CN111761194A - 一种大厚度工件真空预热电子束焊接方法 - 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方法，通过移动平台移动加热装置，使待焊工件置于加热装置内部，夹持工装和加热装置形成密闭箱体结构，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，获得综合性能更优的焊接接头；有效防止预热温度较高时出现氧化现象，能够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，且预热温度在50‑1000℃均匀可控。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域，具体涉及一种大厚度工件真空预热电子束焊接方法。
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，因此，急需一种针对高强合金大厚度工件的真空条件下预热焊接工艺。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大厚度工件真空预热电子束焊接方法，在真空环境下通过加热装置进行预热，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。
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方法，待焊工件由两个大厚度工件组成，所述焊接方法包括如下步骤：
（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）加热装置固定在移动平台上，通过移动平台移动加热装置，使待焊工件置于加热装置内部，夹持工装和加热装置形成密闭箱体结构，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。
进一步地，所述步骤（4）中设定的工艺参数如下：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。
进一步地，加热装置由上下两个加热组件和三个侧壁隔热防护组件构成具有一面开口的箱体结构，箱体大小可根据待焊工件尺寸进行调节。
进一步地，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。
有益效果：1、本发明的一种大厚度工件真空预热电子束焊接方法，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，获得综合性能更优的焊接接头；2、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，能够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，且预热温度在50-1000℃均匀可控。
本发明提供的方法预热温度可控，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，同时有助于新材料焊接工艺开发及调整，该方法将为其他类型的零件焊接提供解决方法和参考。
附图说明
图1为本发明使用的真空预热电子束焊接装置结构图；
图2为预热装置和夹持工装等部件的剖视图。
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。
本发明提供了一种用于大厚度工件的真空预热电子束焊接方法，待焊工件为厚度不小于100mm的高强合金，本发明在真空条件下利用预热装置将待焊工件预热至高温状态（50-1000℃），然后再实施真空电子束焊接，避免高强合金（钛、钢等）焊后冷裂纹倾向，获得具有强、韧度匹配更佳，综合力学性能优良的焊接接头。
图1-2所示为本发明中所使用的真空预热焊接装置，包括：真空室1、预热装置2、移动平台3、电子束焊机4、电子枪5、夹持工装6和待焊工件7，其中预热装置2与移动平台3进行装配固定，移动平台3可以通过伺服电机控制沿导轨移动，待焊工件7固定在夹持工装6上；通过移动预热装置2将待焊工件7至于其中进行加热，且预热装置2与夹持工装6能够组成封闭的箱体结构，箱体内壁上设有多层高温隔热防护层。
具体地，预热装置2有上加热组件2-1、下加热组件2-2和侧壁隔热防护组件2-3构成一面开口的箱体结构，当待焊工件7置于预热装置2中时，夹持工装7将箱体的开口面封闭，构成封闭箱体结构，预热装置2内部设置多层高温隔热屏，夹持工装6上同样设置多层高温隔热屏，防止热量向真空室辐射。
本发明所述焊接方法的具体实现步骤如下：
（1）首先将待焊工件表面进行清理，待焊工件由两个大厚度工件组成，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固定工装进行装配固定，待焊工件上根据需要布置2~4个热电偶进行测温，必要时可在工件厚度方向中心布置用于测量工件心部温度的热电偶，将待焊焊缝调整至电子枪可焊接位置；
（3）加热装置为箱体结构，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；
（4）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；
（5）关闭加热装置加热电源，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，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；
（6）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；
（7）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。
采用本发明对高强合金大厚度焊接试件进行焊接：将待焊工件（100×500×500mm）表面进行表面机械处理，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污；待焊工件装配在夹持工装上进行固定，通过移动平台置于加热装置中形成箱体；对真空室抽真空至真空度≤1×10-2Pa后，利用预热装置对工件按照工艺规定的升温速率进行加热，加热至600℃后停止加热；调节聚焦电流和调整焦点位置，按工艺参数设定焊接程序，采用电子束平焊方式焊接，按照焊接程序完成工件的电子束焊接；焊接完成后，再次移动加热装置与工件形成箱体开始加热，继续按照既定工艺进行缓慢冷却，冷却至所需温度（100℃）后，泄真空并取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成。
利用X射线探伤仪和超声波检测对按上述步骤完成的真空预热电子束焊接焊缝进行检测，焊缝质量满足GJB 1718-2005 І级要求；对焊接试件进行取样测试，利用金相显微镜对接头组织进行分析，结果表明，经过本发明的预热焊接后，冲击韧性由常温焊接的8J提高至28J。
由此可见，本发明提供的焊接方法预热温度可控，解决了高强钢、高强钛合金等大厚度产品焊缝裂纹倾向大，焊缝塑韧性差的难题，获得的焊缝质量高、韧性得到大幅度提高。
Claims (4)
1.一种大厚度工件真空预热电子束焊接方法，待焊工件由两个大厚度工件组成，其特征在于，所述焊接方法包括如下步骤：
（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）加热装置固定在移动平台上，通过移动平台移动加热装置，使待焊工件置于加热装置内部，夹持工装和加热装置形成密闭箱体结构，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。
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方法，其特征在于，所述步骤（4）中设定的工艺参数如下：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。
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方法，其特征在于，加热装置由上下两个加热组件和三个侧壁隔热防护组件构成具有一面开口的箱体结构，箱体大小可根据待焊工件尺寸进行调节。
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方法，其特征在于，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。
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