CN107498203B - 一种电子束焊接与激光增材制造复合连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，包括以下操作步骤：首先，对于截面厚度H≥100mm的零件基材需根据零件尺寸加工剖口，获得开槽的零件；其次，对开槽的零件表面进行清洗、烘干处理；再次，将清洗后的零件固定在电子束焊接腔体中，当真空度达到10‑2Pa后，对其进行电子束深熔焊接；最后，将电子束深熔焊接后的零件固定在激光增材制造腔体中，在惰性气体气氛保护下，以焊接位置为中心进行循环往复式的扫描沉积。本发明的优点在于经过电子束焊接与激光增材制造复合连接的金属构件可在焊接区域获得冶金结合的低热应力焊接区，在增材制造区域获得快速凝固组织，两者导致的热影响区都很小，从而获得力学性能优异的大型金属连接构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，具体涉及一种 大厚度截面金属构件的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法。
背景技术
航空、航天、电力、石化、船舶等现代工业高端装备正向大型化、高参数、 极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，致使其钛合金、高强钢、 耐热合金等关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高， 对制造技术的要求越来越高、挑战日益严峻，其中关于大型整体复杂构件的高 效连接逐渐成为重大高端装备制造业的基础和核心关键技术之一。
电子束焊接(Electron beam welding，EBW)是利用电子枪中阴极所产生 的电子在阴阳极间的高压(25-300kV)加速电场作用下被拉出，并加速到很高 的速度(0.3-0.7倍光速)，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子 流，当其撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊 接的目的。与电弧焊等传统焊接技术相比，电子束焊接技术具有能量密度高、 熔透性高、焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接工艺参数容易精确控制、 易于控制、能焊接难熔及异种金属以及重复性和稳定性好等优点，从而在工业 上得到了广泛的应用。近年来，电子束焊接技术迅速发展，在大型零件制造及复杂零件加工等方面都显示出了独特的优越性。
然而，由于高速电子在金属中的穿透能力有限，在设备最大功率条件下， 电子束焊接一次可焊最大厚度钢板约为40mm，钛合金约50mm，铝合金约50mm， 但对于某些大型装备而言，其焊接深度难以满足某些大厚度截面金属材料的连 接需求。目前，现有方法通过在零件表面进行开槽后再进行焊接，但是一方面 开槽会影响零件尺寸和形状的完整性；另一方面，电子束焊接难以进行原位堆 焊，通常会采用手工电弧焊的方式对零件的剖口进行堆焊，但是这种方法会引 入较大的内应力，并且由于人工原因会导致出现未焊合、气孔等缺陷，导致构 件性能较差。
激光增材制造技术(Laser additive manufacturing，LAM)借鉴了快速原 型技术“离散+堆积”的原理，在零件CAD三维实体模型切片数据的指导下， 通过高功率激光熔化同步输送的金属粉末并且在基材表面熔化部分材料，两者 混合形成熔池，激光束扫过后熔池发生快速凝固，从而沉积在已凝固的基材上， 以此逐层堆积，最终得到三维零件。该技术能实现大型复杂结构致密金属零件 的快速、无模具近净成形，是一种先进的金属零件3D打印技术。与传统应用于 大厚度金属零件连接的电弧堆焊技术相比，激光增材制造热输入较小且可控， 能够有效减小热累积导致的热应力；增材制造过程在保护气体保护下进行，由 计算机精确控制的送粉、扫描和沉积过程稳定，能够有效减小未焊合、裂纹和 气孔等缺陷；另外，激光增材制造不受材料种类、零件形状和尺寸等的限制， 能够快速及时完成焊接任务。因此，若能将激光增材制造与电子束焊接复合， 对某些大型/超大型零件进行连接，即对已开剖口的构件先进行电子束焊接，进 而在剖口处进行增材制造，完成零件的连接，必然可实现构件连接，从而实现 最小的材料浪费，获得内应力较小的快速凝固组织。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种电子束焊接与激光增材制 造复合连接方法，包括以下操作步骤：
首先，对于截面厚度H≥100mm的零件基材需根据零件尺寸加工剖口，获得 开槽的零件；
其次，对开槽的零件表面进行清洗、烘干处理；
再次，将清洗后的零件固定在电子束焊接腔体中，当真空度达到10-2Pa后， 对其进行电子束深熔焊接；
最后，将电子束深熔焊接后的零件固定在激光增材制造腔体中，在惰性气 体气氛保护下，以焊接位置为中心进行循环往复式的扫描沉积。
进一步，所述加工剖口是根据实际需要先在截面厚度H≥100mm的零件基材 一侧或两侧设计剖口大小，然后电火花线切割，最后磨床或铣床处理获得光亮 表面。
进一步，所述设计剖口的原则是将剖口侧面与表面的加工成夹角α，夹角 α取值根据实际需求选取，去除部分宽度为L，电子束焊接的最大高度为hmax， H与L存在如下关系：
进一步，所述夹角α的范围为35°～45°。
进一步，当截面厚度H≥100mm的零件基材为钢材质时，电子束焊接的最大 高度hmax为40mm；当截面厚度H≥100mm的零件基材为钛合金或铝合金材质时， 电子束焊接的最大高度hmax为50mm。
进一步，所述清洗是先水清洗去除明显脏污，然后丙酮清洗去除油渍，最 后去离子水清洗。
进一步，沉积采用的粉末是与截面厚度H≥100mm的零件基材同成分的预制 合金粉，粉末为球形且具有良好的流动性。
进一步，所述惰性气体为氩气。
进一步，在沉积过程中，根据剖口的大小及试样形状，选择改变扫描路径 及速度，获得致密，无氧化、裂纹等缺陷的增材制造区域。
进一步，还包括在电子束深熔焊接之后，激光沉积之前，先采用低功率激 光束对焊接区域表面进行重熔，以获得良好的表面质量，减小气孔等缺陷的形 成概率。
本发明的优点在于经过电子束焊接与激光增材制造复合连接的金属构件可 在焊接区域获得冶金结合的低热应力焊接区，在增材制造区域获得快速凝固组 织，两者导致的热影响区都很小，从而获得力学性能优异的大型金属连接构件。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领 域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并 不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的 部件。在附图中：
图1为大厚度(H≥100mm)截面金属零件电子束焊接与激光增材制造复合 连接示意图。图中，(a)为零件及剖口尺寸关系示意图，(b)为电子束焊接和激 光沉积后的示意图，图中，1-电子束焊接区，2-激光增材制造区。
图2为电子束焊接与激光增材制造复合连接锻件TC11钛合金组织图；其中， (a)为组织区域示意图，(b)为连接后的金相组织照片；图中，4-基材组织， 5--电子束焊接区组织，6--激光增材沉积区组织。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示 了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不 应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻 地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出一种大厚度截面钛合金TC11锻件的电子束焊 接与激光增材制造复合连接方法，包括以下操作步骤：
首先，对于截面厚度H为150mm的钛合金TC11锻件基材3需根据尺寸加工 剖口，如图1(a)示意所示，为了便于说明将图中左右两构件之间的缝隙进行 了放大，先根据实际需要先在截面厚度H为150mm的零件两侧设计剖口大小， 然后电火花线切割，最后磨床或铣床处理获得光亮表面，其中剖口的设计原则 如下：将剖口侧面与表面加工成夹角α，α取45°，电子束焊接的最大高度 为hmax为50mm，根据H与L存在如下关系：
计算去除部分宽度L＝50mm。
其次，对开槽的零件基材表面先进行水清洗去除明显脏污，然后丙酮清洗 去除油渍，最后去离子水清洗、烘干处理。
再次，将清洗后的零件基材固定在电子束焊接腔体中，当真空度达到10-2Pa后，对其进 行电子束深熔焊接，得到中间焊接区域，即电子束焊接区域1，如图1(b)所示。
最后，在沉积之前，先采用低功率激光束对焊接区域表面进行重熔，以获 得良好的表面质量，减小气孔等缺陷的形成概率，然后将电子束深熔焊接后的 零件固定在激光增材制造腔体中，在氩气气氛保护下，以焊接位置为中心进行 循环往复式的扫描沉积，沉积采用的粉末是与基材同成分的钛合金粉，粉末为 球形且具有良好的流动性，并且在沉积过程中，根据剖口的大小及试样形状， 随时改变扫描路径及速度，最后获得增材制造区域2，如图1(b)所示。本实 施例中最后得到电子束焊接与激光增材制造复合连接锻件TC11钛合金组织图， 如图2所示，其中，图2(a)组织区域示意图，对应图2(a)的示意组织区域， 图2(b)为连接后的金相组织照片，4-基材组织，5--电子束焊接区组织，6-- 激光增材沉积区组织。从图中可以看出，连接区域致密，无氧化、裂纹等缺陷， 并且应力低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
首先，对于截面厚度H≥100mm的零件基材需根据零件尺寸加工剖口，获得开槽的零件；
其次，对开槽的零件表面进行清洗、烘干处理；
再次，将清洗后的零件固定在电子束焊接腔体中，当真空度达到10-2Pa后，对其进行电子束深熔焊接；
最后，将电子束深熔焊接后的零件固定在激光增材制造腔体中，在惰性气体气氛保护下，以焊接位置为中心进行循环往复式的扫描沉积；
其中，设计剖口的原则是将剖口侧面与表面的加工成夹角α，夹角α取值根据实际需求选取，去除部分宽度为L，电子束焊接的最大高度为hmax，H与L存在如下关系：
2.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，所述加工剖口是先在截面厚度H≥100mm的零件基材一侧或两侧设计剖口大小，然后电火花线切割，最后磨床或铣床处理获得光亮表面。
3.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，所述夹角α的范围为35°～45°。
4.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，当截面厚度H≥100mm的零件基材为钢材质时，电子束焊接的最大高度hmax为40mm；当截面厚度H≥100mm的零件基材为钛合金或铝合金材质时，电子束焊接的最大高度hmax为50mm。
5.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，所述清洗是先水清洗，然后丙酮清洗，最后去离子水清洗。
6.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，沉积采用的粉末是与截面厚度H≥100mm的零件基材同成分的预制合金粉，粉末为球形且具有良好的流动性。
7.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
8.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，在沉积过程中，根据剖口的大小及形状，选择扫描路径及速度。
9.根据权利要求1所述的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法，其特征在于，在电子束深熔焊接之后、激光沉积之前，先采用低功率激光束对焊接区域表面进行重熔的步骤。
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