CN106853549A - 一种薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种薄壁异种马氏体时效钢的真空电子束焊接方法，属于异种材料熔化焊接领域。本发明的目的在于解决火箭发动机燃烧室壳体异种马氏体时效钢对接焊时容易产生的焊缝表面凹陷、咬边等缺陷问题。本发明与常规焊接方法的不同之处在于采用了电子束流对熔池的高频振荡扫描及电子束流向其中之一母材偏移施焊的方式，来保证焊缝成形，消除焊接缺陷，形成具有良好冶金结合的焊接接头，接头强度系数达到90%以上，满足设计使用需求。

Description

一种薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法
技术领域
本发明的一种薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，涉及T250与00Ni两种马氏体时效钢的电子束对接焊，属于异种材料熔化焊领域。
背景技术
T250马氏体时效钢是在C250含Co马氏体时效钢的基础上去Co增Ti开发出来的高强高韧钢。其以无碳或微碳马氏体为基体，在柔性Fe-Ni马氏体合金中加入Ti、Mo、Al等元素，通过回火或者时效过程产生金属间化合物沉淀强化效应，从而大幅度提高强度和韧性。该材料被广泛应用于固体火箭发动机壳体等众多航天尖端技术领域。00Ni则是另一种同样具备高强度和高韧性的马氏体时效钢，由于其高的屈强比、抗热处理变形能力、优越的机加工性能以及良好的焊接性，在航天军工等领域得到了广泛的应用。异种材料的焊接应用日益广泛，其特点是能够最大程度地利用材料的各自优点以满足现代生产对材料接头性能的多方面要求。但介于异种材料在物理化学等方面存在一定的差异，就容易出现各种焊接缺陷。实现火箭发动机燃烧室壳体的精密高效连接需求，具有十分重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于解决火箭发动机燃烧室壳体异种马氏体时效钢对接焊时容易产生的焊缝表面凹陷、咬边等缺陷问题，提高焊接接头的可靠性。
采用电子束流对熔池的高频振荡扫描及电子束流向00Ni合金侧偏移施焊的方式，借助严格控制焊接错边量和优化电子束焊接工艺，保证焊接接头满足GJB1718A-2005 I级焊缝等级要求。该发明的关键技术在于焊接装配错边量须控制在≤0.05mm、电子束流圆形扫描频率控制在10-200Hz范围内以及电子束流向00Ni侧的偏移量为0.20-1.00mm之间。
根据上述方案，本发明提出一种薄壁异种马氏体时效钢的真空电子束焊接方法，其步骤包括：
步骤一、对待焊筒体和接头进行焊前预处理
步骤二、进行发动机筒体和接头的装配
步骤三、将待焊组件放入真空室，开始抽真空，使该真空室内的真空度达到5×10-3至5×10-4Pa之间
步骤四、将电子束聚焦在T250筒体和00Ni接头组件接缝中间，采用数控补偿程序保证电子束流在整圈环焊缝都对准接缝中心；
步骤五、将电子束流零位向00Ni接头侧偏移一定距离；
步骤六、选择合适的焊接程序对待焊组件进行真空电子束焊接；
步骤七、真空室进气，取出工件，完成焊接
就本发明而言，某型号发动机燃烧室壳体由前、后接头和中间筒体组成，综合考虑强度性能及时效强化后机加工性能的差异（00Ni在时效强化后的机加工性能更佳，但其强度略低），前、后封头采用加厚的00Ni作为结构材料，中间筒体段则采用强度更高的T250作为结构材料，这样就涉及00Ni与T250两种马氏体时效钢的异种材料焊接。由于两类马氏体时效钢化学成分及物理性能的差异，使得焊接过程中熔池的流动性也有较大的不同。采用真空电子束焊进行上述马氏体时效钢薄壁件连接时，发现焊后接头在靠近T250侧热影响区出现明显的咬边缺陷，同时沿焊缝中间形成一定的凹陷，影响接头强度。
电子束焊接（Electron Beam Welding，EBW）是以真空中高度聚焦的高能密度（105~107 W/cm2）的电子束流作为能量载体实现材料连接的一种特种加工方法，具备焊接速度快，焊接热变形小，可焊材料种类多，焊缝深宽比大，焊接质量高等诸多优点，已被广泛应用于多个领域。
附图说明
图1是本发明实例某型号发动机燃烧室壳体涉及的00Ni与T250异种薄壁马氏体时效钢组件真空电子束焊接结构示意图。
具体实施方式
本发明具体实施方式提供了一种薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法：所涉及的两种马氏体时效钢分别为T250和00Ni，两者的化学成分分别为：1）T250马氏体时效钢:11.95-13.25%;Cr:4.25-6.25%;Mo:1.75-3.15%；2）00Ni马氏体时效钢：C:0-0.01%;Si:0-0.1%;Mn:0-0.1%;Ni:18.00-20.00;Co:0-0.5%;Mo:2.75-
3.25%;Al:0.05-0.15%。该焊接结构对应的焊接区域的壁厚值为δ=1.75mm，待焊处外径尺寸为Φ=130mm。本发明的焊接方法为采用真空电子束焊接方法对上述环焊缝进行环向360°对接。
本实施方式所述的焊接过程为：
步骤一、对待焊筒体和接头进行焊前预处理
步骤二、进行发动机筒体和接头的装配
步骤三、将待焊组件放入真空室，开始抽真空，使该真空室内的真空度达到5×10-3至5×10-4Pa之间
步骤四、将电子束聚焦在T250筒体和00Ni接头组件接缝中间，采用数控补偿程序保证电子束流在整圈环焊缝都对准接缝中心；
步骤五、将电子束流零位向00Ni接头侧偏移一定距离；
步骤六、选择合适的焊接程序对待焊组件进行真空电子束焊接；
步骤七、真空室进气，取出工件，完成焊接
所述步骤一中焊前预处理包括：1）对待焊组件进行退磁处理，保证待焊部位参与磁通量≤5T；2）对待焊组件的对接面及其附近区域进行机械打磨至金属光泽，最后进行丙酮擦拭、吹干，保证无油污等杂质影响焊接质量；
所述步骤二中具体装配过程中要求保证00Ni筒体与T250接头焊接偏移量≤0.05mm；
所述的步骤四中所述的电子束小束流数控补偿程序为位置示教程序，示教原点位于焊缝正中间，通过示教保证电子束流行走轨迹与焊缝中心“Y”轴偏移范围在±0.10mm之内；
所述步骤五中电子束流须向00Ni一侧偏移0.20-1.00mm
所述步骤六中所述的电子束焊程序涉及定位焊、深熔焊及修饰焊三个程序：
1） 定位焊：均匀对称定位6段，加速电压为60~150KV，工作距离为200~600mm，焊接电流为0.1~10mA，聚焦电流为250-400mA，焊接速度为8~50mm/s
2) 深熔焊：环向360°，加速电压为60~150KV；工作距离为200~600mm，焊接电流为5~20mA；聚焦电流为300-450mA；焊接速度为8~50mm/s。
3）修饰焊：环向360°，加速电压为60~150KV；工作距离为200~600mm，焊接电流为2~15mA；聚焦电流为350-500mA；焊接速度为8~50mm/s。
所述步骤六中电子束焊接程序深熔焊程序须采用电子束流扫描程序，其中电子束流扫描形状为圆形，扫描频率为10-200Hz，扫描幅度为0-0.5mm
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (9)

1.一种薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对待焊筒体和接头进行焊前预处理；
步骤二、进行发动机筒体和接头的装配；
步骤三、将待焊组件放入真空室，开始抽真空，使该真空室内的真空度达到5×10-3至5×10-4Pa之间；
步骤四、将电子束聚焦在T250筒体和00Ni接头组件接缝中间，采用数控补偿程序保证电子束流在整圈环焊缝都对准接缝中心；
步骤五、将电子束流零位向00Ni接头侧偏移一定距离；
步骤六、选择合适的焊接程序对待焊组件进行真空电子束焊接；
步骤七、真空室进气，取出工件，完成焊接。
2.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤一中待焊筒体和接头材料分别为00Ni马氏体时效钢和T250马氏体时效钢；其中00Ni对应的化学成分为C:0-0.03%；Ni:11.95-13.25%;Cr:4.25-6.25%;Mo:1.75-3.15%；T250对应的化学成分为C:0-0.01%;Si:0-0.1%;Mn:0-0.1%;Ni:18.00-20.00;Co:0-0.5%;Mo:2.75-3.25%;
Al:0.05-0.15%。
3.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤一中焊前预处理包括：1）对待焊组件进行退磁处理，保证待焊部位参与磁通量≤5T；2）对待焊组件的对接面及其附近区域进行机械打磨至金属光泽，最后进行丙酮擦拭、吹干，保证无油污等杂质影响焊接质量。
4.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤二中具体装配过程中要求保证00Ni筒体与T250接头焊接偏移量≤0.05mm。
5.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤四中的电子束小束流数控补偿程序为位置示教程序，示教原点位于焊缝正中间，通过示教保证电子束流行走轨迹与焊缝中心“Y”轴偏移范围在±0.10mm之内。
6.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤五中电子束流须向00Ni一侧偏移0.20-1.00mm。
7.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤六中所述的电子束焊程序涉及定位焊、深熔焊及修饰焊三个程序：
1） 定位焊：均匀对称定位6段，加速电压为60~150KV，工作距离为200~600mm，焊接电流为0.1~10mA，聚焦电流为250-400mA，焊接速度为8~50mm/s；
2) 深熔焊：环向360°，加速电压为60~150KV；工作距离为200~600mm，焊接电流为5~20mA；聚焦电流为300-450mA；焊接速度为8~50mm/s；
3）修饰焊：环向360°，加速电压为60~150KV；工作距离为200~600mm，焊接电流为2~15mA；聚焦电流为350-500mA；焊接速度为8~50mm/s。
8.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤六中电子束焊接程序深熔焊程序须采用电子束流扫描程序，其中电子束流扫描形状为圆形，扫描频率为10-200Hz，扫描幅度为0-0.5mm。
9.如权利要求1所述的薄壁异种马氏体时效钢的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤一中筒体和接头对接处的壁厚为δ=1.75mm，外径尺寸Φ=130mm。
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