CN114043062A - 一种超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法，本发明技术方案采用低速、低压焊接的技术措施，低速低压的本质是增大焊接过程的热输入，并且把本应在焊接前进行的预热过程放入焊接过程，使得在焊接过程中存在既有预热又有焊接过程，相当把预热的过程包含在焊接过程中，这样的话可以减少一个单独的预热过程，同时提高部件的焊接生产效率。另外在研究过程中，也按照通常的焊前经电子束单独预热焊，采用高速(40mm/s)、高压(150kV)的焊接技术，但无论此材料的被焊部件是否焊透，焊接接头均有大量的焊接裂纹产生。

Description

一种超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法
技术领域
本发明是一种超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法，属于子束焊接技术领域。
背景技术：
齿轮和轴承是航空发动机、直升机以及其它武器装备机械传动***中的关键构件，在高速、重载、复杂应力状态和剧烈状态变化的工况下使用，直接关系武器装备的性能与使用安全，失效将导致灾难性事故。新一代涡轴传动***结构设计将采用三代齿轮钢15Cr14Co12Mo5Ni2WA制造的中、尾减速器是直升机桨毂一体化的关键部件。中、尾减速器由齿轮、轴等组件焊接制造，结构材料15Cr14Co12Mo5Ni2WA(CSS-42L)具有高合金化、淬透性强、工作温度高等特点，采用电子束焊接方法具有较强的脆硬、焊接裂纹倾向性。
发明内容
本发明正是上述技术问题而设计提供了一种超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法，其目的是解决三代齿轮钢15Cr14Co12Mo5Ni2WA在电子束焊接过程中产生裂纹的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明所述的超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法中，超高强度齿轮轴承钢为15Cr14Co12Mo5Ni2WA三代齿轮钢，该焊接方法的步骤是：
步骤一、对规格厚度为5mm-15mm的两块待焊的焊接料板1的待焊面及周围20mm区域进行打磨除锈处理，之后使用无纺布蘸取丙酮擦拭待焊面及周围区域；
步骤二、采用“Ⅰ”型平板对接方式将两块焊接料板1放置在电子束焊接设备的真空室平台上进行固定；
步骤三、对真空室抽当真空，当真空压强达到5×10-2Pa后，找正待焊接缝2的位置轨迹并进行电子束焊接，焊接工艺参数：焊接速度为2mm/s-6mm/s，焊接加速电压70kV-100kV，焊接聚焦电流为1200mA-1600mA，电子束束流为5mA-30mA；
步骤四、焊接结束后，将真空室真空保持10min-20min后，放气出炉。
在实施时，步骤二中的两块焊接料板1放置在一块垫板5上，在待焊接缝2的两侧分别设置有引弧块3、收弧块4。
在实施时，上述步骤一中清理时首先要求试板进行退磁处理，由于电子束焊接磁性材料时，本身磁性材料的剩磁将影响焊接质量，容易把焊接时的电子束诱导偏移，导致焊偏焊缝，因此焊前需对待焊的磁性金属材料进行退磁处理，要求焊接试板的剩磁磁通量密度应不大于3×10-4T的要求。
在实施时，步骤二中平板对接固定时要求待焊面得局部最大间隙不得超过0.10mm,因为间隙过大将影响电子束焊接质量，容易产生引起电子束束流值过大，焊缝成形不良以及焊缝缺陷超标。
在实施时，步骤四中焊接完成的试板不得立即进行放气出炉，因为刚焊接完成的试板的焊缝及焊缝附近位置的表面温度将达到900℃-700℃，此时将真空时充气出炉，相当于给焊接试板焊缝进行淬火处理了，将导致试板的焊缝产生裂纹以及焊缝表面氧化等严重质量问题。
本发明技术方案针对被焊材料的厚度为5mm-15mm，通常此厚度规格中采用的焊接速度为15mm/s-40mm/s，焊接加速电压120kV-150kV；而本发明针对此材料采用反而是焊接速度为2mm/s-6mm/s,焊接加速电压70kV-100kV。
15Cr14Co12Mo5Ni2WA(CSS-42L)具有超高强度、高合金化、淬透性强及焊接性差的特性。如果按照照通常的电子束焊接方法，在此焊接厚度5mm-15mm，采用高速、高压(15mm/s-40mm/s，焊接加速电压120kV-150kV)，实际的焊接结果为接头有大量的焊接裂纹产生。按照线能量公式q＝UI/v,I为电子束焊接束流，U为加速电压，V为焊接速度；经研究结果得出此材料的焊接需要增大的焊接线能量才能有效控制焊接裂纹的产生。
本发明技术方案采用低速、低压焊接的技术措施，低速低压的本质是增大焊接过程的热输入，并且把本应在焊接前进行的预热过程放入焊接过程，使得在焊接过程中存在既有预热又有焊接过程，相当把预热的过程包含在焊接过程中，这样的话可以减少一个单独的预热过程，同时提高部件的焊接生产效率。另外在研究过程中，也按照通常的焊前经电子束单独预热焊，采用高速(40mm/s)、高压(150kV)的焊接技术，但无论此材料的被焊部件是否焊透，焊接接头均有大量的焊接裂纹产生。
通过研究，针对本发明要求的焊接厚度为5mm-15mm，本发明技术方案采用的焊接速度为2mm/s-6mm/s,焊接加速电压70kV-100kV,在此条件下，能够同时形成了对焊接束流的匹配关系，根据线能量关系q＝UI/v，在加速电压U及焊接速度v的确定下，焊接束流I与线能量q成正比关系，根据焊接厚度及焊接质量要求，焊接束流I存在最小值和最大值，即焊接术语上说的焊接束流I焊接窗口的大小。
研究得到的结果表明，该种匹配关系使无论是被焊材料是否焊透，经检测焊接接头均未发现焊接裂纹的产生，在实际操作过程中未焊透的焊接料板的焊接应力要比焊透的大，更容易产生焊接裂纹，实际采用技术措施并未发现焊接裂纹。
上述焊接参数选取的研究过程示例如以下所示：
待焊试板为15Cr14Co12Mo5Ni2WA，试验结果如下：
一、高速高压焊接
加速电压150kV,焊接速度15mm/s，结果如图1、2所示，图中左为正面，右为背面。图1的焊接结果：试板已焊透，经X射线检测有裂纹。图2的焊接结果：试板未焊透，经X射线检测有裂纹。
加速电压150kV,焊接速度40mm/s，结果如图3、4所示，图中左为正面，中为背面，右为焊缝横截面。图3的焊接结果：试板已焊透，经X射线检测有裂纹。图4的焊接结果：试板未焊透，经X射线检测有裂纹。
二、低速低压焊接过程：
加速电压90kV,焊接速度4mm/s，结果如图5、6所示，图中左为正面，中为背面，右为焊缝横截面。图3的焊接结果：试板已焊透，经X射线检测有裂纹。图4的焊接结果：试板未焊透，经X射线检测有裂纹。
附图说明
图1、图2为对15Cr14Co12Mo5Ni2WA待焊试板进行高速高压焊接的试验结果
图3、图4为对15Cr14Co12Mo5Ni2WA待焊试板进行另一种高速高压焊接的试验结果
图5、图6为对15Cr14Co12Mo5Ni2WA待焊试板进行低速高压焊接的试验结果
图7为本发明技术方案中的焊接料板的装配结构示意图
图8为焊接料板焊前装配的照片
图9为焊接料板焊接后的照片
图10为焊接料板焊接后截面的照片
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
本实施例所针对的超高强度齿轮轴承钢为15Cr14Co12Mo5Ni2WA，其电子束焊接方法的步骤如下：
步骤一、该种待焊接超高强度齿轮轴承钢，待焊厚度为5mm-15mm，待焊钢的抗拉强度不低于1770MPa、屈服强度不低于1350MPa，钢的洛氏HRC硬度为48-52；
对待焊的焊接料板1首先进行剩磁检测，采用磁力计逐件检查待焊位置的磁通量密度，零件的磁通量密度应不大于3×10-4T；若大于3×10-4T时，需要进行退磁处理，直至零件磁通量密度满足要求为止；
对焊接料板1的待焊接面及表面附近20mm区域进行打磨除锈处理，之后使用无纺布蘸取丙酮擦拭待焊面及附近区域；
步骤二、采用“Ⅰ”型平板对接方式将两块焊接料板1放置在电子束焊接设备的真空室平台上进行固定，两块焊接料板1放置在一块垫板5上，在待焊接缝2的两侧分别设置有引弧块3、收弧块4，如图7、8所示；
步骤三、关上真空室抽真空，当真空压强达到5×10-2Pa时开始加高压，找正待焊接缝2的位置轨迹进行电子束焊接；
当找正待焊接缝2需要按焊接程序完成，首先进行预热焊，焊接工艺参数为：焊接速度为2mm/s-6mm/s，焊接加速电压为70kV-100kV，焊接束流为2mA-10mA；
预热焊完成后，按焊接程序进行下一步焊接，焊接工艺参数为：焊接速度为2mm/s-6mm/s,焊接加速电压70kV-100kV，焊接束流为5mA-30mA；
步骤四、焊接结束后，电子束焊机的真空室应保持真空10min-20min后放气出炉。
出炉时需穿戴隔热手套拿取焊接完成的零件。
经X射线检测，焊接试板未发现焊接裂纹，焊缝、横截面如9、10所示。

Claims (4)

1.一种超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法，所述超高强度齿轮轴承钢为15Cr14Co12Mo5Ni2WA三代齿轮钢，其特征在于：该焊接方法的步骤是：
步骤一、对规格厚度为5mm-15mm的两块待焊的焊接料板(1)的待焊面及周围20mm区域进行打磨除锈处理，之后使用无纺布蘸取丙酮擦拭待焊面及周围区域；
步骤二、采用“Ⅰ”型平板对接方式将两块焊接料板(1)放置在电子束焊接设备的真空室平台上进行固定；
步骤三、对真空室抽当真空，当真空压强达到5×10-2Pa后，找正待焊接缝(2)的位置轨迹并进行电子束焊接，焊接工艺参数：焊接速度为2mm/s-6mm/s，焊接加速电压70kV-100kV，焊接聚焦电流为1200mA-1600mA，电子束束流为5mA-30mA；
步骤四、焊接结束后，将真空室真空保持10min-20min后，放气出炉。
2.根据权利要求1所述的超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法，其特征在于：步骤二中，两块焊接料板(1)放置在一块垫板(5)上，在待焊接缝(2)的两侧分别设置有引弧块(3)、收弧块(4)。
3.根据权利要求1所述的超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法，其特征在于：在焊接前，对焊接料板(1)进行退磁处理，焊接料板(1)的剩磁磁通量密度应小于3×10-4T。
4.根据权利要求1所述的超高强度齿轮轴承钢电子束焊接方法，其特征在于：步骤二中对接后的两块焊接料板(1)之间的待焊接缝(2)应小于0.10mm。
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