电子束焊接 几种材料的焊接

简介： 　　在熔焊方法中，真空电子束焊接是材料可焊接性较好的焊接方法之一。常用的金属、合金、金属间化合物等都可以采用电子束焊接结构，并且焊接接头与其他熔焊方法相 ...

在熔焊方法中，真空电子束焊接是材料可焊接性较好的焊接方法之一。常用的金属、合金、金属间化合物等都可以采用电子束焊接结构，并且焊接接头与其他熔焊方法相比具有更佳的力学性能。
　　 1钢
　　 (1)低碳钢低碳钢易于焊接。与电弧焊相比，焊缝和热影响区晶粒细小。焊接沸腾钢时，应在接头间隙处夹一厚度为0．2—0．3mm的铝箔，以消除气孔。半镇静钢焊接有时也会产生气孔，降低焊接速度、加宽熔池也有利于消除气孔。
　　 (2)合金钢这些钢材电子束焊接的焊接性与电弧焊类似。经热处理强化的钢材，在焊接热影响区的硬度会下降，采用焊后回火处理可以使具硬度回升。
　　 焊接刚性大的工件时，特别是基本金属已处于热处理强化状态时，焊缝易出现裂纹。合理设计接头时焊缝能够自由收缩；采用焊前预热、焊后缓冷以及合理选择焊接条件等措施可以减轻淬硬钢的裂纹倾向。对于需进行表面渗碳、渗氮处理的零件，一般应在表面处理前进行焊接。如果必须在表面处理后进行焊接，则应先将焊缝区的表面处理层除去。
　　 w(C)低于0．3％的低合金钢焊接时，不需要预热和缓冷。在工件厚度大、结构刚性强时，需预热到250～300℃。对焊前已进行过淬火和回火处理的零件，焊后回火温度应略低于原回火温度。轻型变速箱的齿轮大多采用电子束来焊接组合。齿轮材料是20CrMnTi或16CrMn，焊前材料处于退火状态，焊后进行调质和表面渗碳处理。
　　 合金高强度钢的w(C)高于0．30％时，应在退火或正火状态下焊接，也可以在淬火加上火处理后焊接。当板厚大于6mm时，应采用焊前预热和焊后缓冷，以免产生裂纹。
　　 对于：w(C)大于0．50％的高碳钢，用电子束焊接时，开裂倾向比电弧焊低。轴承钢也可用电子束焊接，但应采用预热和缓冷。
　　 (3)工具钢　工具钢的电子束焊接接头性能良好，生产率高。例如4Cr5MoSiV钢焊前硬度为50HRC，厚度为6mm；焊后进行550℃正火，焊缝金属的硬度可以达到56～57HRC，热影响区硬度下降到43～46HRC，但其宽度只有0．13mm。
　　 (4)不锈钢不锈钢的电子束焊接性较好，电子束焊接设备通常以不锈钢的最大焊接深度及焊缝深宽比作为设备焊接能力的标志。
　　 奥氏体钢的电子束焊接接头具有较高的抗晶间腐蚀的能力，这是因为高的冷却速度可以防止碳化物的析出。
　　 马氏体钢可以在任何热处理状态下焊接，但焊后接头区会产生淬硬的马氏体组织，而且随着含碳量的增加和焊接速度的加快，马氏体的硬度将提高，开裂敏感性也较强。
　　 沉淀硬化不锈钢焊接接头的力学性能较好。含磷高的沉淀硬化不锈钢的焊接性差。半奥氏体钢，例如17—7PH和PHl4—8Mo，焊接性很好，焊缝为奥氏体组织。降低半马氏体钢的碳含量可以降低马氏体的硬度，改善其焊接性。
　　 2铝和铝合金
　　 焊前应对接缝两侧宽度不小于10mm的表面应用机械和化学方法做除油和清除氧化膜处理。
　　 铝合金的熔点低，焊接时，合金中的一些元素气化而产生焊缝气孔，在高速焊时尤为明显。表１列出了常用铝合金的焊接条件。
　　 为了防止气孔和改善焊缝成形，对厚度小于40mm的铝板，焊接速度应在60～120cm／min；对于40mm以上的厚铝板，焊接速度应在60cm／min以下。

利用电子束扫描焊接或将焊缝用电子束再熔化—次，有利于消除焊缝气孔，改善焊缝成形。添加焊丝可改善焊缝成形，补偿合金元素(Mn、Mg、Zn、Li等)的蒸发，消除焊缝缺陷，还可降低裂纹倾向，采用高速来焊接热硬铝合金对于减小软焊缝的宽度和热影响区的宽度是有好处的。
　　 3钛和钛合金　
　　 钛是—种非常活泼的金属，所以应在良好的真空条件下(<1.33X10—2pa)进行焊接，电子束焊接是钛及钛合金理想的焊接方法。氢气孔是熔化焊接钛时最常见的缺陷。预防措施是降低熔池中氢含量和保证良好的结晶条件，例如焊前焊缝进行化学清洗和刮削，施加重复焊道，焊接速度低于30cm／min以下。
　　 用碱或碱土金属的氟化物为基的熔剂对熔池进行冶金处理对消除气孔很有效，例如将氟化钙加入熔池，可以消除30mm厚钛合金焊缝中的气孔。
　　 TC4是一种常用的钛合金，它可以在退火或固熔时效条件下焊接。焊后接头强度与基体金属相差无几，断裂韧度略差，疲劳强度可达到基体金属的95％。
　　4铜和铜合金
　　 由于铜的导热性好，焊接热源的热量易散失，因此用能量密度高的电子束焊接铜具有突出的优点。对于40mm厚的铜板，采用电子束焊接所需要的热输入是自动埋弧焊所需热输入的1／5—1／7。焊缝横断面积是其1／25~1／30。
　　 焊接铜合金可能发生的主要缺陷是气孔。对于厚度为1～2mm的铜板，焊缝中不易产生气孔。对于厚度为2—4mm的铜板，焊接速度应低于34cm／min，才可防止产生气孔。厚度大于4mm时，焊接速度过慢将使焊缝成形变坏，焊缝空洞变多。增加装配间隙、焊前预热和重复施焊都是减少焊缝气孔的有效措施。
　　 为了减少金属的蒸发，对厚度为1~2mm的铜板，电子束焦点应处在工件表面以上、对厚度大于15mm时，可将电子枪水平放置进行横焊。 　　

5镁合金
　　 一般说来，能用电弧焊焊接的镁合金也能用电子束焊接，两种方法采用相同的焊前和焊后处理工艺。由于合金中镁和锌在真空的蒸气压很高，易于产生气孔。当镁合金的w(Zn)大于1％时，很难形成致密的焊缝。电子束焊接工艺参数应进行闭环控制，以防止焊缝底层过热和产生气孔。电子束扫描焊接有助于消除气孔。
　　 6难熔金属
　　 锆、铌、钇、钨等属难熔金属。锆非常活泼，焊接应在真空度达1．33X10-2Pa以上的“无油”高真空中进行。接头准备和清洗是至关重要的。焊后退火可提高接头抗冷裂和延迟破坏的能力。退火条件是在1023～1128K的温度下保温1h，随炉冷却。焊接锆所用的热输入与同厚度的钢相近。
　　 铌的电子束焊接也应在优于1．33X10-2Pa的高真空下进行。真空室的泄漏率不得超过4X10-4m3pa／s。铌合金焊缝中常见的缺陷是气孔和裂纹。采用细电子束进行焊接不易产生裂纹。用散焦电子束对接缝进行预热，有清理和除气作用，有利于消除气孔。
　　 钼合金中加入铝、钛、锆、铪、钍、碳、硼、钇或镧，能够中和氧、氮和碳的有害作用，提高焊缝韧性。钢的焊缝叶，常见的缺陷足气孔和裂纹。焊前仔细清洗接缝和预热有利于消除气孔。采用细电子束和加快焊接速度有利于消除裂纹。在焊接速度为50～67cm／min时，每1mm厚度的钼约需要1—2kW电子束功率。
　　 钨及其合金对电子束焊具有良好的焊接性。接头准备和清洗是非常重要的，清洗后应进行除气处理，即在优于1．33X10—3pa的真空度下，将工件加热到1370K，保温1h，随炉冷却。预热是防止钨接头冷裂纹的有效措施，预热温度可选为700—1000K，只是在焊接粉末冶金钨，而且焊接速度低于50cm／min时才不进行预热。对W—25Re合金，预热可提高焊接速度170～25cm／min，并降低热裂倾向。焊后退火可降低某些钨合金焊接接头的脆性转变温度，但不能改善纯钨焊缝金属的冷脆性。
　　 7金属间化合物
　　 随着材料科学的进步，金属间化合物越来越多地得到应用，如Ti3A1、Ni3A1等。焊接金属间化合物，必须严格控制焊接热输入，采用较高的焊接速度，避免焊接裂纹和接头脆性。材料冶炼和铸造过程中杂质的控制好坏，对焊接质量的影响很大，因此焊前应对材料成分及力学性能进行复验。
　　 8异种金属
　　 异种金属接头的焊接性取决于各自的物理化学性能。彼此可以形成固熔体的异种金属焊接性良好。易生成金属间化合物的异种金属的接头韧性差。对于难以直接焊接的异种金属，可以通过过渡材料来焊接。例如焊接铜和钢时加入铝衬，可使焊缝密实和均匀，接头性能良好。

异种金属相互接触和受热时会产生电位差，这会引起电子束偏向一侧，应注意这一特殊现象，防止焊偏等缺陷。
　　高铝瓷和铌的密封接头是用电子束焊接而成的。焊前将工件预热到1300～1700~C，焊后退火处理。
　　 焊接难熔的异种金属时应尽量降低热输入，采用小束斑，尽可能在固溶状态下施焊。焊后作时效处理。

图13 钢—铜电子束焊接头

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