朱绍华

（上海材料研究所，上海 200437）

电子束焊接的基本原理是：电子枪中的阴极，由于直接或间接加热而发射电子；该电子在高压静电场的加速下，通过电磁场的聚焦，形成能量密度极高的电子束；用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，从而实现对工件的焊接。

电子束焊［1］的结构特点是：被焊接母材紧密接触在一起，配合间隙极小，焊缝宽度极窄。焊接过程中，由于电子束入射角度、焊道走偏及电磁场影响等原因，很容易产生未熔合、未焊透、裂纹及气孔等缺陷。

由于电子束焊的缺陷尺寸极其微小，故射线检测时，特别要控制好射线入射角度以保证微小线性缺陷的检出率，进而保证产品的质量要求。

笔者介绍的电子束焊接零件为高温合金焊接组件，焊接结构比较复杂。零件主体呈圆环形，圆周方向有多个凸台，主体与凸台由电子束焊焊接在一起，每个凸台大小及圆焊缝的大小不同，每个凸台圆焊缝的距离不同，位置分布也没有规律，但是所有凸台圆焊缝的圆心在同一圆截面上，如图1所示。

图1 零件主体与凸台的结构示意

1 项目背景

该零件是某机配套的关键部件，它的生产周期也直接影响着科研机种的交付周期。由于该零件焊接结构比较复杂，进行射线检测时，有三种检测工艺［2］：

（1）源在外单壁透照：需透照多次。由于凸台的四个角与焊缝边缘距离很近，为了防止因为摆放不当造成焊缝被凸台四个角遮挡的现象，故选择每次只透照相邻凸台圆焊缝的半圆，如图2所示。

图2 相邻凸台焊缝半圆X 射线显像

（2）源在内周向整体透照：需透照一次。

（3）源在内周向分区透照：需透照多次。

2 检测方法对比

2.1 源在外单壁透照

该检测工艺所需要的最少透照次数，应遵循相关标准［3］规定的透照厚度比K值。

该检测工艺存在以下缺点：当相邻凸台距离小时，底片影像变形小；当相邻凸台距离大时，底片影像就会产生较大变形，如图2所示，很容易隐藏缺陷，而且会使需要透照的半圆部位不能全部呈现在底片上。这样，容易造成不必要的返工，不仅提高检测成本，而且增加劳动强度。当相邻凸台距离很大时，就只能一次透照一个凸台的一半，大大增加了检测次数。

综上所述，该检测工艺较复杂，虽然能有效地保证检测质量的要求，但检测周期长而且焊缝影像变形大，一旦缺陷出现在畸变较大的区域，则会对评片工作带来很大的困扰。如果不能确定是否为伪缺陷，还可能产生不必要的返工检测。

2.2 源在内周向整体透照

由于零件上的最大凸台焊缝的半径很小（35mm），而且每个凸台圆焊缝的圆心都在一个圆环截面上，这样的结构特征和周向射线机适用的检测对象很相似，那么就可考虑使用周向射线机对该凸台焊缝进行检测，如图3所示。

图3 源在内周向整体透照示意图

周向射线机主要检测对象是直径较大的圆形环焊缝零件，它的主要优点有：①透照距离保持不变，透照厚度均一，底片黑度比较均匀。②射线束处处垂直环形焊缝，有利于发现各种缺陷，横向裂纹检出率很高。③由于一次曝光，大大提高检测效率。

2.2.1 源在内周向整体透照时可能遇到的问题

凸台的四个角是否遮挡焊缝；检测灵敏度是否达到检测要求（象质计FeⅢ／15号丝）；底片黑度是否达到检测要求范围（最佳黑度2.0）；射线入射角是否达到检测要求（θ≤5°）。

2.2.2 实际操作中的问题

由于机匣组件大端和小端直径有差异，因此在检测中必须保证大端环形面和小端环形面同时垂直地面，才能使凸台圆焊缝圆心都处在一个同心圆上，从而使射线束能垂直入射到每个凸台的圆心，最终得到黑度均匀的底片。

为了解决这个问题，特制作一个工装，该工装是一个特制厚度的垫板，垫板厚度为大端圆半径减去小端圆半径，这样可以保证射线束能垂直入射到每个凸台圆焊缝的圆心，保证了检测质量的要求。

实际检测工艺参数为：电压为90kV；电流为5mA；时间为120s；焦距为R；胶片类型MX125（增感屏Pb），象质计为FeⅢ／15号丝。

检测后底片如图4所示，未发现焊缝被遮挡的情况，黑度也在2.0左右，同时检测的灵敏度也达到了检测标准的要求；从底片上呈现出的影像看，达到了检测要求的标准，避免2.2.1中提到的问题的发生。

图4 源在内周向分区X 射线影像

2.2.3 理论验证

射线入射角是否达到检测要求的最终结论要经过理论计算才能得出。理论计算如下：

最大凸台圆焊缝半径r为35mm，零件环形半径R为350mm，如图5所示。

图5 射线入射角理论计算示意

由tgθ＝r／R＝0.1，得到入射角的角度θ为5.7°。该角度不能满足项目对电子束焊缝角度（±5°）的检测标准要求，因此一次周向曝光不能满足检测标准的要求。

实际工作中，周向射线机每次检测的环形焊缝都是进行一次曝光就可以完成检测。该零件虽然和日常周向射线机的检测对象很相似，但是还是存在射线入射角满足不了要求的问题。至此，源在内周向整体透照工艺以失败而告终。

2.3 源在内周向分区透照技术工艺分析

源在内周向整体透照技术，唯独入射角没有满足要求。因此，需要从理论角度上分析入射角偏大的问题。

由分析可知，要减小入射角度，就必须减小透照范围。故笔者采取源在内周向分区的检测工艺。每次只检测半个圆的焊缝，如图6 所示，使入射角大于5°，这样就保证了入射角度的大小，使得前面的所有问题都得到了解决。

同时，要满足入射角度不大于5°，选择的透照焦距R和有效透照区域L必须满足表1要求。

表1 透照焦距R 和有效透照区域L 的技术要求 mm

3 散射线的屏蔽

由于周向射线机置于圆环中，胶片贴于焊缝外侧，并使用铅箔增感屏，所以能屏蔽部分散射线，因此暗盒背面不需要再衬托铅板，以提高工效。从所拍底片看不见在暗盒背面贴附的“B”铅字影像，说明散射线防护可以满足标准要求。

4 结论

通过检测方案的对比，最终确定采用源在内周向分区透照工艺技术。该工艺技术在以下方面取得了良好的效果：

（1）在保证检测质量的前提下，检测效率得到了较大的提高，从之前的多次减少到2次。

（2）采用周向射线机检测，避免散射线，减轻了影像的畸变，底片清晰度较好，检测灵敏度较高（可以达到标准要求的15号丝）。

［1］黄刚.电子束焊接技术在航空产品中的应用［J］.四川兵工学报，2010（5）：73－76.

［2］郑世才.射线检测［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］HB／Z 60－1996X 射线照相检验［S］.