薄铌板电子束焊接工艺研究

张弘宇　李中泉　屈化民　张世伟

1.中国科学院高能物理研究所，北京，100049　　2.中国科学院大学，北京，100049

薄铌板电子束焊接工艺研究

张弘宇1,2李中泉1屈化民1张世伟1

1.中国科学院高能物理研究所，北京，1000492.中国科学院大学，北京，100049

超导铌腔是高能加速器的重要组成部分，采用高真空电子束焊接工艺对超导铌腔进行加工制造时，铌板焊接试验可以为超导铌腔的制造提供可行的焊接参数。据此，主要研究了薄铌板的焊接试验流程。在不同焊缝质量要求下，通过改变聚焦电流和焊接电流大小的方式，快速找到符合要求的参数值，然后对这些参数进行试验，观察其焊缝是否可行。结果表明，试验方法切实可行，效率高，焊缝质量可以达到预期目标。

铌；电子束焊接；焊接工艺；变参数

0　引言

高能加速器的发展为很多领域提供了研究基础，具有很重要的研究意义，超导铌腔的性能为高能加速器发展起到了至关重要的作用。铌具有良好的低温超导性质，通常被用作为超导腔制造的材料。由于超导环境需要铌材的纯度极高，所以在超导腔的加工制造过程中选择电子束焊接工艺。本文主要研究壁厚为3.3 mm的薄铌平板的电子束焊接试验。

电子束焊接是用聚焦后的高速电子束入射到被焊金属上，电子束的动能转化为热能，加热被焊件，使金属熔化，从而形成焊缝，实现牢固连接的焊接工艺。电子束焊接的加速电压在30～175 kV范围内，由低到高分为低压、中压、高压，电流一般在1000 mA之内，电子束聚焦后焦点直径为0.2～0.6 mm，功率密度可达107W/cm2，属于高能束焊接。

电子束焊接功率密度极高，工件的变形和收缩量较小，焊缝的热影响区小，焊接精度高，焊缝深宽比大，由于焊接环境是真空的，所以焊缝成分纯净。因为以上多种优点，电子束焊接非常适用于难熔金属和高纯度金属的焊接加工，也适用于已精加工到最后尺寸的零件的焊接加工[1]。

本文对壁厚为3.3 mm的薄铌板进行电子束焊接试验，根据超导铌腔焊缝质量要求，得到满足两种要求的焊缝。本文结论能为超导铌腔的焊接提供扎实的试验基础。

1　铌材性能及焊接设备

1.1高纯铌材料性能

铌的熔点为2465 ℃，属于高熔点难熔金属，纯铌热传导性能好，低温性能很优越，强度较低。由于纯铌在100 ℃左右就能与氧气等发生反应，为了避免氧化，电子束焊接的真空环境要求很高，而且在焊接过后，需要让被焊件在真空中冷却至室温，再开启真空室门。

铌的物理性质如表1所示。

表1　铌的物理性质

1.2焊接设备

焊接设备采用的是法国TECHMETA中压电子束焊机。焊接时的真空度在0.1 Pa以下。

2　薄铌板焊接试验设计

根据壁厚为3.3 mm的铌板焊接所需的线能量，初步确定工艺参数的大致范围，然后采用“平板试焊—平板对接焊接—与结构相同的试验件焊接”的顺序进行试验。

具体的做法是使用与工件等厚的单平板试件，进行平板试焊，选择焊缝质量满足要求的焊接参数，然后利用两块平板对接进行此参数试验，得出的结果满足要求后，用与正式件结构相同的试验件进行参数试验，总结试验结果，并进行参数调整或者再次重复前两步试验，直至得出能够进行实际焊接的工艺参数[2]。

2.1确定输入线能量范围

首先以6组基本焊透的焊缝为基础，计算铌板焊接所需线能量的大致范围，如表2所示。

表2　6组焊缝参数及所需线能量

根据线能量计算公式:

(1)

式中，l为线能量；U为焊接电压；I为焊接电流；v为焊接速度。

可以得出，壁厚为3.3 mm的铌板焊接所需的线能量大致在320～440 J/mm范围之间。

2.2焊接工艺参数试验

2.2.1正面成形焊缝

焊缝要求正面成形，即焊缝正面成形良好，表面微凸，有一定余高，无咬边等焊接缺陷，背面焊透即可。

2.2.1.1确定表面聚焦电流

以较小的焊接电流(如2～3 mA)，在工作距离为545 mm的不锈钢靶块(不锈钢熔点比铌熔点低，更易观察是否表面聚焦)上进行表面聚焦电流试验。在jn bb 束入射到不锈钢表面的时候，逐渐调整聚焦电流的大小，直至显示器中焊接光点亮度最大且呈四处发散星状，此时测得表面聚焦电流为1845 mA。

2.2.1.2确定适当聚焦电流

由先前所做试验得知，薄铌板的焊接为上聚焦时，成形情况较好，因此起弧点和收弧点表面聚焦电流分别选取1845 mA、1895 mA，焊接过程中聚焦电流线性改变。

焊接电压采用60 kV。焊接速度过大，导致所需电流也较大，易产生咬边等焊接缺陷，且薄板不易采用较小焊接速度，因此本试验采用的焊接速度为15 mm/s。根据所需线能量的范围，采用90 mA电流进行焊接，线能量输入为360 J/mm，焊接长度为100 mm[3]。

焊接工艺参数如表3所示。焊缝正面背面情况如图1、图2所示。

表3　正面成形变聚焦电流的焊接工艺参数

图1正面成形变聚焦电流的焊缝正面形貌

图2正面成形变聚焦电流的焊缝背面形貌

找到焊缝表面成形良好(即无咬边且表面微凸)的位置，测量此处到起弧点距离为14 mm，由公式：

在理想状态下依据表1的计算方式分析可知，情况1～5至少完成1次全程，单位蚂蚁信息素的迹浓度叠加，且返程信息量至少增加1倍．情况6返程局部信息素的迹浓度叠加（FS1-TP），TP-D段遭遇挫折或伤害导致信息素的浓度没有增加，对于后续蚂蚁（组团）的探寻收益逐渐减小．情况3信息素的迹浓度意外增加，为正反馈过程；情况6信息素的迹浓度意外减少，为负反馈过程．如果考虑信息素的迹挥发及其他不确定性，信息量价值优渥于信息素的迹浓度．就理想状态而言，定性条件下情况2为最佳选择模式．反馈过程中的折损会在后续蚂蚁接下来的觅食过程中造成影响，情况6出现的遭遇挫折或伤害问题最值得深思和探讨．

(2)

式中，J为测量点聚焦电流大小；J1为起弧点聚焦电流大小；J2为收弧点聚焦电流大小；l0为测量点到起弧点距离；L为焊接长度。

计算得出聚焦电流为1852 mA。

2.2.1.3确定焊接电流

根据图2焊缝背面判断，线能量输入略大，需要降低电流大小，因此选择焊接电流范围为40～90 mA，焊接长度为100 mm[4]。

焊接所用参数如表4所示。焊缝正面及背面形貌如图3、图4所示。

表4　正面成形确定焊接电流的焊接工艺参数

图3正面成形确定焊接电流的焊缝正面形貌

图4正面成形确定焊接电流的焊缝背面形貌

找到焊缝背面焊透情况良好的位置，测量此处距起弧点距离为70 mm，由公式：

(3)

式中，I1为起弧点焊接电流大小；I2为收弧点焊接电流大小。

计算得出测量点焊接电流大小为75 mA。

2.2.1.4平板试验及结论

综上试验所得结果，可用于进行焊接的参数如表5所示。在平板上进行此参数的试验，焊缝如图5、图6所示，正面成形良好，背面焊透，达到预期要求，可采用此参数进行平板对接焊接。

表5　正面成形最终参数的焊接工艺参数

图5正面成形最终参数的焊缝正面形貌

图6正面成形最终参数的焊缝背面形貌

变电流焊接与恒定电流焊接的热积累不同，在平板焊接试验中，可以针对电流参数进行适当调整，增加试验次数，以求得满足要求的焊接参数[5]。

2.2.2单面焊接双面成形焊缝

焊缝要求是单面焊接、双面成形，即要求焊缝正面成形良好，背面不仅焊透，且有一定余高，无咬边、焊瘤等焊接缺陷，本焊缝背面相对于正面的要求更高。

2.2.2.1确定表面聚焦电流

以较小的焊接电流(如2～3 mA)，在工作距离为545 mm的不锈钢靶块(不锈钢比铌熔点低，更易观察是否表面聚焦)上进行表面聚焦电流试验。在电子束入射到不锈钢表面的时候，逐渐调整聚焦电流的大小，直至显示器中焊接光点亮度最大且呈四处发散星状，此时测得表面聚焦电流为1845 mA。

2.2.2.2确定适当聚焦电流及焊接电流

由经验得知，薄铌板的焊接为上聚焦时，成形情况较好，故此处的聚焦电流与正面成形焊缝试验时一样。焊接电压和焊接速度仍选取上述值。

由于要求背面成形，所需的线能量更高一些，因此稍微提高线能量输入，采用100 mA焊接电流进行试验，线能量为400 J/mm,焊接长度为100 mm。

焊接工艺参数如表6所示。焊缝正面及背面形貌如图7、图8所示。

表6　双面成形变聚焦电流的焊接工艺参数

图7双曲成形变聚焦电流的焊缝正面形貌

图8双曲成形变聚焦电流的焊缝背面形貌

找到焊缝表面良好、背面成形的位置，测量此处距起弧点距离为80 mm，由式(2)得出聚焦电流为1885 mA。因为此位置处焊缝质量很好，可以直接采用100 mA焊接电流进行平板试验[6]。

2.2.2.3平板试验

综上试验所得结果，可用于进行平板焊接的参数如表7所示。在平板上进行上述参数的试验，得到如图9、图10所示的焊缝，正面及背面成形良好，焊缝中有一处未焊透，但在平板对接中由于缝隙的存在，此参数可以用来进行对接试验[7]。

表7　双曲成形确定焊接电流的焊接工艺参数

图9双曲成形确定焊接电流的焊缝正面形貌

图10双曲成形确定焊接电流的焊缝背面形貌

2.2.2.4平板对接试验及结论

采用平板焊接中得出的参数进行对接焊缝试验，得到如图11、图12所示的焊缝。

图12　双曲成形平板焊接的焊缝背面形貌

图11双曲成形平板焊接的焊缝正面形貌

焊缝正面成形良好，背面平滑且有一定余高，无咬边、焊瘤等缺陷，满足要求。由于试验采用的是对接焊缝，与平板试验相比较，背面焊缝余高略高，因此，在试验件焊接中，可以再适当减小电流，以达到更高质量焊缝

[8]

。

3　结论

(1)高纯铌的电子束焊接焊缝成形良好，焊接效率高。对于超导铌腔的制造，真空电子束焊接可以提供足够铌熔化的线能量，在焊接过程中，不引入其他杂质，充分保证高纯铌的纯度及焊缝质量，因此真空电子束焊接对于超导铌腔的制造是一种合适的焊接工艺方法[9]。

(2)试验结果表明，本试验流程是可以节省时间和费用，并能够得到符合预期质量焊缝的可行的方法。在同一条焊缝内变化焊接参数，相对于一条焊缝内参数不变的焊接方法，既降低了铌材的使用量，又省去了抽、放真空室的时间，可以在效率成倍提高的情况下，找到合适的参数。

(3)本次试验为高纯铌的电子束焊接工艺奠定了研究基础，得出的参数可以用来进行等工作距离的超导铌腔试验件的焊接，为不同工作距离的焊缝提供了试验指导，也为其他材料的电子束焊接提供了可以借鉴的方法[10]。

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Liu Fangjun, Wang Shiqing, Chen Xiaofeng, et al. Large Thickness of Electron Beam Welding of Copper[J]. China Mechanical Engineering, 1996,7(3):101-102.

[6]周琦,刘方军,齐铂金. 电子束深穿透焊接熔质成分分布与熔池流动特征[J]. 中国机械工程,2003,14(5):406-409.

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[7]宋天虎. 焊接技术的发展与未来[J]. 中国机械工程,1994,5(3):61-63.

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(编辑郭伟)

Study on Electron Beam Welding of Thin Niobium Plates

Zhang Hongyu1,2Li Zhongquan1Qu Huamin1Zhang Shiwei1

1.Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100049 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing,100049

Superconductivity niobium cavity is an important part of high energy accelerator,it can be made by electron beam welding. Proper welding parameters might be found through the niobium plate welding for the welding of superconductivity niobium cavity. This paper described the welding technology of electron beam welding. Under different welding requirements, reasonable welding parameters can be quickly found, by the way of changing focusing current and welding current. Then, using the parameters above,other experiments will be done to see whether the weld is good. This method can be used to get expected welds effectively.

niobium; electron beam welding; welding technology; variable parameter

2014-11-26

TG456.3< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.17.007

张弘宇，男，1990年生。中国科学院高能物理研究所硕士研究生。研究方向为电子束焊接工艺。李中泉，男，1971年生。中国科学院高能物理研究所研究员。屈化民，男，1966年生。中国科学院高能物理研究所研究员。张世伟，男，1989年生。中国科学院高能物理研究所助理研究员。