钛合金板真空电子束焊接方法及磁悬浮超导低温固氮腔
阅读说明：本技术 钛合金板真空电子束焊接方法及磁悬浮超导低温固氮腔 (Titanium alloy plate vacuum electron beam welding method and magnetic suspension superconducting low-temperature nitrogen fixation cavity ) 是由 刘振飞 陈涛 王丽芳 姜北燕 马建国 李波 刘志宏 吴杰峰 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钛合金板真空电子束焊接方法及磁悬浮超导低温固氮腔,方法包括除气、定位焊接、深熔焊接和修饰焊接等步骤等步骤；磁悬浮超导低温固氮腔包括使用上述钛合金板真空电子束焊接方法焊接而成的TC4钛合金部件。本发明所述焊接方法不仅使TC4钛合金板之间焊接稳定、焊缝宽度均匀、无咬边、无下凹和飞溅少,而且具有焊缝内部气孔少、焊缝抗拉强度高于母材抗拉强度的特点；将利用该焊接方法所焊接的TC4钛合金部件,应用在磁悬浮超导低温固氮腔上时,使其具有由上述效果而带来的性能稳定、使用寿命长等优势。(The invention discloses a titanium alloy plate vacuum electron beam welding method and a magnetic suspension superconducting low-temperature nitrogen fixation cavity, wherein the method comprises the steps of degassing, positioning welding, deep melting welding, modification welding and the like; the magnetic suspension superconducting low-temperature nitrogen fixation cavity comprises a TC4 titanium alloy part welded by using the titanium alloy plate vacuum electron beam welding method. The welding method not only ensures that TC4 titanium alloy plates are welded stably, the width of a welding seam is uniform, no undercut, no concave and less splashing are caused, but also has the characteristics of less pores in the welding seam and higher tensile strength of the welding seam than that of a parent metal; when the TC4 titanium alloy component welded by the welding method is applied to a magnetic suspension superconducting low-temperature nitrogen fixation cavity, the titanium alloy component has the advantages of stable performance, long service life and the like caused by the effects.)
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，具体涉及一种磁悬浮超导低温固氮腔中TC4钛合金部件的真空电子束焊接方法。
背景技术
磁悬浮超导低温固氮腔，是高速列车未来向时速600公里的“超铁”迈进的重要部件，日本已经开始研究，我国也在加紧研制中。为了保证磁悬浮超导低温固氮腔的轻量化、高的低温强度，箱体及法兰需要使用比强度高的钛合金材料，在制造时需要将若干个TC4钛合金板拼焊成箱体。
由于TC4钛合金材料具有在焊接高温下吸氢、吸氧、吸氮的特性，使用常规气保焊时，需要对焊缝区进行严格的惰性气体保护，耗时耗力，有时候焊接部件的尺寸与形状的约束，气体保护很难实现100%保护到位，给焊缝埋下了失效的隐患。
真空电子束焊接具备能量密度高，焊缝深宽比大，焊接接头热影响区窄的优势，同时在真空下进行焊接，使得电子束焊接技术在航空、航天与核电等行业被广泛使用。但上述TC4钛合金板焊接时若直接采用普通的真空电子束焊接方式，会出现焊缝内部气孔多，表面成型差、咬边、下凹和飞溅严重等缺陷，导致焊接接头密封性差、抗拉强度低，焊缝咬边处容易产生裂纹，难以满足设计要求。因此，目前亟需出现一种适用于TC4钛合金板的焊接方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，第一方面提供一种焊缝成型好，焊缝内部气孔少、无裂纹、无咬边、无下凹和抗拉强度高于母材的TC4钛合金板真空电子束焊接方法。
第二方面提供一种使用上述钛合金板真空电子束焊接方法进行TC4钛合金部件焊接的磁悬浮超导低温固氮腔。
一种钛合金板真空电子束焊接方法，包括以下步骤：
（1）、焊接准备：将两块TC4钛合金板对接压紧后放进焊机真空室中，同时在焊机真空室中预置一块的TC4钛合金板，再将焊机真空室抽真空，真空室内的真空度稳定值低于1.4×10-4mbar；
（2）、除气：在预置的一块的TC4钛合金板上进行电子束加热处理，工作距离为400～450mm、加速电压150kV、电子束流4～10mA、束流焦点在焊缝表面上方、聚焦束流2500～2600mA、焊接速度为3～6mm/s，往复焊接10～30分钟；
（3）、定位焊接：沿两块TC4钛合金板待焊处先进行等距离分段定位焊，再进行整条焊缝连续焊接，工作距离为400～450mm、加速电压150kV、电子束流1～2mA、束流焦点在焊缝表面、聚焦束流2400～2430mA、扫描频率为60～100Hz、扫描波形为圆形波、扫描直径为0.5～2mm、焊接速度为5～10mm/s；
（4）、深熔焊接：在两块TC4钛合金板的焊缝处进行深熔焊接，接速度5～10mm/s、聚焦束流2390～2420mA、电子束流12～17mA、 加速电压150KV、扫描频率为100～300Hz、扫描波形为圆形波、扫描直径为0.2～0.5mm；
（5）、修饰焊接：在两块TC4钛合金板的焊缝处进行修饰焊接，焊接速度5～10mm/s、聚焦束流2430～2460mA、电子束流3～6mA、 加速电压150KV、扫描频率为20～50Hz、扫描波形为圆形波、扫描直径为2～5mm；
（6）、将焊接成型件在真空室中冷却60分钟，之后泄真空。
一种磁悬浮超导低温固氮腔，包括使用上述钛合金板真空电子束焊接方法焊接而成的TC4钛合金部件。
本发明所述焊接方法不仅使TC4钛合金板之间焊接稳定、焊缝宽度均匀、无咬边、无下凹和飞溅少，而且具有焊缝内部气孔少、焊缝抗拉强度高于母材抗拉强度的特点；将利用该焊接方法所焊接的TC4钛合金部件，应用在磁悬浮超导低温固氮腔上时，使其具有由上述效果而带来的性能稳定、使用寿命长等优势。
本发明所述焊接方法的其它特征和优点将在随后的
具体实施方式
部分予以详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的焊缝正面形貌；
图2为本发明实施例中的焊缝横截面形貌；
图3为本发明实施例中的焊接试验件焊缝的X射线探伤结果；
图4为本发明实施例中的焊接试验件的横向力学拉伸试件；
图5为本发明实施例中的焊接试验件的横向力学拉伸测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本实施例以将两块TC4钛合金板（以下简称钛合金板）进行真空电子束焊为例，包括第一钛合金板1与第二钛合金板2（如图1所示），热处理状态：退火，板厚6mm，长度300mm，宽度150mm；
其焊接要求为：两块钛合金板沿板材宽度方向进行对接，沿板材长度方向进行焊接，要求焊缝熔深大于6mm。
所配合的材料为垫板（图未示），其中垫板的的型号为TC4钛合金板，热处理状态：退火，板厚4mm，长度300mm，宽度4mm。
本实施例提供的一种钛合金板真空电子束焊接方法，包括以下步骤：
（1）、用不锈钢丝刷打磨第一、第二钛合金板及周边40mm范围内金属表面，使其露出金属光泽，然后用干净的绸布蘸取丙酮将上述钛合金板待焊焊缝及表面擦拭干净，保证金属表面无油污等杂质；
（2）、将第一、第二钛合金板对接压紧，保证其之间的最大间隙小于所述钛合金板厚度的5％，但第一、第二钛合金板之间的间隙最大不超过0.2mm，实现“I”型接头，将垫板放置在焊缝背面，并一同压紧，本实施例的对接间隙最大为0.1mm；
（3）、将装配好的第一、第二钛合金板放入焊机真空室中，保证其工作距离为400mm，同时在焊机真空室中预置一块TC4钛合金板，并抽真空，真空室真空度达到稳定值1.2×10-4mbar时准备焊接；
（4）、除气：在预置的一块的TC4钛合金板上进行电子束加热处理，工作距离为400mm、加速电压150kV、电子束流6mA、束流焦点在焊缝表面上方、聚焦束流2550mA、焊接速度为4mm/s，往复焊接10分钟，真空室真空度稳定值变为1.1×10-4mbar（目的在于，利用钛合金高温吸氢、吸氧、吸氮的特性，去除真空室内剩余的氢气、氧气和氮气，使得真空室内真空度显示值在真空度稳定状态下降低了至少0.1×10-4mbar，最终目的是保证焊缝熔池在移动过程中稳定连续，降低焊缝飞溅、夹杂和气孔，提高焊缝内部质量和焊接接头的力学性能）；
（5）、定位焊接：沿第一、第二钛合金板待焊处的长度方向，先进行三段的等距离的定位焊，每段长50mm，再进行整条焊缝连续焊接，焊接速度8mm/s、电子束流1mA、加速电压150KV、束流焦点在焊缝表面、聚焦束流2410mA、扫描频率为70Hz、扫描波形为圆形波、扫描直径为1mm（目的在于，使用扫描波形进行先分段定位焊接、再整条焊缝连续焊接的工序，可以降低零件的对接间隙精度，降低装配难度，保证焊缝定位强度，保证不增加焊缝宽度的同时，提高定位焊强度，保证焊接过程中，熔池前沿的焊缝不会开裂，提高焊接稳定性）；
（6）、深熔焊接：在第一、第二钛合金板的焊缝处进行深熔焊接，焊接速度10mm/s、聚焦束流2400mA、电子束流13mA、 加速电压150KV、扫描频率为100Hz、扫描波形为圆形波、扫描直径为0.3mm（其中，使用负离焦、中低频率、窄振幅扫描深熔焊接，可以有效降低焊缝内部的气孔，同时不会出现熔池飞溅严重的情况，在深熔焊接过程中，通过调节聚焦电流和扫描波形，给定合适的负离焦量和波形参数，保证焊接过程稳定、飞溅少和降低焊缝内部气孔）；
（7）、修饰焊接：在第一、第二钛合金板的焊缝处进行修饰焊接，焊接速度8mm/s、聚焦束流2460mA、电子束流5mA、 加速电压150KV、扫描频率为25Hz、扫描波形为圆形波、扫描直径为4mm（其中，使用正离焦、低频率、宽振幅扫描修饰焊接，可以有效去除焊缝咬边与下凹问题，同时得到美观的鱼鳞纹，在修饰焊接过程中，通过调节聚焦电流和扫描波形，给定合适的正离焦量和波形参数，有效消除焊缝咬边和下凹，获得美观的鱼鳞纹）；
（8）、将焊接成型件在真空室中冷却60分钟，之后泄真空（通过在真空中限时冷却，防止高温的钛合金焊缝过早暴露于空气中氧化失效）；
（9）、取出焊接成型件，将焊缝表面的少量飞溅清理干净；
（10）、进行外观检验，X射线探伤与拉伸试验。
上述焊接成型件的焊缝照片如图2 、图3所示，焊缝无裂纹、咬边、下凹；如图4所示，通过对焊缝进行X射线探伤，焊缝质量等级满足NB/T47013.2-2015的I级要求；对焊接接头按GB/T2651-2008取样，进行横向拉伸试验，均断裂在母材，拉伸件测得的抗拉强度按序号排序分别为1028MPa、1006MPa，即为母材的抗拉强度，参见图5，焊缝抗拉强度高于母材抗拉强度，结论：合格。
本实施例提供一种磁悬浮超导低温固氮腔，包括使用上述钛合金板真空电子束焊接方法焊接而成的TC4钛合金部件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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