310mm厚不锈钢真空电子束焊接技术研究

◎冯晓明高殿宝王利媛

引言：电子束焊接是利用汇聚的高速电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束焊接技术以其高能量密度、高熔透性、焊接变形小、焊缝深宽比大、控制方便等特点，已在机械重工行业得到了广泛的应用。

本文依托核电产品，针对厚度为10mm的06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢，开展了电子束焊接试验，通过调试焊接参数，并对试件进行检验，得到了合格的焊缝质量，完成了06Cr18Ni11Ti电子束焊接技术研究。

一、试验材料、设备与试验方法

焊接试验所用的母材为06Cr18Ni11Ti，化学成分见表 1，尺寸为 10×100×400mm。电子束焊接的坡口形式为I型坡口。

本试验采用真空电子束焊接方法。用于焊接试验的电子束焊接设备型号为TECHEMTA LARA 52，额定功率为10KW，最大输出电压为60KV。

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二、试验过程

1.焊前准备及装配。在进行电子束焊接前，需要使用酒精对待焊工件的待焊坡口进行清理，去除油污杂质。

将试板固定装配在电子束焊接平台上并找正，要求两端坡口对齐，装配后间隙≤0.10mm、错边≤0.10mm。

装配完成后，将工件放入真空室，确认焊缝与电子枪运行轨迹是否重合，如不重合，则需要重新调整试板至焊缝与电子枪运行轨迹重合。由于电子束焊接的焊缝非常窄，只有1.5～2mm，若焊缝与电子枪运行轨迹存在偏差，极易使电子束偏离焊缝，造成焊偏，影响焊接质量，因此试板的找正对于电子束焊接非常重要。

待试板找正后，开启真空泵，对真空室抽真空。待真空室内的真空度达到焊接要求后，调用程序进行电子束焊接。

2.电子束焊接参数的影响。在对真空室抽取真空过程中，同时对电子束设备的NC程序系统进行操作，调用焊接时需要使用的自动程序，并核对电子束焊接参数是否正确。在实际焊接中，需要调试的只有四个焊接参数，分别为：焊接电压、焊接速度、焊接束流和聚焦电流。

电子束的焊接电压与电弧焊时的电压不同，它代表从阳极射出的电子的加速电压，单位为KV，主要目的是给电子提供动能，焊接电压越高，电子的能量越大，焊接能力也越强。

焊接速度为电子束在焊缝表面的移动速度，作为热输入量极小的高能束焊，电子束焊的焊接速度要远高于电弧焊，在焊接厚度小于5mm的焊缝时，焊接速度通常能够达到800～1000mm/min。

焊接束流代表了电子束内的电子数量，电子数量越多，电子束流的能量越大，其焊接能力也相应增强，电子束的单位为mA。

聚焦电流是使电子束流在磁场的作用下进行偏转汇聚，主要控制电子束的焦点位置，根据焦点与工件的相对位置，共分三种聚焦形式：当焦点位置未到达待焊工件时，称为上聚焦；当焦点位置恰好在待焊工件表面时，称为表面聚焦；当焦点位置超过待焊工件表面，深入焊缝内部时，称为下聚焦。三种聚焦形式中，表面聚焦能够获得最大的熔深和最大的深宽比，也是电子束焊接时最常用的聚焦形式。

3.电子束焊接过程。待确认程序无误，真空室达到焊接要求的真空度后，即可开始进行电子束焊接。关闭真空室内的观察灯，将焊接设备的电子枪开关由设定档调节至焊接档，进行程序执行界面，并按下电子枪运行按钮，阴极就开始对阳极进行加热，加热完成后，电子枪会根据程序自动发射电子束流，实现电子束焊接。在电子束焊接过程中，可以通过摄像头观察焊接情况，但是无法通过手工操作对焊接过程进行干预操作。

4.电子束焊接参数。使用该工艺参数按照试验过程的工艺要点焊接了多块试板，RT探伤后均无缺陷，将全部焊接过程的主要参数和程序固化，后续焊接时按照该固化工艺执行，即可获得焊接执行具体焊接参数见表2。

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三、试验结果与分析

1.外观与无损检验。试板焊后进行外观检验，由图1可以看出，焊缝表面成型均匀，无气孔、裂纹、咬边等缺陷。

图1 电子束焊缝成形情况

试板焊后按照RCC-M标准进行PT和RT检验，I级检验合格，表明焊缝表面以及内部质量较好。

2.焊接接头的力学性能检测。试件焊接完成后，对试件进行拉伸、弯曲、冲击检验，结果如下：

（1）拉伸性能。按照RCC-M SI 100对焊缝进行室温拉伸和100℃高温拉伸，性能见表3：

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（2）弯曲性能。按照RCC-M SI 200对焊接接头全厚度侧弯，试验温度，试验压头直径为40mm，弯曲角度180°，试样尺寸为10×16×300mm。4件试样均无裂纹产生，表明焊缝表面和根部的塑性以及延展性都能可以满足要求。

（3）冲击韧性。对焊缝以及热影响区按照RCC-M SI 300进行冲击性能测试，试验温度为室温，试样均取自于T/2厚度位置，缺口类型为V型。焊缝冲击吸收功为 398/357/340J，热区 319/210/283J，均远大于要求值（平均值≥60J，单个最小值≥42J）。

四、结论

本文通过开展06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢的电子束焊接试验，获得了满足要求的电子束焊接参数，并实现了工艺固化，并对焊后试件进行无损检验和破坏性检验，均合格，证明焊缝质量良好，能够满足产品要求，具备应用于产品制造的条件。