厚大件电子束焊接过程电子枪热防护

2013-12-10宫在龙

装备制造技术 2013年6期

宫在龙

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

哈尔滨汽轮机厂真空电子束焊机额定电压为60 kV，额定功率60 kW，目前该公司用到的最大功率为30 kW左右，真空电子束焊机工作时要求为负压，真空室内压力为7.0×10-4mbar。电子枪的温度传感器位于第二层防护罩上，当电子枪的温度增加到65℃时，就会出现电子枪的超温报警现象。

由于电子束焊接的有效距离较小，为保证大厚零件的焊接，经常用200 mm左右的枪距进行焊接，随着焊接时间的加长，当电子枪吸收的焊接辐射热量达到或超过65℃时，真空电子束焊机就会出现枪头过热的报警，此报警在一次焊接没有完成时，虽然不终止焊接，但是在进行下一次焊接时需等待报警消除，故考虑进行热防护工作的研究。

1 焊接过程的隔热处理

采用效果较好的隔热方法，将电子枪与被焊接件隔离开，从而有效控制高温辐射对电子枪的直接影响。热障涂层，是目前隔热效果较好的方法之一，其优点为：涂层厚度小、可实施性强。通过研究，目前已研制出了隔热效果好、结合强度高、适合高真空环境的涂层材料，通过采用合理的工艺方法后，使得实际的喷涂过程更加的简单快捷。

热喷涂制备方法一般采用常压等离子体喷涂。在涂层中存在一定的孔隙度，以降低涂层的热导率，减少涂层中应力。可以保证电子束焊机的有效工作距离不变，避免了其他方案引起电子束焊机有效工作距离缩短的问题，故可采用在电子枪防护罩的表面喷涂热障涂层的办法，降低电子枪超温的频率，从而大大地提高真空电子束焊机的工作效率。其主要研究内容包括：

（1）喷涂材料的研究制定。

（2）喷涂工艺及设备的研究制定。

（3）涂层与基体结合强度的试验研究及检测。

（4）隔热效果测试——热导率的检测。

（5）涂层厚度与隔热效果的关系实验以及涂层厚度的最终确定。

（6）高真空特殊环境的性能测试。

2 试验过程分析

2.1 试验目的

本报告为热障涂层性能测试及结果观察，包括：涂层外观、显微组织、孔隙率、弯曲试验、结合强度等。

2.2 试验方法

使用超音速喷涂设备制备NiCoCrAlY底层，用7 M等离子喷涂枪喷涂纳米氧化锆(ZrO2/Y2O3)面层来制备热障涂层。按照试验要求分：金相试样、弯曲试样、热震试样、拉伸试样共四组。

对上述涂层分组进行性能测试，具体测试依据及方法见各测试报告。

2.3 试验内容

2.3.1 热障涂层制备

（1）底层喷涂

底层喷涂使用超音速火焰喷涂设备，基体表面温度控制在Tmax<100℃。喷涂材料为NiCoCrAlY。具体工业参数如表1所示。

表1 底层喷涂工艺参数

（2）面层喷涂

面层喷涂使用80 kW高能等离子喷涂系统配和7 M枪进行喷涂。在喷涂时，基体温度Tmax<150℃。喷涂材料为纳米氧化锆(8ZrO2/Y2O3)。

2.3 .2喷涂后试样

喷涂后的试样主要是金相试样。试样材料为不锈钢板，尺寸为75 mm×25 mm×1.0 mm。喷涂方式采用平面喷涂，底层厚度为100 um，面层厚度为210 um，涂层总厚度为310 um。

2.3 .3涂层性能测试结果

（1）涂层外观

用7X放大镜在自然光下观察，可见涂层完整，表面均匀连续，且无裂纹、边缘翘起和剥落等缺陷。涂层面层孔隙率为24.9%，如图1所示。

图1 涂层面层孔隙率

（2）弯曲试验

在弯曲直径为覫10 mm的测试工装上，将涂层面向外，以较慢的速度弯曲90°，仔细观察被弯试样，可发现除边缘1.5 mm内有微小裂纹外，其涂层无翘起、无剥离、无贯穿裂纹等现象。

（3）结合强度

制备两个试样，在试样端面制备涂层，保证涂层厚度大于等于0.4 mm。在两试样的涂层面涂上一层很薄的粘合剂，令两试样轴线重合，加力使之对接充分粘合，粘合剂中不得有气泡，然后使粘合剂固化，将试样装备在试验机上，进行强度试验，通过测试，得出测试结果为：平均结合强度为55.69 MPa。

（4）热膨胀系数及热导率检测

热膨胀系数采用电磁感应热机械法测定，电磁感应热机械法是将顶杆的移动通过天平传递到差动变压器，变换成电讯号，经过放大转换，从而测量出试样的伸长量。热导率是采用径向热流法测量，涂层隔热试验结果如图2所示，检测计算依据如表2所示。

图2 涂层隔热试验结果

表2 检测计算数据

2.4 试验结果分析

通过以上试样试验及各项检测数据分析，喷涂纳米氧化锆(8ZrO2/Y2O3)热障涂层试样，底层厚度为100 um，面层厚度为210 um，涂层总厚度为310 um，涂层外观完整，表面均匀连续，且无裂纹、边缘翘起和剥落等缺陷。基体与打底层间无翘起、分层、界面污染物极少，材料熔化均匀。金相组织打底层与面层间无分层，材料熔化均匀，孔隙分布均匀。涂层面层孔隙率为24.9%。平均结合强度为55.69 MPa，涂层热导率低隔热效果可达170℃，根据涂层检验数据显示完全可以满足电子枪防护罩隔热的要求。