CN110653477A - 改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，步骤一、将铝锂合金板材加工成焊接试样，对试样进行清理；步骤二、将试样固定在电子束焊机的真空室中，进行第一道焊，采用对接接头型式，焊接过程中施加类圆形的电子束扫描波形；步骤三、然后采用散焦电子束对步骤二完成的铝锂合金电子束焊缝表面进行修饰焊。本发明具有工艺过程简单、接头焊缝成形良好、接头质量高等优点。

Description

改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种铝锂合金的焊接加工工艺，主要涉及一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺。
背景技术
铝锂合金作为一种新型的轻质高强结构材料，具有密度低、比强度高和比模量高、耐蚀性和低温性能好、以及具有超塑性成形性等优异的综合性能。因此该类合金在航空航天、轨道交通、兵器和核工业等许多领域中具有广泛的应用前景。在实际生产中，铝锂合金经常作为焊接结构使用。由于铝锂合金具有特殊的化学成分及微观组织结构特点，使得其在熔化焊接过程中存在易产生焊缝气孔、焊接热裂纹倾向大、接头焊缝区易发生软化等问题。而且由于Li元素的化学活性强，使得其在熔化焊接时产生焊缝气孔的倾向比常规的铝合金要大。
在铝锂合金的熔化焊接过程中，降低焊缝热裂纹倾向和尽量减轻铝锂合金焊缝中的气孔率等，以提高焊接接头的质量，一直是焊接工作者努力追求的目标。与其他的熔化焊接方法例如钨极氩弧焊相比，电子束焊接工艺具有能量高度集中、焊缝的深宽比大、焊接热影响区窄、接头变形小、电子束参数可精确控制、真空环境保护、易于实现焊接过程的自动化等特点，因此，较为适合用于铝锂合金的焊接。但是，采用现有常规的熔化焊工艺，焊接铝锂合金时存在焊缝形成不够理想、接头质量不高等问题。铝锂合金作为航空航天等领域理想的结构材料之一，经常用于制作焊接结构件。因此，分析研究如何改善铝锂合金焊缝成形，最大限度地减轻焊缝的气孔倾向，从而提高铝锂合金焊接接头的质量，具有重要的理论意义及工程应用价值。
发明内容
本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，以改进现有焊接技术上的不足。
为实现上述目的，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，步骤一、将铝锂合金板材加工成焊接试样，对试样进行清理；步骤二、将试样固定在电子束焊机的真空室中，进行第一道焊，采用对接接头型式，焊接过程中施加类圆形的电子束扫描波形；步骤三、然后采用散焦电子束对步骤二完成的铝锂合金电子束焊缝表面进行修饰焊。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，铝锂合金板材为Al-Cu-Li系合金板，其主要化学成分及各成分的质量百分比为：Cu，4.0％-4.5％；Li，0.85％-1.05％；Mg，0.35％-0.50％；Ag，0.35％-0.45％；Zr，0.10％-0.20％；Ti，0.05％-0.10％；其余为Al。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，采用对接接头型式，沿试样的长度方向进行真空电子束对接焊，焊接方向与母材的轧制方向一致。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，焊接时电子束焊机真空室的真空度为4×10-4Pa，加速电压50kV，工作距离300mm。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，第一道焊的焊接过程中，施加的类圆形的电子束扫描波形，扫描频率为500Hz，扫描幅度为2％。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，第一道焊的焊接过程中，电子束流为12.0mA，聚焦电流为305.0mA，焊接速度为450mm/min。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，修饰焊时的电子束流为8.5mA，聚焦电流为282.0mA，焊接速度为280mm/min。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，对试样进行化学清理和机械清理。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，对试样进行清理的具体方法为：首先用浓度为10％的NaOH溶液碱洗2-3分钟，清水冲洗，然后用浓度为15％的HNO3溶液酸洗3-5分钟，待试样表面光亮后取出，用清水冲洗；采用机械方法打磨待焊区，用丙酮擦拭干净，干燥待焊。
进一步，本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，铝锂合金板材的厚度为3.5mm；采用电火花线切割方法将铝锂合金板材加工成焊接试样，焊接试样的尺寸为200mm×150mm×3.5mm。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，首先，采用电子束焊接工艺，有利于减少焊接热输入，电子束焊接时的真空环境有利于获得纯净度高的焊缝。其次，在焊接过程中，施加一定幅度和频率的类圆形电子束扫描，可增强对熔池金属的搅拌作用，有利于改善熔池金属的流动性和焊缝的结晶形态，促进熔池金属中的气体逸出，可大大减轻焊缝的气孔倾向，同时改善焊缝表面成形，促进焊缝中合金元素均匀分布。此外，在第一道焊(主焊)接完成后，再进行散焦电子束修饰焊，可进一步改善焊缝表面成形，细化晶粒，从而使焊接接头的力学性能得到提高，改善了焊接接头的质量，以确保铝锂合金焊接构件能在航空航天等领域中安全服役。本发明的电子束焊接工艺过程简单，不需要再附加其他的工艺装备，对操作人员的技术水平要求不高，有利于本技术的推广使用。
附图说明
图1是各实施例获得的铝锂合金接头的宏观形貌照片；
图2是各实施例获得的铝锂合金接头过渡区的微观组织照片；
图3是各实施例获得的铝锂合金接头缝金属区的微观组织照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺：
步骤一、将铝锂合金板材加工成焊接试样，对试样进行清理。
具体的，针对厚度为3.5mm的Al-Cu-Li系铝锂合金板材，采用电火花线切割方法加工成尺寸规格为200mm×150mm×3.5mm的焊接试样。分别采用化学清理和机械清理方法对焊接试样进行严格清理，以清除试样表面的氧化膜和污染物。具体的清理步骤如为：首先用浓度为10％的NaOH溶液碱洗2-3分钟，清水冲洗，然后用浓度为15％的HNO3溶液酸洗3-5分钟，待试样表面光亮后取出，用清水冲洗；采用机械方法打磨待焊区，用丙酮擦拭干净，干燥待焊。
其中，Al-Cu-Li系铝锂合金板的主要化学成分及各成分的质量百分比为：Cu，4.05％；Li，0.96％；Mg，0.38％；Ag，0.31％；Zr，0.13％；Ti，0.06％；其余为Al。
步骤二、将试样装夹固定在电子束焊机的真空室中，进行第一道焊，采用不添加填充焊丝的对接接头型式，按照预设的电子束焊接参数沿试样的长度方向进行真空电子束对接焊，焊接方向与母材的轧制方向一致。
其中，焊接时电子束焊机真空室的真空度为4×10-4Pa，加速电压50kV，工作距离300mm。在第一道焊的焊接过程中，电子束流为12.0mA，聚焦电流为305.0mA，焊接速度为450mm/min。
步骤三、然后采用散焦电子束对步骤二完成的铝锂合金电子束焊缝表面进行修饰焊。
其中，修饰焊时的电子束流为8.5mA，聚焦电流为282.0mA，焊接速度为280mm/min。
焊完后取出焊件，观察接头焊缝的表面成形，并对焊接接头的微观组织及力学性能进行分析测试。
实施例2-6与实施例1的工艺过程基本相同，区别在于：在步骤二的第一道焊时，实施例1在焊接过程中未施加电子束扫描；实施例2在焊接过程中施加一定幅度和频率的直线形的电子束扫描波形；实施例3-6在焊接过程中施加一定幅度和频率的类圆形的电子束扫描波形。其中，类圆形是指非圆形的、闭合且圆滑的环形曲线。实施例1-6的具体电子束焊接工艺参数如表1所示。
表1各实施例铝锂合金的电子束焊接工艺参数
Figure BDA0002220690450000061
Figure BDA0002220690450000071
各实施例接头焊缝的表面成形如图1所示，图1中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别依次为实施例1、2、3、4、5和6的铝锂合金接头的宏观形貌照片。从图1中可以看出，实施例1接头试样由于焊接时未添加电子束扫描，焊缝表面成形相对较差，局部区域存在焊缝成形不良现象。实施例2接头试样在焊接时添加了直线扫描，其焊缝成形也不是很理想，焊缝鱼鳞纹不够清晰、连续。实施例3接头试样在焊接时添加了类圆形扫描，焊波均匀，焊缝成形良好。实施例4和实施例5接头试样在焊接时都添加了类圆形扫描，但与实施例3接头试样相比，实施例4试样焊接时的扫描频率降低为400Hz，实施例5试样焊接时的扫描幅度降低为1％，对熔池金属的搅拌作用有所减弱，导致接头的焊缝成形与实施例3接头试样相比都略变差。实施例6接头试样焊接时添加了类圆形扫描，但与实施例3接头试样相比，扫描频率和扫描幅度同时有所降低，对熔池金属的搅拌作用进一步减弱，因此对接头焊缝的表面成形影响较大，焊缝局部区域出现了轻微下凹现象。通过分析比较可知，采用实施例3接头试样的类圆形扫描频率和扫描幅度进行电子束焊接，可获得焊缝表面成形良好的铝锂合金接头，未见有微裂纹和气孔等焊接缺陷。
各实施例接头过渡区的微观组织如图2所示，图2中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别依次为实施例1、2、3、4、5和6的铝锂合金接头过渡区的微观组织照片。从图2中可以看出，几种接头在熔合线附近都存在一个等轴细晶区(equiaxed grains zone，EQZ)，等轴细晶区的形成可有效降低焊缝对热裂纹的敏感性。细小等轴晶的形成与铝锂合金中存在的活性元素Li及含有大量的Al3Zr颗粒密切相关。在电子束焊接过程中，焊缝冷却速度快，接头过渡区在高温下的停留时间较短，熔合线附近的熔池金属中存在较多的未溶Al3Zr颗粒，Li元素依附在未溶的Al3Zr颗粒表面，可降低表面能，有利于形成更多的结晶核心，促进等轴细晶区的形成。靠近焊缝的接头热影响区(heat-affected zone，HAZ)的晶粒尺寸与母材晶粒相比略有粗化，这是由于电子束焊接过程中熔合线附近的母材受到焊接热循环作用使晶粒发生长大。
不同的电子束扫描波形对EQZ的形成及其分布具有较大影响。从图2(c)中可以看出，焊接时施加扫描频率500Hz、扫描幅度2％的类圆形电子束扫描，获得的实施例3接头过渡区组织晶粒大小及分布相对均匀，焊缝区与母材区之间结合良好，使接头具有较高的力学性能。实施例4接头与实施例5接头的过渡区，由于焊接时施加的类圆形波的扫描频率或扫描幅度与实施例3接头相比有所降低，对熔池金属的搅拌作用减弱，导致过渡区焊缝的结晶形态有所变化，微观组织分布的均匀性不如实施例3接头过渡区，分别如图2(d)、(e)中所示。如果焊接时施加的类圆形波扫描频率及扫描幅度同时降低，焊接时对熔池金属流动性的改善效果不明显，微观组织分布的均匀性进一步变差，如图2(f)中所示，在一定程度上影响焊缝金属与母材之间的结合性，导致焊接接头的力学性能有所降低。
各实施例接头焊缝金属区的微观组织如图3所示，图3中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别依次为实施例1、2、3、4、5和6的铝锂合金接头焊缝金属区的微观组织照片。从图3中可以看出，接头熔合区主要由等轴晶及等轴树枝晶的混合组织构成。进行电子束焊接时，靠近焊缝中心，温度梯度降低，熔池凝固速度增大，可提高该区域的成分过冷度。此外，铝锂合金中含有的Mg、Li等活性元素能够进一步提高成分过冷度，促进在焊缝中心形成等轴晶。几种接头试样的焊缝区晶界处均存在共晶组织。从图3中可以看出，不同的电子束扫描波形对铝锂合金接头焊缝金属区的显微组织具有较大影响。实施例3接头试样焊缝区为细小的等轴晶，晶界共晶组织呈不连续分布，同时在晶内还分布有许多弥散的共晶相。实施例6接头试样焊缝区中的组织晶粒大小及分布与实施例3接头试样的有所不同，导致实施例6接头的力学性能与实施例3接头试样的相比明显降低。实施例4接头和实施例5接头焊缝金属区的显微组织及其分布介于实施例3接头与实施例6接头之间，进一步说明采用不同扫描频率和扫描幅度的类圆形波进行电子束扫描焊接，在一定程度上影响铝锂合金接头焊缝区的显微组织，进而影响到焊接接头的力学性能。
对在各实施例获得的铝锂合金接头进行力学性能测试，拉伸试验结果见表2。
表2各实施例铝锂合金接头的拉伸试验结果
实施例 1 2 3 4 5 6
抗拉强度/MPa 248.6 301.5 362.9 323.4 345.8 264.7
断后伸长率/％ 1.81 2.42 2.63 2.17 2.45 2.24
从表2中数据可以看出，除了添加不同扫描波形(或未添加扫描)对焊接接头的力学性能具有较大影响外，在同为添加类圆形的电子束扫描焊接过程中，扫描频率对焊接接头力学性能的影响比扫描幅度的影响略大。
接头的宏观形貌观察、以及接头的微观组织与力学性能分析测试表明，实施例3的焊缝表面成形良好，未见有气孔和微裂纹等焊接缺陷，接头焊缝区组织晶粒细小，分布均匀，具有较高的拉伸强度。

Claims (10)

1.一种改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
步骤一、将铝锂合金板材加工成焊接试样，对试样进行清理；
步骤二、将所述试样固定在电子束焊机的真空室中，进行第一道焊，采用对接接头型式，焊接过程中施加类圆形的电子束扫描波形；
步骤三、然后采用散焦电子束对步骤二完成的铝锂合金电子束焊缝表面进行修饰焊。
2.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，所述铝锂合金板材为Al-Cu-Li系合金板，其主要化学成分及各成分的质量百分比为：Cu，4.0％-4.5％；Li，0.85％-1.05％；Mg，0.35％-0.50％；Ag，0.35％-0.45％；Zr，0.10％-0.20％；Ti，0.05％-0.10％；其余为Al。
3.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，步骤二中，采用对接接头型式，沿所述试样的长度方向进行真空电子束对接焊，焊接方向与母材的轧制方向一致。
4.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，焊接时电子束焊机真空室的真空度为4×10-4Pa，加速电压50kV，工作距离300mm。
5.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，步骤二中，第一道焊的焊接过程中，施加的类圆形的电子束扫描波形，扫描频率为500Hz，扫描幅度为2％。
6.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，步骤二中，第一道焊的焊接过程中，电子束流为12.0mA，聚焦电流为305.0mA，焊接速度为450mm/min。
7.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，步骤三中，修饰焊时的电子束流为8.5mA，聚焦电流为282.0mA，焊接速度为280mm/min。
8.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，步骤一中，对试样进行化学清理和机械清理。
9.根据权利要求8所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，对试样进行清理的具体方法为：首先用浓度为10％的NaOH溶液碱洗2-3分钟，清水冲洗，然后用浓度为15％的HNO3溶液酸洗3-5分钟，待试样表面光亮后取出，用清水冲洗；采用机械方法打磨待焊区，用丙酮擦拭干净，干燥待焊。
10.根据权利要求1所述的改善铝锂合金焊缝成形和提高接头质量的电子束焊接工艺，其特征在于：
其中，步骤一中，铝锂合金板材的厚度为3.5mm；
采用电火花线切割方法将铝锂合金板材加工成焊接试样，焊接试样的尺寸为200mm×150mm×3.5mm。
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