鋁合金電子束焊接技術(shù)

王靜

(成都紡織高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程與自動(dòng)化系，四川 成都 611731)

鋁合金電子束焊接技術(shù)

王靜

(成都紡織高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程與自動(dòng)化系，四川 成都 611731)

鋁合金因其良好的性能在航空航天、交通工具、機(jī)械制造等領(lǐng)獲得了廣泛應(yīng)用，其焊接性限制了鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。電子束焊因其熔透性高、接頭性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)成為鋁合金焊接的重要方法之一。簡(jiǎn)述了電子束焊接的基本原理和特點(diǎn)，綜述了鋁合金電子束焊在工藝、接頭組織性能、接頭缺陷預(yù)測(cè)和有限元數(shù)值模擬技術(shù)等方面的研究工作，展望了鋁合金電子束焊接的發(fā)展方向，對(duì)于今后系統(tǒng)開展鋁合金電子束焊接具有一定的參考。

電子束焊接；鋁合金；發(fā)展方向

0 前言

鋁合金由于其良好的耐腐蝕性，高的比模量、比強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，以及良好的電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性等特點(diǎn)，在航空航天、交通工具、機(jī)械制造、電工化工等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。近年來(lái)鋁合金的焊接一直是研究的熱點(diǎn)，主要有脈沖氬弧焊、焊條電弧焊和氣焊等常規(guī)方法[4-6]和電子束焊、激光焊[7-9]等高能束方法。在深入分析了鋁合金電子束焊的特點(diǎn)基礎(chǔ)之上，對(duì)鋁合金電子束焊的研究現(xiàn)狀、存在問(wèn)題和發(fā)展方向進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，以期能對(duì)鋁合金電子束焊接提供參考。

1 鋁合金電子束焊基本原理和特點(diǎn)

電子束焊基本原理[9]是利用電子槍產(chǎn)生的電子，被高壓電場(chǎng)(30～200 kV)加速到極高的速度(約1／2光速)，經(jīng)磁透鏡聚集，形成高密度、高能量(能量高可達(dá)105～107 W／cm2)的電子流，作用在焊縫處，能量發(fā)生轉(zhuǎn)換(動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能)，使焊縫區(qū)的材料迅速熔為一體，在極短的時(shí)間內(nèi)冷卻凝固(冷卻速度約2 200℃／s)，從而實(shí)現(xiàn)焊接。其工作原理如圖1所示。

電子束焊主要特點(diǎn)為[8-10]：

(1)沒(méi)有引入焊接材料，只是通過(guò)待熔體的熔合，焊縫的純潔度高。

(2)焊接熱源調(diào)節(jié)溫度范圍大且易于精確調(diào)節(jié)，重復(fù)性好，可以焊接各種金屬及合金，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，通過(guò)控制電子束偏移，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜焊縫的自動(dòng)化焊接。

(3)電子束的斑點(diǎn)尺寸非常小，功率密度非常大，焊縫深寬比大，焊接厚板時(shí)不開坡口即可實(shí)現(xiàn)單道焊，較電弧焊節(jié)省材料和能源。

圖1 電子束焊工作原理[8]

(4)電子束的焊接能量集中，熔化和凝固的過(guò)程短，焊接速度快，可以避免晶粒的長(zhǎng)大，從而改善焊接接頭的性能。

(5)電子束的作用導(dǎo)致焊接時(shí)熱量非常集中，焊接熱影響區(qū)小，焊件變形小。

正是由于這些特點(diǎn)，電子束焊在鋁合金中厚板焊接中應(yīng)用較為廣泛。然而，電子束焊熱輸入量大，焊后冷卻速度快，容易引發(fā)接頭組織缺陷，加之電子束焊設(shè)備昂貴，制約了電子束焊的進(jìn)一步應(yīng)用。為更好評(píng)估電子束焊在鋁合金焊接中的進(jìn)一步應(yīng)用，將對(duì)鋁合金電子束焊的研究現(xiàn)狀、存在不足及發(fā)展方向進(jìn)行綜述。

2 鋁合金電子束焊研究進(jìn)展和存在問(wèn)題

2.1 工藝性能

針對(duì)鋁合金電子束焊接工藝，不同的研究者采用不同的材料和試驗(yàn)條件進(jìn)行了大量的研究。呂世雄等人[11]針對(duì)薄壁鋁合金進(jìn)行了電子束焊接的研究，得到了適宜的工藝參數(shù)。王俊元等人[12]利用試件法確定了2A12鋁合金的電子束焊接工藝參數(shù)，保證了焊縫所需的力學(xué)性能。唐家鵬等人[13]探討了特征參數(shù)與接頭性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出了一鋁合金真空電子束焊接的最佳焊接規(guī)范參數(shù)。秦志云[14]對(duì)汽車空調(diào)鋁合金活塞的電子束焊接工藝方法進(jìn)行了深入研究。

電子束焊接工藝參數(shù)主要有[15]：電子束流Ib(單位：mA)、聚焦電流If(單位：mA)、加速電壓U(單位：kV)、焊接速度v(單位：mm／min)和工作距離D(單位：mm)。在這些因素中電子束流Ib、加速電壓U和焊接速度v共同決定了焊接時(shí)工件所獲得的線能量J(單位：kJ／mm)，線能量J可表示為

從目前的研究成果來(lái)看，對(duì)于特定的零部件獲取適宜的電子束焊工藝參數(shù)已沒(méi)有任何技術(shù)問(wèn)題。但是，電子束焊各工藝參數(shù)間的相互作用機(jī)理，至今還沒(méi)有研究結(jié)果說(shuō)明這一問(wèn)題[16]。

2.2 接頭組織性能

接頭組織性能是零部件服役的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)許多研究者從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)來(lái)評(píng)定鋁合金電子束焊接的性能。何金江等人[17]研究了高純Al合金6061的電子束焊接，通過(guò)顯徼組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。常艷君等人[18]對(duì)6061鋁合金焊接接頭的組織與性能分析進(jìn)行了研究，結(jié)果表明焊接區(qū)組織主要為等軸晶和樹枝柱狀晶，熔合區(qū)組織主要為柱狀晶。其他的研究者[19-21]也對(duì)鋁合金的焊接性能進(jìn)行了較為深入的研究，得到了類似的結(jié)果。

然而，上述研究?jī)H限于對(duì)鋁合金電子束焊接頭組織性能的評(píng)價(jià)，并沒(méi)有提出提高鋁合金電子束焊接頭性能的具體辦法，文獻(xiàn)[22]采用人工時(shí)效的辦法對(duì)鋁合金電子束焊接接頭的組織與性能開展了研究，取得了較好的效果。

2.3 接頭缺陷

盡管鋁合金電子束焊解決了鋁合金焊接存在的諸多問(wèn)題，但鋁合金焊接仍存在許多缺陷，主要包括氣孔、裂紋、焊縫成形不良以及合金元素?zé)龘p等。林世昌等人[23]針對(duì)空心鋁球的電子束焊接，分析了氣孔和裂紋等缺陷產(chǎn)生的原因。常艷君等人[24]對(duì)鋁合金電子束焊接氣孔進(jìn)行了分析，指出了各參數(shù)條件與氣孔產(chǎn)生之間的關(guān)系。汪興均等人[25]研究了5A06鋁合金電子束焊接后熔池內(nèi)Mg元素的分布及其對(duì)焊縫硬度的影響，并分析了焊接工藝參數(shù)對(duì)Mg元素?zé)龘p行為的影響。王俊元等人[26]對(duì)2A12鋁合金真空電子束焊接氣孔缺陷進(jìn)行了分析，表明影響焊縫強(qiáng)度的主要因素是焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔缺陷，在采取一定的焊接工藝措施后，接頭中的氣孔缺陷可得到很好地控制，保證了焊縫所需的力學(xué)性能。

上述文獻(xiàn)研究了鋁合金焊接接頭存在的缺陷，找到了相應(yīng)的降低措施，但由于電子束焊自身特點(diǎn)，完全解決鋁合金電子束焊接頭缺陷還十分困難。

2.4 焊縫成形

焊縫成形是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)，電子束焊一大重要特點(diǎn)是焊縫深寬比大。文獻(xiàn)[27-28]指出，熔深是影響電子束焊接接頭性能的關(guān)鍵因素，在其他參數(shù)不變的情況下，電子束焊熔深和加速電壓U、電子束流Ib成正比，與束斑直徑(受聚焦電流If影響)、工作距離D、焊接速度v成反比，據(jù)此可以設(shè)計(jì)合適的工藝參數(shù)，確保焊縫成形。文獻(xiàn)[29]對(duì)不銹鋼采用電子束焊，建立了電子束焊接參數(shù)與焊縫形狀參數(shù)之間的關(guān)系模型，為優(yōu)化焊縫成形提供了研究基礎(chǔ)，這對(duì)控制鋁合金電子束焊縫成形也具有一定的借鑒作用。文獻(xiàn)[30]采用低加速電壓、大束流、過(guò)剩熱輸入和低焊接速度的軟焊接規(guī)范，確保了2219鋁合金焊接中得到良好的焊縫成形和合理的余高，為研究焊縫成形提供了新方法。

上述研究大多限于理論研究或針對(duì)實(shí)際問(wèn)題來(lái)確保電子束焊縫成形，對(duì)電子束焊工藝參數(shù)與焊縫成形機(jī)理認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步研究，以確保不同零部件的焊縫成形。

2.5 有限元仿真技術(shù)

有限元仿真技術(shù)的快速發(fā)展為鋁合金電子束焊接研究提供了新方法，主要集中在焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)、接頭組織性能和殘余應(yīng)力分析方面。郭桂芳等人[31]對(duì)7075鋁合金電子束焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，結(jié)果表明用有限元數(shù)值模擬方法得到的焊接和熱處理溫度場(chǎng)分布規(guī)律與實(shí)測(cè)溫度值基本一致。田艷紅等人[32]建立了三維有限元模型，模擬電子束焊接的一個(gè)大型復(fù)雜鋁合金結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，旨在控制焊接結(jié)構(gòu)的最終變形。張海泉等人[33]在Windows NT平臺(tái)上采用C++Builder快速開發(fā)軟件和OpenGL圖形接口技術(shù)建立了電子束焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真分析系統(tǒng)，其計(jì)算模擬與實(shí)測(cè)值比較吻合，但計(jì)算值普遍低于實(shí)測(cè)值，其誤差范圍在15%之內(nèi)。郭桂芳等人[34]針對(duì)7075鋁合金電子束焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，對(duì)焊接接頭的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的可行性研究。

有限元仿真技術(shù)將成為鋁合金電子束焊焊縫成形機(jī)理、溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力、接頭缺陷等方面的研究手段，但如何確保所設(shè)置的邊界條件、物性參數(shù)與實(shí)際情況相一致則成為了鋁合金電子束焊有限元仿真技術(shù)面臨的重大難題。

3 鋁合金電子束焊展望

電子束焊在鋁合金焊接方面取得了較好的效果，但也存在諸多問(wèn)題，未來(lái)研究工作建議從以下幾方面開展：

(1)電子束焊接接頭質(zhì)量受多參數(shù)影響，且參數(shù)之間相互制約，需不斷完善設(shè)備參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)電子束流Ib、聚焦電流I、加速電壓U、焊接速度v和工作距離D等參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，從設(shè)備上確保參數(shù)精度控制，為獲得理想優(yōu)化的焊接參數(shù)提供保證；另一方面，需要將數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、專家系統(tǒng)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等引入到電子束焊設(shè)備中，使設(shè)備能夠具有自調(diào)節(jié)最優(yōu)參數(shù)的能力。

(2)加強(qiáng)鋁合金電子束焊基礎(chǔ)理論研究。目前，鋁合金電子束焊基礎(chǔ)理論還不夠完善，需要從電子束流特性、電子束焊本質(zhì)、電子束焊熔化機(jī)理、冶金結(jié)晶過(guò)程、溫度場(chǎng)、缺陷產(chǎn)生機(jī)理以及防止措施等方面開展系統(tǒng)研究。

(3)從電子束焊過(guò)程監(jiān)控方面開展研究，如采用圖像處理技術(shù)檢測(cè)鋁合金電子束焊過(guò)程，建立熔池與焊接質(zhì)量的相關(guān)模型；對(duì)電子束焊接過(guò)程中產(chǎn)生的帶電粒子進(jìn)行檢測(cè)，完善電子束焊焊接機(jī)理。

(4)加強(qiáng)數(shù)值模擬技術(shù)在鋁合金電子束焊中的作用，完善鋁合金電子束焊接的熱源模型，推進(jìn)鋁合金電子束焊溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、鋁合金電子束焊焊縫成形、電子束焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理及防止措施等方面的模擬研究工作，并與實(shí)際試驗(yàn)相互結(jié)合，將其結(jié)果用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際工況。

4 結(jié)論

綜述了鋁合金電子束焊研究現(xiàn)狀，指出其存在的問(wèn)題，并對(duì)鋁合金電子束焊發(fā)展進(jìn)行了展望。目前許多工廠仍然采用MIG焊、TIG焊，攪拌摩擦焊也呈現(xiàn)出前所未有的研究熱潮，但在中厚板焊接方面，電子束焊仍有巨大的優(yōu)勢(shì)。伴隨著對(duì)電子束焊深入研究，不斷改進(jìn)設(shè)備、完善工藝，電子束在鋁合金焊接中將獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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Study on electron beam welding for aluminum alloy

WANG Jing
(Department of Engineering Mechanics and Automation，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China)

Aluminum alloy is applied widely in aeronantics and astronantics，traffic vehicle and mechanism industry，while the weldability of aluminum alloy restricts its application and development.Compared with other welding methods，electron beam welding possesses such advantages as high fusibility ability，good welding joint in quality，etc.Mechanism and characteristics of electron beam welding are explained.The progress in research on electron beam welding of aluminum alloy is discussed.Based on these general surveys，future research emphasis on electron beam welding of aluminum alloy is suggested.

electron beam welding；aluminum alloy；development direction

TG456

C

1001-2303(2011)08-0112-04

2011-01-13

王 靜(1968—)，女，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、材料加工工藝的教學(xué)與研究工作。