CN108857034A - 一种BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，属于电子束焊接技术领域。本发明方法将待焊接工件的对接接头固定并将所述对接接头置于真空环境中，依次进行定位焊、正式焊接和修饰焊接。由于使用真空电子束焊接BTi6431S高温钛合金材料，焊接时能量集中，热输入小，热影响区小，焊接变形小，同时真空环境可有效防止焊缝的氧化与元素烧损，符合GJB1718A‑2005标准I级焊缝要求。焊缝截面呈现漏斗形状。BTi6431S高温钛合金接头平均抗拉强度不低于1225MPa，超过母材强度的90％以上，断后延伸率不低于10％。
Description
技术领域
一种BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，属于电子束焊接技术领域。
背景技术
随着我国航空航天工业的高速发展，对飞行器的技术指标要求越来越高，这对结构材料的耐高温性能提出了更高的要求。高温钛合金因具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性、良好的热强性、加工塑性和焊接性而成为航空航天领域一种重要的结构材料。近年来，开发600℃以上的高温钛合金已成为各国学者的研究重点。BTi6431S钛合金是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si系高铝含量的α+β型高温钛合金，由我国自主设计研发。该合金主要通过添加α稳定元素Al和β稳定元素Nb、Mo和W进行强化，在650-700℃具有短时高强度，并在大载荷下呈现出良好的持久和蠕变性能，在航空航天结构件上具有巨大的应用潜力。
目前，对于钛合金的焊接方法主要有氩弧焊、激光焊等方法。这些方法均存在一定的局限性。钛合金具有熔点高、热容量小、导热性能差等特点，氩弧焊热输入大，焊接过程构件变形大，容易产生大量裂纹，同时焊接过程中焊缝及热影响区易形成过热组织，晶粒粗化严重，导致焊缝力学性能下降。激光焊接具有焊接热输入量可控、热影响区小、焊接速度快、焊接效率高、焊接变形小等优点，但激光焊接钛合金表面氧化控制困难，易形成气孔、氧化物等缺陷，同时受激光器功率的限制难以实现大厚度高温钛合金材料的焊接。因此，开发一种更加有效的焊接BTi6431S钛合金的方法是十分必需的。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，给出了一种BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，所形成的焊缝具有良好的外观质量和内部质量，焊缝接头连续、均匀，成形良好，无气孔和裂纹等缺陷，焊缝的力学性能优异。
本发明的技术解决方案是：
一种BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，包括：
步骤一、将待焊接工件的对接接头固定并将所述对接接头置于真空环境中，所述待焊接工件为由BTi6431S高温钛合金材料制成；
步骤二、采用电子束对所述待焊接工件的对接接头进行定位焊；
步骤三、采用电子束对所述对接接头进行正式焊接；
步骤四、采用电子束对所述对接接头进行修饰焊接；
步骤五、在真空中将所述对接接头冷却。
优选地，所述步骤一中，所述真空环境的真空度为2×10-2Pa～7×10-2Pa。
优选地，所述对接接头的厚度为2-10mm。
优选地，所述的正式焊接的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-(0.01-0.03)A，电子束流40-80mA，焊接速度500-700mm/min。
进一步地，所述步骤三中，随着所述对接接头的厚度由2mm增加至10mm，正式焊接的电子束流由40mA线性增加至80mA。
优选地，所述的修饰焊接的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.05-0.1)A，电子束流30-50mA，焊接速度500-700mm/min。
进一步地，所述步骤四中，随着所述对接接头的厚度由2mm增加至10mm，修饰焊接的电子束流由30mA线性增加至50mA。
优选地，所述步骤二中，定位焊的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.01-0.03)A，电子束流15-30mA，焊接速度1000mm/min；每段焊缝的长度为15-30mm。
优选地，所述步骤一中，所述待焊接工件预先经过焊前清理，所述焊前清理包括：将距离所述对接接头中心周围20-50mm范围内的氧化皮和油污清理干净，所述对接接头的对接面采用刮刀进行刮削，直至母材表面露出白两色金属本体，然后采用酒精将所述待焊接工件的表面擦拭干净。
优选地，所述步骤一中，在所述真空环境达到所须的真空度后，使用2～4mA的电子束流对焊缝轨迹进行示教，且示教过程中保持电子束束斑始终处于焊缝中间的位置。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)使用真空电子束焊接BTi6431S高温钛合金材料，焊接时能量集中，热输入小，热影响区小，焊接变形小，同时真空环境可有效防止焊缝的氧化与元素烧损。
(2)修饰焊接有利于熔池内部的部分气体释放出来，减少焊缝气孔率，修饰焊缝表面，提高焊缝质量。
(3)在真空环境中冷却，防止高温的钛合金工件在空气中氧化。
(4)BTi6431S高温钛合金焊缝接头表面连续、均匀，成形良好，焊缝内部无未熔合、未焊透和裂纹等缺陷，无可见夹杂物，气孔直径均小于1.5mm，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。焊缝截面呈现漏斗形状。BTi6431S高温钛合金接头平均抗拉强度不低于1225MPa，超过母材强度的90％以上，断后延伸率不低于10％。
附图说明
图1为在一个实施例中BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法的流程图；
图2为本发明所述的BTi6431S高温钛合金材料的对接接头的结构示意图；
图3为在实施例1中2mm厚的BTi6431S高温钛合金焊缝表面与截面形貌图；
图4为在实施例2中3mm厚的BTi6431S高温钛合金焊缝表面与截面形貌图；
图5为在实施例3中10mm厚的BTi6431S高温钛合金焊缝表面与截面形貌图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供了一种BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，如图1所示，包括：
步骤一、将待焊接工件的对接接头固定并将所述对接接头置于真空环境中，所述待焊接工件为由BTi6431S高温钛合金材料制成，所述对接接头的厚度为2-10mm。对接接头的结构示意图如图2所示。待焊接工件固定牢固，保证对接接头之间的间隙不大于0.1mm，阶差不大于10％母材壁厚。
步骤二、采用电子束对所述待焊接工件的对接接头进行定位焊；定位焊的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.01-0.03)A，电子束流15-30mA，焊接速度1000mm/min。
步骤三、采用电子束对所述对接接头进行正式焊接，正式焊接的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-(0.01-0.03)A，电子束流40-80mA，焊接速度500-700mm/min。
步骤四、采用电子束对所述对接接头进行修饰焊接，修饰焊接的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.05-0.1)A，电子束流30-50mA，焊接速度500-700mm/min。修饰焊接有利于熔池内部的部分气体释放出来，减少焊缝气孔率，修饰焊缝表面，提高焊缝质量。
步骤五、真空冷却，防止高温的钛合金工件在空气中氧化。真空冷却之后，进行焊后清理。即对焊缝表面进行打磨清理，确保焊缝与母材金属过渡光滑。
电子束焊接是指在真空环境中，利用汇聚的高速电子束流轰击焊件连接部位所产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。真空电子束焊接具有高能量密度、低热输入、高精度、焊接变形小，焊缝窄、焊缝深宽比大等优点，可以满足未来航空航天产品结构复杂多样的需求，特别适用于对焊接热输入要求较为严格的材料焊接。电子束焊接是在高真空下进行的，具有良好的真空条件，可以保护熔池，防止金属元素的氧化和烧损，而且对焊缝金属有脱气作用，特别适合钛合金等活性金属工件的焊接，防止出现合金氧化或氮化行为，焊缝纯净度高。
对于电子束焊接，一般是加速电压和工作距离是固定的，影响焊接熔深和内部质量的主要是焊接电流、聚焦电流(焦点位置)和焊接速度，因此本发明设计了更合适的焊接电流、聚焦电流(焦点位置)和焊接速度，以改善焊缝的质量。定位焊、正式焊接以及修饰焊接过程中，加速电压和电子束流一起决定电子束焊的功率，进而决定焊缝的熔深和熔宽；焊接速度影响焊缝的熔深、熔宽以及被焊材料的熔池行为，焊接速度越大，熔宽越窄，熔深减小。
BTi6431S高温钛合金材料的化学成分按重量百分比计为：Al-6.28％，Sn-3.21％，Zr-2.94％，Mo-1.26％，Nb-1.12％，W-0.47％，Si-0.10％，Ti余量。
本发明使用真空电子束焊接BTi6431S高温钛合金材料，焊接时能量集中，热输入小，热影响区小，焊接变形小，同时真空环境可有效防止焊缝的氧化与元素烧损。BTi6431S高温钛合金焊缝接头表面连续、均匀，成形良好，焊缝内部无未熔合、未焊透和裂纹等缺陷，无可见夹杂物，气孔直径均小于1.5mm，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。焊缝截面呈现漏斗形状。BTi6431S高温钛合金接头平均抗拉强度不低于1225MPa，超过母材强度的90％以上，断后延伸率不低于10％。
优选地，所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤一中，所述真空环境的真空度为2×10-2Pa～7×10-2Pa。真空度达到7×10-2Pa可以保证真空室内氧含量较低，对焊缝起到良好的保护作用。但是，真空度一般不低于2×10-2Pa，否则抽真空时间过长，影响焊接效率。
优选地，所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤三中，随着所述对接接头的厚度由2mm增加至10mm，正式焊接的电子束流由40mA线性增加至80mA。随着对接接头的厚度增加，正式焊接的电子束流也有规律地提升，以保证熔深和焊接质量。本发明适用范围广，可以满足对2-10mm厚的对接接头的焊接。
优选地，所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤四中，随着所述对接接头的厚度由2mm增加至10mm，修饰焊接的电子束流由30mA线性增加至50mA。
随着对接接头的厚度增加，修饰焊的电子束流也有规律地提升，以增加熔深。正式焊接完成后，焊缝表面不是很美观，修饰焊接时，用比正式焊接电子束流小一些的电流对焊缝表面进行部分重熔，可以消除部分内部气孔，也可以保证焊道表面光滑美观。修饰焊接的熔深要低于正式焊接。
优选地，所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤二中，沿着所述待焊接工件的对接接头均匀进行定位焊，每段焊缝的长度为15-30mm。
优选地，所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤一中，所述待焊接工件预先经过焊前清理，所述焊前清理包括：将距离所述对接接头中心周围20-50mm范围内的氧化皮和油污清理干净，所述对接接头的对接面采用刮刀进行刮削，直至母材表面露出白两色金属本体，然后采用酒精将所述待焊接工件的表面擦拭干净。
对待焊接工件的表面进行清理，避免焊缝产生缺陷。另外，不清洁的表面会延伸抽真空的时间，影响电子枪工作的稳定性，降低真空泵的使用寿命。
优选地，所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤一中，在所述真空环境达到所须的真空度后，使用2-4mA的电子束流对焊缝轨迹进行示教，且示教过程中保持电子束束斑始终处于焊缝中间的位置。
当真空度满足要求后，调用NC程序，使用较小的电子束流对焊缝轨迹进行示教。
示教过程以及后续的定位焊、正式焊接、修饰焊接过程中，电子束始终位于待焊接工件1的对接接头2的正上方，且电子束4束斑始终处于所形成的焊缝3中间的位置。
实施例1
2mm厚BTi6431S高温钛合金平板对接焊。如附图2所示，接头结构形式为对接形式。具体焊接过程如图1所示。
1)焊前清理，对BTi6431S高温钛合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；
2)装配，将钛合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度；
3)将装配好的BTi6431S合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在2×10- 2Pa；
4)当真空度满足要求后，调用NC程序，使用较小的电子束流(2～4mA)对焊缝轨迹进行示教。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；
5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度25mm，工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.02A，电子束流15mA，焊接速度1000mm/min；
6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.02A，电子束流40mA，焊接速度600mm/min；
7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.06A，电子束流30mA，焊接速度600mm/min；
8)真空冷却。焊后清理。
如附图3所示，利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面平整美观，无氧化、裂纹等缺陷。焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，内部气孔直径均小于1.5mm，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到1230MPa，超过BTi6431S合金母材强度的90％以上，断后延伸率为11.3％。
实施例2
3mm厚BTi6431S合金平板对接焊。如附图2所示，接头结构形式为对接形式。
1)焊前清理，对BTi6431S高温钛合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；
2)装配，将钛合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度；
3)将装配好的BTi6431S合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在2×10- 2Pa；
4)当真空度满足要求后，调用NC程序，使用较小的电子束流(2～4mA)对焊缝轨迹进行示教。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；
5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度25mm，工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.02A，电子束流20mA，焊接速度1000mm/min；
6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.02A，电子束流45mA，焊接速度700mm/min。
7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.08A，电子束流33mA，焊接速度700mm/min；
8)真空冷却。焊后清理。
如附图4所示，利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面光滑，与基体过渡圆滑，无氧化、裂纹等缺陷。焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，内部气孔直径均小于1.5mm，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到1225MPa，超过BTi6431S合金母材强度的90％以上，断后延伸率为10.5％。
实施例3
10mm厚BTi6431S高温钛合金平板对接焊。如附图2所示，接头结构形式为对接形式。
1)焊前清理，对BTi6431S高温钛合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；
2)装配，将钛合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度；
3)将装配好的BTi6431S合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在2×10- 2Pa；
4)当真空度满足要求后，调用NC程序，使用较小的电子束流(2～4mA)对焊缝轨迹进行示教。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；
5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度25mm，工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.02A，电子束流30mA，焊接速度1000mm/min；
6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.03A，电子束流80mA，焊接速度650mm/min；
7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.1A，电子束流50mA，焊接速度650mm/min；
8)真空冷却。焊后清理。
如图5所示，利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面光滑，与基体过渡圆滑，无氧化、裂纹等缺陷。焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，内部气孔直径均小于1.5mm，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到1233MPa，超过BTi6431S合金母材强度的90％以上，断后延伸率为10.2％。
实施例4
10mm厚BTi6431S高温钛合金平板对接焊。如附图2所示，接头结构形式为对接形式。
1)焊前清理，对BTi6431S高温钛合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；
2)装配，将钛合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度；
3)将装配好的BTi6431S合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在2×10- 2Pa；
4)当真空度满足要求后，调用NC程序，使用较小的电子束流(2～4mA)对焊缝轨迹进行示教。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；
5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度15mm，工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.01A，电子束流30mA，焊接速度1000mm/min；
6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.01A，电子束流80mA，焊接速度500mm/min；
7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.05A，电子束流50mA，焊接速度500mm/min；
8)真空冷却。焊后清理。
利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面光滑，与基体过渡圆滑，无氧化、裂纹等缺陷。焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，内部气孔直径均小于1.5mm，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到1238MPa，超过BTi6431S合金母材强度的90％以上，断后延伸率为10％。
实施例5
10mm厚BTi6431S合金平板对接焊。如附图2所示，接头结构形式为对接形式。
1)焊前清理，对BTi6431S高温钛合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；
2)装配，将钛合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度；
3)将装配好的BTi6431S合金板放入真空室中并抽真空，真空室的真空度在7×10- 2Pa；
4)当真空度满足要求后，调用NC程序，使用较小的电子束流(2～4mA)对焊缝轨迹进行示教。示教过程保证电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；
5)沿焊缝对工件进行均匀定位焊，工件定位焊的焊接参数：每段长度30mm，工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.03A，电子束流30mA，焊接速度1000mm/min；
6)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.03A，电子束流80mA，焊接速度650mm/min；
7)对焊缝进行修饰焊接，焊缝表面修饰焊接的焊接参数：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.1A，电子束流50mA，焊接速度650mm/min；
8)真空冷却。焊后清理。
利用上述焊接方法得到的平板对接焊缝表面光滑，与基体过渡圆滑，无氧化、裂纹等缺陷。焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，内部气孔直径均小于1.5mm，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到1228MPa，超过BTi6431S合金母材强度的90％以上，断后延伸率为12.0％。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，包括：
步骤一、将待焊接工件的对接接头固定并将所述对接接头置于真空环境中，所述待焊接工件为由BTi6431S高温钛合金材料制成；
步骤二、采用电子束对所述待焊接工件的对接接头进行定位焊；
步骤三、采用电子束对所述对接接头进行正式焊接；
步骤四、采用电子束对所述对接接头进行修饰焊接；
步骤五、在真空中将所述对接接头冷却。
2.如权利要求1所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤一中，所述真空环境的真空度为2×10-2Pa～7×10-2Pa。
3.如权利要求1所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述对接接头的厚度为2-10mm。
4.如权利要求1所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述的正式焊接的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-(0.01-0.03)A，电子束流40-80mA，焊接速度500-700mm/min。
5.如权利要求4所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤三中，随着所述对接接头的厚度由2mm增加至10mm，正式焊接的电子束流由40mA线性增加至80mA。
6.如权利要求1所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述的修饰焊接的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.05-0.1)A，电子束流30-50mA，焊接速度500-700mm/min。
7.如权利要求6所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤四中，随着所述对接接头的厚度由2mm增加至10mm，修饰焊接的电子束流由30mA线性增加至50mA。
8.如权利要求1所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤二中，定位焊的参数为：工作距离300mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.01-0.03)A，电子束流15-30mA，焊接速度1000mm/min；每段焊缝的长度为15-30mm。
9.如权利要求1所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤一中，所述待焊接工件预先经过焊前清理，所述焊前清理包括：将距离所述对接接头中心周围20-50mm范围内的氧化皮和油污清理干净，所述对接接头的对接面采用刮刀进行刮削，直至母材表面露出白两色金属本体，然后采用酒精将所述待焊接工件的表面擦拭干净。
10.如权利要求1所述的BTi6431S高温钛合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤一中，在所述真空环境达到所须的真空度后，使用2～4mA的电子束流对焊缝轨迹进行示教，且示教过程中保持电子束束斑始终处于焊缝中间的位置。
Priority Applications (1)
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