影响电子束焊接质量的几个工艺因素

1.引言
　　电子束焊接（Electron Beam Welding—EBW）技术是高能束（High Energy Density Beam—HEDB）加工技术的一个重要组成部分，与激光焊接相比各有优点[1]。电子束焊接除了具有输入能量密度高、加热面积小、焊接速度快、焊缝热影响区窄、工件变形小等特点之外，还具有电子束穿透深、焊缝深宽比大、电子束控制方便以及真空环境中的焊缝不受污染等特点[2]。电子束焊接适于精密焊接、穿透及深度（大厚度工件）焊接、高效率焊接和特殊焊接等。作为热加工手段之一，电子束焊接技术已经比较成熟，但又有良好的发展势头，有关机理、自动化程度、质量监控、应用领域等研究内容尚在不断进步。
　　我们从二十世纪六十年代开始进行电子束焊接工艺及应用研究，涉及的材料有高熔点金属、高弹性合金、可伐合金、不锈钢、高强钢、有色金属及其合金和陶瓷等非金属材料；涉及的工件结构多种多样，以中小型精密零件为主。三十多年来已取得多项科技成果。本文试图从一些具体工件的焊接实例入手（以本单位的应用范例为主）讨论影响电子束焊接质量的几个工艺因素。
　　2.焊缝结构及配合间隙
　　在焊接实践中，会碰到形形色色的工件，焊缝结构也各不相同，但总体上可分为：对焊缝、端焊缝、角焊缝（包括穿透焊缝），或区分为直线焊缝、环线焊缝、曲线焊缝、点焊缝，还有等截面焊缝和变截面焊缝等。为了达到最佳焊接效果，焊缝结构和配合间隙的设计至关重要，既要考虑工件（部件）在整机中的作用，又必须满足被焊材料可焊性和具体焊接工艺的要求。所以在实施焊接之前，应该与工程设计人员共同讨论焊接件的焊缝结构，或通过工艺试验确定合理的结构与间隙尺寸。
　　3.工装模具
　　为了将被焊接的工件置于焊机之中，工装模具（夹具）直接影响焊接的实施效果，从一定意义上讲，模具的正确设计是焊接工作成功的一半。
　　（1）夹持作用。夹具的正确运用关系到焊接的精度，一个合理的夹具既要保证工件的正确装配，又要考虑到电子束的可达性。对于易变形的工件，在夹持（或顶紧）时，压力要适中，可以用合适的弹簧起缓冲作用。
　　（2）散热作用。对于易破碎或热敏的工件，夹具的散热作用不可忽视，如图1是一
　　种光电器件，其中玻璃管壳与金属管壳、纤维屏
　　玻璃与窗架盘均已经完成封接或粘接，最后一道
　　封口用电子束焊接。前二道焊缝均受不得热冲击，所以在电子束焊接时要有一个合适的夹具，以帮助散热。在设计和选材时要注意：夹具与工件的配合要好，接触面要大；材料用热传导较好的材料，如纯铜。
　　（3）合拢作用。有的工件属于空腔型，如空心球体，只有通过焊接手段才能够制成。电子束的焊接精度高，配以适当的合拢模具，将两个半球在焊接室内合扰后施焊，可以获得满意的结果，如用图2所示的专用模具即可。这种焊接过程，既能够获得内腔呈真空状态的目的；而且又可以保证焊接时不会发生焊缝溅射问题（如果事先在焊接室外合扰，内腔空气不易抽出，焊接时熔池会发生溅射现象）。
　　4.焊接参数
　　根据被焊工件的材料、尺寸及结构选取相应的工艺参数是焊接工作的主要内容。
　　（1）焊接功率的影响。电子束的焊接功率指：
　　P=U·I
　　式中P—功率（w），U—电压（kV），I—束流（mA）它直接影响焊接的熔深，随着焊接功率的增大，焊接熔深呈线性增大，如图3所示。
　　从加速电压的高低区分，高压焊机（如150kV）的电子束穿透能力更强，与低中压焊机相比，同等功率时焊接熔深会大一些；但亦有一种观点认为焊接熔深取决于电子枪的性能。
　　（2）焊接线能量的影响。焊接线能量指：
　　E=P/S
　　式中E—线能量（J/mm），P—功率（w），S—焊速（mm/s）
　　焊接线能量的输入大小对焊缝的成型起很大作用，如可以获得焊缝的最佳深宽比。另外，快速焊接时工件变形较小；慢速焊接可防止高强钢等工件产生裂纹。
　　高碳钢焊接之后会产生裂纹，这是由于它的组织结构变化所致（如形成马氏体的时间长，它的膨胀力与冷却收缩不平衡）。据报导[3]，钢的含碳量（C）小于0.35%是安全的，焊接时不会产生裂纹；当C量增加，为了避免出现裂纹，需要采取相应的措施，其中之一可以将焊接速度降低，以减慢冷却速率，此时容易获得良好焊缝。C量高甚者则需要预热、退火或填丝焊等其它办法。
　　（3）临界焊接参数的作用。我们在进行薄件和高精度工件的焊接工艺试验时，发现它的焊接参数非常严格，偏大或偏小均会导致失败，将此参数称之谓临界焊接参数。如图4所示应变传感器焊接[4]，需要将基片（厚0.15mm）与细管（φ1mm，厚0.1—0.15mm）在外侧相焊。这是一个难度较大的工艺问题，我们采用半穿透焊接，可以减小基片的变形。此时的焊接参数不能过大，不然全穿透焊接除了变形增大，还会造成细管内部MgO粉的溅射；参数过小时焊接强度太低或焊接不成。这种焊接情况，工艺参数非常临界。
　　5.电子束焦斑及轰击部位
　　电子束焊接的一大特点是焊缝窄、熔深大，这是由于电子焦斑可聚焦得很细，一般焦点直径在0.5—1mm左右（取决于电子束功率大小）。
　　（1）常规焊接。电子束焊接工件时，一般情况下将电子束焦斑调到最佳状态，即束斑聚焦在工件表面（对于厚度较大的工件，焦点位置控制到工件内部）。电子束轰击的部位则是在工件的接触缝（焊缝）上。 
    　（2）束斑略偏于焊缝一侧的焊接。对于某些情况或工件，能否取得焊接的成功，电子束的轰击部位起着关键作用。如厚薄不均的工件，电子束轰击应偏于厚工件一侧；熔点各异的工件，电子束轰击则应偏于熔点较高的工件一侧。有些特殊的工件，更要视具体情况而定，例如多孔钨与钼的焊接，虽然钨的熔点较高，但为了能够获得光滑的焊缝，电子束轰击偏于钼材，使钼件局部熔融后流附到多孔钨表面和内部（表层）[5]。