电子束焊焊接参数对焊缝形状的影响分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：电子束焊的主要焊接参数有加速电压Ua、电子束流Ib、聚焦电流If、焊接速度vw及工作距离h。电子束功率密度与电子束的功率以及束斑点大小密切相关。电子束焊时，焦点的位置相对于焊件表面有上聚焦、下聚焦和表面聚焦3种。焦点位置对焊缝形状影响很大。图4-2-10 真空度对焊缝形状的影响7.脉冲电子束采用脉冲电子束焊，可有效地增加熔深，如图4-2-11所示。

电子束焊的主要焊接参数有加速电压U_a、电子束流I_b、聚焦电流I_f、焊接速度v_w及工作距离h。电子束焊熔深主要取决于形成空腔的金属蒸发速率，而金属蒸发速率的大小决定于电子束功率密度。电子束功率密度与电子束的功率以及束斑点大小密切相关。

1.加速电压

电子束焊时，加速电压往往保持不变。在相同的功率、不同的加速电压下，所得到的焊缝深度和形状是不同的。提高加速电压可增加焊缝的熔深，如图4-2-5a所示。因为提高加速电压，增加了电子束的功率，此外，由于电子枪的聚焦性能有了改善，进一步提高了电子束斑点的功率密度。电子束功率密度与加速电压的关系如图4-2-5b所示。当焊接大厚度工件并要求得到轮廓线平行的窄焊缝，或电子枪与焊件的距离较大时，可提高加速电压。

图4-2-5 加速电压对焊缝形状的影响

a）加速电压对焊缝形状的影响 b）加速电压对功率密度的影响（功率不变）

2.电子束流

束流与加速电压一起决定着电子束的功率。束流增加，使电子束的功率密度提高，从而增加焊缝熔深。但是束流增加时，由于空间电荷效应和热扰动加剧，可能使电子光学系统的聚焦性能变坏，反而减小熔深；因此提高束流之后，聚焦电流也要做相应的调整。电子束焊时，因为加速电压保持不变，为了满足不同的结构件或工艺的需要，主要调节束流值。热输入对焊缝熔深的影响如图4-2-6所示。常采用的调整措施有以下方面：

1）在环缝焊接时，控制起始束流的递增、收尾束流的递减，以获得均匀的搭接段焊缝的质量。

2）对于各种不同厚度的材料，选择不同的束流，以得到不同的熔深。

3）在焊接大厚度件时，由于焊接速度较低，随着焊件温度的增加，束流需逐渐减小。

3.焊接速度

焊接速度和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、焊缝宽度以及焊接熔池行为（冷却、凝固及焊缝熔合线形状）。在其他焊接参数不变的情况下，增加焊接速度，减少单位时间的输热量，焊缝熔深相应减小。图4-2-7所示为焊接速度对熔深的影响（束功率9kW）。

图4-2-6 输入能量对焊缝熔深的影响

图4-2-7 焊接速度对熔深的影响

4.工作距离

工作距离通常指真空室顶部到工件的距离，工作距离变化会影响到电子束的聚焦程度；当工作距离变化之后，为了保持斑点的能量密度，需要相应调节聚焦电流。工作距离对电子束功率密度的影响，如图4-2-8a所示。工作距离增大后，若其他焊接参数不变，聚焦电流要减小，因而束斑点直径增大从而使功率密度降低，焊缝熔深也就相应减小；反之，工作距离减小，则熔深相应增加。工作距离对焊缝熔深的影响，如图4-2-8b所示。工作距离变小时，电子束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，增加了电子束功率密度。通常在不影响电子枪稳定工作的前提下，应采用尽可能短的工作距离，但工作距离太小，会使过多的金属蒸气进入电子枪，造成放电。

图4-2-8 工作距离对功率密度和焊缝形状的影响

a）对功率密度的影响 b）对焊缝形状的影响

5.焦点位置

在电子束焦点附近，存在着一段束斑尺寸变化不大、功率密度几乎相等的区域，称为活性区。活性区的大小与电子枪的电子光学系统性能有关。电子束活性区，如图4-2-9a所示。电子束焊时，焦点的位置相对于焊件表面有上聚焦、下聚焦和表面聚焦3种。焦点位置对焊缝形状影响很大。当工件处于活性区的不同范围内进行电子束焊时，焊缝横截面的形状及熔深有明显区别，如图4-2-9b所示。电子束焊时应根据材料、板厚、接头形式、接头间隙、焊接速度等确定焦点位置，当焊件被焊厚度大于10mm时，通常采用下聚焦焊，焦点处于焊件表面以下2～3mm位置（焦点在焊缝熔深的30%处），当焊接厚度大于50mm时，焦点置于焊缝熔深的50%～75%之间更合适。

图4-2-9 电子束活性区和焦点位置与焊缝形状关系示意图

a）电子束活性区 b）焦点位置与焊缝形状关系

6.真空环境

真空室的真空度降低，增加了电子与金属蒸气、气体粒子的碰撞几率；碰撞致使气体粒子电离，电子束能量损失；碰撞又使电子束发生散射，能量密度降低，焊缝穿透深度降低。真空度对焊缝形状的影响如图4-2-10所示。

图4-2-10 真空度对焊缝形状的影响

7.脉冲电子束

采用脉冲电子束焊，可有效地增加熔深，如图4-2-11所示。图4-2-11a为直流电子束的特性，图4-2-11b为脉冲电子束的特性。比较图4-2-11a、b可以发现，由于脉冲电子束的峰值功率远比直流电子束高，其峰值温度也比平均温度高；而金属蒸发率与温度呈指数型关系，温度升高1倍，其蒸发率增加10倍或更高；采用脉冲电子束焊时，由于峰值温度高，金属蒸发速率成倍增加，金属蒸气的反作用力增大，从而提高了焊缝的深宽比。

电子束焊焊接参数对焊缝形状的影响分析

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