焊接工艺设计

1、焊接工艺设计级生产大作业 学 院： 材料科学与工程学院 专业班级： 焊接1301班 小组成员： 马永亮（130200814） 徐 壮（130200812） 孙 建（130200116） 何星池（130200112） 郝绪文（130200101） 汪 颖（130200525） 马鸣檀（130200530） 经戌末（130200109） 陈诗函（130200802） 作业时间： 2016年11月01日 12mm板厚Q345真空电子束焊接工艺一、发展背景电子束的发现迄今已100多年的历史。电子束焊接技术起源于德国，1948年前西德物理学家K.H.Steigerwald首次提出电子束焊接的设想；195

2、4年法国的J.A.Stohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志着电子束焊接金属获得成功；1957年11月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上公布了该技术，电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；1958年开始，美国、英国、日本及前苏联开始进行电子束焊接方面的研究，20世纪60年代后，我国开始从事电子束焊接研究。电子束焊接(EBW)是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。它具有其它熔焊方法难以比拟的优势和特殊功能：其焊接能量密度极高,容易实现金属材料的深熔透焊接、焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳

3、定性好等。随着航空航天、微电子、核能、交通运输及国防工业的飞速发展，各种高强度、高硬度、高韧性的铝合金、镁合金、钛合金和耐高温合金等金属材料以及复合材料广泛应用，加之构件形状日趋复杂化，对焊接工艺、加工精度和表面完整性提出了更高的要求。传统的焊接工艺难以适应高技术制造领域的发展趋势，对这些材料采用包括电子束焊接在内的高能束焊接技术优势较大。正是由于电子束焊接的上述优点，使该技术获得长足发展，已经成功地应用于各种工业领域，并广泛应用在各种材料上。厚大截面不锈钢的电子束焊接由于能够节约成本且满足质量要求而得到青睐。有许多文献已经证明电子束焊接在航空和医药钛合金上得到了成功应用。有色金属如铜、镍及其

4、合金的电子束焊接以及运输工业中异种材料的电子束焊接正迅猛增长。二、目的为了巩固所学常用特种焊接方法与设备的知识，熟悉有关资料，掌握焊接参数的选择和焊接设备的使用与维护，安排了为期一周的课程设计。通过本次焊接工艺设计，锻炼学生们的分析问题的能力，提高焊接操作技能。三、母材技术状况1、母材的选择：母材选用尺寸为300mm100mm12mm的Q345试件二块。其交货状态为热轧。2、Q345是一种低合金高强度结构钢。Q代表的是这种材质的屈服强度，后面的345，就是指这种材质的屈服值，在345MPa左右，并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。广泛应用于建筑，

5、桥梁、车辆、船舶、压力容器等。Q345化学成分见表1所示。 表1 Q345化学成分w(%)钢号化学成分w（%）Q345CMnSiSPVNbTi0.201.001.600.550.0400.0400.020.150.010.0600.020.20四、焊接材料选择及技术状况电子束焊接是利用空间定向高速电子束焊（EBW）是指在真空或非真空环境中，利用汇聚的高速电子流轰击焊件接缝处所产生的热能，使被焊金属融合的一种焊接方法。电子束焊接是一种高能束流焊接方法。在真空室内进行电子束焊时，除含有大量的高蒸气压元素的材料外，一般熔焊能焊的金属，都可以采用电子束焊。如铁、铜、镍、铝、钛及其合金等。此外，还能焊接

6、稀有金属、活性金属、难熔金属和非金属陶瓷等。可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。可以焊接热处理强化或冷作硬化的材料，而对接头的力学性能没有太大的影响。可实现不开坡口单道大厚度材料的焊接，节约大量填充材料，降低能源消耗，焊接速度快、焊缝组织性能好，焊接变形小，焊缝纯度高、接头质量好，工艺适应性强，可焊材料多，再现性好，可简化加工工艺。五、焊前准备1、试件材料：Q3452、试件尺寸：300mm100 mm12mm3、焊接位置：平焊4、结合面的加工与清理电子束焊接头金属紧密配合无坡口对接形式，一般不加填充金属，仅在焊接异种金属或合金，又确有必要时才使用填充金属。要求结合面经机械加工，表面

7、粗糙度一般为1.525。宽焊缝比窄焊缝对结合面要求可放宽，搭接接头也不必过严。焊前必须对焊件表面进行严格清理，否则易产生焊缝缺陷，力学性能变坏，还影响抽气时间。清理完毕后不能再用手或工具触及接头区，以免污染。5、接头装配（1）电子束焊接头要紧密结合，不留间隙，尽量使结合面平行，以便窄小的电子束能均匀融化接头两边的母材。(2)夹紧：电子束焊是机械或自动化操作的，如果零件不是设计成自紧式的，必须用夹具进行定位与夹紧，然后移动电子枪体或工作台完成焊接。为了避免电子束发生磁偏转，要使用无磁性的金属制造所有的夹具和工具。(3)退磁:所有磁性的金属材料在电子束焊之前都必须退磁。剩磁可能因磁粉探伤、电磁卡盘

8、或电化加工等造成，即使剩磁不大，也足以引起电子束的偏转。焊件退磁后可放在工频感应磁场中，靠慢慢移出进行退磁，也可用磁粉探伤设备进行退磁。6、抽真空电子束焊机的抽真空程序通常自动进行，可以保证真空机组和阀门正确地按顺序进行，避免由于人为的误操作而发生事故。真空室需经常清洗，尽量减少真空室暴露在大气中的时间，仔细清除被焊工件上的油污，并按期更换真空泵油，保持真空室的清洁和干燥。7、焊前预热对需要预热的工件，根据一定的形状、尺寸及所需要的预热温度，选择适宜的加热方法，如气枪焊、加热炉、感应加热等，在工件装入真空室前进行预热。六、焊接设备与工具选用电子束焊设备时，应综合考虑被焊材料、板厚、形状、产品批

9、量等因素。一般来说，焊接化学性能活泼的金属（如W、Ta、Mo、Nb、Ti）及其合金应选用高真空焊机；焊接易蒸发的金属及其合金应选用低真空焊机；厚大焊件应选用高压型焊机，中等厚度工件选用中压焊机；所以选用EZ-60/100型号电子束焊机,制造商是桂林师达，特性是焊接时不需要填充焊丝或其他材料；超精密焊接，焊接深度可在0.05100mm范围内精确控制；可进行数控精密焊接，能焊接复杂几何形状；焊后不需要进行焊缝表面处理和加工，大大减少机加工工作量； 焊接速度快，效率高，特别适合大批量生产；可焊接各种金属，包括不同种金属和难熔金属；由于焊接是在真空中进行，还可采用扫描搅拌焊接，因而有利于焊接过程中气体

10、杂质的排出，且焊缝表面光亮美观、无氧化现象。电子束焊机结构原理如图1所示。如图1 电子束焊机结构原理真空电子束焊机主要由电子枪、工作室（也称真空室）、电源及电气控制系统、真空系统、工作台以及辅助装置等部分组成。电子束焊机的关键部件是电子枪，为了减少电子在射入工件前与其他气体分子碰撞而引起能量损失和电子束发散，电子枪与焊接室都必须在一定的真空状态下工作。 七、焊接确定1、焊接接头设计:对接接头（如图2所示）如图2 电子束焊接的对接接头2、从电子枪中产生的电子束在25300kv的加速电压下加速到0.30.7倍的光速，经过电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，形成的功率密度很高的电子束流得到一个很小的焦

11、点。当电子束流撞击置于真空或非真空的工件表面时，电子的动能迅速转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发，实现焊接过程。3、不开坡口，无需填充金属。八、焊接工艺参数确定电子束焊的工艺参数主要包括加速电压、电子束电流、聚焦电流、焊接速度和工作距离等。电子束焊的工艺参数主要由板厚来决定。板厚越大，所要求的热量输入越高。为了防止裂纹、气孔和保证质量，对焊接工艺参数要严格控制。Q345电子束焊的焊接参数见表2所示。表2 Q345电子束焊的焊接参数材质板厚/mm加速电压/kV电子束电流/mA焊接速度/（cm.min-1）Q345125080301、加速电压在相同的功率、不同的加速电压下，所得焊缝深度和形状是不同的

12、。提高加速电压可增加焊缝的熔深，焊缝断面深宽比与加速电压成正比例。当焊接大厚度件并要求得到窄而平的焊缝或电子枪与焊件的距离较大时可提高加速电压。查表可得本次焊接需要的加速电压为4555kV。 2、电子束电流由电子枪阴极发射流向阳极的电子束电流（也称束流）与加速电压一起决定着电子束的功率。增加电子束电流，熔深和熔宽都会增加。在电子束焊中，由于加速电压基本不变，所以为满足不同的焊接工艺要求，常常要调整电子束电流来满足不同的焊接工艺需要。查表可得本次焊接需要的电子束电流为7585mA。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、宽度以及被焊材料熔池行为（冷却、凝固及焊缝融合线形状）。增加焊

13、接速度会使焊缝变窄，熔深减小。查表可得本次焊接的焊接速度为2833cm/min。4、聚焦电流电子束聚焦状态对熔深及焊缝成形影响很大。焦点变小可使焊缝变窄，熔深增加。厚板焊接时，应使焦点位于工件表面以下0.50.75mm的熔深处；薄板焊接时，应使焦点位于工件表面。根据被焊材料的焊接速度、接头间隙等决定聚焦位置，进而确定电子束斑点大小。5、工作距离焊件表面至电子枪的工作距离影响到电子束的聚焦程度，工作距离应在设备最佳范围内。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。但工作距离太小会使过多的金属蒸汽进入枪体造成放电。在不影响到电子枪稳定工作的前提下，可以采用尽可

14、能短的工作距离。此外，还应考虑焊缝横断面、焊缝外形及防止产生焊缝缺陷等因素，综合选择和实验确定焊接工艺参数。规范参数对焊缝形状的影响如图3所示。如图3 规范参数对焊缝形状的影响九、操作要点及安全注意事项在操作电子束焊机时要防止高压电击、X射线、可见光辐射以及烟气等对身体的危害。1、防止高压点击的措施：无论是低压型或高压型的电子束焊机，在运行时都带有足以致命的高电压。因此，焊机中一切带有高电压的系统，都必须采取有效的安全防护措施。电子束焊接设备应装置专用地线；设备外壳应用粗铜线接地。在更换阴极组件和维修时，应切断高压电源，并用放电棒接触准备更换的零件，以防电击。高压电源和电子枪应保证有足够的绝缘

15、和良好的接地，绝缘试验电压应为额定电压的1.5倍。2、电子束焊接时会产生有害的金属蒸气、烟雾、臭氧及氧化氮等。应采用抽气装置将真空室排出的抽气、烟尘等及时排出，以保证真空室内和工作场所的有害气体。含量降低到安全水准以下，使设备周围应易于通风。3、直接观察熔化金属发射的可见光对视力和皮肤有害，因此焊接过程中不允许用肉眼直接观察熔池，必要时应配戴防护眼镜。4、我国规定对无监护的工作人员允许的X射线剂量不应大于0.25mR/h，对于60kV以下电子束焊机的真空室采用足够厚度的钢板就能起防护X射线的作用，加速电压为60kV以上的焊机应附加铅板进行防护。无论是高压或是低压电子束系统都使用铅玻璃窗口。焊机

16、则安装在用高密度混凝土建造的X射线屏蔽室内。获得深熔焊的工艺方法5、电子束焊的最大优点是具有深熔透效应。为了保证获得深熔透效果，除了选择合适的电子束焊工艺参数外，还可以采取如下的一些工艺措施。（1）电子束水平入射焊当焊接熔深超过100mm时，可以采用电子束水平入射焊，从侧向进行焊接。（2）脉冲电子束焊在同样的功率下，采用脉冲电子束焊可有效地增加熔深。（3）变焦电子束焊极高的功率密度是获得深熔焊的基本条件。电子束功率密度最高的区域在其焦点上。焊接大厚度焊件时，可使焦点位置随着焊件的溶化速度变化而改变，始终以最大功率密度的电子束轰击待焊金属。（4）焊前预热或预置坡口焊前预热被焊件，可减少焊接时热量沿焊缝横向的热传导损失，有利于增加熔深。高强度钢焊前预热还可以减少裂纹倾向。在深熔焊时，往往有一定量的金属堆积在焊缝表面，如果预开坡口，这些金属会填充坡口，相当于增加了熔深。十、探伤检测根据GB/T33232005标准中规定，由缺陷性质、数量和大小将焊接接头质量分为四等级，即、，质量依次降低。十一、附加：设备信息品牌：德誉(DE