CN110142496A - 一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法 - Google Patents

一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，它涉及焊接技术领域。本发明为解决现有TiAl/Ti3Al异种材料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TiAl金属板和Ti3Al金属板切割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TiAl/Ti3Al异种材料的连接。

Description

一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法。
背景技术
高温合金是当今航空航天、国防等高科技领域的关键结构材料，其发展水平是衡量一个国家国防力量强弱的重要标志，因此高温合金的研究受到世界先进国家的普遍重视。以TiAl、Ti3Al为代表的Ti-Al基高温合金具有密度低、比强度、比模量高的特点，并且具有优良的高温力学性能和抗氧化性能，因此被认为是十分具有前景的新型高温结构材料。
TiAl合金是为提高航空发动机推重比而开发的一类新型高温结构材料，近年来，TiAl合金的制备工艺的日益成熟，已在航空航天领域得到应用，如航空发动机涡轮叶片、涡轮增压器轮等。与TiAl合金不同，Ti3Al合金目前已经进入成熟应用阶段。根据资料报道，Ti3Al合金已经成功在喷气涡轮发动机的尾喷燃烧器、发动机主排气装置的密封件等零部件得到应用。作为先进的高温结构材料，TiAl合金和Ti3Al合金的工程应用必然会涉及到材料的连接问题。
目前，TiAl合金与Ti3Al合金的连接技术主要包括氩弧焊、电子束焊、激光焊等熔焊方法和钎焊、扩散焊等非熔化焊接方法。TiAl合金虽然高温性能突出，但其脆性大、室温塑性差，焊接时极易发生开裂。钎焊、扩散焊等非熔化焊接通常是整体加热冷却，因而焊接接头残余应力小，裂纹敏感性相对较低。而熔化焊为局部加热，且接头冷却速度快，易导致焊缝脆性金属间化合物的生成和接头焊接残余应力的集中，引发接头开裂。与TiAl合金类似，Ti3Al合金同样存在室温塑性差的问题，焊接时易在焊缝中生成大量脆性金属间化合物引发接头开裂。
关于TiAl/Ti3Al异种材料的连接，科研工作者已经进行了相关研究。目前，钎焊和扩散焊被证明是适合于TiAl/Ti3Al异种材料比较有效的焊接方法。但是，由于受到工件尺寸和接头形式的限制，这两种焊接方法在某些场合并不适用。电子束焊接由于具有能量密度高，焊接精确可控等特点，因而非常适合于这两种金属的焊接。
发明内容
本发明为了解决现有TiAl/Ti3Al异种材料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，进而提出一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法包括如下步骤：
步骤一：切割坡口：将待焊接TiAl金属板和Ti3Al金属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TiAl金属板和Ti3Al金属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TiAl、Ti3Al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TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接接头。
2、本发明提出了一种解决TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接固态裂纹的方法，结合TiAl/Ti3Al异种材料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母材金属的熔化，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TiAl合金进行电子束焊接，利用钛合金焊接性好，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TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接性。
4、相比于添加合金箔片的TiAl金属间化合物电子束焊接，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TiAl/Ti3Al异种材料焊接时间，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TiAl/Ti3Al异种材料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添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法包括如下步骤：
步骤一：切割坡口：将待焊接TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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TiAl/Ti3Al异种材料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。
目前，采用常规电子束焊接方法得到的TiAl/Ti3Al异种材料焊接接头室温塑性差，并且对焊接裂纹极为敏感，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，降低接头的裂纹敏感性。
TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接固态裂纹的形成主要归因于母材的大量熔化导致了焊缝中生成了较多的脆性相，使得接头裂纹敏感性显著提高。因此，本发明根据TiAl/Ti3Al异种材料薄板焊接近似Y形的熔池形貌，将中间层金属设计成Y形，降低焊接过程中母材金属熔化量，避免脆性相的生成。
本发明引入Y形钛合金中间层对TiAl/Ti3A异种材料进行电子束焊接，通过熔化中间层金属达到熔钎焊效果，既可避免脆性焊缝脆性相的生成，又可改善接头室温塑性，实现TiAl/Ti3Al异种材料的高强无裂纹焊接。
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TiAl金属板2、Ti3Al金属板4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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4设置在隔热垫板6上，焊接夹具与待焊接TiAl金属板2和Ti3Al金属板4之间设置隔热板5。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6和隔热板5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6和隔热板5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、对厚度为2mm的带焊接TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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5，将板材放置在隔热垫板6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TiAl/Ti3Al异种材料进行焊接，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、对厚度为2.5mm的待焊TiAl金属板2和Ti3Al金属板4开设Y形坡口，根部间隙宽度为1.2mm，深度为1.2mm，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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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TiAl金属板2和Ti3Al金属板4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5；
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TiAl/Ti3Al异种材料进行焊接，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)

1.一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，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TiAl金属板(2)和Ti3Al金属板(4)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TiAl金属板(2)和Ti3Al金属板(4)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所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤一中待焊接TiAl金属板(2)和Ti3Al金属板(4)的厚度为2mm～3mm。
3.根据权利要求2所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤一中待焊接TiAl金属板(2)和Ti3Al金属板(4)的厚度为2mm。
4.根据权利要求1、2或3所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，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所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，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所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，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所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，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所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中待焊接TiAl金属板(2)和Ti3Al金属板(4)设置在隔热垫板(6)上，焊接夹具与待焊接TiAl金属板(2)和Ti3Al金属板(4)之间设置隔热板(5)。
9.根据权利要求8所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中隔热垫板(6)和隔热板(5)的材料为云母片。
10.根据权利要求9所述一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤二中隔热垫板(6)和隔热板(5)的厚度为0.5mm。
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