CN111761193A - 一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置，包括真空室、加热装置、移动平台、电子枪、夹持工装和待焊工件，待焊工件由两个大厚度工件组成，加热装置包括上下两个加热组件和三个侧壁隔热防护组件，在真空环境下实现工件高温预热，有效降低冷却速率，避免焊缝及热影响区中淬硬组织产生，利用高温预热及电子束焊接方法解决了高强钢、高强钛合金等产品焊缝裂纹倾向大，焊缝塑韧性差的难题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料焊接领域，具体涉及一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置。
背景技术
随着材料科学的发展，新型高强钛合金、高强钢在应用需求日益增加，然而由于材料强度提升，高强合金焊接时有较高的冷裂纹敏感性，同时焊接后急速冷却会造成内部大量马氏体生成，焊缝区域塑韧性严重下降，难以满足工程应用要求；经过试验研究，采用预热焊接方式能够有效改善接头性能，然而当预热温度高时，手工焊接实施难度显著增加，尤其当预热温度高于300℃后，高强钛合金表面会与空气中氢、氧发生反应，温度高于500℃后会与氮气发生反应，无法在大气环境下实施。
真空电子束焊接在真空条件下进行焊接，能够有效避免氧化问题，然而受真空加热环境限制，电子束焊机内部通常不能够进行加热，现有技术仅能通过散焦预热方式进行焊前预热，但电子束散焦预热仅对薄板（≤10mm）有效，且预热温度难以控制，存在显著温度梯度、温度均匀性较差的问题，实际工程应用中工件厚度将达到100mm以上，采用散焦预热已无法满足需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明通过设计一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置，在真空环境下实现高温预热，有效降低冷却速率，避免焊缝及热影响区中淬硬组织产生，利用高温预热及电子束焊接方法解决了高强钢、高强钛合金等产品焊缝裂纹倾向大，焊缝塑韧性差的难题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置，包括：真空室、加热装置、移动平台、电子枪、夹持工装和待焊工件，待焊工件由两个大厚度工件组成，加热装置包括上下两个加热组件和三个侧壁隔热防护组件，通过螺栓连接形成具有一面开口的箱体结构，所述加热装置固定在移动平台上，通过伺服电机控制移动平台沿导轨移动，待焊工件固定装配在夹持工装上，待焊工件上根据需要布置2~4个热电偶进行测温，加热时，通过移动平台沿导轨移动使待焊工件置于加热装置内部，夹持工装和加热装置组成密闭箱体结构，加热装置内部设置多层高温隔热屏，夹持工装上同样设置多层高温隔热屏，防止热量向真空室辐射，加热完成后，控制移动平台将待焊工件和加热装置分离，使用电子束焊机4进行焊接。
进一步地，所述加热装置的加热组件由高温加热器件组成，利用陶瓷柱或陶瓷片进行绝缘。
进一步地，所述移动平台通过滚轮移动设置在导轨上。
进一步地，所述大厚度工件的厚度为100mm以上。
有益效果：本发明针对高强合金（钢、钛等）大厚度工件设计开发了一种在真空条件下进行预热的电子束焊接装置，电子束焊机内设计一套加热装置，通过上下加热组件对工件进行双侧加热，且与夹持工装构成封闭箱体，内设高温隔热层，提高加热效率的同时对真空室形成有效防护，满足常规工件和试板工艺开发阶段的真空预热电子束焊接使用，有效防止预热温度较高时出现氧化现象，且预热温度在50-1000℃均匀可控，该技术能够有效保证高强合金焊接质量，不仅能够有效避免焊接裂纹倾向，消除焊接缺陷，同时能够优化焊接接头冷却速率，获得最佳的组织形态，保证接头的综合力学性能，满足工程使用的要求。
附图说明
图1为真空预热电子束焊接装置结构图；
图2为加热装置及待焊工件的剖视图。
附图标记：1、真空室，2、加热装置，2-1、上加热组件，2-2、下加热组件，2-3、隔热防护组件，3、移动平台，4、电子束焊机，5、电子枪，6、夹持工装，7、待焊工件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1-2所示，本发明提供了一种针对高强合金大厚度工件的真空预热电子束焊接装置，包括：真空室1、加热装置2、移动平台3、电子枪5、夹持工装6和待焊工件7，待焊工件7由两个大厚度工件组成，厚度为100mm以上。
其中，加热装置2包括上加热组件2-1、下加热组件2-2以及三个侧壁隔热防护组件2-3，它们通过螺栓连接形成具有一面开口的箱体结构，可根据待焊接工件尺寸进行调整，加热组件由高温加热器件组成，利用陶瓷柱或陶瓷片进行绝缘；加热装置2固定在移动平台3上，所述移动平台3通过滚轮移动设置在导轨上，在伺服电机的控制下，移动平台3能够沿导轨移动，从而带动加热装置2移动，待焊工件7固定装配在夹持工装6上，待焊工件7上根据需要布置2~4个热电偶进行测温，需要加热时，夹持工装6和工件保持不动，移动平台3沿导轨移动使待焊工件7置于加热装置2内部，夹持工装6和加热装置2组成密闭箱体结构，加热装置2内部设置多层高温隔热屏，夹持工装7上同样设置多层高温隔热屏，防止热量向真空室1辐射，加热完成后，控制移动平台3将待焊工件7和加热装置2分离，使用电子束焊机4进行焊接。
加热组件利用高温金属带加热，加热带周围为绝缘保温隔热层，起到良好的真空辐射隔热作用。
使用本发明的焊接装置对大厚度工件进行焊接的工艺步骤如下：
（1）首先将待焊工件表面进行清理，必要时采用机械抛光方式清理待焊表面，然后用丙酮或酒精溶剂清洗去除油污；
（2）按照焊接要求将待焊工件和夹持工装进行装配固定，待焊工件上根据需要布置2~4个热电偶进行测温，将待焊焊缝调整至电子枪可焊接位置；
（3）通过移动平台将待焊工件置于加热装置内部，形成密闭箱体结构，关闭真空室炉门，进行抽真空，待真空度至1×10-2Pa后开始进行加热，将待焊工件加热至所需温度T；
（4）关闭加热装置加热电源，通过移动平台将加热装置和待焊工件分离，然后将电子束焊机高压升至150KV，通过CCD观察系统进行焊缝位置确定，按照设定工艺参数开始实施焊接；
（5）当特殊工件需要焊后缓冷时，可再次移动加热装置，将焊接完成后的工件置于加热装置内部，并开始加热，按照所需温度曲线进行缓慢冷却，或按照工艺进行真空热处理；
（6）冷却至所需温度后，泄真空并取出焊接完成的工件，整个焊接工作完成。
步骤（4）中焊接工艺参数如下：焊接速度100~400mm/min，加速电压150kV，电子束束流200-300mA，工作距离400~800mm。
采用本发明焊接装置焊接的100mm厚高强钛合金试板，真空环境下预热至600℃，无氧化且不影响电子束焊接过程，该方法有效防止裂纹出现，接头焊接质量满足NB/T47013中射线、超声波探伤I级焊缝要求，低倍金相组织中未发现气孔、裂纹、夹杂等缺陷；更重要的是，利用真空高温预热电子束焊接方法获得的接头，焊缝韧性得到显著改善，冲击值获得了显著的提高。
本发明与现有技术相比，其显著的优势在于：1、提供一种真空预热电子束焊接装置，实现大厚度工件预热焊接，有效防止裂纹发生，降低焊缝淬硬倾向，获得综合性能更优的焊接接头；2、本发明在真空环境下预热，有效防止预热温度较高时出现氧化现象，且预热温度均匀可控；本发明设计制作的装置能够满足大部分零件的预热焊接，同时有助于新材料焊接工艺开发及调整。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置，其特征在于，包括：真空室、加热装置、移动平台、电子枪、夹持工装和待焊工件，待焊工件由两个大厚度工件组成，加热装置包括上下两个加热组件和三个侧壁隔热防护组件，通过螺栓连接形成具有一面开口的箱体结构，所述加热装置固定在移动平台上，通过伺服电机控制移动平台沿导轨移动，待焊工件固定装配在夹持工装上，待焊工件上根据需要布置2~4个热电偶进行测温，加热时，通过移动平台沿导轨移动使待焊工件置于加热装置内部，夹持工装和加热装置组成密闭箱体结构，加热装置内部设置多层高温隔热屏，夹持工装上同样设置多层高温隔热屏，防止热量向真空室辐射，加热完成后，控制移动平台将待焊工件和加热装置分离，使用电子束焊机进行焊接。
2.如权利要求1所述的一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置，其特征在于，所述加热装置的加热组件由高温加热器件组成，利用陶瓷柱或陶瓷片进行绝缘。
3.如权利要求1所述的一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置，其特征在于，所述移动平台通过滚轮移动设置在导轨上。
4.如权利要求1所述的一种大厚度工件真空预热电子束焊接装置，其特征在于，所述大厚度工件的厚度为100mm以上。
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