減小， 無法將焊縫底部金屬壓出表面， 隨著焊接過程的繼續(xù)， 當金屬蒸汽壓力再次升高后將焊縫底部金屬再次壓出表面。 這一周期性過程就是焊縫背面產(chǎn)生焊瘤的原因。 同時， 由于部分焊縫中的金屬在焊縫背面形成焊瘤， 焊縫內部的金屬減少， 造成凝固后焊縫表面下凹。

圖3 頂尖缺陷

繼續(xù)增大焊接束流達到某一數(shù)值時， 焊縫背面會逐漸平整， 焊瘤逐漸消失。 這是因為電子束流的能量密度增大到能夠完全穿透試板， 焊縫中不再有金屬蒸汽壓力波動， 小孔效應形成的小孔尺寸保持穩(wěn)定， 被壓出焊縫的金屬大部分以焊接飛濺的形式與焊接試板分離， 少部分被壓出焊縫但未與試板分離的金屬凝固形成焊縫背面余高， 同時， 焊縫表面會形成相同深度的下凹。

在這種情況下， 提高電子束焊接速度， 加快焊縫凝固速度， 就能獲得背面余高較小， 成形良好的電子束焊縫。 此時， 如果繼續(xù)增大焊接束流， 與試板分離的焊縫金屬增多， 由于凝固速度沒有變化，故背面焊縫余高僅略有增加， 而正面焊縫的下凹會增大。

最佳焊接參數(shù)應該是由電子束流能量引起焊縫金屬飛濺分離的量最少， 從而使焊縫表面下凹最小， 而焊接速度保證形成2 mm 以下的平整焊縫背面余高。 理論上， 在每個焊接電壓下都能夠找到一組排出焊縫金屬量極少， 可以忽略焊縫表面下凹的焊接參數(shù)， 但隨著工件厚度的增加， 確定最佳焊接參數(shù)的難度逐漸增大。 不過， 一定存在一個焊接參數(shù)區(qū)間可以將焊縫下凹控制在1 mm 以下， 實際工作中通過少量試驗調整工藝參數(shù)， 就能夠相對容易確定優(yōu)化焊接參數(shù)， 從而獲得背面成形良好的電子束焊縫。

對于表面1 mm 以下下凹的電子束焊縫可以使用小規(guī)范散焦焊接參數(shù)在焊縫表面焊接一道修飾焊道， 最終獲得焊縫表面有余高， 焊縫背面成形良好， 且全部焊透的電子束焊縫。

2.5 奧氏體不銹鋼電子束焊接的特殊性

在使用電子束焊接奧氏體不銹鋼時， 還要考慮到焊接參數(shù)對奧氏體不銹鋼焊接性的影響。

由于奧氏體不銹鋼沒有磁性， 焊接過程中不會受到磁偏吹的影響； 另外， 由于奧氏體不銹鋼中的Cr、 Ni 含量較高， 擴大了奧氏體相區(qū)， 在冷卻過程中不會發(fā)生奧氏體向鐵素體轉變， 焊縫中不會因焊后冷卻速度過快而產(chǎn)生淬硬性組織。

表2 電子束焊接參數(shù)

表3 電子束焊接接頭力學性能

但奧氏體不銹鋼中較高的Cr、 Ni 含量會增大液態(tài)金屬的粘度系數(shù)， 熔池內的焊縫金屬流動性顯著下降。 對于深寬比大的電子束焊來說， 極易在焊縫中形成電子束焊縫特有的焊接缺陷—冷隔。 所謂冷隔， 是指由于電子束焊縫冷卻速度太快， 液態(tài)金屬沒有將焊縫完全填滿就凝固， 最終在焊縫中形成的空洞， 焊接厚度越大的電子束焊縫， 越容易產(chǎn)生冷隔。

為了減小或消除冷隔， 需要減緩焊縫的冷卻速度， 結合焊縫成形的焊接參數(shù)范圍， 建議在焊接奧氏體不銹鋼時選取焊接參數(shù)的下限焊接。 通過電子束流的高頻偏轉掃描能夠起到攪拌作用， 提高焊縫內液態(tài)金屬的流動性， 但是這種焊接方式會使電子束焊縫成形效果變差， 也更容易產(chǎn)生熱裂紋， 工件厚度較大時焊縫質量難以控制， 所以不建議在奧氏體不銹鋼電子束首層采用偏轉掃描的焊接方式。

2.6 電子束焊接接頭組織和性能

分別選取不同焊接參數(shù)下成形良好的試板， 清理打磨背面焊縫， 對正面焊縫和背面焊縫進行表面滲透檢驗， 對整個電子束焊縫進行射線探傷檢驗，最終檢測結果均合格（見表2）。

對兩塊焊接試板取樣進行焊接接頭力學性能檢測（ 見表3） ， 將兩組力學性能檢測結果進行對比，未發(fā)現(xiàn)電子束焊接參數(shù)對焊接接頭力學性能有顯著影響。

觀察兩塊試板焊接接頭的金相組織（ 見圖4） 。可知焊縫的組織為單相奧氏體， 主要是因為電子束焊接過程中冷卻速度較快， 焊縫金屬以柱狀胞晶的形式快速生長， 鐵素體相的析出受到抑制。 試驗結果表明， 不同焊接參數(shù)得到的焊縫組織完全相同。

圖4 電子束焊縫金相組織

3 結 語

（1） 在進行奧氏體不銹鋼的電子束單面焊雙面成形焊接時， 在給定焊接電壓能夠覆蓋焊接試板厚度的前提下， 控制焊接束流和焊接速度就能夠獲得成形良好的全焊透電子束焊縫。

（2） 通過在全焊透電子束焊縫表面焊接修飾焊道能夠完全消除奧氏體不銹鋼電子束單面焊雙面成形中焊縫表面的下凹缺陷。

（3） 不同焊接參數(shù)焊接接頭的力學性能和金相組織無明顯差異。