CN113369660B - 一种消除电子束焊气孔缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除电子束焊气孔缺陷的方法，该方法通过控制焊前装配质量、优化焊接参数及焊接接头尺寸，可有效避免Ti₂AlNb材料电子束焊缝气孔缺陷的产生。采用过盈配合或至少为过渡配合保证了焊缝对接间隙，有利与焊缝的成型并能够减少气孔缺陷、在止口根部开放气槽有利于抽真空时气孔的溢出。

Description

一种消除电子束焊气孔缺陷的方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种消除电子束焊气孔缺陷的方法。

背景技术

电子束焊接作为一种特种焊接方法，其具备焊接可达性好，熔深大且氛围好，接头强度高，焊接变形小，焊接厚度大，可焊材料范围广等优点，被越来越多的用于精密零部件的制造工艺中去。Ti₂AlNb材料是一种轻质耐高温的新型材料用来代替镍基耐热合金。Ti₂AlNb材料具有比强度高、比刚度大、高温力学性能和抗氧化性能好等优点而受到关注，但连接技术是其能否得到应用的关键技术之一。日常生产过程中发现进行Ti₂AlNb材料电子束焊接时，焊后极易产生大量气孔缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种消除电子束焊气孔缺陷的方法，以解决现有技术中Ti₂AlNb材料电子束焊接时，焊后极易产生大量气孔缺陷的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种消除电子束焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1，对待焊接的Ti₂AlNb组件进行预处理，所述预处理为对Ti₂AlNb组件的接头根部进行倒角处理；

步骤2，通过电子束焊对倒角处理后的Ti₂AlNb组件进行焊接加工，电子束焊过程中，焊接速度为8mm/s-20mm/s，获得焊接后的Ti₂AlNb工件；

步骤3，去除Ti₂AlNb工件的加工余量，获得消除Ti₂AlNb材料电子束焊气孔缺陷的Ti₂AlNb工件。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，所述预处理还包括在Ti₂AlNb组件的衬底上设置排气槽。

优选的，步骤1中，所述倒角处理的尺寸为R≤0.3，倒

优选的，步骤2中，焊接速度为8mm/s。

优选的，步骤2中，电子束焊过程中，所述表面聚焦的高度为1015mm。

优选的，步骤2中，电子束焊过程中，焊接电压为150kv。

优选的，步骤2中，电子束焊过程中，聚焦电流为1875±10mA。

优选的，步骤3中，所述Ti₂AlNb工件的加工余量的确定方法为，通过目视检查、X光检查、金相检测和CT扫描检查确定气孔高度后，确定加工余量。

优选的，所述加工余量为3mm。

优选的，步骤1中，所述预处理还包括将倒角后的待焊接Ti₂AlNb组件进行加热处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种消除电子束焊气孔缺陷的方法，该方法通过控制焊前装配质量、优化焊接参数及焊接接头尺寸，可有效避免Ti₂AlNb材料电子束焊缝气孔缺陷的产生。采用过盈配合或至少为过渡配合保证了焊缝对接间隙，有利与焊缝的成型并能够减少气孔缺陷、在止口根部开放气槽有利于抽真空时气孔的溢出。

进一步的，通过对8mm/s、14mm/s、20mm/s等不同焊接速度进行工艺试验，发现8mm/s的焊接速度为最优焊接速度，14mm/s、20mm/s试板焊接后均产生了气孔缺陷且速度越高产生的气孔缺陷越多，但焊接速度小于8mm/s焊接速度过慢焊缝不易成型，优选8mm/s焊接速度能够有效避免焊接气孔的产生。

进一步的，优化焊接参数后利用X光检测、金相检测、CT扫描等方式找出焊后气孔的分布规律，气孔深度多大约2.2～2.7mm左右，因此，在保证焊接接头设计尺寸的基础上添加表面和背面的加工余量至少3mm，焊后将余量去除，可以彻底避免零件焊接气孔的产生。

附图说明

图1为本发明的Ti₂AlNb实施例1宏观及金相照片图；

其中，(a)图为实施例1正面的图片；(b)图为实施例1背面的图片；(c)图为实施例1金相图4；

图2为本发明的Ti₂AlNb实施例1CT扫描照片图；

其中，(a)图为实施例1焊缝纵向切面图；(b)图为实施例1俯视图深切的横切面；(c)图为实施例1焊缝横截面；(d)图为实施例1的俯视图浅切的横切面；

图3为本发明的Ti₂AlNb实施例2宏观及金相照片；

其中，(a)图为实施例2正面的图片；(b)图为实施例2背面的图片；(c)图为实施例2的金相图4；

图4为本发明的Ti₂AlNb实施例2CT扫描照片；

其中，(a)图为实施例2焊缝纵向切面图；(b)图为实施例2俯视图深切的横切面；(c)图为实施例2浅切的横切面；(d)图为实施例2的左视图；

图5为本发明的Ti₂AlNb实施例3照片；

其中，(a)图为实施例3正面的图片；(b)图为实施例3背面的图片；(c)图为实施例3的金相图4；

图6为本发明的Ti₂AlNb实施例3CT扫描照片；

其中，(a)图为实施例3焊缝纵向切面图；(b)图为实施例3俯视图深切的横切面；(c)图为实施例3焊缝横截面；(d)图为实施例3俯视图浅切的横切面；

图7为本发明接头根部半径R与倒角的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明创造是一种消除Ti₂AlNb材料电子束焊气孔缺陷的工艺方法，通过控制焊前装配质量、优化焊接参数及焊接接头设计，可有效避免Ti₂AlNb材料电子束焊缝气孔缺陷的产生。该工艺方法具体包括以下步骤：

步骤1，对Ti₂AlNb材料待焊接组件进行预处理，首先确保待焊接组件之间的配合为过盈配合至少为过渡配合，过盈配合及过渡配合能够保证两个待焊接组件对接间隙并且有利于组件的端面跳动值和圆面跳动值；

参见图7，严格控制待焊接组件接头根部的R与倒角尺寸，采取R≤0.3mm，倒

在待焊接组件的衬底上用旋转锉加工排气槽；在待焊接组件焊前用散焦电子束加热焊接接头，加热过程中，加热温度为200℃，扫描一圈的时间为1min，使位于机加工刀痕内的气体膨胀向外逸出，也有助于减少气孔的发生。

2、依次利用Ti₂AlNb材料焊接试板、对接试板和模拟件进行工艺参数优化，具体的首先在焊接试板上进行焊接模拟，摸索出初步的焊接参数，然后通过对接试板验证焊接参数，并进一步调整焊接参数，最后通过模拟件进行验证，均验证通过后再焊接组件时使用。

因气孔的产生除了与焊前清理及装配质量有很大影响外，材料本身所含的H、O等元素也是产生气孔的主要原因，参数优化是采用在确定零件焊接距离后确定的，具体的，零件的表面聚焦的高度为1015mm、焊接电压为150kV，电流范围为23-40mA，速度8-20m/s，聚焦电流为1875±10mA，通过8mm/s、14mm/s、20mm/s等不同焊接速度进行参数优化，在确定焊接速度后根据零件的成型状态确定最终的焊接参数，确定焊接参数后，通过电子束焊对Ti₂AlNb材料焊接试板和对接试板进行焊接，焊后利用目视检验、X光检验、荧光检验、金相检测、CT扫描等方式，检测气孔缺陷的分布、大小、状态等用以确定最终的焊接参数。

步骤3、利用X光检测、金相检测、CT扫描等方式找出Ti2AlNb材料焊接气孔的分布规律，在保证设计尺寸的基础上增加焊接接头表面及背面的车加工余量，焊后将余量去除，用以消除焊后气孔缺陷。

实施例1

1)焊前装配质量主要措施包括：一是要严格控制接头根部的R与倒角尺寸，使其在不发生干涉的情况下尽可能的小，一是采取R≤0.3，倒角0.3+0.1×45°。二是在零件衬底上用旋转锉加工排气槽，在抽真空过程及焊接过程中将把位于R和倒角区的气体抽掉。三是在零件焊前用散焦电子束加热焊接接头，使位于机加工刀痕内的气体膨胀向外逸出，也有助于减少气孔的发生。

2)焊接参数优化

本实施例参数试验采用高压高真空电子束焊机，焊机型号为KS150-G150(设备编号：1413008)，试验用焊接组件材料为Ti₂AlNb(固溶时效态)，厚度为6.6mm的组件。本实施例的焊接参数如下表1所示。

表1电子束焊接参数(SW486)

焊接后分别进行了目视检查、X光检查、金相检测、CT扫描检查，结果如图1和图2所示。

实施例2

1)焊前装配质量主要措施包括：一是要严格控制接头根部的R与倒角尺寸，使其在不发生干涉的情况下尽可能的小，一是采取R≤0.3，倒角0.3+0.1×45°。二是在零件衬底上用旋转锉加工排气槽，在抽真空过程及焊接过程中将把位于R和倒角区的气体抽掉。三是在零件焊前用散焦电子束加热焊接接头，使位于机加工刀痕内的气体膨胀向外逸出，也有助于减少气孔的发生。

2)焊接参数优化

本实施例参数试验采用高压高真空电子束焊机，焊机型号为KS150-G150(设备编号：1413008),试验用焊接组件材料为Ti₂AlNb(固溶时效态)，厚度为6.6mm的组件，本实施例的焊接参数如下表2所示。

表2电子束焊接参数(SW486)

焊接后分别进行了目视检查、X光检查、金相检测、CT扫描检查，结果如图3和图4所示。

实施例3

1)焊前装配质量主要措施包括：一是要严格控制接头根部的R与倒角尺寸，使其在不发生干涉的情况下尽可能的小，一是采取R≤0.3，倒角0.3+0.1×45°。二是在零件衬底上用旋转锉加工排气槽，在抽真空过程及焊接过程中将把位于R和倒角区的气体抽掉。三是在零件焊前用散焦电子束加热焊接接头，使位于机加工刀痕内的气体膨胀向外逸出，也有助于减少气孔的发生。

2)焊接参数优化

本实施例参数试验采用高压高真空电子束焊机，焊机型号为KS150-G150(设备编号：1413008),试验用焊接试板材料为Ti₂AlNb(固溶时效态)，厚度分别为6.6mm的组件。本实施例的焊接参数如下表3所示。

表3电子束焊接参数(SW486)

焊接后分别进行了目视检查、X光检查、金相检测、CT扫描检查，结果如图5和图6所示。

对三个实施例的最后的结果进行了系统分析如下：

三组组件焊后送X光进行检查，其中实施例1(对应图1组件)在X光片中无任何缺陷显示，实施例2(对应图3组件)在X光底片上有密密麻麻气孔显示，尤其是在后半段；实施例3(对应图5组件)在底片上显示出较多气孔，焊缝成型良好无其它焊接缺陷。

焊后将三组组件试样进行线切割，线切割后将将焊接试样进行金相检测，从金相照片的整体形貌上看，实施例1(对应图1的金相照片)的焊缝行形貌基本接近平行焊缝，焊缝成型良好有助于减小零件的变形。焊缝出主要以B₂相为主兼具α₂相，焊缝未进行热处理主要为一种铸态组织，热影响区是三态组织，分别为B₂相、α₂相、O相，与零件的相组织一样，但区别在于母材中的α₂相、O相较多，热影响区中在接近焊缝的过程中逐渐变少，实施例1(图1)、实施例2(图3)、实施例3(图5)在金相组织中并未有明显区别，在金相照片中能够看到实施例2(图3)、实施例3(图5)表面及根部能够看到零星气孔缺陷。

将三组参数送往做CT显示，实施例1的CT(图2)显示表面无气孔缺陷，无其他缺陷。实施例2的CT(图4)显示表面与焊瘤处均有气孔显示，气孔深度约为2.2mm，最大0.5mm，无其余缺陷，实施例3在CT(图6)上也有气孔缺陷显示，深度约在(2.2～2.4)mm内与X光底片基本一致。

将组件送往X光检测、金相检测、CT扫描后，发现了气孔缺陷的分布规律主要在焊缝上下表面，气孔分布距焊缝表面最深为2.7mm,虽然经过参数优化优选出8mm/s焊接速度的主要焊接参数，但焊后无法避免零星气孔的出现，因此将焊缝在保证设计尺寸的基础上再焊缝的上下表面各留至少3mm车加工余量，焊后将余量去除，进一步彻底去除Ti₂AlNb材料焊后气孔缺陷，确保焊缝质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种消除电子束焊气孔缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对待焊接的Ti₂AlNb组件进行预处理，所述预处理为对Ti₂AlNb组件的接头根部进行倒角处理；

步骤1中，所述预处理还包括在Ti₂AlNb组件的衬底上设置排气槽；

步骤1中，所述倒角处理的尺寸为R≤0.3，倒0.3

×45°；

步骤2，通过电子束焊对倒角处理后的Ti₂AlNb组件进行焊接加工，电子束焊过程中，焊接速度为8mm/s，获得焊接后的Ti₂AlNb工件；

步骤2中，电子束焊过程中，表面聚焦的高度为1015mm；

步骤2中，电子束焊过程中，焊接电压为150kv；

步骤2中，电子束焊过程中，聚焦电流为1875±10mA；

步骤3，去除Ti₂AlNb工件的加工余量，获得消除Ti₂AlNb材料电子束焊气孔缺陷的Ti₂AlNb工件；

所述Ti₂AlNb工件的加工余量的确定方法为，通过目视检查、X光检查、金相检测和CT扫描检查确定气孔高度后，确定加工余量；

所述加工余量为3mm。

2.根据权利要求1所述的消除电子束焊气孔缺陷的方法，其特征在于，步骤1中，所述预处理还包括将倒角后的待焊接Ti₂AlNb组件进行加热处理。

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