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后桥壳体是重型汽车的重要部件，特别是桥壳中段与半轴的焊接质量至关重要，不仅要求焊缝强度高、刚度大、冲击韧性好，而且加工精度要求高，耐疲劳性能好。目前国内大多数汽车制造厂后桥壳中段与半轴的焊接采用电弧焊方法，焊接变形大、精度低、易产生焊接缺陷，特别是耐疲劳性能差，与汽车制造强国相比存在较大差距。我国某汽车制造公司采用真空电子束焊焊接斯太尔汽车后桥壳中段与半轴，取得了良好的效果。
斯太尔汽车后桥壳采用先进的锻-焊工艺制造，板厚为16mm的斯太尔汽车后桥壳中段与半轴装焊结构如图3.11所示。
图3.11 斯太尔汽车后桥壳中段与半轴装焊结构示意
桥壳中段材质为16Mn，半轴材质为30Mn2，焊接状态是淬火-回火的调质态；内部衬环采用20钢，它将16Mn与30Mn2连接在一起，对异种钢的焊接起一个过渡作用，可减小焊缝金属下沉和咬边。
焊接工艺性试验采用德国EBW15/60-701型真空电子束焊机，该焊机的加速电压为60kV，焊接室容积为701L，最大焊接速度50mm/s。
桥壳中段16Mn与半轴30Mn2的装焊结构属异种钢焊接，两种钢的化学成分及力学性能见表3.25。异种钢焊接除了材质本身的化学成分对焊接性有影响外，两种钢性能的差异在很大程度上也影响它们之间的焊接性，即16Mn与30Mn2异种钢焊接时，会产生一层化学成分、组织和性能与母材不同的过渡层。
表3.25 16Mn和30Mn2的化学成分及力学性能
16Mn钢碳当量C eq =0.41%，30Mn2钢碳当量C eq =0.58%，因此30Mn2钢淬硬倾向大，热影响区中易形成脆硬的马氏体组织，具有较大的冷裂纹敏感性。30Mn2钢在调质状态下焊接还要考虑热影响区软化问题。
采用焊前预热和焊后缓冷措施，降低接头区的冷却速度，可减少冷裂纹的产生。采用热量集中、能量密度大及小热量输入的电子束焊接工艺，可以减小热影响区的软化。由于后桥壳中段与半轴的电子束焊是后桥壳总成的最后一道工序，要求焊接变形小，精度高。所以组对间隙的两侧母材应尽可能平行，金属飞溅应最小，熔化区应准确定位，保证部件冷却时不产生弯曲变形。
为避免产生气孔，应降低焊缝氢含量，焊前对焊接处进行严格清理，装配前用砂纸将氧化膜及锈蚀打磨干净，直至露出金属光泽；然后用汽油洗去油污，最后用丙酮清洗干净，放入烘干箱进行200～250℃预热，保温待焊。
真空电子束焊是通过高压加速装置形成的高功率电子束流，经过磁透镜汇聚，得到很小的焦点，轰击置于真空室中的焊件时，电子动能迅速转变为热能，使金属熔化和实现焊接过程。由于焦点小、电子运行速度快，因而产生的热量相当集中，具有很高的穿透能力，可得到焊缝深宽比大、热影响区小的焊缝。这对于细化焊缝晶粒、减小焊接变形、控制热影响区软化十分有利。在真空状态下焊接时，可以杜绝空气对焊缝的影响，特别是阻止氢进入熔池，减小氢致冷裂倾向。
考虑到30Mn2钢的碳当量较高，应采取预热措施，预热温度为200～250℃。通过试板模拟和工艺性试验，最终确定焊接参数：加速电压60kV，电子束电流120mA，焊接速度0.2cm/s，聚焦电流488mA，真空度2×10 -2 Pa。爬坡时间为工件旋转40°，下降时间为工件旋转20°，焊接时间为工件旋转380°，重合度为20°。
将所焊的试板接头剖开进行检验，焊缝中未发现气孔、夹渣和微裂纹。对所焊接的后桥壳焊缝进行外观检查、超声波和100%X射线探伤，均未发现焊接缺陷。最后将装焊的后桥壳体进行载荷为18.75t，重复80万次的疲劳试验，焊缝处也未出现疲劳裂纹。
通过试验，确定了合理的焊接工艺，表明采用真空电子束焊焊接的斯太尔汽车后桥壳体变形小、精度高、质量稳定，能满足焊后不经加工处理就可应用的要求。
在某航天产品的几种双元发动机中，推力室头部与机体采用了7715D钛合金与C-103铌合金的对接焊接结构。焊缝熔深要求从2.1～4.7mm不等，焊接熔深精度要求控制在±0.3mm以内，接头抗拉强度要求达到母材强度，并保证焊缝密封性能，承受10MPa的压力。钛合金（7715D）与铌合金（C-103）焊接接头的结构如图3.12所示，该焊接结构的规格参数见表3.26。
图3.12 钛合金（7715D）与铌合金
表3.26 焊接结构的规格参数
纯铌的熔点高（2465℃），属于难熔金属，热传导性不好，可焊接性较好，但强度较低。合金化后，铌合金相对纯铌焊接性变差，适宜采用电子束焊接，焊接接头完好率可保持在75%左右。真空电子束焊的能量集中，输入热量少，焊缝较窄，可很好地对焊接区进行保护，可获得良好的焊接质量。焊后可在真空室内进行消除应力热处理以恢复焊接区塑性和韧性。
工业纯钛的熔点为1672℃，相对密度小，具有很高的化学活性，属于活性轻金属。钛及钛合金的焊接性好，但化学性能很活泼，在400℃吸收有害气体氮、氢、氧，使力学性能下降。采用真空电子束焊接时，由于热源集中，焊接速度快，又在真空中进行，有害气体极少，可避免杂质气体的污染，减低焊缝金属的脆化程度。
7715D钛合金和C-103铌合金的化学成分及力学性能见表3.27和表3.28。铌合金与钛合金都含有Ti、Nb、Zr等元素，冶金性能比较接近，可形成有限固溶体，不产生脆性金属间相，焊接性较好。但这两种合金的熔点相差较大，热传导性能也有差别，焊接时应使铌合金一侧的热量输入大一些，在一定程度上可平衡热物理性能差别的影响，防止两种金属熔合不充分。这两种合金的化学性能均很活泼，易产生气孔，应采取预防措施。同时，采用电子束焊的焊接速度较快，铌合金与钛合金在液态的流动性能不同，使焊缝表面成形变差，易产生咬边等缺陷。
表3.27 7715D钛合金的化学成分及力学性能
表3.28 C-103铌合金的化学成分及力学性能
①HBS5/780/30表示钢球直径5mm，载荷780kgf（1kgf=9.80665N），加载时间30s。
铌合金与钛合金力学性能相差较大，钛合金的强度较高，铌合金较低。焊缝强度按设计要求应超过铌合金的强度。
①焊接设备 真空电子束焊的设备型号：BOCAMK15-GN100KM-CNC。主要技术参数：加速电压60kV，额定功率15kW，最大电子束电流250mA，最大工作距离300mm，最大静态偏转角±3°，最大动态偏转角±2°。
②工艺步骤及参数
a.焊前清洗 为防止产生气孔与夹渣等缺陷，被焊接零件应严格进行酸洗处理，使待焊表面呈金属本色。清洗后的工件在真空烘箱中烘干，并在24h内进行焊接。钛合金与铌合金分别使用不同的酸洗配方。
b.装配 为获得较好的焊接质量和精确控制熔深，应严格控制装配间隙小于0.05mm，环焊缝同轴度控制在0.1mm以内。
c.真空度 焊接时真空度要求大于1.33×10 -2 Pa，并在焊后根据零件的散热条件，在一定时间内保持真空度，以防止被焊接件氧化。
d.电子束对缝与扫描函数选择 为了补偿两种金属的物理性能差别，将电子束对准焊缝后，用焊接自动程序将其偏向铌合金侧一定距离。使用一定频率的扫描函数使电子束按照某一轨迹运动，建立合适的热量输入分布场，保证焊缝金属均匀熔化，充分熔合，形成良好的电子束焊缝。
e.表面成形与焊后热处理 焊接后用电子束虚焦斑点，小能量束流对焊缝表面进行重熔，消除咬边，形成焊缝金属向母材金属光滑过渡。同时消除焊接应力，提高焊接接头的塑性和韧性。
f.工艺参数 根据设计熔深要求，通过一系列焊接工艺试验，选取了三种能够满足熔深要求的工艺参数（表3.29）。
表3.29 能够满足熔深要求的工艺参数
焊后经金相分析，表明母材与焊缝界面有交互结晶，熔合良好，焊缝中形成有限固溶体，无脆性共晶组织。
将厚度4mm的铌合金与厚度3mm的钛合金板材加工成100mm×35mm的板状，经真空电子束焊接后再加工成拉伸与弯曲试样。两种拉伸试样尺寸分别为180mm×15mm×3mm和180mm×15mm×2mm，弯曲试样尺寸分别为180mm×10mm×3mm和180mm×10mm×2mm。
焊接接头在拉伸试验中，试样均断裂在铌合金母材；焊缝拉伸试验中，试样断裂均在焊缝处偏向铌合金基体一边。拉伸试验结果表明，焊缝的强度高于铌合金母材的强度，焊缝平均拉伸强度为552MPa，远高于铌合金母材的强度450MPa。
弯曲试验结果表明，试件可弯曲达180°未发现裂纹。
进行产品小批量试生产。焊接后对产品进行了气密性试验，焊缝表面成形良好，焊缝金属向母材光滑过渡，无咬边缺陷，焊接质量稳定。在要求的压力下焊缝可保证密封性能要求，合格率为100%。经发动机整体热试车考验，性能可靠，可以满足应用性能指标的设计要求。
通过金相分析、力学性能试验与小批量实际产品的气密性测试与发动机热试车检验等，证明这种真空电子束焊接工艺能够进行钛合金与铌合金异种金属的焊接，焊缝外观光亮平滑，接头强度超过铌合金母材强度。熔深尺寸精度和气密性满足了设计要求。
电子束焊接技术除了适用于高精密工件的焊接，更适合于易氧化及高反光材料的焊接。某厂采用电子束焊焊接空心铝球取得了良好的效果。两种类型的空心铝球如下。
①薄壁空心铝球是静电陀螺仪的核心元件（高速旋转球形转子）。
②小型空心铝球是某科研任务的重要元件。
这两种空心铝球的材料均为硬铝合金，结构均采用两半球对焊成一个空心球体，焊接要求相同（焊缝无裂纹、无气孔、工件气密、变形小），焊接工艺步骤是一样的。
①薄壁空心铝球 薄壁空心铝球作为静电陀螺仪的高速旋转球形转子，采用硬铝合金2A11（LY11）光车成两个半球再焊接成整球的结构，最小壁厚0.4mm，如图3.13所示。
图3.13 薄壁空心铝球的结构
焊接完成的球体经研磨加工，使铝球的静平衡质量偏心小于0.001mm。
对空心铝球焊缝有严格的要求：焊缝均匀，焊缝中的气孔、夹渣不得影响球体偏心度；焊缝无裂纹，工件气密，保证球体能在超高真空（10 -6 ～10 -5 Pa）环境下正常工作；要求焊缝有一定强度，球体在承受每分钟几万转的离心载荷下能可靠运行；热影响区窄，以减小材料显微组织变化对球体强度、塑性和耐蚀性能的影响；工件焊接变形小，加工余量少，成品率高。
②空心小铝球 空心小铝球作为某项科研任务填装特殊材料的容器，采用硬铝合金2A11（LY11）、2A12（LY12）光车成2个带柄的半球再焊接成整球的结构（图3.14），然后切掉尾柄使之成为圆球（留有一个出气小孔）。
图3.14 空心小铝球的示意图
该空心小铝球直径较小，仅数毫米，壁厚1mm。要求焊缝无裂纹、气密，确保填充物不泄漏；要求焊缝强度高、耐震动、焊缝无气孔；空心小圆球的焊接变形不得大于0.1mm，以满足装配要求（该工件不再进行外加工）。小铝球所用材料为硬铝合金2A11（LY11）和2A12（LY12），属于Al-Cu-Mg合金系，这类材料熔化焊接时的最大问题是易产生裂纹和气孔。
通过对小铝球工件结构及材质的分析，对铝合金及其空心铝球的焊接采用真空电子束焊是合适的，而且比激光焊接更为有利，但仍需注意如下焊接工艺要点。
①工件的精度 由于电子束焊接有高度精密和不加填充材料的特点，而硬铝合金的焊接性差。所以要求工件加工精度高，两半球采用止扣定位，配合须十分准确，一级滑动配合，而且止扣部位不能倒角。
②清洁处理 焊接之前对工件的清洁处理是关键工序之一，它直接影响焊接质量，既关系到焊缝的夹渣、裂纹，又关系到焊缝中的气孔。除了一般的去油污处理外，还须去除工件表面的氧化膜，特别对焊口部位更要彻底清理。通过试验，采取了如下清理步骤。
a.用丙酮和氧化镁粉擦洗去油污。
b.用10%的NaOH溶液去除氧化膜，浸泡约2min，使工件表面生成一层黑色的氢氧化物，再用清水冲洗或超声波清洗。
c.用10%的HNO 3 溶液中和，浸泡约8min，使工件表面重新变为银白色，再用清水冲洗或超声波清洗。
d.用无水乙醇脱水，冷风吹干。
化学清洗是比较彻底的清洁处理，但须冲洗干净，不得留有任何残存的酸碱溶液，以免腐蚀被焊工件。
③工装夹具 为了保证空心铝球电子束焊的变形小于允许值，对于薄壁空心铝球更要求球腔内部具有一定的真空度，因此工装夹具的设计也很重要。
图3.15所示的专用夹具用以焊接薄壁空心铝球。两个半球分别装贴于两个托杯之中，将整个夹具（连同装配好的两个托杯）放入电子束焊机的真空室内，当达到工作真空度后利用底板上的导轨将两个半球合拢成整球，然后再进行焊接。如此焊接成的球体内腔具有一定真空度。具体操作时合拢须对准球体的止扣部位，而且压力要适中，以减小焊接变形。
图3.15 焊接薄壁空心铝球的工装夹具
图3.16为焊接空心小铝球的夹具，它的作用除了使小球体合理定位、减少变形，更有帮助散热以稳定焊接工艺的作用。空心小铝球工装的特点是夹具内侧与球面的吻合接触要精确，以达到定位和散热均匀的效果。夹具上留有出气孔，与球体的出气孔连通，可以使球体内腔的气体排出，防止焊接时出现溅射或孔洞。夹具材料采用纯铜。采用纯铜制作的夹具允许焊接参数大一些，焊接质量较稳定。
图3.16 焊接空心小铝球的工装夹具
④焊接工艺参数 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。
a.工件清洗之后要立即施焊，尽量减少新生氧化膜对焊接的影响。清洗后立即施焊的工件，在X射线探伤照片上仅发现0～2个气孔；存放1周再施焊，气孔增加到7～8个。
b.焊接热量输入（功率/速度）要适中。电子束焊接加热面积小，焊接热影响区窄，可发挥电子束集中加热焊接的特点，使得焊缝冷却结晶和收缩的体积小，减少裂纹倾向；焊接工艺参数为加速电压25kV、电子束电流16mA、焊接转速5.6r/min（线速度为65～70cm/min）。
c.采用两次重复焊接的工艺。从产生气孔及逸出的情况看，一次焊接总有一些气孔来不及逸出熔池表面，采用第二次焊接可使尚未逸出的气孔有再一次逸出的机会。前提条件是电子束焊接的真空环境，焊接时不会重新氧化才有此效果。而且须注意两次焊接之间应相隔一段时间，以免工件温升过高，变形增大。
①焊缝气密性 观察焊缝表面平整光滑，立体显微镜检查焊缝中无裂纹。薄壁空心铝球经气体示踪无损检漏，气密性良好。空心小铝球的焊缝经氦质谱探漏仪检漏，漏气率小于10 -8 Pa·L/s（仪器的灵敏度）。
②工件变形小 薄壁空心铝球的焊接变形量在0.05～0.10mm之内，相对变形量为0.13%～0.26%。空心小铝球的焊接件无明显变形，能满足装配要求。
③焊缝气孔少 用试验件（空心圆筒，有5条环状焊缝）进行焊接试验，以比较清洗工序对焊缝气孔的影响。结果发现去除氧化膜的试件，焊缝中气孔明显较少。
④焊缝的组织粗大 熔池部分组织粗大，呈铸态树枝状。这种结晶状态易产生晶界腐蚀，故需要注意对工件保持清洁干燥，不要与酸碱介质接触。
⑤试验运行考核良好 两种类型的空心铝球（薄壁空心铝球和空心小铝球）经装机运行实践的考核，工作状况良好，完全满足工程上的使用要求。
钛合金作为一种优良的结构材料具有高的比强度、比刚度，以及极强的抗腐蚀性能而应用于工业生产的各个领域。超厚板焊接结构在现代工业及国防装备中的应用越来越多，因此大厚度钛合金焊接技术在国防工业中有重要作用。哈尔滨工业大学张秉刚等采用电子束焊对厚度56mm的TC21钛合金板进行了焊接。
试验材料为国产新型TC21钛合金，厚度为56mm，化学成分和力学性能见表3.30。焊前对试板对接面进行清理。焊接工艺参数为加速电压55kV、聚焦电流2060mA、电子束束流425mA、焊接速度500mm/min、电子束扫描幅值4.0mm、扫描频率300Hz、电子束焦点位于表面以下1/3处。
表3.30 TC21钛合金化学成分和力学性能
电子束焊接头整体成形良好，焊缝未出现缺陷。焊缝宽度在竖直方向呈现出上宽下窄的特征。在上表面处，焊缝宽度约为7mm，而在下表面处，焊缝宽度减小为约4mm。焊缝深宽比约为10∶1，接头热影响区较窄，约2mm。与传统电弧焊类似，TC21电子束焊接头也明显地分为焊缝区、熔合区、热影响区以及未受影响的母材。焊缝区组织形态以柱状β晶粒为基体，针状马氏体α'相弥散在其中；热影响区从焊缝到母材分为三个区域，依次为等轴再结晶β晶粒区、片状和针状α相形成的魏氏组织区、片状α相聚集长大的区域。熔合区柱状晶与热影响区的等轴晶联生。
在电子万能试验机（MODEL 1186）上进行拉伸试验，拉伸试样分别从接头的不同厚度位置截取（图3.17），以分析大厚度钛合金电子束焊接时厚度方向上的力学性能差异。采用HV100型显微硬度计对接头横截面水平方向和垂直方向的显微硬度分布进行测量。
图3.17 拉伸试样取样位置
图3.18为焊缝不同厚度部位抗拉强度与断后伸长率的比较。不同部位的接头抗拉强度与断后伸长率的变化基本相同，在厚度方向上几乎没有差异。断裂都发生于距离焊缝较远的母材处，表明焊接接头的抗拉强度达到或超过了母材的强度。但接头断后伸长率与母材相比明显下降，只达到母材的50%左右。接头拉伸时颈缩主要发生在母材上，而焊缝处基本没有发生变形，表明焊缝的塑性不如母材。
图3.18 接头不同部位抗拉强度和伸长率对比
钛合金电子束焊缝横截面垂直方向和中部水平方向的显微硬度分布基本无差异，这与拉伸试验结果一致。由于焊缝区相组成为α'针状马氏体，硬度最高；热影响区，距离焊缝较近的区域为再结晶的β相内分布有少量的针状马氏体，硬度略微下降，靠近焊缝较远的区域内的魏氏组织也属于脆性组织，硬度也高于母材。而在离焊缝最远的热影响区，由于片状α相的长大，使该区域发生软化，硬度明显降低。
汽车硅油减震器的质量对汽车发动机性能起着关键作用。汽车减震器技术含量高，制造工艺复杂，生产出的产品既要保证焊接质量要求，更要满足产品的使用性能要求。用常规的电弧焊方法，焊接变形大、生产效率低、产品质量不稳定，而采用电子束焊接，可实现焊接变形小、生产效率高、产品质量稳定的要求。武汉船舶职业技术学院曾平等针对硅油减震器的真空电子束焊接工艺进行了试验研究。
汽车硅油减震器由惯性环、壳体、盖板、法兰盘等组成，其中法兰盘、盖板与壳体之间有2条同心的圆周焊缝，如图3.19所示。
图3.19 汽车硅油减震器
硅油减震器的结构及工艺特性如下。
①壳体及盖板的壁厚较薄（4mm），外圆直径大，而且在4mm的壁厚上（图3.19）还要加工一个宽2mm、深4mm的止口，各配合尺寸有很严格的公差要求。
②焊接后不再进行任何机加工，须有很好的形状精度，以保证发动机扭振振幅，达到减震的效果。
③根据减震器的结构特点，2条焊缝都不能开坡口，须采用高能密度的深熔焊接。
硅油减震器中需要焊接的几个零件采用低碳钢，焊接设备是国产中压低真空电子束焊机。焊接过程中使用硅油减震器专用焊接夹具，一次装夹可完成2条同心圆焊缝的焊接。焊接前，所有零件的表面要达到机加工粗糙度要求，并进行清洗、烘干，在被焊面上不允许有任何油污。
为了保证硅油减震器的整体精度，要求2条同心圆焊缝须在同时夹紧状态下焊接完成。焊接前，先用小束流对圆周接头进行点固焊，一般点固4点，然后再进行正式焊接。由于硅油减震器的2条焊缝熔深分别为7～8mm及3～4mm，为保证焊接质量，焊缝的引弧和熄弧要采用焊接电流梯度控制。通过电子束焊接工艺性试验得出的工艺参数见表3.31。
表3.31 硅油减震器电子束焊接的工艺参数
采用电子束焊焊接硅油减震器时，最常出现的焊接缺陷是气孔、变形和飞溅。焊前必须严格保证每个零件的清洁度。硅油减震器是在真空室外装配，放入到真空室后，硅油减震器的内腔还存有一定的空气，焊接时会产生溅射现象。解决的措施是将硅油减震器放入真空室后，延长抽真空的时间，尽量排除密闭腔内的空气，以减少飞溅和气孔的产生。采用电子束焊接不会产生很大的焊接变形，主要是在零件的机加工、装配、焊前夹紧的环节中产生变形，解决的措施是焊前严格控制机加工精度及装配质量。
严格按照零件的精度要求加工，进行清洗、压装，并严格控制焊接工艺参数，保证焊缝表面光滑，没有下塌、气孔等缺陷，焊缝外观形貌、焊缝熔深和宽度都能满足产品要求。电子束焊接后的硅油减震器在0.3MPa的空气压力下，在防锈水中无气泡，满足焊缝的致密性要求。经无损检测，焊缝内部也未发现任何焊接缺陷。
不锈钢薄板电子束焊接时，接头间隙过大有可能导致焊穿、焊漏、未熔合等缺陷，因此要求工件的装配间隙应尽可能小，通常不大于0.1mm，最好为无间隙对接。填充焊丝的电子束焊可大大放宽对装配间隙及对接头处加工精度的要求，从而可降低工艺难度，提高焊接生产效率。北京航空制造工程研究所锁红波等采用填丝电子束焊方法焊接厚度1.0mm的不锈钢薄板，分析了不锈钢薄板填丝电子束焊对接头间隙的适应性。
焊接试验中使用了五轮送丝矫直一体装置，具有可调节高度的矫丝轮。采用步进电动机，能实现点动、编程、手动等功能。
试验母材为厚度1.0mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢薄板。焊丝为直径1.0mm的0Cr21Ni10不锈钢丝材。焊前试样的对接面经过机械加工保证平整，清理对接面15mm范围的上下表面，装入夹具。装配间隙分别为0、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm，选择与设定间隙厚度一致的金属箔片，夹在焊缝两端，用塞尺测量，调整接头间隙为设定尺寸并用夹具固定。夹入金属箔片可以防止焊接过程中间隙收缩，避免对试验结果造成干扰。电子束焦点处于工件表面时，聚焦电流为2871mA，在试验中采用了上焦点散焦的方式，焊接参数见表3.32。
表3.32 不锈钢薄板电子束焊接的焊接工艺参数
接头间隙为0、0.1mm、0.2mm、0.3mm的各试板均焊接成形良好，未发现咬边、未焊透、断续填丝等缺陷。接头间隙为0.4mm的焊缝在束流上升及束流衰减处有未熔合现象，焊缝中有一处约2mm的焊漏，并有填丝不均匀现象。通过在焊道首尾加装引导试板，改善工艺参数，可以消除缺陷，得到成形良好的焊缝。
焊接接头试样经X射线检查，未发现内部缺陷。焊后未进行热处理，直接对焊接接头进行室温拉伸试验，对试验数据取平均值。图3.20为不同接头间隙对不锈钢薄板填丝电子束焊接头力学性能的影响。
图3.20 接头间隙对不锈钢薄板填丝电子束焊接头性能的影响
由图3.20（a）可见，在接头间隙为0.1～0.4mm时，不同接头间隙焊接试样的抗拉强度基本一致，不随间隙增大而改变。实测母材抗拉强度为710MPa，当接头间隙为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm时，接头抗拉强度分别为母材的86.7%、85.3%、86.5%、85.8%。而0间隙填丝焊接试样的抗拉强度为母材的93.7%，高于有间隙的焊缝。接头试样的断裂位置均在焊缝上或焊缝附近，有明显的缩颈。
图3.20（b）为不同接头间隙对不锈钢薄板填丝电子束焊接头伸长率的影响，可以看出，接头伸长率变化趋势与抗拉强度类似，接头间隙在0.1～0.4mm时，伸长率变化基本一致，不随间隙增大而改变，但均低于0间隙填丝焊缝及母材的伸长率。
高强铝合金具有比强度高、比刚度大、耐热性好、无低温脆性等特点，在航空航天、国防军工、能源等领域得到广泛应用，但高强铝合金薄板的焊接难度很大。用电弧熔焊方法焊接高强铝合金薄板时，由于电弧集中性差、能量密度低、热输入大，使得接头软化严重，热影响区性能下降。哈尔滨工业大学吕世雄等用电子束焊对铝合金薄板进行对接焊，对接头力学性能进行试验分析，对铝合金薄板焊接应用有一定的意义。
试验材料为厚度0.8mm的5A02（LF2）铝合金薄板，焊接试样尺寸为100mm×80mm，电子束对接焊试验所采用的工艺参数见表3.33，其中工作距离115mm（指电子束焊枪口与工件表面之间的距离），加速电压55kV。
表3.33 厚度0.8mm铝合金薄板电子束焊的工艺参数
电子束焊后测试铝合金薄板对接接头的拉伸性能，拉伸试验在电子万能试验机（Instron-1186）上进行。A组焊接试样保持其他参数不变，只改变电子束流。图3.21是电子束流对A组和B组焊接接头试样抗拉强度的影响。
图3.21 焊接电子束流对接头抗拉强度的影响
由图3.21（a）可见，电子束流为3.5mA时的A3接头抗拉强度较高。A1试样电子束流较小，焊缝处于未熔透状态，抗拉强度较低；A2试样电子束流偏大，使热输入偏大，焊缝成形变坏，局部有坍塌现象，抗拉强度偏低。但由于A2焊缝处于熔透状态，因而拉伸强度比A1试样高；A3试样电子束流较适宜，焊缝成形以及熔透状况均较好，抗拉强度在三组试验中最高。
焊接速度660mm/min、聚焦电流2590mA时，厚度0.8mm的5A02铝合金薄板电子束对接焊较适宜的电子束流在 I s =3.5mA附近，变化范围为3～4mA。
B组试样焊接仍保持其他参数不变，只改变电子束流，但焊接速度为600mm/min。由图3.21（b）可见，B组试样也是电子束流处于中间值时接头抗拉强度最高。比较A组与B组试样的抗拉强度试验结果可知，B组试样的抗拉强度较A组试样高，且B组三个试样的抗拉强度相差幅度较小，说明B组试样焊接参数更接近最优参数范围。由B组试样的试验结果可以推断电子束焊接5A02铝合金薄板时焊接速度稍慢是有利的；在B组试样焊接条件下，适宜的电子束流在 I s =3.6mA附近，变化范围为3.5～3.7mA。
C组试样焊接时保持其他焊接参数不变，也只改变电子束流，但与B组试样不同，此时聚焦电流 I f =2600mA，为上聚焦，而A组和B组试样为表面聚焦。图3.22为电子束流对C组试样接头抗拉强度的影响，表明电子束焊接铝合金薄板时上聚焦与表面聚焦对接头性能的影响是不一样的。
图3.22 电子束流对抗拉强度的影响（C组试样）
图3.23给出聚焦电流对焊接接头抗拉强度的影响，由图可见，对于厚度0.8mm的5A02铝合金薄板，焦点位于工件表面的表面聚焦较好，上聚焦较差。电子束焊接薄板时，焦点位于工件表面使得焊接能量更易被吸收，能量吸收率高，有利于焊接。
图3.23 焊接聚焦电流对抗拉强度的影响（D组试样）
通过上述研究，可得到厚度0.8mm的5A02（LF2）铝合金薄板电子束焊接较适宜的工艺参数：工作距离 l =115mm，表面聚焦 I f =2600mA，焊接速度 v =600mm/min，电子束流3.5～3.7mA，加速电压 U b =55kV。此时焊接接头的抗拉强度可达153MPa。
针对碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiC p /101Al）的焊接，由于基体铝合金与SiC增强相之间的物理和化学性质相差较大，采用常规的熔焊方法很难获得优质的焊接接头。南京航空航天大学季小辉、王少刚等采用真空电子束焊接技术针对SiC p /101Al复合材料进行了焊接性研究，探讨了不同工艺参数条件对焊接接头性能的影响。
所用母材为SiC p /101Al复合材料，其基体101Al合金的化学成分（质量分数，%）：Si 6.5，Mg 0.25，Fe 1.4，Ce 0.1，Mn 0.35，Zn 0.3，Cu 0.2，Pb 0.05，Sn 0.01，Zr+Ti 0.25，其余为Al。母材的抗拉强度为168MPa。焊接试板尺寸为45mm×35mm×2mm。
采用MEDARD45型真空电子束焊机将两块试板沿长度方向进行对接，电子枪额定功率为6kW，加速电压60kV，真空度小于10 -3 Pa。试件在焊接前用丙酮超声波清洗10min，接头间隙小于0.5mm。
在CMT5105型电子万能试验机上进行接头拉伸试验，测试时加载速度为0.5mm/min。不同工艺参数条件下各组电子束焊接头试样的室温抗拉强度见表3.34。随着焊接速度的降低，接头抗拉强度呈下降趋势。分析认为，降低焊接速度，热影响区处于高温的时间相对较长，有利于气孔和脆性相的生成，从而导致焊接接头质量的下降。
表3.34 电子束焊工艺参数对接头抗拉强度的影响
在焊接速度一定时，电子束功率过大或过小都不利于铝基复合材料接头强度的提高。电子束功率过大，容易造成热影响区过热严重，铝基体熔化，复合材料发生半固态变形，试件背面出现上凹和正面近缝区凸起的现象。随着电子束功率的增大，接头组织中脆性相Al 4 C 3 的尺寸和数量也会增多，导致接头性能恶化。如电子束功率过小，接头熔深变浅，焊件的熔合区变窄，接头抗拉强度大幅度降低。对C组试样接头拉伸断口进行分析发现，电子束功率为0.6kW时，焊缝中心未完全焊透，这是导致接头强度下降的主要原因。
电子束扫描和修饰焊对接头强度也有影响。焊接过程中，通过电子束扫描可改善熔合区液态金属的流动性，虽然热输入增大促进SiC颗粒和Al基体之间的界面反应，但是电子束扫描可有效抑制近缝区气孔的生成。焊缝中气孔的数量越多、尺寸越大，接头的有效承载面积越小，接头抗拉强度越低，气孔的数目和大小对接头强度有重要影响。D组试验采用频率为 f =900Hz锯齿波对焊缝进行扫描，发现焊接接头抗拉强度的上升幅度并不是很明显，这主要是由于锯齿波电子束扫描易形成断续的熔合，导致接头强度起伏较大。
采用表面聚焦电流为6mA修饰焊对焊缝进行修饰，可使接头强度有所提高。这是由于在修饰焊过程中，焊缝上部金属重熔，焊接速度较深熔焊时减慢，熔池金属凝固速度降低，故熔池中的气体能通过重熔逸出金属表面，减少接头中的细小气孔。从焊缝的组织形态看，修饰焊时的重熔将使晶粒进一步细化，使接头抗拉强度有一定程度的提高。
对D组试验中采用频率为 f =900Hz锯齿波扫描和采用表面聚焦电流6mA修饰焊接头区域的显微硬度进行测定。测试条件：加载载荷0.5N，加载时间15s，测试方法为沿垂直焊缝方向对“母材（BM）—热影响区（HAZ）—焊缝金属（WM）”依次测量，显微硬度点之间的距离约为0.1mm，每个部位均测定3次，然后取其平均值。显微硬度测试结果如图3.24所示。
图3.24 电子束焊接头显微硬度的分布（电流6mA修饰焊）
1— f =900Hz锯齿波扫描；2—表面聚焦
由图3.24可见，两组焊接工艺条件下获得的焊接接头，从母材、热影响区到焊缝金属其显微硬度依次降低，焊缝中心部位的硬度最低，远离焊缝中心的硬度逐渐增加。分析其原因，主要是焊缝金属中的SiC颗粒含量较母材中减少所致；由于熔池温度从焊缝中心向边缘逐渐递减，故焊缝中心可能生成相对较多的Al 4 C 3 脆性相。接头中气孔和Al 4 C 3 相的生成，在一定程度上导致焊缝金属和热影响区的显微硬度降低，而远离焊缝中心的显微硬度逐渐增加。
由B、C两组试验表明，在焊接速度不变的条件下，通过提高电子束功率来增大热输入，可使焊缝熔深明显增大；如果只通过降低焊接速度来增大热输入，则熔深增大不明显。这是因为焊接速度降低后，由热传导而造成的能量损失增大，从而导致焊缝熔深增大不多。D组焊接工艺试验发现，焊接过程中通过采用修饰焊可改善焊缝表面成形，有利于减少焊缝缺陷。采用修饰焊时获得的焊缝成形较好，接头表面未发现有未熔合等缺陷。
B组试验表明，气孔对焊接速度十分敏感。焊接速度越低，热影响区经受焊接热循环的加热作用越充分，形成气孔的倾向增大。增加焊接速度，会缩短部分液化金属及其附近热影响区在高温停留的时间，可在一定程度上减轻合金元素的挥发，有利于减少形成气孔的体积和数目。
D组试验表明，以一定波形和频率的电子束流对焊缝进行扫描，可适当增加对焊缝的热输入，改变焊缝的冷却速度。同时，电子束流的搅拌作用还可以改善焊缝金属的流动性，使熔池金属中的气体易于逸出，从而大大抑制焊缝中气孔的形成。
以上分析表明，电子束焊接参数为功率0.66kW、焊接速度17mm/s，并采用表面聚焦电流6mA修饰焊时，获得的铝基复合材料焊缝表面成形良好，焊接接头组织中气孔等缺陷和脆性相Al 4 C 3 较少，焊接接头具有较高强度。