（机械工程专业论文）超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究.pdf

超高强钢壳体的电子束 及手工钨极氩弧焊接技术研究 机械工程领域 研究生彭昌永指导教师李伟郭鹏 本论文根据壳体研制需求立项。壳体在工作过程中要经历很大的冲击载 荷，并且不能发生严重变形，要求壳体必须具有很高的强度和塑性。总体设 计采用超高强度钢d 6 a 材料和大长径比的结构设计，分段加工后进行焊接成 型。因此如何解决超高强钢分段焊接后的焊缝开裂问题，获得强度高、塑性、 韧性好的优质d 6 a 钢焊接接头，就成为壳体研制生产过程中决定总体设计成 败、必须解决的关键技术问题。 、本论文通过对d 6 a 钢的焊接裂纹敏感性计算、d 6 a 钢裂纹敏感机理分 析、d 6 a 钢的工艺焊接性分析、多种焊接方法的分析与选择比较，结合本项 目的使用要求，确定了研究目标，以电子束焊接方法( e b w ) 和手工钨极氩弧 焊( t i g ) 方法作为重点研究内容。对焊缝作了x 射线探伤，微型剪切试验，机 械性能试验，金相分析，对拉伸试样进行了扫描电镜断口分析。通过以上两 种方法的研究比较，优选出最终的产品焊接生产工艺方法。产品生产后，最 后通过壳体的冲击效果验证优选确定的焊接工艺方法、工艺措施、工艺参数、 焊缝质量的可行性、可靠性。研究结果表明： 1 d 6 a 钢的裂纹敏感性计算、工艺焊接性分析、裂纹敏感机理分析、焊 接工艺试验都表明其焊接的冷、热裂纹敏感性极高，若焊接工艺方法、工艺 措施、工艺参数选择不当，焊缝极易开裂。 2 采用手工钨极氩弧焊( t i g 焊) 方法，选用h i s c r m o a 焊丝作填充材料， 采取切实有效的工艺措施，焊缝内部质量达一级，焊接接头呈较低强度高塑 性匹配，焊缝强度约为1 0 3 0 m p a ，塑、韧性显著优于母材。 3 t i g 焊采用h l c r l 8 n i 9 t i 焊丝打底，h 1 8 c r m o a 焊丝填充，控制层间 温度2 7 0o c 以上，焊后进行30 0 保温1 小时的后热对防止裂纹是有效的。 4 采用电子束焊接方法，通过优化参数等措施，焊缝内部质量达 g b 332 3 二级焊缝水平，成功地解决了d 6 a 钢电子束焊缝易开裂、超标气孔 等问题。电子束焊接接头机械性能与母材基本相等，接头各区无剧烈性能变 化，焊接接头综合性能良好，实现了d 6 a 超高强钢的等强度焊接。 5 电子束焊接工艺采用o o 字偏转函数，表层下4 m m 处聚焦，优化各参 数匹配，对改善焊缝成型，防止裂纹、超标气孔的产生是有效的。 6 通过优选，本项工艺研究为壳体的试验研制及批量生产提供了合理、 可靠、高效的电子束焊接工艺方法。 7 经冲击验证，壳体头部的电子束焊接结构可行，试验后壳体的焊缝 部位即使在壳体发生严重变形的情况下皆完好无损，解决了整体加工在工艺 上困难的问题，消除了在结构设计上对焊缝性能下降的担心。 关键词：超高强钢电子束焊接手工钨极氩弧焊接焊接性焊接工艺 i i s t u d y o ne l e c t r o nb e a m w e l d i n g a n d t u n g s t e n - a r c i n e r t - g a s w e l d i n gt e c h n i q u e s o fs h e l l m a d eo f s u p e r - s t r e n g t hs t e e l m a j o r i nm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：p e n gc h a n g y o n g s u p e ra d v i s e r ：l iw e ia n dg u o p e n g t h i sp a p e rs e t sap r o j e c tr e q u i r e db yt h ed e v e l o p m e n to fs h d l t h e b o d yo f s h e l ln o to n l yh a st oe n d u r eg r e a ti m p a c tl o a di nt h ep r o c e s so fp e n e t r a t i n gt h e t a m p e de a r t h ，c o n c r e t ea n dp e b b l eb e d ，b u ta l s os h o u l dn o tb e d e f o r m e ds e v e r e l y , s oi t r e q u i r e sv e r yh i g hi n t e n s i t ya n dp l a s t i c i t y t h ed e s i g nt h a ts u p e r - s t r e n g t h s t e e lo f “d 6 a ”a n dl a r g el e n g t h d i a m e t e rr a t i oa n dw e l d i n gf a b r i c a t i o na f t e r b e i n g m a c h i n e di ns e g m e n t sa r ea d o p t e di nt h eo v e r a l ld e s i g no ft h eb o m b s h a p e t h e r e f o r e ，t os o l v et h ep r o b l e mo fw e l d i n gc r a c ka n dt oa c q u i r eh i g hq u a l i t y w e l d i n gj o i n tw i t hh i g hs t r e n g t h ，p l a s t i e i t ya n df l e x i b i l i t ya r ec r i t i c a lt e c h n o l o g y i s s u ew h i c hd e t e r m i n et h es u c c e s so ft h eo v e r a l l d e s i g n i n d e v e l o p i n g a n d p r o d u c i n g o fs h e l la n di tm u s tb es e t t l e d f o r “d 6 a ”s u p e r - s t r e n g t hs t e e l ，w ec a l c u l a t e d i t st h ew e l d i n gc r a c k s u s c e p t i b i l i t y , a n a l y s e d i t sc r a c km e c h a n i s ma n dc o m p a r e dm a n i f o l dw e l d i n g m e t h o d a i m i n ga tt h ed e m a n d so f t h i si t e m ，w ee s t a b l i s ht h et a r g e t ，b l u ep r i n t a n dc o n t e n to fo u rr e s e a r c h ，a n dw em a d ee l e c t r o nb e a mw e l d i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dt u n g s t e n a r ci n e r t g a sw e l d i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ha se m p h a s e s w eo p t i m i z e dt h e d e p e n d a b l e a n de f f e c t i v e w e l d i n gt e c h n o l o g y a n da f t e r m a n u f a c t u r i n gs h e l l ，w e v a l i d a t e dt h e d e p e n d a b i l i t y o fw e l d i n gt e c h n o l o g y ， w e l d i n gp a r a m e t e r sa n dw e l dq u a l i t yb yc o n c u s s i o no fs h e l la tl a s t r e s u l t sa r e s h o w e da sf o l l o w ： 1 c a l c u l a t i n go fw e l d i n gc r a c ks u s c e p t i b i l i t y , a n a l y s i so fw e l d a b i l i t ya n d c r a c km e c h a n i s ma n dw e l d i n gt e c h n o l o g ye x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h ew e l d j o i n to f “d 6 a ”s u p e r - s t r e n g t h s t e e li se a s yt ob r e a kw e l d i n gc r a c ki ft h ew e l d i n g t e c h n o l o g y a n dw e l d i n g p a r a m e t e r sa r e n o t a p p r o p r i a t e 1 1 1 2 i n t u n g s t e n a r c i n e r t g a s w e l d i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，w e c h o s e “h 1 8 c r m o a ”w e l d i n gr o dt of i l l i na n da d o p t e dr e a s o n a b l et e c h n i c a lm e a s u r e s i nr e s u l t ，t h ew e l d i n g q u a l i t yi su pt o i w e l d i n gl i n e ，t h es t r e n g t hi su pt o1 0 3 0 m p aa n dt h e t o u g h n e s s e x c e l st h a to f “d 6 a ”b a s em e t a l 3 i nt u n g s t e n a r ci n e r t g a sw e l d i n g t e c h n o l o g y , i t i se f f i c a c i o u st op r e v e n t w e l d i n g c r a c kt h a t “h 1 c r l 8 n i 9 t i ”w e l d i n g r o dw a s a d o p t e d t o l a y t h e f o u n d a t i o n s ，w ea d o p t e d “h 1 8 c r m o a ”w e l d i n gr o dt of i l li n ，w ec o r t r o l l e dt h e t e m p e r a t u r ea t2 7 0 c c m a d em a t c h i n gp o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n ta t3 6 0 。c f o ro n e h o u r 4 i ne l e c t r o nb e a m w e l d i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，w es o l v e dt h ep r o b l e m t h a t “d 6 a ”s t e e li se a s yt oa c c r u ew e l d i n gc r a c ka n d g a sp o r o s i t yb yo p t i m i z i n g w e l d i n gp a r a m e t e r s a n d a d o p t i n g e f f e c t i v em e a s u r e s i nr e s u l t ，t h e w e l d i n g q u a l i t yi su pt o “i f w e l d i n gl i n e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l d e dj o i n t a r e e q u a lt ot h o s eo f d 6 a b a s em e t a l 5 i ne l e c t r o nb e a m w e l d i n gt e c h n o l o g y , i ti se f f i c a c i o u st op r e v e n tw e l d i n g c r a c k g a sp o r o s i t y a n da m e l i o r a t e m o l d i n go fw e l d e dj o i n t t o a d o p t ” d e f l e x i o nf u n c t i o n ，o p t i m i zw e l d i n g p a r a m e t e r sa n dl a yt h ee l e c t r o nb e a m f o c u s 4 m m u n d e r l y i n g t h es u r f a c eo f w o r k p i e c e 6 b yc o m p a r i n ga n dc h o o s i n g ，w ef o u n do u tt h ed e p e n d a b l ea n de f f e c t i v e w e l d i n gt e c h n o l o g y f o r d e v e l o p i n ga n dm a s s p r o d u c e o fs h e l l 7 a c c o r d i n gt oc o n c u s s i o n ，t h es t r u c t u r em a d eb ye l e c t r o nb e a mw e l d i n g o nt h ew a r h e a dw o r k si sf e a s i b l ei nt h ep e n e 仃a t i n gt e s t ，a n dt h ew a r h e a dk e p ti n v e r yg o o d c o n d i t i o ne v e nt h eb o d yo ft h eb o m b s e r i o u s l yd e t o r m e d t m sr e s e a r c h s o l v e dt h ep r o b l e mo ft h e d e s i g n e r sw o r r ya b o u tt h e v u l n e r a b l es p o ti nt h e s t r u c t u r eo ft h ew e l d i n gl i n e t h es a t i s f a c t o r yw e l d i n g q u a l i t yg e tag o o do p i n i o n f r o mt h eo v e r a l ld e s i g no r g a n i z a t i o n k e y w o r d ：s u p e r - s t r e n g t h s t e e l ；e l e c t r o n b e a mw e l d i n g ；t u n g s t e n - a r c i n e r t g a sw e l d i n g ；w e l d a b i l i t y ；w e l d i n gt e c h n o l o g y 四川大学工程硕士学位论文 1 绪论 i i 论文研究的意义 壳体结构为深盲孔细长空心筒体结构，如图i - 1 所示。壳体头部为不同 半径圆弧面相切曲面结构。 图1 - i 壳体结构示意图 要求壳体在高速度载荷下工作。壳体在抗冲击过程中要经历很大的冲 击载荷，并且不能发生严重变形，因此壳体必须具有很高的强度和塑性口一。 为提高壳体的抗冲击能力，总体设计单位采用了两种技术手段：一是采 用超高强钢d 6 a ，以确保壳体的高强度和高塑性；二是采取大长径比的弹形 设计( 见图1 - i ) ，以确保减少抗冲击阻力【2 】。由此带来一个非常严重而且必须 面对的问题，大长径比的壳体由于很难加工，只能采取分段加工后再行焊接 的方式。 然而从d 6 a 钢的裂纹敏感性计算分析( 见i 2 ) 及d 6 a 钢的焊接性分析( 见 1 3 ) 可以判断，其焊接的冷、热裂纹敏感性极高，如不采取严格有效的措施， 焊缝开裂是必然的。因此如何解决焊缝开裂问题，并获得强度高，塑性、韧 性好的优质d 6 a 钢焊接接头，就成为决定总体设计是否可行的瓶颈问题以及 壳体研制生产过程急需解决的关键技术问题。 本研究项目即应上述需求背景而立项，列入中国工程物理研究院常规预 研计划，受中国工程物理研究院预研基金资助。 i 2 d 6 a 钢的裂纹敏感性计算 壳体研制试验用材料d 6 a 属中碳低合金超高强钢，其化学成分见表i - i ， 彭昌永：超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究 是仿美国d 6 a c 钢发展起来的一种宇航用钢，主要用于制造飞机结构和固体 火箭发动机壳体。它是通过真空自耗重熔减少钢的偏析，降低钢中气体含量， 减少钢中非金属夹杂物含量并减少颗粒而发展起来的钢种。这对制造固体火 箭发动机壳体、弹头壳体所需要的高强度、高塑性具有重要意义。 表1 - 1d 6 a 钢的化学成分3 1 元素c m ns ipsn ic rm ov 含量0 4 7 0 7 20 2 30 0 2o 0 1 50 5 30 9 6o 9 30 0 7 热裂纹敏感性计算“1 根据r a i l e yn ( 1 9 7 7 式) 经验公式，对于含碳量c 为0 0 8 0 2 3 的钢， 其热裂纹敏感性u c s u c s = 23 0 c + 1 9 0 s + 7 5 p + 4 5 n b 一1 2 3 s i 一5 4 m n 一1( i - 1 ) 裂纹敏感值为3 0 。经计算d 6 a 中碳调质钢的u c s 值为6 5 ，大于临界值。 同样，采用o c m p o ( 1 9 6 4 式) 经验公式，对于含碳量c 为0 2 5 0 3 5 的钢， 其热裂纹敏感性c e c e = c + 2 5 s + p 2 5 + ( s i 一0 4 ) 5 + ( e n 一0 8 ) 6 + n i l 6 + c u 8 + ( o r 一0 8 ) 8 ( 1 - 2 ) 裂纹敏感值为0 3 5 。经计算d 6 a 中碳调质钢的c e 值为0 4 3 7 ，大于f 临 界值。 由上可以看出d 6 a 钢有相当高的热裂纹敏感性。 冷裂纹敏感性计算“3 等效碳量c e q ( j i s ) ： c e q ( j i s ) ：c + s i 2 4 + m n 6 + n i 4 0 + c r 5 + m o 4 + v 1 4 ( i - 3 ) 裂纹敏感值为u 7 b 。经计算d 6 a 中碳调质钢的c e q 值为1 0 2 ，大于临 界值。 冷裂敏感系数p c m ： p c m = c + s i 3 0 + m n 2 0 + c u 2 0 + n i 6 0 + c r 2 0 + m o 1 5 + v 1 0 + 5 b( 1 4 ) 裂纹敏感值为0 3 6 。经计算d 6 a 中碳调质钢的p c m 值为0 7 2 ，大于临 界值。 由上可以看出d 6 a 钢有相当高的冷裂纹敏感性。 四川大学工程硕士学位论文 预热温度t o 的确定”1 根据冷裂敏感系数p c m 、拘束度r f 和扩散氢量 h 】计算。 对斜y 坡口抗裂试件： t 0 _ 1 4 4 0 p c 一39 2 ，p c = p c m “h 6 0 + t 6 0 0 ( i - 5 ) 对x 、y 、v 坡口和t 形接头： t 0 _ 1 3 3 0 p w 一3 8 0 ，p w = p c m + h 6 0 + r f 4 0 0 0 0 0( i - 6 ) d 6 a 钢在本试验条件下计算： t 。= 1 3 3 0 p w 一38 0 = 1 3 3 0 ( 0 6 6 9 + 0 0 8 3 + 0 0 2 3 ) 一3 8 0 = 6 5 0 由上可以看出d 6 a 钢有相当高的预热温度进行焊接才能不出冷裂纹。 再热裂纹敏感性g 计算“1 g = o r + 3 4 m o + 8 i v 一2( 1 7 ) 裂纹敏感值：0 ；g 大于0 则表明再热裂纹敏感性大。 d 6 a 钢的g 值计算： g = c r + 3 4 m o + 8 i v 一2 = 2 3 9 0 以上计算公式有的已超出其应用范围，计算本身未必准确，但可以看出 d 6 a 钢的各种焊接裂纹敏感性都很大，还没有什么成功的计算和实际经验可 供参考。 1 3d 6 a 钢的工艺焊接性分析 。 d 6 a 钢属低合金超高强钢、中碳调质钢，焊接过程中，由于物理一化学冶 金的变化而形成的主要缺欠有”1 ： 焊接热影响区的脆化和软化 中碳调质钢由于碳当量高、合金元素多，钢的淬硬倾向大，m s 点又低， 因而在淬火区产生大量脆硬的马氏体( 尤其是高碳、粗大马氏体) ，导致严 重脆化。如果焊件焊前为调质状态的钢材时，热影响区被加热到超过调质处 理时回火温度的区域，将出现强度、硬度低于母材的软化区。如果焊后不再 进行调质处理，该软化区可能成为降低接头强度的薄弱区。 焊接冷裂纹 中碳调质钢的淬硬倾向大，近缝区所出现的马氏体组织，增大了焊接接 头的冷裂倾向。在焊接中常见的低合金钢中，中碳调质钢具有最大的冷裂敏 感性。为了提高抗裂性，应尽量降低焊接接头的含氢量，并采用焊前预热和 彭昌永：超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究 焊后及时热处理。 焊接热裂纹 中碳调质钢的碳及合金元素含量高，焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大， 偏析倾向也较大，因而焊接时具有较大的热裂纹敏感性。为了防止产生热裂 纹，要求采用低碳焊丝( 一般焊丝中含碳量限制在0 1 5 以下，最高不超过 0 2 5 ) ，严格限制母材及焊丝中的硫、磷含量( 小于0 0 3 一o 0 35 ) ，对于 重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，在焊接工艺上要注 意填满弧坑。 应力腐蚀裂纹 低合金高强钢，还具有应力腐蚀开裂敏感性。这种应力腐蚀开裂常发生 在水或高湿度空气等腐蚀介质中。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向， 应采用热量集中的焊接方法和小的焊接线能量，注意避免焊件表面的焊接缺 陷和划伤。 气孔 熔化金属中的气孔是由于溶解在液态金属内的气体析出造成的。冷却时 气体在金属内部溶解度降低了，部分气体力图逸出，但受到电流排开的液体 金属的阻碍或遇到正在结晶过程中的金属的阻碍时，气体就不能完全从金属 中逸出而造成了气孔或气泡。在电子束焊接中，气孔在焊缝截面上的分布， 可以在焊缝的根部( 钉尖缺陷部位较多见) ，也可以沿焊缝与基体金属的熔合 线处，有时还可以贯穿整个焊缝厚度。 分析其原因有：被焊金属表面清洗不干净，有铁锈或有机物等污物存在； 焊接速度过高，使熔化金属过快冷却，阻碍了气体逸出。 1 4 焊接方法的分析与选择 由1 3 条中d 6 a 钢的焊接性分析表明，最好选择功率密度高、焊后变形 小的焊接工艺方法。几种可能的焊接工艺方法比较详见表1 - 2 。 1 4 1 激光焊接的主要特点及应用 与其它焊接技术比较，激光焊接的主要特点是 9 - ”1 ： 由于能量高度集中，加工速度高，可获得高深宽比的狭焊缝和窄的 近缝热影响区，整个焊接接头变形很小，可实现精密焊接。 焊接过程不需要电极和填充材料，焊接区几乎不受污染。而且激光 四川大学工程硕士学位论文 焊接具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属，形成较纯、低杂质焊缝。 表1 - 2 电子束焊、激光焊、t i g 焊、等离子焊四种焊接方法的比较” 比较指标激光焊t i g 焊等离子焊电子束焊 工件吸收功率k w 4245 总功率k w 5 0366 焊接速度l f r a l s 1 626 74 0 线能量输入i j l m m 25 01 0 0 06 0 01 25 要求定位精度n u n 士0 51 01 00 3 一1 2 0 0 0 0 英镑一5 0 0 0 0 英镑 设备投资费一8 0 0 0 英镑一i 0 0 0 0 英镑 ( 对5 k w 功率)( 对6 k w 功率) 可以，需用光学 位置改变时熔穿位置改变时熔穿 可以，但需要移动 全位置焊接可能性系统，最好工件 情况变化严重情况变化严重 电子枪机构，最好 移动工件移动 畸变、轴向收缩最小显著显著 最小 角变形最小( 平行边)显著( v 型剖口)显著( v 型剖口) 最小( 平行边) 表面缺陷很细流线反面凸出反面凸出 背面皱纹 安全联锁防止真空室或局部真 操作保护普通面罩普通面罩 错位光束反射空，x 射线屏蔽 焊缝起点微凸 光滑微凸微凸 焊缝终点光滑光滑 微凸微凸 由于光束易控，容易文现自动化。在相应的光学传输系统工作条件 下，可在高速下焊接复杂形状的工件及进行微型焊接，获得非常精确的焊缝。 例如，在解决了焊缝自动跟踪和调焦的情况下，将激光束与焊接机器人相结 合，几乎可实现任意复杂三维焊缝的精密焊接“”。 可在室内大气中、保护气氛下或特殊的条件下进行焊接，不需要象 电子束焊那样的真空工作室，焊接设备装置简单。 可实施异种材料( 金属与金属、金属与非金属) 间焊接，也可处理 常规方法难焊的材料及钛、石英等难熔材料。如c h e n y l 等人研究了采用连 彭昌永：超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究 续波c 0 2 激光焊接s i c 粒子强化铝基复合材料，效果良好“”。 激光束易实现光束按时间与空间分布，能进行多光束同时加工及多 工位加工，为更精密的焊接提供了条件m 。 可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活 性。 虽然激光焊接具有这些优势，但目前我所的激光焊接设备的最大焊接深 度满足不了壳体的焊接要求，故激光焊无法用于该项目的研究。 1 4 2 等离子焊的特点及应用 等离子弧焊接利用等离子弧能量密度和等离子流力大的特点。等离子弧 焊接分为穿孔型等离子弧焊接和熔人型等离子弧焊接。穿孔型等离子弧焊接 一般只适于7 m m 以下的板厚。熔入型等离子弧焊接方法基本上跟钨极氩弧焊 相似。 虽然等离子弧焊接方法适合壳体的焊接，但考虑到我单位没有设备条 件，故该方法不便用于该项目的研究。 1 4 3 钨极氩弧焊的特点及应用 钨极氩弧焊是气体保护焊的一种，通常又叫作“t i g ”焊。它的电极是 难熔金属钨或钨的合金棒。电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维持恒 定的电弧长度，焊接过程稳定。焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处于氩 气保护中，使之与空气隔离。由于氩气的保护，隔离了空气对熔化金属的有 害作用，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合 金以及难熔的活性金属( 如钼、铌、锆) 等等。但是由于钨极的载流能力有 限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低，所以，钨极氩弧焊 一般只适于焊接厚度小于6 m 的工件8 9 。 由于钨极氩弧焊方法具有一系列的优点，考虑到我单位拥有钨极氩弧焊 设备及工艺基础，且壳体的焊接结构特点较适合于钨极氩弧焊，因此，钨极 氩弧焊方法确定为该项目研究内容之一。 1 4 4 电子束焊接技术的特点及应用、发展趋势 电子束焊接( e b w ) 是利用电子枪所产生的电子在阴阳极间的高电场作用 下被拉出，并加速到很高速度，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高 四川大学工程硕士学位论文 速电子流，当其撞击在工件接缝处，其动能转化为热能，使材料迅速熔化而 达到焊接的目的”。 1 4 4 1 电子束焊缝的形成原理i | 7 - 7 9 】 电子束焊接与电弧焊接一样，也是一个熔化焊接过程。差别在于电子束 焊接是用个经强聚焦的、在加速电压2 0 2 0 0 k v 下加速到光速的0 3 - 0 7 倍的电子束流轰击被焊接头来完成的。当高速电子碰撞工件时，其动能变为 热能，使焊接接缝熔化，随后的冷却使熔化金属陆续形成所要求的焊缝。 ( ej 图i - 2 深穿透式电子束焊接原理图 当电子束焊接所选用的焦点功率密度低于1 0 5 w c m 2 时，由于工件表面不 产生显著的蒸发现象，电子束的能量在工件较浅的表面上转化为热能，这时 电子束穿透金属的深度很小，焊缝金属的熔化与其它熔化焊接方法相似，以 热传导的方式来完成，这样的焊缝成型称为熔化成型。当电子束焦点的功率 密度超过1 0 5 w c m 2 时，熔化金属发生强烈的蒸发，熔池下凹形成空腔，熔化 金属被排斥在电子束前进方向的后方。随着电子束向前移动，熔化金属就形 成焊缝，这种焊缝成形称为深穿入式成型。 彭昌永：超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究 电子束焊接一般采用深穿人式成型，以发挥其熔深大、熔宽小，即深宽 比大的特点。深穿人式成型原理按斯瓦尔兹的设想是：假定高能密度的电子 束对材料的冲击时形成一个通道，熔化材料的密度小，通常由于熔化材料本 身体积的扩大，结果使通道填补。当电子束移动时，起初有相当数量的材料 蒸发，而在下一阶段被蒸发的材料在电子束通过时变成低密度的蒸气，然后 返回电子束通过的通道并凝固，在几分之一秒内形成金属焊缝。因此，电子 束焊接过程好比用赤热的镍丝切割冰块或塑料的现象一样，赤热的镍丝通过 后，冰块或塑料熔化并融合在一起，并不能切断。 根据上述设想，如图1 - 2 所示，电子束深穿透式焊缝的成型可解释为： 当电子束穿人工件时，使金属局部熔化和蒸发，并形成金属蒸汽孔。当焊接 件向前移动时，焊缝熔化部位同时发生三种效应： 蒸汽孔前沿金属的熔化； 该熔化材料被金属蒸汽流排开，绕过蒸汽孔侧面流向后沿； 当蒸汽孔向前移动时，这个熔化材料连续移动，填充前进中的蒸汽孔 的后沿，形成连续的焊缝。 1 4 4 2 材料的电子束焊接性分析“7 - ” 、 由于电子束焊接方法具有一系列的优点，凡是一般焊接方法能够焊接的 工件，都可以采用电子束方法进行焊接，而一些用普通焊接方法难以保证焊 缝质量或无法焊接的金属材料，采用电子束方法焊接就能大大提高这些材料 的可焊性。 根据电子束焊接的特点，金属材料电子束可焊性分为三类：完全可焊 的材料称为可焊性好；可焊性较差的材料，但使用特殊工艺，认为尚可焊接 的称可焊性尚可；完全不可焊接的称不可焊。 对于同种金属材料间的焊接，可把各种金属材料在电子柬焊接条件下 的可焊性大致划分为： 可焊性好的材料：主要有( 全镇静) 低碳钢、不锈钢、非硬化铝合金、 铜合金( 无锌) 、钛合金、钼、铌、银、金、铂、铅、铀等； 可焊性尚可的材料：主要有低碳钢( 半镇静、非镇静) 、易切削钢、工具 钢、低合金钢、硬化合金、镁合金、钨等； 四川大学工程硕士学位论文 1 4 4 3 电子束焊接技术的发展趋势“8 2 5 】 近年来，国外对电子束焊接及其它电子束加工技术的研究，主要在于完 善超高能密度电热源装置；掌握电子束品质及与材料的交互行为特性，从而 改进加工工艺技术；通过计算机及c n c 控制提高设备柔性以扩大其应用领域 等。比如： 大功率电子枪的开发； 电子束特性的定量研究； 双枪电子束及填丝电子束焊接技术的研究； 复合式电子束加工设备的研制。 我国经过3o 多年的实践取得了一定成果，但差距很大，今后的任务还 很艰巨，既要跟踪世界先进水平，又要填补研究空白。今后的工作应从以下 几个方面展开： ( 1 ) 电子束能量密度分布测试技术及束流品质自适应控制技术研究； ( 2 ) 高压电场分布及高压稳定技术研究； ( 3 ) 电子光学设计技术研究； f 4 ) 高可靠性焊缝跟踪技术研究； ( 5 ) 局部真空技术研究； ( 6 ) 深穿透精密控制及焊缝质量自适应控制技术研究； ( 7 ) 电子束焊接整体转子、燃烧室、机匣接头质量及变形控制技术研究； ( 8 ) 高质量电子束打孑l 及微焦点高速扫描技术研究； ( 9 ) 电子束物理气相沉积技术研究； ( i o ) 电子束微细加工技术研究。 1 4 4 4 电子束焊机的发展“，坷 电子束焊机经过2 0 多年，逐步成为工业生产中的重要加工手段。主要发 展趋势是： ( 1 ) 发展大功率的中压或高压型焊机； ( 2 ) 发展具有大容积焊接工作室的焊机； ( 3 ) 具有更大灵活性的动枪式焊机； f 4 ) 发展计算机化的真空电子束焊机； 彭晶永：超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究 5 ) 真空电子束焊机用于自动生产线。 1 4 4 5 电子束焊接的主要特点 与其它焊接技术比较，电子束焊接的技术特点 2 6 , 2 7 1 是： 可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可以不开坡口，一次成型； 多数构件是在真空下焊接，焊缝纯洁度高； 焊接工艺参数易于调节，工艺适应性强，重复性和再现性好； 适于焊接多种金属材料； 焊接热输入低，焊接热变形小。电子束斑点直径小，加热功率密度 大，焊接速度快，焊缝宽度狭窄，热影响区小，特别适宜于精密焊接和微型 焊接。 由于电子束焊接方法具有一系列的优点，考虑到我单位拥有高真空电子 束焊机，在电子束焊接领域已有相当的技术基础，因此，探讨电子束焊接方 法在该项目中的应用是重点研究内容。 1 5 研究目标、方案、技术路线 1 5 1 研究目标 研究得到合理、可靠、高效的焊接工艺方法及焊接工艺措施、工艺参 数，为壳体研制及批量生产提供可靠且经济有效的工艺保证； 保证焊缝不开裂和不出现延迟裂纹，焊缝质量达到国家二级焊缝标 准； 要求焊接接头强度与母材基本相等，塑、韧性指标达到母材9 5 以上； 焊接及焊后热处理变形控制在壳体全长同轴度小于0 4 0 m m ，以满足 后续精加工要求。 1 5 2 研究方案 通过以上的项目背景分析、d 6 a 钢的裂纹敏感性计算、d 6 a 钢的工艺焊 接性分析、焊接方法的初步分析选择、实际设备条件分析，拟订研究方案： 针对d 6 a 超高强钢，采用电子束焊方法用阶梯环初找参数，以掌握 电子束流与焊深的对应关系，用对接环确定达到预定焊深的准确规范。主要 优化参数，采取切实可行、经济有效的措施，防止焊接裂纹、气孔等缺陷； 制定合适的焊后热处理工艺，保证强度、塑性、韧性等指标。焊后对焊缝作 四川大学工程硕士学位论文 x 射线探伤，焊接接头微型剪切试验，焊接接头常规机械陛能试验，解剖作 金相分析，检查有无微裂纹、气孔等缺陷。进行拉伸试样扫描电镜断口形貌 分析，用光学显微镜进行焊接接头各区金相组织分析。 通过对电子束焊接裂纹敏感性的深入分析，研究防止焊接裂纹产生的技 术措施，力图实现对d 6 a 钢的等强度焊接。 针对d 6 a 超高强钢，用手工钨极氩弧焊方法( t i g 焊) 作工艺研究。实 验研究主要选择合适的焊接材料，制定切实可行的工艺措施，防止焊接裂纹， 制定合适的焊后热处理工艺，保证强度、塑性、韧性等指标。焊后对焊缝作 x 射线探伤，焊接接头微型剪切试验，焊接接头常规机械性能试验，并解剖 作金相分析，检查有无微裂纹、气孔等缺陷。用光学显微镜进行焊接接头各 区金相组织分析。 通过t i g 焊研究，探索防止焊接裂纹产生的技术措施，力图拓展对d 6 a 钢实现等强度焊接的方法，以供生产选用。 针对d 6 a 超高强钢壳体的具体结构，从结构适应性、接头力学性能 指标是否满足产品的设计及使用要求、生产效率、经济性等方面，以上两种 工艺方法进行比较择优，选择一种工艺方法应用到壳体生产中。 进行产品焊接工艺研究、产品焊接工装设计、控制焊接变形，提高 焊接生产的方便性和效率，提出成熟的产品焊接生产工艺。使之能成功地应 用于壳体的焊接生产。 冲击试验及工艺效果验证。通过实际的壳体冲击试验，在高速动态 载荷作用下验证焊缝质量是否能够满足总体设计单位要求。 通过上述研究，最终确定能满足产品批生产和长期储存要求的焊接 工艺。 1 5 3 技术路线 技术路线见图1 - 3 。 彭昌永：超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究 图1 - 3 技术路线方框图 四川大学工程硕士学位论文 2 d 6 a 钢的电子束焊接( e b w ) 工艺研究 2 1 试验设备 试验在西德l h 公司1 9 8 3 年产的e s w l 0 0 2 7 5 - 1 5 0 型高压高真空电子束 焊机上进行。其形貌如图2 - 1 ，结构及原理如图2 - 2 。 ( a ) 全貌 ( b ) 控制台 图2 - i电子束焊接试验设备 1 3 彭昌永：超高强钢壳体的电子束及手工钨极氩弧焊接技术研究 ( 1 】阴极( 2 ) 聚柬极 3 ) 阳极4 ) 聚焦线圈( 5 ) 偏转线圈( 6 ) 光学观察系统7 ) 真空工作室 ( 8 ) 工作台及传动系统( 9 ) 高压电源( 1 0 ) 电气控制系统 i i ) 电子枪真空系统( 1 2 ) 工作室真空 系统( 1 3 ) 真空控制及监测系统( 1 4 ) 阴极加热控制器1 5 ) 柬流控制器( 1 6 ) 聚焦电源( 1 7 ) 偏 转电源 图2 2电子束焊机结构原理示意图 2 1 1 基本特性u 7 】 + 电子枪是3 极型枪，静电聚柬功能由控制栅极兼顾实现，使电子束电流 密度比较均匀。阴极灯丝加热方式为直热式，形状为发夹形，钨制，更换简 单。电子束系统采用油冷，可在满功率下长期工作。 真空部分由两个独立的系统分别供电子枪和工作室抽真空。电子枪和真 空窒均能在高真空下工作，各有一套真空监控系统进行自动控制。 电子束参数( 如加速电压、束流、聚焦、束偏转等) 分别能从单独的控制 板上进行调节。自控系统能保证加速电压、束流、聚焦具有高的稳定性和可 靠性。焊机的快速束流控制组件可以简便地调整电子束电流，减少束流的脉 冲，控制束流的斜坡上升和下降。具有多功能电子束偏转的函数发生器可产 生2 5 种基本图形，提高焊缝接头的质量。 为保证精确地对准焊缝进行焊接，焊机还具有沿焊缝轴线方向观察和瞄 四川大学工程硕士学位论文 准的光学观察系统。工作室内的焊接回转台可进行x 方向、y 方向的运动。 工件的回转可使用回转装置，并有独立的控制系统进行控制，具有速度稳定、 传动精度高等优点。 该焊机工作参数可在很宽的范围内进行调节，控制灵活，精度很高，适 应性强。工作室真空度高，熔池的纯度极高，焊缝内杂质极少，因而焊缝质 量高。高的加速电压，可使熔化区深而窄，热影响区很小，工件变形极小。 这些特点使该焊机便于焊接活泼或难熔的金属。特别适合于焊接对焊缝纯度 要求高、密封要求好的机器零件及器件、压力容器等，同时也为焊接两种不 同金属提供了良好的焊缝接头。 2 1 2 基本参数 ( 1 ) 加速电压。一1 5 0 k v ( 2 ) 电子束电流0 - 5 0 m a ( 3 ) 电子束功率密度约i 0 7 w c m 2 ( 4 ) 焊缝深宽比( 连续焊缝2 0 ：1 ，脉冲焊缝5 0 ：1 ) ( 5 ) 可焊深度0 0 5 4 0 r n ( 6 ) 工作室真空度l 1 0 一p a ( 7 ) 工作室尺寸1 4 0 0 1 1 4 0 x9 0 0 m m ( 8 ) 工作距离5 0 9 0 0 m m ( 9 ) 工作台横向移动最大距离6 5 0 m m ( 1 0 )工作台纵向移动最大距离4 0 0 m m ( i i ) 工作台回转速度范围0 1 7 1 5 r m i n ( 1 2 ) 工件允许最大重量1 0 0 k g 2 2 试验材料及方法 针对d 6 a 超高强钢及壳体结构，用阶梯环初找参数，以掌握电子束流与 焊深的对应关系，用对接环确定达到预定焊深的准确规范。试验主要优化参 数，采取切实可行、经济有效的措施，防止焊接裂纹、气孔等缺陷；制定合 适的焊后热处理工艺，保证强度、塑性、韧性等指标。焊后对焊缝作x 射线 探伤，焊接接头微型剪切试验，焊接接头常规机械性能试验，并解剖作金相 分析，检查有无微裂纹、气孔等缺陷，并测量焊深。进行拉伸试样扫描电镜 彭昌永：超高强钢壳体的电子柬及手工钨极氩弧焊接技术研究 断口形貌分析，用光学显微镜或扫描电镜进行焊接接头各区金相组织分析。 通过对电子束焊接裂纹敏感性的深入分析，研究防止焊接裂纹产生的技 术措施，力图实现对d 6 a 钢的等强度焊接。 2 2 1 阶梯环试验 工艺试验拟用阶梯环找参数，以掌握电子束流与焊深的对应关系，用 阶梯环将焊深控制在中5 0 、巾4 8 柱段壁厚之间。在中5 0 、书4 8 柱段上可以 重复施焊，并调整规范，阶梯环示意图如图2 - 3 所示。 移由o； o 圆z 8 ：r - o 多 ； o r 1 够(j 9 ； 图2 - 3 阶梯试环示意图 2 2 2 对接环试验 用对接环确定焊接规范，以保