高 峰，常榮輝，劉艷梅，都 強

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110850）

在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域內(nèi)，越來越多的新材料、新結(jié)構(gòu)被采用，尤其是更多的大厚度、新材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接件的設(shè)計應(yīng)用，促進了焊接科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。

近幾年，國際上在焊接大尺寸、大厚度或尺寸較精密的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時，采用了先進的真空電子束等高能束流焊接方法。這種先進的高能束流焊接工藝以其可達性好、焊縫的化學(xué)成分穩(wěn)定且純凈、接頭強度高、焊接熱變形小等優(yōu)點[1-2]廣泛應(yīng)用于航空航天、電子能、國防及軍工、汽車和電氣電工儀表等眾多行業(yè)，以及多種材料零件的生產(chǎn)之中，特別是在飛機結(jié)構(gòu)件的制造中有著廣泛的應(yīng)用前景[3-7]。

電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場的加速下再通過電磁場的聚焦就可以在工件上形成能量密度極高的電子束斑，動能轉(zhuǎn)化為熱能，形成“匙孔效應(yīng)”[8-10]，使焊接處工件熔化。隨著電子束的移動，形成新的小孔，熔化的金屬將原有的小孔填滿，就好像小孔在工件上移動，從而實現(xiàn)對工件的焊接。

試驗設(shè)備

本研究試驗設(shè)備為高壓電子束 焊 機 ZD150-30C CV65M。（高壓 70～150kV、束流 1～200 mA、功率30kW、真空室體積65m2）高壓電子束焊接設(shè)備，基本構(gòu)成為電子槍系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)、計算機操作平臺和焊接室。電子槍內(nèi)裝有TV觀察系統(tǒng)，電子槍真空系統(tǒng)采用渦輪分子泵。真空泵系統(tǒng)工作時使用兩個獨立的真空泵組，一個低真空泵組和一個高真空泵組。焊接室內(nèi)運動系統(tǒng)裝備了5個數(shù)控運動軸，X軸：驅(qū)動滑架和工作臺在工作室內(nèi)X方向運動；Y軸：驅(qū)動工作臺在工作室內(nèi)Y方向運動；A/C軸：焊接環(huán)形焊縫的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；B軸：傾翻臺的驅(qū)動。

圖1 3mm焊后試件Fig.1 3mm specimen after welding

圖2 模擬件接頭的形貌Fig.2 Appearance of the analog joint

圖3 試片背部形貌Fig.3 Back appearance of test piece

表1 盒型件高壓電子束焊接工藝參數(shù)

工藝試驗

1 某盒型零件焊接工藝試驗

焊接工藝參數(shù)試驗選取3mm厚TA15試驗件，用于確定3mm厚垂直角度和斜角度焊縫的焊接參數(shù)。某盒型零件，材料為TA15鈦合金，焊前內(nèi)外型面均為凈尺寸，對焊接要求很高；零件的焊縫中有斜對接接頭，即對接邊所在的平面與電子束流成一定的夾角，盒型零件接頭上焊縫位置兩側(cè)還有豎起80mm高的耳片，耳片根部距焊縫位置僅有15mm左右，并要求單面焊雙面成形，零件的可達性很差，傳統(tǒng)焊接手段很難實現(xiàn)該零件焊接。從工藝方法上采用了電子束流偏移方法，即一條焊縫分不同位置的二次焊接，最終實現(xiàn)單面焊雙面成型。表1為盒型件高壓電子束焊接工藝參數(shù)。

按照確定的工藝參數(shù)對試件進行焊接，焊接過程中熔池成形穩(wěn)定，無明顯飛濺，焊接工藝性優(yōu)良，焊后零件試件如圖1所示。經(jīng)外觀檢查，試件焊縫全部焊透，焊縫成形良好，外觀檢查符合要求，經(jīng)測量最終控制焊縫收縮量為0.18～0.40mm。近1.2m的不規(guī)則盒型零件8道縱橫交錯的焊縫變形在0.4mm以內(nèi)。焊后對零件進行X光檢查均符合文件規(guī)定的一級接頭要求。

2 某桿類零件焊接工藝試驗

焊接工藝參數(shù)試驗選取15mm厚TC18試驗件，用于確定該桿類零件焊縫的焊接參數(shù)，并進行了焊接試件的質(zhì)量檢驗和性能試驗。經(jīng)工藝試驗后選定了兩種焊接參數(shù)，見表2，該零件的實際尺寸接近2m，中間是空腔，構(gòu)成空心桿結(jié)構(gòu)，這個空心桿型零件對尺寸要求變形在0.5mm以內(nèi)，鈦合金易氧化，這么長的零件很難實現(xiàn)氣體保護，同時采用傳統(tǒng)工藝也很難在這么小的變形內(nèi)實現(xiàn)焊接。圖2、3分別是采用上述參數(shù)焊接的400mm模擬件和平板試片，可以看到，焊縫細窄、單面焊雙面成型。對試件進行相關(guān)的力學(xué)性能測試見表3。

基體σb=1030～1280MPa。從表3可見，采用電子束焊接的TC18材料鈦合金的拉伸強度幾乎接近母材，屈服強度為拉伸強度的94%左右，強度很高，從數(shù)據(jù)中可以清楚看出采用雙重退火相對于普通退火，可以一定程度加強焊縫熱處理后的抗拉強度，焊后采用雙重退火對強度增強更加明顯，同時對延展率和收縮率有所降低，但同樣可以滿足該材料的使用需要。

結(jié)合表4看出采用雙重退火工藝可以有效減緩TC18材料鈦合金材料由于電子束焊接快速成型而造成焊縫的過飽和程度降低，從而提高焊縫的沖擊韌性。采用焊后雙重退火相比于焊前采用雙重退火的試樣對于缺口位于焊縫中心的試樣沖擊強度提高尤為明顯，且高于缺口位于熱影響區(qū)的試樣的沖擊性能。

總體上看，綜合考慮焊前一級退火加上焊后真空爐雙重退火接頭的性能最為理想。

3 框類大厚度焊接工藝試驗

焊接工藝參數(shù)試驗選取32～80mm 厚 TA15M、TC21M、TC4-DT材料框類試驗料，我國以往焊接大尺寸、大厚度結(jié)構(gòu)件時，多采用潛弧焊工藝進行焊接，但其在生產(chǎn)過程中存在著容易產(chǎn)生焊接變形量大，氧化夾雜等缺陷。電子束焊在大厚度鈦合金零件的焊接方面具有突出的優(yōu)勢：焊縫窄、深寬比大、焊接角變形小、接頭晶粒細、接頭性能好。表5為42mm TC4-DT、66mm TC21M、80mm TA15M這3個規(guī)格的焊接參數(shù)5。

按照確定的工藝參數(shù)對試件進行焊接，焊接過程中熔池成形穩(wěn)定，無明顯飛濺，試片如圖4所示。經(jīng)外觀檢查，試件焊縫全部焊透，焊縫成形良好，外觀檢查符合要求,經(jīng)測量最終控制焊縫收縮量為0.4mm。X光檢查均符合一級接頭要求。

對試件進行低倍腐蝕可見，焊縫呈平行型，在試塊區(qū)間焊縫平行，形態(tài)良好。平行型焊縫其特征在于焊縫兩側(cè)熔合線幾乎平行分布，焊縫在頂部和底部寬度接近。焊透66mm厚試件，焊縫寬4～5mm，成型很窄，焊縫的深寬比就很大，低倍形貌如圖5所示。

圖6為TA15M材料電子束800℃熱處理后的焊縫組織?？梢钥吹?，晶粒內(nèi)部α片充分析出，形成α編織，形成網(wǎng)籃組織，亞穩(wěn)相充分分解，焊縫的過飽和狀態(tài)得到有效緩解，提高了力學(xué)性能。由于加熱溫度提高、退火時間延長，電子束焊接快速熱循環(huán)造成的焊縫亞穩(wěn)態(tài)組織（α’、亞穩(wěn)β）充分分解，焊縫過飽和的淬火狀態(tài)得到有效緩解，焊縫硬度和強度水平降低，塑韌性得到恢復(fù)。

采用電子束焊接的框類零件，相對于以往國內(nèi)采用的潛弧焊焊接方式，焊縫成形更窄、變形更小、真空下焊接零件不會氧化，而且一次性焊接成形效率更高、無人工干預(yù)、可再現(xiàn)性好。

表2 桿類零件高壓電子束焊接工藝參數(shù)

表3 模擬件電子束焊接頭拉伸性能

表4 模擬件電子束焊接頭沖擊性能

表5 3種材料大厚度鈦合金高壓電子束焊接工藝參數(shù)

4 30CrMnSiNi2A材料圓桿類、梁類焊接工藝試驗

30CrMnSiNi2A作為超高強度鋼，是一種綜合性能優(yōu)良的航空用結(jié)構(gòu)鋼材料。但其焊接性較差：（1）焊接熱影響區(qū)的脆性和軟化。即由于其本身含碳量和合金元素含量較高，鋼的淬硬傾向較大，在鋼的熱影響區(qū)的淬火區(qū)會產(chǎn)生大量的馬氏體組織，導(dǎo)致其產(chǎn)生嚴重脆化；另外在30CrMnSiNi2A鋼被加熱到大于其調(diào)質(zhì)時的回火溫度時，就會在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強度和硬度都低于母材的軟化區(qū)。（2）有很嚴重的裂紋傾向，無論是冷裂還是熱裂傾向都很嚴重。產(chǎn)生冷裂紋傾向同樣是由于30CrMnSiNi2A這種超高強度鋼的淬硬傾向較大，在鋼的熱影響區(qū)的淬火區(qū)會產(chǎn)生大量的馬氏體組織，而熱裂紋傾向的產(chǎn)生則是由于該材料碳含量和合金元素含量都較高，焊接形成熔池的結(jié)晶溫度區(qū)間較大，導(dǎo)致偏析嚴重，使得該材料具有較大的熱裂紋敏感性。針對該材料的特殊性采用小線能量定位焊，再高速焊接的方法。小線能量的定位焊不僅起到了定位零件的作用，同時為材料進行焊前低溫預(yù)熱的過程，之后由于電子束焊接的高能束、高深寬比、快速成形等特點有利于減少淬火區(qū)的高溫停留時間，降低奧氏體的晶粒長大傾向，從而降低淬火區(qū)的脆性程度。為防止焊接過程中熔池由于碳含量和合金元素含量較高導(dǎo)致偏析，采用了雙余弦電磁掃描，同時有效抑制了熱影響馬氏體的長大，一定程度上起到調(diào)質(zhì)作用。因為焊接在真空條件下進行，零件的冷卻速度較常溫下要慢得多，也起到了焊后保溫的作用。

圖4 3種規(guī)格焊后試件Fig.4 3 kinds of specifications after welding test piece

圖5 66mm試樣低倍腐蝕照片F(xiàn)ig.5 Low corrosion photos of 66mm specimen

圖6 TA15M電子束焊縫組織Fig.6 TA15M microstructure of electron beam welds

圖7 圓桿焊后模擬件及零件表面Fig.7 Welding rod simulation parts and part surface

圖8 焊后梁類零件模擬件斷面Fig.8 Beam welding part simulation section

圖9 鈦球類零件環(huán)形接頭焊后模擬試片F(xiàn)ig.9 Simulated test piece of ring welded joint of titanium ball parts

圖7為采用電子束焊接某機圓桿類零件。采用電子束焊接30CrMnSiNi2A相對其他傳統(tǒng)焊接方式，在防氧化和焊后熱處理間隔上都更有優(yōu)勢，顯著減少了產(chǎn)生冷裂紋傾向。

圖8為采用電子束焊接的某機大型中空梁30CrMnSiNi2A材料零件，該零件全長近3m,由多個兩面長方形焊縫構(gòu)成的封閉空腔組成的零件，而且焊縫的對接接頭兩側(cè)為不等厚零件，焊接可達性極差，而且極難保護，采用傳統(tǒng)焊接方式無法實現(xiàn)該零件的焊接，利用電子束可達性好，變形小的優(yōu)點成功實現(xiàn)了該零件的焊接。

5 航天用鈦球類零件環(huán)形接頭工藝試驗

在航天領(lǐng)域電子束焊接因其焊縫窄小、變形小等優(yōu)勢應(yīng)用的更早也更為廣泛。圖9為航天用TC4材料鈦合金鈦球，零件為6mm厚空心球，采用電子束焊實現(xiàn)雙面成型，高壓電子束焊接參數(shù)見表6。

表6 鈦球類零件環(huán)形接頭高壓電子束焊接工藝參數(shù)

結(jié)論

（1）電子束焊接技術(shù)作為一種先進的焊接技術(shù)，其焊縫成形窄、深寬比大、變形小的優(yōu)越性能適于多種材料、多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，特別適用于大厚度、尺寸要求精度高或可達性差的零件，相對于傳統(tǒng)的焊接方法有很大的優(yōu)勢。

（2）采用電子束在線掃描工藝、優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)、焊前及焊后熱處理工藝，成功實現(xiàn)了對TA15、TC18、30CrMnSiNi2A等材料的焊接，獲得優(yōu)良的焊縫組織。

參 考 文 獻

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