平板对接接头电子束焊接残余应力研究

　　【摘要】电子束焊接由于化学成分纯净，焊接接头热影响区小以及焊接变形小，而成为金属连接的首选方法。电子束焊接属于局部短时高温加热，焊缝窄而深，在焊接过程中会产生相当大的焊接应力，并在焊后形成残余应力，对结构的安全使用具有重要的影响。平板对接接头是焊接接头中最常见的接头形式，研究平板对接接头的残余应力是研究其它复杂焊接接头残余应力的基础。文章重点就平板对接接头电子束焊接残余应力相关问题进行研究分析，以供参考和借鉴。
　　【关键词】平板对接；电子束焊接；残余应力；研究
　　电子束焊接作为一种先进的连接技术，在我国制造业中蕴藏着巨大的应用潜力和广阔的开发空间。焊接残余应力是影响构件强度和寿命的主要因素之一，电子束焊接属于局部短时高温加热，焊缝窄而深，在焊接过程中会产生相当大的焊接应力，并在焊后形成残余应力，对结构的安全使用具有重要的影响。
　　一、电子束焊接概述
　　电子束焊接是用极致密的高速电子打到被焊金属上，使其加热、熔化、冷却结晶，从而形成焊缝的一种新型焊接工艺，它是电子束加工技术中发展最快、应用最广的一种，当下已成为工业生产中的重要特种工艺。近十年来在工业中的应用发展迅速，电子束在真空环境中通过电子枪产生的，电子枪通常由阴极、聚束极和阳极组成。电子是以热发射或场致发射的方式从阴极射出，在25300kV的加速电压的作用下，电子被加速到0。30。7倍的光速，具有一定的动能，经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，电子会聚成功率密度很高的电子束。电子束焊接过程中正是由功率密度极高的高速电子流与工件碰撞时，电子与金属晶格的整体也与金属原子、分子和电子的相互作用，电子的动能转化成热能，使被轰击的材料升温熔化，达到焊接的目的。电子束作为焊接热源有两个明显特点，即功率密度高和精确快速的可控性。基于上述特点和焊接时的真空条件，以电子束作为高能密度热源的电子束焊接，具有很多优于传统焊接工艺的特点：第一，可获得窄而深的穿透型熔化焊缝，其深宽比可达60：1，焊接厚板时可不开坡口，不填充金属，实现一次焊成，相对比传统焊法可节省辅助材料和能源消耗；第二，焊接速度快，对材料热输入少，热影响区窄，焊接变形小，对精加工可用其作为最后连接工序；第三，在真空中进行焊接可使氢、氧、氮等有害气体，对金属污染程度降至最低，且有利于焊缝金属的净化，所以很适于焊接活泼金属；第四，电子束在真空中传输较远，约500m的位置上可进行焊接，所以可以焊接难以接近部位的焊缝；第五，可以准确地控制焊接参数，便于电子束偏移，实现复杂接缝的自动焊接，可以通过电子束扫描熔池消除缺陷，提高接头质量；第六，可焊材料多，不仅能焊金属和异种金属材料的接头，也可以焊非金属材料；第七，可简化加工工艺，利用电子束的穿透性，对多层薄板可进行叠合一次焊接。
　　二、电子束焊接技术发展研究
　　电子束焊接技术起源于德国，1948年德国物理学家首先发明了第一台电子束焊接设备，1954年法国的斯托格博士用自行研制一台电子束焊接装置，为法国原子能委员会成功焊接了核反应堆燃料包壳。进入二十世纪七八年代，随着电子束焊接技术日趋成熟，以及电子束焊接设备稳定性和操作过程自动化程度的提高，电子束焊接技术不再牢固立足于尖端工业中，而是迅速普及扩大到一般机械制造业，特别是在大批量生产行业（汽车、轴承、工具制造业等）获得了迅速推广应用。1966年日本富士重工首先用电子束焊接汽车变速箱齿轮，到上世纪80年代末90年代初，电子束焊接进入了成熟和平穩发展期，全球的电子束焊机已达4000台。进入二十一世纪，随着人类活动空间向太空的进一步扩展，电子束焊接技术的应用也将从地面扩展到太空。电子束技术在空间结构焊接和加工中的作用将为人们进一步认识和发展，并将发挥重要作用。20世纪60年代初，国内开始跟踪世界电子束焊接技术的发展，进行了电子束焊接设备及工艺的研究工作。北京航空制造工程研究所、广西桂林电器科学研究所及中科院沈阳金属研究所，均为最早开展此项工作的单位。进入20世纪80年代以后，我国多家科研单位及大型工业企业引进了国外的先进电子束焊接设备，使我国的电子束焊接技术在研究与应用上逐步发展壮大。我国电子束焊接技术已广泛应用于汽车工业、齿轮加工业、精密仪器及电子仪表制造业、电工电能领域和航空航天领域的制造及维修业。
　　三、平板对接接头电子束焊接残余应力检测方法研究
　　经过70余年的发展，目前已有多种可适于多种场合的检测方法，一般分为应力释放法和其他方法。国外很多学者一般都采用X射线衍射法、中子衍射法来测定电子束焊接接头的残余应力，如Huang采用多曝光X射线衍射法成功地测量了SAE4130钢电子束焊接及其焊后热处理两种接头的残余应力的大小和分布。而Stone同样把X射线衍射法和中子法应用到了WASPALOY合金电子束焊板的残余应力的测量上，这些非破坏性方法，如X射线衍射法和中子法虽然对实际结构没有破坏影响，但它需要昂贵的实验设备，测试技术要求也较高，而且只能测量工件表面的应力，所以其广泛应用有一定困难。应力释放法是通过全部或局部释放残余应力，观测应变，反推残余应力分布，具有一定的破坏性，主要有切条、逐层切削、盲孔（小孔）等方法。因对结构有不同程度的破坏，故多用于实验室研究。盲孔法是应力释放法中的一种，就是在应力场中钻一个小孔，应力平衡被打破，则钻孔周围的应力将重新调整。测得附近的应力，就可用弹性力学方法计算出小孔处的应力。盲孔法由马泽苏埃特钻孔法，即小孔法演变而来，因破坏性较小而应用较多，但其力学基础方面还存在一定问题，需要标定，同时测取数据的适宜时间还有待于进一步研究。此法可用于实验室及现场，可用于水平、垂直及仰视表面，优点是原理简单，对试件损害较小，适用于焊缝及邻近材料；缺点是钻孔引起孔周边缘塑性变形，影响测量结果，因此采用此法必须十分小心。近年来，国内外学者曾用小孔法、切削法、冲击压痕法、声弹性法等研究焊接接头近缝区的残余应力应变，如M。E。S。AbdelMoneim等曾用切削法对铜铝管的摩擦焊接残余应力应变作了研究。90年代初，随着光学技术的飞速发展，人们研究用各种光测方法并引用近代先进手段进一步深入研究焊接接头的残余应力应变，如高频光栅、莫尔条纹、激光全息散斑等，近年来采用激光全息的方法在研究焊接后的残余应力应变方面作了一定的工作。
　　四、结束语
　　综上所述，电子束焊接的加热方式为独特的高能束流冲击方式，虽然构件变形范围很小，但其焊接残余应力由于温度梯度大而可能达到很高的数值。残余应力对焊接构件的强度有重要的影响，它是造成焊接构件断裂、疲劳破坏、应力腐蚀的重要因素。因此，必须通过实验手段来弄清楚残余应力的大小和分布，为焊接构件的设计和数值模拟提供依据和验证。
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