8mm厚高氮钢电子束焊接工艺性能研究(2)

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1.1 课题研究背景和意义

高氮不锈钢最早出现在20世纪70年代，随着高氮钢制备和冶炼技术的发展，高氮钢表现出了优良的性能。高氮不锈钢的研究逐步受到国际冶金届的重视，从20世纪80年代末开始，国际高氮钢会议在不同国家连续召开。高氮钢已经成为一种越来越重要的新兴的工程材料，具有高强度、高塑性、良好的韧性和耐腐蚀性能。因此受到该领域研究学者的重视,并迅速成为近年研究与应用开发的热点[1]。高氮钢的广泛应用在很大程度上取决于其焊接特性[2,3]，在高氮钢的研制和应用中焊接技术的研究具有较重要的意义。论文网

目前国内对高氮钢焊接技术的研究重点是高氮钢在不同焊接方法下的组织形貌和力学性能：如长春工业大学的孙辉、王准等对高氮无镍奥氏体不锈钢TIG焊焊接接头进行研究，分析了TIG焊焊接接头的组织形貌与力学性能[4]；钢铁研究总院的杜挽生、彭云等对高氮奥氏体不锈钢MIG焊接头进行了研究，分析了MIG焊焊接接头的组织形貌和力学性能[5]；钢铁研究总院的赵琳、王志凌等对CO2激光焊接后的1Cr22Mn16N高氮钢进行全面的研究，分析了焊接保护气体组成和热输入对焊缝氮含量及气孔性的影响、焊缝组织与性能和焊接热影响区组织和性能[6-8]。但是，对高氮钢电子束焊接的工艺性能的研究却少有人问津，这可能是由于电子束焊接会导致高氮钢释放大量的氮元素，破坏高氮钢的组织和力学性能的同时也会形成气孔，影响焊缝质量。

电子束焊接是一种高能量密度的先进焊接方法，现已有几十年的发展历史，发展较为完善。早在1948年，前西德物理学家K.H.Steigerwald就首次提出用电子束焊接的设想；1954年法国J.A.Stohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志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[9]。到21世纪初期，电子束焊接工艺已经广泛应用于世界各国的精密加工、航空、航天、核电等制造工业中。

电子束焊接具有一般焊接方法不具有的优点，热功率密度大，焊缝深宽比大，其独特的小孔效应，在焊接较厚的焊件时具有很大优势。而本课题应用的高氮钢板厚度达到8mm，用一般焊接方法不易一次焊透，所以采用电子束焊接。本课题主要研究8mm厚的高氮钢板电子束焊接工艺，分析电子束焊接后高氮钢焊缝的组织形貌和力学性能，分析焊缝中氮含量的流失，具有重要的理论意义和应用价值。

1.2 电子束焊接技术介绍

1.2.1 电子束焊接的原理

在焊接过程中，电子枪阴极发射电子，并在阴阳极间的高压加速电场（25～300 kV）的作用下加速，最高可达0.3～0.7倍光速，然后经过聚焦线圈进行聚焦，形成密集的高速电子流，由于电子束极易受到洛伦兹力影响，需经过偏转线圈进行方向控制。密集的高速电子流作用到焊接接缝处时，电子束的动能直接转化了热能，使待焊部位迅速熔化从而达到焊接目的。如图1-1所示：

其实，高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100KV加速电压下仅能穿透0.025mm。但电子束焊接之所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因为高速电子流撞击金属表面时，动能直接转化了热能，焊接接缝瞬间达到极高的温度，金属汽化甚至升华从而形成金属蒸汽，在高压金属蒸汽的作用下，融化的金属向四周排挤，电子束继续撞击深处的固态金属，又经历一轮轮碰撞、蒸发、金属蒸汽反作用从而形成一个深宽比大的孔洞，这就是匙孔，这种焊接作用机理称为匙孔效应[10]。