JBT 11062-2010 电子束焊接工艺指南

备案号：29448—2010电子束焊接工艺指南(ISO/TR17671-7:2004,Welding—Recommendationsforweldingofmetallicmaterials—Part7:Electronbeamwelding,MOD)I前言 Ⅱ1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 4质量要求 55母材和焊接材料的存储 56焊接设施 57焊接操作人员的资质 58焊接工艺规程 59焊接工艺评定 610接头制备 6 6 6 610.4装配 611接头设计 611.1纵向焊缝 611.2环形焊缝 712排气孔 713定位焊及修饰焊 814焊前及焊后热处理 815文件记录 8附录A(资料性附录)金属材料焊接性 9A.1概述 9A.2黑色金属 9A.3镍及镍合金 A.4铝镁合金 A.5铜及铜合金 A.6难熔金属和活性金属 A.7异种金属 A.8非金属 附录B(资料性附录)金属材料电子束焊接性 B.1钢的分类 B.2铝及铝合金的分类 B.3铜及铜合金的分类 B.4镍及镍合金的分类 B.5钛及钛合金的分类 B.6锆及锆合金的分类 ⅡB.7铸铁的分类 附录C(资料性附录)焊接缺欠产生的原因及防止措施 附录D(资料性附录)环缝接头设计示例 图1电子束流摆动术语 2图2工作距离和焦距的定义 2图3环缝焊接的相关定义 3图4带额外排气孔的焊件 4图5带夹层材料的焊接 4图6带过渡材料的不同金属的焊接 4图7经表面处理的工件制备的例子 6图8矩形对接焊缝 7图9带锁底的矩形对接焊缝 7图10具有独立垫板的矩形对接焊缝 7图11为分离焊接起始和结束的带引出板的工件 7图12与加工有关的空腔 8图A.1铝中合金含量对热裂倾向的影响 图D.1具有对中功能的径向接头型式 图D.2径向接头工件，用焊接夹具对中 图D.3具有不好和良好焊接位置的径向焊缝 20图D.4不同类型的轴向接头 20图D.5熔深满足强度要求的轴向接头例子(接头未穿透) 20图D.6减小应力集中的轴向接头设计 图D.7轴向接头间隙引起接头准备劣化 图D.8制造方法对齿轮尺寸的影响 图D.9接头位置不当的齿轮 22图D.10与图D.9相比接头位置较好 22图D.11与图D.9相比更好的接头位置 22图D.12可达性差的电子束焊缝 23图D.13轴向和径向焊缝导致变形的相对趋势 表B.1钢的分类 表B.2铝及铝合金的分类 表B.3铜及铜合金的分类 表B.4镍及镍合金的分类 表B.5钛及钛合金的分类 表B.6锆及锆合金的分类 表B.7铸铁的分类 表C.1焊接缺欠产生的原因及防止措施 I——质量控制的等级要求和焊接缺欠的等级要求分别按照GB/T12467和GB/T22085规定；——材料焊接性的表述采用了我国相关标准和技术规范的方法和定义。安航空发动机(集团)有限公司。本标准主要起草人：刘金合、王旭友、钟庆华、冯吉才、梁养民。电子束焊接工艺指南本标准规定了电子束焊接的推荐工艺方法。下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T5185—2005焊接及相关工艺方法代号(ISO4063:1998,IDT)GB/T6417.1—2005金属熔化焊接头缺欠分类及说明(ISO6520-1:1998,IDT)GB/T12467.1—2009金属材料熔焊质量要求第1部分：质量要求相应等级的选择准则(ISOGB/T12467.2—2009金属材料熔焊质量要求第2部分：完整质量要求(ISO3834-2:2005,IDT)GB/T12467.4—2009金属材料熔焊质量要求第4部分：基本质量要求(ISO3834-4:2005,IDT)GB/T19805—2005焊接操作工技能评定(ISO14732:1998,IDT)GB/T22085.1—2008电子束及激光焊接接头缺欠质量分级指南第1部分：钢(ISO13919-1:GB/T22085.2—2008电子束及激光焊接接头缺欠质量分级指南第2部分：铝及铝合金(ISOISO14744-1焊接电子束焊机的验收检验第1部分：原则及验收条件ISO14744-2焊接电子束焊机的验收检验第2部分：加速电压特性的测定ISO14744-3焊接电子束焊机的验收检验第3部分：电子束流特性的测定ISO14744-4焊接电子束焊机的验收检验第4部分：焊接速度的测定ISO14744-5焊接电子束焊机的验收检验第5部分：束流偏转精度测定ISO14744-6焊接电子束焊机的验收检验第6部分：束斑位置稳定性测定ISO15614-11金属材料焊接工艺规程及评定焊接工艺评定试验第11部分：电子束及激光焊接ISO/TR15608:2005焊接金属材料分类指南2电子束从初始位置的周期性偏转，用扫描图形、范围和频率进行描述，见图1。??图1—电子束流摆动术语为了改善外观，在焊缝表面重新熔合的焊道，该焊道通常采用散焦或束流摆动焊接。聚焦镜焦平面和焦点位置之间的距离；见图2。工件表面到设备标准参考位置间的距离(标准参考可起始于真正的聚焦镜平面),见图2。3透镜电流lenscurrent流过磁透镜线圈的电流，L。斜坡下降slope-down控制焊接结尾时电子束功率的递减。斜坡下降区即工件上衰减效应发生的区域，见图3。根据选择的焊接模式，斜坡下降区域可以有一到两个a)在未穿透焊情况下：一个熔化深度持续减小的区域。b)在穿透焊情况下：一个完全熔透的区域；一个未完全熔透或熔化深度减小的区域。图3环缝焊接的相关定义4焊接开始阶段电子束功率的可控递增，见图3。由于电子束穿透机械作用的不稳定性导致的熔融区深度为消除工件内产生冷隔而预制的小孔，见图4。图4带额外排气孔的焊件在接头界面上预先放置的合金箔片，用来改变熔融区的成分，以改善可焊性或焊缝性能，见图5。预制接头用于冶金不相容材料焊接的过渡材料，见图6。54质量要求的质量控制要求见GB/T12467.1,选择相应的质量等级要求(GB/T12467.2、GB/T12467.312467.4);焊接缺欠的质量等级要求见GB/T22085.1和GB/T22085.2规定。5母材和焊接材料的存储为了避免接触腐蚀和外来金属混杂等，根据ISO/TR15608,不同种类的母材和焊接材料应分别存焊接设施包括电子束焊机、厂房、工具、夹具、去磁设备和清洁设备。依照器材安全措施应对真空泵的噪声控制。在较大的厂房，机器操作位置和安受到其他人员工作的干扰。工作室排出的废气应根据相关的排放规则释求下，推荐用过滤的空气或惰性气体对真空室进行换气。电子束焊机的电源电压变化幅度不得超过10%,确保焊机接地可靠。作为内部质量管理的一部分，在交付使用或者移动、调整和修理主要机器元件验收检查。在验收检查中，除了最重要参数的再现性、重要特性数据偏差的一致性稳定性应按照规定的偏差容限进行测量和验证。使用特殊的设备在大气压力下进行电子束焊是可以的，在这种情况下，应采用合适的烟尘收集措电子束焊机运行在不同的加速电压下：真空装备可达到150kV,非真空装备可达200kV。加速电压决定了X射线屏蔽的设计。要按规定完成对辐射保护的所有检测，所有检测都要经辐射管理部门进行实施和监督。通常，电子枪固定在真空室上。作为选择，电子枪也可以安装在真空室内或和电子束之间的相对移动可通过工件的移动、电子枪的移动、束流的偏转或者7焊接操作人员的资质焊接操作人员应按照GB/T19805进行技能评定，并取得相应的资质。8焊接工艺规程工件电子束焊的所有细节内容都应按照GB/T19867.3规定，由焊接工艺规程确定下列内容，包—工件规格；——接头设计——焊接次序(定位焊，焊接，修饰焊);6——真空室压力；——工作距离； 9焊接工艺评定电子束焊的工艺评定应参照ISO15614-11进行。10接头制备推荐所有的待焊接头由高精度的切削加工进行。装配时尽量减小清理后的金属接合面间隙。通过碳化、阳极化、镀镉、氮化、碳酸盐处理、电镀(镀锌)等处理过的表面层最好通过切削加工将其从焊接接头附近区域去除(见图7)。图7经表面处理的工件制备的例子对铁磁材料的剩磁进行检查，如果需要，进行去磁处理。电子束焊的质量依赖于接头焊前准备的精度和清洁度。应注意所准备表面的状态和所采用冷却介质的适用性。接头表面应清除所有的污染，诸如氧化物、油污、油脂、冷却剂和漆层等。除了操作环境外，还应根据材料的种类、零件的尺寸、质量要求采用特定的清洁方法：a)用溶剂手工清除油污。b)在封闭的气化溶剂室中或超声波槽中清理。c)先用添加弱碱的蒸气处理，然后烘干。d)酸洗中和，在蒸馏水中清洗，烘干，短期储存。清洗后，对焊接的零件进行装配，避免再次污染和磁化。11接头设计11.1纵向焊缝如果待焊零件可以装夹，最好采用简单的矩形接头连接，见图8。为了装配精确，可采用锁底接头进行定位，见图9。对于大型工件，推荐采用点焊。7图8矩形对接焊缝图9带锁底的矩形对接焊缝为了避免飞溅和咬边，可在背面加垫板，见图10。t——工件厚度；s——焊缝熔深。图10具有独立垫板的矩形对接焊缝为了消除焊道弧坑，如果不能对工件的焊接起始和结束区域进行加工，可以采用引出板，见图11。引出板也减少了工件终端的热积聚。引出板可通过夹持或经焊接同工件相连以达到良好热接触，引出板在焊后去除。11.2环形焊缝焊接环形元件，采用锁底接头可简化定位。旋转角度、束流作用时间以及其他参数(例如聚焦电流)需要控制。由于斜坡下降区易出现钉尖缺陷，根据材料类型和焊接速度，在许多情况可以通过控制束流聚焦和摆动参数(形状、方向、频率和尺寸)消除斜坡下降区的钉尖缺陷产生。如果可能，环形焊缝应设计在位于低应力作用区，否则在下坡区域特别考虑给出缺陷的许用水平。对于容许尺寸误差小的零件的轴向环形焊缝，推荐采用压配合(例如对于带有间隙配合的环形焊缝，应该准确地定位。电子束焊典型接头制备的示例在附录D中给出。12排气孔由于零件设计或加工因素可能导致接头装配中出现不能排出气体的密闭空腔，导致焊接异常，所以，8要尽量减小空腔体积(见图12),否则应通过排气孔放气。图12与加工有关的空腔在大束流焊接之前，定位焊可使零件扣紧。定位焊可通过电子束焊方法或其他焊接方法。采用修饰焊可改善焊缝的外观。这时，应注意重熔焊缝是否损害接头性能。由于冶金原因需要焊前和(或)焊后热处理，也可通过电子束来进行。9常规熔焊方法可以焊接的大多数钢和铁合金，在电子束焊时统熔焊很难或不能焊接的钢也可以通过电子束焊实现连接。通常束焊时，降低钢含硫和磷的水平可以防止凝固裂纹的产生，对材料进行脱A.3镍及镍合金许多常用的镍合金可通过电子束焊接工艺实现满意的连接。纯镍，Ni-Cu,Ni-Cr,Ni-Be合金和许多Ni-Fe合金都可电子束焊。必须指出，纯镍和一些镍合金有磁性，在电子束焊时需要采用一定的预防措施。同弧焊相比，在高温下拥有良好抗蠕变性能的多元高温合金，在电子束焊接过程中产生较小的冶金干扰和热应变。对于许多高温合金，应预防在焊接过程中产生偏析裂纹和避免焊后热处理时产生裂纹。A.4铝镁合金工业上用的大多数铝镁合金通过电子束焊接可获得满意的接头。大多数Al-Mn合金(3×××系列)易于焊接。在焊接Al-Si-Mg合金(6×××系列)和异种金属时，应避免热裂纹(见图A.1)。可热处理强化的Al-Cu-Mg合金(如2014和2219类型)比普通的非热处理强化的有更好的焊接性，尽管焊后需要时效来提高强度。对于7×××和5×××系列铝合金(根据EN573-1),焊接过程中挥发性元素的蒸气可能导致电子枪放电、合金成分损失，从而降低材料性能。焊前清洗很重要，大多数的焊接缺陷的发生是由于清洗不当。许多铸造合金也可以进行电子束焊接，焊接质量主要由铸造质量特别是残余气体的含量决定。合金含量(质量分数，%)图A.1铝中合金含量对热裂倾向的影响A.5铜及铜合金不像许多其他连接纯铜的热工艺过程，电子束焊不需要任何的焊前预热，单道焊即可实现超过150mm厚的零件的连接。这里的“纯铜”可能含有氧、硫和碳，其在焊接过程中会形成气孔，降低了焊接性(如Cu-ETP)。建议最好为高导电无氧铜(OFHC,ISO1190-1)或者去氧磷铜(如EN1173Cu-DPH除了黄铜(Cu-Zn合金),大多数的铜合金可以通过电子束焊实现连接。但是，在母材性能较差、剩余气体含量很高的情况下铸造材料的焊接则存在问题。对于某些高强度材料，如含锆的合金可能会出现开裂的问题。A.6难熔金属和活性金属电子束焊接时的真空工作环境，使拥有高熔点并且在高温或熔化时活性极强的金属的连接成为可能。钛及其合金在电子束焊接时不需要考虑氧化、氢脆及随后的延展性衰减的问题。因此，电子束焊接工艺广泛应用于飞机发动机上关键的钛合金部件。同样，非常活泼的锆合金也可以容易地在真空环境下焊接。同样，铌、钒及其合金也可成功的进行电子束焊，但材料的纯度水平影响其焊接质量和性钨、钼及其合金也可用电子束焊接，考虑到焊后的低延展性，应对接头细节予以注意。电子束焊接的明显的优点就是其高的功率密度使不同热导率和熔点的异种金属成功实现连接，而不存在低熔点材料优先熔化的现象。许多异种金属可以实现连接，由于冶金性不相容和不希望的金属间化合物的生成，所以不是所有的异种金属都可以实现连接。在焊接异种金属时，由于热电偶效应会产生热电流，由此引起强磁场和电子束的偏转。被焊材料的磁电性能和零件的尺寸决定这种特殊对于产生接头脆性的被焊材料可以通过互相兼容的过渡材料或合适中间层的电子束钎焊来实现(见图5和图6)。A.8非金属通常非金属用电子束焊接是不可能的，有时可以用电子束实现钻孔、切割和雕刻。类别组别钢：规定最小屈服强度R⁴≤460N/mm²且化学元素含量(质量分数)满足下列要求的银1规定最小屈服强度R-≤275N/mm²的钢l规定最小屈服强度275N/mm²<Ren≤360N/mm²的钢规定最小屈服强度R->360N/mm²的正火细晶粒钢1Ⅱ2热机械处理的细晶钢和规定最小屈服强度R>360N/mm²的铸钢热机械处理的细晶钢和规定最小屈服强度360N/mm²<R≤460N/mm²的铸钢I热机械处理的细晶钢和规定最小屈服强度R>460N/mm²的铸钢13规定最小屈服强度R>360N/mm²的调质钢和弥散硬化钢规定最小屈服强度360N/mm²<Rμ≤690N/mm²的调质钢l规定最小屈服强度R->690N/mm²的调质钢Ⅱ沉淀硬化钢(不锈钢除外)Ⅱ表B.1钢的分类(续)类别组别4Mo≤0.7%,V≤0.1%的低钒Cr-Mo-(NⅡⅡ50.75%≤Cr≤1.5%,Mo≤0.7%的钢Ⅱ1.5%≤Cr≤3.5%,0.7%<Mo≤1.2%的钢Ⅱ3.5%≤Cr≤7.0%,0.4%<Mo≤0.7%的钢ⅡⅡ6高钒Cr-Mo-(Ni)合金钢0.3%≤Cr≤0.75%,Mo≤0.7%Ⅱ0.75%≤Cr≤3.5%,0.7%<Mo≤1.2%,V≤0.35%的钢Ⅱ3.5%≤Cr≤7.0%,Mo≤0.7%,0.Ⅱ7.0%≤Cr≤12.5%,0.7%<Mo≤1.2%,V≤0.35%的钢Ⅱ710.5%≤Cr≤30%,C≤0.35%的铁素体、马氏体或弥散强化不锈钢1马氏体不锈钢Ⅱ18奥氏体钢IⅡⅡ9ⅡⅡ8.0%<Ni≤10.0%的镍合金钢Ⅱ奥氏体—铁素体不锈钢(双相)ⅡⅡ除了0.25%<C≤0.5%组1覆盖的钢Ⅱ0.35%<C≤0.5%,在11条件下的钢Ⅱ根据钢产品标准的规定，R可以用R或Ros代b可接受的最大值为Cr+Mo+Ni+Cu+V≤0.75%。表B.2铝及铝合金的分类类别组别杂质≤1%的纯铝lII1.5%<Mg≤3.5%的铝锰合金ⅡIⅡⅡICu≤1%,5%<Si≤15%,0.1%<MⅡⅡB.3铜及铜合金的分类铜及铜合金的分组见表B.3。表B.3铜及铜合金的分类类别组别纯铜ⅡⅢⅢ1Ⅲ类别31～36未包括的其他元素合金含量(质量分数)Ⅱ类别31～36未包括的其他元素合金含量(质量分数)高于或ⅡB.4镍及镍合金的分类镍及镍合金的分类见表B.4。所给的数据基于合金设计时元素的含量。类别43到类别48合金的可焊性由次要的添加元素Al、Ti、Nb等决定。类别I1ⅡⅡⅡ镍铬钴合金(Ni-Cr-Co)Ni≥45ⅡⅡ镍铁钴合金(Ni-Fe-Co-Cr-Mo-Cu)25%≤Ni≤45Ⅱ类别组别ⅡO₂<0.20%的钛10.25%<O₂≤0.35%的钛10.35%<O₂≤0.40%的钛IⅡα-β合金ⅡNb53包括的合金为：Ti-3Al-2.5V(WCLⅡ),Ti-