CN112958898A - 一种辅助加热系统和电子束焊接热循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种辅助加热装置和电子束焊接热循环方法，包括：加热罩、控制装置和隔热层，加热罩用于套设在工件上方；隔热层固定在转台与工件之间，加热罩的顶部盖板可移动设置。本发明在电子束焊接设备内部设计一套辅助加热装置，在焊接前为焊接材料和工件提供较为稳定、均匀的预热温度场，既有利于实现平面、环形及复杂工件结构的加热要求，又能满足频繁、短暂的真空循环加热使用需求，可为后续降低焊接热输入提供前提条件；控制装置的设置，在预先加热的条件下，调整电子束焊接参数，实现电子束焊接的热循环调控，降低焊接的冷却速度、温度梯度，这既有利于改善焊缝表面成形，又利于降低焊接热应力和残余应力，降低裂纹产生的几率。

Description

一种辅助加热系统和电子束焊接热循环方法

技术领域

本发明涉及电子束加工技术领域，具体涉及一种辅助加热系统和电 子束焊接热循环方法。

背景技术

电子束焊接因具有焊缝纯净、深宽比大、能量精确可控等优点成为 航空航天技术领域常用的焊接方法之一。由于高强钛合金和超高强度钢 等材料本身淬硬倾向高、脆性大，熔焊工艺对其脆硬影响更大。对于难 熔易裂的材料，常规电子束焊接的主要问题和难点为：加热、冷却速度 较快，淬硬倾向大；在焊接区域附近，不同位置的焊接温度差异大，即温度梯度大，焊接热应力及焊后的残余应力高。

因此，在焊接过程中或焊后易产生焊接裂纹。虽然电子束焊接在难 熔材料方面具有较大优势，但其加热、冷却速度较快，焊接热循环及温 度场的调控较难，易产生较大焊接热应力和焊接残余应力，同样面临焊 接裂纹缺陷产生的问题。一般通过焊前的预热或焊后的缓冷等措施，来 调控焊接热循环实现难熔易裂材料的焊接，解决焊接裂纹问题。

在电子束焊机真空室内部真空环境进行预热，主要有两种方式。一 种方式采用同步或非同步的电子束进行局部预热，但预热深度较浅、均 温性较差，特别是对中等厚度及大厚度焊接结构。对于裂纹敏感性高的 材料，电子束局部预热对改善其淬硬效果有限。而另一种方式是在真空 室内部搭建电阻加热等辅助加热系统，但由于电子束焊接设备本身属于 精密焊接设备，运动系统等辅助结构对热敏感，在真空室内直接加热会 导致一些部件受热损坏。

发明内容

为了解决现有技术中存在难熔易裂材料在焊接预热过程中存在在真 空室内直接加热导致的一些部件受热损坏问题，本发明实施例提供一种 辅助加热系统和预热的电子束焊接热循环方法。在一次真空循环条件下 对难熔易裂材料进行辅助预热及电子束焊接，实现焊接热循环的调控， 降低焊接的冷却速度，提高焊接质量。其具体技术方案如下：

本发明实施例提供的一种辅助加热装置，包括：加热罩、控制装置 和隔热层，所述加热罩用于套设在所述工件上方；所述隔热层固定在转 台与工件之间，所述加热罩的顶部盖板可移动设置。

进一步的，所述加热罩包括加热元件、温度传感器和运动机构，所 述温度传感器放置于所述工件上、用于每隔预定时间段获取工件的温度 并返回至所述控制系统，由所述控制系统根据所述温度调节加热元件的 加热温度。

进一步的，所述加热罩包括不锈钢板隔热层和不锈钢框架；所述加 热元件采用带状镍铬带Cr20Ni80，外部用陶瓷件绝缘，布置在加热罩内 部，可单独拆卸。

进一步的，所述加热元件包括环形结构和线形结构，环形结构适用 于环形工件，线形结构适用于平板工件；加热元件的预热温度范围为 300～600℃。

进一步的，平板工件加热罩的顶部盖板可左右移动，环形工件采用 三组圆弧结构的加热元件；其中，所述加热元件还可以设置为柔性多段 式的加热带，与所述加热带匹配的隔热层相应设置为多段式，每段加热 带可根据焊缝的形状旋转一定角度。

进一步的，所述运动机构置于真空室内，用于移动加热罩的移动机 构，以及用于在预热完成后通过所述运动机构控制加热罩移动机构的机 关。

进一步的，所述温度传感器采用N型热电偶，2～4支用于测量预热过 程的近工件温度，2～4支用于测量焊接过程的近焊缝温度；热电偶伸长 量和距离工件的距离可调，预先加热的测温偶距离工件5～50mm；根据焊 接情况，用于测试焊接温度的热电偶设置在距离焊缝0.5～50mm范围内。

本发明的第二方面提供一种电子束焊接热循环控制系统，其特征在 于，包括：真空室，位于真空室内的上述所述的辅助加热装置，真空电 子束焊机；通过所述辅助加热装置对工件进行预热后，通过真空室内的 运动机构启动加热罩的移动机构的机关，加热罩顶部盖板移开，真空电 子束焊机的电子枪发射电子束对待加工工件进行焊接。

本发明的第三方面提供一种辅助加热系统和预热的电子束焊接热循 环方法，该方法应用于上述所述的电子束焊接热循环控制系统，其特征 在于，包括步骤：

焊接准备：将待加工工件焊接面用夹具固定、夹紧，安装到真空室 内并开启真空泵抽真空；

焊前预热：采用上述所述的辅助加热装置对所述待加工工件进行预 热；

电子束焊接：预热完成后进行焊接；

焊后缓冷：焊接完成之后，使用辅助加热系统进行缓冷，使工件温 度缓慢冷却至室温；

优化：通过近缝热电偶进行焊接热循环监测的结果，分析其与未预 热的区别，比较焊缝成形及性能，对预热参数及焊接参数进行优化。

进一步的，所述预热目标温度为300℃～550℃，预热时间为30min～ 150min；焊接参数中加速电压为90kV～150kV，聚焦电流为2260～2590mA， 根据焊接厚度调整焊接束流为3mA～50mA，焊接速度为2mm/s～10mm/s。

本发明实施例提供的一种辅助加热装置，该装置包括：加热罩、控 制装置和隔热层，所述加热罩用于套设在所述工件上方；所述隔热层固 定在转台与工件之间，所述加热罩的顶部盖板可移动设置。本发明针对 难熔易裂材料，在电子束焊接设备内部设计一套辅助加热装置，在焊接 前为焊接材料和工件提供较为稳定、均匀的预热温度场，既有利于实现 平面、环形及复杂工件结构的加热要求，又能满足频繁、短暂的真空循 环加热使用需求，可为后续降低焊接热输入提供前提条件；控制装置的 设置，在预先加热的条件下，调整电子束焊接参数，实现电子束焊接的 热循环调控，降低焊接的冷却速度、温度梯度，这既有利于改善焊缝表 面成形，又利于降低焊接热应力和残余应力，降低裂纹产生的几率，还 可改善接头的组织性能；根据工件材料的实际情况，在焊接后可通过加 热系统继续加热，进一步调控焊接热循环，控制焊接后的冷却速度和温 度梯度，降低焊接应力，改善焊接工件材料的组织性能。该方法对提高 生产效率有重要意义，适用于航空、航天等领域。

进一步的，采用本发明提供的方法完成的焊接结构件焊缝表面成形 良好，X射线探伤检查焊接质量满足HBⅠ级标准。主要创新及有益效果 如下：

(1)设计辅助加热系统装置，通过温度传感器及控制系统保证预热 温度的精确调控，实现了一次真空下预热电子束焊接工艺，解决难熔易 裂的材料的电子束焊接问题；

(2)采用辅助加热系统预热电子束焊接的技术方法，通过加热系统 精确调控焊接过程中的温度场，从而减小焊接应力和变形，抑制电子束 焊接接头裂纹等缺陷的产生，提高了电子束焊接质量。

附图说明

图1是本发明一种辅助加热装置的结构示意图。

图2是本发明一种辅助加热装置的加热罩设计示意图。

图3为本发明一种辅助加热装置的复杂焊缝定向预热示意图。

图4为本发明一种辅助加热装置的测温热电偶位置示意图。

图5为本发明一种电子束焊接热循环控制系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1是本发明一种辅助加热装置的结构示意图，包括。加热罩 3、控制装置6和隔热层4，所述加热罩3用于套设在所述工件5上方； 所述隔热层4固定在转台与工件5之间，所述加热罩3的顶部盖板可移 动设置。

上述加热罩3由加热元件7、温度传感器8和运动机构9等组成，加 热罩的框架是由0.5mm不锈钢板隔热层和不锈钢框架组成，加热元件7 采用带状镍铬带Cr20Ni80，用陶瓷件绝缘；布置在加热罩内部，加热均 匀、热损失小；可单独拆卸，损坏时更换方便，在200～300℃加热放气 不至于损坏，同时外部陶瓷可以提高加热带的绝缘性能；加热元件7的 常用形状分为分为环形结构和线形结构两种，分别适用于环形工件和平 板工件，参见2所示，图2为本发明一种辅助加热装置的加热罩设计示 意图。加热元件7的预热温度范围为300～600℃，能满足频繁、短暂的 真空循环加热使用需求。

参见图3，图3为本发明一种辅助加热装置的复杂焊缝定向预热示意 图，针对复杂零件或复杂形状的焊缝，加热元件7中的加热带设计为多 段式柔性加热带，与加热带相匹配的隔热层也相应设计为多段式。每段 加热带可根据焊缝形状旋转一定的角度，保持加热带与焊缝的距离基本 不变，以提高加热系统的加热效率，实现对待加工工件上焊缝的定向定 区域预热。

上述隔热层为两层0.5～2mm厚的不锈钢板组成，控制系统6通过控 制系统实现自动或手动控制的方式来控制加热元件的加热温度。

上述运动机构9的原理是在现有的真空室内的XY移动机构上上安装 一个小型的行程放大机构，当变位机带着工件及加热罩3移动20mm，加 热罩3运动机构的机关就会产生放大2倍到4倍的位移量，放大后的位 移量足够启动加热罩3运动机构的机关。运动机构的机关启动后，重力 驱动的运动机构9就会在箱体顶部的导轨引导下将加热罩3移动到指定的存放位。同时为防止重力冲击，重力的动力源处有一套阻尼机构，可 让重力按要求释放出来，做到运动过程平稳、可控。

在本发明实施例的可选实施方式中，温度传感器放置于所述工件 上、用于每隔预定时间段获取工件的温度并返回至所述控制系统，由所 述控制系统根据所述温度调节加热元件的加热温度，实现对预热系统的 实时调控。温度传感器的测温方式包括两种：参见图4为本发明一种辅 助加热装置的测温热电偶位置示意图，第一种是通过热电偶测量预热过 程中近工件位置的温度，第二种是通过热电偶测量焊接过程中近焊缝位 置的温度，同时将测量数据实时反馈到集成控制装置，并对预热温度和 时间进行调控。

上述控制装置温度传感器采用N型热电偶，可采用4～8支热电偶， 2～4支用于测量预热过程的近工件温度，2～4支用于测量焊接过程的近 焊缝温度，实际测量时根据工件的材料和尺寸可调整热电偶的数量和测 量位置分布。热电偶伸长量和距离工件的距离可调，预先加热的测温偶 距离工件5～50mm；根据焊接情况确定，用于测试焊接温度的热电偶设 置在距离焊缝0.5～50mm范围内。

本发明实施例提供的一种辅助加热装置，该装置包括：加热罩、控 制装置和隔热层，所述加热罩用于套设在所述工件上方；所述隔热层固 定在转台与工件之间，所述加热罩的顶部盖板可移动设置。本发明针对 难熔易裂材料，在电子束焊接设备内部设计一套辅助加热装置，在焊接 前为焊接材料和工件提供较为稳定、均匀的预热温度场，既有利于实现 平面、环形及复杂工件结构的加热要求，又能满足频繁、短暂的真空循 环加热使用需求，可为后续降低焊接热输入提供前提条件；控制装置的 设置，在预先加热的条件下，调整电子束焊接参数，实现电子束焊接的 热循环调控，降低焊接的冷却速度、温度梯度，这既有利于改善焊缝表 面成形，又利于降低焊接热应力和残余应力，降低裂纹产生的几率，还 可改善接头的组织性能；根据工件材料的实际情况，在焊接后可通过加 热系统继续加热，进一步调控焊接热循环，控制焊接后的冷却速度和温 度梯度，降低焊接应力，改善焊接工件材料的组织性能。该方法对提高 生产效率有重要意义，适用于航空、航天等领域。

参见图5为本发明一种电子束焊接热循环控制系统的结构示意图， 包括真空室，位于真空室内的权利要求1-7任一所述的辅助加热装置， 真空电子束焊机；通过所述辅助加热装置对工件进行预热后，通过真空 室内的运动机构启动加热罩的移动机构的机关，加热罩顶部盖板移开， 真空电子束焊机的电子枪发射电子束对待加工工件进行焊接。

在本发明实施例的具体实施方式中，为了防止真空室过热导致真空 室内配件损坏，在系统内热敏感的部位和元件表面加一层保护层，如吸 热涂料、铝箔等，同时配备两只热电偶用于测量环境温度，在温度过高 时安装报警装置进行报警。另外，预热完毕后电子束焊接过程中的金属 蒸气对辅助加热系统的配件会有影响，比如加热带外部的陶瓷柱在金属 蒸气的污染下会造成其短路，加热过程中金属蒸气可能会进入螺栓装配 间隙，长时间使用后粘连在一起不易拆卸等等，故增加防护挡板、防护 套和隔热层等结构对陶瓷柱、加热带和螺栓进行保护。

本发明的第三方面提供一种电子束焊接热循环方法，该方法应用于 电子束焊接热循环控制系统，包括步骤：

焊接准备：将待加工工件焊接面用夹具固定、夹紧，安装到真空室 内并开启真空泵抽真空；

焊前预热：采用辅助加热装置对所述待加工工件进行预热；

电子束焊接：预热完成后进行焊接；

焊后缓冷：焊接完成之后，使用辅助加热系统进行缓冷，使工件温 度缓慢冷却至室温；

优化：通过近缝热电偶进行焊接热循环监测的结果，分析其与未预 热的区别，比较焊缝成形及性能，对预热参数及焊接参数进行优化。

进一步的，所述预热目标温度为300℃～550℃，预热时间为30min～ 150min；焊接参数中加速电压为90kV～150kV，聚焦电流为2260～2590mA， 根据焊接厚度调整焊接束流为3mA～50mA，焊接速度为2mm/s～10mm/s。

下面例举一个具体实例对本发明的电子束焊接热循环方法进行说 明。

本实施例采用两块直径500mm，厚3mm的TC4钛合金环形件，其名 义成分为Ti-6Al-4V，具体操作步骤如下：

(1)对待加工工件5进行打磨、清洗、装配，装配时应保证焊接间 隙小于0.1mm；

(2)安装环形加热系统，其中环形加热带直径为800mm，圆心高度 为700mm，支撑结构的宽度为1526mm，焊接前需将加热元件3调整至合 适的位置。

(3)温度传感器8安装调整：安装好测温的热电偶，近工件热电偶 共2个，近焊缝热电偶共4个；近工件热电偶距离工件10mm，近焊缝 热电偶到焊缝距离为2.5mm，3mm，3.5mm和4mm。

(4)将待加工工件5及加热系统转入电子束焊机的真空室1中，

关闭真空室大门，启动抽真空；

(5)焊接前对待焊接工件进行预热，预热目标温度为100℃，预 热时间为60min；

(6)真空室压强达到焊接要求后，加载加速电压至120kV，待加 速电压稳定后，开始点焊；点焊时聚焦电流调整至1468mA，点焊束流 不超过5mA；随后将聚焦电流调整至2060mA，按示教程序轨迹，以10mm/s 的速度进行封焊，电子束流控制在7mA；封焊完毕后，以36mA的电子 束流、10mm/s的速度进行焊接；

(7)预热及焊接过程中对热循环进行实时监测，最终获得如所示 的热循环测量结果；

(8)缓冷完毕后卸真空，并将部件取出真空室进行焊接质量检测及 后续热处理。结果表明，采用上述方法完成的焊接工件表面成形良好，X 射线探伤结果满足Ⅰ级标准。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的 描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技 术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的 这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种辅助加热装置，其特征在于，包括：加热罩、控制装置和隔热层，所述加热罩用于套设在所述工件上方；所述隔热层固定在转台与工件之间，所述加热罩的顶部盖板可移动设置。

2.根据权利要求1所述的辅助加热装置，其特征在于，所述加热罩包括加热元件、温度传感器和运动机构，所述温度传感器放置于所述工件上、用于每隔预定时间段获取工件的温度并返回至所述控制系统，由所述控制系统根据所述温度调节加热元件的加热温度。

3.根据权利要求1所述的辅助加热装置，其特征在于，所述加热罩包括不锈钢板隔热层和不锈钢框架；所述加热元件采用带状镍铬带Cr20Ni80，外部用陶瓷件绝缘，布置在加热罩内部，可单独拆卸。

4.根据权利要求1所述的辅助加热装置，其特征在于，所述加热元件包括环形结构和线形结构，环形结构适用于环形工件，线形结构适用于平板工件；加热元件的预热温度范围为300～600℃。

5.根据权利要求4所述的辅助加热装置，其特征在于，平板工件加热罩的顶部盖板可左右移动，环形工件采用三组圆弧结构的加热元件；其中，所述加热元件还可以设置为柔性多段式的加热带，与所述加热带匹配的隔热层相应设置为多段式，每段加热带可根据焊缝的形状旋转一定角度。

6.根据权利要求2所述的辅助加热装置，其特征在于，所述运动机构置于真空室内，用于移动加热罩的移动机构，以及用于在预热完成后通过所述运动机构控制加热罩移动机构的机关。

7.根据权利要求2所述的辅助加热装置，其特征在于，所述温度传感器采用N型热电偶，2～4支用于测量预热过程的近工件温度，2～4支用于测量焊接过程的近焊缝温度；热电偶伸长量和距离工件的距离可调，预先加热的测温偶距离工件5～50mm；根据焊接情况，用于测试焊接温度的热电偶设置在距离焊缝0.5～50mm范围内。

8.一种电子束焊接热循环控制系统，其特征在于，包括：真空室，位于真空室内的权利要求1-7任一所述的辅助加热装置，真空电子束焊机；通过所述辅助加热装置对工件进行预热后，通过真空室内的运动机构启动加热罩的移动机构的机关，加热罩顶部盖板移开，真空电子束焊机的电子枪发射电子束对待加工工件进行焊接。

9.一种辅助加热系统和预热的电子束焊接热循环方法，该方法应用于权利要求8所述的电子束焊接热循环控制系统，其特征在于，包括步骤：

焊接准备：将待加工工件焊接面用夹具固定、夹紧，安装到真空室内并开启真空泵抽真空；

焊前预热：采用权利要求1-7任一所述的辅助加热装置对所述待加工工件进行预热；

电子束焊接：预热完成后进行焊接；

焊后缓冷：焊接完成之后，使用辅助加热系统进行缓冷，使工件温度缓慢冷却至室温；

优化：通过近缝热电偶进行焊接热循环监测的结果，分析其与未预热的区别，比较焊缝成形及性能，对预热参数及焊接参数进行优化。

10.根据权利要求9所述的电子束焊接热循环方法，其特征在于，所述预热目标温度为300℃～550℃，预热时间为30min～150min；焊接参数中加速电压为90kV～150kV，聚焦电流为2260～2590mA，根据焊接厚度调整焊接束流为3mA～50mA，焊接速度为2mm/s～10mm/s。

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