超低真空度對電子束形狀和焊接過程的影響

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所，哈爾濱 150028)

超低真空度對電子束形狀和焊接過程的影響

張毅梅王鍇蘇金花陳健

(機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱150028)

研究了超低真空度(133.32～1 333.22 Pa)內(nèi)變化時，對加速電壓為100 kV,束流為60～80 mA的電子束形狀影響。為解決超低真空焊接和局部真空電子束焊接時，電子束嚴(yán)重散射問題，提出了氦氣保護(hù)電子束的焊接方法，對無保護(hù)和氦氣保護(hù)下真空度對電子束形狀的影響進(jìn)行試驗測試，對電子束焊接過程進(jìn)行了分析。同軸氦氣保護(hù)電子束焊接獲得了滿意的焊接接頭。

電子束焊接工藝低真空氦氣保護(hù)

0 序 言

電子束焊接的分類按工件所處的環(huán)境可分高真空(1×10-4～1×10-1Pa)、低真空(1×10-1～1×10 Pa)和非真空焊接三類。低真空電子束焊接和局部電子束焊接在大型部件的焊接方面就有獨(dú)特的優(yōu)勢。如將電子束焊接的真空室真空度降低到133.32～1 333.22 Pa(稱之為超低真空)，采取有效的措施對電子束實施保護(hù)，使其能量密度不降低，就可以擴(kuò)大真空室的容積，為建造特大低真空室提供便利，節(jié)省真空設(shè)備的制造和運(yùn)行費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率。如能在超低真空下實現(xiàn)局部電子束焊接，將降低局部真空室的密封要求，增強(qiáng)對不規(guī)則的大型構(gòu)件的焊接能力，提高局部真空電子束焊接的通用性及可靠性。但隨著真空度的降低，電子束的散射程度將提高，電子束的束品質(zhì)將會發(fā)生變化，焊接過程穩(wěn)定性也存在問題，很難獲得大熔深和深寬比較大的焊接接頭。開展超低真空下真空度對電子束形狀和焊接過程的研究，將有力于了解電子束的特性，為提出有效的防止因電子束散射而引起的能量密度降低，開發(fā)超低真空電子束焊接新工藝提供依據(jù)。目前，國內(nèi)外低真空(1×10-1～1×10 Pa)電子束焊接過程研究較多，對低真空(13.32～133.22 Pa)下真空度對電子束的影響也有初步的研究[1]。而對更低的真空度對電子束焊接影響的研究未見報道。因此，開展超低真空(133.32～1 333.22 Pa)對電子束形狀和焊接過程的影響，有益于擴(kuò)大低真空和局部真空電子束焊接的應(yīng)用和推廣。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗設(shè)備

采用自行研制的ESS150—200型低真空電子束焊機(jī)，焊機(jī)的最高加速電壓為150 kV，最大束流200 mA，三級電子槍，真空系統(tǒng)分為5級。當(dāng)焊接真空室的真空度為1 333.2 Pa時，電子槍室的真空度仍可保持在1×10-2Pa以上。在真空系統(tǒng)的第四級真空室與第五級真空室(工作室)之間加裝一個特色設(shè)計并電子束同軸的氦氣保護(hù)裝置，使氦氣氣流與電子束保持同軸，用于保護(hù)電子束流。電子束焊接裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電子束焊接裝置示意圖

1.2 試驗方法

采用“鋸齒相應(yīng)法”來研究真空度與束形狀的關(guān)系，在保證電子槍室的真空度為1×10-2Pa以上的條件下，通過調(diào)節(jié)針閥向工作室充入空氣或氦氣，使工作室的真空度保持在選定的超低真空的真空度下，當(dāng)真空度和電子束穩(wěn)定工作后，開始測量電子束形狀。母材選用低碳鋼，采用宏觀金相法測量焊縫形狀。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 無保護(hù)下真空度對束形狀的影響

采用表1的電子束焊接工藝參數(shù)，通過調(diào)節(jié)針閥向工作室充入空氣，使工作室的真空度下降至53.33～1 333.22 Pa。測量電子束的形狀。真空度對束形狀的影響如圖2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

加速電壓用Ub表示;束流用Ib表示;磁聚焦電流用If表示;焊接速度用v表示。電子束焦點直徑(或“最小束徑”)用Db表示;焦點(或“最小束徑”處)距離磁透鏡平面的距離用L表示;工作距離(即電子束引出孔距離工件表面的距離)用L′表示;真空度用P表示。

圖2 無保護(hù)下真空度對束形狀的影響

當(dāng)真空度小于133.32 Pa時，由于電子束的散射程度加大，隨著電子在空間飛行的距離增加，電子束的束擴(kuò)張越來越大，所測得的“焦點”已不僅是由磁聚焦所決定的焦點，而是磁聚焦與電子束散射綜合作用所產(chǎn)生的束擴(kuò)張的“最小束徑”，它與理論上的磁聚焦焦點有本質(zhì)的不同。因而從“鋸齒效應(yīng)法”的測量特點看，這里的束焦點直徑是表示其能量密度足夠熔化測試板金屬的那部分的電子束最小束徑。試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)真空度低于399.96 Pa時，“最小束徑”位置上移到工作室的引出口端。隨著真空度的降低，“最小束徑”增大，在可測的空間內(nèi)已經(jīng)沒有明顯的所謂的“焦點”，僅在引出口下端的電子束最細(xì)，并且變化較小，可稱之為“最小束徑”，可以看做超低真空電子束焊接時的一個重要參數(shù)，其重要性與理論上所稱的“焦點”相當(dāng)。因而，研究正式引入“最小束徑”這個概念。

由圖2～3可見，隨著真空度的下降，電子束“最小束徑”明顯增大，“最小束徑”的平均功率密度隨之下降。

圖3 真空度與最小束徑、最小束徑功率密度的關(guān)系

2.2 氦氣保護(hù)下真空度對束形狀的影響

為了減小工作室中的空氣與電子束的碰撞，減小電子束的能量密度損失，對焊接熔池有效的保護(hù),研究提出了在氦氣保護(hù)下的電子束焊接工藝方法。

采取兩種方式來開展氦氣保護(hù)下對電子束形狀的影響研究。一是先將工作室的真空度抽到1.33 Pa以上，之后通過向工作室中注入氦氣，使工作室的真空度降低到需要的超低真空范圍內(nèi)。二是在工作室到達(dá)預(yù)定的超低真空條件下，采取與電子束同軸的氦氣保護(hù)進(jìn)行電子束焊接試驗,工作室的真空度為133.32 Pa。三種不同狀態(tài)下的電子束形狀如圖4所示。

圖4 不同保護(hù)形式下電子束的形狀

由圖4可以看出充氦氣和同軸氦氣保護(hù)的效果對電子束形狀的影響基本相當(dāng)。而采取充氦氣保護(hù)時，氦氣的使用量較大，不經(jīng)濟(jì)，不適合實際生產(chǎn)應(yīng)用的需求。采取氦氣同軸保護(hù)更加便利、經(jīng)濟(jì)可靠。在此基礎(chǔ)上又試驗了在不同氦氣保護(hù)流量下，真空度對電子束形狀的影響，其結(jié)果表明在真空度為133.32～399.96 Pa時，采取同軸氦氣流量為0.6 L/min;真空度為399.96～1 333.22 Pa時，采取同軸氦氣流量為0.8 L/min，就可以取得很好的保護(hù)效果。

在同軸氦氣保護(hù)下，對電子束形狀進(jìn)行了測量，其結(jié)果如圖5～6所示。與無保護(hù)相比，同軸氦氣保護(hù)下電子束的最小束徑顯著減小，功率密度增大，最小束徑附近的活性區(qū)明顯增長。

圖5 氦氣保護(hù)下真空度對束形狀的影響

圖6 同軸氦氣保護(hù)下真空度與最小束徑、最小束徑功率密度的關(guān)系

2.3 電子束焊接過程

試驗中發(fā)現(xiàn)，在無保護(hù)條件下，當(dāng)工作室真空度在133.32～1 333.22 Pa之間變化時，實際焊接過程如圖7所示。隨著真空度的降低，電子束周圍因氣體電離而形成的等離子層增厚，擴(kuò)散面積增大，這與電子束直徑增大相一致。同時，隨著真空度下降，工作室內(nèi)的氧分壓也增大，因而焊接所產(chǎn)生的高溫氣體蒸汽與周圍氣體發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)相應(yīng)增強(qiáng)，焊接熔池上方的電子束周圍的等離子亮度增加。但真空度為133.32 Pa時還可以觀察到電子束清楚明亮的軌跡。當(dāng)真空度低于666.61 Pa時，由于電子束散射及其引起的氣體電離，已經(jīng)看不到明顯的電子束流輪廓。

圖7 電子束焊接過程外觀照片

與無保護(hù)的相比，在同軸氦氣保護(hù)下束徑顯著變小，束周圍的等離子層減薄，顏色稍淺，擴(kuò)散范圍較小。這說明電子束的散射減小，金屬蒸汽與束周圍的氣體化學(xué)反應(yīng)減弱。顯然，氦氣對電子束和焊接熔池都有很好的保護(hù)。在氦氣保護(hù)下，即使真空度下降到1 333.22 Pa電子束流軌跡仍然清晰可見。同時，氦氣流從引出口噴出阻礙了金屬蒸汽及有害氣體進(jìn)入第四級真空室及電子槍室，有效地防止了電子槍室的被污染。

氦氣保護(hù)電子束的特點分析：氦氣是惰性氣體，分子量為4，空氣的平均分子量是29。在超低真空下，隨著真空度的降低，電子束與氣體分子的碰撞加劇，能力損失增大。當(dāng)引出口處的束流為I0時，通過一段工作距離X后，其束流I則為：

I=I0e-αX

(1)

式中，α為焊接工作室內(nèi)殘余氣體對電子束的散射系數(shù)。

α=KPQ

(2)

由公式(1～2)可見，焊接工作室壓力增高，電子束的散射系數(shù)增大，束流減小。但在氦氣保護(hù)下，有效碰撞面和電子束的散射系數(shù)均減小，束流增大，束能量損失減小。

電子束飛程Rξ的近似公式為

Rξ=K·Ub2/ρ

(3)

式中，Ub為加速電壓；ρ為氣體密度;K為常數(shù)。

由公式(3)可見，焊接工作室壓力增大，氣體的密度增大，電子束的飛程減小?？諝饷芏仁呛獾?倍多。因此氦氣保護(hù)時電子束的飛程要比無保護(hù)條件下的電子束飛程要大得多。電子束即使在真空度為1 333.22 Pa條件下，仍可保持清晰的飛行軌跡。同時，在氦氣中電子的平均自由程是空氣的3倍左右，因此，氦氣保護(hù)下電子束的穿透能力下降較小。以上的試驗結(jié)果和理論分析高度一致。

氦氣保護(hù)時，采用純度為99.99%以上的工業(yè)純氦氣。但真空度降低到百分之一的大氣壓下(999.91 Pa)時，其雜質(zhì)的含量為1×10-6。而無保護(hù)時真空度為1×10-1Pa時的雜質(zhì)含量為1.32×10-6。由此可見，同軸氦氣電子束焊接工藝的焊縫質(zhì)量能夠得到保證，但需要進(jìn)一步開展深入的研究。

2.4 同軸氦氣保護(hù)電子束焊接

在氦氣保護(hù)條件下，當(dāng)Ub=100 kV,Ib=80 mA,v=0.2 m/min,工作距離L′=20 mm時，低碳鋼電子束焊縫的橫截面金相宏觀照片，如圖8所示。真空度與焊縫熔深、焊縫深寬比的關(guān)系如圖9所示。在真空度為1 333.22 Pa下獲得了熔深為33 mm，深寬比為13.75的較好的焊接接頭。

圖8 超低真空氦氣保護(hù)電子束焊縫宏觀組織

圖9 氦氣保護(hù)下真空度與焊縫熔深、深寬比的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)隨著真空度(133.32～1 333.22 Pa)的降低，加速電壓為100 kV,束流為80 mA的電子束散射非常嚴(yán)重?！白钚∈鴱健痹龃?，束功率密度降低，焦點位置上移。

(2)在氦氣保護(hù)下，當(dāng)真空度(133.32～1 333.22 Pa)降低時，由于同軸氦氣流有效地防止電子束散射，束形狀變化較小，其直徑較無保護(hù)時減小，束功率密度增加，焊接過程穩(wěn)定。

(3)同軸氦氣保護(hù)電子束焊接可以獲得熔深較大，深寬比較高的焊接接頭，能夠滿足中厚板低真空和局部真空電子束焊接應(yīng)用的要求。

[1] 寧斐章，趙惠哲.束參數(shù)及真空度對電子束形狀的影響[J].焊接學(xué)報,1987,8(3)：10-18.

TG456.3

2017-02-07

張毅梅，1982年出生，碩士，工程師。