1、關(guān)于零件原材料的化學(xué)成份及熱處理狀態(tài)：

　　齒輪類零件一般都選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或者合金結(jié)構(gòu)鋼作為原材料，材料的化學(xué)成份不同，熱處理狀態(tài)不同，則其焊接性就有明顯差異。(應(yīng)用在自動變速器部件中典型工件)

　　2、鋼材的碳含量與碳當(dāng)量：

　　所有的鋼鐵材料都是以鐵和碳為基本組元形成的復(fù)雜合金，其他合金元素對材料的性能雖然也有不同程度的影響，但以碳的影響最為顯著。因此可以說碳是所有鋼材中最重要的一種合金元素。含碳量不同則材料的晶格類型、金相組織、機(jī)械性能及工藝性能等均有很大差異。鋼材中如果含碳量高，則可以促進(jìn)S、P等雜質(zhì)在焊縫中形成低熔點(diǎn)共晶物質(zhì)，加大了熱裂敏感性;同時(shí)，較高的含碳量增加了材料的淬硬性，使鋼材強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，加大了冷裂趨勢。因此隨著含碳量的提高，材料焊接性能會明顯下降。

　　在合金結(jié)構(gòu)鋼中，除了碳元素之外，作為合金的其他元素如：Mn、Si、Cr、V、Mo、Ti等等，對材料的機(jī)械性能及焊接性能都有不同程度的影響作用。為評估鋼材的焊接性，我們將各種合金元素按其對鋼材淬硬、冷裂及脆化等現(xiàn)象的影響作用大小折算成碳的相當(dāng)含量，稱為碳當(dāng)量。其中以國際焊接學(xué)會(IIW)所推薦的C_E和日本JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的C_eq應(yīng)用較為廣泛。

　　C_E=C+M_n∕6+(Cu+Ni)∕15+(Cr+Mo+V)∕5(%)

　　C_eq(JIS)=C+Mn∕6+Si∕24+Ni∕40+Cr∕5+Mo∕4+V∕14(%)

　　C_E公式主要適用于中高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼(σ_b=500-900Mpa);C_eq公式主要適用于低碳調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼(σ_b=500-1000Mpa),但二者都適用于含碳量偏高的鋼種(C≥0.18%)。

　　作為判斷鋼材焊接性的依據(jù)，碳當(dāng)量值越高，焊縫及熱影響區(qū)就越容易產(chǎn)生裂紋。一般認(rèn)為材料碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，鋼材焊接性良好，一般不需要預(yù)熱和嚴(yán)格控制線能量;而當(dāng)材料碳當(dāng)量大于0.4%，尤其是超過0.6%時(shí),隨著C_E的升高，鋼材冷裂傾向就會明顯增加。這時(shí)為了避免出現(xiàn)裂紋，就需要采取較嚴(yán)格的工藝措施，如預(yù)熱、緩冷及嚴(yán)格控制線能量等。

　　3、鋼材中硫、磷等雜質(zhì)的含量：

　　根據(jù)目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般鋼材S、P的含量只要小于0.03%～0.04%都是合格的。但在電子束焊接應(yīng)用上，對鋼材中S、P的含量卻提出了較高要求。這與電子束焊縫的形狀特點(diǎn)及焊縫結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生機(jī)理密切相關(guān)。

　　首先，從金屬結(jié)晶理論可以知道，先結(jié)晶的金屬較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多并富集在晶界。在焊縫金屬凝固的后期，由S、P等雜質(zhì)所形成的低熔點(diǎn)物質(zhì)被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成一種所謂“液態(tài)薄膜”，此時(shí)如果焊縫受到拉伸應(yīng)力，則在此部位就極易產(chǎn)生開裂。因而我們認(rèn)為由于S、P等元素形成的低熔點(diǎn)液態(tài)薄膜是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的內(nèi)在因素。

　　其次，焊縫組織受到足夠的拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的必要條件。焊縫形狀的不同，將直接影響接頭的受力狀態(tài)，如圖1a,1b所示，表面堆焊或熔深較淺的對接焊縫，其抗裂性能較高;而對于熔深較大，焊縫深寬比大的電子束焊縫，由于其所承受的焊接殘余應(yīng)力正好作用在焊縫柱狀晶粒交遇的結(jié)晶面上，而該位置正是低熔點(diǎn)的雜質(zhì)富集，晶粒之間聯(lián)系較差的部位，因而極易在此引起結(jié)晶裂紋。

　　由此可見，由于電子束焊縫的形狀特點(diǎn)使得其產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的可能性大大增加，而一般情況下采用電子束焊接的產(chǎn)品又多為關(guān)鍵零部件,因此，為提高焊縫的抗裂性能,只能從嚴(yán)格控制被焊鋼材的S、P等雜質(zhì)含量這一方面入手。據(jù)國外有關(guān)資料介紹，當(dāng)碳含量超過0.03%時(shí)，磷和硫兩種元素含量之和應(yīng)嚴(yán)格控制在0.02%之內(nèi)。

　　4、鋼材的熱處理狀態(tài)：

　　零件焊前的熱處理狀態(tài)對其焊接工藝、焊縫質(zhì)量以及焊接生產(chǎn)的效率、合格率等等均有非常重要的影響作用。

　　以普通汽車變速箱齒輪為例，變速箱各檔齒輪的材質(zhì)一般都選用20CrMnTi或20CrMnTiH鋼，這種鋼材通常在滲碳淬火后投入使用，其滲碳層深度為0.8-1.2mm，含碳量達(dá)0.6-0.84%。因此,如果齒輪是在滲碳淬火后焊接，并且焊縫附近未采取防滲碳措施，就必須采取較嚴(yán)格的工藝措施，如預(yù)熱、保溫、嚴(yán)格控制線能量等等，不然就會大批地出現(xiàn)淬硬脆化裂紋，而且極難修復(fù)。在這種情況下，即便是以犧牲生產(chǎn)率及合格率為代價(jià)，焊出了部分合格的齒輪，其焊縫的金相組織、成份也很不均勻，使齒輪整體機(jī)械性能受到影響。所以，一般情況下，大批量生產(chǎn)的齒輪應(yīng)當(dāng)采取先進(jìn)行電子束焊接，后整體滲碳淬火的方式，這樣既可以保證焊縫質(zhì)量，又能達(dá)到較高的生產(chǎn)率。(我公司生產(chǎn)的齒輪電子束專用焊機(jī)單臺生產(chǎn)率為120件∕小時(shí))。

　　然而，對于某些加工精度較高，同時(shí)結(jié)構(gòu)受到限制的齒輪，如精密機(jī)床傳動齒輪，必須先分別滲碳淬火，將齒面及其他工作面精磨后再拼焊到一起，此時(shí)電子束焊接是整體零件加工的最后一道工序。對于這種焊前熱處理的情況，就要求采取一些特殊措施，如滲碳淬火鋼在滲碳時(shí)，需對焊口附近進(jìn)行保護(hù)，如鍍銅、鍍錫或涂抹防滲碳涂層等，也可將滲碳層加工掉(經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)和對比，一般單邊切掉1.8-2mm最好);中高碳鋼的熱處理工藝就必須采取局部淬火方式，使焊縫附近沒有淬硬層?？傊徽撌裁翠摬?，采取何種熱處理方法，只要焊縫區(qū)域沒有很高的硬度，焊接時(shí)就不需要采取特殊措施，即可獲得良好的焊縫。

　　5、 某些易裂鋼種齒輪的電子束焊接問題：

　　對于某些淬硬傾向較大的鋼種如45鋼、40Cr或35CrMo等，這類材料由于碳當(dāng)量較高，在焊接時(shí)往往容易出現(xiàn)淬硬脆化裂紋，因此焊接時(shí)必須采取某些特殊措施，如預(yù)熱、后熱等等。在電子束焊接過程中，可以通過延長束流上升、下降斜率來達(dá)到預(yù)熱、后熱的目的，實(shí)踐證明這一方法是切實(shí)有效的。然而，這種方法也有一定局限性，即僅限于體積較小、形狀比較簡單的零件。如果零件體積較大，由于有很大的熱容量，因而單純加長電子束斜率或小束流預(yù)焊幾周 ，不僅預(yù)熱升溫的效果不甚明顯，反而會因?yàn)榫植糠磸?fù)過熱而導(dǎo)致焊縫組織惡化，出現(xiàn)粗大魏氏體組織，降低了焊縫的抗裂性能。對于這種情況，變速器運(yùn)轉(zhuǎn)件必須采取爐中加熱、保溫的方法來控制焊縫冷卻速度，以避免出現(xiàn)冷裂紋。除此之外，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮加大主齒與同步環(huán)間的過盈量，以抵消一部分焊接應(yīng)力。

　　6、 清洗、烘干：

　　6.1焊前清洗和烘干的意義：

　　電子束焊接對零件的焊接面清洗和干燥度要求比較高，要求油、銹、氧化物以及其他雜質(zhì)等必須清除干凈。因?yàn)榧幢闶治⑿〉囊稽c(diǎn)油漬，在高溫、真空條件下，分解為氣體后其體積膨脹很多倍，在焊接過程中一方面容易形成氣孔，數(shù)量多時(shí)會影響焊縫的機(jī)械強(qiáng)度;另一方面更主要的危害在于，由于熔池中氣體體積的急速膨脹造成嚴(yán)重的焊接飛濺，導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)較大的凹陷，影響焊縫的美觀，同時(shí)對于某些易裂鋼種，凹坑導(dǎo)致的應(yīng)力集中會造成焊接裂紋。因此，焊前清洗烘干對保證零件電子束焊接質(zhì)量有著十分重要的意義。

　　6.2焊前清洗的方法：

　　1、少量零件：可以用汽油清洗去掉油污，再用丙酮檫洗脫水脫脂。所用汽油與丙酮一定要經(jīng)常更換，保持干凈，有的單位在清洗時(shí)，汽油與丙酮反復(fù)使用，本身清洗劑已經(jīng)不干凈了，就不可能達(dá)到清洗目的。

　　2、小件大批量零件：大批量零件的清洗就得用機(jī)械化清洗方式。如表1所示，首先，選用合適的傳送清洗機(jī)帶烘干功能，采用浸洗噴淋加烘干相結(jié)合清洗，在焊前再用上述配方清洗劑噴淋，靠工件溫度自身干燥即可焊接。

　　表1 變速器運(yùn)轉(zhuǎn)件的清洗條件與程序

　　6.3清洗烘干完畢及時(shí)焊接：

　　清洗烘干完后最好不要擱置時(shí)間過長(不超過2小時(shí))，以免吸附潮氣，甚至生銹而影響焊接質(zhì)量，特殊情況不能及時(shí)焊(如需要外協(xié)焊接)必須及時(shí)用塑料口袋包裝起來，避免受潮及污染。

　　6.4檢查清洗結(jié)果：

　　用肉眼檢查齒輪上要沒有明顯油污，并用白色餐巾紙?jiān)囬叽柑?，要在餐巾紙上見不到明顯油漬才行。

　　7、 變速器運(yùn)轉(zhuǎn)件的焊前壓配與焊縫對中：

　　7.1焊前壓配：

　　變速器運(yùn)轉(zhuǎn)件焊前的裝配精度對電子束焊接的質(zhì)量有著非常重要的影響。以汽車變速箱齒輪為例，同步環(huán)與主齒間應(yīng)配合到位，有時(shí)由于過盈量太大或毛刺等原因，壓配不到位，焊后零件的各項(xiàng)精度指標(biāo)顯然是達(dá)不到的。因此，不論采用冷壓還是熱裝，都不能有裝配不到位的現(xiàn)象，也就是說其端面接觸部位不能有間隙;另外，如果主齒與同步環(huán)間配合過松，焊接時(shí)也會造成較大的變形。為保證零件的焊接變形量，一方面要控制機(jī)加工的公差配合，同時(shí)焊前壓配的精度也要嚴(yán)格把關(guān)(一般理想狀態(tài)是小過盈配合最好：過盈量在0.002~0.015之間，或壓裝力控制在0.5~1.5噸之間)。(如下圖所示：壓力、位移、消磁控制處理)

　　7.2電子束對中：

　　環(huán)焊縫零件的電子束對中，作為焊縫基準(zhǔn)首先要求焊接胎具要達(dá)到一定的回轉(zhuǎn)精度，汽車變速箱齒輪的大規(guī)模焊接生產(chǎn)過程中，一般胎具的端跳不得大于0.03mm，徑跳不得大于0.05mm。齒輪類零件的焊接定位一般采用孔軸配合，盤齒輪內(nèi)孔或軸齒的外徑與胎具的配合精度非常重要，配合精度太高，間隙量小，不僅增加了加工成本，而且裝卡時(shí)難度增加，影響生產(chǎn)效率;如果配合間隙過大，又易產(chǎn)生焊縫偏移，影響焊接質(zhì)量。

　　電子束良好對中非常重要，對中不好，焊偏了會影響焊接深度，跑車時(shí)產(chǎn)生齒輪脫焊。對小批量零件，可以用光學(xué)觀察系統(tǒng)精確定位;而象汽車齒輪這樣大批量的齒輪焊接，其專用機(jī)一般不設(shè)光學(xué)觀察系統(tǒng)，可通過焊機(jī)上的游標(biāo)尺粗略定位，再用小束流在焊縫上均勻分布打三個小點(diǎn)，觀察其偏差情況，然后再調(diào)整其位置，使其良好對中。

　　8、電子束焊接參數(shù)的選擇：

　　電子束焊接過程中能否選用合適的焊接參數(shù)關(guān)系到焊接質(zhì)量的好壞。焊接參數(shù)主要是指加速電壓、束流、焊接速度、聚焦電流、焦點(diǎn)位置以及電子束掃描形式等，其數(shù)值主要根據(jù)齒輪的尺寸大小，焊縫深度，允許變形量，甚至材料的不同而不同，由于因素太多，難以明確規(guī)定，可以從線能量著手進(jìn)行。圖2為試驗(yàn)得出的完全熔透條件下線能量與熔深的關(guān)系，對初步選定焊接參數(shù)有一定參考價(jià)值。

　　其中線能量計(jì)算公式為：

　　J=60U_bI_b/v

　　J——線能量(J/cm)

　　U_b——加速電壓(V)

　　I_b——電子束束流(A)

　　v——焊接速度(cm/min)

　　至于焊速如何確定，功率P=Ub×Ib確定后，高壓與束流以及聚焦值如何確定等需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況及個人經(jīng)驗(yàn)靈活掌握。我們在此僅給出這些焊接參數(shù)對焊接工藝的影響規(guī)律，以便用戶根據(jù)這些規(guī)律容易通過試驗(yàn)找到合適的焊接參數(shù)。

　　8.1加速電壓(高壓)：一般中壓電子束焊機(jī)高壓在30～60kV可調(diào)，但在實(shí)際應(yīng)用中為了確定其他焊接參數(shù)方便，亦為了有好的聚焦性能，一般固定用在額定電壓60 kV。只有在非常特殊的情況下才適當(dāng)調(diào)低電壓。

　　8.2束流與焊速:在高壓確定后，欲達(dá)到所需熔深，從線能量公式可見，束流越大則焊速可越高，這有利于提高生產(chǎn)效率，減少零件變形，但快速熔化，快速凝固會增加焊縫內(nèi)因力，焊縫根部尖釘缺陷亦比較顯著，故束流與焊速須在合理范圍內(nèi)配合選擇，通過實(shí)驗(yàn)確定。

　　8.3焦點(diǎn)位置：焊一般中小型齒輪，熔深在1～4mm，為調(diào)節(jié)方便，焦點(diǎn)一般在焊區(qū)表面;如要焊大型齒輪，熔深在十多毫米到幾十毫米深，一般要用欠聚焦，即焦點(diǎn)位于工件表面下方1/2～1/3處，具體需通過實(shí)驗(yàn)選取，焦點(diǎn)位置選擇不合適，會使焊縫截面出現(xiàn)上口小、下部大，不利于氣體排出的形狀。

　　8.4電子束掃描：采用圓形、橢圓或線形電子束掃描，有利于焊縫中氣體排除，改善焊縫根部效應(yīng)，有利于提高焊接質(zhì)量，至于振幅、頻率、圖形需通過試驗(yàn)確定。橫向振幅與焊縫寬度直接有關(guān)，不宜太大，頻率一般用幾百周到一千周。要求不是太高的，亦可不用掃描。

　　1) 工作距離：指工件焊接表面離真空頂壁距離。工作距離與聚焦有密切關(guān)系，一般選擇在75～150mm左右。工作距離越遠(yuǎn)，聚焦能力越差，焊縫深寬比越小。

　　在大批量焊接生產(chǎn)中，為防止出現(xiàn)批量報(bào)廢或大批返修，保證齒輪的焊接質(zhì)量，用戶往往愿意將電子束焊縫焊得比較寬，這樣萬一出現(xiàn)胎具松動不正、對中不準(zhǔn)等現(xiàn)象，可以在一定程度上彌補(bǔ)焊深不足的缺陷。這一觀點(diǎn)有其合理性，但必須注意操作方式，即不能單純強(qiáng)調(diào)焊縫表面寬度而選擇過大的離焦量，這樣焊縫就會成為上寬下窄的“蘑菇”形，反而因其表面寬度掩蓋了內(nèi)部的焊偏埋下了事故隱患。

　　圖3 焊縫根部帶觀察孔的形式

　　為保證焊縫深度，通常有幾種方法：首先是試片穿透，如要求焊深4mm，則先以4mm厚的試片焊接，找到合適參數(shù)，然后再以同樣參數(shù)焊實(shí)際零件。為進(jìn)一步確認(rèn)零件焊深，也可將一實(shí)際零件切開，看其焊縫剖面。這種方法最直觀，但不經(jīng)濟(jì)簡便，對于小批量零件，可以如圖3所示，在焊縫根部預(yù)先開出一觀察孔，如要求焊深8mm，可在7.5mm處開一小孔，孔徑以不造成焊縫表面大幅下塌為宜，焊后從小孔中看是否有熔化鐵水流過，即可知是否焊透。

　　9、探傷：

　　采用焊接工藝的零件難免會出現(xiàn)某些缺陷，如氣孔、裂紋等，但只要符合標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍，即可認(rèn)為是合格產(chǎn)品。對于電子束焊縫的檢驗(yàn)，一般有肉眼觀察、放大鏡或顯微鏡觀察、X光探傷或超聲波探傷等等幾種方式。

　　目前國內(nèi)應(yīng)用面較廣的汽車變速箱齒輪的電子束焊縫，一般都采用超聲波探傷。它要求焊縫一周的氣孔尺寸之和要小于焊縫周長的1/10，探測靈敏度為Φ0.5mm。由我公司生產(chǎn)的UFD-G系列型超聲波探傷儀完全按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可全自動探測。

　　齒輪焊后探傷不合格或表面成形不佳，一般允許進(jìn)行電子束修補(bǔ)。如果判斷下來是電子束對中不合格所造成焊縫偏移，可重新對中再用同樣參數(shù)焊一次。如果是氣孔量超標(biāo)，重復(fù)焊一次有可能清除一部分氣孔而達(dá)標(biāo)。需要表面修補(bǔ)的焊縫可適當(dāng)降低束流、散焦焊接。

　　10、結(jié)論：

　?、?齒輪類零件的電子束焊接工藝有其獨(dú)到的優(yōu)越性，同時(shí)，對被焊零件的原材料(包括雜質(zhì)含量及熱處理狀態(tài))提出了某些特殊要求;

　?、?電子束焊接工藝對焊前準(zhǔn)備工作要求較高，否則不能達(dá)到很高的焊接質(zhì)量;

　?、?電子束焊接參數(shù)需根據(jù)實(shí)際情況制訂，理論公式或圖表僅具有參考價(jià)值。