一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法
阅读说明：本技术 一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法 (Vacuum electron beam welding method for ultra-large-size titanium alloy structural part ) 是由 谈哲君 王志敏 步贤政 姚为 武俊飞 孙少波 韩博文 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法,对超大厚度钛合金产品焊缝的上下表面对称施焊,并设计了焊接各步骤的参数范围,解决了当前高压电子束焊接设备焊接不易焊透该厚度产品的问题,巧妙解决了双面电子束焊接带来的焊缝中部钉尖缺陷无法排除的问题,保证了焊接质量和产品性能,适用于焊接厚度在80-130mm之间的超大厚度钛合金电子束焊接,在航空航天制造技术领域有着广泛应用前景。(The invention provides a vacuum electron beam welding method for an ultra-large-size titanium alloy structural part, which is used for symmetrically welding the upper surface and the lower surface of a welding seam of the ultra-large-size titanium alloy product, designing parameter ranges of all welding steps, solving the problem that the existing high-pressure electron beam welding equipment is difficult to weld through the thick product, skillfully solving the problem that the nail tip defect in the middle of the welding seam caused by double-sided electron beam welding cannot be eliminated, ensuring the welding quality and the product performance, being suitable for the ultra-large-size titanium alloy electron beam welding with the welding thickness of 80-130mm, and having wide application prospects in the technical field of aerospace manufacturing.)
技术领域
本发明涉及一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，属于钛合金电子束焊接技术领域。
背景技术
随着航空航天工业和制造技术的快速发展，飞行器产品性能对轻质、高强结构需求大幅提升，超大厚度钛合金结构件逐渐应用在产品设计中。以某飞行器支撑部件为例(图1)，由两个厚度为100mm的铸造钛合金实心块体对接组成，单个块体长度约1100mm，对接宽度约400mm，产品焊后直线度变形要求不超过3mm，焊接质量及一次合格率要求高、焊后排补及校形困难，因此对焊接技术提出了较高要求。电子束焊接作为一种具有能量密度高、热输入低、焊接变形小、焊缝深宽比大、焊接保护气氛优异等特点的焊接方法，在金属焊接领域，尤其在航空航天制造技术领域，得到了广泛应用，极适合大厚度钛合金结构件的焊接。
然而，若采用传统中压电子束焊接方式，由于热输入能量有限，焊接深度无法达到100mm；若采用高压电子束焊接，在产品与电子束枪之间距离较大时，同样由于能量密度不足，也难以达到理论焊接深度；并且，采用双面电子束焊接的方式极易在焊缝熔池中部深度处造成钉尖缺陷，对于超大厚度钛合金，一旦产生该缺陷，很难去除。因此采用传统常规电子束焊接工艺方法难以获得满足GJB1718A-2005《电子束焊接》标准中对I级接头的要求的产品。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，对超大厚度钛合金产品焊缝的上下表面对称施焊，并设计了焊接各步骤的参数范围，解决了当前高压电子束焊接设备焊接不易焊透该厚度产品的问题，巧妙解决了双面电子束焊接带来的焊缝中部钉尖缺陷无法排除的问题，保证了焊接质量和产品性能，适用于焊接厚度在80-130mm之间的超大厚度钛合金电子束焊接，在航空航天制造技术领域有着广泛应用前景。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，包括以下步骤：
(1)对清理和装配完毕后的待焊零部件进行点固焊；
(2)分别对待焊焊缝的上下表面进行电子束点固焊，点固焊中采用的聚焦电流为负值；
(3)对待焊焊缝的下表面进行电子束正式焊，正式焊中采用的聚焦电流为负值；正式焊中在焊缝的前后分别设有加工余量；
(4)对待焊焊缝的下表面进行电子束修饰焊接，并进行冷却；
(5)对待焊焊缝的上表面进行电子束正式焊，正式焊中采用的聚焦电流为正值；正式焊中在焊缝的头尾部分别设有加工余量；
(6)对待焊焊缝的上表面进行电子束修饰焊接。
进一步的，步骤(2)中，点固焊的各段焊缝长度为30～50mm，间隔为30～50mm；点固焊的电子束流的绝对值小于步骤(3)和(5)中的正式焊电子束流的绝对值。
进一步的，步骤(2)中，点固焊的聚焦电流为-30～-50mA，电子束流为30～50mA，焊接速度为400～700mm〃min-1，扫描方式为圆形。
进一步的，步骤(3)和(5)中，正式焊在焊缝的头尾部所设的加工余量为40～50mm。
进一步的，步骤(3)中，对待焊焊缝的下表面正式焊的聚焦电流为-120～-170mA，电子束流为220～280mA，焊接速度为400～700mm〃min-1，扫描方式为圆形；
步骤(5)中，对待焊焊缝的上表面正式焊的聚焦电流为+5～+20mA，电子束流为220～280mA，焊接速度为400～700mm〃min-1，扫描方式为直线形。
进一步的，步骤(4)中，对待焊焊缝的下表面修饰焊接的聚焦电流为-20～+20mA，电子束流为70～110mA，焊接速度为400～700mm〃min-1，扫描方式为圆形；
步骤(6)中，对待焊焊缝的上表面修饰焊接的聚焦电流为+10～+30mA，电子束流为70～110mA，焊接速度为400～700mm〃min-1，扫描方式为直线形。
进一步的，步骤(3)和步骤(5)中，分别在待焊焊缝的下表面和上表面的焊接厚度方向增加5mm～7mm加工余量。
进一步的，所述步骤(1)中，点固焊的方式为手工焊，点固深度为1～2mm；
步骤(1)中，清理的步骤包括：
对以焊缝中心为起点，向垂直于焊缝方向的两侧延伸100～200mm的区域进行碱洗，并烘干后，机械打磨用待焊零部件对接面及以焊缝中心为起点向垂直于焊缝方向的两侧延伸30～70mm区域范围内的母材表面至露出亮白色金属光泽，并用酒精擦拭干净；
步骤(1)中，装配的方法为，通过多个压板将待焊零部件刚性固定在工装上，所述压板之间的间隔为150mm-200mm。
进一步的，所述步骤(2)～步骤(6)在真空度≤2×10-5Pa的环境下进行；
所述步骤(2)～步骤(6)的扫描频率为400～600Hz。
进一步的。所述真空电子束焊接方法还包括步骤(7)焊后质量检测和真空热处理。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用电子束焊接的方法对超大厚度钛合金产品焊缝的上下表面对称施焊，解决了当前高压电子束焊接设备焊接不易焊透该厚度产品的问题，获得满足GJB1718A-2005《电子束焊接》标准中对I级接头的要求的产品；
(2)本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，正式焊时，在上下表面分别采用上焦(聚焦电流为正值)和下焦(聚焦电流为负值)焊接的方式，巧妙解决了双面电子束焊接带来的焊缝中部钉尖缺陷无法排除的问题，保证了焊接质量和产品性能；
(3)本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，通过大量实验，得到了对焊缝的上下表面点固焊、正式焊、修饰焊的焊接参数优选范围，增大了焊接深度，得到良好稳定的焊缝；
(4)本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，特别设计了正式焊的聚焦电流值，首先采用较大的聚焦电流值对焊缝某一表面的焊缝进行焊接，翻面后采用较小的聚焦电流值对另一表面的焊缝进行焊接，保证焊透焊缝；
(5)本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，产品焊缝方向前后各增加了40-50mm的加工余量，在焊接厚度方向的上下表面各增加5mm至7mm加工余量，防止了由于起弧或收弧的能量递增原因造成未焊透问题；
(6)本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，适用于焊接厚度在80-130mm之间的超大厚度钛合金电子束焊接，在航空航天制造技术领域有着广泛应用前景；
附图说明
图1为本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法中待焊零件的装配示意图；
图2为本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法中对焊缝上表面焊接示意图；
图3为本发明一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法中对焊缝下表面示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
典型超大厚度大尺寸钛合金结构件示意图如图1所示，由两个厚度为100mm的铸造钛合金实心块体对接组成，焊接接头为平面对接形式，焊接厚度达到100mm，单个块体长度约1100mm，对接宽度约400mm，产品焊后直线度变形要求不超过3mm，焊接质量及一次合格率要求高、焊后排补及校形困难，因此对焊接技术提出了较高要求。而传统的中压及高压电子束焊接工艺方法由于热输入不足、易产生钉尖缺陷等问题导致难以直接获得满足标准GJB1718A-2005《电子束焊接》中对I级接头的要求。为解决此问题，本发明通过高压电子束焊接设备，采用特殊的焊接工艺方法及参数，加以焊接工装维形，实现超大厚度大尺寸钛合金结构件的高质量焊接及变形控制。
本发明的技术解决方案是：一种超大厚度大尺寸钛合金结构件真空电子束焊接方法，该方法适用于焊接厚度在80-130mm之间的超大厚度钛合金电子束焊接，焊接接头形式为平面对接形。包括以下步骤：
预备步骤：在产品设计阶段，注意沿产品焊缝方向前后各增加40-50mm的加工余量，以防止此处由于起弧或收弧的能量递增原因造成未焊透；可在焊接厚度方向的上下表面各增加5mm至7mm加工余量。
步骤(1)：
(11)焊前清理。对如图1-3所示的大厚度大尺4寸钛合金结构件的两个待焊零部件1与2对接位置周围100-200mm范围内的区域进行碱洗，去除表面油污等杂质，并烘干；用机械清理的方式将待焊零部件1与2对接面及其周围50mm范围内的母材表面打磨干净，去除铸造氧化皮，至露出亮白色金属光泽，并用酒精擦拭干净；
(12)待焊零部件1与2装配。使用焊接工装装配待焊零部件1与2，保证接头对接良好，间隙及阶差不超过0.2mm，使用若干个压板3对工件1和2进行装夹固定，每间隔150mm-200mm设置一个压板3，通过压板将产品1与2刚性固定在工装上，起到维形作用。
(13)手工焊点固。采用手工焊的方式，对装配好的产品的焊缝周围进行均匀点固，点固深度在1-2mm为宜。
(14)吊装及抽真空。点固完成后将产品及工装吊装在电子束焊接设备平台上，固定装卡后进行抽真空，确保真空度在2×10-5Pa。
以下步骤对零部件1与2进行电子束焊接：
(2)分别对待焊焊缝的上下表面进行电子束点固焊：
(21)如图2所示，对产品焊缝上表面4，通过电子束NC(Numerical Control，数字控制)程序进行示教编程，确保示教光斑处于焊缝正中心；
通过电子束流6对产品焊缝上表面4进行点固，点固过程中使用下焦(聚焦电流为负值)及相对于正式焊电子束流较小的电流参数，每隔30-50mm均匀点固一段，每段点固30-50mm长；
(22)如图3所示，通过NC程序，翻转产品将焊缝下表面朝上，通过电子束NC程序进行示教编程，确保示教光斑处于焊缝正中心；
对产品焊缝下表面5进行点固，点固过程及使用的参数与对产品焊缝上表面点固过程一致；
(3)对产品焊缝下表面5进行正式焊接，焊接过程使用下焦(聚焦电流为负值)及扫描的方式进行，从产品焊缝加工余量的头部端面处起弧，连续焊接至加工余量的尾部进行收弧结束焊接，具体参数见表1所示；
(4)对焊缝下表面5进行修饰焊接，具体参数见表1所示；
真空舱内自然冷却0.5-1.5小时；
(5)对产品焊缝上表面4进行电子束正式焊：
通过电子束NC程序进行示教编程，确保示教光斑处于焊缝正中心；
对产品焊缝上表面4进行正式焊接，焊接过程使用上焦(聚焦电流为正值)及扫描的方式进行，从产品焊缝加工余量头部起弧，连续焊接至加工余量的尾部进行收弧结束焊接，具体参数见表1所示；
(6)对焊缝上表面4进行修饰焊接，具体参数见表1所示。
(7)后处理过程：
(71)焊后质量检测：焊后对电子束焊缝进行外观质量检测，确认焊缝表面是否存在裂纹、烧穿等缺陷；采用放射源透照的方式对焊缝内部质量进行检测，采用激光三维扫描的方式对产品整体直线度进行测量。
(72)真空热处理：对焊接质量合格的产品进行真空热处理。
表1各步骤焊接参数表
所述焊缝上表面和下表面可任意确定，本质相同，当确定某一表面为上表面时，另一表面则为下表面。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
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