[發明專利]一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法

有效

• 申請號: 201710132959.4
• 申請日: 2017-03-08
• 公開（公告）號: CN106862746B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 寇宏超;萬綺雯;孫智剛;黃婷婷;王軍;李金山
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B23K15/06
• 分類號: B23K15/06;B23P15/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法，對高溫鈦合金進行預熱和保溫后再行焊接。焊前預熱能夠使焊縫獲得較高的能量，在焊接時熔池能夠連續向前推進，使焊縫外形美觀；且焊前預熱所掃描的區域較焊接時的大，使焊件薄弱環節——熱影響區的組織受熱，縮小焊縫與熱影響區的溫度梯度，使該區域組織能夠平滑過渡，削弱不協調變形產生的影響。對于較厚的焊件，焊前預熱能夠避免焊縫未熔透的情況。而焊后熱處理所掃描面積與焊前預熱一樣，降低焊縫及部分熱影響區的冷卻速率，避免產生較多的針狀馬氏體和魏氏組織，明顯改善了焊縫質量。

技術領域

本發明屬于鈦合金材料的加工技術領域，具體涉及一種高溫鈦合金薄壁鑄件電子束焊接方法。

背景技術

高溫鈦合金大多為近α型合金，具有良好的高溫性能、組織穩定性和焊接性能。作為航空航天飛行器的關鍵材料之一，高溫鈦合金的加入能減輕機體質量、提高推重比。針對航空航天用鈦合金結構件向大型、復雜、薄壁方向發展和高速飛行器結構件對高溫鈦合金的需求越來越迫切，一體化成形構件已成為高速飛行器發展的關鍵。由于成形的復雜性和難度大，往往需要借助焊接進行關鍵部位的連接。

現廣泛應用于鈦合金中的焊接方法主要有TIG焊、激光焊、電子束焊等。其中，TIG焊是連接薄板金屬和打底焊的一種常用方法，但易出現焊穿、變形大、焊接參數及焊接性能不穩定、焊速低等現象；同時存在接頭組織粗大的問題，影響結構使用性能。激光焊則具有凈化熔池、純凈焊縫金屬的作用，但穿透力差，保護氣氛和純度有限。電子束焊接是以真空聚焦的高能電子束來焊接，焊縫窄、深寬比大、接頭性能好，焊縫和熱影響區不會被空氣污染，效率高。綜上，鈦的化學性質活潑，TIG焊、激光焊、MIG焊等保護氣氛和純度有限，因此真空電子束焊是前較為成熟的高能束流加工方法之一且非常適合于鈦及鈦合金的焊接。

在電子束焊接過程中，母材局部受熱，散熱速度快，焊縫成形質量差，在冷卻凝固過程中，氣孔來不及逃出而留在焊縫內部。同時，因為焊件受熱不均，產生內應力，導致在焊縫部位容易發生應力集中，焊件具有開裂的傾向。為解決這一系列問題，多采用高溫電子束焊方法進行材料的焊接。

高溫電子束焊是將待焊母材整體預熱到一定溫度后保溫，在保溫過程中進行電子束焊接。經焊前預熱和保溫，母材的散熱率降低，熔池凝固速度減慢，從而使得熔池能夠連續向前推進，最終將獲得成形良好、深寬比大的焊縫。由于熔池凝固速度的下降，為熔池中的氣孔提供充足時間溢出，減少孔隙率。另外，母材具有較高的溫度，與熔池間溫差小，焊縫區散熱慢，氣體有足夠的實際逃出，也可以減小一部分因受熱不均產生的熱應力，從而避免了常規電子束焊接中遇到的一系列問題。

何健忠等人在公開發明專利(申請號200620016517.0)中介紹了一種新型高溫焊接爐設備。該裝置為具有控溫、測溫、保溫能力的爐體，但其可承受的焊接溫度只有600℃，小于鈦合金的熔點，不適用于鈦合金的焊接。還有一些公開發表的改善高溫焊接裝置及部件的專利(如申請號CN201510587810.6、申請號CN201410141408.0等)，側重于工藝設備上的優化，但沒有針對鈦合金的特點進行相關工藝方法的改善。

但在一些文獻中涉及有工藝方法。如付鵬飛等人在Rare Metal Materials&Engineering期刊中于2013年公開發表的Microstructure and Properties of EBW andHeat Treatment with Multi-beam Technology for near alpha Titanium Alloy中，采用電子束局部熱處理對鈦合金進行焊接。將電子束流分成前、中、后三束，分別調整各束流能量。前端與后端的電子束能量小，作為焊接的預熱和后熱；中部的電子束流能量大，則用于焊接。三束電子束流間隔小，同時掃過焊縫，對所掃局部區域進行瞬時的預熱、焊接和后熱。該方法在一定程度上減小了孔隙率、變形量和內應力。但由于束流限制，熱處理面積小且時間短暫。