1、关于零件原材料的化学成份及热处理状态：

　　齿轮类零件一般都选用优质碳素钢或者合金结构钢作为原材料，材料的化学成份不同，热处理状态不同，则其焊接性就有明显差异。(应用在自动变速器部件中典型工件)

　　2、钢材的碳含量与碳当量：

　　所有的钢铁材料都是以铁和碳为基本组元形成的复杂合金，其他合金元素对材料的性能虽然也有不同程度的影响，但以碳的影响最为显著。因此可以说碳是所有钢材中最重要的一种合金元素。含碳量不同则材料的晶格类型、金相组织、机械性能及工艺性能等均有很大差异。钢材中如果含碳量高，则可以促进S、P等杂质在焊缝中形成低熔点共晶物质，加大了热裂敏感性;同时，较高的含碳量增加了材料的淬硬性，使钢材强度、硬度升高，塑性、韧性下降，加大了冷裂趋势。因此随着含碳量的提高，材料焊接性能会明显下降。

　　在合金结构钢中，除了碳元素之外，作为合金的其他元素如：Mn、Si、Cr、V、Mo、Ti等等，对材料的机械性能及焊接性能都有不同程度的影响作用。为评估钢材的焊接性，我们将各种合金元素按其对钢材淬硬、冷裂及脆化等现象的影响作用大小折算成碳的相当含量，称为碳当量。其中以国际焊接学会(IIW)所推荐的C_E和日本JIS标准所规定的C_eq应用较为广泛。

　　C_E=C+M_n∕6+(Cu+Ni)∕15+(Cr+Mo+V)∕5(%)

　　C_eq(JIS)=C+Mn∕6+Si∕24+Ni∕40+Cr∕5+Mo∕4+V∕14(%)

　　C_E公式主要适用于中高强度的非调质低合金钢(σ_b=500-900Mpa);C_eq公式主要适用于低碳调质低合金高强钢(σ_b=500-1000Mpa),但二者都适用于含碳量偏高的钢种(C≥0.18%)。

　　作为判断钢材焊接性的依据，碳当量值越高，焊缝及热影响区就越容易产生裂纹。一般认为材料碳当量小于0.4%时，钢材焊接性良好，一般不需要预热和严格控制线能量;而当材料碳当量大于0.4%，尤其是超过0.6%时,随着C_E的升高，钢材冷裂倾向就会明显增加。这时为了避免出现裂纹，就需要采取较严格的工艺措施，如预热、缓冷及严格控制线能量等。

　　3、钢材中硫、磷等杂质的含量：

　　根据目前标准规定，一般钢材S、P的含量只要小于0.03%～0.04%都是合格的。但在电子束焊接应用上，对钢材中S、P的含量却提出了较高要求。这与电子束焊缝的形状特点及焊缝结晶裂纹的产生机理密切相关。

　　首先，从金属结晶理论可以知道，先结晶的金属较纯，后结晶的金属杂质较多并富集在晶界。在焊缝金属凝固的后期，由S、P等杂质所形成的低熔点物质被排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓“液态薄膜”，此时如果焊缝受到拉伸应力，则在此部位就极易产生开裂。因而我们认为由于S、P等元素形成的低熔点液态薄膜是产生结晶裂纹的内在因素。

　　其次，焊缝组织受到足够的拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件。焊缝形状的不同，将直接影响接头的受力状态，如图1a,1b所示，表面堆焊或熔深较浅的对接焊缝，其抗裂性能较高;而对于熔深较大，焊缝深宽比大的电子束焊缝，由于其所承受的焊接残余应力正好作用在焊缝柱状晶粒交遇的结晶面上，而该位置正是低熔点的杂质富集，晶粒之间联系较差的部位，因而极易在此引起结晶裂纹。

　　由此可见，由于电子束焊缝的形状特点使得其产生结晶裂纹的可能性大大增加，而一般情况下采用电子束焊接的产品又多为关键零部件,因此，为提高焊缝的抗裂性能,只能从严格控制被焊钢材的S、P等杂质含量这一方面入手。据国外有关资料介绍，当碳含量超过0.03%时，磷和硫两种元素含量之和应严格控制在0.02%之内。

　　4、钢材的热处理状态：

　　零件焊前的热处理状态对其焊接工艺、焊缝质量以及焊接生产的效率、合格率等等均有非常重要的影响作用。

　　以普通汽车变速箱齿轮为例，变速箱各档齿轮的材质一般都选用20CrMnTi或20CrMnTiH钢，这种钢材通常在渗碳淬火后投入使用，其渗碳层深度为0.8-1.2mm，含碳量达0.6-0.84%。因此,如果齿轮是在渗碳淬火后焊接，并且焊缝附近未采取防渗碳措施，就必须采取较严格的工艺措施，如预热、保温、严格控制线能量等等，不然就会大批地出现淬硬脆化裂纹，而且极难修复。在这种情况下，即便是以牺牲生产率及合格率为代价，焊出了部分合格的齿轮，其焊缝的金相组织、成份也很不均匀，使齿轮整体机械性能受到影响。所以，一般情况下，大批量生产的齿轮应当采取先进行电子束焊接，后整体渗碳淬火的方式，这样既可以保证焊缝质量，又能达到较高的生产率。(我公司生产的齿轮电子束专用焊机单台生产率为120件∕小时)。

　　然而，对于某些加工精度较高，同时结构受到限制的齿轮，如精密机床传动齿轮，必须先分别渗碳淬火，将齿面及其他工作面精磨后再拼焊到一起，此时电子束焊接是整体零件加工的最后一道工序。对于这种焊前热处理的情况，就要求采取一些特殊措施，如渗碳淬火钢在渗碳时，需对焊口附近进行保护，如镀铜、镀锡或涂抹防渗碳涂层等，也可将渗碳层加工掉(经大量的实验和对比，一般单边切掉1.8-2mm最好);中高碳钢的热处理工艺就必须采取局部淬火方式，使焊缝附近没有淬硬层。总之不论什么钢材，采取何种热处理方法，只要焊缝区域没有很高的硬度，焊接时就不需要采取特殊措施，即可获得良好的焊缝。

　　5、 某些易裂钢种齿轮的电子束焊接问题：

　　对于某些淬硬倾向较大的钢种如45钢、40Cr或35CrMo等，这类材料由于碳当量较高，在焊接时往往容易出现淬硬脆化裂纹，因此焊接时必须采取某些特殊措施，如预热、后热等等。在电子束焊接过程中，可以通过延长束流上升、下降斜率来达到预热、后热的目的，实践证明这一方法是切实有效的。然而，这种方法也有一定局限性，即仅限于体积较小、形状比较简单的零件。如果零件体积较大，由于有很大的热容量，因而单纯加长电子束斜率或小束流预焊几周 ，不仅预热升温的效果不甚明显，反而会因为局部反复过热而导致焊缝组织恶化，出现粗大魏氏体组织，降低了焊缝的抗裂性能。对于这种情况，变速器运转件必须采取炉中加热、保温的方法来控制焊缝冷却速度，以避免出现冷裂纹。除此之外，在图纸设计时应考虑加大主齿与同步环间的过盈量，以抵消一部分焊接应力。

　　6、 清洗、烘干：

　　6.1焊前清洗和烘干的意义：

　　电子束焊接对零件的焊接面清洗和干燥度要求比较高，要求油、锈、氧化物以及其他杂质等必须清除干净。因为即便十分微小的一点油渍，在高温、真空条件下，分解为气体后其体积膨胀很多倍，在焊接过程中一方面容易形成气孔，数量多时会影响焊缝的机械强度;另一方面更主要的危害在于，由于熔池中气体体积的急速膨胀造成严重的焊接飞溅，导致焊缝表面出现较大的凹陷，影响焊缝的美观，同时对于某些易裂钢种，凹坑导致的应力集中会造成焊接裂纹。因此，焊前清洗烘干对保证零件电子束焊接质量有着十分重要的意义。

　　6.2焊前清洗的方法：

　　1、少量零件：可以用汽油清洗去掉油污，再用丙酮檫洗脱水脱脂。所用汽油与丙酮一定要经常更换，保持干净，有的单位在清洗时，汽油与丙酮反复使用，本身清洗剂已经不干净了，就不可能达到清洗目的。

　　2、小件大批量零件：大批量零件的清洗就得用机械化清洗方式。如表1所示，首先，选用合适的传送清洗机带烘干功能，采用浸洗喷淋加烘干相结合清洗，在焊前再用上述配方清洗剂喷淋，靠工件温度自身干燥即可焊接。

　　表1 变速器运转件的清洗条件与程序

　　6.3清洗烘干完毕及时焊接：

　　清洗烘干完后最好不要搁置时间过长(不超过2小时)，以免吸附潮气，甚至生锈而影响焊接质量，特殊情况不能及时焊(如需要外协焊接)必须及时用塑料口袋包装起来，避免受潮及污染。

　　6.4检查清洗结果：

　　用肉眼检查齿轮上要没有明显油污，并用白色餐巾纸试檫待焊处，要在餐巾纸上见不到明显油渍才行。

　　7、 变速器运转件的焊前压配与焊缝对中：

　　7.1焊前压配：

　　变速器运转件焊前的装配精度对电子束焊接的质量有着非常重要的影响。以汽车变速箱齿轮为例，同步环与主齿间应配合到位，有时由于过盈量太大或毛刺等原因，压配不到位，焊后零件的各项精度指标显然是达不到的。因此，不论采用冷压还是热装，都不能有装配不到位的现象，也就是说其端面接触部位不能有间隙;另外，如果主齿与同步环间配合过松，焊接时也会造成较大的变形。为保证零件的焊接变形量，一方面要控制机加工的公差配合，同时焊前压配的精度也要严格把关(一般理想状态是小过盈配合最好：过盈量在0.002~0.015之间，或压装力控制在0.5~1.5吨之间)。(如下图所示：压力、位移、消磁控制处理)

　　7.2电子束对中：

　　环焊缝零件的电子束对中，作为焊缝基准首先要求焊接胎具要达到一定的回转精度，汽车变速箱齿轮的大规模焊接生产过程中，一般胎具的端跳不得大于0.03mm，径跳不得大于0.05mm。齿轮类零件的焊接定位一般采用孔轴配合，盘齿轮内孔或轴齿的外径与胎具的配合精度非常重要，配合精度太高，间隙量小，不仅增加了加工成本，而且装卡时难度增加，影响生产效率;如果配合间隙过大，又易产生焊缝偏移，影响焊接质量。

　　电子束良好对中非常重要，对中不好，焊偏了会影响焊接深度，跑车时产生齿轮脱焊。对小批量零件，可以用光学观察系统精确定位;而象汽车齿轮这样大批量的齿轮焊接，其专用机一般不设光学观察系统，可通过焊机上的游标尺粗略定位，再用小束流在焊缝上均匀分布打三个小点，观察其偏差情况，然后再调整其位置，使其良好对中。

　　8、电子束焊接参数的选择：

　　电子束焊接过程中能否选用合适的焊接参数关系到焊接质量的好坏。焊接参数主要是指加速电压、束流、焊接速度、聚焦电流、焦点位置以及电子束扫描形式等，其数值主要根据齿轮的尺寸大小，焊缝深度，允许变形量，甚至材料的不同而不同，由于因素太多，难以明确规定，可以从线能量着手进行。图2为试验得出的完全熔透条件下线能量与熔深的关系，对初步选定焊接参数有一定参考价值。

　　其中线能量计算公式为：

　　J=60U_bI_b/v

　　J——线能量(J/cm)

　　U_b——加速电压(V)

　　I_b——电子束束流(A)

　　v——焊接速度(cm/min)

　　至于焊速如何确定，功率P=Ub×Ib确定后，高压与束流以及聚焦值如何确定等需根据实际生产情况及个人经验灵活掌握。我们在此仅给出这些焊接参数对焊接工艺的影响规律，以便用户根据这些规律容易通过试验找到合适的焊接参数。

　　8.1加速电压(高压)：一般中压电子束焊机高压在30～60kV可调，但在实际应用中为了确定其他焊接参数方便，亦为了有好的聚焦性能，一般固定用在额定电压60 kV。只有在非常特殊的情况下才适当调低电压。

　　8.2束流与焊速:在高压确定后，欲达到所需熔深，从线能量公式可见，束流越大则焊速可越高，这有利于提高生产效率，减少零件变形，但快速熔化，快速凝固会增加焊缝内因力，焊缝根部尖钉缺陷亦比较显著，故束流与焊速须在合理范围内配合选择，通过实验确定。

　　8.3焦点位置：焊一般中小型齿轮，熔深在1～4mm，为调节方便，焦点一般在焊区表面;如要焊大型齿轮，熔深在十多毫米到几十毫米深，一般要用欠聚焦，即焦点位于工件表面下方1/2～1/3处，具体需通过实验选取，焦点位置选择不合适，会使焊缝截面出现上口小、下部大，不利于气体排出的形状。

　　8.4电子束扫描：采用圆形、椭圆或线形电子束扫描，有利于焊缝中气体排除，改善焊缝根部效应，有利于提高焊接质量，至于振幅、频率、图形需通过试验确定。横向振幅与焊缝宽度直接有关，不宜太大，频率一般用几百周到一千周。要求不是太高的，亦可不用扫描。

　　1) 工作距离：指工件焊接表面离真空顶壁距离。工作距离与聚焦有密切关系，一般选择在75～150mm左右。工作距离越远，聚焦能力越差，焊缝深宽比越小。

　　在大批量焊接生产中，为防止出现批量报废或大批返修，保证齿轮的焊接质量，用户往往愿意将电子束焊缝焊得比较宽，这样万一出现胎具松动不正、对中不准等现象，可以在一定程度上弥补焊深不足的缺陷。这一观点有其合理性，但必须注意操作方式，即不能单纯强调焊缝表面宽度而选择过大的离焦量，这样焊缝就会成为上宽下窄的“蘑菇”形，反而因其表面宽度掩盖了内部的焊偏埋下了事故隐患。

　　图3 焊缝根部带观察孔的形式

　　为保证焊缝深度，通常有几种方法：首先是试片穿透，如要求焊深4mm，则先以4mm厚的试片焊接，找到合适参数，然后再以同样参数焊实际零件。为进一步确认零件焊深，也可将一实际零件切开，看其焊缝剖面。这种方法最直观，但不经济简便，对于小批量零件，可以如图3所示，在焊缝根部预先开出一观察孔，如要求焊深8mm，可在7.5mm处开一小孔，孔径以不造成焊缝表面大幅下塌为宜，焊后从小孔中看是否有熔化铁水流过，即可知是否焊透。

　　9、探伤：

　　采用焊接工艺的零件难免会出现某些缺陷，如气孔、裂纹等，但只要符合标准的允许范围，即可认为是合格产品。对于电子束焊缝的检验，一般有肉眼观察、放大镜或显微镜观察、X光探伤或超声波探伤等等几种方式。

　　目前国内应用面较广的汽车变速箱齿轮的电子束焊缝，一般都采用超声波探伤。它要求焊缝一周的气孔尺寸之和要小于焊缝周长的1/10，探测灵敏度为Φ0.5mm。由我公司生产的UFD-G系列型超声波探伤仪完全按照该标准设计，可全自动探测。

　　齿轮焊后探伤不合格或表面成形不佳，一般允许进行电子束修补。如果判断下来是电子束对中不合格所造成焊缝偏移，可重新对中再用同样参数焊一次。如果是气孔量超标，重复焊一次有可能清除一部分气孔而达标。需要表面修补的焊缝可适当降低束流、散焦焊接。

　　10、结论：

　　① 齿轮类零件的电子束焊接工艺有其独到的优越性，同时，对被焊零件的原材料(包括杂质含量及热处理状态)提出了某些特殊要求;

　　② 电子束焊接工艺对焊前准备工作要求较高，否则不能达到很高的焊接质量;

　　③ 电子束焊接参数需根据实际情况制订，理论公式或图表仅具有参考价值。