焊接垫条和焊接方法
【专利摘要】本发明提供了一种焊接垫条和焊接方法，其中，该焊接垫条用于在对待焊工件焊接前装配到待焊工件的底部，在所述垫条沿待焊工件的焊缝方向设置有一开放通腔结构的放气槽，所述放气槽与所述待焊工件的焊接匙孔连通。本发明的通过在焊接前将这样的垫条装配到待焊工件的底部，使得焊接过程中产生的金属蒸汽可以通过该放气槽有效排出，降低了金属蒸汽压波动的影响，从而避免了钉尖、气孔、冷隔的产生。
【专利说明】焊接垫条和焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接工艺【技术领域】，特别涉及一种焊接垫条和焊接方法。
【背景技术】
[0002]在航空、航天、船舶、海洋探测、电力系统等领域承力结构和发动机组件，均面临着整体化焊接制造的难题，涉及材料焊接厚度达到了 30mm以上，也就是所谓的大厚度材料结构，对于这些大厚度材料结构一般都是采用电子束焊接的方法进行拼接。对于在工艺参数不合适的条件下，电子束焊接存在裂纹、气孔、未焊透、烧穿、凹坑、焊瘤、咬边及焊缝成形不良等缺陷。
[0003]目前，采用传统的电子束焊接进行大厚度材料结构的焊接，主要存在以下问题:
[0004]I)传统的焊接工艺方法，由于焊接能量的逐渐衰减，焊接接头根部(即待焊工件的底部)易形成明显的钉尖，进一步的，受匙孔张开闭合、蒸汽压波动、液态金属回流等影响，钉尖的位置也存在一定的波动，极易产生钉尖缺陷；
[0005]2) 一般在焊接的时候所采用的是常规的锁底垫条结构，对于大厚度材料而言，考虑到多方面的因素，一般是不焊透垫条的，从而使得在焊接准稳态的过程中会形成上表面金属蒸汽(等离子体)包围、上部开放、下部封闭的匙孔型腔，这种方式不利于金属蒸汽从下表面喷射逸出，不利于气孔的上移、排出，易产生气孔缺陷，也不利于液态金属的回流、填充，易广生气孔、冷隔等缺陷，且焊缝余闻较闻。
[0006]针对上述这些问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0007]本发明实施例提供了一种焊接垫条，以避免焊接过程中钉尖、气孔、冷隔的产生，其中，该种焊接垫条用于在对待焊工件焊接前装配到待焊工件的底部，在所述垫条沿待焊工件的焊缝方向设置有一开放通腔结构的放气槽，所述放气槽与所述待焊工件的焊接匙孔连通。
[0008]在一个实施例中，所述放气槽的长度大于等于所述待焊工件焊缝长度与所述待焊工件的引入块和引出块长度之和。
[0009]在一个实施例中，所述垫条的厚度为20mm到30mm,所述放气槽的宽度为2mm到6mm,所述放气槽的深度为Imm到3mm。
[0010]在一个实施例中，在所述待焊工件的焊缝形式为曲线形式的情况下，所述焊接垫条沿放气槽的水平方向设计成曲线形式。
[0011]在一个实施例中,所述待焊工件的焊接厚度大于等于30_。
[0012]本发明实施例还提供了一种焊接方法，该方法包括:
[0013]将上述的垫条装配到待焊工件的底部；
[0014]将装配好的待焊工件放置在真空室中；
[0015]采用电子束对所述待焊工件进行焊接。
[0016]在一个实施例中，在采用电子束对所述待焊工件进行焊接之前，所述方法还包括:
[0017]采用上散焦聚焦电流对所述待焊工件的焊接位置进行电子束加热清理。
[0018]在一个实施例中，采用上散焦聚焦电流对所述待焊工件的焊接位置进行电子束加热清理，包括:
[0019]对所述待焊工件的焊接位置进行两次电子束加热清理，其中，第一次电子束加热清理的聚焦电流高于第二次电子束加热清理的聚焦电流，第一次电子束加热清理的束流大于第二次电子束加热清理的束流。
[0020]在一个实施例中，在采用电子束对所述待焊工件进行焊接之后，所述方法还包括:
[0021 ] 采用上散焦聚焦电流对焊接完的工件的焊缝进行电子束表面修整。
[0022]在一个实施例中，电子束表面修整所采用的散焦电子束的宽度是焊接完的工件的焊缝的上表面宽度的I到1.5倍。
[0023]在本发明实施例中，提供了一种设置有一开放通腔结构的放气槽的焊接垫条，在对待焊工件焊接前装配到待焊工件的底部，从而使得焊接过程中产生的金属蒸汽可以通过该放气槽有效排出，降低了金属蒸汽压波动的影响，从而避免了钉尖、气孔、冷隔的产生。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中:
[0025]图1是本发明实施例的焊接垫条的结构示意图；
[0026]图2是本发明实施例的焊接方法流程图；
[0027]图3是本发明实施例的将垫条装配到待焊工件底部的俯视图；
[0028]图4是本发明实施例的将垫条装配到待焊工件底部的侧视图；
[0029]图5是本发明实施例的对焊接位置进行第一次电子束加热清理的示意图；
[0030]图6是本发明实施例的对焊接位置进行第二次电子束加热清理的示意图；
[0031]图7是本发明实施例的对待焊工件进行焊接的示意图；
[0032]图8是本发明实施例的采用上散焦聚焦电流进行电子束表面修整的示意图。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0034]发明人发现现有的焊接方法之所以会出产生钉尖、气孔、冷隔、钉尖位置的波动、焊缝余高较高的问题，都是因为在焊接的过程中产生的金属蒸汽无法有效排出导致的。对此，在本例中，提供了一种焊接垫条，如图1所示，该垫条有别与现有的锁底垫条结构，在本例中，该垫条用于在对待焊工件焊接前装配到待焊工件的底部，在垫条沿待焊工件的焊缝方向设置有一开放通腔结构的放气槽，所述放气槽与所述待焊工件的焊接匙孔连通，通过设置这种带有放气槽的垫条结构与待焊工件进行装配，使得焊接过程中产生的金属蒸汽可以有效排出，降低了金属蒸汽压波动的影响，从而避免了钉尖、气孔、冷隔等问题的产生。
[0035]在图1中，L表不垫条的长度，δ表不垫条的厚度,B表不放气槽的深度,A表不放气槽的宽度。为了使得垫条上的放气槽可以有效排出金属蒸汽，实现对待焊工件的高质量焊接，放气槽的长度L可以等于焊缝+引入/引出块的总长度，S卩，放气槽的长度大于等于所述待焊工件焊缝长度与所述待焊工件的引入块和引出块长度之和。
[0036]具体的，上述垫条的厚度δ可以设计为20mm到30mm，放气槽的宽度A可以设计为2mm到6mm,放气槽的深度B可以设计为Imm到3mm,然而值得注意的是,上述放气槽和垫条结构的具体参数仅是为了更好地说明本发明，按照实施情况的需要也可以选择其它的参数值。
[0037]实施的过程中，焊接垫条的放气槽延水平方向的形式与待焊工件的焊缝的形式相匹配，从而可以便于金属蒸汽的排出，例如:在所述待焊工件的焊缝形式为曲线形式的情况下，上述的焊接垫条的放气槽延水平方向也需要设计成曲线形式，且走势需要与焊缝一致；在所述待焊工件的焊缝形式为直线形式的情况下，上述的焊接垫条的放气槽延水平方向也需要设计成直线形式。
[0038]在上述各个实施例中，待焊工件可以是大厚度材料结构的待焊工件，即上述待焊工件的焊接厚度大于等于30mm。
[0039]基于上述焊接垫条，在本例中，还提供一种焊接方法，如图2所示，包括以下步骤:
[0040]步骤201:按照图3和图4的方式将垫条装配到待焊工件的底部，其中，I表示垫条，2表示引入块和引出块，3表示待焊工件，Lo表示引入块和引出块的长度，Lx表示待焊工件的长度，即焊缝的长度，其中，L = 2Lo+Lx，在装配的过程中，根据装配情况进行修配，保证配合间隙< 0.1Omm,阶差< 0.2mm ；
[0041]步骤202:将装配好的待焊工件放置在真空室中，即将装配好的待焊工件放入真空室，抽真空准备焊接；
[0042]步骤203:采用电子束对所述待焊工件进行焊接。
[0043]考虑到现有的焊接方法中，通常都是采用化学清洗或机械打磨的方式，进行焊接位置的表面清理，这些清理方式很容易导致在金属表面残留少量水份或微小金属屑，从而产生气孔和夹渣，且现有的方法一般都是在金属冷态条件进行焊接，受材料本身的特性影响，焊接的温度梯度较大，易产生焊接裂纹缺陷。针对上述问题，在本例中，在采用电子束对所述待焊工件进行焊接之前，采用上散焦聚焦电流对所述待焊工件的焊接位置进行电子束加热清理，通过采用电子束表面清理的方法，排除了焊接表面残留的少量水份或微小金属屑的影响，减少了气孔和夹渣等缺陷。在一个实施例中，采用上散焦聚焦电流对所述待焊工件的焊接位置进行电子束加热清理，可以包括:对所述待焊工件的焊接位置进行两次电子束加热清理，其中，第一次电子束加热清理的聚焦电流高于第二次电子束加热清理的聚焦电流，第一次电子束加热清理的束流大于第二次电子束加热清理的束流。
[0044]具体的,调控聚焦电流参数,获得表面焦点的聚焦电流Ifs,将上散焦至Ifs+(50?100)mA,选取束流5mA?15mA,保证材料表面不熔化,沿焊接位置循环扫描I?6遍,如图5所示，对焊接位置进行第一次电子束加热清理，从而将焊接中心位置宽度±10mm的区域，通过电子束加热清理干净，在图5中5表示电子束。
[0045]然后，将聚焦电流调至Ifs，束流调至0.5mA?2mA，保证材料表面不熔化，对中焊缝位置，沿焊缝循环扫描I?6遍，如图6所示，对进行第二次电子束加热清理。通过表面聚焦状态加热，对焊接中心位置和焊接间隙进行二次清理。
[0046]在上述步骤203中采用电子束对所述待焊工件进行焊接可以包括:如图7所示，采用合适的参数进行电子束焊接，焊接的过程中采用下散焦聚焦电流进行焊接，通过垫条的放气槽保证焊接过程匙孔通畅，使熔池内部的金属蒸汽能够顺畅的逸出、排除，在图7中，6表不匙孔、7表不金属蒸汽。
[0047]考虑到材料自身的特性，虽然焊缝内部质量满足要求，但焊缝表面存在咬边、凸凹不平等成形不良的现象，同时，因焊接温度梯度大，焊接应力大，易产生较大变形，甚至产生延迟裂纹。为了解决上述问题，在本例中，在采用电子束对所述待焊工件进行焊接之后，可以采用上散焦聚焦电流对焊接完的工件的焊缝进行电子束表面修整，即，在焊接完成后，针对焊缝采用散焦电子束进行表面修整，降低了焊缝表面的成形不良、提高了焊接质量，同时，降低了焊接的温度梯度，降低了焊接残余应力和变形，减少了焊接裂纹产生的倾向，在焊后采用上散焦聚焦电流就行焊接实现电子束表面修整的过程中，散焦电子束的宽度可以设置为焊缝的上表面宽度的I到1.5倍。
[0048]具体的，焊后采用如图8所示的上散焦聚焦电流进行焊接，实现电子束表面修整，其中，W2表示散焦电子束的宽度，Wl表示焊缝的上表面宽度，使W2 = (I?1.5)W1，电子束表面修整次数I?3次，这样既改善了焊缝成形，又起到了缓冷作用，在图8中，8表示焊缝。
[0049]在本例中，采用带U形放气槽的垫条结构，在焊接过程中通过放气槽将匙孔联通，构成一个开放的通腔，将焊缝根部引入垫条，有利于气体的逸出，降低了气孔、冷隔等产生的可能性，进一步的，在焊接前采用电子束表面清理方法，排除了表面水份和微细金属屑等污物的影响，同时对材料结构起到了预热作用，降低了焊接裂纹，且焊后采用电子束表面修整方法，既改善了焊缝成形，又起到了缓冷作用。
[0050]下面以大厚度钛合金电子束平板对接为例进行说明，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0051]在本例中，采用50mm厚度、尺寸为200X200mm的焊接试板,设计如图1所示的带放气槽的垫条结构，其中，垫条的长度L = 200+60 = 260mm，引入块和引出块的长度都是30mm, δ = 25mm, W = 25mm,放气槽的宽度A = 2mm,放气槽的深度B = 1mm。具体执行步骤包括:
[0052]步骤1:将加工好的的垫条I与工件3、引入/引出块2按照如图3和图4所示的方式装配好，且保证配合间隙< 0.10mm，阶差< 0.2mm。
[0053]步骤2:将装配好的试件放入真空室中，抽真空准备焊接；调控聚焦电流参数，获得表面焦点的聚焦电流If = 2450mA，调整聚焦电流If，上散焦至2550mA。在加速电压Ua=150mA、焊接速度V = 8mm/s、束流Ib = 5mA的条件下,保证材料表面不熔化,沿焊接位置循环扫描3遍，对焊接位置进行电子束加热表面一次清理。将距离焊接中心± 1mm的区域内，通过电子束加热清理干净。
[0054]步骤3:将聚焦电流调至If = 2450mA,在加速电压Ua = 150mA、焊接速度v = 8mm/S、束流Ib = 2mA的条件下，保证材料表面不熔化，对中焊缝位置，沿焊缝循环扫描3遍，对焊接位置进行电子束加热表面二次清理。即，通过表面聚焦状态加热清理焊接中心位置和焊接间隙。
[0055]步骤4:进行电子束焊接，焊接参数为:加速电压Ua = 150mA,聚焦电流If =2400mA,焊接速度 V = 10mm/s,束流 Ib = 90mA,焊缝宽度 Wl = 10_。
[0056]步骤5:焊后采用上散焦聚焦电流2500mA，在加速电压Ua = 150mA、焊接速度V =10mm/s，束流Ib = 15mA条件下进行电子束表面修整，如图8所示，修整宽度W2 = 15mm，电子束表面修整次数为2次。通过电子束表面修整，既改善了焊缝成形，又起到了缓冷作用。
[0057]在上述实施例中，设计了一种带U形放气槽的垫条结构，并将其放在待焊工件下，且焊接匙孔与放气槽连通，从而保证了匙孔的通畅，提高了匙孔的稳定性，降低了金属蒸汽压的波动影响，可有效避免钉尖缺陷。通过采用带U形放气槽的垫条结构，使得液态金属可以很容易的回流填充，有利于金属蒸汽逸出，有利于气孔的上移、排出，减小了冷隔和微气孔的产生几率。进一步的，采用电子束表面清理方法，排除了焊接表面残留少量水份或微小金属屑的影响，减小了气孔和夹渣等缺陷。在焊接完成，针对焊缝采用散焦电子束进行表面修整，降低了焊缝表面的成形不良，提高了焊接质量，同时，降低了焊接的温度梯度，降低了焊接残余应力和变形，减小了焊接裂纹产生倾向，按照上述得到的焊缝经过X射线无损探伤检测满足航标I级标准要求。
[0058]显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0059]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种焊接垫条，其特征在于: 所述垫条用于在对待焊工件焊接前装配到待焊工件的底部，在所述垫条沿待焊工件的焊缝方向设置有一开放通腔结构的放气槽，所述放气槽与所述待焊工件的焊接匙孔连通。
2.如权利要求1所述的焊接垫条，其特征在于，所述放气槽的长度大于等于所述待焊工件焊缝长度与所述待焊工件的弓I入块和弓I出块长度之和。
3.如权利要求1所述的焊接垫条，其特征在于，所述垫条的厚度为20mm到30mm,所述放气槽的宽度为2mm到6mm,所述放气槽的深度为Imm到3mm。
4.如权利要求1所述的焊接垫条，其特征在于，在所述待焊工件的焊缝形式为曲线形式的情况下，所述焊接垫条沿放气槽的水平方向设计成曲线形式。
5.如权利要求1至4中任一项所述的焊接垫条，其特征在于，所述待焊工件的焊接厚度大于等于30mm。
6.一种焊接方法，其特征在于，包括: 将权利要求1至5中任一项所述的垫条装配到待焊工件的底部； 将装配好的待焊工件放置在真空室中； 采用电子束对所述待焊工件进行焊接。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在采用电子束对所述待焊工件进行焊接之前，所述方法还包括: 采用上散焦聚焦电流对所述待焊工件的焊接位置进行电子束加热清理。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，采用上散焦聚焦电流对所述待焊工件的焊接位置进行电子束加热清理，包括: 对所述待焊工件的焊接位置进行两次电子束加热清理，其中，第一次电子束加热清理的聚焦电流高于第二次电子束加热清理的聚焦电流，第一次电子束加热清理的束流大于第二次电子束加热清理的束流。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在采用电子束对所述待焊工件进行焊接之后，所述方法还包括: 采用上散焦聚焦电流对焊接完的工件的焊缝进行电子束表面修整。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，电子束表面修整所采用的散焦电子束的宽度是焊接完的工件的焊缝的上表面宽度的I到1.5倍。
【文档编号】B23K15/00GK104289807SQ201410513415
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】毛智勇, 付鹏飞, 唐振云, 左从进, 刘昕, 吴冰, 陶军, 李晋炜 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所