本發(fā)明屬于鈦合金材料的加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法。

背景技術(shù)：

高溫鈦合金大多為近α型合金，具有良好的高溫性能、組織穩(wěn)定性和焊接性能。作為航空航天飛行器的關(guān)鍵材料之一，高溫鈦合金的加入能減輕機(jī)體質(zhì)量、提高推重比。針對(duì)航空航天用鈦合金結(jié)構(gòu)件向大型、復(fù)雜、薄壁方向發(fā)展和高速飛行器結(jié)構(gòu)件對(duì)高溫鈦合金的需求越來(lái)越迫切，一體化成形構(gòu)件已成為高速飛行器發(fā)展的關(guān)鍵。由于成形的復(fù)雜性和難度大，往往需要借助焊接進(jìn)行關(guān)鍵部位的連接。

現(xiàn)廣泛應(yīng)用于鈦合金中的焊接方法主要有TIG焊、激光焊、電子束焊等。其中，TIG焊是連接薄板金屬和打底焊的一種常用方法，但易出現(xiàn)焊穿、變形大、焊接參數(shù)及焊接性能不穩(wěn)定、焊速低等現(xiàn)象；同時(shí)存在接頭組織粗大的問(wèn)題，影響結(jié)構(gòu)使用性能。激光焊則具有凈化熔池、純凈焊縫金屬的作用，但穿透力差，保護(hù)氣氛和純度有限。電子束焊接是以真空聚焦的高能電子束來(lái)焊接，焊縫窄、深寬比大、接頭性能好，焊縫和熱影響區(qū)不會(huì)被空氣污染，效率高。綜上，鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，TIG焊、激光焊、MIG焊等保護(hù)氣氛和純度有限，因此真空電子束焊是前較為成熟的高能束流加工方法之一且非常適合于鈦及鈦合金的焊接。

在電子束焊接過(guò)程中，母材局部受熱，散熱速度快，焊縫成形質(zhì)量差，在冷卻凝固過(guò)程中，氣孔來(lái)不及逃出而留在焊縫內(nèi)部。同時(shí)，因?yàn)楹讣軣岵痪a(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致在焊縫部位容易發(fā)生應(yīng)力集中，焊件具有開(kāi)裂的傾向。為解決這一系列問(wèn)題，多采用高溫電子束焊方法進(jìn)行材料的焊接。

高溫電子束焊是將待焊母材整體預(yù)熱到一定溫度后保溫，在保溫過(guò)程中進(jìn)行電子束焊接。經(jīng)焊前預(yù)熱和保溫，母材的散熱率降低，熔池凝固速度減慢，從而使得熔池能夠連續(xù)向前推進(jìn)，最終將獲得成形良好、深寬比大的焊縫。由于熔池凝固速度的下降，為熔池中的氣孔提供充足時(shí)間溢出，減少孔隙率。另外，母材具有較高的溫度，與熔池間溫差小，焊縫區(qū)散熱慢，氣體有足夠的實(shí)際逃出，也可以減小一部分因受熱不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而避免了常規(guī)電子束焊接中遇到的一系列問(wèn)題。

何健忠等人在公開(kāi)發(fā)明專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?00620016517.0)中介紹了一種新型高溫焊接爐設(shè)備。該裝置為具有控溫、測(cè)溫、保溫能力的爐體，但其可承受的焊接溫度只有600℃，小于鈦合金的熔點(diǎn)，不適用于鈦合金的焊接。還有一些公開(kāi)發(fā)表的改善高溫焊接裝置及部件的專(zhuān)利(如申請(qǐng)?zhí)朇N201510587810.6、申請(qǐng)?zhí)朇N201410141408.0等)，側(cè)重于工藝設(shè)備上的優(yōu)化，但沒(méi)有針對(duì)鈦合金的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)工藝方法的改善。

但在一些文獻(xiàn)中涉及有工藝方法。如付鵬飛等人在Rare Metal Materials&Engineering期刊中于2013年公開(kāi)發(fā)表的Microstructure and Properties of EBW and Heat Treatment with Multi-beam Technology for near alpha Titanium Alloy中，采用電子束局部熱處理對(duì)鈦合金進(jìn)行焊接。將電子束流分成前、中、后三束，分別調(diào)整各束流能量。前端與后端的電子束能量小，作為焊接的預(yù)熱和后熱；中部的電子束流能量大，則用于焊接。三束電子束流間隔小，同時(shí)掃過(guò)焊縫，對(duì)所掃局部區(qū)域進(jìn)行瞬時(shí)的預(yù)熱、焊接和后熱。該方法在一定程度上減小了孔隙率、變形量和內(nèi)應(yīng)力。但由于束流限制，熱處理面積小且時(shí)間短暫。

目前還沒(méi)有一套完整的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)鈦合金進(jìn)行高溫下的電子束焊接。針對(duì)鈦合金電子束焊后焊縫成形差、接頭部位有氣孔和開(kāi)裂傾向等問(wèn)題，探索一種簡(jiǎn)單同時(shí)高效來(lái)提高鈦合金電子束焊接效率的方法是擺在科研生產(chǎn)人員面前的一個(gè)重要課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的焊縫成形差、具有開(kāi)裂傾向和氣孔的不足，本發(fā)明提出了一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法。

本發(fā)明的具體過(guò)程是：

步驟1，試樣表面處理：

所述高溫鈦合金薄壁鑄件是鑄造Ti60或Ti55。所述高溫鈦合金薄壁鑄件試樣的厚度為1～10mm，焊縫長(zhǎng)度大于100mm，寬度為100mm。

步驟2，熱電偶和試樣的裝夾；將熱電偶和試樣裝夾在工作臺(tái)上，并在工作臺(tái)上安裝兩個(gè)輻射式電阻加熱器。將裝夾好的試樣放入真空電子束室內(nèi)，采用掃描方法對(duì)待焊部位進(jìn)行二次清理。

所述兩個(gè)輻射式電阻加熱器分別位于該試樣的兩側(cè)，并使各輻射式電阻加熱器的加熱源與試樣上表面的距離為150mm，該加熱源與試樣上表面之間的角度θ＝60°

所述對(duì)待焊部位進(jìn)行二次清理時(shí)，聚焦電流為1970mA、掃描電流為5mA、掃描速度為20mm/s。

步驟3，預(yù)熱：將位于試樣下方及兩側(cè)的輻射式電阻加熱器開(kāi)通，對(duì)試樣進(jìn)行加熱并通過(guò)熱電偶監(jiān)測(cè)試樣溫度。所述的加熱過(guò)程是：以10℃/min的加熱速率將試樣加熱50～60min，待試樣整體受熱均勻且溫度達(dá)到500～600℃后進(jìn)入保溫階段。用散焦電子束對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱處理；所述預(yù)熱處理的聚焦電流為1970mA、預(yù)熱電流為10mA、預(yù)熱速度為20mm/s

步驟4，焊接：對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的試樣進(jìn)行焊接。焊接電壓為120kV，聚焦電流為1890～1975mA，焊接電流為15～35mA，焊接速度為10～25mm/s。

步驟5，焊后熱處理：采用掃描的方法，對(duì)焊縫進(jìn)行焊后熱處理；熱處理時(shí)聚焦電流為1970mA，熱處理電流為10mA，熱處理速度為25mm/s。

熱處理結(jié)束并且焊縫溫度降至500～600℃時(shí)，關(guān)閉加熱裝置，結(jié)束保溫，使焊件隨爐冷卻，得到電子束焊接的高溫鈦合金薄壁鑄件。

本發(fā)明對(duì)高溫鈦合金進(jìn)行預(yù)熱和保溫后再焊接，明顯改善了焊縫質(zhì)量。

本發(fā)明針對(duì)鑄造鈦合金在電子束焊接中存在的焊縫成型差、焊接氣孔多、有焊后開(kāi)裂傾向等問(wèn)題，采用預(yù)熱保溫的方法對(duì)待焊母材進(jìn)行控溫再焊接。該方法將溫度控制在去應(yīng)力退火溫度附近及以下，在減緩試樣散熱率和傳熱率的同時(shí)，也避免了晶粒長(zhǎng)大，這樣能夠縮小試樣內(nèi)外溫差，減小由于局部受熱產(chǎn)生的變形。之后對(duì)焊縫局部進(jìn)行采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理，縮小焊縫各部位溫差，避免焊縫因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的開(kāi)裂和因快冷而獲得的低塑性。此外，也能減小因冷速過(guò)快而殘留于焊縫內(nèi)部的氣孔。

從外觀上可以看出，本發(fā)明明顯改善了焊縫質(zhì)量。對(duì)比圖2和圖3與圖4發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)焊前整體加熱和預(yù)熱處理，熔池能夠連續(xù)向前推進(jìn)，焊縫成形更加完整。從圖5中可以看出，焊縫的深寬比合適，沒(méi)有出現(xiàn)咬合、開(kāi)裂和氣孔等現(xiàn)象，且焊件變形小。

考慮到鈦合金的導(dǎo)熱能力，本發(fā)明主要研究厚度在10mm以下的試樣。本發(fā)明共研究了3mm厚鑄造Ti55合金的焊接和1～10mm不同厚度下鑄造Ti60合金的焊接。先通過(guò)觀察聚焦斑點(diǎn)，獲得試樣的焦點(diǎn)電流，接著確定焊接工藝參數(shù)。然后采用整體加熱、焊前預(yù)熱、焊后熱處理的方法，提高焊接質(zhì)量。其中1～10mm不同厚度的鑄造Ti60合金焊接工藝參數(shù)如表1所示。

在常規(guī)電子束焊接技術(shù)，電子束焊接是通過(guò)高能電子束流將焊件局部加熱熔化后連接在一起，焊件受熱極不均勻，內(nèi)外溫差大。即使采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理，也不能削弱塑性差或厚度大焊件的開(kāi)裂傾向。通常在焊接過(guò)程中往往會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力大、塑性差等原因發(fā)生開(kāi)裂和變形。此外，采用散焦斑點(diǎn)對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱和焊后熱處理，也只僅限于局部的溫度控制而對(duì)焊縫質(zhì)量的提升不能達(dá)到很好的效果。因此，本發(fā)明針對(duì)以上缺陷，在常規(guī)電子束焊接的基礎(chǔ)上提供合適的焊接溫度環(huán)境，使焊件在焊前整體加熱并達(dá)到一定的溫度，從而：

1、對(duì)于近α鈦合金，在快速冷卻條件下得到的馬氏體α'與α相具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的相變應(yīng)力。但由于快速冷卻的作用，會(huì)使得焊縫及熱影響區(qū)處生成針狀馬氏體和魏氏組織，惡化鈦合金的塑性。此外，由于焊縫部位溫度梯度分布大，焊縫、熱影響區(qū)和母材處的組織差異大，各部位協(xié)調(diào)變形能力降低，因而焊件在受力過(guò)程中，容易開(kāi)裂。所以采用焊前整體加熱，可以縮小焊件內(nèi)外溫差，減小焊件冷卻速度，使焊件獲得較好的塑性和強(qiáng)度以及較為均勻的組織。

2、在焊件的焊縫、熱影響區(qū)和母材處的溫度梯度分布相對(duì)較小，在受熱膨脹和冷卻收縮時(shí)所受約束小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力少，從而減小變形、應(yīng)力集中，避免開(kāi)裂。

3、與常規(guī)焊接相比，整體加熱后焊件的熔融部位凝固速度降低，凝固時(shí)間增長(zhǎng)，由于裝夾不合理、雜質(zhì)殘留等原因而在焊縫處產(chǎn)生的氣孔，能夠有充足的時(shí)間溢出，降低焊縫孔隙率。

綜上，可以看出提高環(huán)境溫度，能夠降低冷速，提高焊縫質(zhì)量。但選用的環(huán)境溫度不宜過(guò)高。這是因?yàn)楫?dāng)溫度過(guò)高，合金的晶粒有會(huì)有較明顯的長(zhǎng)大傾向；而本發(fā)明所研究的對(duì)象為鑄態(tài)合金，本身具有較大的晶粒尺寸。若合金中晶粒過(guò)大，變形均勻性降低，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而開(kāi)裂；且由于晶粒過(guò)大，晶界總長(zhǎng)度減小，阻止裂紋傳播的能力減弱，降低材料的綜合力學(xué)性能，不符合實(shí)際應(yīng)用要求。而當(dāng)溫度過(guò)低，整體加熱效果不顯著，焊件溫度梯度分布大，對(duì)減小變形、降低應(yīng)力和孔隙率沒(méi)有太大的幫助。因此，針對(duì)本發(fā)明所研究的鑄造Ti55和Ti60，選用500～600℃進(jìn)行整體加熱。

焊件的整體加熱旨在減小焊件整體的溫度梯度分布，焊前預(yù)熱和焊后熱處理則是為了焊縫處的溫度變化平緩、改善焊縫成形。焊前預(yù)熱能夠使焊縫獲得較高的能量，在焊接時(shí)熔池能夠連續(xù)向前推進(jìn)，使焊縫成形美觀(如圖3所示)；且焊前預(yù)熱所掃描的區(qū)域較焊接時(shí)的大，使焊件薄弱環(huán)節(jié)——熱影響區(qū)的組織受熱，縮小焊縫與熱影響區(qū)的溫度梯度，使該區(qū)域組織能夠平滑過(guò)渡，削弱不協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的影響；另外，對(duì)于較厚的焊件，焊前預(yù)熱可以避免焊縫未熔透的情況。而焊后熱處理所掃描面積與焊前預(yù)熱一樣，降低焊縫及部分熱影響區(qū)的冷卻速率，避免產(chǎn)生較多的針狀馬氏體和魏氏組織。

附圖說(shuō)明

圖1是常規(guī)焊接方法得到的焊縫正面。

圖2是常規(guī)焊接方法得到的焊縫反面。

圖3是本發(fā)明得到的焊縫正面。

圖4是本發(fā)明得到的焊縫反面。

圖5是本發(fā)明得到的焊縫截面。

圖6是本發(fā)明焊縫的X射線探傷結(jié)果。

圖7是本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法。

本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：

步驟1，試樣表面處理：所述試樣是高溫鈦合金薄壁鑄件，具體是鑄造Ti60合金或鑄造Ti55合金。所述鑄件試樣厚度為1～10mm，焊縫長(zhǎng)度大于100mm，寬度為100mm，采用對(duì)焊。對(duì)試樣待焊部位進(jìn)行打磨清理，去除表面的油污和雜質(zhì)，同時(shí)使縫部位對(duì)接后沒(méi)有空隙，以減少焊縫中的孔隙率。

步驟2，熱電偶和試樣的裝夾：將熱電偶置于工作臺(tái)側(cè)面，與樣品平行位置，并將其固定；為緩解焊接中試樣局部受熱發(fā)生的明顯變形，需采用常規(guī)方法將試樣裝夾和固定在工作臺(tái)上。在工作臺(tái)上安裝兩個(gè)輻射式電阻加熱器，所述兩個(gè)輻射式電阻加熱器分別位于該試樣的兩側(cè)，并使各輻射式電阻加熱器的加熱源與試樣上表面的距離為150mm，該加熱源與試樣上表面之間的角度θ＝60°

將裝夾固定有試樣放入真空電子束室內(nèi)，在確定好焦點(diǎn)處的聚焦電流值后，采用聚焦電流1970mA、掃描電流5mA、掃描速度20mm/s的低頻電流掃描待焊部位，對(duì)待焊部位的殘留雜質(zhì)進(jìn)行二次清理。

步驟3，預(yù)熱：將位于試樣下方及兩側(cè)的輻射式電阻加熱器開(kāi)通，對(duì)試樣進(jìn)行加熱并通過(guò)熱電偶監(jiān)測(cè)試樣溫度。所述的加熱過(guò)程是：以10℃/min的加熱速率將試樣加熱50～60min，待試樣整體受熱均勻且溫度達(dá)到500～600℃后進(jìn)入保溫階段。用散焦電子束對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱處理，所用參數(shù)為1970mA聚焦電流、10mA預(yù)熱電流、20mm/s預(yù)熱速度。

步驟4，焊接：對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的試樣進(jìn)行焊接。焊接電壓為120kV，聚焦電流為1890～1975mA，焊接電流為15～35mA，焊接速度為10～25mm/s。

步驟5，焊后熱處理：采用掃描的方法，對(duì)焊縫進(jìn)行焊后熱處理；熱處理時(shí)聚焦電流為1970mA，熱處理電流為10mA，熱處理速度為25mm/s。

熱處理結(jié)束并且焊縫溫度降至500～600℃時(shí)，關(guān)閉加熱裝置，結(jié)束保溫，使焊件隨爐冷卻，得到電子束焊接的高溫鈦合金薄壁鑄件。

本發(fā)明通過(guò)10個(gè)實(shí)施例詳細(xì)描述具體的技術(shù)方案。各實(shí)施例的步驟相同，不同之處在于工藝參數(shù)。如表1所示。

表1 1～10mm不同厚度的鑄造合金焊接工藝參數(shù)