焊接工藝設(shè)計(jì)

1、焊接工藝設(shè)計(jì)級(jí)生產(chǎn)大作業(yè) 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 焊接1301班 小組成員： 馬永亮（130200814） 徐 壯（130200812） 孫 建（130200116） 何星池（130200112） 郝緒文（130200101） 汪 穎（130200525） 馬鳴檀（130200530） 經(jīng)戌末（130200109） 陳詩函（130200802） 作業(yè)時(shí)間： 2016年11月01日 12mm板厚Q345真空電子束焊接工藝一、發(fā)展背景電子束的發(fā)現(xiàn)迄今已100多年的歷史。電子束焊接技術(shù)起源于德國，1948年前西德物理學(xué)家K.H.Steigerwald首次提出電子束焊接的設(shè)想；195

2、4年法國的J.A.Stohr博士成功焊接了核反應(yīng)堆燃料包殼，標(biāo)志著電子束焊接金屬獲得成功；1957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術(shù)大會(huì)上公布了該技術(shù)，電子束焊接被確認(rèn)為一種新的焊接方法；1958年開始，美國、英國、日本及前蘇聯(lián)開始進(jìn)行電子束焊接方面的研究，20世紀(jì)60年代后，我國開始從事電子束焊接研究。電子束焊接(EBW)是以高能密度電子束作為能量載體對(duì)材料和構(gòu)件實(shí)現(xiàn)焊接和加工的新型特種加工工藝方法。它具有其它熔焊方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)和特殊功能：其焊接能量密度極高,容易實(shí)現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接、焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接殘余變形小、焊接工藝參數(shù)容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)

3、定性好等。隨著航空航天、微電子、核能、交通運(yùn)輸及國防工業(yè)的飛速發(fā)展，各種高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的鋁合金、鎂合金、鈦合金和耐高溫合金等金屬材料以及復(fù)合材料廣泛應(yīng)用，加之構(gòu)件形狀日趨復(fù)雜化，對(duì)焊接工藝、加工精度和表面完整性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的焊接工藝難以適應(yīng)高技術(shù)制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)這些材料采用包括電子束焊接在內(nèi)的高能束焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)較大。正是由于電子束焊接的上述優(yōu)點(diǎn)，使該技術(shù)獲得長足發(fā)展，已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用在各種材料上。厚大截面不銹鋼的電子束焊接由于能夠節(jié)約成本且滿足質(zhì)量要求而得到青睞。有許多文獻(xiàn)已經(jīng)證明電子束焊接在航空和醫(yī)藥鈦合金上得到了成功應(yīng)用。有色金屬如銅、鎳及其

4、合金的電子束焊接以及運(yùn)輸工業(yè)中異種材料的電子束焊接正迅猛增長。二、目的為了鞏固所學(xué)常用特種焊接方法與設(shè)備的知識(shí)，熟悉有關(guān)資料，掌握焊接參數(shù)的選擇和焊接設(shè)備的使用與維護(hù)，安排了為期一周的課程設(shè)計(jì)。通過本次焊接工藝設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生們的分析問題的能力，提高焊接操作技能。三、母材技術(shù)狀況1、母材的選擇：母材選用尺寸為300mm100mm12mm的Q345試件二塊。其交貨狀態(tài)為熱軋。2、Q345是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，后面的345，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在345MPa左右，并會(huì)隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。并會(huì)隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。廣泛應(yīng)用于建筑，

5、橋梁、車輛、船舶、壓力容器等。Q345化學(xué)成分見表1所示。 表1 Q345化學(xué)成分w(%)鋼號(hào)化學(xué)成分w（%）Q345CMnSiSPVNbTi0.201.001.600.550.0400.0400.020.150.010.0600.020.20四、焊接材料選擇及技術(shù)狀況電子束焊接是利用空間定向高速電子束焊（EBW）是指在真空或非真空環(huán)境中，利用匯聚的高速電子流轟擊焊件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使被焊金屬融合的一種焊接方法。電子束焊接是一種高能束流焊接方法。在真空室內(nèi)進(jìn)行電子束焊時(shí)，除含有大量的高蒸氣壓元素的材料外，一般熔焊能焊的金屬，都可以采用電子束焊。如鐵、銅、鎳、鋁、鈦及其合金等。此外，還能焊接

6、稀有金屬、活性金屬、難熔金屬和非金屬陶瓷等?？梢院附尤埸c(diǎn)、熱導(dǎo)率、溶解度相差很大的異種金屬?？梢院附訜崽幚韽?qiáng)化或冷作硬化的材料，而對(duì)接頭的力學(xué)性能沒有太大的影響?？蓪?shí)現(xiàn)不開坡口單道大厚度材料的焊接，節(jié)約大量填充材料，降低能源消耗，焊接速度快、焊縫組織性能好，焊接變形小，焊縫純度高、接頭質(zhì)量好，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，可焊材料多，再現(xiàn)性好，可簡(jiǎn)化加工工藝。五、焊前準(zhǔn)備1、試件材料：Q3452、試件尺寸：300mm100 mm12mm3、焊接位置：平焊4、結(jié)合面的加工與清理電子束焊接頭金屬緊密配合無坡口對(duì)接形式，一般不加填充金屬，僅在焊接異種金屬或合金，又確有必要時(shí)才使用填充金屬。要求結(jié)合面經(jīng)機(jī)械加工，表面

7、粗糙度一般為1.525。寬焊縫比窄焊縫對(duì)結(jié)合面要求可放寬，搭接接頭也不必過嚴(yán)。焊前必須對(duì)焊件表面進(jìn)行嚴(yán)格清理，否則易產(chǎn)生焊縫缺陷，力學(xué)性能變壞，還影響抽氣時(shí)間。清理完畢后不能再用手或工具觸及接頭區(qū)，以免污染。5、接頭裝配（1）電子束焊接頭要緊密結(jié)合，不留間隙，盡量使結(jié)合面平行，以便窄小的電子束能均勻融化接頭兩邊的母材。(2)夾緊：電子束焊是機(jī)械或自動(dòng)化操作的，如果零件不是設(shè)計(jì)成自緊式的，必須用夾具進(jìn)行定位與夾緊，然后移動(dòng)電子槍體或工作臺(tái)完成焊接。為了避免電子束發(fā)生磁偏轉(zhuǎn)，要使用無磁性的金屬制造所有的夾具和工具。(3)退磁:所有磁性的金屬材料在電子束焊之前都必須退磁。剩磁可能因磁粉探傷、電磁卡盤

8、或電化加工等造成，即使剩磁不大，也足以引起電子束的偏轉(zhuǎn)。焊件退磁后可放在工頻感應(yīng)磁場(chǎng)中，靠慢慢移出進(jìn)行退磁，也可用磁粉探傷設(shè)備進(jìn)行退磁。6、抽真空電子束焊機(jī)的抽真空程序通常自動(dòng)進(jìn)行，可以保證真空機(jī)組和閥門正確地按順序進(jìn)行，避免由于人為的誤操作而發(fā)生事故。真空室需經(jīng)常清洗，盡量減少真空室暴露在大氣中的時(shí)間，仔細(xì)清除被焊工件上的油污，并按期更換真空泵油，保持真空室的清潔和干燥。7、焊前預(yù)熱對(duì)需要預(yù)熱的工件，根據(jù)一定的形狀、尺寸及所需要的預(yù)熱溫度，選擇適宜的加熱方法，如氣槍焊、加熱爐、感應(yīng)加熱等，在工件裝入真空室前進(jìn)行預(yù)熱。六、焊接設(shè)備與工具選用電子束焊設(shè)備時(shí)，應(yīng)綜合考慮被焊材料、板厚、形狀、產(chǎn)品批

9、量等因素。一般來說，焊接化學(xué)性能活潑的金屬（如W、Ta、Mo、Nb、Ti）及其合金應(yīng)選用高真空焊機(jī)；焊接易蒸發(fā)的金屬及其合金應(yīng)選用低真空焊機(jī)；厚大焊件應(yīng)選用高壓型焊機(jī)，中等厚度工件選用中壓焊機(jī)；所以選用EZ-60/100型號(hào)電子束焊機(jī),制造商是桂林師達(dá)，特性是焊接時(shí)不需要填充焊絲或其他材料；超精密焊接，焊接深度可在0.05100mm范圍內(nèi)精確控制；可進(jìn)行數(shù)控精密焊接，能焊接復(fù)雜幾何形狀；焊后不需要進(jìn)行焊縫表面處理和加工，大大減少機(jī)加工工作量； 焊接速度快，效率高，特別適合大批量生產(chǎn)；可焊接各種金屬，包括不同種金屬和難熔金屬；由于焊接是在真空中進(jìn)行，還可采用掃描攪拌焊接，因而有利于焊接過程中氣體

10、雜質(zhì)的排出，且焊縫表面光亮美觀、無氧化現(xiàn)象。電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。如圖1 電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)原理真空電子束焊機(jī)主要由電子槍、工作室（也稱真空室）、電源及電氣控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、工作臺(tái)以及輔助裝置等部分組成。電子束焊機(jī)的關(guān)鍵部件是電子槍，為了減少電子在射入工件前與其他氣體分子碰撞而引起能量損失和電子束發(fā)散，電子槍與焊接室都必須在一定的真空狀態(tài)下工作。 七、焊接確定1、焊接接頭設(shè)計(jì):對(duì)接接頭（如圖2所示）如圖2 電子束焊接的對(duì)接接頭2、從電子槍中產(chǎn)生的電子束在25300kv的加速電壓下加速到0.30.7倍的光速，經(jīng)過電子槍中靜電透鏡和電磁透鏡的作用，形成的功率密度很高的電子束流得到一個(gè)很小的焦

11、點(diǎn)。當(dāng)電子束流撞擊置于真空或非真空的工件表面時(shí)，電子的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬迅速熔化和蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)焊接過程。3、不開坡口，無需填充金屬。八、焊接工藝參數(shù)確定電子束焊的工藝參數(shù)主要包括加速電壓、電子束電流、聚焦電流、焊接速度和工作距離等。電子束焊的工藝參數(shù)主要由板厚來決定。板厚越大，所要求的熱量輸入越高。為了防止裂紋、氣孔和保證質(zhì)量，對(duì)焊接工藝參數(shù)要嚴(yán)格控制。Q345電子束焊的焊接參數(shù)見表2所示。表2 Q345電子束焊的焊接參數(shù)材質(zhì)板厚/mm加速電壓/kV電子束電流/mA焊接速度/（cm.min-1）Q345125080301、加速電壓在相同的功率、不同的加速電壓下，所得焊縫深度和形狀是不同的

12、。提高加速電壓可增加焊縫的熔深，焊縫斷面深寬比與加速電壓成正比例。當(dāng)焊接大厚度件并要求得到窄而平的焊縫或電子槍與焊件的距離較大時(shí)可提高加速電壓。查表可得本次焊接需要的加速電壓為4555kV。 2、電子束電流由電子槍陰極發(fā)射流向陽極的電子束電流（也稱束流）與加速電壓一起決定著電子束的功率。增加電子束電流，熔深和熔寬都會(huì)增加。在電子束焊中，由于加速電壓基本不變，所以為滿足不同的焊接工藝要求，常常要調(diào)整電子束電流來滿足不同的焊接工藝需要。查表可得本次焊接需要的電子束電流為7585mA。3、焊接速度焊接速度和電子束功率一起決定著焊縫的熔深、寬度以及被焊材料熔池行為（冷卻、凝固及焊縫融合線形狀）。增加焊

13、接速度會(huì)使焊縫變窄，熔深減小。查表可得本次焊接的焊接速度為2833cm/min。4、聚焦電流電子束聚焦?fàn)顟B(tài)對(duì)熔深及焊縫成形影響很大。焦點(diǎn)變小可使焊縫變窄，熔深增加。厚板焊接時(shí)，應(yīng)使焦點(diǎn)位于工件表面以下0.50.75mm的熔深處；薄板焊接時(shí)，應(yīng)使焦點(diǎn)位于工件表面。根據(jù)被焊材料的焊接速度、接頭間隙等決定聚焦位置，進(jìn)而確定電子束斑點(diǎn)大小。5、工作距離焊件表面至電子槍的工作距離影響到電子束的聚焦程度，工作距離應(yīng)在設(shè)備最佳范圍內(nèi)。工作距離變小時(shí)，電子束的壓縮比增大，使電子束斑點(diǎn)直徑變小，增加了電子束功率密度。但工作距離太小會(huì)使過多的金屬蒸汽進(jìn)入槍體造成放電。在不影響到電子槍穩(wěn)定工作的前提下，可以采用盡可

14、能短的工作距離。此外，還應(yīng)考慮焊縫橫斷面、焊縫外形及防止產(chǎn)生焊縫缺陷等因素，綜合選擇和實(shí)驗(yàn)確定焊接工藝參數(shù)。規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫形狀的影響如圖3所示。如圖3 規(guī)范參數(shù)對(duì)焊縫形狀的影響九、操作要點(diǎn)及安全注意事項(xiàng)在操作電子束焊機(jī)時(shí)要防止高壓電擊、X射線、可見光輻射以及煙氣等對(duì)身體的危害。1、防止高壓點(diǎn)擊的措施：無論是低壓型或高壓型的電子束焊機(jī)，在運(yùn)行時(shí)都帶有足以致命的高電壓。因此，焊機(jī)中一切帶有高電壓的系統(tǒng)，都必須采取有效的安全防護(hù)措施。電子束焊接設(shè)備應(yīng)裝置專用地線；設(shè)備外殼應(yīng)用粗銅線接地。在更換陰極組件和維修時(shí)，應(yīng)切斷高壓電源，并用放電棒接觸準(zhǔn)備更換的零件，以防電擊。高壓電源和電子槍應(yīng)保證有足夠的絕緣

15、和良好的接地，絕緣試驗(yàn)電壓應(yīng)為額定電壓的1.5倍。2、電子束焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害的金屬蒸氣、煙霧、臭氧及氧化氮等。應(yīng)采用抽氣裝置將真空室排出的抽氣、煙塵等及時(shí)排出，以保證真空室內(nèi)和工作場(chǎng)所的有害氣體。含量降低到安全水準(zhǔn)以下，使設(shè)備周圍應(yīng)易于通風(fēng)。3、直接觀察熔化金屬發(fā)射的可見光對(duì)視力和皮膚有害，因此焊接過程中不允許用肉眼直接觀察熔池，必要時(shí)應(yīng)配戴防護(hù)眼鏡。4、我國規(guī)定對(duì)無監(jiān)護(hù)的工作人員允許的X射線劑量不應(yīng)大于0.25mR/h，對(duì)于60kV以下電子束焊機(jī)的真空室采用足夠厚度的鋼板就能起防護(hù)X射線的作用，加速電壓為60kV以上的焊機(jī)應(yīng)附加鉛板進(jìn)行防護(hù)。無論是高壓或是低壓電子束系統(tǒng)都使用鉛玻璃窗口。焊機(jī)

16、則安裝在用高密度混凝土建造的X射線屏蔽室內(nèi)。獲得深熔焊的工藝方法5、電子束焊的最大優(yōu)點(diǎn)是具有深熔透效應(yīng)。為了保證獲得深熔透效果，除了選擇合適的電子束焊工藝參數(shù)外，還可以采取如下的一些工藝措施。（1）電子束水平入射焊當(dāng)焊接熔深超過100mm時(shí)，可以采用電子束水平入射焊，從側(cè)向進(jìn)行焊接。（2）脈沖電子束焊在同樣的功率下，采用脈沖電子束焊可有效地增加熔深。（3）變焦電子束焊極高的功率密度是獲得深熔焊的基本條件。電子束功率密度最高的區(qū)域在其焦點(diǎn)上。焊接大厚度焊件時(shí)，可使焦點(diǎn)位置隨著焊件的溶化速度變化而改變，始終以最大功率密度的電子束轟擊待焊金屬。（4）焊前預(yù)熱或預(yù)置坡口焊前預(yù)熱被焊件，可減少焊接時(shí)熱量沿焊縫橫向的熱傳導(dǎo)損失，有利于增加熔深。高強(qiáng)度鋼焊前預(yù)熱還可以減少裂紋傾向。在深熔焊時(shí)，往往有一定量的金屬堆積在焊縫表面，如果預(yù)開坡口，這些金屬會(huì)填充坡口，相當(dāng)于增加了熔深。十、探傷檢測(cè)根據(jù)GB/T33232005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，由缺陷性質(zhì)、數(shù)量和大小將焊接接頭質(zhì)量分為四等級(jí)，即、，質(zhì)量依次降低。十一、附加：設(shè)備信息品牌：德譽(yù)(DE