一种真空电子束封焊带磁性钛钢复合坯的焊接方法与流程

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种焊接装置，特别地，还涉及一种真空电子束封焊带磁性钛钢复合坯的焊接方法。

背景技术：

钛钢复合板具有钛复层优良的耐腐蚀性能，又具有基层结构钢的强度和塑性，并且与钛板相比，其经济成本大幅度下降，因此成为了耐腐蚀环境设备制造的理想材料。作为生产钛钢复合板的基础，钛钢复合板中复合坯的制备，受到人们的广泛关注。目前，常用的组坯方式是将钛板置于由两块碳钢板和一定厚度的钢框组成的空心复合坯中，然后再采用真空电子束焊接技术进行封焊组坯。其中，由于电子束焊接技术是以高速电子轰击靶材来实现焊接的，受磁场的影响非常大。而在工业化大生产中钛钢复合坯不可避免的会受到磁污染而带有磁性。在此条件下进行真空封焊时，易出现电子束漂移、焊缝偏转、漏焊和低熔深等问题。

技术实现要素：

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：在工业化大生产中，钛钢复合坯经常受到磁污染，导致钛钢复合坯带有对电子束焊接不利的磁性。在此条件下进行真空封焊时，易出现电子束漂移、焊缝偏转、漏焊和低熔深等问题。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明实施例提出一种真空电子束封焊带磁性钛钢复合坯的焊接方法，通过在真空电子束焊枪上加装电子轨迹控制装置，控制电子的移动路径，提高其轰击精度。采用本方法可以针对磁场强度100gs以下的钛钢复合坯进行真空电子束封焊，可以实现封焊接头的连续性、稳定性和有效熔深。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，包括：安装组件、电场组件、控电单元和电子束焊枪，所述电场组件设在安装组件上，所述控电单元与所述电场组件配合以便控制所述电场组件所带电荷的电量，所述电子束焊枪设在所述安装组件上，所述电子束焊枪与所述电场组件配合以便所述电子束焊枪所发射的电子束经过所述电场组件产生的电场。

根据本发明实施例的焊接装置带来的优点和技术效果，钛钢复合坯在原料加工、吊运过程会受到磁污染，而且组坯之后磁场分布非常不均匀，具体集中在复合坯的边角部，强度在10gs-100gs之间。若直接进行电子束封焊，电子束将向复合坯边角方向发生偏转，导致焊缝漂移、低熔深、封焊失效等问题。为了达到有效封焊熔深30mm以上的要求，常常要重新进行热处理，以将磁场强度降到10gs以下，随后才能进行正常电子束焊接，这导致生产效率严重降低，生产成本大大提高，甚至导致轧制复合失败。采用本发明所述的焊接装置，在焊接时可通过电场对所述电子束施加电场力，削弱电子束受磁场影响产生的偏转力，从而消除钛钢复合坯的磁污染对电子束焊接效果的影响。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，所述安装组件包括挡板、上绝缘件和下绝缘件，所述电子束焊枪设在所述挡板上，所述上绝缘件和所述下绝缘件沿上下方向间隔开地设在所述挡板上，所述电场组件包括上金属板和下金属板，所述上金属板设在所述上绝缘件上，所述下金属板设在所述下绝缘件上，其中所述控电单元与所述上金属板和所述下金属板中的每一者配合以便控制所述上金属板和所述下金属板中的每一者所带电荷的电量。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，所述挡板竖直地设置，所述挡板上设有沿所述金属板的长度方向贯通的安装孔，所述电子束焊枪的发射口朝临近所述金属板的方向，以所述金属板的长度方向伸入所述安装孔，所述电子束焊枪的发射口配合在所述安装孔之中。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，所述上绝缘件包括上水平部和上竖直部，所述上水平部与所述挡板相连，所述上竖直部的上端部与所述上水平部相连，所述上金属板与所述上竖直部的下端部相连，所述下绝缘件包括下水平部和下竖直部，所述下水平部与所述挡板相连，所述下竖直部的下端部与所述下水平部相连，所述下金属板与所述下竖直部的上端部相连。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，所述上金属板和所属下金属板中的每一者的宽度为80mm-100mm，所述真空电子束焊枪的电子束焦距f与所述金属板的长度l的差值为5mm-10mm。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，所述上金属板和所述下金属板中的每一者水平地设置，所述上金属板和所述下金属板在上下方向上正对设置，所述上金属板和所述下金属板在上下方向上的距离为20mm-30mm。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，所述电子束焊枪与所述上金属板和所述下金属板沿所述上金属板的长度方向间隔开地设置，所述电子束焊枪的发射口和所述上金属板在上下方向上的距离等于所述电子束焊枪的发射口和所述下金属板在上下方向上的距离。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，所述上金属板具有在其宽度方向上相对的第一端面和第二端面，所述电子束焊枪的发射口和所述第一端面在所述上金属板的宽度方向上的距离等于所述电子束焊枪的发射口和所述第二端面在所述上金属板的宽度方向上的距离，所述下金属板具有在其宽度方向上相对的第三端面和第四端面，所述电子束焊枪的发射口和所述第三端面在所述上金属板的宽度方向上的距离等于所述电子束焊枪的发射口和所述第四端面在所述上金属板的宽度方向上的距离。

根据本发明实施例的利用实施例的焊接装置对钛钢复合坯实施的焊接方法，其中，所述钛钢复合坯包括上钢板、下钢板、钢框和钛板，所述钢框设在所述下钢板的上表面上，所述上钢板设在所述钢框的上表面上，所述钛板设在所述下钢板的上表面上，所述钛板位于所述钢框的内侧，所述钛板与所述钢框间隔开，所述焊接方法包括以下步骤：

利用控电单元使电场组件产生电场，所述电场为拘束电场；

使电子束焊枪发射电子束，所述电子束经过所述电场，所述电场对所述电子束施加电场力，以便削弱所述钛钢复合坯施加给所述电子束的垂直于焊接方向的偏转力；和利用经过所述电场的所述电子束焊接所述下钢板和所述钢框，利用经过所述电场的所述电子束焊接所述上钢板和所述钢框，其中上述步骤均在真空室内进行。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法带来的优点和技术效果，在采用本发明的焊接装置时，上层金属板和下层金属板同时带等量负电，形成拘束电场，此时经过两金属板间的电子束若发生偏转时，其电子束将受到上下方向上的排斥力，进而将电子束拘束在其中心位置。当焊接上层焊缝时，受复合坯磁场作用焊接电子束将发生向上偏转，此时电场对电子束施加向下的电场力，并且电场力与磁场力方向相反，将焊接电子束拘束在中心位置；当焊接下层焊缝时，受复合坯磁场作用焊接电子束将发生向下偏转，此时电场对电子束施加向上的电场力，使电场力与磁场力方向相反，将焊接电子束拘束在中心位置进行封焊复合坯。如此可以在10gs-100gs磁场强度条件下，提高电子束的焊接精度，保证钛钢复合坯的封焊质量，形成连续、均匀，大熔深的封焊接头。

附图说明

图1是本发明所述的焊接装置示意图；

图2是未启动控电单元3时电子束受钛钢复合坯的正表面的下层焊缝中点处的磁污染影响示意图；

图3是未启动控电单元3时电子束受钛钢复合坯的正表面的下层焊缝距左侧端点100mm处的磁污染影响示意图；

附图标记：

安装组件1；挡板11；上绝缘件12；上水平部121；上竖直部122；下绝缘件13；下水平部131；下竖直部132；安装孔14；

电场组件2；上金属板21；下金属板22；

控电单元3；电子束焊枪4；电子束41；上钢板5；下钢板6；钢框7。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，根据本发明实施例的焊接装置包括安装组件1、电场组件2、控电单元3和电子束焊枪4。电场组件2设在安装组件1上，控电单元3与电场组件2配合以便控制电场组件2所带电荷的电量。电子束焊枪4设在安装组件1上，电子束焊枪4与电场组件2配合以便电子束焊枪4所发射的电子束经过电场组件2产生的电场。

根据本发明实施例的焊接装置用于焊接钛钢复合坯的钢板和钢框。钛钢复合坯在原料加工、吊运过程会受到磁污染，而且组坯之后磁场分布非常不均匀，磁场主要集中在钛钢复合坯的边角部，强度在10gs-100gs之间。如图2所示，在钛钢复合坯的正表面的下层焊缝中点处进行电子束封焊时，电子束41发生偏移，如图3所示，在钛钢复合坯的正表面的下层焊缝左侧顶点处进行电子束封焊时，电子束41偏移的程度更大。故若直接对该钢板和该钢框进行电子束封焊，由于钛钢复合坯的边角部磁污染更加严重，电子束41向钛钢复合坯的边角方向会发生严重偏转，从而导致焊缝漂移、低熔深、封焊失效等问题。

为了达到有效封焊熔深30mm以上的要求，常常要对钛钢复合坯重新进行热处理，以将钛钢复合坯的磁场强度降到10gs以下，随后才能进行正常电子束焊接，这导致生产效率严重降低，生产成本大大提高，甚至导致轧制复合失败。

根据本发明实施例的焊接装置，通过设置电场组件2，从而可以利用电场组件2对电子束焊枪4所发射的电子束41施加电场力。通过利用控电单元3控制电场组件2所带电荷的电量，从而可以控制电场组件2施加给电子束焊枪4所发射的电子束41的电场力。

本发明实施例中，通过利用本发明实施例的焊接装置焊接钛钢复合坯的钢板和钢框，从而可以弱化电子束向钛钢复合坯的边角方向发生偏转的情况，进而消除焊缝漂移、低熔深、封焊失效等问题。

如图1所示，安装组件1包括挡板11、上绝缘件12和下绝缘件13。电子束焊枪4设在挡板11上，上绝缘件12和下绝缘件13沿上下方向间隔开地设在挡板11上。电场组件2包括上金属板21和下金属板22，上金属板21设在上绝缘件12上，下金属板22设在下绝缘件13上。其中，控电单元3与上金属板21和下金属板22中的每一者配合以便控制上金属板21和下金属板22中的每一者所带电荷的电量。由此可以使焊接装置的结构更加合理。

本发明实施例中，上层金属板和下层金属板同时带等量负电，形成拘束电场，此时经过两金属板间的电子束若发生偏转时，其电子束将受到上下方向上的排斥力，进而将电子束拘束在其中心位置。当焊接上层焊缝时，受复合坯磁场作用，焊接电子束将发生向上偏转，此时电场对电子束施加向下的电场力，并且电场力与磁场力方向相反，将焊接电子束拘束在中心位置；当焊接下层焊缝时，受复合坯磁场作用焊接电子束将发生向下偏转，此时电场对电子束施加向上的电场力，使电场力与磁场力方向相反，将焊接电子束拘束在中心位置进行封焊复合坯。如此可以在10gs-100gs磁场强度条件下，提高电子束的焊接精度，保证钛钢复合坯的封焊质量，形成连续、均匀，大熔深的封焊接头。

如图1所示，挡板11竖直地设置，挡板11上设有沿上金属板21的长度方向贯通其的安装孔14，电子束焊枪4的一部分配合在安装孔内，电子束焊枪4的发射口朝临近所述金属板的方向，以所述金属板的长度方向，配合进入安装孔之中。由此可以使电子束焊枪4更加稳固地、更加方便地安装在挡板11上，并且更加稳定的受到电场的控制和保护。

如图1所示，上绝缘件12包括上水平部121和上竖直部122，上水平部121与挡板11相连，上竖直部122的上端部与上水平部121相连，上金属板21与上竖直部122的下端部相连，下绝缘件13包括下水平部131和下竖直部132，下水平部131与挡板11相连，下竖直部132的下端部与下水平部131相连，下金属板22与下竖直部132的上端部相连。由此可以使焊接装置的结构更合理。

根据本发明实施例的电子轨迹控制装置，其中，上金属板21和下金属板22中的每一者的宽度为80mm-100mm，真空电子束焊枪4的电子束焦距f与金属板的长度l的差值为5mm-10mm。

如图1所示，金属板宽度为80mm-100mm，若上金属板21和下金属板22的宽度过小，则难以形成有效的均强电场，进而难以对电子束运行轨迹进行有效调控，若上金属板21和下金属板22的宽度过大，则提高了加载稳定电荷的难度，形成电场均匀度下降。真空电子束焊枪4的电子束焦距与上金属板21的长度的差值为5mm-10mm，若电子束焦距过大则难以进行有效电子束焊接，若电子束焦距过小，则难以对电子束移动的全程轨迹进行调控，电子束41的焊接精度仍不高。

如图1所示，上金属板21和下金属板22中的每一者水平地设置，上金属板21和下金属板22在上下方向上正对设置。也就是说，上金属板21在水平面上的投影和下金属板22在水平面上的投影彼此重合。换言之，上金属板21和下金属板22在上下方向上，相互水平，正对设置，意为此时如果有平行光束从上向下正对上金属板21照射，上金属板21的阴影与下金属板22的阴影完全重合。

如图1所示，上金属板21和下金属板22在上下方向上的距离为20mm-30mm。若金属板之间水平距离过小，则在电子束焊接过程中易与金属板间形成放电，若金属板之间水平距离过大，则其形成的电场强度过小，导致难以有效对电子束轨迹进行调控。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，电子束焊枪4与上金属板21和下金属板22沿上金属板21的长度方向间隔开地设置，电子束焊枪4的发射口和上金属板21在上下方向上的距离等于电子束焊枪4的发射口和下金属板22在上下方向上的距离。

根据本发明实施例的焊接装置，其中，上金属板21具有在其宽度方向上相对的第一端面和第二端面，电子束焊枪4的发射口和第一端面在上金属板21的宽度方向上的距离等于电子束焊枪4的发射口和第二端面在上金属板21的宽度方向上的距离，下金属板22具有在其宽度方向上相对的第三端面和第四端面，电子束焊枪4的发射口和第三端面在下金属板22的宽度方向上的距离等于电子束焊枪4的发射口和第四端面在下金属板22的宽度方向上的距离。

例如，如图1所示，上金属板21的宽度方向和下金属板22的宽度方向与前后方向一致。电子束焊枪4的发射口和上金属板21的前端面在前后方向上的距离等于电子束焊枪4的发射口和上金属板21的后端面在前后方向上的距离。电子束焊枪4的发射口和下金属板22的前端面在前后方向上的距离等于电子束焊枪4的发射口和下金属板22的后端面在前后方向上的距离。

根据本发明实施例的利用实施例的焊接装置对钛钢复合坯实施的焊接方法，其中，钛钢复合坯包括上钢板5、下钢板6、钢框7和钛板，钢框7设在下钢板6的上表面上，上钢板5设在钢框7的上表面上，钛板设在下钢板6的上表面上，钛板位于钢框7的内侧，钛板与钢框7间隔开，焊接方法包括以下步骤：

利用控电单元3使电场组件2产生电场，电场为拘束电场；

使电子束焊枪4发射电子束41，电子束41经过电场，电场对电子束41施加电场力以便抵消钛钢复合坯施加给电子束41的偏转力；和

利用经过电场的电子束41焊接下钢板6和钢框7，利用经过电场的电子束41焊接上钢板5和钢框7，其中上述步骤均在真空室内进行。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法带来的优点和技术效果，在为采用本发明的焊接装置，上层金属板和下层金属板同时带等量负电，形成拘束电场，此时经过两金属板间的电子束若发生偏转时，其电子束将受到上下方向上的排斥力，进而将电子束拘束在其中心位置。当焊接上层焊缝时，受复合坯磁场作用焊接电子束将发生向上偏转，此时电场对电子束施加向下的电场力，并且电场力与磁场力方向相反，将焊接电子束拘束在中心位置；当焊接下层焊缝时，受复合坯磁场作用焊接电子束将发生向下偏转，此时电场对电子束施加向上的电场力，使电场力与磁场力方向相反，将焊接电子束拘束在中心位置进行封焊复合坯。如此可以在10gs-100gs磁场强度条件下，提高电子束的焊接精度，保证钛钢复合坯的封焊质量，形成连续、均匀，大熔深的封焊接头。

采用电子束焊枪直接封焊受到磁污染的钛钢复合坯，会发生漏焊，有效熔深较低等状况，其有效熔深仅为2mm-5mm。甚至在磁场强度较强的区域，电子束41方向严重偏转，难以施焊。采用本发明的焊接装置正常施焊，有效熔深高，可达35mm以上。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法，其中，钛钢复合坯的磁场强度为小于100gs。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法，其中，真空室的真空度达到4.5×10^-2pa以下。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法，其中，真空电子束焊接采用负离焦焊接工艺，离焦量为-3～-5mm。一方面，采用负离焦焊接工艺有助于得到大熔深的封焊接头，提高接头的可靠性；另一方面，可以进一步缩短电子束焊枪和工件间的距离，减小电子束受磁场影响的偏转程度，利于附加电场对电子束轨迹的调控拘束。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法，其中，钛钢复合坯长度为3m-4m，宽度为1.5m-3m。真空电子束41焊接起弧位置和收弧位置为距离两端点100mm-200mm处。

本发明实施例中，焊接方向为在起弧位置起弧后向距离较近一端进行焊接，焊至端点后折返焊至另一端点，然后再折返至收弧位置。由于受磁污染的钛钢复合坯在边角部的磁场强度较高，若直接在两端点位置起弧和收弧则易受强磁场影响，电子束偏转程度较大，且易出现漂移并脱离工件表面问题。为此通过特殊距离的焊接热输入对端部进行预热，使之磁场强度降低，并在电子轨迹控制装置作用下，可以有效的调控电子轨迹。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法，其中，进行钛钢复合坯封焊时，需要先进行下层短边的封焊，然后进行其对面下层短边的封焊，随后进行其临边下层长边的封焊，最后进行其对面下层长边的封焊。并且以相同步骤再进行上层各边的封焊。由于钛钢复合坯的边角部磁场强度较大，故需要先进行短边焊接后进行长边焊接，可以在焊接过程中，使其短边首先连通，进一步降低边、角部的磁场强度，进一步提高电子束的准确精度。

根据本发明实施例的钛钢复合坯焊接方法，其中，两块金属板之间形成等强度电场时，两金属板间电压为640v-960v。

若两金属板间u过小，则形成的电场强度过小，同样难以有效对电子束轨迹进行调控，若两金属板间u过大，则在焊接过程中易出现放电问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。