CN100369706C - 一种薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法 - Google Patents
一种薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，适用于壁厚为1.5～3.4mm的TC11材料组件，其特征在于真空电子束焊的工艺参数为：定位焊：均匀定位，加速电压150kv，工件距枪口距离200～1200mm，焊接速度8.3mm/s，焊接束流2.5mA，封口焊：加速电压150kv，工件距枪口距离200～1200mm，摆动波形三角波，摆动频率20Hz，摆动幅值1.2mm，焊接速度8.3mm/s，焊接束流1.5mA，正式焊：加速电压150kv，工件距枪口距离200～1200mm，摆动波形三角波，摆动频率20Hz，摆动幅值1.2mm，焊接速度8.3mm/s，焊接束流4.4mA。本发明方法优化了焊接参数，实现了小飞溅的穿透焊，并采用了电子束焊校形工艺，很好地控制了焊后几何尺寸。
Description
技术领域：
本发明涉及焊接技术，特别提供了一种薄壁TC11钛合金组件的真空电子束焊接方法。
背景技术：
薄壁钛合金组件是航空航天领域经常用到的组件，以飞机发动机膜盒组件为例，它是前后传动机匣之间的弹性连接轴，作用是消除飞机转弯时因轴弯曲变形带来的应力。其结构如图1所示。该件为薄壁波纹管焊接构件：由三波六碟二法兰七条焊缝连接而成，材料为TC11，焊缝处厚度2.2mm，膜板厚度0.9mm，膜盒外径Φ150mm，内径Φ60mm，波间距约27.8mm，最终总长117mm，焊前总长127mm，焊后要求总长控制在119～121mm之间，焊后两法兰同轴度≤0.30mm，焊缝等级为I级，技术条件要求十分严格。组件上七条焊缝中有三条为模盒波峰焊缝，膜板薄且其内腔狭小，要求I级焊缝即100％焊透，且焊缝反面不许存在缩沟、咬边、飞溅物等缺陷。由于焊枪及加工刀具无法进入，若采用通常的电子束穿透焊方法，焊缝反面缺陷修补及内腔中金属飞溅物清理将是一大难题，所以必须优化焊接参数，实现内部小飞溅的穿透焊技术。同时组件焊后几何尺寸要求十分严格，焊后缩短量、零件同轴度要求很高，整套工艺技术难度相当大。俄罗斯焊接该组件的合格率很低(30％)。
发明内容：
本发明的目的是提供一种薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，该方法优化了焊接参数，实现了小飞溅的穿透焊，并采用了电子束焊校形工艺，很好地控制了焊后几何尺寸。
本发明具体提供了一种薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，适用于壁厚为1.5～3.4mm的TC11材料组件，其特征在于真空电子束焊的工艺参数为：
定位焊：均匀定位
加速电压 150kv
工件距枪口距离 200～1200mm
焊接速度 8.3mm/s
焊接束流 2.5mA
封口焊：
加速电压 150kv
工件距枪口距离 200～1200mm
摆动波形 三角波
摆动频率 20Hz
摆动幅值 1.2mm
焊接速度 8.3mm/s
焊接束流 1.5mA
正式焊：
加速电压 150kv
工件距枪口距离 200～1200mm
摆动波形 三角波
摆动频率 20Hz
摆动幅值 1.2mm
焊接速度 8.3mm/s
焊接束流 4.4mA。
本发明薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法中，为了保证组件焊后几何尺寸精度要求，在组件焊接完成后，还摸索了真空电子束焊进行校形的方法，对组件进行焊后几何尺寸控制，电子束校形的的工艺参数为：
将电子束对准焊缝，对焊缝进行压紧或拉伸；
当聚焦电流增加值为40mA，摆动幅值为1.5mm，焊接电流为4.0mA时，近似校正值为0.4～1.0mm；
当聚焦电流增加值为50mA，摆动幅值为1.7mm，焊接电流为4.0mA时，近似校正值为0.5～1.2mm；
当聚焦电流增加值为70mA，摆动幅值为1.7mm，焊接电流为4.5mA时，近似校正值为0.8～1.5mm；
当聚焦电流增加值为70mA，摆动幅值为1.7mm，焊接电流为5.0mA时，近似校正值为1.0～2.0mm。
提高真空度，对焊接有利。电子束焊接TC11钛合金时，为获得最佳的焊接结果，常常采用高真空焊接环境。试验证明，薄壁钛合金组件焊接时要求真空度最好在2×10-2Pa以上，可防止焊缝氧化和出现气孔，焊缝成型好。
本发明的发明人通过大量试验发现，焦点位置对电子束焊接质量有较大的影响，根据经验及试验，对于薄壁件来说，表面焦点及上焦点是电子束焊较适用的活性区域，下焦点易造成焊接飞溅和焊缝内咬边等缺陷，一般不采用。试验结果表明用表面焦点焊接膜盒组件效果最好。
焊接速度对焊接的质量也会产生一定影响，慢速的咬边比快速的咬边情况好些。因为焊接速度高，电子束焊缝窄，熔池与基体金属间温度梯度大，冷凝快，易产生咬边。适当降低焊速，还可使熔池停留时间增加，气体得以排出，从而减少气孔率。
另外，通过试验发明人发现，对于薄壁TC11钛合金来说，高压焊接比低压焊接好：束流小、成型好、易控制。
同时，发明人还考察了在电子束能量密度不变的情况下，使电子束按一定波形、幅值和频率的函数曲线进行电子束偏摆扫描，即改变束孔中输入能量的分布，减小束孔中心部位的输入能量，同时使熔池中液态金属受到搅动，从而使焊缝成型发生变化，控制和改善焊缝几何形状和表面成形，以获得良好的焊接接头。
通过试验获得，在不加摆动时，焊缝横截面象大头针型，熔合线稍有弯曲，焊缝上、下部宽度变化较大，束孔根部尖锐，随着幅值的增加，焊缝的形状逐渐发生变化：随着摆动幅值的增加，焊接熔深逐渐减小，而焊缝的内部宽度有所增加，熔深变浅、焊缝由大头钉型变为长楔型、下部宽度增加，根部变园。并且电子束在焊接过程中加上一定波形，按一定幅值和频率摆动，可使熔池延缓凝固，有利于气泡逸出，消除焊缝内部气孔，有效改善焊缝质量。如果摆动幅值和频率选择适当，焊缝虽然熔宽稍有增加，在消除焊缝气孔等缺陷的同时还具有细化晶粒作用，从提高接头性能和质量来说还是很有益处的。
通过试验、分析得出，采用三角波或扁椭圆波均可，其余如正弦波或圆波等成形较差或极差。如果选择的波形不合适，如圆波、正弦波等也易产生内咬边、气孔等其他缺陷。
摆动频率对焊接结果也有一定影响，对于熔化时流动特性好的TC11钛合金来说，摆动频率的变化可改变搅拌熔化金属的次数。采用低频摆动的波形，在保证消除气孔的同时更有利于减少内、外咬边缺陷的产生。
总之，本发明薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法通过对电子束焊接参数的优化、匹配，及电子束校形技术的初步应用，基本实现了薄壁钛合金组件的工艺技术要求，即达到内部小飞溅、反面无缺陷的穿透焊，实现单面焊双面成型的优质焊接工艺技术，并且在零件合格率和质量上有较大提高，为该类组件的国产化奠定了工艺技术基础。
附图说明：
图1为飞机发动机组件膜盒结构。
具体实施方式：
实施例1
焊接试验用材料为厚度2.0mm的TC11薄板，其化学成分如表1：
表1
| 合金元素，％ | 杂质，％，不大于 | |||||||||
| Al | Mo | Zr | Si | Ti | Fe | C | N | H | O | 其他总和 |
| 5.8～7.0 | 2.8～3.8 | 0.8～2.0 | 0.20～0.35 | 余量 | 0.25 | 0.10 | 0.05 | 0.012 | 0.15 | 0.3 |
焊接试验用设备为KS120-G300KM真空电子束焊机：高压90～150KV，具有16种波形，调频范围大。
通过对等厚度、同状态的TC11板材采用不同的焊接参数组合，进行了大量试验，部分数据见表2、表3。
表2150KV同频变波形焊接参数表
表3三角波加速电压对比焊接参数表(三角波、幅值为1.7mm)
| A10 | 300.00 | 120.00 | 150 | 8000 | 4.3 | 80.625 |
| B1 | 302.00 | 140.00 | 120 | 20 | 4.0 | 60 |
| B2 | 302.00 | 120.00 | 120 | 50 | 4.5 | 67.5 |
| B3 | 1.00 | 1.00 | 120 | 100 | 5.6 | 84 |
| B4 | 1.00 | 1.00 | 120 | 200 | 5.6 | 84 |
| B5 | 1.00 | 1.00 | 120 | 500 | 5.6 | 84 |
| B6 | 316.00 | 140.00 | 120 | 1000 | 5.6 | 84 |
| B7 | 320.00 | 140.00 | 120 | 2000 | 5.6 | 84 |
| B8 | 318.00 | 140.00 | 120 | 3000 | 5.6 | 84 |
| B9 | 320.00 | 130.00 | 120 | 5000 | 5.6 | 84 |
| B10 | 1.00 | 1.00 | 120 | 8000 | 5.6 | 84 |
| C1 | 1.00 | 140.00 | 100 | 20 | 5.6 | 70 |
| C2 | 1.00 | 180.00 | 100 | 50 | 6.6 | 82.5 |
| C3 | 1.00 | 160.00 | 100 | 100 | 6.9 | 86.25 |
| C4 | 1.00 | 1.00 | 100 | 200 | 6.9 | 86.25 |
| C5 | 1.00 | 1.00 | 100 | 500 | 6.9 | 86.25 |
| C6 | 1.00 | 132.00 | 100 | 1000 | 6.9 | 86.25 |
| C7 | 282.00 | 152.00 | 100 | 2000 | 6.9 | 86.25 |
| C8 | 286.00 | 142.00 | 100 | 3000 | 6.9 | 86.25 |
| C9 | 284.00 | 140.00 | 100 | 5000 | 6.9 | 86.25 |
| C10 | 1.00 | 1.00 | 100 | 8000 | 6.9 | 86.25 |
实施例2
飞机发动机膜盒的焊接，膜盒结构见图1，将同组的单盒组装在单盒焊接工装上，检查装配质量，确认无误后，抽真空至2×10-2Pa以上，先进行定位焊，再进行封口焊，然后进行穿透焊，最终进行修饰焊。焊接参数见表4。出仓进行焊缝外观检查(内腔可借助镜片进行)，合格后进行下一单件的焊接，每套膜盒组件共有三个单盒。
表4 膜盒组件单盒(Φ150)真空电子束焊参数表
将焊接合格的三个单盒及两件法兰按组装好，抽真空至2×10-2Pa以上，先进行定位焊，再进行封口焊，然后进行穿透焊，最终进行修饰焊。焊接参数见表5。出仓进行焊缝外观检查，合格后，调整压紧螺帽，重新调整、确认装配精度，进行下一条缝的焊接(共4条焊缝)。
表5膜盒组件(Φ60)真空电子束焊参数表
电子束焊校形技术
膜盒组件的焊接变形主要表现在焊后几何尺寸超出了要求。电子束焊校形即焊后几何尺寸控制工艺技术就是利用钛合金850℃以上产生超塑的特点，在真空状态下采用散焦电子束焊接热源，对已被外力定型的膜盒组件进行超塑变形处理，使零件达到预期所要求的几何尺寸。电子束焊校形焊接数据见表6。
表6 电子束焊校形焊接参数表
表7 膜盒组件校形数据采集表 单位：mm
为提供可靠的使用性能，对膜盒组件进行了力学性能试验，试片与组件同材质、同状态、同厚度、同型式，并按同参数、同工艺进行焊接和焊后检查、热处理。接头力学性能试验结果见表8、表9、表10。
数据表明，TC11钛合金通过采用合适的电子束焊接参数、工艺技术，焊缝高温瞬时、高温持久等项目均符合要求。焊接接头各项性能指标可与母材相比，符合要求。
表8 高温瞬时试验数据表
表9 高温持久试验数据表
表10 机械性能试验数据表
Claims (5)
1.一种薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，适用于壁厚为1.5～3.4mm的TC11材料组件，其特征在于真空电子束焊的工艺参数为：
定位焊：均匀定位
加速电压150kv
工件距枪口距离200～1200mm
焊接速度8.3mm/s
焊接束流2.5mA
封口焊：
加速电压150kv
工件距枪口距离200～1200mm
摆动波形三角波
摆动频率20Hz
摆动幅值1.2mm
焊接速度8.3mm/s
焊接束流1.5mA
正式焊：
加速电压150kv
工件距枪口距离200～1200mm
摆动波形三角波
摆动频率20Hz
摆动幅值1.2mm
焊接速度8.3mm/s
焊接束流4.4mA。
2.按照权利要求1所述薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述组件焊接完成后再用真空电子束焊的方法对组件进行修饰整形，修饰焊的工艺参数为：
将电子束对准焊缝，对焊缝进行压紧或拉伸；
当聚焦电流增加值为40mA，摆动幅值为1.5mm，焊接电流为4.0mA时，近似校正值为0.4～1.0mm；
3.按照权利要求1所述薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述组件焊接完成后再用真空电子束焊的方法对组件进行修饰整形，修饰焊的工艺参数为：
将电子束对准焊缝，对焊缝进行压紧或拉伸；
当聚焦电流增加值为50mA，摆动幅值为1.7mm，焊接电流为4.0mA时，近似校正值为0.5～1.2mm；
4.按照权利要求1所述薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述组件焊接完成后再用真空电子束焊的方法对组件进行修饰整形，修饰焊的工艺参数为：
将电子束对准焊缝，对焊缝进行压紧或拉伸；
当聚焦电流增加值为70mA，摆动幅值为1.7mm，焊接电流为4.5mA时，近似校正值为0.8～1.5mm；
5.按照权利要求1所述薄壁钛合金组件的真空电子束焊接方法，其特征在于：所述组件焊接完成后再用真空电子束焊的方法对组件进行修饰整形，修饰焊的工艺参数为：
将电子束对准焊缝，对焊缝进行压紧或拉伸；
当聚焦电流增加值为70mA，摆动幅值为1.7mm，焊接电流为5.0mA时，近似校正值为1.0～2.0mm。
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