CN110142495A - 一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，它涉及焊接技术领域。本发明为解决现有钛铝合金电子束焊接存在固态裂纹缺陷，母材金属熔化量大，焊接接头室温塑性差的问题。焊接方法包括切割坡口：将待焊接钛铝合金板切割Y形坡口；装配：将中间层放置在Y形坡口处，通过焊接夹具在待焊接钛铝合金板的端面施加夹紧力；设置焊接参数：将装配好的工件放置在电子束焊机真空室内，然后开始抽真空，调节电子束焊接工艺参数；焊接：调节好焊接参数后，对待焊工件进行电子束焊接，焊接完成后，将工件在真空室内保温一段时间，随后取出工件。本发明用于钛铝合金的焊接。

Description

一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法。

背景技术

随着我国航空航天技术的飞速发展，轻量化在结构设计中占有愈发重要的地位。在某些恶劣的服役条件下，对材料的高温、耐热、抗腐蚀性能也提出了更为严苛的要求。钛铝合金具有良好的高温强度、抗氧化及抗蠕变性能，在750℃的高温条件下能够稳定工作，且密度只有传统的镍基高温合金的一半，被认为是一种最有望替代镍基高温合金的新型高温结构材料，受到航空航天和汽车工业领域的广泛关注。

报道显示，钛铝合金凭借其优良的高温性能目前已在涡轮叶片、涡轮增压器轮等部件中得到应用，已被多个国家列为重点发展的高温结构材料。作为一种先进的高温结构材料，钛铝合金的工程应用必然会涉及到其自身连接，或与异种材料的连接问题。目前，有关钛铝合金焊接的研究正有序开展，涉及钎焊、扩散焊、线性摩擦焊、激光焊和电子束焊等各种连接方法。现有研究结果表明钎焊及扩散焊和线性摩擦焊等固相连接技术是适合于钛铝合金连接的有效技术。但是这些连接技术的应用往往受到接头形式、焊接设备以及结构使用温度的限制。因此有必要对钛铝合金的熔化焊进行研究，在实现其有效连接的同时保证接头的高温使用性能。

钛铝合金的焊接性较差，其熔化焊接主要存在焊接固态裂纹及接头室温塑性不足的问题。由于电子束焊接快速加热和急速冷却的特点，导致焊接接头经历了完全非稳态的组织转变过程，这在焊缝区域尤为明显。对于脆性的钛铝合金而言，这种焊接热循环过程导致焊缝发生马氏体相变，最终生成生大量脆性的Ti₃Al金属间化合物，尽管这种马氏体组织强度较高，但其脆性极大，对焊接裂纹十分敏感。并且在快速冷却过程中Ti₃Al相发生严重的晶格畸变，产生较大的组织应力，极大的降低了接头室温塑性，提高了接头的裂纹敏感性。除此之外，由于钛铝合金自身塑性较差，导致焊接过程中焊缝及热影响区出现了较大的焊接残余应力，该应力无法通过塑性变形得到释放。随着温度的降低，残余应力在焊缝区不断积累并超出材料本身的屈服强度，使得接头在低温区间发生开裂。因此，如何消除焊接固态裂纹，提高接头室温塑性，成为了钛铝合金的电子束焊接亟待解决的问题。

发明内容

本发明为了解决现有钛铝合金电子束焊接存在固态裂纹缺陷，焊接接头室温塑性差的问题，进而提出一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法包括如下步骤：

步骤一：切割坡口：将待焊接钛铝合金板的焊接端面拼接在一起，在拼接处切割Y形坡口，中间层与Y形坡口的外形尺寸相同；

步骤二：装配：将中间层放置在Y形坡口处，通过焊接夹具在待焊接钛铝合金板的端面施加夹紧力；

步骤三：设置焊接参数：将装配好的工件放置在电子束焊机真空室内，然后开始抽真空，当真空度达到5×10^-2Pa时，调节电子束焊接工艺参数：加速电压为50kV～55kV，聚焦电流为2490mA，焊接束流为10mA～20mA，焊接速度为4mm/s～15mm/s；

步骤四：焊接：调节好焊接参数后，对待焊工件进行电子束焊接，焊接完成后，将工件在真空室内保温一段时间，随后取出工件。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

1、本发明适合焊接2～3mm厚的钛铝合金薄板，并且电子束焊接过程可对束斑尺寸进行精确控制，在一定范围内控制母材金属的熔化量，实现焊缝的精密焊接，获得无裂纹，高强度的钛铝合金电子束焊接接头。

2、本发明提出了一种解决钛铝合金电子束焊接固态裂纹的方法，结合钛铝合金薄板电子束焊接熔池形貌特点，通过添加Y形钛合金中间层能够最大程度的减少钛铝母材金属的熔化，减小母材稀释率，避免大量Ti-Al脆性金属间化合物的生成。

3、本发明采用Y形钛合金中间层对钛铝合金进行电子束焊接，利用钛合金焊接好，室温塑性及韧性好的特点，在焊接冷却过程中可以通过塑性变形缓解接头较高的焊接残余应力，并且焊缝金属塑性较好，裂纹敏感性较低，可极大改善钛铝合金电子束焊接性。

4、相比于添加合金箔片的钛铝合金电子束焊接，采用Y形钛合金中间层对焊缝塑性的改善效果更加明显，且母材金属的熔化量与添加金属箔片相比显著降低，可大幅减少焊缝中脆性金属间化合物的生成。

5、本发明焊接工艺流程简便，可操作性强，易于实现。与传统的焊前预热和焊后热处理焊接方法相比，本发明能够显著降低钛铝合金焊接时间，降低焊接成本。

附图说明

图1是本发明第一实施例中添加Y形中间层金属的钛铝合金电子束焊接装配示意图，其中箭头的方向表示夹紧力F的方向。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法包括如下步骤：

步骤一：切割坡口：将待焊接钛铝合金板2的焊接端面拼接在一起，在拼接处切割Y形坡口，中间层3与Y形坡口的外形尺寸相同；

步骤二：装配：将中间层3放置在Y形坡口处，通过焊接夹具在待焊接钛铝合金板2的端面施加夹紧力；

步骤三：设置焊接参数：将装配好的工件放置在电子束焊机真空室内，然后开始抽真空，当真空度达到5×10^-2Pa时，调节电子束1焊接工艺参数：加速电压为50kV～55kV，聚焦电流为2490mA，焊接束流为10mA～20mA，焊接速度为4mm/s～15mm/s；

步骤四：焊接：调节好焊接参数后，对待焊工件进行电子束1焊接，焊接完成后，将工件在真空室内保温一段时间，随后取出工件。

本发明的目的在于减少母材金属熔化量，克服钛铝合金电子束焊接固态裂纹缺陷，提高焊接接头室温塑性。通过预置Y形中间层金属，并选择合理的焊接工艺参数，获得高强度、无裂纹的电子束焊接接头。

现有的钛铝合金电子束焊接技术存在焊接效率低，工艺复杂及焊接接头室温塑性差的问题，因此本发明采用塑性较好的TC4钛合金作为中间层金属，改善接头塑性，提高焊接效率。

钛铝合金电子束焊接固态裂纹的形成主要归因于钛铝母材大量熔化导致了脆性Ti₃Al相的生成，使得接头裂纹敏感性显著提高。因此，本发明根据钛铝合金薄板焊接近似Y形的熔池形貌，将中间层金属设计成Y形，减少焊接过程中母材金属熔化量，避免脆性Ti₃Al相的生成。

本发明引入Y形钛合金中间层对钛铝合金进行电子束焊接，通过熔化中间层金属达到熔钎焊效果，避免脆性金属间化合物的生成，改善接头室温塑性，实现钛铝合金的高强无裂纹焊接。

本实施方式中，在完成切割Y形坡口后，切取中间层3，中间层3的金属材料的尺寸与Y形坡口的尺寸对应，然后对待焊接钛铝合金板2和中间层3进行焊前清理，去除其表面的油污及氧化膜。装配时，采用焊接夹具可在工件左右两侧端面施加垂直于焊接方向的夹紧力，同时对板材上表面进行约束，防止焊接翘曲变形，也可在工件前后两侧端面施加沿焊接方向的夹紧力，焊接夹具采用现有能实现对工件夹紧定位的普通夹具即可。焊接完成后，通常在真空室内保温6～10分钟后，然后取出工件。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中待焊接钛铝合金板2的厚度为2mm～3mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中待焊接钛铝合金板2的厚度为2mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中Y形坡口的下端根部间隙宽度为0.8mm～1.5mm，Y形坡口的深度为0.8mm～1.2mm，Y形坡口的上端坡口角度为40°～60°。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中Y形坡口的下端根部间隙宽度为1mm，Y形坡口的深度为0.8mm，Y形坡口的上端坡口角度为45°。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中装配之前，先用砂纸对待焊表面及Y形坡口进行打磨并用丙酮清洗。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二、三或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤一和步骤二中，中间层3的材料为TC4钛合金。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中待焊接钛铝合金板2设置在隔热垫板5上，焊接夹具与待焊接钛铝合金板2之间设置隔热板4。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二、三、五或七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中隔热垫板5和隔热板4的材料为云母片。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中隔热垫板5和隔热板4的厚度为0.5mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式九相同。

第一实施例

1、对两块厚度为2mm的带焊接钛铝合金板2开设Y形坡口，根部间隙宽度为1mm，深度为0.8mm，坡口角度为45°，切取Y形钛合金中间层3，其尺寸与坡口尺寸对应；

2、对待焊钛铝合金板2及Y形钛合金中间层3进行焊前清理，去除其表面的油污及氧化膜；

3、将处理好的中间层3预置于待焊钛铝合金板2的坡口之间，采用焊接夹具在板材左右两侧端面施加垂直于焊接方向的夹紧力，夹具与待焊板材间添加隔热板4，将板材放置在隔热垫板5上，同时对板材上表面进行约束，防止焊接翘曲变形；

4、将装配好的工件放置于电子束焊机真空室内，开始抽真空，当真空度达到5×10^-2Pa时，先采用小束流将中间层3点固至两侧母材待焊面，随后用加速电压为50kV～55kV，聚焦电流为2490mA，焊接束流为18mA的电子束1对钛铝合金进行焊接，焊接速度为7mm/s；

5、焊接完成后，在真空室内保温6～10分钟，随后取出工件。

第二实施例

1、对两块厚度为2.5mm的待焊钛铝合金板2开设Y形坡口，根部间隙宽度为1.6mm，深度为0.8mm，坡口角度为50°，切取Y形钛合金中间层3，其尺寸与坡口尺寸对应；

2、对待焊钛铝合金板2及Y形钛合金中间层3进行焊前清理，去除其表面的油污及氧化膜；

3、将处理好的中间层3预置于待焊钛铝合金板2的坡口之间，采用焊接夹具在板材前后两侧端面施加沿焊接方向的夹紧力，夹具与待焊板材间添加隔热板4；

4、将装配好的工件放置于电子束焊机真空室内，开始抽真空，当真空度达到5×10^-2Pa时，先采用小束流将中间层3点固至两侧母材待焊面，随后用加速电压为50kV～55kV，聚焦电流为2490mA，焊接束流为20mA的电子束对钛铝合金进行焊接，焊接速度为7mm/s；

5、焊接完成后，在真空室内保温6～10分钟，随后取出工件。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：切割坡口：将待焊接钛铝合金板(2)的焊接端面拼接在一起，在拼接处切割Y形坡口，中间层(3)与Y形坡口的外形尺寸相同；

步骤二：装配：将中间层(3)放置在Y形坡口处，通过焊接夹具在待焊接钛铝合金板(2)的端面施加夹紧力；

步骤三：设置焊接参数：将装配好的工件放置在电子束焊机真空室内，然后开始抽真空，当真空度达到5×10^-2Pa时，调节电子束(1)焊接工艺参数：加速电压为50kV～55kV，聚焦电流为2490mA，焊接束流为10mA～20mA，焊接速度为4mm/s～15mm/s；

步骤四：焊接：调节好焊接参数后，对待焊工件进行电子束(1)焊接，焊接完成后，将工件在真空室内保温一段时间，随后取出工件。

2.根据权利要求1所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤一中待焊接钛铝合金板(2)的厚度为2mm～3mm。

3.根据权利要求2所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤一中待焊接钛铝合金板(2)的厚度为2mm。

4.根据权利要求1、2或3所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤一中Y形坡口的下端根部间隙宽度为0.8mm～1.5mm，Y形坡口的深度为0.8mm～1.2mm，Y形坡口的上端坡口角度为40°～60°。

5.根据权利要求4所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤一中Y形坡口的下端根部间隙宽度为1mm，Y形坡口的深度为0.8mm，Y形坡口的上端坡口角度为45°。

6.根据权利要求1、2、3或5所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中装配之前，先用砂纸对待焊表面及Y形坡口进行打磨并用丙酮清洗。

7.根据权利要求6所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中，中间层(3)的材料为TC4钛合金。

8.根据权利要求1、2、3、5或7所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中待焊接钛铝合金板(2)设置在隔热垫板(5)上，焊接夹具与待焊接钛铝合金板(2)之间设置隔热板(4)。

9.根据权利要求8所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中隔热垫板(5)和隔热板(4)的材料为云母片。

10.根据权利要求9所述一种减小母材稀释率的钛铝合金电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中隔热垫板(5)和隔热板(4)的厚度为0.5mm。