奥氏体不锈钢电子束焊衬底尺寸设计

崔春　卿熹　谢海春　黄晓君

【摘 要】电子束焊接常见的带衬底对接结构中，衬底的缝隙腐蚀对焊缝质量有直接的影响，需通过研究确定满足焊接熔深、根部成形等要求的最小的衬底宽度，才有可能减小缝隙腐蚀发生的几率。本文研究了奥氏体不锈钢在10mm和17mm熔深条件下，电子束焊接工艺与衬底尺寸的匹配规律，通过对比工艺试验，确定了10mm、17mm熔深的适宜衬底宽度为1mm，对该类结构的坡口设计提供了技术输入。通过对焊缝进行无损和破坏性检测，焊缝内部质量满足技术要求。

【关键词】不锈钢;电子束焊接;衬底结构

中图分类号： V263;TG456.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）27-0061-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.026

0 前言

電子束焊接方法被广泛地应用于核工业、航空航天等领域的焊接。其中，对于平板或圆柱形零件的电子束焊接，衬底结构是一种最普遍的坡口形式[1]。具体的锁底接头形式有互字形结构、止口结构以及衬环结构等[2]，典型结构如图1。

该类结构的电子束焊接，通常是要求熔深大于H，不允许穿透厚壁零件，且为了避免在圆柱形工件内部形成飞溅，焊缝根部的宽度不允许超过b，因此，在开展电子束工艺试验的过程，应关注电子束焊缝形貌与尺寸b和H相匹配。同时，焊缝的缝隙腐蚀也是产品性能影响的重点因素，衬底宽度的大小直接影响缝隙的腐蚀程度。因此，本文采用奥氏体不锈钢开展了电子束焊接工艺与衬底结构匹配的研究，掌握了电子束工艺参数与典型衬底结构的匹配规律，对该类结构的坡口设计提供了技术输入。

1 试验材料及焊接设备

1.1 试验材料

母材采用20mm厚的06Cr19Ni10奥氏体不锈钢板材进行加工，试件加工后经超声清洗。化学成分及力学性能分别见表1和表2。

1.2 焊接设备

本工艺实验采用的焊接设备为英国CVE公司生产的电子束焊机，焊接位置为平焊位置。实验设备真空室内腔尺寸为4.5m×0.8m×0.8m，最大功率4kW，高压有效范围（20～40）kV 可调，束流范围（0～100）mA，聚焦电流范围（0～3）A，电子束扫描角度0～5°。

2 焊接工艺试验过程

针对某产品要求的10mm、17mm两种不同的熔深要求分别开展了不同衬底尺寸的焊接工艺匹配试验。在电子束束流聚焦状态不改变的情况下，当焊缝熔深越高，则焊接需要的电参数就越大，焊缝根部成形就可能越宽，在保证衬底不熔塌的情况下，需要的衬底宽度也就宽;反之，熔深要求越小，则焊接需要的电参数相对也小，焊缝根部成形就可能窄，需要的衬底宽度也就越窄。因此，衬底的宽窄b与熔深的大小、焊缝根部形状应相互匹配。

2.1 熔深要求10mm焊接工艺试验

分别采用下聚焦、表面聚焦两种方式开展焊接对比研究。试验过程中发现，下聚焦焊接方式易出现焊接锁孔和钉尖缺陷，见图2。表面聚焦焊缝中未发现焊接缺陷。焊接参数见表3，焊接结果见表4。该工艺基本满足技术条件要求。

2.2 熔深要求17mm焊接工艺试验

试验过程中发现：针对17mm的熔深要求，采用表面聚焦的方式焊缝根部较尖，易出现电子束焊接特有的钉尖缺陷，且内部组织晶粒长大厉害，说明表面聚焦的方式不合适深熔焊接;在上聚焦与下聚焦对比焊接的过程中，焊缝表面和根部成形良好，根部过渡圆滑，未见任何缺陷，但上聚焦深宽比较下聚焦深宽比小，因此，在满足焊接要求的情况下，下聚焦的焊接方式更适合深熔焊接。由此，初步确定了17mm熔深的焊接工艺及参数：高压U=40kV、束流Ib=98mA、聚焦电流If=1.95mA、焊接速度V=450mm/min。

3 衬底结构设计

根据工艺试验结果，对不同熔深要求的零部件，设计了多种不同的衬底宽度，见表5。同时设计加工了两种不同熔深要求的模拟件，对焊缝进行性能检验。

3.1 熔深要求10mm焊缝衬底结构设计

采用工艺试验确定的参数范围对衬底宽度b为0.5mm、1mm、2mm的3种试件进行对比试验。

分析与讨论：b=0.5的衬宽被熔透，与10mm的熔深不匹配;b=1mm和b=2mm的衬底宽度均满足10mm熔深的焊接要求，见图5和图6。焊后焊缝表面光滑美观;对焊缝宽度进行了测量，焊宽均匀;将试件进行解剖，检测内部质量和熔深，均满足技术要求;熔深检测结果见表6。考虑缝隙越小越利于抗缝隙腐蚀，所以在满足焊接要求的情况下，选择b=1mm的衬底宽度作为10mm熔深要求下的焊接结构设计。

3.2 熔深要求17mm焊缝衬底结构设计

采用工艺试验确定的参数对衬底宽度b为0.5mm、1mm、2mm、3mm的4种试件进行对比试验。

焊接结果：焊后焊缝表面光滑美观;对焊缝宽度进行了测量，焊宽均匀;将试件进行解剖，检测内部质量和熔深，均满足技术要求;具体的各项检测结果见表7。

分析与讨论：从表3的焊接结果可以看出，衬底b为2mm和3mm的试件焊后，熔深达到技术要求，焊缝根部离衬底的边缘较远，衬底不可能焊塌。这两个尺寸均满足焊接要求，但这2种尺寸的试件焊后剩下的配合缝隙较长，产生缝隙腐蚀的几率增加，因此，这两种尺寸的衬底不作为17mm熔深下焊接的最佳选择;衬底b为0.5mm和1mm的试件焊后，熔深达到技术要求，焊缝根部离衬底的边缘较近，剩下的配合缝隙较短，发生缝隙腐蚀的几率较小，这两种尺寸均满足17mm熔深的焊接要求。但在焊接过程中，在人为的对中发生偏差的情况下，0.5mm的衬底是很有可能焊塌的。再者，实际产品的零部件加工也同样存在一定的允许误差，也可能导致较窄衬底的尺寸不均匀，薄弱环节处也可能导致0.5mm的衬底焊塌。因此，0.5mm的衬底也不作为17mm熔深下焊接的最佳选择。为了确保焊缝的内部质量稳定、可靠，选择1mm的衬底作为17mm熔深要求下的焊接结构设计。

4 结论

1）通过工艺研究，确定了满足10mm、17mm熔深要求的06Cr19Ni10奥氏体不锈钢板材的电子束焊接工艺参数。

2）通过对比工艺试验，确定了10mm、17mm熔深的适宜衬底宽度分别为1mm、1mm，对该类结构的坡口设计提供了技术输入。

3）对焊缝进行无损检测，焊缝质内部量满足技术要求。

【参考文献】

[1]蔡闰生，任华友，袁生平等.电子束焊链状气孔与钉尖缺陷的判别[J].无损探伤，2013，37（5）：24-26.

[2]李塞川，尹小波，杨树余等.带锁底厚壁管的焊接技术探研[J].中国新技术新产品，2012（21）：166-167.