CN113798653A - 一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛合金零件焊接技术领域，尤其是一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法；该方法依次经过化学清洗、去氢、零件清理、零件装配、采用特定电子束焊工艺、焊后清理、焊后热处理、检验。采用本发明提出的控制方法可以有效控制焊缝位置处焊缝宽度，进而保证焊后接头热影响区的宽度和接头的力学性能，以及邻近区域的端面跳动控制在0.2mm以内，焊缝宽度控制在0.8mm～δ以内，接头强度达到基体强度的90％，接头热影响区的硬度大于等于HRC26。
Description
技术领域
本发明属于钛合金零件焊接技术领域，尤其是一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法。
背景技术
对于钛合金膜盘组件电子束焊接，主要难点在于电子束焊后焊缝容易出现气孔，接头邻近区域的端面跳动大，焊缝宽度大，接头热影响区的硬度低，无法通过改善工艺和热处理制度挽救，最终导致零件报废。
原有电子束焊接工艺方法，焊接电压及聚焦电流相对较小，导致焊缝宽度较小，最小为0.69，焊缝位置处熔池内气孔不易及时排出，焊后在焊接接头位置处的气孔大量存在，导致焊缝力学性能指标不合格的同时，加速电压相对较小，焊缝宽度较宽，最大为1.58，焊缝宽度及焊后组件端面跳动难以控制，零件最终不能满足设计要求。
现有的电子束焊接技术中，专利CN108057952A公开了一种大长径比薄壁零件的电子束焊方法，该方法执行过程是退磁-表面清理-零件装配-设备抽真空-零件进入焊接设备-进行电子束焊-泄真空-焊后清理-焊后热处理-最终检验；焊接过程中焊接参数作为控制产品质量的核心技术点，在进行电子束焊接时，对零件进行焊接，具体参数为：焊接速度：15mm/s±5mm/s；聚焦束流：1900mA～2210mA；电子束流：5mA～15mA；加速电压：135kV±5kV。
上述电子束焊接工艺利用电子束焊接专用夹具控制薄壁零件的变形；通过利用合理的焊接束流、加速电压、焊接速度和电子束偏摆扫描技术，保证焊缝宽度控制在一定范围内，同时利用合理的轴类焊接工装固定零件，控制焊接变形；其次在焊接束流一定的情况下，控制扫描幅值，保证接头热影响区宽度，焊接后通过热处理，保证接头的强度。
专利CN106392292A公开了一种薄壁零件的电子束焊接方法，该方法执行过程是清理-退磁-表面清理-零件装配-设备抽真空-零件进入焊接设备-封焊-电子束焊-泄真空-焊后清理-焊后时效热处理-喷丸-最终检验；焊接过程中焊接参数作为控制产品质量的核心技术点，在进行电子束焊接时，对零件进行焊接，具体参数为：焊接速度：30mm/s±5mm/s；聚焦束流：2200mA～2390mA；电子束流：3mA±1mA；加速电压：145kV±5kV。这种焊接方法可以有效控制薄壁零件的焊接变形，接头强度也能够稳定达标。
上述两种公开的电子束焊接方法的核心技术参数更适合于结构钢和不锈钢，由于钢材与钛材的特性有极大不同，结构钢和不锈钢相对钛合金的弹性模量高，抗变形能力比钛合金强，钛合金活性强，易氧化吸氢，钛合金焊缝质量比钢材要差，因此在焊接参数的匹配上完全不同。
发明内容
本发明的目的是：本发明的目的是提供一种有效控制钛合金膜盘组件焊缝宽度的方法，可以通过有效控制焊缝位置处焊缝宽度，进而保证焊后接头热影响区的宽度和接头的力学性能，以及邻近区域的端面跳动控制在0.2mm以内，焊缝宽度控制在0.8mm～δ以内，接头强度达到基体强度的90％，接头热影响区的硬度大于等于HRC26。
本发明的技术方案是，一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，所述的控制方法包含以下步骤：
步骤一、化学清洗：利用化学溶液清洗，温度为室温，酸洗时间为1min～5min。酸洗后，为避免在零件表面形成斑纹，尽快进行水洗，温度为室温，时间不少于2min；
步骤二、去氢：酸洗后4h内零件在真空炉中进行去氢处理，
步骤三、零件清理：利用白绸布蘸丙酮，清理钛合金表面，直至白布无污染；
步骤四、零件装配：在干净的无污染的环境下进行焊接零件组件的装配，配合间隙小于0.02mm；零件进入真空室：将焊接夹具和零件一同放入电子束焊机的移动装置中，保证待焊处零件表面与电子束轴线垂直，以防止产生偏移和咬边；
步骤五、电子束焊具体参数为：焊接速度：(12～17)mm/s；聚焦束流：(2200～2259)mA；电子束流：(10～15)mA；加速电压：(140～145)kV；
步骤六、焊后清理：清理焊缝表面飞溅，用干净白绸布擦净零件表面变色层；
步骤七、焊后热处理：焊后16小时内进行热处理；
步骤八、检验：对零件进行外观检查、荧光检查、X光检查，焊缝无裂纹、未焊透、未熔合和气孔；接头邻近区域的端跳控制在0.2mm以内。
优选地，为了防止焊接工装在使用过程中吸附铁屑，工装使用前进行焊接工装退磁：将焊接夹具进行退磁，至磁通密度小于1×10-4T。
优选地，零件装配后再清理：零件装配在焊接夹具后，再用白绸布蘸丙酮擦拭待焊表面。
优选地，步骤八检验完还包括最终检验：焊前试件进行金相、强度检查，焊缝无影响性能的组织存在，接头强度达到基体强度的90％，接头热影响区的硬度，焊缝宽度控制在0.8mm～δ范围内，δ为膜盘有效壁厚，接头邻近区域的端跳在0.2以内。
步骤二具体参数：温度为410℃～450℃，保温4h～6h。
步骤五参数为：焊接速度控制在(12～17)mm/s；聚焦束流控制在(2200～2300)mA；电子束流控制在(10～15)mA；加速电压控制在(140～145)kV。
步骤七热处理具体制度为：钛合金膜盘动力轴焊后，在4小时内完成热处理，焊后热处理时，将钛合金膜盘动力轴焊接组件装入真空炉内，进行470℃真空消除应力处理，消除应力处理时间为5.5小时，真空度为0.133Pa，消除应力保温结束后，随炉冷却至200℃以下，开炉并取出钛合金膜盘动力轴焊接组件。
本发明的优点是：
本发明利用钛合金膜盘组件焊前冷处理，使晶格点阵尽量回复到平衡位置，降低与后续电子束焊接过程中产生的焊接应力叠加，同时对焊接工艺参数进行有效匹配，借助专用高精实心轴类夹具，对零件进行精确焊前装配定位通过合理的热输入来控制焊缝熔池宽度，以便于焊缝位置处的气孔及时排出，大幅提高了焊缝位置处的冶金质量，焊缝宽度可控，接头力学性能得到大幅提升的同时，焊接组件焊后端面跳动也满足了设计要求，杜绝了焊接组件的二次焊接。
具体实施案例
下面以具体实施案例对本发明所提出的控制钛合金膜盘焊缝宽度的方法进行详细描述，案例1，对于某型机钛合金膜盘组件电子束焊，钛合金膜盘基体材料为TC4，膜盘厚度1.5mm，直径为φ112mm。组件焊接后的焊缝宽度需要控制在0.8～1.5mm范围内，接头强度达到基体强度的90％以上，热影响区的硬度大于等于HRC26，接头邻近区域的端面跳动小于0.25mm，无损探伤满足相应标准。
控制过程具体包括：
(1)夹具退磁：将焊接夹具进行退磁，至磁通密度小于1×10-4T；
(2)化学清洗：利用化学溶液清洗，温度为室温，酸洗时间为3min。酸洗后，为避免在零件表面形成斑纹，尽快进行水洗，温度为室温，时间2min。
(3)去氢：酸洗后4h内零件在真空炉中进行去氢处理，温度为410℃，保温4h。
(4)零件清理：利用白绸布蘸丙酮，清理钛合金表面，直至白布无污染。
(5)零件装配：在干净的无污染的环境下进行零件的装配，配合间隙小于0.02mm；
(6)再清理：零件装配在焊接夹具后，再用白绸布蘸丙酮擦拭待焊表面；
(7)零件进入真空室：将夹具和零件一同放入电子束焊机的移动装置中，保证待焊处零件表面与电子束轴线垂直，以防止产生偏移和咬边；
(8)电子束焊：具体参数为：
a)焊接速度：15mm/s；
b)聚焦束流：2250mA；
c)电子束流：12mA；
d)加速电压：140kV；
(9)焊后清理：清理焊缝表面飞溅，用干净白绸布擦净零件表面变色层；
(10)焊后热处理：焊后组件在真空炉内1.33Pa真空度下，进行470℃消除应力，消除应力保温时间为5.5h，保温结束后，随炉冷至200℃以下，开炉取出焊接组件；
(11)检验：对零件进行外观、荧光、X光检查，焊缝无裂纹、未焊透、未熔合、尖角型气孔；
(12)最终检验：焊前试件进行金相、强度检查，焊缝无影响性能的组织存在，焊缝质量良好，焊缝宽度为1.08mm，接头的平均拉伸强度832MPa，接头热影响区的硬度HRC29.6；接头邻近区域的端面跳动为0.15mm。结论：合格。
案例2，对于某型机钛合金膜盘组件电子束焊，钛合金膜盘基体材料为TC4，膜盘厚度1.6mm，直径为φ116mm。组件焊接后的焊缝宽度需要控制在0.8～1.5mm范围内，接头强度达到基体强度的90％以上，热影响区的硬度大于等于HRC26，接头邻近区域的端面跳动小于0.25mm，无损探伤满足相应标准。
控制过程具体包括：
(1)夹具退磁：将焊接夹具进行退磁，至磁通密度小于1×10-4T；
(2)化学清洗：利用化学溶液清洗，温度为室温，酸洗时间为5min。酸洗后，为避免在零件表面形成斑纹，尽快进行水洗，温度为室温，时间3min。
(3)去氢：酸洗后4h内零件在真空炉中进行去氢处理，温度为410℃，保温4h。
(4)零件清理：利用白绸布蘸丙酮，清理钛合金表面，直至白布无污染。
(5)零件装配：在干净的无污染的环境下进行零件的装配，配合间隙小于0.02mm；
(6)再清理：零件装配在焊接夹具后，再用白绸布蘸丙酮擦拭待焊表面；
(7)零件进入真空室：将夹具和零件一同放入电子束焊机的移动装置中，保证待焊处零件表面与电子束轴线垂直，以防止产生偏移和咬边；
(8)电子束焊：具体参数为：
a)焊接速度：17mm/s；
b)聚焦束流：2258mA；
c)电子束流：15mA；
d)加速电压：145kV；
(9)焊后清理：清理焊缝表面飞溅，用干净白绸布擦净零件表面变色层；
(10)焊后热处理：焊后组件在真空炉内1.33Pa真空度下，进行470℃消除应力，消除应力保温时间为6h，保温结束后，随炉冷至200℃以下，开炉取出焊接组件；
(11)检验：对零件进行外观、荧光、X光检查、金相显微分析，焊缝无裂纹、未焊透、未熔合、尖角型气孔；
(12)最终检验：焊前试件进行金相、强度检查，焊缝无影响性能的组织存在，焊缝质量良好，焊缝宽度为1.06mm，接头的平均拉伸强度836MPa，接头热影响区的硬度HRC29.4；接头邻近区域的端面跳动为0.13mm。结论：合格。
本发明在焊接参数经过大量模拟试验，得到了核心技术参数为：焊接速度：(12～17)mm/s；聚焦束流：(2200～2259)mA；电子束流：(10～15)mA；加速电压：(140～145)kV；原则上，上述参数边界并非绝对临界值，上下略有浮动均可；与此同时，本发明在焊前对钛合金进行冷处理，使得晶格点阵达到平衡位置，焊接时焊接应力减弱，变形减小。本发明的方法特别适合于钛合金，可以有效控制焊缝宽度，焊缝宽度越宽，焊缝热影响区越宽，热影响区的硬度下降，接头的抗疲劳性下降；焊缝宽度越窄，接头的拉伸强度、屈服强度都会下降。本发明主要解决焊缝宽度宽的问题，焊缝宽度控制在0.8～1.58之间。
Claims (10)
1.一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，所述的控制方法包含以下步骤：
步骤一、化学清洗；
步骤二、去氢；
步骤三、零件清理；
步骤四、零件装配：在干净的无污染的环境下进行焊接零件组件的装配，配合间隙小于0.02mm；零件进入真空室：将焊接夹具和零件一同放入电子束焊机的移动装置中，保证待焊处零件表面与电子束轴线垂直，以防止产生偏移和咬边；
步骤五、电子束焊具体参数为：焊接速度：12～17mm/s；聚焦束流：2200～2259mA；电子束流：10～15mA；加速电压：140～145kV；
步骤六、焊后清理；
步骤七、焊后热处理；
步骤八、检验。
2.如权利要求1所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，化学清洗时，利用化学溶液清洗，温度为室温，酸洗时间为1min～5min；酸洗后，尽快进行水洗，温度为室温，时间不少于2min。
3.如权利要求1或2所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，酸洗后4h内零件在真空炉中进行去氢处理。
4.如权利要求3所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，去氢处理具体参数：温度为410℃～450℃，保温4h～6h。
5.如权利要求1所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，为了防止工装在使用过程中吸附铁屑，焊接工装使用前进行焊接工装退磁：将焊接夹具进行退磁，至磁通密度小于1×10-4T。
6.如权利要求1所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，零件装配后再清理：零件装配在焊接夹具后，再用白绸布蘸丙酮擦拭待焊表面。
7.如权利要求1所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，步骤七热处理在焊接后16小时内完成，具体制度为：钛合金膜盘动力轴焊后，在4小时内完成热处理，焊后热处理时，将钛合金膜盘动力轴焊接组件装入真空炉内，进行470℃真空消除应力处理，消除应力处理时间为5.5小时，真空度为0.133Pa，消除应力保温结束后，随炉冷却至200℃以下，开炉并取出钛合金膜盘动力轴焊接组件。
8.如权利要求1所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，步骤八检验过程是，对零件进行外观检查、荧光检查、X光检查，焊缝无裂纹、未焊透、未熔合和气孔；接头邻近区域的端跳控制在0.2mm以内。
9.如权利要求1或8所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，检验完还包括最终检验：焊前试件进行金相、强度检查，焊缝无影响性能的组织存在，接头强度达到基体强度的90％，接头热影响区的硬度，焊缝宽度控制在0.8mm～δ范围内，δ为膜盘有效壁厚，接头邻近区域的端跳在0.2以内。
10.如权利要求1所述的一种有效控制钛合金薄壁零件电子束焊缝宽度的方法，其特征在于，清理时，清理焊缝表面飞溅，用干净白绸布擦净零件表面变色层，对于特殊污垢可在白布上蘸丙酮。
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