JBT 11062-2010 電子束焊接工藝指南

備案號：29448—2010電子束焊接工藝指南(ISO/TR17671-7:2004,Welding—Recommendationsforweldingofmetallicmaterials—Part7:Electronbeamwelding,MOD)I前言 Ⅱ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 4質(zhì)量要求 55母材和焊接材料的存儲 56焊接設(shè)施 57焊接操作人員的資質(zhì) 58焊接工藝規(guī)程 59焊接工藝評定 610接頭制備 6 6 6 610.4裝配 611接頭設(shè)計 611.1縱向焊縫 611.2環(huán)形焊縫 712排氣孔 713定位焊及修飾焊 814焊前及焊后熱處理 815文件記錄 8附錄A(資料性附錄)金屬材料焊接性 9A.1概述 9A.2黑色金屬 9A.3鎳及鎳合金 A.4鋁鎂合金 A.5銅及銅合金 A.6難熔金屬和活性金屬 A.7異種金屬 A.8非金屬 附錄B(資料性附錄)金屬材料電子束焊接性 B.1鋼的分類 B.2鋁及鋁合金的分類 B.3銅及銅合金的分類 B.4鎳及鎳合金的分類 B.5鈦及鈦合金的分類 B.6鋯及鋯合金的分類 ⅡB.7鑄鐵的分類 附錄C(資料性附錄)焊接缺欠產(chǎn)生的原因及防止措施 附錄D(資料性附錄)環(huán)縫接頭設(shè)計示例 圖1電子束流擺動術(shù)語 2圖2工作距離和焦距的定義 2圖3環(huán)縫焊接的相關(guān)定義 3圖4帶額外排氣孔的焊件 4圖5帶夾層材料的焊接 4圖6帶過渡材料的不同金屬的焊接 4圖7經(jīng)表面處理的工件制備的例子 6圖8矩形對接焊縫 7圖9帶鎖底的矩形對接焊縫 7圖10具有獨(dú)立墊板的矩形對接焊縫 7圖11為分離焊接起始和結(jié)束的帶引出板的工件 7圖12與加工有關(guān)的空腔 8圖A.1鋁中合金含量對熱裂傾向的影響 圖D.1具有對中功能的徑向接頭型式 圖D.2徑向接頭工件，用焊接夾具對中 圖D.3具有不好和良好焊接位置的徑向焊縫 20圖D.4不同類型的軸向接頭 20圖D.5熔深滿足強(qiáng)度要求的軸向接頭例子(接頭未穿透) 20圖D.6減小應(yīng)力集中的軸向接頭設(shè)計 圖D.7軸向接頭間隙引起接頭準(zhǔn)備劣化 圖D.8制造方法對齒輪尺寸的影響 圖D.9接頭位置不當(dāng)?shù)凝X輪 22圖D.10與圖D.9相比接頭位置較好 22圖D.11與圖D.9相比更好的接頭位置 22圖D.12可達(dá)性差的電子束焊縫 23圖D.13軸向和徑向焊縫導(dǎo)致變形的相對趨勢 表B.1鋼的分類 表B.2鋁及鋁合金的分類 表B.3銅及銅合金的分類 表B.4鎳及鎳合金的分類 表B.5鈦及鈦合金的分類 表B.6鋯及鋯合金的分類 表B.7鑄鐵的分類 表C.1焊接缺欠產(chǎn)生的原因及防止措施 I——質(zhì)量控制的等級要求和焊接缺欠的等級要求分別按照GB/T12467和GB/T22085規(guī)定；——材料焊接性的表述采用了我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的方法和定義。安航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限公司。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：劉金合、王旭友、鐘慶華、馮吉才、梁養(yǎng)民。電子束焊接工藝指南本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電子束焊接的推薦工藝方法。下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡修改單(不包括勘誤的內(nèi)容)或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。GB/T5185—2005焊接及相關(guān)工藝方法代號(ISO4063:1998,IDT)GB/T6417.1—2005金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明(ISO6520-1:1998,IDT)GB/T12467.1—2009金屬材料熔焊質(zhì)量要求第1部分：質(zhì)量要求相應(yīng)等級的選擇準(zhǔn)則(ISOGB/T12467.2—2009金屬材料熔焊質(zhì)量要求第2部分：完整質(zhì)量要求(ISO3834-2:2005,IDT)GB/T12467.4—2009金屬材料熔焊質(zhì)量要求第4部分：基本質(zhì)量要求(ISO3834-4:2005,IDT)GB/T19805—2005焊接操作工技能評定(ISO14732:1998,IDT)GB/T22085.1—2008電子束及激光焊接接頭缺欠質(zhì)量分級指南第1部分：鋼(ISO13919-1:GB/T22085.2—2008電子束及激光焊接接頭缺欠質(zhì)量分級指南第2部分：鋁及鋁合金(ISOISO14744-1焊接電子束焊機(jī)的驗收檢驗第1部分：原則及驗收條件ISO14744-2焊接電子束焊機(jī)的驗收檢驗第2部分：加速電壓特性的測定ISO14744-3焊接電子束焊機(jī)的驗收檢驗第3部分：電子束流特性的測定ISO14744-4焊接電子束焊機(jī)的驗收檢驗第4部分：焊接速度的測定ISO14744-5焊接電子束焊機(jī)的驗收檢驗第5部分：束流偏轉(zhuǎn)精度測定ISO14744-6焊接電子束焊機(jī)的驗收檢驗第6部分：束斑位置穩(wěn)定性測定ISO15614-11金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定焊接工藝評定試驗第11部分：電子束及激光焊接ISO/TR15608:2005焊接金屬材料分類指南2電子束從初始位置的周期性偏轉(zhuǎn)，用掃描圖形、范圍和頻率進(jìn)行描述，見圖1。??圖1—電子束流擺動術(shù)語為了改善外觀，在焊縫表面重新熔合的焊道，該焊道通常采用散焦或束流擺動焊接。聚焦鏡焦平面和焦點(diǎn)位置之間的距離；見圖2。工件表面到設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)參考位置間的距離(標(biāo)準(zhǔn)參考可起始于真正的聚焦鏡平面),見圖2。3透鏡電流lenscurrent流過磁透鏡線圈的電流，L。斜坡下降slope-down控制焊接結(jié)尾時電子束功率的遞減。斜坡下降區(qū)即工件上衰減效應(yīng)發(fā)生的區(qū)域，見圖3。根據(jù)選擇的焊接模式，斜坡下降區(qū)域可以有一到兩個a)在未穿透焊情況下：一個熔化深度持續(xù)減小的區(qū)域。b)在穿透焊情況下：一個完全熔透的區(qū)域；一個未完全熔透或熔化深度減小的區(qū)域。圖3環(huán)縫焊接的相關(guān)定義4焊接開始階段電子束功率的可控遞增，見圖3。由于電子束穿透機(jī)械作用的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的熔融區(qū)深度為消除工件內(nèi)產(chǎn)生冷隔而預(yù)制的小孔，見圖4。圖4帶額外排氣孔的焊件在接頭界面上預(yù)先放置的合金箔片，用來改變?nèi)廴趨^(qū)的成分，以改善可焊性或焊縫性能，見圖5。預(yù)制接頭用于冶金不相容材料焊接的過渡材料，見圖6。54質(zhì)量要求的質(zhì)量控制要求見GB/T12467.1,選擇相應(yīng)的質(zhì)量等級要求(GB/T12467.2、GB/T12467.312467.4);焊接缺欠的質(zhì)量等級要求見GB/T22085.1和GB/T22085.2規(guī)定。5母材和焊接材料的存儲為了避免接觸腐蝕和外來金屬混雜等，根據(jù)ISO/TR15608,不同種類的母材和焊接材料應(yīng)分別存焊接設(shè)施包括電子束焊機(jī)、廠房、工具、夾具、去磁設(shè)備和清潔設(shè)備。依照器材安全措施應(yīng)對真空泵的噪聲控制。在較大的廠房，機(jī)器操作位置和安受到其他人員工作的干擾。工作室排出的廢氣應(yīng)根據(jù)相關(guān)的排放規(guī)則釋求下，推薦用過濾的空氣或惰性氣體對真空室進(jìn)行換氣。電子束焊機(jī)的電源電壓變化幅度不得超過10%,確保焊機(jī)接地可靠。作為內(nèi)部質(zhì)量管理的一部分，在交付使用或者移動、調(diào)整和修理主要機(jī)器元件驗收檢查。在驗收檢查中，除了最重要參數(shù)的再現(xiàn)性、重要特性數(shù)據(jù)偏差的一致性穩(wěn)定性應(yīng)按照規(guī)定的偏差容限進(jìn)行測量和驗證。使用特殊的設(shè)備在大氣壓力下進(jìn)行電子束焊是可以的，在這種情況下，應(yīng)采用合適的煙塵收集措電子束焊機(jī)運(yùn)行在不同的加速電壓下：真空裝備可達(dá)到150kV,非真空裝備可達(dá)200kV。加速電壓決定了X射線屏蔽的設(shè)計。要按規(guī)定完成對輻射保護(hù)的所有檢測，所有檢測都要經(jīng)輻射管理部門進(jìn)行實(shí)施和監(jiān)督。通常，電子槍固定在真空室上。作為選擇，電子槍也可以安裝在真空室內(nèi)或和電子束之間的相對移動可通過工件的移動、電子槍的移動、束流的偏轉(zhuǎn)或者7焊接操作人員的資質(zhì)焊接操作人員應(yīng)按照GB/T19805進(jìn)行技能評定，并取得相應(yīng)的資質(zhì)。8焊接工藝規(guī)程工件電子束焊的所有細(xì)節(jié)內(nèi)容都應(yīng)按照GB/T19867.3規(guī)定，由焊接工藝規(guī)程確定下列內(nèi)容，包—工件規(guī)格；——接頭設(shè)計——焊接次序(定位焊，焊接，修飾焊);6——真空室壓力；——工作距離； 9焊接工藝評定電子束焊的工藝評定應(yīng)參照ISO15614-11進(jìn)行。10接頭制備推薦所有的待焊接頭由高精度的切削加工進(jìn)行。裝配時盡量減小清理后的金屬接合面間隙。通過碳化、陽極化、鍍鎘、氮化、碳酸鹽處理、電鍍(鍍鋅)等處理過的表面層最好通過切削加工將其從焊接接頭附近區(qū)域去除(見圖7)。圖7經(jīng)表面處理的工件制備的例子對鐵磁材料的剩磁進(jìn)行檢查，如果需要，進(jìn)行去磁處理。電子束焊的質(zhì)量依賴于接頭焊前準(zhǔn)備的精度和清潔度。應(yīng)注意所準(zhǔn)備表面的狀態(tài)和所采用冷卻介質(zhì)的適用性。接頭表面應(yīng)清除所有的污染，諸如氧化物、油污、油脂、冷卻劑和漆層等。除了操作環(huán)境外，還應(yīng)根據(jù)材料的種類、零件的尺寸、質(zhì)量要求采用特定的清潔方法：a)用溶劑手工清除油污。b)在封閉的氣化溶劑室中或超聲波槽中清理。c)先用添加弱堿的蒸氣處理，然后烘干。d)酸洗中和，在蒸餾水中清洗，烘干，短期儲存。清洗后，對焊接的零件進(jìn)行裝配，避免再次污染和磁化。11接頭設(shè)計11.1縱向焊縫如果待焊零件可以裝夾，最好采用簡單的矩形接頭連接，見圖8。為了裝配精確，可采用鎖底接頭進(jìn)行定位，見圖9。對于大型工件，推薦采用點(diǎn)焊。7圖8矩形對接焊縫圖9帶鎖底的矩形對接焊縫為了避免飛濺和咬邊，可在背面加墊板，見圖10。t——工件厚度；s——焊縫熔深。圖10具有獨(dú)立墊板的矩形對接焊縫為了消除焊道弧坑，如果不能對工件的焊接起始和結(jié)束區(qū)域進(jìn)行加工，可以采用引出板，見圖11。引出板也減少了工件終端的熱積聚。引出板可通過夾持或經(jīng)焊接同工件相連以達(dá)到良好熱接觸，引出板在焊后去除。11.2環(huán)形焊縫焊接環(huán)形元件，采用鎖底接頭可簡化定位。旋轉(zhuǎn)角度、束流作用時間以及其他參數(shù)(例如聚焦電流)需要控制。由于斜坡下降區(qū)易出現(xiàn)釘尖缺陷，根據(jù)材料類型和焊接速度，在許多情況可以通過控制束流聚焦和擺動參數(shù)(形狀、方向、頻率和尺寸)消除斜坡下降區(qū)的釘尖缺陷產(chǎn)生。如果可能，環(huán)形焊縫應(yīng)設(shè)計在位于低應(yīng)力作用區(qū)，否則在下坡區(qū)域特別考慮給出缺陷的許用水平。對于容許尺寸誤差小的零件的軸向環(huán)形焊縫，推薦采用壓配合(例如對于帶有間隙配合的環(huán)形焊縫，應(yīng)該準(zhǔn)確地定位。電子束焊典型接頭制備的示例在附錄D中給出。12排氣孔由于零件設(shè)計或加工因素可能導(dǎo)致接頭裝配中出現(xiàn)不能排出氣體的密閉空腔，導(dǎo)致焊接異常，所以，8要盡量減小空腔體積(見圖12),否則應(yīng)通過排氣孔放氣。圖12與加工有關(guān)的空腔在大束流焊接之前，定位焊可使零件扣緊。定位焊可通過電子束焊方法或其他焊接方法。采用修飾焊可改善焊縫的外觀。這時，應(yīng)注意重熔焊縫是否損害接頭性能。由于冶金原因需要焊前和(或)焊后熱處理，也可通過電子束來進(jìn)行。9常規(guī)熔焊方法可以焊接的大多數(shù)鋼和鐵合金，在電子束焊時統(tǒng)熔焊很難或不能焊接的鋼也可以通過電子束焊實(shí)現(xiàn)連接。通常束焊時，降低鋼含硫和磷的水平可以防止凝固裂紋的產(chǎn)生，對材料進(jìn)行脫A.3鎳及鎳合金許多常用的鎳合金可通過電子束焊接工藝實(shí)現(xiàn)滿意的連接。純鎳，Ni-Cu,Ni-Cr,Ni-Be合金和許多Ni-Fe合金都可電子束焊。必須指出，純鎳和一些鎳合金有磁性，在電子束焊時需要采用一定的預(yù)防措施。同弧焊相比，在高溫下?lián)碛辛己每谷渥冃阅艿亩嘣邷睾辖穑陔娮邮附舆^程中產(chǎn)生較小的冶金干擾和熱應(yīng)變。對于許多高溫合金，應(yīng)預(yù)防在焊接過程中產(chǎn)生偏析裂紋和避免焊后熱處理時產(chǎn)生裂紋。A.4鋁鎂合金工業(yè)上用的大多數(shù)鋁鎂合金通過電子束焊接可獲得滿意的接頭。大多數(shù)Al-Mn合金(3×××系列)易于焊接。在焊接Al-Si-Mg合金(6×××系列)和異種金屬時，應(yīng)避免熱裂紋(見圖A.1)。可熱處理強(qiáng)化的Al-Cu-Mg合金(如2014和2219類型)比普通的非熱處理強(qiáng)化的有更好的焊接性，盡管焊后需要時效來提高強(qiáng)度。對于7×××和5×××系列鋁合金(根據(jù)EN573-1),焊接過程中揮發(fā)性元素的蒸氣可能導(dǎo)致電子槍放電、合金成分損失，從而降低材料性能。焊前清洗很重要，大多數(shù)的焊接缺陷的發(fā)生是由于清洗不當(dāng)。許多鑄造合金也可以進(jìn)行電子束焊接，焊接質(zhì)量主要由鑄造質(zhì)量特別是殘余氣體的含量決定。合金含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)圖A.1鋁中合金含量對熱裂傾向的影響A.5銅及銅合金不像許多其他連接純銅的熱工藝過程，電子束焊不需要任何的焊前預(yù)熱，單道焊即可實(shí)現(xiàn)超過150mm厚的零件的連接。這里的“純銅”可能含有氧、硫和碳，其在焊接過程中會形成氣孔，降低了焊接性(如Cu-ETP)。建議最好為高導(dǎo)電無氧銅(OFHC,ISO1190-1)或者去氧磷銅(如EN1173Cu-DPH除了黃銅(Cu-Zn合金),大多數(shù)的銅合金可以通過電子束焊實(shí)現(xiàn)連接。但是，在母材性能較差、剩余氣體含量很高的情況下鑄造材料的焊接則存在問題。對于某些高強(qiáng)度材料，如含鋯的合金可能會出現(xiàn)開裂的問題。A.6難熔金屬和活性金屬電子束焊接時的真空工作環(huán)境，使擁有高熔點(diǎn)并且在高溫或熔化時活性極強(qiáng)的金屬的連接成為可能。鈦及其合金在電子束焊接時不需要考慮氧化、氫脆及隨后的延展性衰減的問題。因此，電子束焊接工藝廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)上關(guān)鍵的鈦合金部件。同樣，非常活潑的鋯合金也可以容易地在真空環(huán)境下焊接。同樣，鈮、釩及其合金也可成功的進(jìn)行電子束焊，但材料的純度水平影響其焊接質(zhì)量和性鎢、鉬及其合金也可用電子束焊接，考慮到焊后的低延展性，應(yīng)對接頭細(xì)節(jié)予以注意。電子束焊接的明顯的優(yōu)點(diǎn)就是其高的功率密度使不同熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)的異種金屬成功實(shí)現(xiàn)連接，而不存在低熔點(diǎn)材料優(yōu)先熔化的現(xiàn)象。許多異種金屬可以實(shí)現(xiàn)連接，由于冶金性不相容和不希望的金屬間化合物的生成，所以不是所有的異種金屬都可以實(shí)現(xiàn)連接。在焊接異種金屬時，由于熱電偶效應(yīng)會產(chǎn)生熱電流，由此引起強(qiáng)磁場和電子束的偏轉(zhuǎn)。被焊材料的磁電性能和零件的尺寸決定這種特殊對于產(chǎn)生接頭脆性的被焊材料可以通過互相兼容的過渡材料或合適中間層的電子束釬焊來實(shí)現(xiàn)(見圖5和圖6)。A.8非金屬通常非金屬用電子束焊接是不可能的，有時可以用電子束實(shí)現(xiàn)鉆孔、切割和雕刻。類別組別鋼：規(guī)定最小屈服強(qiáng)度R?≤460N/mm2且化學(xué)元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))滿足下列要求的銀1規(guī)定最小屈服強(qiáng)度R-≤275N/mm2的鋼l規(guī)定最小屈服強(qiáng)度275N/mm2<Ren≤360N/mm2的鋼規(guī)定最小屈服強(qiáng)度R->360N/mm2的正火細(xì)晶粒鋼1Ⅱ2熱機(jī)械處理的細(xì)晶鋼和規(guī)定最小屈服強(qiáng)度R>360N/mm2的鑄鋼熱機(jī)械處理的細(xì)晶鋼和規(guī)定最小屈服強(qiáng)度360N/mm2<R≤460N/mm2的鑄鋼I熱機(jī)械處理的細(xì)晶鋼和規(guī)定最小屈服強(qiáng)度R>460N/mm2的鑄鋼13規(guī)定最小屈服強(qiáng)度R>360N/mm2的調(diào)質(zhì)鋼和彌散硬化鋼規(guī)定最小屈服強(qiáng)度360N/mm2<Rμ≤690N/mm2的調(diào)質(zhì)鋼l規(guī)定最小屈服強(qiáng)度R->690N/mm2的調(diào)質(zhì)鋼Ⅱ沉淀硬化鋼(不銹鋼除外)Ⅱ表B.1鋼的分類(續(xù))類別組別4Mo≤0.7%,V≤0.1%的低釩Cr-Mo-(NⅡⅡ50.75%≤Cr≤1.5%,Mo≤0.7%的鋼Ⅱ1.5%≤Cr≤3.5%,0.7%<Mo≤1.2%的鋼Ⅱ3.5%≤Cr≤7.0%,0.4%<Mo≤0.7%的鋼ⅡⅡ6高釩Cr-Mo-(Ni)合金鋼0.3%≤Cr≤0.75%,Mo≤0.7%Ⅱ0.75%≤Cr≤3.5%,0.7%<Mo≤1.2%,V≤0.35%的鋼Ⅱ3.5%≤Cr≤7.0%,Mo≤0.7%,0.Ⅱ7.0%≤Cr≤12.5%,0.7%<Mo≤1.2%,V≤0.35%的鋼Ⅱ710.5%≤Cr≤30%,C≤0.35%的鐵素體、馬氏體或彌散強(qiáng)化不銹鋼1馬氏體不銹鋼Ⅱ18奧氏體鋼IⅡⅡ9ⅡⅡ8.0%<Ni≤10.0%的鎳合金鋼Ⅱ奧氏體—鐵素體不銹鋼(雙相)ⅡⅡ除了0.25%<C≤0.5%組1覆蓋的鋼Ⅱ0.35%<C≤0.5%,在11條件下的鋼Ⅱ根據(jù)鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，R可以用R或Ros代b可接受的最大值為Cr+Mo+Ni+Cu+V≤0.75%。表B.2鋁及鋁合金的分類類別組別雜質(zhì)≤1%的純鋁lII1.5%<Mg≤3.5%的鋁錳合金ⅡIⅡⅡICu≤1%,5%<Si≤15%,0.1%<MⅡⅡB.3銅及銅合金的分類銅及銅合金的分組見表B.3。表B.3銅及銅合金的分類類別組別純銅ⅡⅢⅢ1Ⅲ類別31～36未包括的其他元素合金含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Ⅱ類別31～36未包括的其他元素合金含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高于或ⅡB.4鎳及鎳合金的分類鎳及鎳合金的分類見表B.4。所給的數(shù)據(jù)基于合金設(shè)計時元素的含量。類別43到類別48合金的可焊性由次要的添加元素Al、Ti、Nb等決定。類別I1ⅡⅡⅡ鎳鉻鈷合金(Ni-Cr-Co)Ni≥45ⅡⅡ鎳鐵鈷合金(Ni-Fe-Co-Cr-Mo-Cu)25%≤Ni≤45Ⅱ類別組別ⅡO?<0.20%的鈦10.25%<O?≤0.35%的鈦10.35%<O?≤0.40%的鈦IⅡα-β合金ⅡNb53包括的合金為：Ti-3Al-2.5V(WCLⅡ),Ti-