CN101092004A - TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法 - Google Patents

Abstract

TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，属于金属间化合物焊接领域。本发明解决了TiAl/TC4异种材料电子束焊接容易产生宏观冷裂纹问题，可获得无裂纹接头。本发明的方法为，在焊接对象和焊机夹具之间装有隔热板；然后在两个板状焊接对象与焊缝平行的方向施加夹紧力进行固定，或者在两个管状焊接对象的轴向施加夹紧力进行固定；在真空条件下分三个阶段编程连续控制整个焊接过程的热循环，采用散焦对焊缝进行往复扫描、逐级预热；预热后立即进行焊接；焊接后立即采用散焦对焊缝进行往复扫描逐级后热。本发明的焊接控制方法过程简便，无须增加设备或填充过渡材料，适用于多种接头连接形式。

Description

TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法

技术领域

本发明涉及TiAl金属间化合物与TC4合金异种材料电子束焊接方法，属于金属间化合物焊接领域。

背景技术

目前在发动机研究方面的一个重点是采用新型材料替代传统的Ti合金和Ni基高温合金，以增加发动机的推重比并提高高温使用性能。TiAl金属间化合物密度低，弹性模量高，并且具有良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力，相比于传统的高温合金来说TiAl金属间化合物使用温度可提高到750℃～950℃，而密度仅为Ni基高温合金的一半，是一种很有应用前景的高温结构材料，可应用于汽车或航空发动机的高温部件，如叶片、涡轮盘、尾喷管和气门阀等。对于在工程实际中应用TiAl金属间化合物，必须成功地开发出其连接技术，国内外研究结果表明，固态连接如钎焊、扩散焊、摩擦焊等被认为是较为有效的连接技术，但往往受连接形式和使用温度的限制，并且较多地采用搭接接头使焊接结构复杂，难以实现轻量化。因此有必要对TiAl金属间化合物的熔焊进行深入研究，尤其是真空条件下高能电子束焊接技术的开发。从成本和可靠性方面来看整体采用TiAl金属间化合物是不现实的，其往往用于重要部位，因而异种材料连接不可避免地发挥重要作用。但是，TiAl金属间化合物最突出的间题是γ-TiAl本身滑移系较少，位错运动和增殖困难，室温塑性低及变形能力差。电子束焊接时的快速热循环使接头的组织变差，并且容易造成较大的热致应力，因而极易形成冷裂纹。而TC4合金电子束焊接性良好，其自身电子束焊接时接头无裂纹产生，但TiAl/TC4异种材料电子束焊接时接头TiAl一侧仍产生裂纹，目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于解决TiAl/TC4异种材料电子束焊接容易产生宏观冷裂纹问题。

TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，它的焊接对象是两块厚度为0.8mm～5.0mm的板状物，具体步骤为：

步骤一、将已经去除内部应力、待焊面平整清洁的TiAl和TC4板材用夹具固定之前，在焊机夹具底座和每个焊接对象之间分别固定一块隔热板；

步骤二、对焊接对象实施夹紧，所述夹具仅在焊接对象的与焊缝平行的方向施加夹紧力；

步骤三、在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa的大气压下，采用散焦对焊缝及其周围部分进行往复扫描预热，加速电压为50kV～55kV，聚焦电流3370mA，束流为2mA～12mA，扫描速度为2mm/s～10mm/s；

步骤四、步骤三完成之后，立即进行焊接，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为2590mA，束流为3mA～50mA，焊接速度为2mm/s～15mm/s；

步骤五、步骤四完成之后，立即采用散焦对焊缝进行后热，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为3370mA，束流为12mA～1mA，扫描速度为2mm/s～20mm/s。

TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，它的焊接对象为两根壁厚为0.8mm～3.5mm的TiAl和TC4的管材，焊接的焊缝为环形焊缝，具体步骤为：

步骤一、将已经去除内部应力、待焊面平整清洁的两个焊接对象用夹具固定之前，在夹具与焊接对象之间固定隔热板；

步骤二、对焊接对象实施夹紧，所述夹具对焊接对象采用轴向夹紧的方式；

步骤三、在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa的大气压下，采用散焦对待焊处及其相邻部位进行重复扫描预热，加速电压为50kV～55kV，聚焦电流3350mA，束流为2mA～10mA，扫描速度为2mm/s～8mm/s。

步骤四、步骤三完成之后立即进行焊接，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为2590mA，束流为2mA～32mA，焊接速度为2mm/s～10mm/s；

步骤五、步骤四完成之后，立即对焊接完成的焊缝进行后热，采用散焦对焊缝进行重复扫描，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为3350mA，束流在10mA～2mA之间，扫描速度为2mm/s～12mm/s。

所述的TiAl金属间化合物的成分包含：Ti：48～65 at.％、Al：35～51at.％，还可以包含V：1.0～9.0at.％或Cr：1.5～2.5at.％或Nb：1.5～5.0at.％，所述的TC4为α-β型钛合金，名义成分为Ti-6Al-4V。

本发明的TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，不需要增加特殊设备或添加过渡层金属，就可以完全避免焊缝产生宏观裂纹，达到无裂纹焊接的目的，适用于TiAl/TC4异种材料各种接头形式的焊接。

具体实施方式

具体实施方式一：TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，它的焊接对象是两块厚度为0.8mm～5.0mm的板状物，具体步骤为：

步骤一、将已经去除内部应力、待焊面平整清洁的TiAl和TC4板材用夹具固定之前，在焊机夹具底座和每个焊接对象之间分别固定一块隔热板；

步骤二、对焊接对象实施夹紧，所述夹具仅在焊接对象与焊缝平行的方向施加夹紧力；

步骤三、在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa的大气压下，采用散焦对待焊处进行往复扫描、分级预热，每一级分别采用2mA～12mA中从小到大依次递增的束流从焊缝的一端扫描到另一端，加速电压为50kV～55kV，聚焦电流3370mA，扫描速度为2mm/s～10mm/s；

步骤四、步骤三完成之后，立即进行焊接，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为2590mA，束流为3mA～50mA，焊接速度为2mm/s～15mm/s；

步骤五、步骤四完成之后，立即采用散焦对焊缝进行分级后热，每一级分别采用12mA～1mA中从大到小依次递减的束流从焊缝的一端扫描到另一端，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为3370mA，扫描速度为2mm/s～20mm/s。

本实施方式所述的TiAl金属间化合物的成分包含：Ti：48～65 at.％、Al：35～51at.％，还可以包含V：1.0～9.0at.％或Cr：1.5～2.5at.％或Nb：1.5～5.0at.％，所述的TC4为α-β型钛合金，名义成分为Ti-6Al-4V。

在本实施方式中的步骤一中，在夹紧之前在焊机夹具底座和每个焊接对象之间分别固定一块隔热板，用以限制焊接对象与夹具之间的热传导，降低焊后接头的冷却速度。

在本实施方式的步骤二中，采用仅在焊接对象与焊缝平行的方向施加夹紧力的方式进行夹紧固定，用以约束热循环加热阶段焊接对象沿焊缝方向的热膨胀，降低焊接对象在热循环冷却阶段产生的热致应力，而在其他方向不施加拘束，有效地避免了热循环冷却阶段产生较大的拘束应力，对防止宏观裂纹的产生有一定的作用。

本实施方式的步骤三至五，分三个阶段编程连续控制整个焊接过程的热循环，在步骤二的预热过程中采用分级预热，逐级增加束流，可以使焊缝周围部位的温度逐渐上升，在焊接之后的步骤五后热过程中，采用分级后热，逐级递减束流，可以使焊接后的焊缝及其周围的温度逐渐下降。采用本实施方式的焊接方法，一方面能使焊缝金属在缓慢冷却过程中合金元素较充分扩散，为相转变和析出提供较充足的时限，可获得相对均匀的焊缝组织；另一方面使变形应力和结晶应力缓慢释放，有利于将热应力值降低到低于焊缝的抗拉强度，从而有效地避免了焊接冷裂纹的产生。

具体实施方式二：本实施方式的焊接对象的厚度为2.0mm～3.0mm，焊接方法与具体实施方式一的区别在于，

在步骤三的预热过程中，采用四级预热，每级分别采用2mA、4mA、6mA和8mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端；

在步骤四中，采用16mA～32mA的束流、5mm/s～10mm/s的焊接速度进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用四级后热，每级分别采用8mA、6mA、4mA、2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所焊接对象的厚度为0.8mm～2.0mm，焊接方法与具体实施方式一的区别在于，

在步骤三的预热过程中，采用两级预热，每级分别采用2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端；

在步骤四中，采用2mA～8mA的束流、5mm/s～15mm/s的焊接速度对焊接部位进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用四级后热，每级分别采用4mA、4mA、2mA、2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的区别在于，所焊接对象的厚度为3.0mm～5.0mm，焊接方法与具体实施方式一的区别在于，

在步骤三的预热过程中，采用六级预热，每级分别采用2mA、4mA、6mA、8mA、9mA、10mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端；

在步骤四中，采用24mA～50mA的束流对焊接部位进行焊接，焊接速度为2mm/s～10mm/s；

在步骤五的后热过程中，采用六级后热，每级分别采用10mA、9mA、8mA、6mA、4mA、2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的步骤一中所述的隔热垫板的材料成分为二氧化硅和硅酸盐。

本实施方式的隔热垫板的隔热效果好，能够有效地防止被焊接物体上由于焊接产生的热量传导到焊机夹具底座上，一方面降低了能量的损失，另一方面也防止由于焊机夹具底座的热传导导致接头冷却速度增大。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五的区别在于，在步骤五完成之后，进行步骤六、去应力退火的工艺，将焊接对象加热到900℃，保温10h，然后随炉冷却。

具体实施方式七：TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，它的焊接对象为两根壁厚为0.8mm～3.5mm的TiAl和TC4管材，焊接的焊缝为环形焊缝，具体步骤为：

步骤一、将已经去除内部应力、待焊面平整清洁的两个焊接对象用夹具固定之前，在夹具与焊接对象之间固定隔热板；

步骤二、对焊接对象实施夹紧，所述夹具对焊接对象采用轴向夹紧的方式；

步骤三、在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa的大气压下，采用散焦对待焊缝进行重复扫描、分级预热，每一级分别采用2mA～10mA中从小到大依次递增的束流绕环形焊缝扫描一周；加速电压为50kV～55kV，聚焦电流3350mA，扫描速度为2mm/s～8mm/s；

步骤四、步骤三完成之后立即进行焊接，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为2590mA，束流为2mA～32mA，焊接速度为2mm/s～10mm/s；

步骤五、步骤四完成之后，立即对焊接完成的焊缝采用散焦进行分级后热，每一级分别采用10mA～2mA中从大到小依次递减的束流绕环形焊缝扫描一周，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为3350mA，扫描速度为2mm/s～12mm/s。

本实施方式所述的TiAl金属间化合物的成分包含：Ti：48～65 at.％、Al：35～51at.％，还可以包含V：1.0～9.0at.％或Cr：1.5～2.5at.％或Nb：1.5～5.0at.％，所述的TC4为α-β型钛合金，名义成分为Ti-6Al-4V。

本实施方式的步骤一中，在夹具和每个焊接对象之间分别固定一块隔热板，用以限制焊接对象与夹具之间的热传导，有效地降低了焊后接头的冷却速度。

本实施方式的步骤二中，仅在焊接对象的轴向施加夹紧力进行固定，而在其他方向不施加拘束，有效地避免了热循环冷却阶段产生较大的拘束应力。

本实施方式从步骤三至五分三个阶段编程连续控制整个焊接过程的热循环，使焊接过程的热量平稳缓慢过渡，防止焊接过程温度的突变，有效地防止了宏观裂纹的产生。

具体实施方式八：本实施方式的焊接对象的管壁厚度为0.8mm～1.5mm，与具体实施方式七所述的方法的区别在于，

在步骤三的预热过程中，采用二级预热，每级均采用2mA的束流绕环形焊缝扫描一周；

在步骤四中，采用2mA～8mA的束流进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用四级后热，每级分别采用4mA、2mA、2mA、2mA的束流绕环形焊缝扫描一周。

具体实施方式九：本实施方式的焊接对象的管壁厚度为2.0mm～3.5mm，与具体实施方式八所述的方法的区别在于，

在步骤三的预热过程中，采用四级预热，每级均采用2mA、2mA、4mA、6mA的束流绕环形焊缝扫描一周；

在步骤四中，采用10mA～32mA的束流进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用六级后热，每级分别采用6mA、5mA、4mA、3mA、2mA、2mA的束流绕环形焊缝扫描一周。

具体实施方式十：在具体实施方式七至九中，在步骤五之后，增加步骤六、去应力退火工艺，将焊接对象加热到900℃，保温10h，然后随炉冷却。

Claims (8)

1、TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，它的焊接对象是两块厚度为0.8mm～5.0mm的板状物，具体步骤为：

步骤一、将已经去除内部应力、待焊面平整清洁的TiAl和TC4板材用夹具固定之前，在焊机夹具底座和每个焊接对象之间分别固定一块隔热板；

步骤二、对焊接对象实施夹紧，所述夹具仅在焊接对象的与焊缝平行的方向施加夹紧力；

步骤三、在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa的大气压下，采用散焦对待焊处进行往复扫描、分级预热，每一级分别采用2mA～12mA中从小到大依次递增的束流从焊缝的一端扫描到另一端，加速电压为50kV～55kV，聚焦电流3370mA，扫描速度为2mm/s～10mm/s；

步骤四、步骤三完成之后，立即进行焊接，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为2590mA，束流为3mA～50mA，焊接速度为2mm/s～15mm/s；

步骤五、步骤四完成之后，立即采用散焦对焊缝进行分级后热，每一级分别采用12mA～1mA中从大到小依次递减的束流从焊缝的一端扫描到另一端，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为3370mA，扫描速度为2mm/s～20mm/s，

所述的TiAl金属间化合物的成分包含：Ti：48～65at.％、Al：35～51at.％，还可以包含V：1.0～9.0at.％或Cr：1.5～2.5at.％或Nb：1.5～5.0at.％，所述的TC4为α-β型钛合金，名义成分为Ti-6Al-4V。

2、根据权利要求1所述的TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，其特征在于所述的隔热垫板的材料成分为二氧化硅和硅酸盐。

3、根据权利要求1所述的TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，其特征在于焊接对象的厚度为2.0mm～3.0mm，焊接方法为：

在步骤三的预热过程中，采用四级预热，每级分别采用2mA、4mA、6mA和8mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端；

在步骤四中，采用16mA～32mA的束流、5mm/s～10mm/s的焊接速度进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用四级后热，每级分别采用8mA、6mA、4mA、2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端。

4、根据权利要求1所述的TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，其特征在于所焊接对象的厚度为0.8mm～2.0mm，焊接方法为：

在步骤三的预热过程中，采用两级预热，每级分别采用2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端；

在步骤四中，采用2mA～8mA的束流、5mm/s～15mm/s的焊接速度对焊接部位进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用四级后热，每级分别采用4mA、4mA、2mA、2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端。

5、根据权利要求1所述的TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，其特征在于所焊接对象的厚度为3.0mm～5.0mm，焊接方法为：

在步骤三的预热过程中，采用六级预热，每级分别采用2mA、4mA、6mA、8mA、9mA、10mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端；

在步骤四中，采用24mA～50mA的束流对焊接部位进行焊接，焊接速度为2mm/s～10mm/s；

在步骤五的后热过程中，采用六级后热，每级分别采用10mA、9mA、8mA、6mA、4mA、2mA的束流从焊缝的一端扫描到另一端。

6、TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，它的焊接对象为两根壁厚为0.8mm～3.5mm的TiAl和TC4管材，焊接的焊缝为环形焊缝，具体步骤为：

步骤一、将已经去除内部应力、待焊面平整清洁的两个焊接对象用夹具固定之前，在夹具与焊接对象之间固定隔热板；

步骤二、对焊接对象实施夹紧，所述夹具对焊接对象采用轴向夹紧的方式；

步骤三、在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa的大气压下，采用散焦对待焊处进行重复扫描、分级预热，每一级分别采用2mA～10mA中从小到大依次递增的束流绕环形焊缝扫描一周；加速电压为50kV～55kV，聚焦电流3350mA，扫描速度为2mm/s～8mm/s；

步骤四、步骤三完成之后立即进行焊接，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为2590mA，束流为2mA～32mA，焊接速度为2mm/s～10mm/s；

步骤五、步骤四完成之后，立即对焊接完成的焊缝采用散焦进行分级后热，每一级分别采用10mA～2mA中从大到小依次递减的束流绕环形焊缝扫描一周，加速电压与步骤三相同，聚焦电流为3350mA，扫描速度为2mm/s～12mm/s，

所所述的TiAl金属间化合物的成分包含：Ti：48～65at.％、Al：35～51at.％，还可以包含V：1.0～9.0at.％或Cr：1.5～2.5at.％或Nb：1.5～5.0at.％，所述的TC4为α-β型钛合金，名义成分为Ti-6Al-4V。

7、根据权利要求6所述的TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，其特征在于焊接对象的管壁厚度为0.8mm～1.5mm，具体焊接方法为：

在步骤三的预热过程中，采用二级预热，每级均采用2mA的束流绕环形焊缝扫描一周；

在步骤四中，采用2mA～8mA的束流进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用四级后热，每级分别采用4mA、2mA、2mA、2mA的束流绕环形焊缝扫描一周。

8、根据权利要求6所述的TiAl/TC4异种材料电子束焊接热循环复合控制方法，其特征在于焊接对象的管壁厚度为2.0mm～3.5mm，

在步骤三的预热过程中，采用四级预热，每级均采用2mA、2mA、4mA、6mA的束流绕环形焊缝扫描一周；

在步骤四中，采用10mA～32mA的束流进行焊接；

在步骤五的后热过程中，采用六级后热，每级分别采用6mA、5mA、4mA、3mA、2mA、2mA的束流绕环形焊缝扫描一周。