电子束焊接钛合金的技术须知

一，概述

所有的钛及其合金都可用真空电子束焊，它能有效地避免了有害气体的污染，而且电子束的能量密度大，焊缝窄，深宽比大，焊缝角变形小，焊接速度快，焊缝中不易出现粗大的片状α相，因而焊接接头的有效系数可达100%；总的来说，为了防止晶粒长大，焊接时宜采用高电压、小束流的焊接参数。

电子束焊（EBW）的不足之处是焊缝向母材过渡不平滑，容易出现气孔及焊件结构尺寸受到真空室限止等，为了防止气孔产生，焊前必须严格清理，可采用酸洗或机械切削等方法；为改善焊缝向母材过渡的成形，可采用二道焊，第一道是高功率密度的深熔焊，第二道是低功率密度的修饰焊，这可大幅度提高接头疲劳性能。另外，电子束摆动（频率20～50Hz纵向摆动）可改善焊缝成形、细化晶粒和减少气孔。有时背面加垫板，用以预防未焊透或成形不良。

二，焊接施工

1，焊前准备，电子束焊接接头属紧密配合无坡口对接形式，通常有：对接接头、角接接头、T形接头、搭接接头和端接接头，一般不添加填充金属，要求接和面经机械加工，表面粗糙度一般为1.5～25μm,宽焊缝比窄焊缝对接和面要求可放宽，搭接接头也不必过严。焊前对焊件表面必须进行严格清理，否则易产生焊缝缺陷，力学性能变坏及影响抽气时间；清理方法可用丙酮清洗，清理完后不能再用手或工具触及接头区，以免污染。

2，焊接操作，启动：真空室内的被焊工件安装好后，关闭真空室门，然后接通冷却水，合上总电源开关。安真空系统的操作顺序启动机械泵和扩散泵，待真空室内的真空度达到预定值时，便进入施焊阶段。焊接：将电子枪的供电电源接通，并逐渐升高电压使之达到所需的数值，然后相应地调节灯丝电流和轰击电压，使有适当小的电子束流射出，在工件上能看出电子束焦点，再调节聚焦电流，使电子束的焦点达到最佳状态。假如焦点偏离接缝，可调节偏转线圈电流或电子枪作横向移动使其对中，此时调节轰击电源使电子束电流达到预定数值，按下启动按钮，工件即按预定速度移动，进入正常焊接状态。停止：焊接结束时必须先逐渐减小偏转电压使电子束焦点离开焊缝，然后把加速电压降到零，并把等丝电源及传动装置的电源降到零值，此后切断高压电源、聚焦偏转电源和传动装置的电源，这样就完成了一次电子束焊接。待工件冷却后，按真空操作顺序从真空室中取出工件。

3，焊接参数的选择，如图

4，提高熔深的措施，电子束焊的最大优点是具有深熔透效应，为了保证获得深熔透效果，除了选择合适的电子束工艺参数外，还可以采取另外一些措施：第一，电子束水平入射焊，当焊接熔深超过100mm时，可以采用电子束水平入射，从侧向进行焊接，因为水平入射侧向焊接时，液态金属在重力向作用下流向偏离电子束轰击路径的方向，对小孔通道的封堵作用降低，此时的焊接方向是自下而上或横向水平施焊。第二，脉冲电子束焊，在同样功率下，采用脉冲电子束焊可有效地增加熔深，因为脉冲电子束的峰值功率比直流电子束高得多，使焊缝获得高得多的峰值温度，金属蒸发速率会以高出一数量级的比例提高；脉冲电子束焊可产生更多的金属蒸汽，蒸汽的反作用力增大使小孔效应增加。第三，变焦电子束焊，极高的功率密度是获得深熔焊的基本条件，电子束功率密度最高的区域在其焦点上。焊接大厚度工件时，可使焦点位置随着工件的熔化速度变化而变化，始终以最大功率密度的电子束轰击待焊工件，但由于变焦的频率、波形、幅值等参数与电子束功率密度、工件厚度、母材金属和焊接速度有关，通常是用计算机自动控制。第四，焊前预热，这样可减少焊接时热量沿焊缝横向的热传导损失，有利于增加熔深，另外，高强度材料焊前预热还可减少裂纹倾响。第五，预制坡口，在深熔焊时，往往有一定量的金属堆积在焊缝表面，如果预开坡口，这些金属会填充坡口，相当于增加了熔深。另外，结构允许时尽量采用穿透焊，因为液态金属的一部分可以在工件的下表面流出，以减少熔化金属在接头表面的堆积，减小液态金属的封口效应，增加熔深，并减少焊根缺陷产生。

5，大厚度钛合金电子束焊举例，材料TC21，厚度56mm，接头形式是对接；焊接工艺参数为：加速电压55kV、聚焦电流425mA、焊接速度500mm/min、电子束扫描幅值4.0mm、扫描频率300Hz、电子束焦点位于表面以下1/3。焊缝成形效果：上表面焊缝宽度7mm，下表面焊缝宽度4mm，焊缝深宽比约10∶1,接头的热影响区约2mm。

6，焊后热处理，对于钛合金电子束焊焊后焊缝及热影响区的性能有较大的损失，主要表现为塑性和韧度的损失，一般较重要的工件都需要相应的热处理。