北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院 馬 梁 劉方軍 張 偉 許海鷹

隨著我國航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器對重量、速度、成本和空間等方面要求越來越高，強度高、厚度小的薄壁結(jié)構(gòu)件被大量采用。TC4鈦合金薄壁構(gòu)件由于其密度小、強度高及優(yōu)良的高低溫性能得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。在鈦合金薄壁構(gòu)件連接時，即使采用變形小的電子束焊接技術(shù)，焊后仍然存在較大的焊接變形，嚴重影響了零件的結(jié)構(gòu)強度、制造精度和使用性能，甚至?xí)蜃冃味购附硬僮鳠o法繼續(xù)進行[5-8]。

本文采用電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)實現(xiàn)了多束流電子束焊接，在焊接的同時增加兩個輔助電子束熱源實現(xiàn)TC4鈦合金薄板的焊后緩冷，利用輔助熱源在近縫區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力來改變薄板結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)和近縫區(qū)的應(yīng)力分布，實現(xiàn)焊接變形控制。針對1mm厚的TC4鈦合金薄板，開展了多項工藝試驗研究，重點研究了不同輔助熱源位置和能量分配等工藝參數(shù)對焊接變形的影響，通過反復(fù)試驗，確定了合適的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了TC4鈦合金薄板的小變形焊接，可以為鈦合金薄壁構(gòu)件的電子束焊接提供參考。

1 多束流電子束焊接變形控制原理

在真空電子束焊接中，由于電子束幾乎沒有質(zhì)量和慣性，可以實現(xiàn)非接觸的偏轉(zhuǎn)，在電磁場控制下能以極高的頻率在不同的位置高頻快速掃描，從而產(chǎn)生多點同時焊接的效果。因此，利用電子束焊接這一特點，可以通過電磁場控制一個電子束產(chǎn)生一個焊接的電子束束流和兩個輔助加熱的電子束束流，并且可以對輔助電子束的位置和熱輸入量進行定量精確的控制，如圖1所示。

圖1中，在電子束焊接的同時，通過電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)增加兩個輔助加熱的電子束及輔助熱源1和輔助熱源2，無須其他特殊的熱源或熱沉裝置及隨動控制系統(tǒng)；利用輔助電子束熱源在近縫區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力來改變薄板結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)和近縫區(qū)的應(yīng)力分布，以減小焊后殘余應(yīng)力，實現(xiàn)焊接變形控制。

圖1 多束流電子束焊接示意圖Fig.1 Electron beam welding with multi-beam

2 試驗材料及設(shè)備

試驗材料采用1mm厚的TC4鈦合金薄板，長×寬為300mm×100mm，在板的中心沿長度方向焊接。

TC4鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))%

焊接電子束設(shè)備采用PTR公司的 KS15型電子束焊機，其高頻偏轉(zhuǎn)掃描電子束單點停留時間可以精確到1μs。

3 試驗方案及工藝參數(shù)

3.1 電子束焊接工藝參數(shù)

經(jīng)反復(fù)工藝試驗得出，采用表2所示的電子束焊接工藝參數(shù)進行1mm厚TC4鈦合金薄板的焊接可以得到良好的焊縫成形。

表2 掃描電子束焊接試驗工藝參數(shù)

在后面的多束流電子束焊接試驗中，上述基本的工藝參數(shù)保持不變，焊接速度始終為30mm/s。

3.2 多束流電子束焊接方案

在TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接試驗中，焊接電子束在前，兩個輔助熱源對稱分布在焊接電子束的正后方，以實現(xiàn)TC4鈦合金薄板的焊后緩冷，如圖2所示。

在圖2中，輔助熱源FH1和FH2是長為a、寬為b的長方形，試驗中a為30mm，b為15mm；H為焊接電子束與掃描圖形邊緣的距離，D為焊縫中心與掃描圖形邊緣的距離。

圖2 多束流電子束焊接示意圖Fig.2 Electron beam welding with multi-beam

在多束流電子束焊接試驗中，為了保證良好的焊縫成形，始終保持焊接電子束束流的能量不變，即保證焊接電子束束流的等效值為6.3mA。比如當輔助熱源FH1和FH2的能量均占總能量的10%時，電子束束流需要增加到8mA左右。

下面重點研究輔助熱源位置參數(shù)H和D的變化，以及能量分配變化對TC4鈦合金薄板焊接變形的影響。試驗采用單一參數(shù)變化，每個工藝參數(shù)重復(fù)做3個試樣，焊后觀察并測量薄板變形量。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 變形測量方法

TC4鈦合金薄板焊后變形采用萬向節(jié)夾持百分表進行測量，其測量示意圖如圖3所示。

圖3 萬向節(jié)夾持百分表測量變形Fig.3 Method of measuring deformation by universal clamping indicator

在圖3中，萬向節(jié)固定在可以平行移動的水平平臺上，通過直線移動百分表(或者任意方向移動焊接試樣)測出TC4鈦合金薄板焊接試樣的縱向垂直高度變化，以垂直方向的偏移量作為TC4鈦合金薄板焊接變形量。測量時，取薄板向上彎曲為正，向下彎曲為負。

采用表2所示的常規(guī)電子束焊接工藝參數(shù)進行TC4鈦合金薄板焊接，采用萬向節(jié)夾持百分表測得的變形量為-19.7mm。

4.2 改變H

當掃描圖形尺寸為30mm×15mm，輔助熱源FH1和FH2分配能量為10%，電子束束流為8mA，D=5mm時，改變H進行TC4鈦合金薄板焊接，焊后工件的變形量如表3所示。

從表3可以看出，隨著H的變化，焊接變形量先減小后增大，當H為10mm時，焊接變形為-11.3mm，達到最小。

4.3 改變D

當掃描圖形尺寸為30mm×15mm，輔助熱源FH1和FH2分配能量為10%，電子束束流為8mA，H=10mm時，改變D進行TC4鈦合金薄板焊接，焊后工件的變形量如表4所示。

表3 H值變化時鈦合金薄板焊接變形

從表4可以看出，隨著D的增加，鈦合金薄板焊接變形先減小后增大，當D為5mm時，焊接變形為-11.3mm，達到最小。

表4 D值變化時鈦合金薄板焊接變形

4.4 改變能量分配

當掃描圖形尺寸為30mm×15mm，D=5mm，H=10mm時，改變輔助熱源FH1和FH2能量分配，焊后工件的變形量如表5所示。

從表5可以看出，當掃描圖形的分配能量從0～20%逐漸增加時，電子束束流從6.3mA增加至10.5mA，焊縫成形良好。常規(guī)電子束焊接時，焊接變形為-19.7mm，向下彎曲；隨著能量分配逐漸增大，焊接變形逐漸減??；當電子束束流為9.3mA，分配能量為16.25%時，薄板開始反向即向上彎曲變形；當束流為10.5mA，能量分配為20%，焊接變形達到+19.5。

由上述試驗數(shù)據(jù)可以看出，適當選擇電子束掃描圖形的位置和能量分配，在得到良好焊縫成形的前提下，可以減小焊接變形，比如，當掃描圖形尺寸為30mm×15mm，D=5mm，H=10mm時，輔助熱源FH1和FH2能量分配為16.25%時，焊接變形為+2.2mm，達到最小。

表5 改變能量分配時鈦合金薄板焊接變形

4.5 結(jié)果分析

焊接過程的非平衡不均勻加熱和冷卻，以及由它引起的局部塑性變形是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。在焊接的同時增加輔助熱源FH1和FH2對TC4鈦合金薄板進行焊后緩冷，利用輔助熱源產(chǎn)生的熱應(yīng)力與焊接電子束產(chǎn)生的瞬時焊接應(yīng)力進行疊加，可以減小薄板結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力，如圖4所示。

從圖4中可以看出，常規(guī)電子束的瞬態(tài)焊接應(yīng)力與輔助熱源1和輔助熱源2產(chǎn)生的熱應(yīng)力疊加后，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的峰值都減小了，有利于減小薄板結(jié)構(gòu)的焊接變形。輔助熱源的位置和輔助熱源產(chǎn)生熱應(yīng)力的大小不同(即輔助熱源的能量分配不同)，焊件中疊加后的合成應(yīng)力也不相同，由此產(chǎn)生的焊接變形也就不同了。

從表3至表4的試驗數(shù)據(jù)可以看出，當輔助熱源離焊縫和焊接熔池較遠時，輔助熱源產(chǎn)生的熱應(yīng)力與焊接電子束瞬態(tài)應(yīng)力的抵消效果較弱，但焊接變形有所減??；隨著掃描區(qū)域距離焊縫和焊接熔池越來越近，其壓應(yīng)力峰值作用位置漸漸向焊接電子束拉應(yīng)力峰值靠近，應(yīng)力抵消作用逐漸明顯；當D=5mm，H=10mm時，應(yīng)力抵消效果最好，焊接變形最小。

圖4 輔助熱源減小焊接變形的作用機理Fig.4 Mechanism of reducing welding deformation by auxiliary heat source

從表5的試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著輔助熱源能量分配的增加，輔助加熱區(qū)域的熱輸入增加，溫度升高，對應(yīng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也隨之增加；而此時焊接電子束的熱輸入保持不變，即瞬態(tài)焊接應(yīng)力大小及分布不變，這樣輔助熱應(yīng)力與瞬態(tài)焊接應(yīng)力疊加后合成應(yīng)力減小，焊接變形減小。當焊接束流達到9.0mA，能量分配為15%時，向下彎曲的焊接變形減小為-4.5mm。隨著焊接束流繼續(xù)增加到9.3mA，能量分配為16.25%時，焊件開始向上彎曲，焊接變形為+2.2mm，達到最小。這主要是因為：在焊縫中心，輔助熱源產(chǎn)生的應(yīng)力與瞬態(tài)焊接應(yīng)力疊加后的合成應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，使薄板開始反向變形。隨著電子束束流和能量分配的進一步增大，鈦合金薄板向上彎曲的焊接變形也逐漸增大。

上述試驗主要研究了輔助熱源的位置和能量分配等工藝參數(shù)與焊接變形的關(guān)系，還需要進一步深入研究輔助熱源對焊接殘余應(yīng)力的影響，以更深入地揭示TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接變形控制的機理。

5 結(jié)論

(1)采用電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描電子束技術(shù)實現(xiàn)了多束流電子束焊接，在保證焊縫成形良好的條件下，利用輔助電子束熱源產(chǎn)生的熱應(yīng)力來改變薄板結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)和近縫區(qū)的應(yīng)力分布，可以減小焊接變形。

(2)輔助熱源的位置和能量分配影響焊接變形的關(guān)鍵工藝參數(shù)，當D=5mm，H=10mm，電子束束流為9.3mA，能量分配為16.25%時，1mm厚的TC4鈦合金薄板焊接變形達到最小。

(3)為了更深入地揭示TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接變形控制的機理，還需要進一步研究輔助熱源對焊接殘余應(yīng)力的影響。

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