CN105772967A - 一种高能束流焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种高能束流焊接方法，包括确定第一焊接件和第二焊接件；对第一焊接件与第二焊接件的焊接性进行分析，以及焊接性能需求进行分析；根据分析结果确定需要添加的焊接材料；将焊接材料制备在第一焊接件和第二焊接件的焊接面上；采用高能束流焊的方式将第一焊接件与第二焊接件焊接成型。本发明实现了焊缝成分精确调控，提高焊接结构产品的合格率，改善焊接接头性能；该种方式尤其适用于焊接结构性能的调控、异种材料焊接成分与性能匹配和焊接结构修复等技术领域。并且由于利用金属粉末喷涂方式，解决了部分填充材料成分灵活调控、难以制备丝材的问题；同时也克服了同步送粉方式对熔池的扰动造成的焊接缺陷(气孔、咬边)问题。

Description

一种高能束流焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种高能束流焊接方法。

背景技术

焊接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料的制造工艺及技术。焊接方法有多种，高能束流焊接技术以高能量密度束流(电子束、激光、离子束等)为热源与材料作用，从而实现材料焊接。与传统焊接技术相比，高能束流焊接技术具有诸多优势。

激光和电子束焊接通常采用自熔焊方式，焊缝的成份无法调整，为了调整焊缝成份一般采用送丝方式或同步送粉方式。在进行实际焊接时，往往需要在焊接时添加焊接材料，一般采用送丝方式或同步送粉方式。然而需要焊接的焊接件有时属于同种材料的，也可能出现不同材料之间的焊接；因此由于焊接件材料的不同，其焊接时的添加材料也往往不同，添加的焊接材料会直接影响到焊缝的组织形态及成分，进一步还会影响焊接性能。且由于焊接件材料之间的组合千变万化，而现有的添加材料的种类是既定的，传统的送丝方式面临着原材料制备困难，许多材料无法制备成适于送丝系统的丝材；而同步送粉方式由于粉末由载气携带进入熔池，对熔池扰动严重，熔合比无法精确控制；因此难免会出现焊缝的成份无法调整，从而使得部分材料之间的焊接其添加材料不能符合要求。

并且由于高能束流焊接的材料填充方法通常为焊接丝材，但由于多组分合金化调控与丝材成形制备困难等原因，现有的材料填充方式难以灵活调控焊缝的合金成分，而同步送粉焊缝成分调整方式由于粉末由载气携带进入熔池，对熔池扰动严重，且熔合比无法精确控制使得高能束流焊接技术的材料适用性与结构应用领域受到较大限制。

发明内容

基于上述情况，本发明有必要提供一种高能束流焊接方法。

一种高能束流焊接方法，包括如下步骤：

(1)确定第一焊接件和第二焊接件；

(2)对第一焊接件与第二焊接件的焊接性进行分析，以及第一焊接件与第二焊接件的焊接性能需求进行分析；

(3)根据分析结果确定需要添加的焊接材料；

(4)将所述焊接材料制备在所述第一焊接件和第二焊接件的焊接面上；

(5)采用高能束流焊方式将所述第一焊接件与第二焊接件焊接成型。

进一步的，所述步骤(3)具体包括：根据所述步骤(2)的分析结果确定焊接材料的组成成分与成分配比；将所述组成成分制成粉末，并按照成分配比进行配置得到粉末焊接材料。

更进一步的，所述焊接材料的组成成分包括与第一焊接件相关的金属合金、与第二焊接件相关的金属合金和改性材料。

作为一种改进，所述步骤(4)具体采用冷喷涂的方式将所述焊接材料制备在所述第一焊接件与第二焊接件的焊接面上，形成金属涂层。

作为一种改进，在所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括步骤(6)：

根据所述步骤(2)的分析结果确定熔合比，通过熔合比和熔化母材的截面积确定金属涂层熔化截面积，并进一步确定所述金属涂层的厚度。

进一步的，所述步骤(4)还包括，预设焊接件厚度临界值，若第一焊接件和第二焊接件厚度小于焊接件厚度临界值，则将所述金属涂层制备在所述第一焊接件和第二焊接件的外表面；若第一焊接件和第二焊接件的厚度大于所述焊接件厚度临界值，则将所述金属涂层制备在所述第一焊接件和第二焊接件的内侧表面。

更进一步的，所述步骤(5)具体还包括，根据步骤(3)的分析结果确定焊缝成形尺寸；根据焊缝成形尺寸设计焊接成形工艺，所述焊接成形工艺包括焊接速度、焊接功率和汇聚角。

具体的，所述焊接性分析包括化学成分元素分析、力学性能测试分析。

进一步的，在所述步骤(4)之前还包括前处理步骤，所述前处理步骤包括对所述第一焊接件和第二焊接件焊接面进行喷砂处理，去除油污和氧化皮。

进一步的，在所述步骤(5)之后还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括对焊缝进行表面处理或/和热处理。

本发明一种高能束流焊接方法，通过对焊接件进行焊接性以及焊接性能需求进行分析，根据分析结果配制符合要求的焊接材料，并将该焊接材料制成粉末，通过冷喷涂的方式制备在焊接件的表面，以完成焊接。实现焊缝成分精确调控，提高焊接结构产品的合格率，改善焊接接头性能；该种方式尤其适用于焊接结构性能的调控、异种材料焊接成分与性能匹配和焊接结构修复等技术领域。并且由于利用金属粉末喷涂方式，解决了部分填充材料成分灵活调控以及难以制备丝材的关键问题；同时也克服了同步送粉方式，对熔池的扰动造成的焊接缺陷(气孔、咬边)，以及成份无法精确调整的问题。

附图说明

图1为本发明一种高能束流焊接方法薄板金属涂层示意图；

图2为本发明一种高能束流焊接方法薄板焊缝示意图；

图3为本发明一种高能束流焊接方法厚板金属涂层示意图；

图4为本发明一种高能束流焊接方法厚板焊缝示意图；

图5为本发明一种高能束流焊接方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为此，提出一种高能束流焊接方法，如图5所示，包括如下步骤：

(1)确定第一焊接件和第二焊接件；

(2)对第一焊接件与第二焊接件的焊接性进行分析，以及第一焊接件与第二焊接件的焊接性能需求进行分析；所述焊接性分析包括化学成分元素分析、焊缝微观组织分析、力学性能测试分析等。本实施例中主要采用成分分析与力学性能测试相结合的方法，根据材料合金系特点及添加元素影响性分析作为调节涂层材料(即焊缝填充材料)成分的依据。所添加的合金元素通常与该焊接母材基体的合金系具有对应关系，其选取依据和材料自身特性以及焊缝特性相关，需要通过成分、组织和性能的综合测试分析结果进行确定。

(3)根据分析结果确定需要添加的焊接材料；根据所述步骤(2)的分析结果确定焊接材料的组成成分与成分配比；将所述组成成分制成粉末，并按照成分配比进行配置得到粉末焊接材料。所述焊接材料的组成成分包括与第一焊接件相关的金属合金、与第二焊接件相关的金属合金和改性材料。其中改性材料根据需求可以添加一种或多种，具体的添加情况视第一焊接件和第二焊接件的焊接性以及焊接的性能需求来确定。例如：将钛合金与不锈钢进行焊接，由于两者化学成分和性能差异较大，采用普通的方式无法两者焊接在一起；因此除添加钛相关金属合金和铁相关金属合金之外，一般还需要添加少量的钒合金，其中钒合金在焊缝成分中一方面与钛合金进行融合，另一方面与不锈钢进行融合，从而使原本不能进行焊接的钛合金和不锈钢焊接在了一起。

(4)将所述焊接材料制备在所述第一焊接件和第二焊接件的焊接面上；将焊接材料制备在焊接件的焊接面上的方式有很多，如刷涂、喷涂等；本发明具体采用冷喷涂的方式将所述焊接材料制备在所述第一焊接件与第二焊接件的焊接面上，形成金属涂层。喷涂方式为固态金属粉末冷喷涂方式，冷喷涂技术的粉末粒子在整个沉积过程中温度低于其熔点，其所形成的涂层与基体主要为机械结合，形成表面改性涂层。

本发明金属涂层作为焊接填充材料使用，涂层材料为与母材相关的合金元素成分，焊接过程中涂层完全熔化进入金属熔池，其各组分元素均需要参与焊接熔化反应行为，从而调控焊缝中的元素成分，改善焊缝组织形貌与力学性能。

在制备金属涂层前，还包括前处理步骤，所述前处理步骤包括对所述第一焊接件和第二焊接件焊接面进行喷砂处理，去除油污和氧化皮。并且在焊接时需参照计算获得的焊缝横截面尺寸进行工艺试验和焊接操作，以避免焊缝熔合比出现较大波动。

在制备金属涂层时，需要事先预设焊接件厚度临界值。判断若第一焊接件和第二焊接件厚度小于焊接件厚度临界值，如图1所示，将所述金属涂层制备在装配后的第一焊接件和第二焊接件的外表面；焊接完成后，其焊缝如图2所示。

若第一焊接件和第二焊接件的厚度大于所述焊接件厚度临界值，如图3所示，将所述金属涂层制备在所述第一焊接件和第二焊接件的内侧表面，加工平整后进行焊接装配，装配完成后进行焊接，焊接完成其焊缝如图4所示。

(5)根据所述步骤(2)的分析结果确定熔合比，通过熔合比和熔化母材的截面积确定金属涂层熔化截面积，并进一步确定所述金属涂层的厚度。

(6)采用高能束流焊方式将所述第一焊接件与第二焊接件焊接成型。在焊接成型过程中，还需要根据步骤(3)的分析结果确定焊缝成形尺寸；根据焊缝成形尺寸设计焊接成形工艺，所述焊接成形工艺包括焊接速度、焊接功率和汇聚角。

在完成焊接之后还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括对焊缝进行表面处理或/和热处理。焊接完成后，需要去除结构表面多余的金属涂层，一般采用机械去除，如机械加工、人工打磨等。根据焊接件的结构性能与填充材料的需求，对焊接件进行热处理，该热处理可以是焊后的消除应力热处理、也可以是固溶时效等，具体方式取决于焊接件的材料性质。

为保证焊缝质量，特别是焊缝中合金元素的均匀化控制，需要分析材料焊接成型工艺并采取相关措施进行调节。主要是确定焊缝横截面形状的控制参数，计算涂层填充材料与母材熔化后的熔合比，控制高能束流搅拌熔池，使得填充合金元素与母材合金元素充分均匀混合，达到控制成分与质量的双重目的。

以TA15厚壁球壳电子束焊接为例

针对TA15合金20mm以上厚壁球壳电子束焊接结构，为改善焊缝塑性与韧性，采用本发明提供的高能束流焊接方法进行说明：

1)通过对需要焊接的焊接件进行焊接性分析，以及焊接性能需求进行分析，可以知道20mm以上TA15合金焊缝组织特征为脆硬的马氏体相，难以采用热处理改善焊缝塑性与韧性。则根据该合金的合金系特征，提出喷涂制备低Al成分的Ti-Al合金涂层、降低焊缝Al元素含量的调节方案。

2)考虑到焊接过程元素烧损问题，将Al元素占2％的Ti-Al合金制成金属粉末。测量20mm厚度TA15合金电子束焊缝横截面尺寸，通过焊接熔合比公式计算焊缝横截面上所需喷涂涂层的厚度为0.15mm。

3)将TA15合金厚壁球壳的焊接接口的内表面进行喷砂处理，去除油污和氧化皮；在本实施例中，厚度临界值设定为20mm，属于厚板焊接，因此采用冷喷涂方式将Ti-Al合金粉末制备到球壳结构的焊接接口内表面处，均匀控制涂层厚度达到0.15mm。

4)将球壳结构装配至待焊接状态，装入真空电子束焊机进行焊接，设置焊接参数为加速电压150kV，焊接电流40mA，焊接速度15mm/s，并施加圆形扫描波形使电子束束流偏摆扫描，搅动焊接熔池，完成焊接。

5)焊接后对电子束焊缝进行测试，焊缝质量满足结构设计要求，焊缝内合金元素分布均匀，焊接接头塑性从原来工艺的7％提高到12％，焊缝冲击韧性与原工艺相比提高50％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高能束流焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定第一焊接件和第二焊接件；

(2)对第一焊接件与第二焊接件的焊接性进行分析，以及第一焊接件与第二焊接件的焊接性能需求进行分析；

(3)根据分析结果确定需要添加的焊接材料；

(4)将所添加的焊接材料制备在所述第一焊接件和第二焊接件的焊接面上；

(5)采用高能束流焊的方式将所述第一焊接件与第二焊接件焊接成型。

2.如权利要求1所述的高能束流焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：根据所述步骤(2)的分析结果确定焊接材料的组成成分与成分配比；将所述组成成分制成粉末，并按照成分配比进行配置得到粉末焊接材料。

3.如权利要求2所述的高能束流焊接方法，其特征在于，所述焊接材料的组成成分包括与第一焊接件相关的金属合金、与第二焊接件相关的金属合金和改性材料。

4.如权利要求2所述的高能束流焊接方法，其特征在于，所述步骤(4)具体采用冷喷涂的方式将所述焊接材料制备在所述第一焊接件与第二焊接件的焊接面上，形成金属涂层。

5.如权利要求4所述的高能束流焊接方法，其特征在于，在所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括步骤(6)：

根据所述步骤(2)的分析结果确定熔合比，通过熔合比和熔化母材的截面积确定金属涂层熔化截面积，并进一步确定所述金属涂层的厚度。

6.如权利要求5所述的高能束流焊接方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括，预设焊接件厚度临界值，若第一焊接件和第二焊接件厚度小于焊接件厚度临界值，则将所述金属涂层制备在所述第一焊接件和第二焊接件的外表面；若第一焊接件和第二焊接件的厚度大于所述焊接件厚度临界值，则将所述金属涂层制备在所述第一焊接件和第二焊接件的内侧表面。

7.如权利要求6所述的高能束流焊接方法，其特征在于，所述步骤(5)具体还包括，根据步骤(3)的分析结果确定焊缝成形尺寸；根据焊缝成形尺寸设计焊接成形工艺，所述焊接成形工艺包括焊接速度、焊接功率和汇聚角。

8.如权利要求7所述的高能束流焊接方法，其特征在于，所述焊接性分析包括化学成分元素分析、力学性能测试分析。

9.如权利要求8所述的高能束流焊接方法，其特征在于，在所述步骤(4)之前还包括前处理步骤，所述前处理步骤包括对所述第一焊接件和第二焊接件焊接面进行喷砂处理，去除油污和氧化皮。

10.如权利要求9所述的高能束流焊接方法，其特征在于，在所述步骤(5)之后还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括对焊缝进行表面处理或/和热处理。