電子束焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理及原因分析

李強(qiáng)，楊冬，王大勇

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

電子束焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理及原因分析

李強(qiáng)，楊冬，王大勇

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

文章對電子束焊接過程中氣孔和裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

電子束焊接，氣孔，裂紋

0　引言

電子束焊接具有變形小、熱影響區(qū)窄、接頭性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)［1-8］，為此公司部分隔板產(chǎn)品采用了電子束焊接結(jié)構(gòu)。但真空電子束焊接和其他熔焊方法一樣，當(dāng)工藝參數(shù)不正確或工藝不當(dāng)時，電子束焊接頭也會出現(xiàn)未熔合、咬邊、焊縫下陷、氣孔、裂紋、長空洞、熔深不均等缺陷。除此之外，在電子束焊接中還出現(xiàn)了一些深熔焊中所獨(dú)有的缺陷如釘尖氣孔、焊偏等［9］。本文主要針對在焊接試驗(yàn)中出現(xiàn)的氣孔、裂紋缺陷進(jìn)行探討和分析。

1　氣孔產(chǎn)生的原因分析及減少氣孔的工藝措施

1.1氣孔產(chǎn)生的原因

電子束焊接是一個復(fù)雜的冶金過程，焊接質(zhì)量的好壞以及產(chǎn)生氣孔的大小、數(shù)量，不僅與材料本身的化學(xué)成分、微量元素及雜質(zhì)含量有關(guān)，而且與零件的狀態(tài)、接頭表面粗糙度、焊前的清潔度及焊接規(guī)范等有關(guān)。

本文在進(jìn)行12%Cr馬氏體不銹鋼真空電子束焊接試驗(yàn)時，在焊縫的縱剖面上，可見到焊縫底部是凹凸不平的 “釘形”，而釘形的產(chǎn)生往往伴隨有根部氣 （縮）孔的形成過程 （見圖1）。

從圖2所示的電子束焊縫的縱切面可以看出，熔化帶的基礎(chǔ)由許多狹窄的針狀熔化金屬構(gòu)成，有些金屬針之間有孔洞，因此，稱作 “峰值效應(yīng)”或 “焊根峰值”。這是電子束深熔焊的一種特有缺陷，主要是由于電子束功率的脈動造成的。在電子束焊接過程中，在材料中形成的適合焊接的蒸汽匙孔和熔化金屬或多或少具有固定形狀，但是，當(dāng)焊接速度慢，或是進(jìn)行部分熔透電子束焊時，就可觀察到某一特殊的穩(wěn)定性。在這些情況中，蒸汽壓力不能使熔化物維持特定的形狀，熔化金屬向外膨出，塌陷并掉入匙孔的底部。這樣，匙孔的深度就會減少，它的幾何面積以及涉及到的物理力全部消失。只有工件的前進(jìn)才能重塑匙孔，然后它又開始了導(dǎo)致熔化金屬新塌陷的過程。

圖1　電子束焊縫釘形的形成過程［10］

圖2　部分熔透焊根部的縱切面

塌陷的熔化金屬也能阻塞一部分匙孔。隨著凝固的快速產(chǎn)生，這一部分將和熔化材料分開，當(dāng)蒸汽濃縮后，匙孔將不再填滿熔化材料。由于它的密集，且呈釘尖狀，造成應(yīng)力集中，最終可能在使用時引起破壞。為了避免這種缺陷，可加墊板或采用梯形底接頭 （鎖底接頭），將缺陷引出受力部位或改為全熔透焊縫。

1.2氣孔成因的影響因素及分析

1.2.1深熔焊機(jī)理對氣孔的影響

電子束焊時，高速電子流轟擊焊件表面時被轟擊的表層溫度很高，表層金屬迅速被熔化，表層高溫還可向焊件深層傳導(dǎo)，由于界面上的傳熱速度低于內(nèi)部，因而焊件呈現(xiàn)出圖3（a）所示的趨向深層的等溫線。

在束斑直徑縮得足夠小時，功率密度分布曲線變得窄而陡，熱傳導(dǎo)等溫線便向深層擴(kuò)散，形成窄而深的加熱模式 （見圖3（b））。從而可以得出一個基本結(jié)論：提高電子束的功率密度可以增加穿透深度。但是在這種情況下，焊接缺陷，尤其是氣孔的產(chǎn)生傾向也越大。當(dāng)電子束功率增大時，焊接區(qū)的等溫線陡然加深，從而形成窄而深的焊縫，對減小焊接熱影響區(qū)是非常有利的，但對焊縫中氣體的逸出十分不利，因而，不能盲目用增加功率的方式來增加熔深［11］。

圖3　電子束轟擊金屬熱傳導(dǎo)等溫線示意圖

1.2.2不同焊速下“匙孔”與熔池的形貌對氣孔的影響

在不同的焊接速度下 “匙孔”與熔池的形貌呈現(xiàn)出明顯的區(qū)別 （見圖4）。當(dāng)焊接速度快時，熔池的形貌變得非常狹窄，熔池表面積減小，所以選用慢的焊速更有利于氣體的逸出［12］。

圖4　相同功率、不同焊接速度下，　“匙孔”與熔池的形貌［13］

1.2.3電子束動態(tài)偏轉(zhuǎn)對氣孔的影響

氣孔產(chǎn)生的一個重要因素是對熔池的攪拌不充分。若熔池?cái)嚢杈徍?，則不利于深層氣孔充分逸出；若攪拌劇烈，氣孔則容易逸出。在前期的試驗(yàn)過程中，不采用動態(tài)偏轉(zhuǎn)與采用動態(tài)偏轉(zhuǎn)的焊縫相比，根部氣孔出現(xiàn)的機(jī)率要大。也有研究表明，采用 “∞”型的電子束偏轉(zhuǎn)比采用 “”型電子束偏轉(zhuǎn)使熔池的攪拌更加劇烈；若采用更復(fù)雜的組合函數(shù)圖形，對氣孔的逸出更為有利。

1.2.4母材對氣孔的影響

電子束焊一般不添加任何填充材料，因此無法改變?nèi)鄢氐慕饘俪煞忠詼p少焊縫氣孔的形成；同時，電子束焊是在真空度相當(dāng)高的情況下進(jìn)行的，所以由空氣引起的氣孔基本上不存在。除工藝方法外，試件母材不純、雜質(zhì)含量較高也是試件焊接時產(chǎn)生氣孔的主要原因。這是因?yàn)樵谌鄢馗邷刈饔孟?，這些雜質(zhì)元素氣化和逸出形成一個個微小的氣孔源，當(dāng)這些氣孔源越來越多，在表面張力及熔池的流動等共同作用下，這些微小的氣孔最終匯聚在一起，從而形成了較大的氣孔。較大氣孔形成以后，在還未來得及逃逸時，電子束就離開了已熔化區(qū)域，焊縫中就形成了氣孔缺陷。

1.3減少氣孔的焊接工藝措施

1.3.1選擇較大的電子束斑

較大的電子束斑可以使熔池的體積增大，熔池的表面積也相應(yīng)增大，有利于焊縫中已經(jīng)形成的氣孔逃逸出熔池的表面，從而達(dá)到消除氣孔的目的。

1.3.2電子束偏擺掃描法

通過函數(shù)發(fā)生器或微機(jī)，控制偏轉(zhuǎn)線圈，使電子束按一定的波形、振幅和頻率偏擺，熔池受到攪拌，有利于氣體的排除；同時偏擺掃描能改變匙孔中輸入能量的分布，破壞非穿透焊縫釘形等根部缺陷的形成條件，可消除釘形、減少氣孔、改善焊縫成型。不加偏擺掃描時，焊縫根部變化劇烈，焊縫中氣孔粗大，數(shù)量多，氣孔多集中于焊縫根部一帶。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，當(dāng)加 “∞”形偏擺，頻率為300 Hz時，隨偏擺幅值的增加，焊縫根部變化逐漸平緩，熔深變淺，氣孔的數(shù)量和尺寸逐漸減少。

1.3.3低焊速法

適當(dāng)降低焊接速度，可使熔池停留時間增加，氣體得以排出，從而減少氣孔率 （見圖5）。

圖5　焊速與氣孔率的關(guān)系

1.3.4選擇含氣量低的母材

試驗(yàn)表明：母材含氣量越低，焊縫中出現(xiàn)的氣孔就越少。關(guān)于含氣量多少為合格，目前沒有一個國際或國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，但從試驗(yàn)結(jié)果來看，母材的氮、氫、氧三種氣體含量總和不應(yīng)超過200 ppm，單項(xiàng)指標(biāo)不應(yīng)超過 100 ppm。母材的氮、氫、氧三種氣體含量總和在200 ppm～300 ppm尚能焊接，但氣孔缺陷明顯增多，超過300 ppm將出現(xiàn)大量氣孔缺陷，同時也可能伴隨著產(chǎn)生裂紋。

2　裂紋產(chǎn)生的原因分析及防止裂紋的措施

2.1裂紋產(chǎn)生的原因

裂紋產(chǎn)生的機(jī)理與類型和其他熔焊方法類似，但一般來說電子束焊時裂紋的傾向要小些。在電子束焊接試驗(yàn)過程中，產(chǎn)生過焊縫金屬中心結(jié)晶裂紋 （見圖6）。

高溫裂紋具有沿晶斷裂的性質(zhì)，產(chǎn)生的原因是由于金屬的塑性應(yīng)變超過了金屬晶間的塑性變形能力，即：

式中：

ε—高溫階段晶間所具有的塑性應(yīng)變量；

δmin—高溫階段晶間所具有的塑性。

圖6　裂紋

ε與δmin的對應(yīng)關(guān)系決定了是否會產(chǎn)生焊接熱裂紋。影響焊接熱裂紋產(chǎn)生的因素有兩個：冶金因素和力學(xué)因素。從冶金因素上來說，某些元素在晶界區(qū)偏聚和析出，以及在重新加熱的條件下晶間物質(zhì) （共晶或第二相）的熔化是裂紋形成的前提。從力學(xué)因素上說，陡變的溫度梯度、快速的熱應(yīng)變?yōu)楦邷仉A段晶間金屬開裂行為提供了必要條件［14］。文獻(xiàn)［15］、［16］通過有限元模型計(jì)算得出，在焊縫及近縫區(qū)很窄的區(qū)域內(nèi)，存在著數(shù)值接近材料屈服極限的縱向殘余拉應(yīng)力，而表面的橫向殘余應(yīng)力則為壓應(yīng)力，且殘余應(yīng)力在厚度上呈不均勻分布。本文涉及到的電子束試件厚度較大、焊縫最大深度達(dá)60 mm，焊后應(yīng)力分布狀態(tài)更加復(fù)雜，誘發(fā)高溫裂紋的因素更多。

此外，電子束焊接熱裂紋還與焊接速度、焊接順序和焦點(diǎn)位置有關(guān)。焊接速度太慢，焊縫會比較寬，高溫停留時間較長，使得液態(tài)焊縫存在的時間增加，加上低熔點(diǎn)共晶或第二相的影響而增加了結(jié)晶溫度區(qū)間，焊縫容易出現(xiàn)熱裂紋；同理，焊接順序不對，也會造成焊接熱量過度集中導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋；而焦點(diǎn)位置處于工件表面附近，則會使焊縫出現(xiàn)兩頭小中間大 （俗稱 “鼓肚子”）現(xiàn)象，這樣焊縫深度方向兩頭先凝固結(jié)晶，中間部位最后凝固，同樣會因低熔點(diǎn)共晶物的影響產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

對于焊縫冷裂紋的產(chǎn)生機(jī)理與常規(guī)的焊接冷裂紋形成機(jī)理基本一樣，與焊接材料的淬硬傾向和焊接速度等參數(shù)有關(guān)。相對常規(guī)焊接來講，同樣的材料，由于焊接熱輸入非常集中，熱影響區(qū)寬度小，電子束焊接更不容易產(chǎn)生冷裂紋，但焊接速度對冷裂紋的影響比較大，焊接速度過快，使焊縫冷卻加快，對于淬硬傾向大的材料容易出現(xiàn)大量的淬硬馬氏體組織，從而導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。

2.2防止裂紋產(chǎn)生的措施

2.2.1焊接熱裂紋的控制

（1）采用冶金措施控制易形成低熔點(diǎn)共晶物的有害元素S、P、Si等的含量和改善焊縫金屬的一次結(jié)晶。

（2）從工藝角度來看，采用擺動電子束、散焦電子束辦法 （調(diào)節(jié)焊縫截面形狀）來防止裂紋的產(chǎn)生。

（3）控制焊接速度和調(diào)整焊接順序，盡量減少工件過熱，縮短焊縫高溫停留時間。即，采用相對較快的焊接速度和跳焊 （焊完一條環(huán)縫后，不能緊接著焊旁邊的焊縫，應(yīng)至少間隔一條再焊）。

2.2.2焊接冷裂紋的控制

由于電子束焊接沒有焊接材料的填充，從焊接材料上控制冷裂紋是不現(xiàn)實(shí)的，主要措施還是要從工藝上著手。

（1）對于母材，要控制對冷裂紋有害元素C、Mo、V、B等的含量，以降低裂紋敏感指數(shù)，改善母材的抗裂性能。

（2）對于淬硬傾向比較大的材料，可以采用電子束散焦預(yù)熱，焊后在真空室保溫緩冷，出真空室后及時進(jìn)行去應(yīng)力熱處理等。

（3）裝配和焊前均應(yīng)嚴(yán)格清理油污、水分等雜物。

（4）控制焊接速度也顯得非常重要，一般采用較慢的焊接速度施焊有助于防止冷裂紋的產(chǎn)生。

3　結(jié)論

（1）本文分析了電子束焊接過程中氣孔的成因及影響因素，在此基礎(chǔ)上提出了減少氣孔的焊接工藝措施。

（2）本文分析了電子束焊接過程中冷、熱裂紋產(chǎn)生的原因，并據(jù)此提出了防止裂紋產(chǎn)生的措施。

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Analysis of the Generation Mechanism and Reasons of the Electron Beam Welding Defects

Li Qiang，Yang Dong，Wang Dayong

（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper analyzes reasons of pore and crack in the process of electron beam welding，and proposes measures to solve problems.

electron beam welding，pore，crack

TG456

A

1674-9987（2015）02-0048-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.010

李強(qiáng) （1977-），男，工程師，主要從事隔板焊接技術(shù)、生產(chǎn)管理工作。