[发明专利]一种高温钛合金薄壁铸件电子束焊接方法

说明书

一种高温钛合金薄壁铸件电子束焊接方法，对高温钛合金进行预热和保温后再行焊接。焊前预热能够使焊缝获得较高的能量，在焊接时熔池能够连续向前推进，使焊缝外形美观；且焊前预热所扫描的区域较焊接时的大，使焊件薄弱环节——热影响区的组织受热，缩小焊缝与热影响区的温度梯度，使该区域组织能够平滑过渡，削弱不协调变形产生的影响。对于较厚的焊件，焊前预热能够避免焊缝未熔透的情况。而焊后热处理所扫描面积与焊前预热一样，降低焊缝及部分热影响区的冷却速率，避免产生较多的针状马氏体和魏氏组织，明显改善了焊缝质量。

技术领域

本发明属于钛合金材料的加工技术领域，具体涉及一种高温钛合金薄壁铸件电子束焊接方法。

背景技术

高温钛合金大多为近α型合金，具有良好的高温性能、组织稳定性和焊接性能。作为航空航天飞行器的关键材料之一，高温钛合金的加入能减轻机体质量、提高推重比。针对航空航天用钛合金结构件向大型、复杂、薄壁方向发展和高速飞行器结构件对高温钛合金的需求越来越迫切，一体化成形构件已成为高速飞行器发展的关键。由于成形的复杂性和难度大，往往需要借助焊接进行关键部位的连接。

现广泛应用于钛合金中的焊接方法主要有TIG焊、激光焊、电子束焊等。其中，TIG焊是连接薄板金属和打底焊的一种常用方法，但易出现焊穿、变形大、焊接参数及焊接性能不稳定、焊速低等现象；同时存在接头组织粗大的问题，影响结构使用性能。激光焊则具有净化熔池、纯净焊缝金属的作用，但穿透力差，保护气氛和纯度有限。电子束焊接是以真空聚焦的高能电子束来焊接，焊缝窄、深宽比大、接头性能好，焊缝和热影响区不会被空气污染，效率高。综上，钛的化学性质活泼，TIG焊、激光焊、MIG焊等保护气氛和纯度有限，因此真空电子束焊是前较为成熟的高能束流加工方法之一且非常适合于钛及钛合金的焊接。

在电子束焊接过程中，母材局部受热，散热速度快，焊缝成形质量差，在冷却凝固过程中，气孔来不及逃出而留在焊缝内部。同时，因为焊件受热不均，产生内应力，导致在焊缝部位容易发生应力集中，焊件具有开裂的倾向。为解决这一系列问题，多采用高温电子束焊方法进行材料的焊接。

高温电子束焊是将待焊母材整体预热到一定温度后保温，在保温过程中进行电子束焊接。经焊前预热和保温，母材的散热率降低，熔池凝固速度减慢，从而使得熔池能够连续向前推进，最终将获得成形良好、深宽比大的焊缝。由于熔池凝固速度的下降，为熔池中的气孔提供充足时间溢出，减少孔隙率。另外，母材具有较高的温度，与熔池间温差小，焊缝区散热慢，气体有足够的实际逃出，也可以减小一部分因受热不均产生的热应力，从而避免了常规电子束焊接中遇到的一系列问题。

何健忠等人在公开发明专利(申请号200620016517.0)中介绍了一种新型高温焊接炉设备。该装置为具有控温、测温、保温能力的炉体，但其可承受的焊接温度只有600℃，小于钛合金的熔点，不适用于钛合金的焊接。还有一些公开发表的改善高温焊接装置及部件的专利(如申请号CN201510587810.6、申请号CN201410141408.0等)，侧重于工艺设备上的优化，但没有针对钛合金的特点进行相关工艺方法的改善。

但在一些文献中涉及有工艺方法。如付鹏飞等人在Rare Metal Materials&Engineering期刊中于2013年公开发表的Microstructure and Properties of EBW andHeat Treatment with Multi-beam Technology for near alpha Titanium Alloy中，采用电子束局部热处理对钛合金进行焊接。将电子束流分成前、中、后三束，分别调整各束流能量。前端与后端的电子束能量小，作为焊接的预热和后热；中部的电子束流能量大，则用于焊接。三束电子束流间隔小，同时扫过焊缝，对所扫局部区域进行瞬时的预热、焊接和后热。该方法在一定程度上减小了孔隙率、变形量和内应力。但由于束流限制，热处理面积小且时间短暂。