试验采用EBW-6C型通用电子束焊机，通过函数发生器使电子束扫描出圆形轨迹，对钎料周围进行加热。由于本实验选用试板很薄，可以近似认为工件热传导是在平面内的二维传播，也就是说工件正反面温度近似相等，因而将热电偶点焊在不锈钢试板背面的钎料正下方，通过X－Y记录仪测量钎焊过程中试板的温度。对真空电子束钎焊后的试样，进行金相显微镜、扫描电镜（SEM）、面扫描及X射线能谱分析（EDAX），并测定其润湿角。
2 试验结果及分析
2.1 真空电子束钎焊工艺参数对温度场及钎料润湿性的影响
真空电子束钎焊工艺参数主要包括加速电压、束流、聚焦电流、加热时间以及电子束扫描轨迹等等。试验过程中加速电压及工作距离恒定，同时焊接时试板固定不动，电子束扫描轨迹为圆形扫描，幅值保持不变，故影响电子束钎焊工艺的主要参数就剩下束流、聚焦电流和加热时间等。经过一系列工艺试验，基本确定了优化工艺后，分别调节上述参数，然后观察其对钎焊结果的影响。
试验中温度场的测量主要考虑三个因素：最高加热温度Tmax 、加热速度ωH和高温停留时间tH。其中，加热速度ωH是指电子束钎焊过程中不锈钢试板从室温上升到熔点的速度，高温停留时间tH是指不锈钢试板在熔点以上温度停留的时间。在不同工艺参数时，试板上测得的温度场不同，钎料的铺展面积、润湿角等均会出现不同程度的变化。
2.1.1 束流对温度场及钎料润湿性的影响
调节束流值，分别对锰基7#合金和BNi-2两种钎料进行润湿性试验，结果如图1中四组曲线所示。（图片） （图片）
(a)束流对铺展面积的影响 (b)束流对最高加热温度的影响
（图片） （图片）
（c）束流对加热速度的影响 (d)束流对高温停留时间的影响
图1 束流对温度场及钎料润湿性的影响
由图1可以看出，在加速电压、加热时间、聚焦电流不变的情况下，电子束的束流值越大，其功率密度就越大，热输入量越高，则钎料铺展面积s、最高加热温度Tmax 、加热速度ωH以及高温停留时间tH均呈上升趋势。但束流对两种钎料的影响程度不同，BNi-2的变化斜率比锰基7＃合金的大。
2.1.2加热时间对温度场及钎料润湿性的影响
与上述试验类似，我们锁定束流值和聚焦电流，通过调节加热时间（即束流维持时间）来改变热输入量，观察其影响，结果如图2四组曲线所示。（图片） （图片）
（a）加热时间对铺展面积的影响 （b）加热时间对最高加热温度的影响
（图片） （图片）
（c）加热时间对加热速度的影响 （d）加热时间对高温停留时间的影响
图2 加热时间对温度场及钎料润湿性的影响
由图2曲线可以看出，电子束的功率密度没改变，加热速度ωH基本不变，但随着加热时间的延长，热输入量逐渐增加，则钎料的铺展面积s、最高加热温度Tmax 、高温停留时间tH 都明显上升。同时可以看出加热时间对两种钎料的影响程度有所不同，锰基7＃合金加热速度ωH比较快，所需加热时间比较短，对加热时间的影响更敏感。
2.1.3 聚焦电流对温度场及钎料润湿性的影响
在工作距离为340mm时，电子束呈表面焦的聚焦电流值为0.565A。在试验中，我们采用的是下散焦方式，焦点位置在试板之下。试验发现，随着聚焦电流的不断升高，电子束的能量密度逐渐增大，铺展面积s、最高加热温度Tmax 、加热速度ωH以及高温停留时间tH 都呈明显上升趋势。同时可以发现，与束流和加热时间相比，聚焦电流对温度场和钎料润湿性的影响要小得多。但是，聚焦电流的调节非常重要，聚焦不当，束流启动的瞬间极易产生钎料飞溅的现象，不利于电子束钎焊继续进行。
综合分析束流、聚焦电流、加热时间对温度场和钎料润湿性的影响，我们发现，BNi-2钎料熔化速度比较慢，需要较长的加热时间，适合比较小的束流。否则，束流过大，钎料熔化时已经发生熔蚀或者母材熔化的现象。而锰基7＃合金熔点高，熔化速度很快，需要很短的加热时间，适合较大的束流，否则，束流过小，钎料不易熔化，流动性太差，需要较长的加热时间钎料才能铺展开，容易发生熔蚀或者母材熔化的现象。
2.2 不锈钢真空电子束钎焊组织分析
从BNi-2钎料真空电子束钎焊后的试样中，选取一个钎焊效果良好的试样进行分析，其焊接参数为：加速电压60kV，聚焦电流0.515A，束流8mA，加热时间40s，扫描频率1k。然后进行金相显微镜、扫描电镜（SEM）、面扫描及X射线能谱分析（EDAX）。
试样金相照片如图3所示。照片上方是钎料区，下方是母材区，中间是钎料与母材的界面区。图中可以看出，母材区存在元素晶间扩散现象。（图片） （图片）
a）250× （b）400×
图3 VEBB试样金相照片
图4为二次电子面扫描图象，图中白色区域代表元素分布处。（a）、（b）两张照片钎料和母材两部分没有出现比较大的反差，表明Si、Cr元素扩散明显。由钎料和母材的成分可以得知，Cr元素是由母材向钎料溶解，而Si元素则是由钎料向母材扩散。在（c）图中，上方钎料区富集Ni，而下方母材区Ni元素相对低得多，说明Ni元素的扩散不明显。（图片） （图片） （图片）
a）Si元素分布 （b）Cr元素分布 （c）Ni元素分布
图4 二次电子面扫描图像
试样SEM图像如5所示，图中各点的X射线能谱分析结果见表3。（图片）
图5 SEM1700×
表3 SEM图象中各点化学成分（wt.％）
（图片）由图4、图5及表3 数据综合分析可知，上方的钎料区有如下组织：（1）灰色圆形的硼化镍相，如图5中位置4；（2）玫瑰花状的硼化铬相，如图5中凸起的深色相；（3）斑纹状的硼化镍和硅化镍相，如图5中位置3；（4）固溶体组织。母材和钎料界面区仍存在硼化镍和硅化镍，只是共晶相的组织更为细小。母材区除了奥氏体组织外，存在硼的晶间扩散区。
2.3 润湿角的测定及分析
在锰基7＃合金和BNi-2两种钎料电子束钎焊后的试样中，各选取一个钎焊效果良好的，测定其润湿角，并与真空炉钎焊的润湿角相比较，结果如表4所示。表4 钎料润湿角测定的试验数据
（图片）由表4可以看出：
1)电子束钎焊的润湿角小于真空炉钎焊的润湿角；锰基7＃合金的润湿角小于BNi-2的润湿角。
2)因此，在不锈钢钎焊中，电子束钎焊的润湿性优于真空炉钎焊的，锰基7＃合金的润湿性优于BNi-2的。
3 结论
1)真空电子束钎焊与传统的真空炉钎焊相比，钎料的润湿角明显减小，润湿性大大提高。
2)随着电子束功率密度的增加，钎料铺展面积s、最高加热温度Tmax 、加热速度ωH以及高温停留时间tH都呈明显上升趋势。
3)锰基7＃合金熔点高，熔化速度很快，适合很短的加热时间和较大的束流。而BNi-2钎料熔化速度比较慢，适合较长的加热时间和较小的束流。否则，很容易发生熔蚀或者母材熔化的现象。
4)不锈钢真空电子束钎焊中，锰基7＃合金的铺展面积明显大于BNi-2的，润湿角小于BNi-2的，说明锰基7＃合金在高温状态下对不锈钢的润湿性优于BNi-2。
5)BNi-2钎料真空电子束钎焊不锈钢后有四种组织：硼化镍、硼化铬、硼化镍和硅化镍共晶相、固溶体组织。母材区存在硼的晶间扩散现象。
参考文献：
[1] 刘方军等.不锈钢管板接头的电子束钎焊研究.第九次全国焊接会议论文集（第1册）.黑龙江：黑龙江人民出版社，I－561～564.
[2] A.Sakamoto, C.Fujiwara, T.Hattori and S.Sakai. Optimizing Processing Variables in High-Temperature Brazing with Nickel-Based Filler Metals. Welding Journal, 1989.3 ：68～71.
[3] E.LUGSCHEIDER, K.D.PARTZ. High Temperature Brazing of Stainless Steel with Nickel-Base Filler Metals BNi-2, BNi-5 and BNi-7. Welding Research Supplement,1983.6：160～164.
作者简介：李少青（1979—），女，硕士研究生，主要从事真空电子束钎焊研究。
Tel:13917627904
E-mail:lishaoqing@sjtu.edu.cn
4/1/2005
