CN109048026A - 一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双同心环焊缝焊接领域，具体公开了一种铸造铝合金双同心环焊缝的焊接方法，包括过盈装配、定位焊接、焊后热处理等步骤。本发明通过过盈装配、整体定位焊、优化焊接工艺参数及焊后处理等措施及时消除焊接应力，达到消除焊接裂纹的目的，避免铸造铝合金双同心环焊缝气孔、裂纹缺陷产生。

Description

一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法
技术领域
本发明属于双同心环焊缝焊接技术领域，具体涉及一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法。
背景技术
某型航空发动机后通风器转子组件采用铸造铝合金材料制成，铸造铝合金材料焊接性能较差，主要表现为：(1)铝同氧的亲和力非常大，因此常常在铝及其合金表面形成一层致密的氧化膜，该层氧化组织的熔点远远超过铝本身，而且不溶于金属，还妨碍被熔化金属的润湿作用，不仅影响焊接的正常进行，还可能因为其中存在杂质和水分等造成焊接缺陷；(2)因为铝及其合金的导热性非常高，为低碳钢的5倍，所以焊接时需要高的线能量或者采用焊前预热的方法以保证焊接效果；(3)铝的膨胀系数较大，凝固时的收缩率也较大，所以一旦焊接过程中工艺措施不当，就会造成焊缝开裂；(4)铝的高温强度较差，且铸造合金本身组织较为疏松，所以在焊接时易引起焊缝接头处金属塌陷或咬边；(5)由于铝的性质比较活泼，易在焊后焊缝中产生气孔缺陷。
该通风器转子组件采用真空电子束焊接工艺进行焊接，焊缝接头结构如图1所示，其上设有两条焊缝且为双同心环焊缝，双同心环焊缝是指在同一平面内有两条同心的环焊缝的焊缝结构。在进行第一道焊缝焊接过程中，另外一道焊缝接头间隙由于焊接拉应力作用而增大，导致第二道焊缝焊接成型较为困难，接头间隙不易保证，焊缝存在较大的拉应力，焊后以及后续车加工后焊缝易出现开裂现象。
发明内容
本发明创造的目的是提供一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，能够有效避免铸造铝合金双同心环焊缝气孔缺陷、裂纹缺陷的产生，焊缝易开裂的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，包括以下步骤：
1)焊前装配：将需要焊接在一起的零件采用过盈配合的方式装配好；
2)定位焊接：根据环焊缝的直径大小采用六点、八点或十二点定位的方式依次对同心环焊缝定位，定位后对接头处进行焊接；
3)在焊接后将焊好的组件整体进行真空热处理，最后放置空冷。
进一步，在步骤1)之前好包括焊前预处理操作：采用碱洗的方式将零件表面氧化膜充分去除，然后采用钢丝刷对零件待焊接头及附近区域进行打磨，直至零件待焊接头表面及附近区域表面露出新鲜金属。
进一步，附近区域为以待焊接头处为中心线，距离中心线为10mm以内的区域。
进一步，在焊前预处理结束后24h内完成零件的焊接。
进一步，步骤2)中焊接速度为20±2mm/s，加速电压为150±1kv，聚焦电流为2450±10mA，焊接电流为7±0.5mA。
进一步，焊接接头厚度为4.3mm。
进一步，采用型号为KS150-G150的真空电子束焊机焊接。
进一步，步骤1)中过盈配合的过盈量为0.02～0.04mm。
进一步，在焊接后8h内将焊好的组件整体进行真空热处理。
进一步，真空热处理的保温温度为130±10℃，保温时间为300～310min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，将间隙配合更改为过盈配合，其目的是在焊前对零件焊缝部位预置压应力，在焊接过程中可以部分抵消因焊接产生的拉应力，从而降低拉应力值，减小裂纹产生的可能性。采用过盈配合的方式还可以部分弥补铸造类零件材料组织疏松易产生焊接缺陷的可能性；装配好后再通过整体定位焊的工艺，能够消除接头间隙在焊接过程中带来的影响，解决了第二道焊缝表面成型的问题；本发明通过在整体定位焊后增加真空热处理工艺，能够降低焊缝拉应力，避免了焊接裂纹的产生。
进一步，采用化学清理与机械打磨相结合的工艺方法对零件进行清理，去除零件表面的致密氧化膜，能够有效保证焊前焊接结合面的清理质量，避免清理不彻底造成的焊缝气孔缺陷。
进一步，由于新鲜的铝及铝合金在大气环境下会很快会生成氧化膜，因此要求在焊接接头清理后24h内完成零件的装配焊接，可以有效保证焊接质量。
进一步，根据焊缝结构的特殊性及材料焊接性的特点，通过优化焊接工艺参数，焊接速度为20±2mm/s，加速电压为150±1kv，聚焦电流为2450±10mA，焊接电流为7±0.5mA，解决了焊缝表面成型及焊缝气孔的问题。
附图说明
图1为通风器转子组件及焊接位置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，包括以下步骤：
1)焊前装配：将需要焊接在一起的零件采用过盈配合的方式装配好；
2)定位焊接：根据环焊缝的直径大小采用六点、八点或十二点定位的方式依次对同心环焊缝定位，定位后采用真空电子束焊机焊接；该组件为双同心环焊缝，在进行第一道焊缝焊接过程中，另外一道焊缝接头间隙由于焊接拉应力作用而增大，导致第二道焊缝焊接成型较为困难，本发明通过两道焊缝整体先定位再焊接的工艺，解决了第二道焊缝表面成型的问题；
3)在焊接后8h内将焊好的组件整体进行真空热处理，最后放置空冷，真空热处理的保温温度为130±10℃，保温时间为300～310min，焊后加入热处理工序，以保证焊后零件的应力能够及时得到消除，避免了焊接裂纹的产生。经试验及查阅相关技术标准，确定出如表1所示的焊后热处理工艺参数：
表1热处理工艺参数
保温温度(℃) 保温时间(min) 冷却方式
130±10 300～310 空冷
通风器转子组件焊接接头厚度一般为4.3mm，在后续焊缝表面车加工过程中，由于焊接以及机加应力的存在，焊缝易出现局部开裂问题。本发明通过焊后增加真空热处理工艺的方法，降低焊缝拉应力，避免了焊接裂纹的产生。
实施例2
一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，包括以下步骤：
1)焊前清理：在焊前采用碱洗的方式将表面氧化膜充分去除，其次采用钢丝刷对待焊接头及附近区域进行打磨，直至待焊接头表面及附近10mm区域内露出新鲜金属，以保证焊接质量，由于新鲜的铝及铝合金在大气环境下会很快生成氧化膜，为了保证焊接质量，要求在接头清理后24h内完成零件的焊接；
2)焊前装配：将需要焊接在一起的零件采用过盈配合的方式装配好；
3)定位焊接：根据环焊缝的直径大小采用六点、八点或十二点定位的方式依次对同心环焊缝定位，定位后采用真空电子束焊机焊接；
4)在焊接后8h内将焊好的组件整体进行真空热处理，最后放置空冷，真空热处理的保温温度为130±10℃，保温时间为300～310min。
采用焊前碱洗与机械刮削的方法确保焊缝表面清理质量，能够有效保证焊前焊接结合面的清理质量，避免清理不彻底造成的焊缝气孔缺陷；装配时保证零件焊接接头处(0.02-0.04)mm的过盈量，可有效减少焊缝拉应力，整体定位焊能够消除接头间隙在焊接过程中带来的影响，要求焊接完成后8h内进行热处理能够及时的消除焊接应力，以上工艺方法较好的解决了铸造铝合金材料双同心环焊缝气孔、裂纹缺陷问题。
由于该材料较软，在处理的过程中一些较硬的物质会在较强作用力的情况下嵌入母材，所以不能采用砂纸或砂轮进行打磨以免砂粒进入焊接区域影响焊缝质量。同时，装配过程中禁止赤手或其他污染物触及焊缝及附近区域。
目前，在零件试制过程中通风器转子组件装配采用间隙配合，因为零件为双同心环焊缝结构，焊后两条焊缝会受到拉应力作用而导致零件变形甚至开裂。本发明将间隙配合更改为过盈配合，其目的是在焊前对零件焊缝部位预置压应力，在焊接过程中可以部分抵消因焊接产生的拉应力，从而降低拉应力值，减小裂纹产生的可能性。采用过盈配合的方式还可以部分弥补铸造类零件材料组织疏松易产生焊接缺陷的可能性。
铝及铝合金热导性好，在焊接时热输入将向母材迅速流失，因此焊接时需要降低焊接速度，但降低焊接速度后零件产生热裂纹的可能性将增大，焊缝宽度变大且热影响区增宽，降低焊接速度后产生焊接变形的倾向也将变大，而增大焊接速度后焊缝产生气孔的可能性又会增加。采用型号为KS150-G150的真空电子束焊机，通过多组焊接试板、试件焊接参数工艺试验，摸索出合理的焊接工艺参数，如表2所示，较好的解决了焊缝表面成型及焊缝气孔的问题。
表2电子束焊接工艺参数
焊接速度(mm/s) 加速电压(kV) 聚焦电流(mA) 焊接电流(mA)
20±2 150±1 2450±10 7±0.5
综上所述，根据焊缝结构的特殊性及材料焊接性的特点，通过过盈装配、整体定位焊、优化焊接工艺参数、焊后处理等措施及时消除焊接应力，达到消除焊接裂纹的目的。

Claims (10)

1.一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)焊前装配：将需要焊接在一起的零件采用过盈配合的方式装配好；
2)定位焊接：根据环焊缝的直径大小采用六点、八点或十二点定位的方式依次对同心环焊缝定位，定位后对接头处进行焊接；
3)在焊接后将焊好的组件整体进行真空热处理，最后放置空冷。
2.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，在步骤1)之前好包括焊前预处理操作：采用碱洗的方式将零件表面氧化膜充分去除，然后采用钢丝刷对零件待焊接头及附近区域进行打磨，直至零件待焊接头表面及附近区域表面露出新鲜金属。
3.根据权利要求2所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，附近区域为以待焊接头处为中心线，距离中心线为10mm以内的区域。
4.根据权利要求2所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，在焊前预处理结束后24h内完成零件的焊接。
5.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，步骤2)中焊接速度为20±2mm/s，加速电压为150±1kv，聚焦电流为2450±10mA，焊接电流为7±0.5mA。
6.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，焊接接头厚度为4.3mm。
7.根据权利要求1、5或6所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，采用型号为KS150-G150的真空电子束焊机焊接。
8.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，步骤1)中过盈配合的过盈量为0.02～0.04mm。
9.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，在焊接后8h内将焊好的组件整体进行真空热处理。
10.根据权利要求1或9所述的一种铸造铝合金双同心环焊缝的电子束焊接方法，其特征在于，真空热处理的保温温度为130±10℃，保温时间为300～310min。
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