異種鈦合金電子束焊接和真空熱處理研究

鄭岳

【摘 要】電子束焊接技術因具有高能量密度、焊接變形小及生產效率高等優點，成為先進焊接技術發展的重要研究方向之一。鈦合金由于高的比強度和比剛度、較好的抵抗疲勞裂紋擴展能力、優良的抗腐蝕性和足夠的熱穩定性等優異的綜合性能而成為航空航天、汽車船舶、化學、生物醫學和核工業等許多領域中不可缺少的結構材料。目前國內外對異種鈦合金電子束焊接組織和性能的研究較少，尤其是熱處理對接頭的組織和性能的影響，而其對電子束焊接在航空航天工業中推廣應用具有重要的理論意義和實際價值。文章重點就異種鈦合金電子束焊接和真空熱處理進行研究分析，旨在為業內人士提供一些建議。

【關鍵詞】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五十年代才應用于生產的一種先進的高能焊接技術，它利用會聚的高速電子轟擊工件接縫處，電子的動能轉變為熱能，使被轟擊的材料升溫熔化，達到焊接的目的。真空電子束焊接時能量密度高度集中，焊接熱效率高，熱輸入小，工件的焊縫和熱影響區窄，焊接變形小，焊接接頭化學成分得到凈化。

一、鈦合金焊接中應用電子束焊接技術的必要性

在鈦合金結構件的應用開發中，其結構連接問題日益突出。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、減輕結構重量、降低成本等方面具有獨特的優勢，因此鈦合金焊接方面的研究工作一直被國內外焊接工作者重視。鈦合金在保護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行焊接，傳統的焊接技術如TIG焊、MIG焊等，由于它們具有設備成本低，操作簡便等特點，目前在制造業中仍在廣泛應用并居主流地位。但它們在焊接鈦合金等特殊材料時受到一定的限制，這是因為它們存在一些缺點，如能量密度低；焊接速度慢，效率低；焊接參數可控精度差；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，重要部件需重新機械加工等。另外，采用TIG、MIG、PAW等方法焊接鈦合金時，由于保護氣氛及純度的限制，會使焊接接頭的氧、氮、氫的含量增加，焊后易在焊縫區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構制造中得到了廣泛的應用。電子束焊通常是在真空條件下進行，保護條件良好，具有熔寬比高，焊件變形小，焊縫純潔度高等特點，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、應用潛力。

二、異種鈦合金電子束焊接技術研究

（一）電子束焊接工作原理

電子束焊接技術是高能束焊的一種，是利用匯聚的高速電子束轟擊工件表面時所產生的熱能，使其熔化、冷卻結晶而進行焊接的方法。電子束是在高真空環境下通過電子槍產生的，電子槍一般是由陰極、聚束極和陽極組成。陰極被加熱后產生熱發射效應，表面發射電子在加速電壓并經過電磁透鏡會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，將電子的動能轉變為熱能，迅速熔化和蒸發金屬。在高壓金屬蒸氣作用下，熔化的金屬被排開，電子束深入工件內部繼續撞擊深處的固態金屬，同時很快在被焊工件上鉆出一個鎖形小孔，小孔周圍被液態金屬包圍。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，以達到熔化焊接金屬的目的。

（二）電子束焊接技術特點

電子束作為焊接的熱源具有兩個特點：第一，功率密度高。電子束焊接時，加速電壓范圍為30-150kV，電子束流為20-1000mA，電子束焦點直徑為0.1-1mm，這樣的電子束其功率密度可達106W/cm2以上，比大功率氬弧高2-4個數量級，同時，電子束特殊的能量轉換機構具有很高的能量轉換效率，這樣不但可以實現高速焊接，而且焊接時輸送到焊件上的總能量和引起的焊接變形幾乎比常規弧焊小一個數量級，對材料的熱影響也相當??；第二，精確、快速和可控。由于電子具有極小的質量和一定的負電荷，可以通過電場、磁場對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）焊后熱處理對疲勞性能的影響

相關人員研究了電子束局部熱處理對12mm厚Ti-6Al-4V鈦合金電子束焊接接頭疲勞性能的影響，結果表明電子束焊接鈦合金Ti-6Al-4V接頭及經過局部熱處理的接頭在疲勞試驗中都經歷了軟化現象，彈性應變高于塑性應變，經過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電子束焊接對Ti-6Al-4V鈦合金焊接接頭的疲勞性能的影響，實驗結果表明擺動電子束焊接接頭的疲勞性能比未擺動電子束焊接接頭差，通過金相組織的觀察發現在擺動焊接接頭中廣泛的分布著α相片狀組織，同時還對焊接接頭進行不同溫度（700℃，900℃）的PWHT（焊后熱處理），實驗結果表明700℃PWHT的試樣有更好的疲勞性能，進行700℃PWHT接頭組織中的α相片狀組織數量較900℃PWHT的少，且更加細小。掃描電鏡的觀察結果顯示，疲勞裂紋都起源于焊縫表面，裂紋擴展形貌粗糙，最后斷裂區表現出延展性的微孔形貌。

（二）熱處理對接頭力學性能的影響

TA15鈦合金電子束焊接接頭拉伸試樣及其相應溫度的熱處理，接頭拉伸試樣在拉伸試驗過程中均斷裂在母材上?？估瓘姸群颓姸榷急任礋崽幚淼哪覆膹姸嚷愿?，抗拉強度最高為700退火處理對應的試樣組，平均值達到933MPa，僅僅比未熱處理時的母材高出1.95%；屈服強度最高為600對應的試樣組，平均值達到883.9MPa，比母材高出3.23%，可見退火處理對接頭的強度影響不明顯。兩個塑性指標斷面收縮率和延伸率都有一定的改變，同未經熱處理的母材相比，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，平均值達到22.41%，750時下降最小，但也達到了7.64%。而斷面收縮率則有了良好的轉變，在650和800時均有所提高，其中650時同母材比提高了4.35%。熱處理溫度的變化沒有改變TA15鈦合金電子束焊接接頭焊縫、熱影響區和母材的相對強度，焊縫和熱影響區的強度仍然較母材高。一般認為TA15鈦合金是屬于高鋁當量的近α型鈦合金，其強化機制主要是Al及其它元素的固溶強化，不能通過熱處理進行強化。而電子束焊接時未添加任何焊接材料，特殊的焊接過程使電子束焊縫處材料的合金濃度有所提高，即合金元素對焊縫接頭部分鈦合金的固溶強化效果增強。由于對焊縫進行退火處理時同時也對母材進行了同樣的熱循環熱處理，這樣熱處理后母材的強度略有增加，而焊縫、熱影響區和母材三者的相對強度不變化，說明焊縫和熱影響區的強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焊縫和熱影響區強度的影響同對母材的影響是不明顯的。

四、結束語

綜上所述，電子束焊接及局部熱處理復合技術是在一臺電子束設備上，一次抽真空循環內完成焊接及熱處理兩種工藝，局部熱處理的掃描經過電子槍的偏轉線圈電路上加一個電子束掃描發生器實現，適當調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運動速度，可達到細化組織、降低焊縫及熱影響區殘余應力和氫含量，提高疲勞性能等目的。

【參考文獻】

[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，2017.