一种铝锂合金中厚板的电子束焊接方法与流程

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种铝锂合金中厚板的电子束焊接方法。

背景技术：

随着航空航天工业的迅猛发展，提高有效载荷已成为航空航天领域中重要的研究方向。在新型飞行器的设计中，首先要考虑减轻结构件的质量和制造技术问题，选择轻质结构材料并解决焊接工艺问题是其中重要的有效措施。

铝锂合金是近代铝合金的一个重大发展。它具有低密度、高比强度和比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性和非常好的超塑性等特性，其强度、断裂韧性、屈服强度、疲劳性能都是随着温度的降低而提高。用铝锂合金取代常规的铝合金可使结构质量减轻10％～15％，刚度提高15％～20％，因此它是一种理想的航空与航天结构材料。

在航空航天工业中，用焊接工艺代替传统的以铆接为主的机械工艺连接铝锂合金结构件，可进一步减轻结构重量，提高结构刚度，节约能源，节省装配时间。其中，电子束焊的能量密度较一般熔焊方法高3～4个数量级，热影响区很小；电子束的穿透性强，采用电子束工艺焊接厚板铝锂合金时，优势更加明显；且电子束焊通常在真空条件下进行，对焊缝的保护效果好，没有空气或保护气体进入焊缝，可以得到成分纯净的焊缝金属，已广泛应用于金属板材结构的焊接。

现有焊接方式通常采用氩弧焊进行，但氩弧焊热输入相对较大容易导致焊缝中气孔和热裂纹倾向增大，激光焊过程中也不稳定，焊缝中易产生气孔和金属裂痕，影响连接性能。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：为克服现有技术的不足，本发明提供一种铝锂合金中厚板的电子束焊接方法，以获得力学性能优异的焊缝。

本发明的技术解决方案是：

一种铝锂合金中厚板的电子束焊接方法，具体步骤如下：

步骤一、将重量组分比为：3.7％～4.0％的cu、1.3％～1.6％的li、0.4％～0.6％的zn、0.35％～0.55％的mg、0.35％～0.55％的mn、0.1％～0.2％的zr、0.1％的ti、余量为al的材料，加工成铝锂合金中厚板并制作待焊接工件；

步骤二、对待焊接工件进行焊前清理，将清理后的两个待焊接工件对接、固定，在待焊接处形成对接接头，将对接接头置于真空环境中；

步骤三、调整电子束激光头与待焊缝距离为200-400mm，电子束加速电压调整为40-60kv，电子束流调整为8～25ma，表面聚焦电流调整为1.7+(0.02～0.03)a，沿对接接头的中心每隔75-150mm的距离，以800-1200mm/min的焊接速度，进行定位焊接，每个定位焊处的长度为20-25mm，定位焊接结束后，焊缝强度为20-40mpa；

步骤四、调整电子束激光头与待焊缝距离为200-350mm，电子束加速电压调整为45-55kv，电子束流调整为15～55ma，表面聚焦电流调整为1.7-(0.02～0.05)a，沿对接接头的中心从焊缝的头部至尾部，以1000～800mm/min的焊接速度，进行一次性正式焊接，焊接结束后，焊缝强度为220-270mpa；

步骤五、调整电子束激光头与待焊缝距离为250-350mm，电子束加速电压调整为45-50kv，电子束流调整为8～30ma，表面聚焦电流调整为1.7+(0.1～0.15)a，沿正式焊的焊缝，从焊缝的头部至尾部，以1000～900mm/min的焊接速度，重新进行一次性修饰焊接，以去除焊接熔池内部的气体，焊接结束后，焊缝强度为280-300mpa；

步骤六、将修饰焊接后的焊接工件进行真空冷却。

进一步的，待焊接工件厚度由5mm增加至10mm，定位焊接的电子束流由8ma线性增加至15ma。

进一步的，待焊接工件厚度由5mm增加至10mm，正式焊接的电子束流由20ma线性增加至55ma。

进一步的，待焊接工件厚度由5mm增加至10mm，修饰焊接的电子束流由12ma线性增加至30ma。

进一步的，总焊缝的长度l＝n·l1+(n-1)l2，其中，n为焊缝数量，l1为定位焊焊道长度，l2为正式焊焊道长度。

进一步的，所述步骤二中，待焊接工件预先经过焊前清理包括：焊前用丙酮将铝锂合金试中厚板距离焊缝中心50mm范围内的油污清洗干净，用砂纸或者钢丝刷将氧化皮杂质清理干净，焊缝对接端面用刮刀进行刮削，直至露出银色金属本体。

进一步的，所述步骤二中，两个待焊接工件对接时，阶差不大于10％待焊接工件壁厚。

进一步的，所述步骤二中，两个待焊接工件对接固定后焊缝的最大间隙不超过0.15mm。

进一步的，所述步骤三、步骤四和步骤五中，焊接时，电子束激光头与待焊缝距离均为300mm。

进一步的，所述步骤三、步骤四和步骤五中，焊接时，电子束电子束加速电压均为50kv。本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明使用真空电子束焊接铝锂合金材料，高能束流能量集中，热输入小，热影响区小，焊接过程中受热产生的变形也较小；

(2)本发明在真空环境下焊接可极大降低li、zn、mg、al活泼元素的氧化反应，对焊缝进行较好的防护，既能避免li等活泼元素氧化，有能避免造成焊缝中气孔的产生；

(3)本发明经过定位焊接、正式焊接及修饰焊接三步焊接，有利于焊接熔池内部的部分气体释放出来，消除焊缝内部气孔，使焊缝表明光滑、连续，焊缝强度良好，铝锂合金接头平均抗拉强度不低于292mpa，焊缝强度超过铝锂合金母材强度的75％以上时，焊缝断后延伸率不低于3.2％；

(4)本发明在真空环境中冷却，避免焊接后处于高温状态下的铝锂合金工件在空气中发生氧化；

(5)本发明铝锂合金材料焊缝接头表面连续、均匀，成形良好，焊缝内部无未熔合、未焊透和裂纹等缺陷。

附图说明

图1为本发明一种铝锂合金中厚板的电子束焊接方法的流程图；

图2为本发明对接接头的结构示意图；

具体实施方式

下文通过实例对本发明的具体方法进行阐述

一种铝锂合金中厚板的电子束焊接方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、将重量组分比为：3.7％～4.0％的cu、1.3％～1.6％的li、0.4％～0.6％的zn、0.35％～0.55％的mg、0.35％～0.55％的mn、0.1％～0.2％的zr、0.1％的ti、余量为al的材料，加工成铝锂合金中厚板并制作待焊接工件；

步骤二、对待焊接工件进行焊前清理，将清理后的两个待焊接工件对接、固定，在待焊接处形成对接接头，将对接接头置于真空环境中；

步骤三、调整电子束激光头与待焊缝距离为200-400mm，电子束加速电压调整为40-60kv，电子束流调整为8～25ma，表面聚焦电流调整为1.7+(0.02～0.03)a，沿对接接头的中心每隔75-150mm的距离，以800-1200mm/min的焊接速度，进行定位焊接，每个定位焊处的长度为20-25mm，定位焊接结束后，焊缝强度为20-40mpa；

步骤四、调整电子束激光头与待焊缝距离为200-350mm，电子束加速电压调整为45-55kv，电子束流调整为15～55ma，表面聚焦电流调整为1.7-(0.02～0.05)a，沿对接接头的中心从焊缝的头部至尾部，以1000～800mm/min的焊接速度，进行一次性正式焊接，焊接结束后，焊缝强度为220-270mpa；

步骤五、调整电子束激光头与待焊缝距离为250-350mm，电子束加速电压调整为45-50kv，电子束流调整为8～30ma，表面聚焦电流调整为1.7+(0.1～0.15)a，沿正式焊的焊缝，从焊缝的头部至尾部，以1000～900mm/min的焊接速度，重新进行一次性修饰焊接，以去除焊接熔池内部的气体，焊接结束后，焊缝强度为280-300mpa；

步骤六、将修饰焊接后的焊接工件进行真空冷却。

待焊接工件厚度由5mm增加至10mm，定位焊接的电子束流由8ma线性增加至15ma，正式焊接的电子束流由20ma线性增加至55ma，修饰焊接的电子束流由12ma线性增加至30ma。

总焊缝的长度l＝n·l1+(n-1)l2，其中，n为焊缝数量，l1为定位焊焊道长度，l2为正式焊焊道长度。

待焊接工件预先经过焊前清理包括：焊前用丙酮将铝锂合金试中厚板距离焊缝中心50mm范围内的油污清洗干净，用砂纸或者钢丝刷将氧化皮杂质清理干净，焊缝对接端面用刮刀进行刮削，直至露出银色金属本体。

两个待焊接工件对接时，阶差不大于10％待焊接工件壁厚。

两个待焊接工件对接固定后焊缝的最大间隙不超过0.15mm。

实施例1

5mm厚2a97铝锂合金板平板对接焊。接头结构形式为对接形式。具体焊接过程如图1所示。

1)焊前清理，对2a97铝锂合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；

2)装配，将2a97铝锂合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.2mm，阶差不大于10％母材厚度；

3)将装配好的2a97铝锂合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在1×10-2pa；

4)当真空度满足要求后，使用较小的电子束流(1～4ma)对焊缝轨迹进行示教，预先根据经验摸索工艺参数。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；

5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度25mm，工作距离300mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7+0.02a，电子束流8ma，焊接速度1000mm/min；

6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7-0.02a，电子束流20ma，焊接速度1000mm/min；

7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7+0.1a，电子束流12ma，焊接速度1000mm/min；

8)真空冷却。焊后清理。

利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面光滑，与基体过渡圆滑，无氧化、裂纹等缺陷。如附图2所示，焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，符合gjb1718a-2005标准i级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到296mpa，超过2a97铝锂合金板母材强度的75％以上，断后延伸率为4％。

实施例2

7mm厚2a97铝锂合金板平板对接焊。接头结构形式为对接形式。具体焊接过程如图1所示。

1)焊前清理，对2a97铝锂合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；

2)装配，将2a97铝锂合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.2mm，阶差不大于10％母材厚度；

3)将装配好的2a97铝锂合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在1×10-2pa；

4)当真空度满足要求后，使用较小的电子束流(1～4ma)对焊缝轨迹进行示教。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；

5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度25mm，工作距离300mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7+0.02a，电子束流12ma，焊接速度1000mm/min；

6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7-0.03a，电子束流30ma，焊接速度900mm/min。

7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7+0.1a，电子束流18ma，焊接速度900mm/min；

8)真空冷却。焊后清理。

利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面光滑，与基体过渡圆滑，无氧化、裂纹等缺陷。如附图2所示，焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，符合gjb1718a-2005标准i级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到295mpa，超过2a97铝锂合金母材强度的75％以上，断后延伸率为3.5％。

实施例3

10mm厚2a97铝锂合金板平板对接焊。接头结构形式为对接形式。具体焊接过程如图1所示。

1)焊前清理，对2a97铝锂合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；

2)装配，将2a97铝锂合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.2mm，阶差不大于10％母材厚度；

3)将装配好的2a97铝锂合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在1×10-2pa；

4)当真空度满足要求后，使用较小的电子束流(1～4ma)对焊缝轨迹进行示教。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；

5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度25mm，工作距离400mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7+0.03a，电子束流25ma，焊接速度1000mm/min；

6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离400mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7-0.05a，电子束流55ma，焊接速度800mm/min；

7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离400mm，加速电压50kv，聚焦电流表面焦1.7+0.15a，电子束流30ma，焊接速度900mm/min；

8)真空冷却。焊后清理。

利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面光滑，与基体过渡圆滑，无氧化、裂纹等缺陷。如附图2所示，焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，符合gjb1718a-2005标准i级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到292mpa，超过2a97铝锂合金母材强度的75％以上，断后延伸率为3.2％。

本发明使用真空电子束焊接铝锂合金材料，高能束流能量集中，热输入小，热影响区小，焊接过程中受热产生的变形也较小；

本发明在真空环境下焊接可极大降低li、zn、mg、al活泼元素的氧化反应，对焊缝进行较好的防护，既能避免li等活泼元素氧化，有能避免造成焊缝中气孔的产生；

本发明经过定位焊接、正式焊接及修饰焊接三步焊接，有利于焊接熔池内部的部分气体释放出来，消除焊缝内部气孔，使焊缝表明光滑、连续，焊缝强度良好，铝锂合金接头平均抗拉强度不低于292mpa，焊缝强度超过铝锂合金母材强度的75％以上时，焊缝断后延伸率不低于3.2％；

本发明在真空环境中冷却，避免焊接后处于高温状态下的铝锂合金工件在空气中发生氧化。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。