0前言

　　當(dāng)今汽車行業(yè)的發(fā)展日新月異，那么汽車部件的加工也發(fā)生了翻天覆地的變化，汽車中的變速器齒輪和同步器加工工藝方案也隨之改進(jìn)，由原來的花鍵壓裝配合，到現(xiàn)在的電子束焊接，改進(jìn)后一方面節(jié)約很大成本，另一方面提高了加工節(jié)拍，但在焊接中難免會(huì)出現(xiàn)一些小的缺陷，本文就加工過程中的缺陷的產(chǎn)生和解決方案做了詳細(xì)的分析，并簡(jiǎn)述了電子束焊接的基本概念和原理。

　　1.電子束焊接基本概念和原理

　　1.1.電子束焊接

　　電子束焊接是在真空狀態(tài)下，通過高加速電壓(30~60KV)的作用下，使電子的運(yùn)動(dòng)速度加至到光速的~倍時(shí);電子流沖擊工件的局部表面，在極短的時(shí)間內(nèi)由電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件的局部表面材料迅速熔化及冷卻結(jié)合的過程，即電子束焊接。

　　1.2.焊接工藝參數(shù)

　　在工件的材料、結(jié)構(gòu)、和一定的焊接條件下(加壓、加流、速度、時(shí)間、聚焦等)擬定確切的焊接方法，及焊接后處理的一系列的技術(shù)數(shù)據(jù)。

　　1.3.材料焊接性能(碳當(dāng)量)

　　在焊接過程中，影響鋼材焊接性能的主要因素是化學(xué)成分。實(shí)踐證明，在各種元素中，碳對(duì)冷裂的影響最為顯著，因而，人們就將包括碳在內(nèi)的各種元素對(duì)淬硬，冷裂的影響折合成碳的相當(dāng)含量，并疊加起來稱為碳當(dāng)量。其碳當(dāng)量作為粗略評(píng)估鋼材焊接性的一種參考指標(biāo)。

　　國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)所推薦的碳鋼和低合金鋼碳當(dāng)量CE計(jì)算公式為：

　　1.4.線能量(J)

　　焊接時(shí)對(duì)有焊接熱源輸入給工件單位長(zhǎng)度焊縫上的熱量：

　　Ub： 加速電壓 Kv

　　Ib：電子束電流 mA

　　V：焊接速度 Cm/min

　　1.5.電子束焊接工作原理圖

(1-1)

　　2.電子束焊接過程中參數(shù)的確定

　　電子束焊接非同于其它方式的焊接，電子束焊接是直接通過加熱工件局部表面，使工件的局部表面受熱熔化后，相互融合的一種不需要外補(bǔ)加焊料的一種特殊的焊接過程，其影響焊接形成的因素如下：

　　2.1、高壓(0~60)Kv

　　高壓在焊接過程中主要是改變焊接的深度，因?yàn)楫?dāng)高壓升高時(shí)，加大了電子束的功率，同時(shí)將電子槍的聚焦性能也有了改善，這樣使電子束焦點(diǎn)的功率密度大為增加，同時(shí)還使電子束的活性區(qū)加長(zhǎng)，有利于增加焊接的深寬比。

　　H活性區(qū)在不同位置時(shí)焊接成形情況

　　2.2、束流(0~80)mA

　　電子束電流簡(jiǎn)稱束流，也是提高電子束的功率有加大焊接的深度的趨勢(shì)。但是束流的加大，一方面：使電子光學(xué)系統(tǒng)得聚焦性變壞，過大反而會(huì)有減小熔深;另外一方面：過大的焊接束流，會(huì)使工件發(fā)生熱變形。

　　2.3、焊接速度(Cm/min) (0~50)mm/s

　　焊接速度是焊接過程中重要參數(shù)之一，在不改變其它參數(shù)的前提下，若提高焊接的線速度，那么相應(yīng)的就減小了焊接的線能量。焊縫的深度、寬度相應(yīng)按比例減小，那么焊接工件的變形有了進(jìn)一步的改善，亦之相反。

　　如果調(diào)整其它參數(shù)維持焊接的線能量不變(Ub*Ib)/Vc*0.388，那么增加了焊接線速度，反而會(huì)增加熔深，因?yàn)檩^快的焊接速度有利于排斥液態(tài)金屬的封口效應(yīng)。

　　2.4、工作距離(40~150)mm

　　工作距離是指聚焦控制系統(tǒng)中的磁透鏡中心與焊接工件表面的距離。

　　工作距離的大小可通過工件的厚度直接改變，也可以通過增減聚焦電流，使電子槍的壓縮比增加/減小，獲得束斑的直徑變大或變小來間接的控制工件距離大小。

　　增加工作距離則熔深相應(yīng)減小，反之則增大。

　　2.5、聚焦位置(20~300)mm

　　焦點(diǎn)位置是決定焊接深度焊接寬度比的重要因素，焦點(diǎn)在工件的表面處，稱為表面聚焦即“焦點(diǎn)” ;焦點(diǎn)在工件上方時(shí)，稱為上聚焦即“浮焦” ;焦點(diǎn)在工件下方時(shí)稱為下聚焦即“埋焦” 。

　　在電子束焊接過程中，焦點(diǎn)附近總是存在一段束斑點(diǎn)變化不大，功率密度幾乎相等的區(qū)域，即稱為活性區(qū)。見“2-1”圖所示。

　　從實(shí)驗(yàn)過程中得出，采用浮聚和埋焦焊接方式，比采用表面焦焊出的結(jié)果要好些。一般汽車齒輪與同步錐接合面焊接的深度為4+0.3 -0.5寬2+0.2 -0.2推薦使用浮焦或埋焦進(jìn)行焊接。使用浮焦或埋焦方式焊接出的表面，比表面焦焊接出的表面要平整且寬深比較易調(diào)整。如圖(2-2)所示的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品要求進(jìn)行浮焦或埋焦進(jìn)行比較，一般情況下浮焦焊接時(shí)焦點(diǎn)抬高20~30mA;埋焦焊接時(shí)焦點(diǎn)降低10~20mA。

　　另外采用浮焦或埋焦的方式焊接，還可以減少或避免焊渣過多的現(xiàn)象。對(duì)擬定的工藝參數(shù)只作為焊接時(shí)的參考，視具體情況再進(jìn)行微調(diào);且勿非專業(yè)人員進(jìn)行調(diào)整。

　　2.6、真空度

　　真空度的高低及穩(wěn)定情況，將直接影響加工的焊縫深度、寬度及表面結(jié)構(gòu)的平整性。一般情況下，真空度下降會(huì)使電子束產(chǎn)生散射，束斑變寬。聚焦疏散，能量不集中，導(dǎo)致焊縫寬而淺。同時(shí)由于其它的參數(shù)不穩(wěn)定還會(huì)使工件表面受熱不均，使焊后表面平整不均，焊接室的真空度一般為6.5Pa電子槍真空度約為7*10-3Pa。

　　2.7、焊接工件的表面清潔度及焊接處的結(jié)構(gòu)要求。

　?、?、對(duì)于焊接的工件，在焊接前要徹底的清洗;清洗完，視實(shí)際情況用纖維抹布加丙酮擦拭，必要時(shí)進(jìn)行去磁處理。

　?、?、清洗后焊接面處應(yīng)干燥、無油污、無銹蝕、無清潔劑殘留。

　?、?、對(duì)單批件或小批量件，在清洗完后，用丙酮擦拭干燥后再壓配。(干燥可采用烘干機(jī)或電阻爐來做)

　?、?、清洗機(jī)及清洗液的選用

　?、荨?duì)焊接的接頭結(jié)構(gòu)要求

　　一般焊接深4mm寬2mm時(shí)，W 1 ≥2.5mm。且接觸處(焊接表面要平齊即兩工件a1與a2處|a1-a2|≤0.2mm，上端面至焊接的表面距離小于8mm)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可另行設(shè)計(jì)或調(diào)整，以上值只作為參考。

　　3.電子束焊接過程中缺陷分析及控制

　　在焊接過程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)外部或內(nèi)部的缺陷，其主要有：焊瘤、咬邊、未融合、未焊透、焊縫下陷、氣孔、裂紋、弧坑等缺陷。此外影響電子束焊縫還有，焊深不均、長(zhǎng)空洞、中部裂紋、焊縫偏離等。

　　3.1 焊瘤

　　焊瘤是在焊接過程中，由于熔化的焊縫表面或在焊穿時(shí)流到工件的背面形成的局部凸起，同時(shí)它還伴隨著焊渣較多、表面下陷、內(nèi)部氣孔及咬邊同時(shí)發(fā)生。

　　一、主要影響焊瘤的產(chǎn)生原因及分析：

　　①焊接過程中的真空度不穩(wěn)定(即影響熱規(guī)范不正確)：

　　當(dāng)在焊接過程中真空度不穩(wěn)定時(shí)，可將直接導(dǎo)致束流的不穩(wěn)定，束流的不穩(wěn)定，又將導(dǎo)致焊接的內(nèi)部存在了微裂紋的隱患。另外束流的不穩(wěn)定使工件在焊接的過程中所受的熱規(guī)范不均，熱量突變，使形成的焊接熔化的母材凝固時(shí)起皺，便使焊接的表面產(chǎn)生了焊瘤。(一般情況下真空度不穩(wěn)定可從真空的指示表上直接反映出來，另外也可以從焊接束流的變化上反映出來，此時(shí)要及時(shí)的維護(hù)和檢測(cè))。

　?、诰劢刮恢貌徽_：

　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚焦的位置不同可使焊接的表面會(huì)產(chǎn)生焊瘤的存在。聚焦的選擇也直接影響焊接的質(zhì)量，試驗(yàn)證明焊瘤，多易出現(xiàn)在采用表面焦點(diǎn)焊接時(shí)的產(chǎn)物。

　?、酃ぜ雍厦媲鍧嵍燃案稍锒炔詈秃附拥木€速度選擇不當(dāng)：

　　在焊接的過程中，如果清潔度較及干燥度差時(shí)，在焊接過程中則極易產(chǎn)生焊渣的出現(xiàn)，由于焊渣在焊接的過程中飛濺，下落的過程中如果在此瞬間落入剛?cè)刍蟮哪覆挠忠Y(jié)晶的母材的上表面的時(shí)候時(shí)，則這時(shí)候在此局部便形成了一處焊瘤，如果焊渣落入即將要被電子束轟擊的表面的時(shí)候，這時(shí)候由于上面的焊渣則此處焊接的表面不平整，且內(nèi)部的焊深不均;如果此時(shí)的焊接的速度越快時(shí)此種的缺陷越易產(chǎn)生，適當(dāng)?shù)慕档退俣葘⒂行У母淖儽砻娴暮噶龅娜毕荨?/p>

　　二、控制方法：

　?、偾鍧嵑附拥墓ぷ魇?，提高工件接合面清潔度及焊接處的表面干燥度;

　　②確保真空度及電流輸入的穩(wěn)定性;

　?、圻m當(dāng)?shù)倪x擇散焦的方式焊接;

　?、芎侠頂M定焊接速度。

　　3.2、咬邊

　　咬邊一般是在焊接過程中使熔去的金屬形成溝槽及焊接的局部下陷狀況。

　　一、 主要影響咬邊的產(chǎn)生原因是：

　?、偈鬟^大：

　　在焊接的過程中束流選擇合適時(shí)如圖(3-1);當(dāng)束流過大時(shí)如圖(3-2)，此

　　圖(3-2)由于焊接時(shí)束流過大，工件在此過程中的接收的線能量較多使寬深加大，即溶化的母材在自重的作用下下陷，從焊接的上表面未熔化處塌陷即所謂的咬邊。

　　②焦點(diǎn)的過于集中：

　　焦點(diǎn)的過于集中時(shí)也可使焊接的表面邊緣處形成咬邊的現(xiàn)象。當(dāng)焊接時(shí)焦點(diǎn)過于集中即表面焦點(diǎn)焊接時(shí)，焊接寬度相對(duì)減小，焊接的深度加大，同時(shí)一但工件焊穿時(shí)，材料下陷，那么也會(huì)形成了咬邊的想象，如圖(3-3)所示。

　?、酆附拥碾娮邮S線于焊縫不對(duì)中：

　　如果焊接時(shí)電子束的軸線于焊縫不對(duì)中即偏焊時(shí)，焊接的兩工件受熱不均一邊多熔，一邊少熔，那么少熔的一邊易形成咬邊的現(xiàn)象，如圖(3-4)所示。

　　④斑束不均：

　　如圖(3-5)斑束不均時(shí)，焊接過程中相當(dāng)于焊接的焦點(diǎn)在改變，則這樣便也同于②的原理相似。

　　二、 控制方法：

　?、龠x擇適當(dāng)?shù)暮附邮鬟M(jìn)行焊接(25~35)mA;

　?、诒M量采用散焦方式焊接;

　　③定期的對(duì)焊接的對(duì)中性進(jìn)行打點(diǎn)檢測(cè)，批量生產(chǎn)時(shí)，要定量的打點(diǎn)測(cè)試;

　?、艽_保焊接的真空度，避免焊接時(shí)的束流的飄逸。

　　3.3、弧坑

　　弧坑是電子束焊接過程中由于束流的瞬間突變?cè)斐傻摹?/p>

　　一、主要產(chǎn)生弧坑的原因：

　　①在焊接的過程中，由于束流的突變，那么在焊接的瞬間工件所接受的線能量也突變化。根據(jù)W=U*I*0.388/V,可看出當(dāng)UV穩(wěn)定時(shí)I的變化，將影響W的變化，所以在焊接中的母材迅速熔化程度不均，另外在熱蒸汽的反作力的情況，受熱量多的局部反作用力，推動(dòng)剛?cè)刍哪覆南騽偰痰谋砻嫔稀Ｄ覆牡牧鲃?dòng)使此局部缺少材料補(bǔ)充，便形成了弧坑。

　?、谌绻附訒r(shí)候的啟弧和收弧的時(shí)間較短暫，那么也將會(huì)形成弧坑。

　　二、控制方法：

　?、俦苊夂附舆^程中束流突然中斷及焊接速度的大幅度的變化，一般束流的變化幅度不應(yīng)大于0.4mA;

　?、谶m當(dāng)?shù)倪x擇啟收弧的時(shí)間，避免突啟突收的現(xiàn)象;

　?、郾３趾附酉到y(tǒng)的清潔度，防止焊接系統(tǒng)受污染，對(duì)焊接的工件要清潔干燥處理;

　?、茴A(yù)防焊接時(shí)的放電現(xiàn)象;

　?、葸m當(dāng)調(diào)整焊接時(shí)的聚焦位置，如散焦焊接也可消除收尾部位弧空。

　　詳見案例：

　　3.4、下陷

　　下陷是在焊接的過程中，使熔化后的母材整體下沉的現(xiàn)象它往往與弧坑相伴而產(chǎn)生。

　　產(chǎn)生原因分析：

　　下陷形成是由于束流過大、焊接速度過慢、焊接的間隙過大、焊縫邊緣倒角過大，使金屬在熔化過程中由于本身自重及金屬熔化中的蒸汽的反作用力而造成的。

　　控制方法：

　　適當(dāng)提高焊接速度，改善工件的配合部位的結(jié)構(gòu)。確保加快焊接金屬的冷卻速度。

　　3.5、未焊透

　　未焊透是在焊接的深度尺寸上沒有達(dá)到要求，焊接底部沒有焊實(shí)。

　　產(chǎn)生原因分析：

　　影響未焊透是焊接時(shí)電子束線能量不夠、束流偏小、焊接速度偏大，焊接參數(shù)選擇不當(dāng)造成。

　　另外，其實(shí)際的電子束的落點(diǎn)與理論的焊接全長(zhǎng)上由于位置偏差，也會(huì)造成未焊透的直接因素。

　　控制方法：

　　嚴(yán)格控制焊接時(shí)的焊接軌跡、保證焊接處清潔、合理選擇焊接束流和焊接線速度。

　　3.6、氣孔

　　氣孔是金屬材料在焊接熔化過程中的殘余氣體，及焊縫中的氧化物、氮化物、有機(jī)物等，在此過程中析出或氣化而造成的;另外也由于金屬的結(jié)晶速度過快，使得氣體來不及從金屬中溢出便直接形成了氣孔。

　　控制方法：

　?、俅_保工件清潔度;

　?、谇鍧嵉墓ぜ娓珊髩号?

　?、郾M量不選用含氫、氮、氧等成分較高的材料;

　?、苓m當(dāng)?shù)臏p小焊接線速度。(對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加通氣槽)

　　3.7、熔池不均

　　熔池不均主要是在未焊透的情況下出現(xiàn)的。一般在焊縫的根部出現(xiàn)缺陷是小空洞或U形的微裂紋。小坑洞可在超聲波探傷機(jī)里可以檢測(cè)出來，但U形的微裂紋超聲波檢測(cè)不出來。U型的裂紋是由于焊接過深時(shí)，底部的熱量不足以使母材熔化，是由于上部熔化的母材自重時(shí)，往下流至底部沒遇兩界面充分結(jié)合的界面，即U形的微裂紋。此種的缺陷都是熔池不均造成。

　　控制方法：

　　改變焦點(diǎn)的位置，選擇散焦焊接，使焊接部位寬度適當(dāng)加大，深度相對(duì)減小利于消除或減少此種缺陷。

　　3.8、焊偏

　　焊偏是在焊接過程中實(shí)際的焊縫與理論的焊縫不重合。

　　控制方法：

　?、傧附邮壹半娮訕尩拇艌?chǎng)干擾;

　?、诒ＷC焊接夾具的精確度(單工作臺(tái)夾具跳動(dòng)控制在0.03mm，多工作臺(tái)控制在0.05mm之間);

　?、鄱ㄆ诘膶?duì)焊接的工件打點(diǎn)測(cè)試。

　　3.9、裂紋

　　裂紋是焊接過程中或焊后最易產(chǎn)生的缺陷。一般出現(xiàn)在焊縫中下部或中上部，在金相檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)呈 “微細(xì)條紋”狀。

　　微裂紋按形成機(jī)理分為：熱裂紋和冷裂紋

　　A、熱裂紋：是在焊縫金屬由液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的。其主要的原因是由于焊縫中存在低熔點(diǎn)的物質(zhì)(如焊件中存在硫、磷等雜物過多，就易產(chǎn)生熱裂紋)，或在較大焊接應(yīng)力的作用下引起晶粒破裂所形成。

　　焊接金屬內(nèi)“熱裂紋”形成的過程：“焊接金屬當(dāng)凝固至A3范圍以上的高溫度區(qū)時(shí)便會(huì)容易形成熱裂紋。因金屬在凝固的末期 ，在固液兩項(xiàng)共存階段的晶界處易形成結(jié)晶裂紋，微觀特征沿晶擴(kuò)展，另外又沿柱狀晶界擴(kuò)展形成晶間裂紋。”而熱影響區(qū)的裂紋通常會(huì)沿著原始奧氏體化晶界的擴(kuò)展。嚴(yán)重情況下熱裂紋可擴(kuò)展到表面。從金相試驗(yàn)看出在焊接過程中嚴(yán)重的熱裂紋表面在高溫下于空氣形成氧化顏色存在。而在焊接中同時(shí)又會(huì)因焊接處的表面不潔凈形成焊渣飛濺，但焊渣并不與焊縫處的金屬相溶，這說明焊渣的凝固溫度比母材體溫度低，由此熱裂紋是在固相線附近的溫度區(qū)形成的，且從熱裂紋沿晶粒邊界分布的特點(diǎn)來看，說明他是在液相最后凝固的階段形成的。

　　在電子束焊接過程中 ，為了避免焊接時(shí)的熱裂紋，首先選用小的束流焊接一周進(jìn)行預(yù)熱，然后在加大束流進(jìn)行封焊，這樣可避免或減少熱裂紋。

　　B、冷裂紋：是在焊縫冷卻過程中產(chǎn)生的，其原因主要是由于焊縫或熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了淬硬的金屬組織在較大的應(yīng)力下，引起晶粒內(nèi)部破裂(如含碳較高和合金元素較多的材料，就易產(chǎn)生冷裂紋)

　　焊接金屬內(nèi)“冷裂紋”形成的過程：由于焊接的金屬在凝固和冷卻的過程中發(fā)生了體積的收縮的變化，對(duì)于焊縫的臨近溫度較低晶體會(huì)對(duì)它們的收縮產(chǎn)生約束力，由此形成了內(nèi)應(yīng)力;如果剛結(jié)晶部位的晶體的某些薄弱部分，如晶界處強(qiáng)度不足以抵抗這種內(nèi)應(yīng)力，則被拉開形成了冷裂紋。

　　另外，產(chǎn)生的裂紋還于焊接的工件的結(jié)構(gòu)及冶金因素有關(guān)，如果焊接的工件壁較薄，那么焊接后的工件將產(chǎn)生較大的變形，由于變形則使內(nèi)部的組織被受到應(yīng)力作用也會(huì)使內(nèi)部撕裂，形成微裂紋。對(duì)于冶金因素同樣如此。

　　控制方法：

　?、偈购附雍蟮墓ぜ杆俎D(zhuǎn)入保溫介質(zhì)中使之緩慢冷卻下來，則避免或減少冷裂紋(如在保溫介質(zhì)中保溫70~120度，保溫時(shí)間10~15分鐘即可)

　?、谠诓牧仙线x擇碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)焊接基本上也不會(huì)出現(xiàn)冷裂紋。

　?、圻m當(dāng)?shù)臏p小焊縫的寬度也可以減小或消除微裂紋。

　?、艽_保焊接部位的干燥度及清潔度，減少焊渣的產(chǎn)生，也可減小或消除微裂紋的存在。

　　3.10、長(zhǎng)空洞：

　　長(zhǎng)空洞即在焊接的部位上表面一周內(nèi)存在一段連續(xù)局部未熔實(shí)的空間。

　　產(chǎn)生原因：

　?、俸附拥膯⒒r(shí)間過短暫;

　?、诰植看嬖陔s物或清潔度差或局部有水蒸氣排不出造成;

　　③焊接時(shí)的束流不穩(wěn)定。

　　控制方法：

　　避免上述的現(xiàn)象，首先在焊接時(shí)加上小束流進(jìn)行預(yù)熱焊接便可以消除此種的缺陷。

　　其次要擬定相對(duì)應(yīng)的焊接束流與焊接速度，且考慮避免焊接后的工件變形前提條件下進(jìn)行。

　　3.11、加工能力曲線圖(4-1)

　　加速電壓：60KV               工作距離：110mm

　　焊接室真空度：6.5Pa       材料：25MnCr5

　　功率：12KW(4G)

　　4.結(jié)論

　　電子束焊接工藝確定及缺陷分析，是通過在實(shí)際的加工中遇見的問題，并對(duì)問題進(jìn)行分析和總結(jié)得出的結(jié)論，在生產(chǎn)過程中解決了焊接存在的各項(xiàng)缺陷問題，并在大批量的生產(chǎn)中發(fā)揮了重大的現(xiàn)實(shí)意義。

　　電子束焊接特別適用于汽車行業(yè)中齒輪、渦輪增壓器等類似的工件的大批量生產(chǎn)，滿足焊接變形在0.02mm以內(nèi)高精度高效率焊接，同時(shí)通過焊接參數(shù)的調(diào)整，可以達(dá)到擬定的焊接深度和焊接寬度，焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特別靈活。

　　在焊接過程中只要合理的控制焊接束流、焊接速度、焊接時(shí)間和焊接的焦點(diǎn)那么就比較容易的控制焊接過程中缺陷的產(chǎn)生，如同文章中所分析，那么在焊接中就很容易的解決了焊接過程中的缺陷。