CN111545890B

CN111545890B - 一种镁合金构件的真空电子束焊接方法

Info

Publication number: CN111545890B
Application number: CN202010254325.8A
Authority: CN
Inventors: 石磊; 马冰; 王雅仙; 王英; 赵健; 陆煜; 杜乐一
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-04-02
Also published as: CN111545890A

Abstract

本发明涉及一种镁合金构件的真空电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取焊接件；2)清洗焊接件：对镁合金毛坯及完全对接接头进行擦拭清洗，去除待焊表面的油膜、水膜及有机杂质；3)装配；4)采用真空电子束焊接；5)圆周焊缝。该真空电子束焊接方法给出焊接接头形式、焊接步骤、工艺参数及焊接缺陷控制，不仅消除了焊缝表面和次表面气孔，而且能够使焊缝内部气孔、根部气孔、收弧气孔、冷隔等焊接缺陷得到有效控制，另外，焊缝内部及收弧气孔弥散分布，单个气孔直径较小，焊缝内无裂纹、夹渣等其它焊接缺陷，且圆周焊缝的外观成形好、焊接质量一致性且焊接成品率高。

Description

一种镁合金构件的真空电子束焊接方法

技术领域

本发明涉及一种真空电子束焊接方法，具体涉及一种镁合金构件的真空电子束焊接方法。

背景技术

镁合金具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼减震性能及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及易于回收等一系列独特的优点，大量应用镁合金结构材料制造结构部件是实现结构轻量化的重要途径之一。

由于镁合金化学性质比较活泼，传统的熔焊技术很难实现焊缝的高质量焊接，尤其是在焊接具有较大熔深焊缝的镁合金时，焊缝缺陷更加突出，焊接性能难以提高，因此具有较大熔深焊缝的镁合金构件的焊接仍是限制镁合金大量应用的原因之一。

目前在真空状态下焊接的真空电子束焊接技术，可以克服焊接过程中的严重氧化现象，消除焊接接头中的氧化夹杂缺陷。另外，电子束焊接具有能量密度高、穿透力强、热量集中且输入少、焊接速度快等优良特性，所以形成的焊缝具有熔深大、焊缝宽度及热影响区窄、焊缝纯度和接头强度高、结构变形小等技术优势，非常适合于化学活性较大的镁合金材料的焊接。但是由于镁合金熔点、沸点较低，形成的蒸气压较高，化学性质活泼，电子束焊接速度较快，焊缝中的熔融金属凝固速度较快，焊缝中的蒸汽及其它气体无法迅速排出，导致在电子束焊接尤其是电子束深熔焊接过程中容易形成气孔缺陷。另外，由于电子束焊接的小孔成形特点，导致电子束焊缝尤其是根部焊缝宽度较窄，熔融金属无法填满焊缝，形成冷隔或气孔。在电子束焊接过程中特别是大厚度镁合金的电子束焊接过程中易于形成内部气孔、根部气孔、收弧气孔、次表面气孔以及表面凹坑等焊接气孔缺陷。

目前如中国发明专利《镁及镁合金的超声波辅助真空电子束焊接方法》，其申请号CN200910191124.1，公开号为CN101693323A公开了一种应用于镁及镁合金的超声波辅助真空电子束焊接方法，可以解决镁及镁合金尤其是铸造镁合金在真空电子束焊接过程中产生气孔、冷隔等空腔型缺陷的技术难题。该工艺在真空电子束焊接过程中施加一定频率和振幅的结构负载超声波能量，超声波频率为20～50kHz，振幅为5～40μm，对真空电子束焊接产生的熔池及其附近区域进行一定程度的连续振荡，可在焊接过程中对气孔、冷隔等空腔型缺陷进行有效消除，获得优质的焊接接头，但是需超声波进行辅助，而仅通过真空电子束焊接无法消除缺陷。

因此，需要对现有的真空电子束焊接方法作进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种具有较大熔深焊缝以提高焊接质量的镁合金构件的真空电子束焊接方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种镁合金构件的真空电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取焊接件：焊接接头采用完全对接接头，且采用圆环形镁合金毛坯；

2)清洗焊接件：对镁合金毛坯及完全对接接头进行擦拭清洗，去除待焊表面的油膜、水膜及有机杂质；

3)装配：清洗干净后对各个焊接部分进行装配及焊接；

4)采用真空电子束焊接，焊接条件如下：

加速电压的最佳工作电压为57～60kV，额定电压为60kV；焊接速度V₀为600mm/min～650mm/min；选用次表面聚焦，焊接时聚焦电流I₀为2.60A～2.65A；电子束流L0为110mA～115mA；真空度≤5×10^-4mbar；

5)圆周焊缝：电子枪不动，镁合金毛坯构件旋转，形成环形焊道。

为了在保证焊接时焊缝外观成形的更为均匀光滑且有利于焊接熔池中年气流的逸出，从而避免焊缝内部气孔缺陷的产生，则焊接速度V₀为600mm/min～650mm/min；在满足焊缝熔深的同时，适当减小聚焦电流，以适当增加焊缝熔宽，使电子束流在焊缝中能够发生充分搅拌作用，加速焊缝内气体的溢出，使熔融金属能够在焊缝中得到充分填充，从而减小焊缝内部气孔缺陷且使熔融金属能够在焊缝中得到充分填充，因此为减小焊缝内部气孔缺陷，采用次表面聚焦，即焊接时聚焦电流为2.60A～2.65A；而为了增加电子束穿透能力并减少气孔率易采用真空焊接，则真空度≤5×10^-4mbar。

如此，对于焊缝内部的气孔缺陷，通过适当加大电子束流或降低焊接速度的方法来增大焊接热输入，同时适当减小聚焦电流采用次表面下聚焦方式以适当增加焊缝熔宽，使电子束流在焊缝中能够发生充分搅拌作用，加速气体的溢出，使熔融金属能够在焊缝中得到充分填充，从而减小焊缝内部气孔缺陷。

为了消除焊接气孔的缺陷，在步骤5)中，所述环形焊道沿周向依次包括起弧段、焊接段及收弧段，所述起弧段的焊接速度由0增加至V₀，起弧段的电子束流逐渐增加至L₀，起弧段的聚焦电流保持为I₀；所述焊接段的焊接速度保持为V₀，焊接段的电子束流保持为L₀，焊接段的聚焦电流保持为I₀；所述收弧段的焊接速度和电子束流均连续衰减，所述收弧段的聚焦电流由I₀连续增加。

如此，在收弧段采用变聚焦，且聚焦电流逐渐增大，使电子束流在衰减的同时焦点位置能够由表面下聚焦持续变为表面聚焦，最后为表面上聚焦，以避免形成细长的“钉子形”焊缝，避免在收弧过程中形成根部钉尖气孔；另外，且在收弧段随着聚焦电流的增大，逐渐形成散焦焊接，可以增加焊缝熔宽，增大电子束流对液态熔池的作用范围，能够使气体充分溢出，使熔融金属填满焊缝，使气孔变得更加分散，尺寸更小。

优选地，所述起弧段为由0°至30°所对应的弧形段，所述焊接段为由30°至390°所对应的弧形段，且该焊接段的末段与起弧段相重叠，所述收弧段为由390°至θ所对应的弧形段，所述收弧段与焊接段的局部相重叠，其中，θ＞390°。如此，采用大角度的收弧，使得收弧气孔变的弥散，防止电子束流在衰减过程中形成的连续气孔带，也即出现链状收弧气孔。

优选地，所述角度θ＝445°～450°。

优选地，在步骤5)中，所述环形焊道的收弧段的聚焦电流由I₀连续增加至I₁，I₁＝3.30A～3.35A。如此，使得更有效地避免形成细长的“钉子形”焊缝，避免在收弧过程中形成根部钉尖气孔。

优选地，所述收弧段的电子束流由L₀逐渐连续衰减至0mA，所述收弧段的焊接速度由V₀逐渐连续衰减至0mm/min。

优选地，所述起弧段在0°～15°的弧形段上，所述焊接速度由0mm/min逐渐增加至V₀，所述起弧段在15°～30°的弧形段上，所述焊接速度保持为V₀。

优选地，所述起弧段的电子束流由0mA逐渐增加到L₀。

优选地，在步骤3)中，装配间隙＜0.1mm。

优选地，所述焊缝的熔深为55mm～60mm。如此获得了较大的熔深。

与现有技术相比，本发明的镁合金构件的真空电子束焊接方法不仅消除了焊缝表面和次表面气孔，而且能够使焊缝内部气孔、根部气孔、收弧气孔、冷隔等焊接缺陷得到有效控制，另外，焊缝内部及收弧气孔弥散分布，单个气孔直径较小，焊缝内无裂纹、夹渣等其它焊接缺陷；此外，由此方法所得的镁合金构件的圆周焊缝的外观成形好、焊接质量一致性且焊接成品率高。

附图说明

图1为镁合金圆周焊缝的电子束流随角度变化而变化的折线图；

图2为镁合金圆周焊缝的聚焦电流随角度变化而变化的折线图；

图3为镁合金圆周焊缝的焊接速度随角度变化而变化的折线图；

图4为常规电子束焊接方法制备出的镁合金焊缝的工业CT照片；

图5为本发明实施例一制备出的镁合金焊缝的工业CT照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

如图1至图3所示，本发明实施例的镁合金构件的真空电子束焊接方法包括以下步骤：

1)选取焊接件：焊接接头采用完全对接接头，且采用圆形镁合金毛坯；在本实施例中，对20件外径为130mm，内径为20mm的圆环形镁合金毛坯进行电子束焊接；

2)清洗焊接件：对镁合金毛坯及完全对接接头进行擦拭清洗，采用干净的白纱布蘸取丙酮对各部焊件进行擦拭清洗，去除待焊表面的油膜、水膜及有机杂质，清理后的表面也不准用手摸和再污染；

3)装配：清洗干净后对各个焊接部分进行装配及焊接，装配时采用专用工装卡具进行装配，装配间隙＜0.1mm，要求焊透；

4)采用60kV中压数控电子束焊机进行真空电子束焊接，焊接条件如下：

加速电压的最佳工作电压为57～60kV，额定电压为60kV；焊接速度V₀为600mm/min～650mm/min；选用次表面聚焦，焊接时聚焦电流I₀为2.60A～2.65A；电子束流L₀为110mA～115mA；真空度≤5×10^-4mbar；具体参见表1所示；

表1电子束焊接工艺参数

但是在本实施例中，焊接真空度4×10^-4mbar，焊接速度V₀采用630mm/min，电子束流L₀采用112.0mA，聚焦电流I₀采用2.63A。

5)圆周焊缝：电子枪不动，镁合金毛坯构件旋转，形成环形焊道，环形焊道即为圆周焊缝；该环形焊道沿周向依次包括起弧段、焊接段及收弧段，起弧段为由0°至30°所对应的弧形段，焊接段为由30°至390°所对应的弧形段，且该焊接段的末段与起弧段相重叠，收弧段为由390°至θ所对应的弧形段，收弧段与焊接段的局部相重叠，角度θ＝445°～450°，在本实施例中，角度θ＝450°，即本实施例中的镁合金构件沿周向旋转了1.25圈，如此，焊接段的末段与起弧段相重叠，收弧段与焊接段的局部相重叠。

如图3所示，起弧段在0°～15°的弧形段上，焊接速度由0mm/min逐渐增加至V₀，起弧段在15°～30°的弧形段上，焊接速度保持为V₀；焊接段的焊接速度保持为V₀；收弧段的焊接速度由V₀逐渐连续衰减至0mm/min。如图1所示，起弧段的起弧过程中，电子束流由0mA逐渐增加到L₀＝112mA；焊接段的电子束流保持为L₀，收弧段的电子束流由L₀逐渐连续衰减至0mA。如图2所示，起弧段和焊接段的聚焦电流保持为I₀，收弧段的聚焦电流由I₀连续增加至I₁，I₁＝3.30A～3.35A，本实施例中，I₁＝3.33A。

由上述真空电子束焊接方法所得到的镁合金构件的焊缝熔深为55mm～60mm，且焊缝表面和次表面无气孔，焊缝内部及收弧气孔弥散分布，单个气孔直径小于1.2mm，焊缝内无裂纹、夹渣等其它焊接缺陷，即在得到较大熔深的同时其焊接质量较好。

通过常规电子束焊接方法制备的熔深为55mm的焊缝，如图4所示，镁合金焊缝存在大量的根部钉尖气孔，且局部具有较大的内部气孔；如图5所示，本实施例的焊接方法制备的熔深为55mm的焊缝，其根部钉尖缺陷和内部气孔与图1相比得到了很好的控制，焊接质量较好。

实施例二：

本实施例与上述实施例一的区别仅在于：1)选用20件外径为140mm，内径为20mm的镁合金毛坯；2)焊接速度V₀采用600mm/min，电子束流L₀采用115.0mA，聚焦电流I₀采用2.65A，聚焦电流I₁＝3.35A。

实施例三：

本实施例与上述实施例一的区别仅在于：1)选用20件外径为140mm，内径为20mm的镁合金毛坯；2)焊接速度V₀采用650mm/min，电子束流L₀采用110.0mA，聚焦电流I₀采用2.60A，聚焦电流I₁＝3.30A。

Claims

1.一种镁合金构件的真空电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

3)装配：清洗干净后对各个焊接部分进行装配及焊接；

4)采用真空电子束焊接，焊接条件如下：

加速电压的最佳工作电压为57～60kV，额定电压为60kV；焊接速度V₀为600mm/min～650mm/min；选用次表面聚焦，焊接时聚焦电流I₀为2.60A～2.65A；电子束流L₀为110mA～115mA；真空度≤5×10^-4mbar；

5)圆周焊缝：电子枪不动，镁合金毛坯构件旋转，形成环形焊道，所述环形焊道沿周向依次包括起弧段、焊接段及收弧段，所述起弧段的焊接速度由0增加至V₀，起弧段的电子束流逐渐增加至L₀，起弧段的聚焦电流保持为I₀；所述焊接段的焊接速度保持为V₀，焊接段的电子束流保持为L₀，焊接段的聚焦电流保持为I₀；所述收弧段的焊接速度和电子束流均连续衰减，所述收弧段的聚焦电流由I₀连续增加，所述焊缝的熔深为55mm～60mm。

2.根据权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述起弧段为由0°至30°所对应的弧形段，所述焊接段为由30°至390°所对应的弧形段，且该焊接段的末段与起弧段相重叠，所述收弧段为由390°至θ所对应的弧形段，所述收弧段与焊接段的局部相重叠，其中，θ＞390°。

3.根据权利要求2所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述角度θ＝445°～450°。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：在步骤5)中，所述环形焊道的收弧段的聚焦电流由I₀连续增加至I₁，I₁＝3.30A～3.35A。

5.根据权利要求4所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述收弧段的电子束流由L₀逐渐连续衰减至0mA，所述收弧段的焊接速度由V₀逐渐连续衰减至0mm/min。

6.根据权利要求2所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述起弧段在0°～15°的弧形段上，所述焊接速度由0mm/min逐渐增加至V₀，所述起弧段在15°～30°的弧形段上，所述焊接速度保持为V₀。

7.根据权利要求6所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述起弧段的电子束流由0mA逐渐增加到L₀。

8.根据权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于：在步骤3)中，装配间隙＜0.1mm。