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1、第三节 电子束焊接工艺,一、 焊前准备,接合面的加工与清理,零件装配,抽真空,焊前预热,第三节 电子束焊接工艺,1接合面的加工与清理 坡口形式：I形坡口 接合面经过机械加工，装配时力求使零件紧密接触。 填充金属：一般不用填充金属， 只有在焊接异种金属或合金时，可根据使用需要填充金属。 真空电子束焊前必须严格清理工件表面的氧化物、油污，否则将导致焊缝产生缺陷，接头的力学性能降低，不清洁的表面还会延长抽真空时间，影响电子枪工作的稳定性，降低真空泵的使用寿命。,化学清理,机械方法清除,煤油、汽油可用于去除油渍，丙酮是清洗电子枪零件和被焊工件最常用的溶剂。若强力去油，则可使用含有氯化烃类溶剂，随后须将
2、工件放在丙酮内彻底清洗。,清理完毕后不能再用手或工具触及接头区，以免再次污染。非真空电子束焊对焊件清理的要求可降低。,2.零件装配,装配间隙,紧密接触，接缝间隙应尽可能小而均匀，并使接合面保持平行。间隙的具体数值与焊件厚度、接头形式和焊接方法有关。被焊材料越薄，则间隙越小。对于无锁底的对接接头，板厚 81.5mm时，局部最大间隙不应超过 0.07mm，随板厚增加，间隙略增；板厚超过3.8mm时，局部最大间隙可到0.25mm。焊薄工件时，一般装配间隙不应大于0.13mm。焊铝合金时的接头间隙可比焊钢时大。填丝电子束焊时，间隙要求可适当放宽。若采用偏转或摆动电子束使熔化区变宽时，可以用较大的间隙。
3、非真空臾子束焊时，装配间隙可以放宽到0.75mm。深熔焊时，装配不良或间隙过大，会导致过量收缩、咬边、漏焊等缺陷。,装夹方法,所有电子束焊都是机械或自动操作的，如果零件不是设计成自紧式的，必须利用夹具进行定位与夹紧，然后移动工作台或电子枪体完成焊接。夹具要求制造精确，因为电子束焊对零件的装配和对中的要求极为严格。非真空电子束焊可用一般焊接变位机械，其定位、夹紧都较为简便，在某些情况下可用定位焊缝代替夹具。 电子束焊夹具和工作台的零部件应使用非磁性材料来制造，避免电子束发生磁偏转。若工件和夹具是磁性材料时，焊前应去磁，并用磁强计测量工件剩磁，一般剩磁强度应低于（0.53）10-4T.,电子束焊机
4、的抽真空程序通常自动进行，可以保证各种真空机组和阀门正确地按顺序进行，避免由于人为的误操作而发生事故。真空室需经常清洁，尽量减少真空室暴露在大气中的时间，仔细清除被焊工件上的油污，并按期更换真空泵油，保持真空室的清洁和干燥是保证抽真空速度的重要环节。,3.抽真空,4.焊前预热,对需要预热的工件，根据一定的形状、尺寸及所需要的预热温度，选择适宜的加热方法，如气焊枪、加热炉、感应加热、红外线辐射加热等，在工件装入真空室前进行预热。如果工件较小，加热引起的变形不会影响工件质量时，可在真空室内用散焦电子束来进行预热。,二、焊接接头设计,对接,角接,T形接,搭接,端接,电子束直径细，能量集中，焊接时一般
5、不加填充焊丝，所以电子束焊接头的设计应按无间隙接头考虑。不同类型的接头有各自特有的接合面设计、接缝的准备和施焊的方位。设计的原则是便于接头的准备、装配和对中，减少收缩应力，保证获得所需熔透深度。如果电子束的功率不足以一次穿透焊件，也可采用正反两面焊的方法来完成。对重要承力结构，焊缝位置最好应避开应力集中区。,1.对接接头,接合面简单，准备工作容易，但需要装配夹具。不等厚的对接接头采用上表面对齐的设计优于台阶接头，后者在焊接时要用宽而倾斜的电子束，且焊接角度须精确控制，否则极易焊偏造成脱焊。,锁口对中接 头，便于装 配定位。,具有锁边（自衬垫）作用，便于装配对齐，但焊缝根处易形成未焊透，锁口较小
6、时焊后可避免留下未焊合的缝隙。,自动填充材料的接头，有自动填充金属的作用，焊缝成形得到改善。,斜对接接头，可增大焊缝金属面积，但装夹定位比较困难，只用于受结构和其他原因限制的特殊场合。,2.角接头,图l12a为熔透焊缝的角接头，留有未焊合的间隙，接头承载能力差。 图l12h为卷边角接，主要用于薄板，其中一端须弯边90。其他几种接头都易于装配对齐。,3.T形接头,电子束焊接也常采用T形接头。熔透焊缝在接头区有未焊合缝隙，接头强度差。推荐采用单面T形接头，焊接时焊缝易于收缩，残余应力较低。图1-l3C所示方案多用于板厚超过25mm的双面焊场合。焊接第二面时，先焊的第一面焊缝起拘束作用，有开裂倾向。
7、,4.搭接接头,搭接接头常用于厚度小于1.6mm的焊件。熔透焊缝主要用于板厚小于0.2mm的场合，有时需要采用散焦或电子束扫描以增加熔合区宽度。厚板搭接接头焊接时需添加焊丝以增加填角尺寸，有时也采用散焦电子束以加宽焊缝并形成光滑的过渡。,5.端接接头,图1-15 为三种典型的电子束焊端接接头。厚板端接接头常采用大功率深熔透焊接。薄板及不等厚度的端接接头常用小功率或散焦电子束进行焊接。,三、主要焊接参数及其选择,这些参数直接影响到焊缝的熔深和几何形状。,加速电压,电子束电流,焊接速度,聚焦电流,工作距离,1.加速电压,加速电压是电子束焊接的一个重要参数，提高加速电压可增加焊缝的熔深。在大多数电子
8、束焊过程中，加速电压参数往往不变，但当电子枪的工作距离较大或者要求获得深穿透的平行焊缝时，应提高加速电压，即选用高压型设备，通常电子束焊机工作在额定电压下，通过调节其他参数来实现焊接参数的调整。,2.电子速电流,电子束电流与加速电压一起决定着电子束焊的功率。增大电子束电流值，热输入增大，熔深和熔宽都会增加。电子束焊时，由于加速电压基本保持不变，所以为满足不同的焊接工艺需要，常常要调整电子束电流值。这些调整包括以下几方面。 1）在焊接环缝时，要控制电子束电流的递增、递减，以获得良好的起始、收尾搭接处的质量。 2）在焊接各种不同厚度的材料时，要改变电子束电流值，以得到不同的熔深。 3）在焊接厚大件
9、时，由于焊接速度较低，随着焊件温度的增加，电子束电流需逐渐减小。,3.焊接速度,主要影响焊缝的熔深、熔宽以及熔池的冷却、凝固等。通常随着焊接速度的增大，熔宽变窄，熔深减小。,电子束焊热输人的计算公式为：,图1-16 给出了各种金属在保证完全熔透焊缝情况下,电子束焊热输入、电子束功率、焊接速度与被焊材料、板厚的关系。利用这个关系就可以按被焊材料的种类和焊件厚度，初步确定所需焊接功率，然后在选用的设备上进行试焊修正。因为电子束斑点的品质和电子枪的特性密切相关，而不同设备的电子枪特性是不同的，初步选定的参数必须经过试验修正。此外，还应考虑焊缝横断面、焊缝外形及防止产生焊缝缺陷等因素，综合选择和试验后
10、最终确定实际使用的焊接参数。,4.聚焦电流,电子束聚焦状态对焊缝的熔深及其成形影响较大。焦点变小可使焊缝变窄，熔深增加。根据被焊材料的焊接速度、接头间隙等决定聚焦位置，进而确定电子束斑点大小。薄板焊接时，应使焦点位于工件表面。当被焊工件厚度大于10mm时，通常采用下焦点焊，即焦点处于焊件表面的下部，且焦点在焊缝熔深的30处。厚板焊接时，应使焦点位于工件表面以下0.50.75mm的熔深处。,5.工作距离,工作距离应在设备最佳范围内。工作距离变小时，电子束斑点直径变小，电子束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，增加了电子束功率密度。但工作距离过小会使过多的金属蒸气进人枪体中造成放电现象，因而在不影
11、响电子枪稳定工作的前题下，可以采用尽可能短的工作距离。,四、电子束焊技术要点,1.薄板的焊接板厚：0.032.5mm，用途：多用于仪表、压力或真空密封接头、膜盒、封接结构等构件。特点：薄板导热性差，电子束焊接时局部加热强烈，可采用夹具防止过热。对极薄工件可考虑使用脉冲电子束流。 电子束功率密度高，易于实现厚度相着很大的接头焊接，焊接时薄板应与厚板紧贴，适当调节电子束焦点位置，使接头两侧均匀熔化。,2.厚板的焊接,可焊板厚：300mm厚的钢板。 深宽比：可达60：1. 板厚60mm以上时，采用横焊，以利于焊缝成形。电子束焦点调节在工件表面以下熔深的50%75%，焦点在板材表面以下板厚的1/3处，
12、电子束的溶透效力好，焊缝成形良好。厚板焊接时应保持良好的真空度。,3.填充金属,一般情况下不用填充金属。但在某些情况下，例如，为使焊缝成分满足工件使用要求，改善焊缝冶金焊接性，弥补不良装配，修补焊缝缺陷或修复磨损报废零件时，才使用填充金属防止出现缺陷。 l）接头装配间隙过大时，填充金属可防止焊缝凹陷。 2）焊接裂纹敏感材料或异种金属接头时，填充金属可防止裂纹的产生。 3）焊接沸腾钢时加人少量含铝、锰、硅等脱氧剂的焊丝，或在焊接铜时加入镍均有助于消除气孔。 填充金属可根据需要制成丝材、带材、颗粒或粉末状，可将其喷涂或堆焊在接头处，也可利用在接头处加工预留凸边作为填充材料。目前应用较多的是直径为0
13、.81.6mm的丝材。丝状填充金属可用送丝机构送入或用定位焊固定。送丝速度和焊丝直径的选择原则是使填充金属量为接头凹陷体积的1.25倍。焊接时采用电子束扫描有助于焊丝的熔化和改善焊缝成形。,4.复杂结构件的焊接,用电子束进行定位焊是装配焊件的有效措施，其优点是节约装夹时间和费用。生产中常采用焊接束流或弱束流进行定位焊，对于搭接接头可用熔透法定位，也可先用弱束流定位，再用焊接束流完成焊接。 由于电子束很细，工作距离长和易于控制，电子束可以焊接狭窄间隙的底部接头。这不仅可以用于加工制造新产品，在修复报废零件时也非常有效，复杂形状的昂贵铸件常用电子束焊来修复。 对可达性差的接头只有满足以下条件才能进
14、行电子束焊： l）焊缝必须在电子枪允许的工作距离上。 2）必须有足够宽的间隙允许电子束通过，以免焊接时误伤工件。 3）在电子束通过的路经上应无干扰磁场。,5.电子束扫描和偏转,在焊接过程中采用电子束扫描可以加宽焊缝，降低熔池冷却速度，消除熔透不均等缺陷，降低对接头准备的要求。 电子束扫描是通过改变偏转线圈的激磁电流，从而使横向磁场变化来实现的。常用的电子束扫描图形有正弦形、圆形、矩形、锯齿形等。通常电子束扫描频率为1001000Hz，电子束偏转角度为25。 电子束扫描还可用来检测焊缝的位置和实观焊缝跟踪，此时电子束的扫描速度可以高达50100m/s，扫描频率可达20kHz。,6.焊接缺陷及控制措施,与其他熔焊一样，电子束焊接头也会出现未熔合、咬边、塌陷、气孔、裂纹等缺陷。此外电子束焊缝常见的缺陷包括：熔深不均、长空洞、中部裂纹和由于剩磁或干扰磁场造成的焊道偏离接合线等。 长空洞及焊缝中部裂纹都是深熔透电子束焊接时所特有的缺陷，降低焊接速度，改进材质有利于消除此类缺陷。,熔深不均出现在未穿透焊缝中，它与电子束焊接时熔池的形成和金属的流动有密切的关系。加大小孔直径可防止出现这种缺陷。改变电子束焦点在工件内的位置也会影响到熔深的大小和均匀程度。适当地散焦可以加宽焊缝，有利于消除和减小熔深不均的缺陷。,不穿透焊缝中的熔深不均,
