电子束焊接焊缝气孔缺陷分析及预防

张春柱 杨美周

（江钻股份公司武汉钻头制造厂，湖北 武汉430223）

0 引言

电子束焊接由于具有焊接功率密度高、焊缝深宽比较大（10∶1～50∶1）、热影响区及变形小、组织性能好、易于实现计算机控制等优点，在工业领域有广泛应用。在实际应用过程中笔者发现，车焊皮后的焊缝经常出现密集气孔，给节奏紧的生产带来了很大的困扰。通过长期的生产跟踪，结合缺陷产生的理论知识，笔者对气孔的产生因素进行了分析，并提出预防措施，取得了良好的效果。

1 气孔产生机理

1.1 匙孔振荡模式

电子束焊接的工作原理是：高速电子束流轰击工件，将电子束动能转化为晶格振动能，使工件快速升温，熔化并气化母材，液态金属在金属蒸汽流的反冲作用力下形成凹陷的“匙孔”（图1）；液态金属在多种驱动力的作用下流动，最终形成焊缝。

图1 匙孔模型

Sehauer的匙孔振荡模型理论（图2）指出：平稳的小频率振荡是匙孔平衡系统固有的特征，大频率的振荡是缺陷产生的原因所在［1－2］。

图2 匙孔振荡模式

1.2 气孔产生机理

根据匙孔振荡模式的原理，当匙孔出现波动后，局部区域附近液态金属都向“突起”位置流动。当“突起”形成后，随着焊接过程的进行会表现出两个特征。一是“突起”继续变大，直至完全隔断入射的电子束，导致气孔缺陷，该过程中形成的气孔分布在焊缝中部，而且体积较大［3］。

另外，由于突起对电子束的吸收，导致热量积聚，突起部位金属强烈蒸发，在强烈的金属蒸汽反冲压力作用下，匙孔壁面恢复平滑状态，如果局部蒸发剧烈，导致作用在“突起”上的反冲压力过大，可能导致局部的内陷，形成凹面，随着凹面的长大最终成为一个气体球，在焊缝凝固过程中残留的气体球成为气孔缺陷，此时气孔往往分布于焊缝两侧，且体积较小。

2 气孔产生的现实因素

2.1 焊缝间隙

在跟踪分析气孔产生原因的过程中发现，连续有3件产品出现大量焊缝气孔，焊接记录显示它们的焊缝间隙普遍＞0.20mm，其中名称为SR001的焊缝间隙更是达到了0.30mm，如表1所示。

表1 焊缝间隙

对此，笔者进行了两次模拟试验。试验样件焊缝间隙控制在0.02mm以内，样件结构和尺寸同产品连接结构相同，焊接参数和产品焊接参数相同。试验结果如表2所示。

表2 试验样件焊接气孔情况

试验样件焊接结果显示，当焊缝间隙＜0.02mm时，可有效控制气孔产生。

模拟试验后，笔者加强了对焊缝间隙的控制，将产品焊缝间隙都控制在0.1mm以下，随后跟踪统计的65件产品显示均未出现密集气孔缺陷。

2.2 焊接面质量

焊接面质量指的是焊接面表面凹凸不平，当电子束流打在焊接面表面凸起部分时，凸起部分会瞬间气化，形成金属蒸汽。凹坑由于没有金属，无法形成金属蒸汽或者产生的蒸汽压力较小。这种蒸汽压力时大时小的振动会引起“匙孔”平衡剧烈振荡，产生气孔。

在实际的生产过程中有两种焊接面：（1）车削形成的具有一定粗糙度的机加工面；（2）喷砂处理形成的毛面。为提高焊接面质量，笔者提升了对表面粗糙镀的要求，并取消了喷砂工艺，在随后6个月的监控中未发现密集气孔。

3 结论

通过上述分析得出下列结论：（1）焊接前应严格控制焊缝间隙，焊缝间隙应＜0.1mm，间隙越小越有利于抑制气孔出现。（2）不能用现行的喷砂工艺清理焊接面，焊接面清理应避免产生大的凹凸，保持焊接面平整。

当然，引起匙孔剧烈振荡的因素还有很多，例如设备发射电子束的稳定性、焊接材料均匀性、焊接面氧化物等都需要严格控制，在此不再一一分析。

［1］Schauer D A.Thermal and dynamic effects in electron beam welding cavities［D］.California：University of California，1977.

［2］Schauer D A，Giedt W H.Prediction of electron beam welding spiking tendency［J］.Welding Journal，1978，57（7）：189－195.

［3］赵勇.基于力学平衡条件电子束焊接匙孔形态的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.