CN112091399A - 一种Ti2AlNb材料电子束焊缝微裂纹控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属间化合物焊接领域，特别涉及一种金属间化合物Ti2AlNb材料的电子束焊缝微裂纹控制方法。针对Ti2A1Nb材料塑性低、脆性大、焊接性差、极易产生微裂纹等问题，本发明根据裂纹产生的性质和原因，结合电子束焊接工艺特点，确定了合理的焊接速度、电流等关键参数，并设计合理的电子束预热缓冷工艺和焊后阶梯热处理工艺，实现对电子束焊缝裂纹的控制。本发明可实现Ti2AlNb结构件可靠的电子束焊缝连接，降低了制造难度、成本和重量，提高零件的性能，焊缝的室温和高温性能达到母材的90％以上，质量可达到标准Ⅰ级焊缝要求，拓展了Ti2AlNb在航空航天领域的应用范围。

Description

一种Ti2AlNb材料电子束焊缝微裂纹控制方法
技术领域
本发明属于金属间化合物焊接领域，特别涉及一种金属间化合物Ti2AlNb材料的电子束焊缝微裂纹控制方法。
背景技术
Ti2AlNb材料作为一种金属间化合物，是替代镍基高温合金的选择之一，其优异的综合力学性能适应了未来航空发动机对高比强度、高刚度的轻质高温合金结构材料的迫切需求，对于降低发动机自重，提高发动机结构效率、推重比和高温服役性能具有重要意义，其目标是替代GH4169合金，可实现滅重35％左右，是新一代航空发动机上急需应用的一种新型高温轻质材料。
然而，Ti2A1Nb合金塑性低，脆性大，焊接性差，熔焊焊缝尤其是焊接厚度>3mm的焊缝极易产生微裂纹，如图1所示，导致焊缝失效和零件报废，焊接工艺特别是电子束焊工艺是该材料在航空航天领域推广应用的瓶颈问题。
发明内容
Ti2A1Nb材料电子束焊缝易产生微裂纹导致难以通过电子束焊实现结构件的制造，目前常规采用的机械连接方法，存在结构重量大，难以满足零件的使用需求。针对现有技术的不足，本发明提出了一种Ti2AlNb材料电子束焊缝微裂纹控制方法，解决了Ti2A1Nb材料通过常规熔合焊接方法会导致裂纹产生而无法焊接的问题，实现了Ti2A1Nb材料的焊接连接，为该材料零件电子束焊接工艺的应用提供了技术支持。
针对Ti2A1Nb材料塑性低、脆性大、焊接性差、极易产生微裂纹等问题，本发明根据裂纹产生的性质和原因，结合电子束焊接工艺特点，确定了合理的焊接速度、电流等关键参数，并设计合理的电子束预热缓冷工艺和焊后阶梯热处理工艺，实现对电子束焊缝裂纹的控制，具体方案如下：
在Ti2AlNb材料的正式电子束焊接之前加入焊缝预热步骤，所述焊缝预热步骤为：采用电子束散焦的方式对焊缝进行扫描预热，预热参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，焊接速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行3-5次。预热可以提高焊前温度，降低焊缝加热过程中的温度梯度和应力。
在正式电子束焊之后立即进行焊缝缓冷步骤，所述焊缝缓冷步骤为：采用电子束聚焦的方式对电子束焊缝进行扫描缓冷，缓冷参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，焊接速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行4-6次。通过扫描缓冷能够进行热补偿，降低焊缝冷却的温度梯度和应力。
预热和缓冷过程采用电子束散焦工艺，以电子束为热源有利于焊缝热过程中的温度梯度的精确控制，从而降低焊缝加热和冷却过程中的应力，达到控制微裂纹的目的。
在焊缝缓冷步骤之后加入焊后热处理步骤：焊后热处理采用真空阶梯热处理工艺，针对焊缝微裂纹是残余应力和晶界弱化综合作用产生，先通过低温去应力处理，以10-15℃/min的速度升温至400-600℃，保温1-2小时，降低电子束焊缝的残余应力；再进行时效强化处理，以10-15℃/min的速度升温至800-850℃，保温2-3小时，空冷至室温。Ti2AlNb材料的特性，导致焊缝热处理后易出现裂纹，本发明通过选择合理的阶梯热处理温度和时间，以及控制热处理过程中的升温速率，可以解决焊缝热处理后裂纹问题。
所述Ti2AlNb材料的完整电子束焊接工艺可以包括以下步骤：
S1：焊缝清理：
清理Ti2AlNb材料焊接表面和接合面，露出新鲜表面，采用白洁布蘸取酒精或丙酮清洗表面，保证无脏污、杂质或其他氧化物。
S2：焊接装配：
对需焊接的Ti2AlNb材料进行焊接装配，焊缝的最大配合间隙≤0.1mm，最大错位量≤0.5mm。
S3：焊缝预热：
采用电子束散焦的方式对焊缝进行扫描预热，预热参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，焊接速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行3-5次。
S4：电子束焊接：
按定位焊、熔透焊的顺序进行Ti2AlNb材料的电子束焊接：
所述定位焊的参数为：采用电子束表面聚焦，加速电压90kV-120kV，聚焦电流2100mA，焊接速度12-15mm/s，电子束电流3-5mA；所述熔透焊的参数为：采用电子束表面聚焦，加速电压90kV-120kV，聚焦电流2100mA，焊接速度12-15mm/s，电子束电流12-15mA，电子束扫描波形为圆波，幅值1mm，频率500Hz。
S5：焊缝缓冷：
完成电子束焊接后立即采用采用电子束散焦的方式对电子束焊缝进行扫描缓冷，缓冷参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，焊接速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行4-6次。
S6：焊缝检查：
目视检查电子束焊缝表面质量，荧光或着色检查焊缝表面缺陷，射线检查焊缝内部缺陷，确保焊缝质量符合焊接接头的设计要求。
S7：焊后热处理：
采用真空阶梯热处理工艺，以10-15℃/min的速度升温至400-600℃，保温1-2小时，之后以10-15℃/min的速度升温至800-850℃，保温2-3小时，空冷至室温。
本发明的有益效果：Ti2AlNb材料具有塑性差，焊接性差的问题，常规熔合焊接方法会导致裂纹产生，无法焊接，因此Ti2AlNb材料零件常规采用螺栓连接，结构复杂，重量大，整体机加成本高，实现难度大，难以全面发挥Ti2AlNb轻质高温材料的优势。本发明通过电子束焊缝裂纹的控制，可实现Ti2AlNb结构件可靠的电子束焊缝连接，降低了制造难度、成本和重量，提高零件的性能，焊缝的室温和高温性能达到母材的90％以上，质量可达到标准Ⅰ级焊缝要求，拓展了Ti2AlNb在航空航天领域的应用范围。
附图说明
图1示出了采用常规的电子束焊接工艺焊接Ti2AlNb零件时焊缝处的裂纹，从上至下依次为(a)纵向裂纹、(b)横向裂纹、(c)晶界裂纹。
图2示出了实施例1中经过焊后缓冷的热补偿和焊后直接冷却的焊缝在不同深度位置处的残余应力的对比。
图3示出了采用实施例1中工艺的电子束焊缝的形貌：(a)焊缝正面形貌，(b)焊缝背面形貌，(c)焊缝35倍放大之后的形貌，(d)焊缝5000倍放大之后的形貌。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，不做为对本发明中方法的限制。
实施例1
本实施例焊接的对象为两个Ti2AlNb材料的零件，焊接面为平面。焊接工艺步骤如下：
步骤一:焊缝清理
采用刮刀或钢丝轮清理Ti2AlNb焊接表面和接合面,露出新鲜表面，再用白洁布蘸取酒精或丙酮,清洗焊接接头,保证无脏污、杂质或其它氧化物,清理后焊缝应在120小时内完成焊接。
步骤二:焊接装配
对需焊接的Ti2AlNb零件进行焊接装配，保证焊缝的最大配合间隙≤0.1m,最大错位量≤0.5mn。
步骤三:焊缝预热
采用电子束散焦的方式,对电子束焊缝进行扫描预热,参数见表1,提高焊前温度,降低焊缝加热过程中的温度梯度和应力。
表1电子束预热参数
Figure BDA0002691377040000041
步骤四:电子束焊接
焊缝预热后,立即进行电子束焊接,采用电子束聚焦方式，按定位焊、熔透焊顺序,完成Ti2AlNb的电子束焊接,参数见表2。
表2电子束焊接参数
Figure BDA0002691377040000042
步骤五：焊缝缓冷
完成焊接后，立刻采用电子束散焦的方式，对电子束焊缝进行扫描缓冷，见表3，对焊缝给予热补偿，降低焊缝冷却的温度梯度和应力。图2示出了经过本实施例中焊后缓冷的热补偿的焊缝和未经过焊缝缓冷、焊后直接冷却的焊缝，在0mm、20mm、60mm、80mm的不同深度位置处的残余应力的对比，从图2中可以看出，经过本实施例的焊缝缓冷过程之后，在各个深度处焊缝的残余应力都有所降低。
表3电子束缓冷参数
Figure BDA0002691377040000043
步骤六：焊缝检查
目视检查电子束焊缝表面质量，荧光或着色检查焊缝表面缺陷，射线检查焊缝内部缺陷。
步骤七：焊后热处理
采用真空阶梯热处理工艺，针对焊缝微裂纹是残余应力和晶界弱化综合作用产生，先通过低温去应力处理，以10℃/min的速度升温至500℃，保温2小时，降低电子束焊缝的残余应力；再进行时效强化处理，以15℃/min的速度升温至850℃，保温2.5小时，空冷。
步骤八：焊缝检查
荧光或着色检查电子束焊缝表面缺陷，射线检查焊缝内部缺陷，并对焊缝进行金相分析，金相分析结果如图3所示，焊缝的正面和背面均未出现明显裂纹，35倍放大和5000倍放大的SEM照片中，也未发现焊缝微裂纹。焊缝质量达到标准Ⅰ级焊缝要求。

Claims (3)

1.一种Ti2AlNb材料电子束焊缝微裂纹控制方法，其特征在于，在Ti2AlNb材料的电子束焊接之前包括焊缝预热步骤，所述焊缝预热步骤为：采用电子束散焦的方式对焊缝进行扫描预热，预热参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，焊接速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行3-5次；
在电子束焊之后包括焊缝缓冷步骤，所述焊缝缓冷步骤为：采用电子束散焦的方式对电子束焊缝进行扫描缓冷，缓冷参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，焊接速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行4-6次。
2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb材料电子束焊缝微裂纹控制方法，其特征在于，在焊缝缓冷步骤之后还包括焊后热处理步骤：焊后热处理采用真空阶梯热处理工艺，以10-15℃/min的速度升温至400-600℃，保温1-2小时，之后以10-15℃/min的速度升温至800-850℃，保温2-3小时，空冷至室温。
3.根据权利要求1或2所述的Ti2AlNb材料电子束焊缝微裂纹控制方法，其特征在于，所述Ti2AlNb材料的电子束焊接工艺包括以下步骤：
S1：焊缝清理：
清理Ti2AlNb材料焊接表面，露出新鲜表面，采用酒精或丙酮清洗焊接表面；
S2：焊接装配：
对需焊接的Ti2AlNb材料进行焊接装配，焊缝的最大配合间隙≤0.1mm，最大错位量≤0.5mm；
S3：焊缝预热：
采用电子束散焦的方式对焊缝进行扫描预热，预热参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，扫描速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行3-5次；
S4：电子束焊接：
按定位焊、熔透焊的顺序进行Ti2AlNb零件的电子束焊接；
所述定位焊的参数为：采用表面聚焦，加速电压90kV-120kV，聚焦电流2100mA，焊接速度12-15mm/s，电子束电流3-5mA；所述熔透焊的参数为：采用表面聚焦，加速电压90kV-120kV，聚焦电流2100mA，焊接速度12-15mm/s，电子束电流12-15mA，电子束扫描波形为圆波，幅值1mm，频率500Hz；
S5：焊缝缓冷：
完成电子束焊接后立即采用采用电子束散焦的方式对电子束焊缝进行扫描缓冷，缓冷参数为加速电压90kV-120kV，聚焦电流600-800mA，扫描速度6-8mm/s，电子束电流3-5mA，进行4-6次；
S6：焊缝检查：
目视检查电子束焊缝表面质量，荧光或着色检查焊缝表面缺陷，射线检查焊缝内部缺陷，符合焊接接头设计要求；
S7：焊后热处理：
采用真空阶梯热处理工艺，以10-15℃/min的速度升温至400-600℃，保温1-2小时，之后以10-15℃/min的速度升温至800-850℃，保温2-3小时，空冷至室温。
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