嵇佳佳，柯文敏，李澤國，汪春能，成焯，盧銳

1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

2.中國空裝駐株州地區(qū)軍事代表室 湖南株洲 412002

3.中國航發(fā)湖南南方宇航工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是制造業(yè)皇冠上的明珠，始終要求高溫、高壓、高可靠度的“三高”要求，制造極其苛刻，要求制造精度高、壽命長，對加工方法要求也越來越高。電子束焊接是航空航天精密零件常用的一種能量密度高、熱影響區(qū)小、焊接變形小的一種焊接方法，在航空航天領(lǐng)域使用越來越廣泛[1]。因此，對它的研究也越來越深入，特別是焊縫成形質(zhì)量，包括表面成形和內(nèi)部成形。影響電子束焊接質(zhì)量和焊縫成形的主要參數(shù)有加速電壓UA、電子束電流IB、聚焦電流IL、焊接速度υ、工作距離L、掃描波形及掃描波形的振幅A和頻率f[2-3]。

為了深入了解各種波形的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及波形對焊縫成形、控制焊接缺欠及焊縫組織之間的影響規(guī)律，依靠函數(shù)發(fā)生器，能實(shí)現(xiàn)電子束流根據(jù)函數(shù)的軌跡進(jìn)行掃描，調(diào)節(jié)波形及頻率等特征參數(shù)能實(shí)現(xiàn)對熔池的攪拌作用，從而達(dá)到改善焊縫熔池凝固力學(xué)狀態(tài)，減少焊縫根部的釘尖、氣孔、夾雜等缺欠[4-5]?；趻呙璨ㄐ螌ΤＳ玫母邷睾辖痣娮邮缚p成形工藝的研究甚少，本文采用電子束焊機(jī)內(nèi)置的12種掃描方式，以高溫合金GH625材料為研究對象進(jìn)行掃描波形的工藝研究， 研究掃描波形及其頻率和振幅參數(shù)對焊縫成形、焊縫組織的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

1）真空高壓電子束焊機(jī)。

2）線切割機(jī)，光學(xué)電子顯微鏡。

2.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用6mm厚的高溫合金GH625，規(guī)格為200mm×80mm的平板，化學(xué)成分見表1。

表1 GH625合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 試驗(yàn)參數(shù)

加速電壓UA=120kV、電子束電流IB=6.0mA、焊接速度v=20mm/s、聚焦電流IL=1930mA、掃描頻率f=300Hz、偏轉(zhuǎn)尺寸ACX=0.3mm。

2.4 試驗(yàn)過程

1）焊前對試板進(jìn)行化學(xué)清理和機(jī)械清理，去除表面氧化膜和油污，再用無水酒精擦拭零件待焊接部位。

2）選定該種厚度經(jīng)驗(yàn)焊接參數(shù)，采用E0～E12的掃描波形，分別在GH625合金的平板上進(jìn)行自熔焊接試驗(yàn)，焊后通過外觀、金相試驗(yàn)，檢查焊縫形貌及焊縫組織情況，找出最佳掃描波形。

3）采用最佳焊接參數(shù)和E0～E12中合適的波形進(jìn)行試驗(yàn)，分別改變掃描波形的頻率和振幅，觀察統(tǒng)計(jì)焊縫外觀顏色、焊縫形貌及缺欠，找出影響焊縫成形質(zhì)量的規(guī)律。

4）線切割制取金相試樣，低倍顯微鏡測量焊縫熔深、熔寬和余高，并在高倍顯微鏡下觀察金相顯微組織。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同波形對焊縫表面成形的影響

試驗(yàn)過程中，改變波形從E0～E12得到不同的焊縫，焊縫橫截面形貌如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著掃描波形的變化，焊縫形狀變化不大，焊縫形狀均為釘形，焊縫形貌深寬比較大，熔深和熔寬變化較小，深寬比變化基本接近，變化不明顯。E10、E11和E12三種掃描波形對應(yīng)的焊縫對稱面與焊縫中心縱截面不重合。

圖1 不同波形下的高溫合金GH625焊縫橫截面形貌

焊縫、熱影響區(qū)和母材的金相組織如圖2所示。

由圖2可見，高溫合金GH625電子束焊形成的熱影響區(qū)很窄，約為0.03mm，這是由于電子束能量集中，焊縫停留時(shí)間較短，因此焊接熱影響區(qū)小；焊縫為均勻的枝晶組織，基體和熱影響區(qū)組織為等軸晶，焊縫熱影響區(qū)晶粒較基體有長大趨勢；焊縫中無裂紋和明顯氣孔，焊縫質(zhì)量優(yōu)良，焊縫形狀參數(shù)見表2。

表2 不同波形下的高溫合金GH625電子束焊縫形狀參數(shù)

圖2 高溫合金GH625焊接接頭金相組織

圖3所示為焊接掃描波形與高溫合金GH625電子束焊接焊縫形狀參數(shù)（焊接熔寬、熔深、余高、深寬比）關(guān)系曲線。由圖3可見，隨著波形的改變，焊縫正面熔寬變化不大，深寬比基本保持在1.5左右，最大熔寬為掃描波形E1、E4和E12對應(yīng)焊縫的熔寬。根據(jù)這三種波形的特點(diǎn)，均是在以焊縫中心上一點(diǎn)為中心，在焊縫橫截面上以一定的掃描振幅對稱掃描，電子束覆蓋區(qū)域大，熔化的金屬也就相對較多，故在這種掃描波形下焊縫熔寬相對較寬。最小的為E2和E3，這兩種波形只是在焊縫縱向有掃描，故相對小一點(diǎn)。熔深相對最大的為掃描波形E6，其僅在焊縫兩側(cè)有掃描，對熔池的攪拌和振蕩更充分，故熔深更大。12種波形深寬比變化不大，相對較大的為E5、E6和E11。雖然焊縫的余高E12波形最大，但僅為0.25mm。

圖3 掃描波形對高溫合金GH625焊縫形狀的影響

3.2 同種波形不同頻率和振幅對焊縫成形的影響

波形保持不變，研究波形的頻率和振幅對焊縫成形的影響，焊縫表面外觀較好，焊縫呈銀白金屬顏色，沒有氧化，焊縫魚鱗狀均勻連續(xù)，無飛濺、咬邊和焊瘤，焊縫寬度均勻一致，焊縫表面成形、外觀質(zhì)量沒有明顯區(qū)別。

3.3 不同波形對焊縫缺欠的影響

如圖3所示，當(dāng)采用E3波形時(shí)，焊縫熔深基體內(nèi)部收窄比較明顯，即電子束在熔池內(nèi)部的振蕩幅度不強(qiáng)，再加上零件本身的加工和裝配精度，很容易造成零件外觀檢查合格，而其實(shí)內(nèi)部因?yàn)楹缚p較窄而出現(xiàn)未熔合的缺欠；當(dāng)采用E1波形施焊時(shí)，電子束在熔池內(nèi)部振動(dòng)幅度較大，焊縫成形相對較寬，且釘形焊縫上部與下部之間的過渡區(qū)域角度較大，因此焊縫減小平滑、坡度較小，能有效避免焊縫出現(xiàn)未熔合；不等厚度零件對接時(shí)，容易出現(xiàn)未熔合缺欠，鎖底對接接頭焊縫應(yīng)實(shí)現(xiàn)穿透且保證強(qiáng)度，此時(shí)采用E1較E3有優(yōu)勢，因?yàn)镋1焊縫寬度成形最寬，攪拌熔池能有效去除釘尖、氣孔和未熔合缺欠，這兩種焊接接頭已在某機(jī)型機(jī)匣1和機(jī)匣2焊接上得到驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

1）高溫合金通過改變真空電子束焊接掃描波形以及波形對應(yīng)的頻率和振幅，焊縫表面成形沒有明顯的區(qū)別，焊縫成形均勻一致。

2）高溫合金GH625焊縫為釘形，焊接熱影響區(qū)較窄（約30μm），焊縫為均勻枝晶組織，基體和熱影響區(qū)組織為等軸晶，焊接熱影響區(qū)晶粒較基體有長大趨勢，波形E5對應(yīng)的深寬比最大，波形對深寬比的影響不大（接近1.5）。

3）采用E1波形焊接非等壁厚對接接頭，可有效避免焊縫出現(xiàn)未熔合焊接缺欠。

4）采用E1波形焊接帶有鎖底的接頭，熔池范圍大，焊縫寬度較大，可保證焊縫質(zhì)量且焊接接頭強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。