CN106392293A - 一种难熔合金真空电子束焊接方法 - Google Patents

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朱冬妹
陈建勋
王瑞
李康宁
马向宇
姜涛
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Abstract

本发明公开了一种难熔合金真空电子束焊接方法，具体包括焊接面处理、焊前准备、装配、进行电子束焊接、进行焊后质量检查。本发明利用电子束真空焊接环境、穿透能力强、能量集中、热输入小等特点，可以对12mm的Nb521铌合金实施焊接，焊接性能稳定。焊接后焊缝成形良好，焊缝表面无裂纹、气孔、凹陷、咬边、焊瘤等缺陷，焊接内部质量、常温力学性能均能达到国家军用标准要求，高温性能良好。

Description

一种难熔合金真空电子束焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种难熔合金真空电子束焊接方法，尤其是Nb521铌合金真空电子束焊接方法。
背景技术
如今，随着航空航天技术的发展，要求不断提高舱段材料的耐热性。Nb521铌合金使用温度高(≥1400℃)，具有良好的高温力学性能，能满足特殊舱段的使用要求。但由于铌合金的熔点高(2460℃)，属于难熔金属，焊接性能比纯铌差，在高温下易氧化和氮化，出现焊接裂纹以及焊缝金属和热影响区脆化。另外由于铌在高温下非常活泼，对杂质的侵入比较敏感，从300℃开始就强烈地与空气中的氢、氧、氮发生反应生成脆性化合物，使金属强度提高而塑性下降，这就要求在焊接过程中必须采取严格的保护措施，防止杂质的污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种难熔合金真空电子束焊接方法，解决难熔合金的焊接缺陷的问题；还解决了铌合金易被杂质污染的问题。
本发明的技术方案为：一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、焊接面处理：将待焊接试件焊接面均进行加工，表面粗糙度Ra最大允许值为3.2μm；
步骤二、焊前准备：将待焊接件进行酸洗、机械打磨、并使用丙酮或者无水乙醇擦拭干净；
步骤三、装配：使用焊接夹具、工装装配待焊接试件，两焊接试件焊接面间隙不大于0.15mm，错边不大于0.15mm，局部任意100mm内累计长度不大于20mm，范围内间隙和错边不大于0.2mm；
步骤四、进行电子束焊接；
步骤五、进行焊后质量检查。
有益效果：本发明利用电子束真空焊接环境、穿透能力强、能量集中、热输入小等特点，可以对12mm厚的Nb521铌合金实施焊接，焊接性能稳定。焊接后焊缝成形良好，焊缝表面无裂纹、气孔、凹陷、咬边、焊瘤等缺陷，焊接内部质量、常温力学性能均能达到国家军用标准GJB1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级要求，高温性能良好。真空电子束能量集中、密度高、熔深大、热输入小等优点，可实现难熔合金Nb521的焊接，焊接质量达到国家军用标准GJB1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级要求。
附图说明
图1为本发明焊接试件焊缝示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明难熔合金采用Nb521铌合金作为实施例，Nb521铌合金试件规格为200mm×60mm×12mm，本发明一种难熔合金真空电子束焊接方法包括以下步骤：
第一步：焊接面处理：采用机械加工方法，将待焊接的试样焊接面均进行加工，保证其表面粗糙度Ra最大允许值为3.2μm，且对接面平整、光洁、无毛刺，并保持棱角；
第二步：焊前准备：将待焊接试件进行酸洗，酸洗后用清水冲洗干净，然后在90℃～110℃下烘干30min～40min。酸洗后待试件焊接前12h以内采用不锈钢丝刷将待焊部位及试件上下表面距离对焊面15mm范围进行打磨，使其露出金属光泽，且不破坏对接尖角。最后采用丙酮或者无水乙醇擦拭干净，去除零件表面油污、非金属杂质等；
第三步：装配：使用焊接夹具、工装装配待焊接试件，保证待焊接试件的焊接面对齐、夹紧并固定，两焊接试件焊接面间隙不大于0.15mm，错边不大于0.15mm，局部任意100mm内累计长度不大于20mm范围内间隙和错边不大于0.2mm；
第四步：电子束焊接方案
1)将焊接夹具、工装放置在所述焊机的焊接平台上并固定，当电子束枪真空度优于1×10-5mbar，真空室真空度优于7×10-4mbar后开始焊接。
2)定位焊：真空度满足要求后，先采用小电流找出焊接轨迹，即保证电子束斑点位于焊缝中间位置。然后对待焊接试样进行定位焊，定位焊长度约10mm～25mm，间距30mm～40mm。
定位焊工艺参数：
加速电压：Ub＝140kV
聚焦电流：Ic＝1505mA-1515mA
电子束流：Ib＝4mA-5mA
焊接速度：V＝8mm/s
偏摆：X＝1.5mm-2.0mm；Y＝0mm
3)正式焊：定位焊后对焊缝进行正式焊接，正式焊接时起弧、熄弧距离均为5mm-10mm，正式焊接时采用圆形波且采用下聚焦的方式进行焊接。
正式焊工艺参数：
加速电压：Ub＝140kV
聚焦电流：Ic＝1505mA-1515mA
电子束流：Ib＝80mA-85mA
焊接速度：V＝8mm/s-10mm/s
偏摆：X＝0.3mm-0.5mm；Y＝0.3mm-0.5mm
扫描频率f＝50Hz
4)修饰焊：对焊缝进行修饰焊。修饰焊起弧、熄弧距离均与正式焊一致，修饰焊接时采用圆形波且采用上聚焦的方式进行焊接。
修饰焊工艺参数：
加速电压：Ub＝140kV
聚焦电流：Ic＝1715mA-1725mA
电子束流：Ib＝20mA-30mA
焊接速度：V＝8mm/s-10mm/s
偏摆：X＝0.3mm-0.5mm；Y＝0.3mm-0.5mm
扫描频率f＝20Hz
5)焊后将试样在电子束真空舱内冷却15min～20min后再打开真空舱门，待试样完全冷却后松开夹具取出试件。
第五步：焊后质量检查
1)焊后采用目视或借助于10倍以下放大镜对电子束焊缝进行外观质量检查，保证焊缝表面无裂纹、未熔合、气孔、咬边、凹陷等缺陷；
2)焊后采用X射线对电子束焊缝进行无损检测，焊缝质量满足GJB1718A-2005中I级焊缝要求；
3)对电子束焊缝制取常温拉伸试样，进行接头常温拉伸力学性能测试，焊缝常温拉伸强度、屈服强度均达到母材的95％以上，延伸率达到母材的86％。
4)对电子束焊缝制取高温拉伸试样，进行接头高温拉伸力学性能测试，Nb521铌合金随着温度的升高，电子束焊缝拉伸强度、屈服强度均呈下降趋势，电子束焊缝在600℃～1000℃之间拉伸强度、屈服强度变化较为平缓，1000℃～1800℃之间同梯度降低；电子束焊缝延伸率先呈增加趋势，在1800℃时延伸率降低至最小；Nb521铌合金电子束焊缝在1600℃之前为韧性断裂，在1800℃时为脆性断裂。因此，该材料使用环境应低于1600℃。

Claims (9)

1.一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、焊接面处理：将待焊接试件焊接面均进行加工，表面粗糙度Ra最大允许值为3.2μm；
步骤二、焊前准备：将待焊接件进行酸洗、机械打磨、并使用丙酮或者无水乙醇擦拭干净；
步骤三、装配：使用焊接夹具、工装装配待焊接试件，两焊接试件焊接面间隙不大于0.15mm，错边不大于0.15mm，局部任意100mm内累计长度不大于20mm，范围内间隙和错边不大于0.2mm；
步骤四、进行电子束焊接；
步骤五、进行焊后质量检查。
2.根据权利要求1所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，所述的步骤四包括以下步骤：
步骤4.1、采用高压真空电子束焊机，当电子束枪真空度优于1×10-5mbar，真空室真空度优于7×10-4mbar后开始焊接；
步骤4.2、进行定位焊：真空度满足要求后，先找出焊接轨迹，保证电子束斑点位于焊缝中间位置；然后对待焊接试样进行定位焊，定位焊长度约10mm～25mm，间距30mm～40mm。
步骤4.3、正式焊：定位焊后对焊缝进行正式焊接，正式焊时起弧、熄弧距离均为5mm-10mm，正式焊接时采用圆形波且采用下聚焦的方式进行焊接；
步骤4.4、修饰焊：正式焊接后对焊缝进行修饰焊，修饰焊起弧、熄弧距离均与正式焊一致，修饰焊接时采用圆形波且采用上聚焦的方式进行焊接。
步骤4.5、焊后将试样在电子束真空舱内冷却15min～20min后再打开真空舱门，待试样完全冷却后松开夹具取出试件。
3.根据权利要求1或2所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，所述的步骤五包括以下步骤：
步骤5.1、焊后对电子束焊缝进行外观质量检查，保证焊缝表面无裂纹、未熔合、气孔、咬边、凹陷缺陷；
步骤5.2、焊后采用X射线对电子束焊缝进行无损检测；
步骤5.3、对电子束焊缝制取常温拉伸试样，进行接头常温拉伸力学性能测试；
步骤5.4、对电子束焊缝制取高温拉伸试样，进行接头高温拉伸力学性能测试。
4.根据权利要求3所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，步骤5.3中，焊缝常温拉伸强度、屈服强度不低于基体材料的95％，延伸率不低于基体材料的86％。
5.根据权利要求3所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，所述难熔合金为Nb521铌合金。
6.根据权利要求5所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，该材料使用环境应低于1600℃。
7.根据权利要求2所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，定位焊工艺参数：
加速电压：Ub＝140kV
聚焦电流：Ic＝1505mA-1515mA
电子束流：Ib＝4mA-5mA
焊接速度：V＝8mm/s
偏摆：X＝1.5mm-2.0mm；Y＝0mm。
8.根据权利要求2所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，正式焊工艺参数：
加速电压：Ub＝140kV
聚焦电流：Ic＝1505mA-1515mA
电子束流：Ib＝80mA-85mA
焊接速度：V＝8mm/s-10mm/s
偏摆：X＝0.3mm-0.5mm；Y＝0.3mm-0.5mm
扫描频率f＝50Hz。
9.根据权利要求2所述的一种难熔合金真空电子束焊接方法，其特征在于，修饰焊工艺参数为：
加速电压：Ub＝140kV
聚焦电流：Ic＝1715mA-1725mA
电子束流：Ib＝20mA-30mA
焊接速度：V＝8mm/s-10mm/s
偏摆：X＝0.3mm-0.5mm；Y＝0.3mm-0.5mm
扫描频率f＝20Hz。
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