专利名称：：一种真空电子束焊工艺的制作方法
技术领域：
：本发明涉及焊接领域，特别提供了一种真空电子束焊工艺。
背景技术：
：某型新机涡轮后机匣是发动机涡轮部分的重要承力部件，中心孔要支撑涡轮轴，八个支板中分别有通油管、通气管，结构复杂，对零件外廓尺寸和形位公差要求很高(见图l)，应用材料为GH4169和K4169。该机匣由薄板(钣金件、铸件)与两个安装边(锻件)拼焊而成，直径①824mm，机匣上共有34条氩弧焊缝，接头处极易产生气孔、裂纹及形成脆性相等缺陷，同时在焊接区会形成较大的应力和变形，难以实现优质连接，造成焊后存在两大难题a.变形严重无法保证设计图位置度要求；b.焊接质量不稳定焊缝中超标缺陷十分严重，尤其在16条纵缝与环缝交叉处，质量极难保证，只好多次多部位补焊，大大增加了焊接变形，降低了焊缝质量。
发明内容本发明的目的是提供了一种真空电子束焊工艺。鉴于本工艺技术攻关所针对的主要技术关键和工艺难点，主要在焊接参数优化、材料焊接性试验、焊接工艺路线编排、焊接程序控制等方面进行了工艺攻关，主要目的是有效地消除焊缝气孔和根部成形不良等缺陷，避免材料"黑线"缺陷的不良影响，最大限度地控制和减小焊接变形，以求达到最优质的焊接质量和最理想的焊后尺寸精度。一种真空电子束焊工艺，其特征在于所述的真空电子束焊工艺包括线性变焦距焊接控制技术和能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，其中线性变焦距焊接控制技术在电参数和机械参数都可CNC控制的焊机上实现，对于截面突变的焊接，必须予以机械位置参数计算和电流、聚集电流参数的控制，即在截面突变处，焊接电流和聚焦电流随之变化，实现单面焊双面成型；能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，在涡轮后机匣选用的焊接参数方向为高压、高速、临界束流、低频、三角波、中幅。所述的线性变焦距焊接控制技术，在焊接程序编制时，第一段程序控制为以变焦距截面右端的最右近距点即焊缝最右端点为起点，以2ram长为起弧段，此时聚焦电流为SL1，焊接电流从O升至Ibl,进行焊接的截面轨迹为变焦距截面右端的最右近距点至右端的最左近距点；继续从变焦距截面右端最左近距点到变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点，此时保持焊接电流Ibl不变，聚焦电流从SL1降为SL2;继续从变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点到变焦距截面远距截面最右端点时，聚焦电流SL2保持不变，并在1.0mm距离内焊接电流从Ibl上升为Ib2，沿变焦距轨迹进行焊接，然后在距变焦距截面远距截面最右端点l.Omm时，焊接电流从Ib2降为Ibl，保持聚焦电流为SL2、焊接电流为Ibl，焊接变焦距截面远距截面段，最后在此段上的结尾15mm20mm上，焊接电流从Ibl降为0;第二段程序控制为以变焦距截面左端的最左近距点即焊缝最左端点为起点，以2mm长为起弧段，此时聚焦电流为SL1，焊接电流从O升至Ibl，进行焊接的截面轨迹为变焦距截面左端的最左近距点至左端的最右近距点；继续从变焦距截面左端最右近距点到变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点，此时保持焊接电流Ibl不变，聚焦电流从SL1降为SL2;继续从变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点到变焦距截面远距截面最左端点时，聚焦电流SL2保持不变，并在l.Omm距离内焊接电流从Ibl上升为Ib2，沿变焦距轨迹进行焊接，然后在距变焦距截面远距截面最左端点1.0inm时，焊接电流从Ib2降为Ibl，保持聚焦电流为SL2、焊接电流为Ibl，焊接变焦距截面远距截面段，最后在此段上的结尾15mm20mm上，焊接电流从Ibl降为0。所述的能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数具体为，真空度为6.4Xl(Tmbar或更高，高压为150KV，焊接束流为7.8mA，焊接速度为15.5mm/s，摆动波形为三角波，摆动幅值为1.20mm，摆动频率为50Hz;注虽然高频成形效果与低频效果接近，但由于高频所需焊接束流相对增大，增加了能量输入，不利于薄板焊接变形控制。电压的变化从根本上来看对焊缝成形影响不大，电压与束流基本成比例变化，但仍建议采用高压，原因有两方面1)高电压有利于电子束聚焦电流的稳定确定；2)高电压能量要低于低电压能量，有利于减少变形。线性变焦距焊接是一个工艺难题，只有电参数和机械参数都可CNC控制的焊机方可实现。对于截面突变的焊接，必须予以缜密的机械参数(位置)计算和严格的电参数(电流、聚集电流)控制，即在截面突变处，焊接电流(lb)和聚焦电流(SL)必须随之变化，才能实现单面焊双面成型。焊接参数对焊缝成形影响主要焊接参数影响高温合金薄板焊接时有时存在着一些典型的焊接缺陷，其中以焊缝成形不良、气孔等较为显著。电子束焊缝形状和熔深与电子束功率密度有关,功率密度大，熔深亦大，电子束功率密度与电压的l次方成正比，跟束流的|次方成正比。焊接速度，材料热传导率，材料熔点都影响熔深和焊缝形状。结合传统理论，通过试验(其他参数不变，只改变一个参数)得出各因素对熔深影响趋势。其中以电压对熔深影响最大，束流次之，然后为焊接速度等。基本规律如下1)焊缝熔深随着焊接电压和(或)电流的增大而增大。在一定线能量下，要增加熔深，就得减慢焊接速度；2)焊缝宽度随着电流和(或)电压的增加、或焊接速度的减慢而有规律的增加；3)在实际应用中，不可能只是一个因素在变而其他不变，而是多种因素同时影响焊缝尺寸，要综合考虑。电子束摆动对焊缝成形影响电子束摆动是利用函数发生器控制偏摆线圈来实现的。偏转线圈位于聚焦线圈下方，其功能是将聚焦线圈会聚后的电子束焦点正确的对准焊件的接缝(静偏转)或在接缝区作有规则的周期性运动(动偏转)，也可以在同一函数中改变扫描方向和调节扫描路径中偏摆点密度，控制电子束能量输入，在能量密度不变的情况下，使电子束按一定波形、频率和幅值的函数曲线进行摆动，改变束孔中输入能量的分布，减小束孔中心部位的输入能量，同时使熔池中液态金属受到搅动，从而使焊缝成形发生变化，控制和改善焊缝几何形状和表面成形，获得良好的焊接接头。一般采用电子束相对焊缝进行横向、纵向或某种波形的偏摆，在穿透焊时，偏摆可有效地改善焊缝表面及背面的成形。公司现有的KS120"G300KM真空电子束焊机具有16种波形，为获取最佳焊缝成形提供了可能。本攻关选用三角波、圆波、椭圆波、矩形波、抛物线共8种常用波形，采用不同摆动幅值(0.22.5mm)，不同频率(l10KHz)进行试验，试验材料为薄板(S2.0咖)GH4169。焊后通过分析焊缝形状和剖面及内部质量，研究不同偏摆参数对焊缝形状及内部缺陷的影响。由于篇幅所限，数据表及试片照片从略，整理、分析各项数据后，绘制出图3和图4。图3为各种波形焊缝成形对比图，图4为焊接参数对焊缝成形影响分析图(三角波)。由于GH4169合金优异的综合性能，已成为目前航空制造业中应用最为广泛的高温合金之一。但已有研究表明，这类合金焊接时，尤其是GH4169和K4169焊接时，有时存在着一些奇特的焊接现象(也可认为是缺陷)一一"黑线"。电子束焊缝热影响区中特殊的温度场和合金中Nb的偏析是产生"黑线"的主要原因。有关研究表明"黑线"是晶界析出物而不是裂纹，它对合金室温性能、高温瞬时性能影响不大，而对高温持久和疲劳性能有一定影响。在同样的锻件和固溶状态下，采用小电流，慢速度和低电压的焊接参数，产生"黑线"就要比大电流、高速度和高电压规范焊接后产生的"黑线"要多。为科学地判定"黑线"现象在涡轮后机匣上的影响程度，本攻关进行了一定的试验，以确定在焊接时"黑线"的存在情况，以便采取有效措施解决或排除这一因素的不利影响，为零件的优质交付奠定基础。GH4169板材、K4169铸板二种材料成分如下表表1试验用料的化学成份(％)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本发明的优点:针对以上工艺技术难点，本工艺技术攻关就是利用电子束焊能量集中、焊缝成形好、质量高、焊后变形小等特点，将其中的18条焊缝(16条纵缝和2条环缝)由原氩弧焊工艺改为电子束焊工艺，以期最大程度地提高焊接质量，减小焊接变形，提高零件交付质量，更好地满足某型新机生产要求。某型新机涡轮后机匣采用电子束焊后，其焊接质量尤其是零件焊后各项技术指标最大限度地满足了设计有关技术条件的要求；优化的焊接工艺参数是合适的，基本消除了电子束焊接缺陷(气孔、黑线等)，确定了适当的接头结构形式、厚度，研制了合适的焊接工装，制定出了合理的加工流程、组装焊接步骤，确保了零件工艺装配质量，最终实现了最小焊接变形量和最佳焊接质量；涡轮后机匣成功实现了用电子束焊接工艺替代了原来的氩弧焊工艺，提升了某型新机焊接工艺水平，最大限度地减少甚至避免了人为等不合理因素影响。下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明图l为线性变焦距参数控制图2为GH4169合金电子束悍缝热影响中"黑线"缺陷照片(50X);图3为各种波形焊缝成形对比图；图4为焊接参数对焊缝成形影响分析图。具体实施例方式实施例l一种真空电子束焊工艺，其特征在于所述的真空电子束焊工艺包括线性变焦距焊接控制技术和能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，其中线性变焦距焊接控制技术在电参数和机械参数都可CNC控制的焊机上实现，对于截面突变的焊接，必须予以机械位置参数计算和电流、聚集电流参数的控制，即在截面突变处，焊接电流和聚焦电流随之变化，实现单面焊双面成型；能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，在涡轮后机匣选用的焊接参数方向为高压、高速、临界束流、低频、三角波、中幅。所述的线性变焦距焊接控制技术，在焊接程序编制时，第一段程序控制为在焊接程序编制时，第一段程序控制顺序为以右侧安装边上O点为起点，0A段(2mm长)为起弧段，聚焦电流为SLl,焊接电流从O升至Ibl，焊接AB段；从B点到C点(L/2长)，保持焊接电流Ibl不变，聚焦电流从SL1降为SL2;C点D点时，聚焦电流SL2保持不变，焊接电流从Ibl上升为Ib2(在lram距离内)，焊接(CD-2咖)段，在距D点lmm时，焊接电流从Ib2降为Ibl，然后保持聚焦电流为SL2、焊接电流为Ibl，焊接DF段，在FG段(约15mm)焊接电流从Ibl降为0。第二段程序控制顺序为以左侧安装边上M点为起点，MK段(2mm长)为起弧段，聚焦电流为SL1，焊接电流从O升至Ibl，焊接KJ段；从J点到I点(L/2长)，保持焊接电流Ibl不变，聚焦电流从SL1降为SL2;I点G点时，聚焦电流SL2保持不变，焊接电流从Ibl上升为Ib2(在l咖距离内)，焊接(IG-2咖)段，在距G点lmm时，焊接电流从Ib2降为Ibl，然后保持聚焦电流为SL2、焊接电流为Ibl，焊接GE段，在ED段(约15mm)焊接电流从Ibl降为0。所述的能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数具体为，真空度为6.4X10—Ambar或更高，高压为150KV，焊接束流为7.8mA，焊接速度为15.5mm/s，摆动波形为三角波，摆动幅值为1.20mm，摆动频率为50Hz;注虽然高频成形效果与低频效果接近，但由于高频所需焊接束流相对增大，增加了能量输入，不利于薄板焊接变形控制。电压的变化从根本上来看对焊缝成形影响不大，电压与束流基本成比例变化，但仍建议采用高压，原因有两方面1)高电压有利于电子束聚焦电流的稳定确定；2)高电压能量要低于低电压能量，有利于减少变形。线性变焦距焊接是一个工艺难题，只有电参数和机械参数都可CNC控制的悍机方可实现。对于截面突变的焊接，必须予以缜密的机械参数(位置)计算和严格的电参数(电流、聚集电流)控制，即在截面突变处，焊接电流(Ib)和聚焦电流(SL)必须随之变化，才能实现单面焊双面成型。焊接参数对焊缝成形影响主要焊接参数影响高温合金薄板焊接时有时存在着一些典型的焊接缺陷，其中以焊缝成形不良、气孔等较为显著。电子束焊缝形状和熔深与电子束功率密度有关，功率密度大，熔深亦大，电子束功率密度与电压的l次方成正比，跟束流的|次方成正比。焊接速度，材料热传导率，材料熔点都影响熔深和焊缝形状。结合传统理论，通过试验(其他参数不变，只改变一个参数)得出各因素对熔深影响趋势。其中以电压对熔深影响最大，束流次之，然后为焊接速度等。基本规律如下1)焊缝熔深随着焊接电压和(或)电流的增大而增大。在一定线能量下，要增加熔深，就得减慢焊接速度；2)焊缝宽度随着电流和(或)电压的增加、或焊接速度的减慢而有规律的增加；3)在实际应用中，不可能只是一个因素在变而其他不变，而是多种因素同时影响焊缝尺寸，要综合考虑。电子束摆动对焊缝成形影响电子束摆动是利用函数发生器控制偏摆线圈来实现的。偏转线圈位于聚焦线圈下方，其功能是将聚焦线圈会聚后的电子束焦点正确的对准焊件的接缝(静偏转)或在接缝区作有规则的周期性运动(动偏转)，也可以在同一函数中改变扫描方向和调节扫描路径中偏摆点密度，控制电子束能量输入，在能量密度不变的情况下，使电子束按一定波形、频率和幅值的函数曲线进行摆动，改变束孔中输入能量的分布，减小束孔中心部位的输入能量，同时使熔池中液态金属受到搅动，从而使焊缝成形发生变化，控制和改善焊缝几何形状和表面成形，获得良好的焊接接头。一般采用电子束相对悍缝进行横向、纵向或某种波形的偏摆，在穿透焊时，偏摆可有效地改善焊缝表面及背面的成形。公司现有的KS120-G300KM真空电子束焊机具有16种波形，为获取最佳焊缝成形提供了可能。本攻关选用三角波、圆波、椭圆波、矩形波、抛物线共8种常用波形，采用不同摆动幅值(0.22.5mm)，不同频率(l10KHz)进行试验，试验材料为薄板(S2.0mm)GH4169。焊后通过分析焊缝形状和剖面及内部质量，研究不同偏摆参数对焊缝形状及内部缺陷的影响。由于篇幅所限，数据表及试片照片从略，整理、分析各项数据后，绘制出图3和图4。图3为各种波形焊缝成形对比图，图4为焊接参数对焊缝成形影响分析图(三角波)。由于GH4169合金优异的综合性能，已成为目前航空制造业中应用最为广泛的高温合金之一。但已有研究表明，这类合金焊接时，尤其是GH4169和K4169悍接时，有时存在着一些奇特的焯接现象(也可认为是缺陷)一一"黑线"。电子束焊缝热影响区中特殊的温度场和合金中Nb的偏析是产生"黑线"的主要原因。有关研究表明"黑线"是晶界析出物而不是裂纹，它对合金室温性能、高温瞬时性能影响不大，而对高温持久和疲劳性能有一定影响。在同样的锻件和固溶状态下，采用小电流，慢速度和低电压的焊接参数，产生"黑线"就要比大电流、高速度和高电压规范焊接后产生的"黑线"要多。为科学地判定"黑线"现象在涡轮后机匣上的影响程度，本攻关进行了一定的试验，以确定在焊接时"黑线"的存在情况，以便采取有效措施解决或排除这一因素的不利影响，为零件的优质交付奠定基础。权利要求1、一种真空电子束焊工艺，其特征在于所述的真空电子束焊工艺包括线性变焦距焊接控制技术和能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，其中线性变焦距焊接控制技术在电参数和机械参数都可CNC控制的焊机上实现，对于截面突变的焊接，予以机械位置参数的计算和电流、聚集电流参数的控制，即在截面突变处，焊接电流和聚焦电流随之变化，实现单面焊双面成型；能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，是在涡轮后机匣选用的焊接参数方向为高压、高速、临界束流、低频、三角波、中幅。2、按照权利要求1所述的真空电子束焊工艺，其特征在于所述的线性变焦距焊接控制技术，在焊接程序编制时，第一段程序控制为以变焦距截面右端的最右近距点即焊缝最右端点为起点，以2ram长为起弧段，此时聚焦电流为SL1，焊接电流从O升至Ibl,进行焊接的截面轨迹为变焦距截面右端的最右近距点至右端的最左近距点；继续从变焦距截面右端最左近距点到变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点，此时保持焊接电流Ibl不变，聚焦电流从SL1降为SL2;继续从变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点到变焦距截面远距截面最右端点时，聚焦电流SL2保持不变，并在1.0mm距离内焊接电流从Ibl上升为Ib2，沿变焦距轨迹进行焊接，然后在距变焦距截面远距截面最右端点1.Oram时，焊接电流从Ib2降为Ibl,保持聚焦电流为SL2、焊接电流为Ibl，焊接变焦距截面远距截面段，最后在此段上的结尾15mm20咖上，焊接电流从Ibl降为0;第二段程序控制为以变焦距截面左端的最左近距点即焊缝最左端点为起点，以、2mm长为起弧段，此时聚焦电流为SL1，焊接电流从O升至Ibl，进行焊接的截面轨迹为变焦距截面左端的最左近距点至左端的最右近距点；继续从变焦距截面左端最右近距点到变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点，此时保持焊接电流Ibl不变，聚焦电流从SL1降为SL2;继续从变焦距截面近距截面与远距截面过渡段的中点到变焦距截面远距截面最左端点时，聚焦电流SL2保持不变，并在1.0mm距离内焊接电流从Ibl上升为Ib2，沿变焦距轨迹进行焊接，然后在距变焦距截面远距截面最左端点1.0mrn时,焊接电流从Ib2降为Ibl，保持聚焦电流为SL2、焊接电流为Ibl，焊接变焦距截面远距截面段，最后在此段上的结尾15mm20咖上，焊接电流从Ibl降为O。3、按照权利要求l所述的真空电子束焊工艺，其特征在于所述的能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数具体为，真空度为6.4Xl(Tmbar或更高，高压为150KV，焊接束流为7.8mA，焊接速度为15.5mm/s，摆动波形为三角波，摆动幅值为1.20mm，摆动频率为50Hz;对于薄板，S《3.Omm的GH4169各种适用参数如下高温合金薄板实现电子束焊单面焊双面成形的频率和波形参数匹配为低频(SF《50Hz)+三角波低频(SF《50Hz)+椭圆或低频(SF《200Hz)+X-抛物线低频(SF《100Hz)+Y-抛物线或低频(SF《50Hz)+乂+抛物线高频(1000Hz《SF《3000Hz)+X-抛物线高频(2000Hz《SF《3000Hz)+Y+抛物线高频(SF》8000Hz)+矩形波。全文摘要一种真空电子束焊工艺，包括线性变焦距焊接控制技术和能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，其中线性变焦距焊接控制技术在电参数和机械参数都可CNC控制的焊机上实现，对于截面突变的焊接，予以机械位置参数的计算和电流、聚集电流参数的控制；能有效消除GH4169和K4169两种材料组合电子束焊接时产生黑线的焊接参数，方向为高压、高速、临界束流、低频、三角波、中幅。本发明的优点利用电子束焊能量集中、焊缝成形好、质量高、焊后变形小等特点，将焊缝由原氩弧焊工艺改为电子束焊工艺，以期最大程度地提高焊接质量，减小焊接变形。文档编号B23K15/06GK101412149SQ200710157509公开日2009年4月22日申请日期2007年10月17日优先权日2007年10月17日发明者刘成来,伸曲,杨胜群申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司