CN112518096A - 一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置和方法 - Google Patents

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陈素明
张颖云
高婷婷
刘永强
韩云
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    • B23K15/06—Electron-beam welding or cutting within a vacuum chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Abstract

本发明公开了一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置和方法，通过用散焦电子束预扫描焊件，使焊件热量通过导热垫板传递到焊接夹具；再使用热电偶测量焊接夹具的温度，当显示值达到焊件要求焊接的最低温度值时，可以开始焊接。该发明确保了在焊接过程中超高强度钢待焊接区域的温度处于要求范围内，避免出现裂纹、未焊透等焊接缺陷，简化了预热流程，省去了预热设备，提高了工作效率。

Description

一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置和方法
技术领域
本发明涉及航空零件焊接技术领域，特别是一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置和方法。
背景技术
超高强度钢30CrMnSiNi2A具有强度高、硬度高、承受静载高、弯曲和冲击载荷高的综合优越特性，主要用于制造飞机襟翼滑轨、起落架、发动机架和主力框梁等承受高载荷的结构件。为了保证生产效率、安全起落和正常飞行，使用包括真空电子束焊接技术在内的熔焊技术，连接各个组件。
虽然超高强度钢30CrMnSiNi2A材料具有极高承载力和其他诸多优点，但是碳当量超过0.7，焊接性非常差，焊缝非常容易出现冷、热裂纹和未焊透等缺陷，引起严重的事故。为了改善超高强度钢的焊接性，防止焊缝开裂，必须在焊前预热，并且温度超过250℃。在HB/Z5132－2014《超高强度钢熔焊工艺及质量控制》的“7.3焊前预热”节中，针对预热温度明确规定，“为了防止产生裂纹，30CrMnSiNi2A钢零件焊前必须进行预热。在整条焊缝和靠近焊缝两侧宽度不小于100mm的区域内预热温度均匀。未经最终热处理的30CrMnSiNi2A钢零件，预热温度为250℃～400℃。在整个焊接过程中，应保持焊缝及其附近区域的温度不低于250℃。”由于焊接过程自身可以产生热量，可以确保零件温度满足要求，仅需要解决零件预热温度高于250℃的问题。
使用传统的弧焊技术，尚且可以使用电炉预热、岩棉包裹和人工快速转运的方法，保证零件预热温度在250℃～400℃之间，由于采用多层焊，导致焊缝强度仅有母材的55％左右，接头韧性不高，人工生产效率低。为了提高主承力结构件接头的强度，大量采用真空电子束焊接技术制造主承力结构件，一次焊接完成，接头强度达到90％以上，其他性能也相应提高，生产周期仅有弧焊的30％。然而使用真空电子束焊接时，还需要焊前装夹、抽真空等过程，由于中间时间加长，即使采用高温预热，也无法保证零件预热温度高于250℃。预热温度过高，不可能完成零件的搬运和装夹；预热温度过低，中间环节过多，无法保证零件温度达到最低值。
因此，如何保证真空电子束焊接前零件预热温度始终在250℃～400℃之间，成为高效制造高强度主承力结构件的主要问题。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种用真空电子束焊接超高强度钢的装置和方法，通过用散焦电子束预扫描焊件，再使用热电偶测量焊接夹具的温度，保证零件始终处于要求的温度范围。
一种用真空电子束焊接超高强度钢的装置，包括焊接夹具、导热垫板、热电偶、热电偶支架，焊接夹具上设有与导热垫板配合的凹槽，导热垫板镶嵌在焊接夹具上表面凹槽内，多个热电偶支架固定在焊接夹具两侧，热电偶安装在热电偶支架上。使用不锈钢材料制造焊接夹具，焊件夹具上部中间加工台阶型凹槽，凹槽沿纵向轴中线对称。导热垫板为超高强度钢30CrMnSiNi2A材料，长度不小于焊件长度。
用该装置进行焊接的方法，包括如下步骤：
步骤1用散焦电子束预扫描焊件，束流强度200mA，焊接速度500mm/min，聚焦电流2.05A。使焊件热量通过导热垫板传递到焊接夹具；
步骤2使用热电偶测量焊接夹具的温度，显示的温度即为焊件温度；当热电偶显示值达到焊件要求焊接的最低温度值时，可以开始焊接，确保所有热电偶均达到最低温度值；
步骤3焊接。
本发明的有益效果在于：1)采用散焦电子束均匀地扫描待焊接区域，达到预热的作用，省去了焊前预热的设备、工序和夹具等。2)在焊接夹具上安装测温装置，实时检测零件的预热温度，保证零件始终处于要求的温度范围。3)使用无线传输方式，将温度信号从真空室内发射到真空室外，保证了室内真空度不受影响，无需设备改造。
以下结合实施例附图，对本申请作进一步详细描述：
附图说明
图1电子束扫描预热示意图；
图2热量流动和装置示意图；
图3导热垫板位置安装示意图；
图4焊接示意图；
图中编号说明：1焊接夹具、2导热垫板、3第一焊件、4第二焊件、5热电偶、6热电偶支架、7电子束发射枪、8聚焦电子束、9散焦电子束、10热量传递路径
具体实施方式
如图1为在真空室内采用真空电子束焊接方法焊接30CrMnSiNi2A超高强度钢的示意图。一种用真空电子束焊接超高强度钢的装置，包括焊接夹具1、导热垫板2、热电偶5、热电偶支架6，焊接夹具1上设有与导热垫板2配合的凹槽，导热垫板2镶嵌在焊接夹具1上表面凹槽内，多个热电偶支架6固定在焊接夹具1两侧，热电偶5安装在热电偶支架6上。使用不锈钢材料制造焊接夹具1，焊件夹具1上部中间加工台阶型凹槽，凹槽沿纵向轴中线对称。导热垫板2为超高强度钢30CrMnSiNi2A材料，长度不小于焊件长度。焊接夹具1和导热垫板2的上表面平齐。导热垫板2中间开有深度为5毫米的平底凹槽，平底凹槽宽度100mm。图1没有示出真空室内无线发射装置，也没有给出真空室外信号接受装置。
在焊接夹具1上安装第一焊件3和第二焊件4，保证焊缝位于导热垫板2平底凹槽的中间位置，使用压紧和顶紧装置保证第一焊件3和第二焊件4之间的间隙小于0.1mm，错边小于0.05mm。在焊接夹具1两侧分别制孔，并在孔内安装热电偶5和热电偶支架6，数量分别为两套和三套，如图1所示，安装位置为相互交错，并相距50mm。
热电偶5通过热电偶支架6插入到焊接夹具1中间下部，并与导热垫板2紧密接触，两侧热电偶的安装如图2和图3所示。电子束发射枪7发射散焦电子束9扫描第一焊件3和第二焊件4的上表面，束流强度200mA，焊接速度500mm/min，聚焦电流2.05A。产生热量并加热焊件，热量按照热量传递路径10的路线，从两侧传递到导热垫板2的下部，焊件热量通过导热垫板2传递到焊接夹具1，如图2所示。热电偶5测量导热垫板2两侧的温度，获得焊件的预热温度，如图3所示。为了保证焊缝两侧100mm全部达到要求温度，导热垫板2的凹槽宽度为100mm，保证焊缝到导热垫板2的最短距离为50mm，如图3所示。热量流动路线呈“几”字形，“几”字的两边长度均为50mm，之和为100mm，和预热宽度相同，如图2所示。
预热扫描焊接件的上表面时，热电偶5测量预热温度。温度达到最低要求时，电子束发射枪7发出聚焦电子束8开始组件焊接，完成零件焊接，如图4所示。焊接过程中产生的热量可以保证预热的最低温度，。

Claims (5)

1.一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置，其特征在于包括焊接夹具、导热垫板、热电偶、热电偶支架，焊接夹具上设有与导热垫板配合的凹槽，导热垫板镶嵌在焊接夹具上表面凹槽内，多个热电偶支架固定在焊接夹具两侧，热电偶安装在热电偶支架上。
2.根据权利要求1所述的一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置，其特征在于使用不锈钢材料制造焊接夹具，焊件夹具上部中间加工台阶型凹槽，凹槽沿纵向轴中线对称。
3.根据权利要求1所述的一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的装置，其特征在于导热垫板为超高强度钢30CrMnSiNi2A材料，长度不小于焊件长度。
4.一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1用散焦电子束预扫描焊件，使焊件热量通过导热垫板传递到焊接夹具；
步骤2使用热电偶测量焊接夹具的温度，显示的温度即为焊件温度；当热电偶显示值达到焊件要求焊接的最低温度值时，可以开始焊接，确保所有热电偶均达到最低温度值；
步骤3焊接。
5.根据权利要求4所述的一种用真空电子束预热后焊接超高强度钢预热温度的方法，其特征在于用散焦电子束预扫描焊件时束流强度200mA，焊接速度500mm/min，聚焦电流2.05A。
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