一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法技術

一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法，對高溫鈦合金進行預熱和保溫后再行焊接。焊前預熱能夠使焊縫獲得較高的能量，在焊接時熔池能夠連續向前推進，使焊縫外形美觀；且焊前預熱所掃描的區域較焊接時的大，使焊件薄弱環節——熱影響區的組織受熱，縮小焊縫與熱影響區的溫度梯度，使該區域組織能夠平滑過渡，削弱不協調變形產生的影響。對于較厚的焊件，焊前預熱能夠避免焊縫未熔透的情況。而焊后熱處理所掃描面積與焊前預熱一樣，降低焊縫及部分熱影響區的冷卻速率，避免產生較多的針狀馬氏體和魏氏組織，明顯改善了焊縫質量。

High temperature titanium alloy thin-wall casting electronic beam welding method

The invention relates to an electronic beam welding method for a high temperature titanium alloy thin-wall casting, which is pre heated and insulated by welding high temperature titanium alloy. Preheating before welding to weld high energy in welding can continuously move forward, make the weld appearance; and preheat the scanned area than when welding, the welding heat affected zone of the weak link -- tissue heating, reduce the weld and heat affected zone of the temperature gradient. The regional organizations can smooth transition, weaken the effect of uncoordinated deformation. For the thicker weldment, pre weld preheating can avoid the penetration of the weld. The heat treatment after welding the scanning area and the preheating before welding, weld and heat affected part of lower cooling rate area, avoid more acicular martensite and widmanstatten structure, significantly improve the weld quality.

【技術實現步驟摘要】
一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法
本專利技術屬于鈦合金材料的加工
，具體涉及一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法。
技術介紹
高溫鈦合金大多為近α型合金，具有良好的高溫性能、組織穩定性和焊接性能。作為航空航天飛行器的關鍵材料之一，高溫鈦合金的加入能減輕機體質量、提高推重比。針對航空航天用鈦合金結構件向大型、復雜、薄壁方向發展和高速飛行器結構件對高溫鈦合金的需求越來越迫切，一體化成形構件已成為高速飛行器發展的關鍵。由于成形的復雜性和難度大，往往需要借助焊接進行關鍵部位的連接。現廣泛應用于鈦合金中的焊接方法主要有TIG焊、激光焊、電子束焊等。其中，TIG焊是連接薄板金屬和打底焊的一種常用方法，但易出現焊穿、變形大、焊接參數及焊接性能不穩定、焊速低等現象；同時存在接頭組織粗大的問題，影響結構使用性能。激光焊則具有凈化熔池、純凈焊縫金屬的作用，但穿透力差，保護氣氛和純度有限。電子束焊接是以真空聚焦的高能電子束來焊接，焊縫窄、深寬比大、接頭性能好，焊縫和熱影響區不會被空氣污染，效率高。綜上，鈦的化學性質活潑，TIG焊、激光焊、MIG焊等保護氣氛和純度有限，因此真空電子束焊是前較為成熟的高能束流加工方法之一且非常適合于鈦及鈦合金的焊接。在電子束焊接過程中，母材局部受熱，散熱速度快，焊縫成形質量差，在冷卻凝固過程中，氣孔來不及逃出而留在焊縫內部。同時，因為焊件受熱不均，產生內應力，導致在焊縫部位容易發生應力集中，焊件具有開裂的傾向。為解決這一系列問題，多采用高溫電子束焊方法進行材料的焊接。高溫電子束焊是將待焊母材整體預熱到一定溫度后保溫，在保溫過程中進行電子束焊接。經焊前預熱和保溫，母材的散熱率降低，熔池凝固速度減慢，從而使得熔池能夠連續向前推進，最終將獲得成形良好、深寬比大的焊縫。由于熔池凝固速度的下降，為熔池中的氣孔提供充足時間溢出，減少孔隙率。另外，母材具有較高的溫度，與熔池間溫差小，焊縫區散熱慢，氣體有足夠的實際逃出，也可以減小一部分因受熱不均產生的熱應力，從而避免了常規電子束焊接中遇到的一系列問題。何健忠等人在公開專利技術專利(申請號200620016517.0)中介紹了一種新型高溫焊接爐設備。該裝置為具有控溫、測溫、保溫能力的爐體，但其可承受的焊接溫度只有600℃，小于鈦合金的熔點，不適用于鈦合金的焊接。還有一些公開發表的改善高溫焊接裝置及部件的專利(如申請號CN201510587810.6、申請號CN201410141408.0等)，側重于工藝設備上的優化，但沒有針對鈦合金的特點進行相關工藝方法的改善。但在一些文獻中涉及有工藝方法。如付鵬飛等人在RareMetalMaterials&Engineering期刊中于2013年公開發表的MicrostructureandPropertiesofEBWandHeatTreatmentwithMulti-beamTechnologyfornearalphaTitaniumAlloy中，采用電子束局部熱處理對鈦合金進行焊接。將電子束流分成前、中、后三束，分別調整各束流能量。前端與后端的電子束能量小，作為焊接的預熱和后熱；中部的電子束流能量大，則用于焊接。三束電子束流間隔小，同時掃過焊縫，對所掃局部區域進行瞬時的預熱、焊接和后熱。該方法在一定程度上減小了孔隙率、變形量和內應力。但由于束流限制，熱處理面積小且時間短暫。目前還沒有一套完整的規范或標準來指導鈦合金進行高溫下的電子束焊接。針對鈦合金電子束焊后焊縫成形差、接頭部位有氣孔和開裂傾向等問題，探索一種簡單同時高效來提高鈦合金電子束焊接效率的方法是擺在科研生產人員面前的一個重要課題。
技術實現思路
為克服現有技術中存在的焊縫成形差、具有開裂傾向和氣孔的不足，本專利技術提出了一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法。本專利技術的具體過程是：步驟1，試樣表面處理：所述高溫鈦合金薄壁鑄件是鑄造Ti60或Ti55。所述高溫鈦合金薄壁鑄件試樣的厚度為1～10mm，焊縫長度大于100mm，寬度為100mm。步驟2，熱電偶和試樣的裝夾；將熱電偶和試樣裝夾在工作臺上，并在工作臺上安裝兩個輻射式電阻加熱器。將裝夾好的試樣放入真空電子束室內，采用掃描方法對待焊部位進行二次清理。所述兩個輻射式電阻加熱器分別位于該試樣的兩側，并使各輻射式電阻加熱器的加熱源與試樣上表面的距離為150mm，該加熱源與試樣上表面之間的角度θ＝60°所述對待焊部位進行二次清理時，聚焦電流為1970mA、掃描電流為5mA、掃描速度為20mm/s。步驟3，預熱：將位于試樣下方及兩側的輻射式電阻加熱器開通，對試樣進行加熱并通過熱電偶監測試樣溫度。所述的加熱過程是：以10℃/min的加熱速率將試樣加熱50～60min，待試樣整體受熱均勻且溫度達到500～600℃后進入保溫階段。用散焦電子束對焊縫進行預熱處理；所述預熱處理的聚焦電流為1970mA、預熱電流為10mA、預熱速度為20mm/s步驟4，焊接：對經過預熱處理的試樣進行焊接。焊接電壓為120kV，聚焦電流為1890～1975mA，焊接電流為15～35mA，焊接速度為10～25mm/s。步驟5，焊后熱處理：采用掃描的方法，對焊縫進行焊后熱處理；熱處理時聚焦電流為1970mA，熱處理電流為10mA，熱處理速度為25mm/s。熱處理結束并且焊縫溫度降至500～600℃時，關閉加熱裝置，結束保溫，使焊件隨爐冷卻，得到電子束焊接的高溫鈦合金薄壁鑄件。本專利技術對高溫鈦合金進行預熱和保溫后再焊接，明顯改善了焊縫質量。本專利技術針對鑄造鈦合金在電子束焊接中存在的焊縫成型差、焊接氣孔多、有焊后開裂傾向等問題，采用預熱保溫的方法對待焊母材進行控溫再焊接。該方法將溫度控制在去應力退火溫度附近及以下，在減緩試樣散熱率和傳熱率的同時，也避免了晶粒長大，這樣能夠縮小試樣內外溫差，減小由于局部受熱產生的變形。之后對焊縫局部進行采用焊前預熱和焊后熱處理，縮小焊縫各部位溫差，避免焊縫因熱應力而產生的開裂和因快冷而獲得的低塑性。此外，也能減小因冷速過快而殘留于焊縫內部的氣孔。從外觀上可以看出，本專利技術明顯改善了焊縫質量。對比圖2和圖3與圖4發現，經過焊前整體加熱和預熱處理，熔池能夠連續向前推進，焊縫成形更加完整。從圖5中可以看出，焊縫的深寬比合適，沒有出現咬合、開裂和氣孔等現象，且焊件變形小。考慮到鈦合金的導熱能力，本專利技術主要研究厚度在10mm以下的試樣。本專利技術共研究了3mm厚鑄造Ti55合金的焊接和1～10mm不同厚度下鑄造Ti60合金的焊接。先通過觀察聚焦斑點，獲得試樣的焦點電流，接著確定焊接工藝參數。然后采用整體加熱、焊前預熱、焊后熱處理的方法，提高焊接質量。其中1～10mm不同厚度的鑄造Ti60合金焊接工藝參數如表1所示。在常規電子束焊接技術，電子束焊接是通過高能電子束流將焊件局部加熱熔化后連接在一起，焊件受熱極不均勻，內外溫差大。即使采用焊前預熱和焊后熱處理，也不能削弱塑性差或厚度大焊件的開裂傾向。通常在焊接過程中往往會因為熱應力大、塑性差等原因發生開裂和變形。此外，采用散焦斑點對焊縫進行預熱和焊后熱處理，也只僅限于局部的溫度控制而對焊縫質量的提升不能達到很好的效果。因此，本專利技術針對以上缺陷，在常規電子束焊接的基礎上提供合適的焊接溫度環境，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法，其特征在于，具體過程是：步驟1，試樣表面處理：步驟2，熱電偶和試樣的裝夾：將熱電偶和試樣裝夾在工作臺上，并在工作臺上安裝兩個輻射式電阻加熱器；將裝夾好的試樣放入真空電子束室內，采用掃描方法對待焊部位進行二次清理；步驟3，預熱：將位于試樣下方及兩側的輻射式電阻加熱器開通，對試樣進行加熱并通過熱電偶監測試樣溫度；所述的加熱過程是：以10℃/min的加熱速率將試樣加熱50～60min，待試樣整體受熱均勻且溫度達到500～600℃后進入保溫階段；用散焦電子束對焊縫進行預熱處理；所述預熱處理的聚焦電流為1970mA、預熱電流為10mA、預熱速度為20mm/s步驟4，焊接：對經過預熱處理的試樣進行焊接；焊接電壓為120kV，聚焦電流為1890～1975mA，焊接電流為15～35mA，焊接速度為10～25mm/s；步驟5，焊后熱處理：采用掃描的方法，對焊縫進行焊后熱處理；熱處理時聚焦電流為1970mA，熱處理電流為10mA，熱處理速度為25mm/s；熱處理結束并且焊縫溫度降至500～600℃時，關閉加熱裝置，結束保溫，使焊件隨爐冷卻，得到電子束焊接的高溫鈦合金薄壁鑄件。...

【技術特征摘要】
1.一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法，其特征在于，具體過程是：步驟1，試樣表面處理：步驟2，熱電偶和試樣的裝夾：將熱電偶和試樣裝夾在工作臺上，并在工作臺上安裝兩個輻射式電阻加熱器；將裝夾好的試樣放入真空電子束室內，采用掃描方法對待焊部位進行二次清理；步驟3，預熱：將位于試樣下方及兩側的輻射式電阻加熱器開通，對試樣進行加熱并通過熱電偶監測試樣溫度；所述的加熱過程是：以10℃/min的加熱速率將試樣加熱50～60min，待試樣整體受熱均勻且溫度達到500～600℃后進入保溫階段；用散焦電子束對焊縫進行預熱處理；所述預熱處理的聚焦電流為1970mA、預熱電流為10mA、預熱速度為20mm/s步驟4，焊接：對經過預熱處理的試樣進行焊接；焊接電壓為120kV，聚焦電流為1890～1975mA，焊接電流為15～35mA，焊接速度為10～25mm/s；步驟5，焊后熱處理：采用掃描的方法，對焊縫進行焊后熱處理；熱處理時聚焦電流為1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：寇宏超，萬綺雯，孫智剛，黃婷婷，王軍，李金山，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61