異種鈦合金電子束焊接和真空熱處理研究

鄭岳

【摘 要】電子束焊接技術(shù)因具有高能量密度、焊接變形小及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為先進(jìn)焊接技術(shù)發(fā)展的重要研究方向之一。鈦合金由于高的比強(qiáng)度和比剛度、較好的抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力、優(yōu)良的抗腐蝕性和足夠的熱穩(wěn)定性等優(yōu)異的綜合性能而成為航空航天、汽車(chē)船舶、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和核工業(yè)等許多領(lǐng)域中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)異種鈦合金電子束焊接組織和性能的研究較少，尤其是熱處理對(duì)接頭的組織和性能的影響，而其對(duì)電子束焊接在航空航天工業(yè)中推廣應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。文章重點(diǎn)就異種鈦合金電子束焊接和真空熱處理進(jìn)行研究分析，旨在為業(yè)內(nèi)人士提供一些建議。

【關(guān)鍵詞】鈦合金；電子束焊接；真空熱處理；研究

真空電子束焊接是二十世紀(jì)五十年代才應(yīng)用于生產(chǎn)的一種先進(jìn)的高能焊接技術(shù)，它利用會(huì)聚的高速電子轟擊工件接縫處，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡晦Z擊的材料升溫熔化，達(dá)到焊接的目的。真空電子束焊接時(shí)能量密度高度集中，焊接熱效率高，熱輸入小，工件的焊縫和熱影響區(qū)窄，焊接變形小，焊接接頭化學(xué)成分得到凈化。

一、鈦合金焊接中應(yīng)用電子束焊接技術(shù)的必要性

在鈦合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，其結(jié)構(gòu)連接問(wèn)題日益突出。在連接鈦和鈦、鈦和鋁、鈦和鎂、鈦和鋼的各種方法中，焊接作為鈦合金加工的重要手段，有著提高材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此鈦合金焊接方面的研究工作一直被國(guó)內(nèi)外焊接工作者重視。鈦合金在保護(hù)措施良好的條件下可以采用電子束焊、激光束焊、TIG、MIG及摩擦焊等多種方法進(jìn)行焊接，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)如TIG焊、MIG焊等，由于它們具有設(shè)備成本低，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，目前在制造業(yè)中仍在廣泛應(yīng)用并居主流地位。但它們?cè)诤附逾伜辖鸬忍厥獠牧蠒r(shí)受到一定的限制，這是因?yàn)樗鼈兇嬖谝恍┤秉c(diǎn)，如能量密度低；焊接速度慢，效率低；焊接參數(shù)可控精度差；焊縫深寬比小，厚板工件需采用多層多道焊；焊縫熱影響區(qū)寬，焊縫性能低；工件變形大，需采用校正措施減少變形；焊縫精度差，重要部件需重新機(jī)械加工等。另外，采用TIG、MIG、PAW等方法焊接鈦合金時(shí)，由于保護(hù)氣氛及純度的限制，會(huì)使焊接接頭的氧、氮、氫的含量增加，焊后易在焊縫區(qū)形成脆性相或微氣孔，降低焊接接頭的塑性和韌性。而電子束焊接是目前最成熟的高能束流加工方法之一，在航空及宇航的焊接結(jié)構(gòu)制造中得到了廣泛的應(yīng)用。電子束焊通常是在真空條件下進(jìn)行，保護(hù)條件良好，具有熔寬比高，焊件變形小，焊縫純潔度高等特點(diǎn)，尤其適用于鈦及鈦合金等活性金屬的焊接，因此具有較大的研究、應(yīng)用潛力。

二、異種鈦合金電子束焊接技術(shù)研究

（一）電子束焊接工作原理

電子束焊接技術(shù)是高能束焊的一種，是利用匯聚的高速電子束轟擊工件表面時(shí)所產(chǎn)生的熱能，使其熔化、冷卻結(jié)晶而進(jìn)行焊接的方法。電子束是在高真空環(huán)境下通過(guò)電子槍產(chǎn)生的，電子槍一般是由陰極、聚束極和陽(yáng)極組成。陰極被加熱后產(chǎn)生熱發(fā)射效應(yīng)，表面發(fā)射電子在加速電壓并經(jīng)過(guò)電磁透鏡會(huì)聚呈能量密度很高的電子束，加速飛向工件，高速電子與工件碰撞，將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，迅速熔化和蒸發(fā)金屬。在高壓金屬蒸氣作用下，熔化的金屬被排開(kāi)，電子束深入工件內(nèi)部繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)金屬，同時(shí)很快在被焊工件上鉆出一個(gè)鎖形小孔，小孔周?chē)灰簯B(tài)金屬包圍。隨著小孔深度的增加，熱流作用半徑不斷減小，最終形成具有很大深寬比的釘狀焊縫，使材料升溫熔化，以達(dá)到熔化焊接金屬的目的。

（二）電子束焊接技術(shù)特點(diǎn)

電子束作為焊接的熱源具有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，功率密度高。電子束焊接時(shí)，加速電壓范圍為30-150kV，電子束流為20-1000mA，電子束焦點(diǎn)直徑為0.1-1mm，這樣的電子束其功率密度可達(dá)106W/cm2以上，比大功率氬弧高2-4個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，電子束特殊的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，這樣不但可以實(shí)現(xiàn)高速焊接，而且焊接時(shí)輸送到焊件上的總能量和引起的焊接變形幾乎比常規(guī)弧焊小一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)材料的熱影響也相當(dāng)??；第二，精確、快速和可控。由于電子具有極小的質(zhì)量和一定的負(fù)電荷，可以通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)電子束作快速而精確的控制。

三、異種鈦合金電子束焊接的真空熱處理影響分析

（一）焊后熱處理對(duì)疲勞性能的影響

相關(guān)人員研究了電子束局部熱處理對(duì)12mm厚Ti-6Al-4V鈦合金電子束焊接接頭疲勞性能的影響，結(jié)果表明電子束焊接鈦合金Ti-6Al-4V接頭及經(jīng)過(guò)局部熱處理的接頭在疲勞試驗(yàn)中都經(jīng)歷了軟化現(xiàn)象，彈性應(yīng)變高于塑性應(yīng)變，經(jīng)過(guò)局部熱處理的接頭的疲勞壽命增加了30%，因此電子束局部熱處理能提高電子束焊接接頭的性能；還有一些人員研究擺動(dòng)電子束焊接對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金焊接接頭的疲勞性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明擺動(dòng)電子束焊接接頭的疲勞性能比未擺動(dòng)電子束焊接接頭差，通過(guò)金相組織的觀察發(fā)現(xiàn)在擺動(dòng)焊接接頭中廣泛的分布著α相片狀組織，同時(shí)還對(duì)焊接接頭進(jìn)行不同溫度（700℃，900℃）的PWHT（焊后熱處理），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明700℃PWHT的試樣有更好的疲勞性能，進(jìn)行700℃PWHT接頭組織中的α相片狀組織數(shù)量較900℃PWHT的少，且更加細(xì)小。掃描電鏡的觀察結(jié)果顯示，疲勞裂紋都起源于焊縫表面，裂紋擴(kuò)展形貌粗糙，最后斷裂區(qū)表現(xiàn)出延展性的微孔形貌。

（二）熱處理對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

TA15鈦合金電子束焊接接頭拉伸試樣及其相應(yīng)溫度的熱處理，接頭拉伸試樣在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中均斷裂在母材上?？估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度都比未熱處理的母材強(qiáng)度略高，抗拉強(qiáng)度最高為700退火處理對(duì)應(yīng)的試樣組，平均值達(dá)到933MPa，僅僅比未熱處理時(shí)的母材高出1.95%；屈服強(qiáng)度最高為600對(duì)應(yīng)的試樣組，平均值達(dá)到883.9MPa，比母材高出3.23%，可見(jiàn)退火處理對(duì)接頭的強(qiáng)度影響不明顯。兩個(gè)塑性指標(biāo)斷面收縮率和延伸率都有一定的改變，同未經(jīng)熱處理的母材相比，各組溫度熱處理的接頭試樣的延伸率都有所下降，600下降最多，平均值達(dá)到22.41%，750時(shí)下降最小，但也達(dá)到了7.64%。而斷面收縮率則有了良好的轉(zhuǎn)變，在650和800時(shí)均有所提高，其中650時(shí)同母材比提高了4.35%。熱處理溫度的變化沒(méi)有改變TA15鈦合金電子束焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材的相對(duì)強(qiáng)度，焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度仍然較母材高。一般認(rèn)為T(mén)A15鈦合金是屬于高鋁當(dāng)量的近α型鈦合金，其強(qiáng)化機(jī)制主要是Al及其它元素的固溶強(qiáng)化，不能通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。而電子束焊接時(shí)未添加任何焊接材料，特殊的焊接過(guò)程使電子束焊縫處材料的合金濃度有所提高，即合金元素對(duì)焊縫接頭部分鈦合金的固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)。由于對(duì)焊縫進(jìn)行退火處理時(shí)同時(shí)也對(duì)母材進(jìn)行了同樣的熱循環(huán)熱處理，這樣熱處理后母材的強(qiáng)度略有增加，而焊縫、熱影響區(qū)和母材三者的相對(duì)強(qiáng)度不變化，說(shuō)明焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度一定是較母材得到了較大的提高，但是不同溫度的熱處理對(duì)焊縫和熱影響區(qū)強(qiáng)度的影響同對(duì)母材的影響是不明顯的。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電子束焊接及局部熱處理復(fù)合技術(shù)是在一臺(tái)電子束設(shè)備上，一次抽真空循環(huán)內(nèi)完成焊接及熱處理兩種工藝，局部熱處理的掃描經(jīng)過(guò)電子槍的偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈電路上加一個(gè)電子束掃描發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，適當(dāng)調(diào)整電子束的掃描波形、掃描幅值、掃描頻率、電子槍和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，可達(dá)到細(xì)化組織、降低焊縫及熱影響區(qū)殘余應(yīng)力和氫含量，提高疲勞性能等目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曠小聰.超大厚度TA15鈦合金電子束焊接及熱處理工藝研究[D].南昌航空大學(xué)，2017.