一种高温钛合金薄壁铸件电子束焊接方法与流程

本发明属于钛合金材料的加工技术领域，具体涉及一种高温钛合金薄壁铸件电子束焊接方法。

背景技术：

高温钛合金大多为近α型合金，具有良好的高温性能、组织稳定性和焊接性能。作为航空航天飞行器的关键材料之一，高温钛合金的加入能减轻机体质量、提高推重比。针对航空航天用钛合金结构件向大型、复杂、薄壁方向发展和高速飞行器结构件对高温钛合金的需求越来越迫切，一体化成形构件已成为高速飞行器发展的关键。由于成形的复杂性和难度大，往往需要借助焊接进行关键部位的连接。

现广泛应用于钛合金中的焊接方法主要有TIG焊、激光焊、电子束焊等。其中，TIG焊是连接薄板金属和打底焊的一种常用方法，但易出现焊穿、变形大、焊接参数及焊接性能不稳定、焊速低等现象；同时存在接头组织粗大的问题，影响结构使用性能。激光焊则具有净化熔池、纯净焊缝金属的作用，但穿透力差，保护气氛和纯度有限。电子束焊接是以真空聚焦的高能电子束来焊接，焊缝窄、深宽比大、接头性能好，焊缝和热影响区不会被空气污染，效率高。综上，钛的化学性质活泼，TIG焊、激光焊、MIG焊等保护气氛和纯度有限，因此真空电子束焊是前较为成熟的高能束流加工方法之一且非常适合于钛及钛合金的焊接。

在电子束焊接过程中，母材局部受热，散热速度快，焊缝成形质量差，在冷却凝固过程中，气孔来不及逃出而留在焊缝内部。同时，因为焊件受热不均，产生内应力，导致在焊缝部位容易发生应力集中，焊件具有开裂的倾向。为解决这一系列问题，多采用高温电子束焊方法进行材料的焊接。

高温电子束焊是将待焊母材整体预热到一定温度后保温，在保温过程中进行电子束焊接。经焊前预热和保温，母材的散热率降低，熔池凝固速度减慢，从而使得熔池能够连续向前推进，最终将获得成形良好、深宽比大的焊缝。由于熔池凝固速度的下降，为熔池中的气孔提供充足时间溢出，减少孔隙率。另外，母材具有较高的温度，与熔池间温差小，焊缝区散热慢，气体有足够的实际逃出，也可以减小一部分因受热不均产生的热应力，从而避免了常规电子束焊接中遇到的一系列问题。

何健忠等人在公开发明专利(申请号200620016517.0)中介绍了一种新型高温焊接炉设备。该装置为具有控温、测温、保温能力的炉体，但其可承受的焊接温度只有600℃，小于钛合金的熔点，不适用于钛合金的焊接。还有一些公开发表的改善高温焊接装置及部件的专利(如申请号CN201510587810.6、申请号CN201410141408.0等)，侧重于工艺设备上的优化，但没有针对钛合金的特点进行相关工艺方法的改善。

但在一些文献中涉及有工艺方法。如付鹏飞等人在Rare Metal Materials&Engineering期刊中于2013年公开发表的Microstructure and Properties of EBW and Heat Treatment with Multi-beam Technology for near alpha Titanium Alloy中，采用电子束局部热处理对钛合金进行焊接。将电子束流分成前、中、后三束，分别调整各束流能量。前端与后端的电子束能量小，作为焊接的预热和后热；中部的电子束流能量大，则用于焊接。三束电子束流间隔小，同时扫过焊缝，对所扫局部区域进行瞬时的预热、焊接和后热。该方法在一定程度上减小了孔隙率、变形量和内应力。但由于束流限制，热处理面积小且时间短暂。

目前还没有一套完整的规范或标准来指导钛合金进行高温下的电子束焊接。针对钛合金电子束焊后焊缝成形差、接头部位有气孔和开裂倾向等问题，探索一种简单同时高效来提高钛合金电子束焊接效率的方法是摆在科研生产人员面前的一个重要课题。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的焊缝成形差、具有开裂倾向和气孔的不足，本发明提出了一种高温钛合金薄壁铸件电子束焊接方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，试样表面处理：

所述高温钛合金薄壁铸件是铸造Ti60或Ti55。所述高温钛合金薄壁铸件试样的厚度为1～10mm，焊缝长度大于100mm，宽度为100mm。

步骤2，热电偶和试样的装夹；将热电偶和试样装夹在工作台上，并在工作台上安装两个辐射式电阻加热器。将装夹好的试样放入真空电子束室内，采用扫描方法对待焊部位进行二次清理。

所述两个辐射式电阻加热器分别位于该试样的两侧，并使各辐射式电阻加热器的加热源与试样上表面的距离为150mm，该加热源与试样上表面之间的角度θ＝60°

所述对待焊部位进行二次清理时，聚焦电流为1970mA、扫描电流为5mA、扫描速度为20mm/s。

步骤3，预热：将位于试样下方及两侧的辐射式电阻加热器开通，对试样进行加热并通过热电偶监测试样温度。所述的加热过程是：以10℃/min的加热速率将试样加热50～60min，待试样整体受热均匀且温度达到500～600℃后进入保温阶段。用散焦电子束对焊缝进行预热处理；所述预热处理的聚焦电流为1970mA、预热电流为10mA、预热速度为20mm/s

步骤4，焊接：对经过预热处理的试样进行焊接。焊接电压为120kV，聚焦电流为1890～1975mA，焊接电流为15～35mA，焊接速度为10～25mm/s。

步骤5，焊后热处理：采用扫描的方法，对焊缝进行焊后热处理；热处理时聚焦电流为1970mA，热处理电流为10mA，热处理速度为25mm/s。

热处理结束并且焊缝温度降至500～600℃时，关闭加热装置，结束保温，使焊件随炉冷却，得到电子束焊接的高温钛合金薄壁铸件。

本发明对高温钛合金进行预热和保温后再焊接，明显改善了焊缝质量。

本发明针对铸造钛合金在电子束焊接中存在的焊缝成型差、焊接气孔多、有焊后开裂倾向等问题，采用预热保温的方法对待焊母材进行控温再焊接。该方法将温度控制在去应力退火温度附近及以下，在减缓试样散热率和传热率的同时，也避免了晶粒长大，这样能够缩小试样内外温差，减小由于局部受热产生的变形。之后对焊缝局部进行采用焊前预热和焊后热处理，缩小焊缝各部位温差，避免焊缝因热应力而产生的开裂和因快冷而获得的低塑性。此外，也能减小因冷速过快而残留于焊缝内部的气孔。

从外观上可以看出，本发明明显改善了焊缝质量。对比图2和图3与图4发现，经过焊前整体加热和预热处理，熔池能够连续向前推进，焊缝成形更加完整。从图5中可以看出，焊缝的深宽比合适，没有出现咬合、开裂和气孔等现象，且焊件变形小。

考虑到钛合金的导热能力，本发明主要研究厚度在10mm以下的试样。本发明共研究了3mm厚铸造Ti55合金的焊接和1～10mm不同厚度下铸造Ti60合金的焊接。先通过观察聚焦斑点，获得试样的焦点电流，接着确定焊接工艺参数。然后采用整体加热、焊前预热、焊后热处理的方法，提高焊接质量。其中1～10mm不同厚度的铸造Ti60合金焊接工艺参数如表1所示。

在常规电子束焊接技术，电子束焊接是通过高能电子束流将焊件局部加热熔化后连接在一起，焊件受热极不均匀，内外温差大。即使采用焊前预热和焊后热处理，也不能削弱塑性差或厚度大焊件的开裂倾向。通常在焊接过程中往往会因为热应力大、塑性差等原因发生开裂和变形。此外，采用散焦斑点对焊缝进行预热和焊后热处理，也只仅限于局部的温度控制而对焊缝质量的提升不能达到很好的效果。因此，本发明针对以上缺陷，在常规电子束焊接的基础上提供合适的焊接温度环境，使焊件在焊前整体加热并达到一定的温度，从而：

1、对于近α钛合金，在快速冷却条件下得到的马氏体α'与α相具有相似的晶体结构，没有产生明显的相变应力。但由于快速冷却的作用，会使得焊缝及热影响区处生成针状马氏体和魏氏组织，恶化钛合金的塑性。此外，由于焊缝部位温度梯度分布大，焊缝、热影响区和母材处的组织差异大，各部位协调变形能力降低，因而焊件在受力过程中，容易开裂。所以采用焊前整体加热，可以缩小焊件内外温差，减小焊件冷却速度，使焊件获得较好的塑性和强度以及较为均匀的组织。

2、在焊件的焊缝、热影响区和母材处的温度梯度分布相对较小，在受热膨胀和冷却收缩时所受约束小，产生的热应力少，从而减小变形、应力集中，避免开裂。

3、与常规焊接相比，整体加热后焊件的熔融部位凝固速度降低，凝固时间增长，由于装夹不合理、杂质残留等原因而在焊缝处产生的气孔，能够有充足的时间溢出，降低焊缝孔隙率。

综上，可以看出提高环境温度，能够降低冷速，提高焊缝质量。但选用的环境温度不宜过高。这是因为当温度过高，合金的晶粒有会有较明显的长大倾向；而本发明所研究的对象为铸态合金，本身具有较大的晶粒尺寸。若合金中晶粒过大，变形均匀性降低，易产生应力集中而开裂；且由于晶粒过大，晶界总长度减小，阻止裂纹传播的能力减弱，降低材料的综合力学性能，不符合实际应用要求。而当温度过低，整体加热效果不显著，焊件温度梯度分布大，对减小变形、降低应力和孔隙率没有太大的帮助。因此，针对本发明所研究的铸造Ti55和Ti60，选用500～600℃进行整体加热。

焊件的整体加热旨在减小焊件整体的温度梯度分布，焊前预热和焊后热处理则是为了焊缝处的温度变化平缓、改善焊缝成形。焊前预热能够使焊缝获得较高的能量，在焊接时熔池能够连续向前推进，使焊缝成形美观(如图3所示)；且焊前预热所扫描的区域较焊接时的大，使焊件薄弱环节——热影响区的组织受热，缩小焊缝与热影响区的温度梯度，使该区域组织能够平滑过渡，削弱不协调变形产生的影响；另外，对于较厚的焊件，焊前预热可以避免焊缝未熔透的情况。而焊后热处理所扫描面积与焊前预热一样，降低焊缝及部分热影响区的冷却速率，避免产生较多的针状马氏体和魏氏组织。

附图说明

图1是常规焊接方法得到的焊缝正面。

图2是常规焊接方法得到的焊缝反面。

图3是本发明得到的焊缝正面。

图4是本发明得到的焊缝反面。

图5是本发明得到的焊缝截面。

图6是本发明焊缝的X射线探伤结果。

图7是本发明的流程图。

具体实施方式

本发明是一种高温钛合金薄壁铸件电子束焊接方法。

本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，试样表面处理：所述试样是高温钛合金薄壁铸件，具体是铸造Ti60合金或铸造Ti55合金。所述铸件试样厚度为1～10mm，焊缝长度大于100mm，宽度为100mm，采用对焊。对试样待焊部位进行打磨清理，去除表面的油污和杂质，同时使缝部位对接后没有空隙，以减少焊缝中的孔隙率。

步骤2，热电偶和试样的装夹：将热电偶置于工作台侧面，与样品平行位置，并将其固定；为缓解焊接中试样局部受热发生的明显变形，需采用常规方法将试样装夹和固定在工作台上。在工作台上安装两个辐射式电阻加热器，所述两个辐射式电阻加热器分别位于该试样的两侧，并使各辐射式电阻加热器的加热源与试样上表面的距离为150mm，该加热源与试样上表面之间的角度θ＝60°

将装夹固定有试样放入真空电子束室内，在确定好焦点处的聚焦电流值后，采用聚焦电流1970mA、扫描电流5mA、扫描速度20mm/s的低频电流扫描待焊部位，对待焊部位的残留杂质进行二次清理。

步骤3，预热：将位于试样下方及两侧的辐射式电阻加热器开通，对试样进行加热并通过热电偶监测试样温度。所述的加热过程是：以10℃/min的加热速率将试样加热50～60min，待试样整体受热均匀且温度达到500～600℃后进入保温阶段。用散焦电子束对焊缝进行预热处理，所用参数为1970mA聚焦电流、10mA预热电流、20mm/s预热速度。

步骤4，焊接：对经过预热处理的试样进行焊接。焊接电压为120kV，聚焦电流为1890～1975mA，焊接电流为15～35mA，焊接速度为10～25mm/s。

步骤5，焊后热处理：采用扫描的方法，对焊缝进行焊后热处理；热处理时聚焦电流为1970mA，热处理电流为10mA，热处理速度为25mm/s。

热处理结束并且焊缝温度降至500～600℃时，关闭加热装置，结束保温，使焊件随炉冷却，得到电子束焊接的高温钛合金薄壁铸件。

本发明通过10个实施例详细描述具体的技术方案。各实施例的步骤相同，不同之处在于工艺参数。如表1所示。

表1 1～10mm不同厚度的铸造合金焊接工艺参数