脈沖束流電子束焊接技術綜述

北京航空航天大學 齊鉑金 范霽康 劉方軍

電子束焊是高能束焊的一種，利用加速和聚焦的電子束流轟擊工件，從而產(chǎn)生熱量，使金屬熔合。焊接時經(jīng)加速的電子束運動速度能夠達到0.3～0.7倍光速，焊接能量密度高達107W/cm2，這使得電子束在撞擊金屬工件時能夠產(chǎn)生深而窄的孔腔，被稱為“匙孔”。電子束焊因“匙孔”效應能夠使焊接熱量傳送到工件內(nèi)部，能夠形成深寬比大、變形小、缺陷少的焊縫，因此在航空、航天、汽車、電子等工業(yè)得到了廣泛的應用。

從束流調(diào)制形式上分，電子束焊可分為連續(xù)束流電子束焊和脈沖束流電子束焊。目前工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛的電子束焊一般為連續(xù)束流電子束焊，而脈沖束流電子束焊是在連續(xù)束流電子束焊的基礎上發(fā)展而來的，是指將電子束流調(diào)制成脈沖方波形式進行焊接的一種技術。已有研究表明，脈沖電子束焊由于其脈沖效應顯現(xiàn)出了良好的焊接品質(zhì)，具有廣闊的應用前景。本文將從其技術特點和研究現(xiàn)狀兩方面來討論脈沖電子束焊接技術。

脈沖束流電子束焊接技術特點

脈沖束流實際上是一種基值束流、峰值束流、占空比和脈沖頻率分別獨立可調(diào)的方波束流，束流波形為方波或接近方波的形式，理想的脈沖束流波形如圖1所示，其中Ip為脈沖峰值束流；Ib為脈沖基值束流；Ia為脈沖平均束流；tp為脈沖峰值束流持續(xù)時間；tb為脈沖基值束流持續(xù)時間；tc是脈沖方波束流的周期，并且滿足tc=tp+tb。所以，與連續(xù)束流電子束焊接相比，脈沖束流電子束焊具有的特征工藝參數(shù)，分別為束流基值、峰值、頻率、占空比等，合理地匹配脈沖參數(shù)將能夠獲得良好的焊接效果。

圖1 脈沖電子束焊束流波形圖

在同樣的焊接平均功率下，脈沖電子束能產(chǎn)生較高的金屬蒸發(fā)率，從而能夠提高焊接效率、改善焊縫質(zhì)量、增加焊縫深寬比。把具有相同平均輸入功率的兩束電子束分別射到兩個具有同樣表面的同一材料上，其中一束是脈沖電子束，另一束是直流電子束。脈沖轟擊點上的平均溫度將等于或略高于直流電子束轟擊點上的溫度，但脈沖的峰值溫度要比平均溫度高出許多。按照金屬蒸發(fā)率與溫度的關系可知，溫度若升高一倍，常會使蒸發(fā)率變化十幾個數(shù)量級或更多些，因此通常也把溫度看作是促進更高蒸發(fā)率的主要因素。當脈沖電子束轟擊金屬處于峰值溫度點的時候，有相當多的材料被蒸發(fā)，可以忽略在低溫端時蒸發(fā)率的下降。這樣在同樣的平均輸入功率下，脈沖電子束有更多的材料被蒸發(fā)，使效率得到增加，蒸發(fā)原子的反作用壓力也就增加，從而提高了焊縫的深寬比。圖2比較了直流電子束和脈沖電子束在平均輸入功率相同情況下的束流、溫度、蒸發(fā)率，其中圖2（a）為直流電子束的特性，圖2（b）為脈沖電子束的特性[1]。

合理地調(diào)節(jié)脈沖電子束焊的脈沖工藝參數(shù)可充分發(fā)揮電子束焊接的“匙孔”效應，從而獲得優(yōu)質(zhì)的電子束焊縫。相關研究表明[2]，當與連續(xù)束流電子束焊在同樣輸出功率下，脈沖電子束焊能夠使焊縫深度增加50%，并且焊縫深寬比能夠達到50∶1。因此，脈沖電子束焊可用來獲得深而窄的焊縫。此外，脈沖束流可使熔池加快冷卻速度，從而能夠加快焊接熱循環(huán)，有效抑制枝狀晶長大，細化組織晶粒[3]。綜上所述，脈沖束流電子束焊接技術可改善電子束焊接工藝，進一步提高焊縫質(zhì)量，是一項極具應用前景的焊接技術。

脈沖束流電子束焊接研究現(xiàn)狀

圖2 脈沖束流對金屬蒸發(fā)率的作用

早在20世紀八九十年代，德國、美國、日本等國家就開始了對脈沖束流電子束焊接的研究。最初由于電子束焊機最高功率僅能實現(xiàn)3kW左右，研究人員開發(fā)脈沖束流電子束焊接僅僅是為了增大焊縫熔深。然而隨著大功率電子束焊機的出現(xiàn)，脈沖束流電子束焊接在增大熔深方面的作用日漸削弱，研究人員開始探索其對焊縫金屬組織及力學性能的影響。由于電子束焊接電源加速電壓達到幾萬伏甚至幾十萬伏，電子束焊接脈沖束流的實現(xiàn)及其控制難度很大，目前國際上只有幾家知名公司實現(xiàn)了該項技術，在公開的文獻中，僅有德國LEYBOLD-HERAEUS公司ESW系列焊機、波蘭SE10/60焊機、日本的EBW-6C焊機能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖束流電子束焊接功能，焊接頻率僅為幾百赫茲。

日本的Tokmakov 等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖電子束焊可以減少匙孔壁的熱傳導，從而減少匙孔壁金屬的熔化，能夠增加焊縫熔深，增大焊縫深寬比。但是在焊接效率提高的同時，焊接飛濺也相應增加，焊縫易產(chǎn)生氣孔等缺陷。此外，Slavin 和Khudyshev等[6]比較了脈沖束流電子束焊與連續(xù)束流電子束焊的冷卻速度對熔化區(qū)金屬晶粒細化的影響，發(fā)現(xiàn)使用脈沖束流能夠提升冷卻速度，減小晶粒尺寸，這對于晶粒生長嚴重的純金屬的焊接有非常大的幫助?？墒桥cTokmakov的研究結(jié)果一致，使用脈沖束流焊接時也同時會產(chǎn)生較大的焊接飛濺與氣孔。

圖3 脈沖束流波形

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Kautz等[7-8]對脈沖束流電子束焊接進行了較為詳細的研究，其所使用焊機為德國LEYBOLD-HERAEUS 公司的7.5kW電子束焊機。在焊接過程中，其使用脈沖束流頻率最高為600Hz,且隨著頻率的增加，束流波形由方波逐漸畸變成類似正弦波，波形如圖3所示。Kautz等[7]用不同頻率、不同占空比參數(shù)對21-6-9 不銹鋼進行了脈沖電子束焊接，并從熔深、熔寬、匙孔寬度、焊縫金相結(jié)果等方面與連續(xù)束流電子束焊接進行了對比。在這種條件下，脈沖電子束焊接效果并不明顯，與直流電子束焊接相比，僅僅表現(xiàn)為熔深有所增加，但是焊縫的不規(guī)則性也大幅度增加；同時較多的焊接缺陷和脈沖束流參數(shù)較差的可控性將是影響脈沖束流電子束焊應用的兩大缺陷。Kautz等[7]還提出，脈沖電子束焊能夠加快熔池冷卻速度，有可能細化焊縫組織晶粒并降低焊縫變形。采用脈沖束流電子束焊對21-6-9不銹鋼進行焊接時，研究了不同的脈沖參數(shù)和聚焦條件對焊縫熔深、微觀組織特征、氣孔和裂紋的影響。研究發(fā)現(xiàn)脈沖束流電子束焊接能夠減少氣孔，細化組織晶粒，并且當焊接功率密度降低時，焊縫質(zhì)量得到了相應的提高。

印度Nair 等[9-10]以脈沖束流電子束焊可以增大熔池冷卻速度為出發(fā)點，對比了脈沖束流電子束焊和連續(xù)束流電子束焊對AA2219 鋁合金焊接接頭力學性能和斷裂韌性的影響。研究表明，脈沖電子束焊能夠減少熱輸入，可提高焊縫金屬硬度和強度[9]。脈沖束流電子束焊的熔池凝固速率非常高，當使用脈沖束流時，AA2219鋁合金焊縫熔化區(qū)更窄，在整個焊縫區(qū)都出現(xiàn)了很好的共熔相，同時脈沖束流能夠細化組織晶粒，降低銅元素偏析。Nair等[10]等使用60kV、500mA電子束焊機對7mm厚的T87和T6時效狀態(tài)AA2219鋁合金進行了連續(xù)束流和脈沖束流電子束焊接。脈沖束流頻率為66.6Hz，占空比為50%。試驗結(jié)果表明，脈沖電子束焊接在保證焊透工件的同時很大程度上降低了焊接熱輸入，同時能夠加快焊接熔池的冷卻速度，使熔池金屬晶粒更加細化，提升了焊縫品質(zhì)。

波蘭Lacki等[11]使用波蘭SE10/60 電子束焊機對30HGSA 鋼進行了脈沖電子束焊接研究。根據(jù)脈沖束流特點建立了脈沖電子束焊接的圓錐體熱源數(shù)學模型，應用ADINA模擬仿真軟件對焊接過程進行了模擬，仿真熱源脈沖參數(shù)如圖4[11]所示，所使用脈沖束流頻率為7Hz，占空比為20%。結(jié)果表明：熱源模型選擇合理，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好（圖5）[11]；脈沖電子束能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫。

圖4 模擬熱源的脈沖參數(shù)

圖5 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較

英國焊接研究所（TWI）于1998年開始探索脈沖電子束焊接在非真空電子束焊接過程中的應用，目標是研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率為10kHz，脈沖束流波形接近方波的非真空脈沖電子束焊接設備。他們認為，脈沖束流一方面能夠周期性沖擊金屬材料，使熱源深入材料內(nèi)部；另一方面有利于匙孔內(nèi)的金屬蒸汽和等離子體溢出，從而能夠增大熔深，加大深寬比；此外脈沖束流還能夠有效減少焊接輸入功率。目前，該研究所已經(jīng)研發(fā)了峰值電流達到300mA的非真空脈沖電子束焊接設備，并利用不同的脈沖參數(shù)對鐵素體鋼和奧氏體鋼進行了一系列脈沖束流與連續(xù)束流的焊接對比試驗。對比脈沖電子束焊與直流電子束焊焊縫熔深、熔寬發(fā)現(xiàn)：在一定頻率下，脈沖電子束焊能夠增大焊縫熔深達到46%，焊縫頂端寬度減小達22%[12-13]。

國內(nèi)對脈沖束流電子束焊的研究開始較晚，進入21世紀之后才開始展開對脈沖電子束焊的研究。上海交通大學崔海超等[14]使用日本的EBW-6C 電子束焊機對TiB2p/ZL101復合材料進行了脈沖電子束焊接試驗，所使用脈沖束流頻率為500Hz，試驗得到了質(zhì)量良好，無焊接缺陷的焊縫。這表明了脈沖束流有利于焊接匙孔的穩(wěn)定性，選擇合適的脈沖束流參數(shù)能夠成功焊接TiB2p/ZL101 復合材料。

北京航空制造工程研究所張洪波等[15]設計了一種用于脈沖束流電子束焊接的PWM逆變式柵極偏壓電源系統(tǒng)，脈沖頻率范圍 10～1000Hz，占空比范圍20%～80%，脈沖偏壓幅值范圍為10～1000V。許海鷹等[16]研制了一臺頻率為0～1kHz,最大束流為200mA的30kW高壓脈沖電子束焊機，介紹了控制脈沖束流產(chǎn)生的偏壓脈沖電源拓撲電路結(jié)構及脈沖束流頻率、占空比、束流基值、束流峰值的調(diào)節(jié)控制技術。然而如圖6[16]所示，實測束流波形在頻率超過200 Hz時發(fā)生較大畸變，并不接近理想矩形波形。分別采用150Hz脈沖束流電子束焊和連續(xù)束流電子束焊對1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊接，對不同工藝的焊縫形貌進行了對比試驗。試驗表明：脈沖頻率和占空比是影響高壓脈沖電子束焊的關鍵工藝參數(shù)。與連續(xù)束流電子束焊相比，脈沖電子束焊更易獲得大熔深、大深寬比的焊縫。

圖6 焊接束流波形

圖7 不同頻率脈沖束流電子束焊焊縫

北京航空航天大學[17-18]開發(fā)了一種由偏壓基值產(chǎn)生電路和偏壓脈沖產(chǎn)生電路組成的新型脈沖電子束焊接偏壓電源，該偏壓電源裝置能夠?qū)崿F(xiàn)直流偏壓和脈沖偏壓自由切換，即在同一套裝置上既能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)連續(xù)束流電子束焊接，又能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖電子束流焊接。隨后又成功研發(fā)出一臺新型脈沖電子束焊接逆變電源，建立了一套脈沖電子束焊接平臺,該平臺既能實現(xiàn)連續(xù)束流電子束焊接,又能實現(xiàn)頻率0～40kHz、占空比0～100%連續(xù)可調(diào)和基值束流、峰值束流精確控制的脈沖電子束焊。在該平臺上對TC4鈦合金進行了脈沖電子束焊接試驗，不同脈沖頻率條件下的焊縫如圖7所示[18]。結(jié)果表明：在保持同樣焊透性條件下，相比連續(xù)束流電子束焊接,脈沖電子束焊接所需熱輸入少，并能夠得到高質(zhì)量的焊縫。張偉等[19]根據(jù)脈沖束流電子束焊特點，選取由高斯面熱源和改進的圓錐體熱源組成的組合熱源，利用ANSYS軟件建立了三維的脈沖電子束焊接304不銹鋼時的溫度場有限元模型，分析了脈沖束流電子束焊接溫度場的變化。如圖8所示[19]，模擬預測焊縫與實際的焊縫基本相符，表明熱源模型選擇合理。

綜上所述,目前國內(nèi)外脈沖束流電子束焊接研究取得了一定的進展，脈沖束流電子束焊在增加焊縫深寬比、優(yōu)化焊縫組織等方面具有獨特的優(yōu)勢?，F(xiàn)有研究主要針對脈沖束流頻率在1kHz以下的脈沖束流電子束焊接，但隨脈沖束流頻率增大，束流波形畸變增大。盡管有關脈沖束流電子束焊接的研究已有近30年的歷史，但其應用研究還極具空間。

結(jié)束語

脈沖束流電子束焊接技術是一種高效的電子束焊接技術，焊縫熔深和深寬比增加顯著，并可細化焊縫組織晶粒，是一種極具應用前景的技術。目前國內(nèi)外脈沖束流電子束焊接研究取得了一定的進展，然而，無論是研究的深度還是廣度，特別是應用方面的研究還具有廣闊空間。脈沖電子束焊接技術將可能是進一步提高航空、航天工業(yè)中某些特殊結(jié)構材料和關鍵零部件焊接質(zhì)量的有效方法，具有重要的工程應用價值。

圖8 模擬焊縫與實際焊縫比較

[1] 王之康，高永華，徐賓.真空電子束焊接設備及工藝.北京：原子能出版社，1990:82-83.

[2] Schu ltz H. Electron beam welding.Abington：Abington Publishing，1994.

[3] 齊鉑金,徐國寧,肖攀.脈沖電子束焊接技術研究.上海交通大學學報,2012,16(S):141-144.

[4] Tokmakov V P. The true and thermal efficiencies of pulsed electron beam welding.Automatic Welding, 1981, 34(12): 46-47.

[5] Tokmakov V P. The power particulars of the process of expulsion of metal during the pulsed action of an electron beam on a surface.Automatic Welding,1980, 33(11): 22-24.

[6] Slavin G A, Khudyshev A F. Certain features of the crystallization of the liquid molten pool during pu lsed electron beam welding.Automatic Welding, 1972, 25:1-11.

[7] Kau tz D D, Olson D L, Bu rgard t P, etal. A characterization of pulsed electron beam welding parameters.Welding Journal,1991,70(4):100-105.

[8] Hochanadel P W, Kautz D D, Martinez J N , etal. Pulsed electron beam welding and microstructure of stainless steel. Los Alamos: Los Alamos National Laboratory, 2006:33-34.

[9] Nair B S, Phanikumar G. Improvement of mechanical properties of gas tungsten arc and electron beam welded AA2219 alloy.Scienceand Technology of Welding and Joining,2007(12):579-585.

[10] Nair B S, Rakesh S. Frac tu re toughness of electron beam welded AA2219 alloy.Material and Design, 2010(31):4943-4950.

[11] Lacki P, Adamus K. Numerical simulation of the electron beam welding process.Computers and Structures, 2011, 89(11):977-985.

[12] Sanderson A. Fou r decades of electron beam development at TWI. Welding in the World, 2007, 51(12):37-49.

[13] Punshon C, Sanderson A. EB welding of large components without a vacuumchamber//Proceedings of 7th International Conference on Beam Technology. Halle, Germany, 2007:17-19.

[14] Cui H C, Lu F G. Research on electron beam welding of in situ TiB2p/ZL101 com posite. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2010,15(4):479-483.

[15] 張洪波,劉方軍,左從進.一種新型脈沖電子束焊接用PWM逆變式柵偏壓電源系統(tǒng)設計.航空制造技術,2004(S):188-191.

[16] 許海鷹,余偉,左從進. 高壓脈沖電子束的控制及其對焊縫形貌影響.北京航空航天大學學報,2011,37(8):1044-1048.

[17] 齊鉑金,徐國寧,劉方軍.新型脈沖電子束焊接偏壓電源設計.北京航空航天大學學報,2012,38(10):1311-1316.

[18] Xu G N, Qi B J, Xu X L. Research on pulsed electron beam welding gridbias power supply. Rare Metal Materials and Engineering,2011, 40(4): 306-308.

[19] Zhang W, X iao P, Chen Z.Temperature field simulation of pulsed electron beamwelding on 304 stainless steel. Rare Metal Materials and Engineering, 2013, 42(2):033-037.