淺談?wù)婵针娮邮附蛹夹g(shù)的應(yīng)用

羅海波

(西安航天動(dòng)力機(jī)械廠,陜西西安 710025)

淺談?wù)婵针娮邮附蛹夹g(shù)的應(yīng)用

羅海波

(西安航天動(dòng)力機(jī)械廠,陜西西安 710025)

本文簡(jiǎn)單介紹了真空電子束焊的基本原理,為保證在實(shí)際生產(chǎn)中的真空電子束焊接質(zhì)量,從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料方面對(duì)產(chǎn)品的焊接性、易出現(xiàn)的氣孔、焊偏、裂紋等焊接缺陷進(jìn)行了分析,通過(guò)合理的選擇電子束工藝參數(shù)和裝配方法,使產(chǎn)品的焊接質(zhì)量得到了有效控制。

真空電子束焊接 工藝參數(shù) 焊接質(zhì)量

真空電子束焊是利用定向高速運(yùn)動(dòng)的電子束流撞擊工件使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而使工件熔化，形成焊縫。電子束焊接技術(shù)因其高能量密度和優(yōu)良的焊接質(zhì)量，率先在國(guó)內(nèi)航空工業(yè)得到應(yīng)用。本文針對(duì)電子束焊接在生產(chǎn)中遇到的某載重卡車車橋承載大、疲勞強(qiáng)度高進(jìn)行了分析，解決了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量問(wèn)題。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及對(duì)焊縫的質(zhì)量要求

橋殼中段是由16Mn板材沖壓后焊接而成，軸頭是30Mn2鑄件加工而成，中段與軸頭的焊縫是車橋主要受力焊縫，要求很高的疲勞強(qiáng)度。因此設(shè)計(jì)為真空電子束焊接結(jié)構(gòu)。這里采用的是止口式嵌入結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的目的在于需要達(dá)到以下要求：(1)實(shí)施熔透焊時(shí)焊縫不會(huì)低于母材。(2)將電子束焊常有的根部釘尖缺陷引入到不受力的內(nèi)襯環(huán)上。中段與軸頭的焊縫根據(jù)在垂直彎曲載荷下應(yīng)力狀態(tài)的不同，分為中性區(qū)、壓應(yīng)力區(qū)、張應(yīng)力區(qū)，張應(yīng)力區(qū)不允許存在咬邊，壓應(yīng)力區(qū)和中性區(qū)咬邊深度≤0．2mm。(3)不允許表面可見(jiàn)氣孔。(4)內(nèi)部焊縫需100%超聲波檢驗(yàn)。(5)不允許裂紋、未熔合、未焊透。(6)按圖1示，車橋要承受最大載荷P1＝320KN，最小載荷P2＝20KN，頻率f＝5Hz，疲勞次數(shù)≥120萬(wàn)次。

2 產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)的焊接性分析

車橋的真空電子束焊縫具有很高的質(zhì)量要求，主要問(wèn)題如下。

2.1 裂紋

橋殼中段材料為16Mn，軸頭材料為30Mn2，從材料的成份可見(jiàn)，這兩種低合金鋼均有較高的碳當(dāng)量，尤其30Mn2超過(guò)了0．5，在焊接冷卻過(guò)程易形成淬火組織，使焊接區(qū)硬度提高，塑性下降，易出現(xiàn)裂紋。

2.2 氣孔

產(chǎn)生氣孔的主要原因有：(1)母材中溶解的氣體在凝固過(guò)程中來(lái)不及逸出；(2)零件毛坯中原來(lái)存在的氣孔缺陷和難于清理的油污被重新卷入焊縫；(3)深熔深焊接凝固過(guò)程中體積收縮引起的收縮孔。

圖1 車橋結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 焊偏

焊縫的有效深度為13．6mm，釘尖缺陷引出深度最佳為3～5mm，焊縫總的熔深為17mm～19mm。電子束焊縫通常是很窄的，橋殼批生產(chǎn)加工中零件對(duì)接端面的垂直精度要求并不是很高，稍微對(duì)不正焊縫就會(huì)產(chǎn)生焊偏。

3 產(chǎn)品的電子束焊接工藝

3.1 焊前清理

電子束焊熔深大，產(chǎn)品17～19mm的焊縫深度可一次焊透，無(wú)需開(kāi)坡口，加焊絲。由于產(chǎn)品零件經(jīng)過(guò)沖壓、焊接、機(jī)加等多道工序，零件表面存在大量的油污、鐵銹，對(duì)于束焊質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)，焊接產(chǎn)生的大量油污蒸汽會(huì)對(duì)真空室造成污染。因此，電子束焊前，應(yīng)嚴(yán)格對(duì)焊接區(qū)域附近進(jìn)行清理，具體步驟如下。

(1)對(duì)軸頭采用汽油進(jìn)行整體清洗，去除油污。(2)對(duì)橋殼中段對(duì)接面及兩側(cè)進(jìn)行拋光除銹。(3)裝配前焊縫對(duì)接面及兩側(cè)用無(wú)水酒精擦拭。

(4)清理完畢后，應(yīng)立即裝配產(chǎn)品，置入真空室內(nèi)抽真空保護(hù)。

3.2 產(chǎn)品裝配方式

電子束焊接是利用小孔效應(yīng)成型，為防止焊漏、縮孔等缺陷，對(duì)接裝配間隙的要求十分嚴(yán)格，通常不大于0．1mm。車橋的這種止口嵌入式焊縫結(jié)構(gòu)還要求內(nèi)襯環(huán)與零件內(nèi)孔的配合間隙不大于0．5mm。

為適應(yīng)批量生產(chǎn)高效、方便的要求，軸頭與中段的裝配連接我們采用的是夾具連接方式。

產(chǎn)品的這種拉緊式裝配，可以給接頭預(yù)緊力，焊接時(shí)抵消部分焊接收縮時(shí)所受的拉應(yīng)力，降低裂紋的產(chǎn)生幾率。另外，足夠大的預(yù)緊力，可以防止焊縫在焊接過(guò)程中受熱張開(kāi)，從而省去電子束焊定位的工序。這里要求裝配預(yù)緊力矩不小于30Kg·m。

表1 焊接效果對(duì)比

3.3 工藝參數(shù)的選擇

我們使用的真空電子束焊機(jī)，是高真空(2×10-4Tr)中壓(60KV)型焊機(jī)，可編程自動(dòng)控制焊接過(guò)程。電壓值60KV不可調(diào)，其余主要設(shè)置的焊接參數(shù)如下。

3.3.1 工作距離

車橋焊接時(shí)，電子槍位于焊縫正上方，實(shí)施平焊。有效工作距離范圍是：50mm～400mm。在電子束焊接過(guò)程中，焊縫金屬易揮發(fā)和電離，產(chǎn)生的金屬蒸汽和飛濺可能進(jìn)入到電子槍中，對(duì)槍體污染或造成高壓擊穿，為防止金屬蒸汽或離子進(jìn)入電子槍中，工作距離應(yīng)選擇大一些。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該產(chǎn)品工作距離設(shè)定在250mm。

3.3.2 聚焦電流

聚焦電流是調(diào)節(jié)電子束焦點(diǎn)位置的。焦點(diǎn)位置對(duì)于焊縫的成型深寬比影響很大，對(duì)于鋼材產(chǎn)品大于10mm焊接熔深，通常采用下焦點(diǎn)法聚焦。為實(shí)現(xiàn)17mm左右的熔深，同時(shí)控制有效焊縫的寬度在2mm以上，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)將束流焦點(diǎn)設(shè)在焊縫表面下5mm。

3.3.3 掃描方式

電子束可以通過(guò)掃描方式控制束流的能量密度，從而控制焊縫成型。軸頭材料碳當(dāng)量較高，易造成裂縫缺陷，在保證產(chǎn)品焊透，同時(shí)控制熱輸入，應(yīng)選擇能量密度偏低的圓形掃描方式。此方式可以使小孔呈圓柱形下潛，焊接受熱區(qū)域較大，整個(gè)焊縫熔寬接近，避免液態(tài)金屬凝固過(guò)快，可防止裂縫的生成。

3.3.4 焊接速度和焊接電流的匹配

我們利用產(chǎn)品模擬焊接試樣分別進(jìn)行了多組低速小電流和高速大電流的試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如表1。

可見(jiàn)低速小電流的焊接效果非常理想，可以達(dá)到焊縫質(zhì)量控制要求。

3.4 焊縫整形

為避免應(yīng)力集中，車橋表面焊縫的要求是很高的，必須采用散焦小束流的方式進(jìn)行外觀焊縫整形焊接，使焊縫圓滑美觀。

4 補(bǔ)焊

焊縫質(zhì)量經(jīng)超聲檢驗(yàn)后，如不滿足車橋質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)焊縫進(jìn)行全長(zhǎng)或局部電子束重熔補(bǔ)焊，消除缺陷。補(bǔ)焊時(shí)為保證溶深，應(yīng)將缺陷處的焊縫余高打磨平。

5 工藝實(shí)施效果

(1)利用制定的焊接工藝進(jìn)行了一萬(wàn)多件車橋的焊接，經(jīng)100%超聲檢測(cè)，只有8．2%車橋一次焊接不合格，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，完全能夠滿足批量生產(chǎn)焊接的要求。

(2)對(duì)每1000根車橋抽檢進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的測(cè)試，均能滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料認(rèn)真的分析，利用焊接模擬試樣，確定了合理的焊接參數(shù)，采取焊接前認(rèn)真清理、拉緊式裝配等措施，應(yīng)用真空電子束焊接技術(shù)，成功焊接了載重車橋，焊縫內(nèi)在質(zhì)量滿足要求，表觀焊縫成型美觀，為真空電子束焊接在車橋批量生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參與文獻(xiàn):

[1]中國(guó)機(jī)械學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M].第二卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

羅海波(1967-),男,漢族,遼寧海城人,職稱:高級(jí)技師,本科學(xué)歷,研究方向:主要從事高能束焊。