電子束焊接在齒輪焊接中的應(yīng)用

楚大鋒 唐磊 鄭曉笛

（上海汽車(chē)變速器有限公司，上海 201807）

1 前言

電子束焊接是汽車(chē)變速器用齒輪常用連接方法之一[1]，與普通焊接方法不同的是其為高能束自熔焊接，通常不需要填充金屬物使兩種零件實(shí)現(xiàn)原子間的結(jié)合。因?yàn)殡娮邮附泳哂泄β拭芏雀?、焊接速度快、工件變形小、焊接過(guò)程處于真空環(huán)境不受外界空氣及雜質(zhì)影響等優(yōu)勢(shì)，目前已在航空航天、汽車(chē)等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

齒輪類(lèi)零件一般都選用低合金結(jié)構(gòu)鋼作為原材料，材料的化學(xué)成分不同，熱處理狀態(tài)不同，焊接性會(huì)有明顯差異。電子束焊接實(shí)施過(guò)程需要考慮諸多因素[2]，如碳含量，焊接零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焊接工藝等等。

2 電子束焊接簡(jiǎn)介

電子束焊接（Electron Beam Welding，EBW），是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的方法。

電子通常是以熱發(fā)射或場(chǎng)發(fā)射的方式從陰極逸出。在30～200 kV 電壓作用下，電子被加速至0.5 倍左右光速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。電場(chǎng)加速后的電子再通過(guò)電磁場(chǎng)的聚焦作用形成能量密度極高的電子束，這種高速運(yùn)動(dòng)的電子束轟擊到工件表面時(shí)，電子的巨大動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為熱能，使焊縫處工件金屬熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的焊接。電子束焊接是會(huì)在被焊接工件上“鉆”出一個(gè)鎖形小孔，稱(chēng)為“匙孔”[3]。匙孔被液態(tài)金屬包圍，隨著電子束和工件的相對(duì)移動(dòng)，液態(tài)金屬沿小孔周?chē)飨蛉鄢睾蟛?，逐漸冷卻形成焊縫。

圖1 所示為常用的三極電子槍槍體示意[3]，其電極系統(tǒng)由陰極和陽(yáng)極組成。陰極處于高的負(fù)電壓，它與接地的陽(yáng)極直接形成電子束的加速電場(chǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓電位的大小、形狀及位置可以調(diào)整電子束流的大小和改變電子束的形狀。

圖1 三極電子槍槍體結(jié)構(gòu)示意[3]

電子束焊接有諸多優(yōu)點(diǎn)：功率密度高，可達(dá)104～109 W/cm2；可通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)電子束作快速、精確的控制；電子束斑點(diǎn)尺寸極小，功率密度大，穿透能力強(qiáng)，焊縫的深寬比大；焊接速度可達(dá)1 000 mm/min 并可形成自上而下寬度均勻的焊縫；高溫作用時(shí)間短，合金元素?zé)龘p少，避免焊接接頭晶粒長(zhǎng)大，焊接接頭力學(xué)性能，特別適合對(duì)傳動(dòng)扭矩和尺寸精度要求高的齒輪類(lèi)零件焊接。

3 電子束焊接焊縫質(zhì)量的主要影響因素：

焊接質(zhì)量的影響因素主要包括：母材的碳含量與碳當(dāng)量，P、S 等雜質(zhì)元素含量，鋼材的熱處理狀態(tài)（對(duì)齒輪類(lèi)零件主要分為滲碳淬火熱處理前和滲碳淬火熱處理后），焊接工藝參數(shù)，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件清洗狀態(tài)，配合零件的過(guò)盈量等，下面對(duì)其中5 種因素做簡(jiǎn)要介紹。

3.1 鋼材的碳含量與碳當(dāng)量

隨著含碳量的提高，材料的焊接性能會(huì)明顯下降。一般認(rèn)為碳當(dāng)量＜0.4%時(shí)，鋼材焊接性能良好，一般不需要進(jìn)行預(yù)熱；碳當(dāng)量＞0.4%時(shí)，尤其是超過(guò)0.6%時(shí)，隨著CE的升高，鋼材冷裂傾向就會(huì)明顯增加。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量CE(IIW)計(jì)算公式如下[4](式中的元素素符號(hào)均表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

3.2 過(guò)盈量

相配合零件過(guò)盈量的選擇不僅影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量，還影響零件的壓裝質(zhì)量。過(guò)盈量大易造成零件壓裝不到位，配合面毛糙等不良現(xiàn)象。一般過(guò)盈量的選擇不超過(guò)0.05 mm，壓配力不超過(guò)30 kN。

3.3 焊接速度及功率

焊接速度和功率的配合主要影響著的焊接線能量，速度慢功率大相應(yīng)可以得到更深的焊接深度，同時(shí)焊接的寬度也將增加，導(dǎo)致焊接變形大。反之速度快功率低工件焊接變形小，深度和寬度降低。

3.4 焦點(diǎn)位置

焦點(diǎn)即能量密度最大的位置，焦點(diǎn)位置通?？煞譃檎x焦和負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。

3.5 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于零件設(shè)計(jì)或加工因素可能導(dǎo)致接頭裝配中出現(xiàn)不能排出氣體的密閉空腔，可能導(dǎo)致焊接異常，因此要盡量減小空腔體積，否則應(yīng)通過(guò)排氣孔放氣。

同時(shí)壓配結(jié)合面長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)大，否則易造成變形及焊縫處應(yīng)力較大，產(chǎn)生焊接裂紋風(fēng)險(xiǎn)。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免焊縫離內(nèi)孔過(guò)近，否則焊接應(yīng)力易引起內(nèi)孔變形，如時(shí)熱處理后焊接，易造成硬化層發(fā)生退火，造成影響硬度降低。

4 電子束焊接在齒輪焊接中的實(shí)例分析

4.1 零件原材料及基本信息

此手動(dòng)變速器從動(dòng)六檔齒輪，所用材料為20CrMnTiH，主要元素含量見(jiàn)表1。

表1 齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

熱處理后產(chǎn)品理化技術(shù)要求見(jiàn)表2。產(chǎn)品焊接后形貌件如圖2 所示，焊接后結(jié)合齒端面跳動(dòng)不大于0.06 mm，焊接后零件四等分剖開(kāi)檢測(cè)焊縫質(zhì)量。

表2 熱處理后產(chǎn)品技術(shù)要求

圖2 從動(dòng)六檔齒輪形貌

焊接之前對(duì)滲碳淬火回火后焊接的齒輪和結(jié)合齒做硬車(chē)滲碳層處理，按照以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)此零件的車(chē)碳層設(shè)定為齒輪1.3 mm，結(jié)合齒0.8 mm。

4.2 缺陷件剖解分析

如圖3a 所示，缺陷件焊接深度4.8 mm 焊縫寬度1.7 mm，焊接尾部存在0.2 mm 氣縮孔，圍繞氣孔存在長(zhǎng)度為0.54 mm 的U 形裂紋，圖3b 為圖3a 缺陷位置放大圖。判定此裂紋為中部裂紋，氣孔可能是清潔度問(wèn)題造成的。中部裂紋是電子束焊接中一種典型缺陷，解決方案一般為降低焊接速度，減小焊縫深度，延緩熔合區(qū)凝固時(shí)間，釋放焊接過(guò)程應(yīng)力。

圖3 缺陷件焊縫照片

4.3 通過(guò)調(diào)整工藝減小焊接深度：

減小焊接束流，降低焊接速度等手段控制焊接深度在2.7～3.2 mm，焊縫形狀如圖4，焊接深度為3.0 mm，寬度2.0 mm，對(duì)中為0.14 mm。鎖定工藝參數(shù)為：電流11.5 mA，焦點(diǎn)位置745 mm，焊接速度12 mm/s，電流上升時(shí)間0.5 s，束流下降時(shí)間1.0 s。

圖4 焊縫

小批量（70件）試驗(yàn)下來(lái)，檢測(cè)顯示裂紋問(wèn)題已經(jīng)解決。但有約30%的零件深度不滿(mǎn)足≥3.0 mm要求，且對(duì)中性不穩(wěn)定。

4.4 增大焊接深度以滿(mǎn)足技術(shù)要求

4.4.1 增大電流

選取焊接站四工位中工裝夾具跳動(dòng)較好的一個(gè)（和工件底面接觸的工裝端面跳動(dòng)0.03 mm，和工件內(nèi)孔接觸的工裝徑向跳動(dòng)0.04 mm）進(jìn)行工藝試驗(yàn)。同時(shí)增大電流至12.5 mA，其他工藝參數(shù)同4.3 章節(jié)。焊接深度增加至3.6～4.1 mm，滿(mǎn)足技術(shù)要求。0°位置試塊，底部發(fā)現(xiàn)U 型裂紋，長(zhǎng)度為0.35 mm，如圖5a 和圖5b 所示，圖5b 為圖5a 裂紋的放大圖。如圖5c 所示，90°位置試塊，底部依然存在0.36 mm 大小的氣孔。對(duì)中有明顯改善，為0.08 mm。通過(guò)增大焊接束流，可增大焊接深度。但依然存在焊接裂紋和氣孔。

圖5 增大束流焊縫整體及局部放大照片

4.4.2 調(diào)整聚焦電流

調(diào)整聚焦電流由745 mA調(diào)整為765 mA，其他工藝參數(shù)同4.3章節(jié)。焊接深度有增加為3.7～4.4 mm，深度滿(mǎn)足技術(shù)要求。

焊縫整體形貌照片如圖6，0°位置試塊底部發(fā)現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)度為0.21 mm 的U 形裂紋和一個(gè)長(zhǎng)度為0.37 mm 的L 形裂紋；90°位置試塊，底部存在0.18 mm 的小氣孔和長(zhǎng)度為0.36 mm 的U 形裂紋。增大焦點(diǎn)位置，可提高焊接深度，但依然存在焊接裂紋和氣孔，且焊接深度落差較大，推斷可能和功率穩(wěn)定性及碳層未去除干凈有關(guān)。

圖6 調(diào)整聚焦電流后焊縫整體及局部放大照片

4.5 穩(wěn)定電壓

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)焊接工藝參數(shù)的調(diào)整難以解決焊縫裂紋，對(duì)設(shè)備情況排查發(fā)現(xiàn)此電子束焊接設(shè)備沒(méi)有配備穩(wěn)壓裝置，設(shè)備的輸入電壓波動(dòng)將直接影響電子束的功率。工藝參數(shù)同4.3 章節(jié)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)零件焊接深度在3.2～3.6 mm。如圖7 所示，焊接深度為3.5 mm，對(duì)中0.03 mm，在焊縫的右上側(cè)發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)度為0.5 mm 的微裂紋。增加穩(wěn)壓裝置后同樣工藝的焊接深度有所增加且穩(wěn)定性較之前工藝有改善。

圖7 焊縫整體及微裂紋

圖 8焊縫整體及微觀缺陷示意

4.6 焊接件在滲碳淬火時(shí)涂防滲劑

熱處理后焊接零件需進(jìn)行車(chē)碳層處理，采用熱處理涂防滲劑加熱后硬車(chē)工藝，可以確保焊接面的碳含量與基體保持一致。

熱處理滲碳淬火時(shí)增加涂層保護(hù)，熱后硬車(chē)余量保持不變。焊接后焊縫仍有裂紋存在，如圖8所示，底部發(fā)現(xiàn)一個(gè)大小為0.2 mm 的氣孔，近尾部處有顯微裂紋，未連成線，但亦有趨勢(shì)。試驗(yàn)說(shuō)明，氣孔的出現(xiàn)具有偶然性，可能和清潔度及零件壓配尾部氣體未抽干凈有關(guān)，涂防滲劑零件焊接后仍存在微裂紋，所以熱后焊接件硬車(chē)深度滿(mǎn)足是后可不涂防滲劑，下面對(duì)焊接零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

4.7 優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)

對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，主要是焊縫應(yīng)力較大所致。對(duì)于滲碳淬火回火后的齒輪零件焊接，母材零件零件剛度大，焊接應(yīng)力大，本文通過(guò)增加尾部倒角，有利于焊接過(guò)程應(yīng)力的釋放，進(jìn)而降低焊縫裂紋的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)在齒輪和（或）結(jié)合齒焊接面增加倒角（X和Y），增加倒角同時(shí)可以減少壓配面的結(jié)合長(zhǎng)度（H）并保證壓裝尾部氣體排盡。倒角示意圖如圖9。

圖9 倒角齒輪及結(jié)合齒結(jié)構(gòu)示意

4.7.1 齒輪和結(jié)合齒兩側(cè)倒角

保留4.0 mm 的可焊深度值，剩余長(zhǎng)度的齒輪和結(jié)合齒側(cè)分別倒角。如圖10a 側(cè)所示，齒輪側(cè)倒角為X=10°，結(jié)合齒測(cè)倒角為Y=20°；如圖10b，齒輪和結(jié)合齒兩側(cè)倒角均為X=Y=15°。焊接工藝同4.3 章節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果顯示2 種狀態(tài)零件焊接深度分別為3.9 mm 和3.8 mm；寬度為1.9 mm 和1.7 mm，均無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。

圖10 不同倒角形式的焊縫

4.7.2 結(jié)合齒一側(cè)倒角

由于齒輪焊接處單邊厚度（齒輪內(nèi)孔至增加倒角斜邊的的最小距離）只有4.0 mm，增加倒角后可能會(huì)影響齒輪的強(qiáng)度。故取消齒輪側(cè)的倒角，保留4.0 mm 的可焊深度值，其余長(zhǎng)度的結(jié)合齒側(cè)倒角17°。焊縫照片見(jiàn)圖10c 所示：焊接深度為4.0 mm；寬度為1.9 mm，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。為減小焊接寬度，提升生產(chǎn)效率，增加焊接速度，焊接深度可控制在3.5 mm，寬度在1.6 mm，亦無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。連續(xù)焊接100 件抽檢均滿(mǎn)足焊縫質(zhì)量要求，使用扭力扳手對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，可承受700 N·m 的扭矩。

5 結(jié)論

a.滲碳淬火回火的齒輪零件電子束焊接，通過(guò)焊接優(yōu)化工藝，減小深度有利于消除焊接裂紋；

b.在焊接結(jié)構(gòu)不變時(shí)，通過(guò)增加束流、調(diào)整焦點(diǎn)位置難以消除裂紋產(chǎn)生；

c.滲碳淬火回火件后零件焊接，母材件焊接處車(chē)余量足夠，熱處理過(guò)程中可不涂防滲劑；

d.優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)（如增加焊縫尾部倒角）有利于焊接裂紋的消除。