平板對(duì)接接頭電子束焊接殘余應(yīng)力研究

鄭岳

【摘 要】電子束焊接由于化學(xué)成分純凈，焊接接頭熱影響區(qū)小以及焊接變形小，而成為金屬連接的首選方法。電子束焊接屬于局部短時(shí)高溫加熱，焊縫窄而深，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力，并在焊后形成殘余應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用具有重要的影響。平板對(duì)接接頭是焊接接頭中最常見(jiàn)的接頭形式，研究平板對(duì)接接頭的殘余應(yīng)力是研究其它復(fù)雜焊接接頭殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)。文章重點(diǎn)就平板對(duì)接接頭電子束焊接殘余應(yīng)力相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究分析，以供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】平板對(duì)接；電子束焊接；殘余應(yīng)力；研究

電子束焊接作為一種先進(jìn)的連接技術(shù)，在我國(guó)制造業(yè)中蘊(yùn)藏著巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的開(kāi)發(fā)空間。焊接殘余應(yīng)力是影響構(gòu)件強(qiáng)度和壽命的主要因素之一，電子束焊接屬于局部短時(shí)高溫加熱，焊縫窄而深，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力，并在焊后形成殘余應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用具有重要的影響。

一、電子束焊接概述

電子束焊接是用極致密的高速電子打到被焊金屬上，使其加熱、熔化、冷卻結(jié)晶，從而形成焊縫的一種新型焊接工藝，它是電子束加工技術(shù)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種，當(dāng)下已成為工業(yè)生產(chǎn)中的重要特種工藝。近十年來(lái)在工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展迅速，電子束在真空環(huán)境中通過(guò)電子槍產(chǎn)生的，電子槍通常由陰極、聚束極和陽(yáng)極組成。電子是以熱發(fā)射或場(chǎng)致發(fā)射的方式從陰極射出，在25-300kV的加速電壓的作用下，電子被加速到0.3-0.7倍的光速，具有一定的動(dòng)能，經(jīng)電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，電子會(huì)聚成功率密度很高的電子束。電子束焊接過(guò)程中正是由功率密度極高的高速電子流與工件碰撞時(shí)，電子與金屬晶格的整體也與金屬原子、分子和電子的相互作用，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，使被轟擊的材料升溫熔化，達(dá)到焊接的目的。電子束作為焊接熱源有兩個(gè)明顯特點(diǎn)，即功率密度高和精確快速的可控性。基于上述特點(diǎn)和焊接時(shí)的真空條件，以電子束作為高能密度熱源的電子束焊接，具有很多優(yōu)于傳統(tǒng)焊接工藝的特點(diǎn)：第一，可獲得窄而深的穿透型熔化焊縫，其深寬比可達(dá)60：1，焊接厚板時(shí)可不開(kāi)坡口，不填充金屬，實(shí)現(xiàn)一次焊成，相對(duì)比傳統(tǒng)焊法可節(jié)省輔助材料和能源消耗；第二，焊接速度快，對(duì)材料熱輸入少，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，對(duì)精加工可用其作為最后連接工序；第三，在真空中進(jìn)行焊接可使氫、氧、氮等有害氣體，對(duì)金屬污染程度降至最低，且有利于焊縫金屬的凈化，所以很適于焊接活潑金屬；第四，電子束在真空中傳輸較遠(yuǎn)，約500m的位置上可進(jìn)行焊接，所以可以焊接難以接近部位的焊縫；第五，可以準(zhǔn)確地控制焊接參數(shù)，便于電子束偏移，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜接縫的自動(dòng)焊接，可以通過(guò)電子束掃描熔池消除缺陷，提高接頭質(zhì)量；第六，可焊材料多，不僅能焊金屬和異種金屬材料的接頭，也可以焊非金屬材料；第七，可簡(jiǎn)化加工工藝，利用電子束的穿透性，對(duì)多層薄板可進(jìn)行疊合一次焊接。

二、電子束焊接技術(shù)發(fā)展研究

電子束焊接技術(shù)起源于德國(guó)，1948年德國(guó)物理學(xué)家首先發(fā)明了第一臺(tái)電子束焊接設(shè)備，1954年法國(guó)的斯托格博士用自行研制一臺(tái)電子束焊接裝置，為法國(guó)原子能委員會(huì)成功焊接了核反應(yīng)堆燃料包殼。進(jìn)入二十世紀(jì)七八年代，隨著電子束焊接技術(shù)日趨成熟，以及電子束焊接設(shè)備穩(wěn)定性和操作過(guò)程自動(dòng)化程度的提高，電子束焊接技術(shù)不再牢固立足于尖端工業(yè)中，而是迅速普及擴(kuò)大到一般機(jī)械制造業(yè)，特別是在大批量生產(chǎn)行業(yè)（汽車、軸承、工具制造業(yè)等）獲得了迅速推廣應(yīng)用。1966年日本富士重工首先用電子束焊接汽車變速箱齒輪，到上世紀(jì)80年代末90年代初，電子束焊接進(jìn)入了成熟和平穩(wěn)發(fā)展期，全球的電子束焊機(jī)已達(dá)4000臺(tái)。進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著人類活動(dòng)空間向太空的進(jìn)一步擴(kuò)展，電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用也將從地面擴(kuò)展到太空。電子束技術(shù)在空間結(jié)構(gòu)焊接和加工中的作用將為人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和發(fā)展，并將發(fā)揮重要作用。20世紀(jì)60年代初，國(guó)內(nèi)開(kāi)始跟蹤世界電子束焊接技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行了電子束焊接設(shè)備及工藝的研究工作。北京航空制造工程研究所、廣西桂林電器科學(xué)研究所及中科院沈陽(yáng)金屬研究所，均為最早開(kāi)展此項(xiàng)工作的單位。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)多家科研單位及大型工業(yè)企業(yè)引進(jìn)了國(guó)外的先進(jìn)電子束焊接設(shè)備，使我國(guó)的電子束焊接技術(shù)在研究與應(yīng)用上逐步發(fā)展壯大。我國(guó)電子束焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、齒輪加工業(yè)、精密儀器及電子儀表制造業(yè)、電工電能領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域的制造及維修業(yè)。

三、平板對(duì)接接頭電子束焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)方法研究

經(jīng)過(guò)70余年的發(fā)展，目前已有多種可適于多種場(chǎng)合的檢測(cè)方法，一般分為應(yīng)力釋放法和其他方法。國(guó)外很多學(xué)者一般都采用X射線衍射法、中子衍射法來(lái)測(cè)定電子束焊接接頭的殘余應(yīng)力，如Huang采用多曝光X射線衍射法成功地測(cè)量了SAE4130鋼電子束焊接及其焊后熱處理兩種接頭的殘余應(yīng)力的大小和分布。而Stone同樣把X射線衍射法和中子法應(yīng)用到了WASPALOY合金電子束焊板的殘余應(yīng)力的測(cè)量上，這些非破壞性方法，如X射線衍射法和中子法雖然對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞影響，但它需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測(cè)試技術(shù)要求也較高，而且只能測(cè)量工件表面的應(yīng)力，所以其廣泛應(yīng)用有一定困難。應(yīng)力釋放法是通過(guò)全部或局部釋放殘余應(yīng)力，觀測(cè)應(yīng)變，反推殘余應(yīng)力分布，具有一定的破壞性，主要有切條、逐層切削、盲孔（小孔）等方法。因?qū)Y(jié)構(gòu)有不同程度的破壞，故多用于實(shí)驗(yàn)室研究。盲孔法是應(yīng)力釋放法中的一種，就是在應(yīng)力場(chǎng)中鉆一個(gè)小孔，應(yīng)力平衡被打破，則鉆孔周圍的應(yīng)力將重新調(diào)整。測(cè)得附近的應(yīng)力，就可用彈性力學(xué)方法計(jì)算出小孔處的應(yīng)力。盲孔法由馬澤—蘇埃特鉆孔法，即小孔法演變而來(lái)，因破壞性較小而應(yīng)用較多，但其力學(xué)基礎(chǔ)方面還存在一定問(wèn)題，需要標(biāo)定，同時(shí)測(cè)取數(shù)據(jù)的適宜時(shí)間還有待于進(jìn)一步研究。此法可用于實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)，可用于水平、垂直及仰視表面，優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，對(duì)試件損害較小，適用于焊縫及鄰近材料；缺點(diǎn)是鉆孔引起孔周邊緣塑性變形，影響測(cè)量結(jié)果，因此采用此法必須十分小心。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾用小孔法、切削法、沖擊壓痕法、聲彈性法等研究焊接接頭近縫區(qū)的殘余應(yīng)力應(yīng)變，如M.E.S.AbdelMoneim等曾用切削法對(duì)銅鋁管的摩擦焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變作了研究。90年代初，隨著光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們研究用各種光測(cè)方法并引用近代先進(jìn)手段進(jìn)一步深入研究焊接接頭的殘余應(yīng)力應(yīng)變，如高頻光柵、莫爾條紋、激光全息散斑等，近年來(lái)采用激光全息的方法在研究焊接后的殘余應(yīng)力應(yīng)變方面作了一定的工作。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電子束焊接的加熱方式為獨(dú)特的高能束流沖擊方式，雖然構(gòu)件變形范圍很小，但其焊接殘余應(yīng)力由于溫度梯度大而可能達(dá)到很高的數(shù)值。殘余應(yīng)力對(duì)焊接構(gòu)件的強(qiáng)度有重要的影響，它是造成焊接構(gòu)件斷裂、疲勞破壞、應(yīng)力腐蝕的重要因素。因此，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)弄清楚殘余應(yīng)力的大小和分布，為焊接構(gòu)件的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬提供依據(jù)和驗(yàn)證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳愛(ài)萍，李艷軍，趙玥，李權(quán)，朱瑞燦，劉磊，鄒貴生，王國(guó)慶.Ti_2AlNb合金電子束焊接接頭的殘余應(yīng)力與再熱裂紋[J].航空制造技術(shù)，2018，61（08）：26-35.

[2]郭桂芳.鋁及鋁合金電子束焊接殘余應(yīng)力的實(shí)測(cè)與模擬[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2005.

[3]劉敏，陳士煊，陳勇，康繼東.鈦合金電子束焊接應(yīng)力分析的有限元模型[J].焊接學(xué)報(bào)，2004（06）：62-65+131-132.