影響電子束焊接質量的幾個工藝因素

1.引言
　　電子束焊接（Electron Beam Welding—EBW）技術是高能束（High Energy Density Beam—HEDB）加工技術的一個重要組成部分，與激光焊接相比各有優(yōu)點[1]。電子束焊接除了具有輸入能量密度高、加熱面積小、焊接速度快、焊縫熱影響區(qū)窄、工件變形小等特點之外，還具有電子束穿透深、焊縫深寬比大、電子束控制方便以及真空環(huán)境中的焊縫不受污染等特點[2]。電子束焊接適于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。作為熱加工手段之一，電子束焊接技術已經(jīng)比較成熟，但又有良好的發(fā)展勢頭，有關機理、自動化程度、質量監(jiān)控、應用領域等研究內容尚在不斷進步。
　　我們從二十世紀六十年代開始進行電子束焊接工藝及應用研究，涉及的材料有高熔點金屬、高彈性合金、可伐合金、不銹鋼、高強鋼、有色金屬及其合金和陶瓷等非金屬材料；涉及的工件結構多種多樣，以中小型精密零件為主。三十多年來已取得多項科技成果。本文試圖從一些具體工件的焊接實例入手（以本單位的應用范例為主）討論影響電子束焊接質量的幾個工藝因素。
　　2.焊縫結構及配合間隙
　　在焊接實踐中，會碰到形形色色的工件，焊縫結構也各不相同，但總體上可分為：對焊縫、端焊縫、角焊縫（包括穿透焊縫），或區(qū)分為直線焊縫、環(huán)線焊縫、曲線焊縫、點焊縫，還有等截面焊縫和變截面焊縫等。為了達到最佳焊接效果，焊縫結構和配合間隙的設計至關重要，既要考慮工件（部件）在整機中的作用，又必須滿足被焊材料可焊性和具體焊接工藝的要求。所以在實施焊接之前，應該與工程設計人員共同討論焊接件的焊縫結構，或通過工藝試驗確定合理的結構與間隙尺寸。
　　3.工裝模具
　　為了將被焊接的工件置于焊機之中，工裝模具（夾具）直接影響焊接的實施效果，從一定意義上講，模具的正確設計是焊接工作成功的一半。
　　（1）夾持作用。夾具的正確運用關系到焊接的精度，一個合理的夾具既要保證工件的正確裝配，又要考慮到電子束的可達性。對于易變形的工件，在夾持（或頂緊）時，壓力要適中，可以用合適的彈簧起緩沖作用。
　�。�2）散熱作用。對于易破碎或熱敏的工件，夾具的散熱作用不可忽視，如圖1是一
　　種光電器件，其中玻璃管殼與金屬管殼、纖維屏
　　玻璃與窗架盤均已經(jīng)完成封接或粘接，最后一道
　　封口用電子束焊接。前二道焊縫均受不得熱沖擊，所以在電子束焊接時要有一個合適的夾具，以幫助散熱。在設計和選材時要注意：夾具與工件的配合要好，接觸面要大；材料用熱傳導較好的材料，如純銅。
　�。�3）合攏作用。有的工件屬于空腔型，如空心球體，只有通過焊接手段才能夠制成。電子束的焊接精度高，配以適當?shù)暮蠑n模具，將兩個半球在焊接室內合擾后施焊，可以獲得滿意的結果，如用圖2所示的專用模具即可。這種焊接過程，既能夠獲得內腔呈真空狀態(tài)的目的；而且又可以保證焊接時不會發(fā)生焊縫濺射問題（如果事先在焊接室外合擾，內腔空氣不易抽出，焊接時熔池會發(fā)生濺射現(xiàn)象）。
　　4.焊接參數(shù)
　　根據(jù)被焊工件的材料、尺寸及結構選取相應的工藝參數(shù)是焊接工作的主要內容。
　�。�1）焊接功率的影響。電子束的焊接功率指：
　　P=U·I
　　式中P—功率（w），U—電壓（kV），I—束流（mA）它直接影響焊接的熔深，隨著焊接功率的增大，焊接熔深呈線性增大，如圖3所示。
　　從加速電壓的高低區(qū)分，高壓焊機（如150kV）的電子束穿透能力更強，與低中壓焊機相比，同等功率時焊接熔深會大一些；但亦有一種觀點認為焊接熔深取決于電子槍的性能。
　�。�2）焊接線能量的影響。焊接線能量指：
　　E=P/S
　　式中E—線能量（J/mm），P—功率（w），S—焊速（mm/s）
　　焊接線能量的輸入大小對焊縫的成型起很大作用，如可以獲得焊縫的最佳深寬比。另外，快速焊接時工件變形較��；慢速焊接可防止高強鋼等工件產(chǎn)生裂紋。
　　高碳鋼焊接之后會產(chǎn)生裂紋，這是由于它的組織結構變化所致（如形成馬氏體的時間長，它的膨脹力與冷卻收縮不平衡）。據(jù)報導[3]，鋼的含碳量（C）小于0.35%是安全的，焊接時不會產(chǎn)生裂紋；當C量增加，為了避免出現(xiàn)裂紋，需要采取相應的措施，其中之一可以將焊接速度降低，以減慢冷卻速率，此時容易獲得良好焊縫。C量高甚者則需要預熱、退火或填絲焊等其它辦法。
　　（3）臨界焊接參數(shù)的作用。我們在進行薄件和高精度工件的焊接工藝試驗時，發(fā)現(xiàn)它的焊接參數(shù)非常嚴格，偏大或偏小均會導致失敗，將此參數(shù)稱之謂臨界焊接參數(shù)。如圖4所示應變傳感器焊接[4]，需要將基片（厚0.15mm）與細管（φ1mm，厚0.1—0.15mm）在外側相焊。這是一個難度較大的工藝問題，我們采用半穿透焊接，可以減小基片的變形。此時的焊接參數(shù)不能過大，不然全穿透焊接除了變形增大，還會造成細管內部MgO粉的濺射；參數(shù)過小時焊接強度太低或焊接不成。這種焊接情況，工藝參數(shù)非常臨界。
　　5.電子束焦斑及轟擊部位
　　電子束焊接的一大特點是焊縫窄、熔深大，這是由于電子焦斑可聚焦得很細，一般焦點直徑在0.5—1mm左右（取決于電子束功率大�。�。
　　（1）常規(guī)焊接。電子束焊接工件時，一般情況下將電子束焦斑調到最佳狀態(tài)，即束斑聚焦在工件表面（對于厚度較大的工件，焦點位置控制到工件內部）。電子束轟擊的部位則是在工件的接觸縫（焊縫）上。 
    　（2）束斑略偏于焊縫一側的焊接。對于某些情況或工件，能否取得焊接的成功，電子束的轟擊部位起著關鍵作用。如厚薄不均的工件，電子束轟擊應偏于厚工件一側；熔點各異的工件，電子束轟擊則應偏于熔點較高的工件一側。有些特殊的工件，更要視具體情況而定，例如多孔鎢與鉬的焊接，雖然鎢的熔點較高，但為了能夠獲得光滑的焊縫，電子束轟擊偏于鉬材，使鉬件局部熔融后流附到多孔鎢表面和內部（表層）[5]。