TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接變形控制研究

北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 馬 梁 劉方軍 張 偉 許海鷹

隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器對(duì)重量、速度、成本和空間等方面要求越來(lái)越高，強(qiáng)度高、厚度小的薄壁結(jié)構(gòu)件被大量采用。TC4鈦合金薄壁構(gòu)件由于其密度小、強(qiáng)度高及優(yōu)良的高低溫性能得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。在鈦合金薄壁構(gòu)件連接時(shí)，即使采用變形小的電子束焊接技術(shù)，焊后仍然存在較大的焊接變形，嚴(yán)重影響了零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造精度和使用性能，甚至?xí)蜃冃味购附硬僮鳠o(wú)法繼續(xù)進(jìn)行[5-8]。

本文采用電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多束流電子束焊接，在焊接的同時(shí)增加兩個(gè)輔助電子束熱源實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金薄板的焊后緩冷，利用輔助熱源在近縫區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力來(lái)改變薄板結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)和近縫區(qū)的應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)焊接變形控制。針對(duì)1mm厚的TC4鈦合金薄板，開(kāi)展了多項(xiàng)工藝試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了不同輔助熱源位置和能量分配等工藝參數(shù)對(duì)焊接變形的影響，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定了合適的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了TC4鈦合金薄板的小變形焊接，可以為鈦合金薄壁構(gòu)件的電子束焊接提供參考。

1 多束流電子束焊接變形控制原理

在真空電子束焊接中，由于電子束幾乎沒(méi)有質(zhì)量和慣性，可以實(shí)現(xiàn)非接觸的偏轉(zhuǎn)，在電磁場(chǎng)控制下能以極高的頻率在不同的位置高頻快速掃描，從而產(chǎn)生多點(diǎn)同時(shí)焊接的效果。因此，利用電子束焊接這一特點(diǎn)，可以通過(guò)電磁場(chǎng)控制一個(gè)電子束產(chǎn)生一個(gè)焊接的電子束束流和兩個(gè)輔助加熱的電子束束流，并且可以對(duì)輔助電子束的位置和熱輸入量進(jìn)行定量精確的控制，如圖1所示。

圖1中，在電子束焊接的同時(shí)，通過(guò)電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)增加兩個(gè)輔助加熱的電子束及輔助熱源1和輔助熱源2，無(wú)須其他特殊的熱源或熱沉裝置及隨動(dòng)控制系統(tǒng)；利用輔助電子束熱源在近縫區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力來(lái)改變薄板結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)和近縫區(qū)的應(yīng)力分布，以減小焊后殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)焊接變形控制。

圖1 多束流電子束焊接示意圖Fig.1 Electron beam welding with multi-beam

2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料采用1mm厚的TC4鈦合金薄板，長(zhǎng)×寬為300mm×100mm，在板的中心沿長(zhǎng)度方向焊接。

TC4鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

焊接電子束設(shè)備采用PTR公司的 KS15型電子束焊機(jī)，其高頻偏轉(zhuǎn)掃描電子束單點(diǎn)停留時(shí)間可以精確到1μs。

3 試驗(yàn)方案及工藝參數(shù)

3.1 電子束焊接工藝參數(shù)

經(jīng)反復(fù)工藝試驗(yàn)得出，采用表2所示的電子束焊接工藝參數(shù)進(jìn)行1mm厚TC4鈦合金薄板的焊接可以得到良好的焊縫成形。

表2 掃描電子束焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)

在后面的多束流電子束焊接試驗(yàn)中，上述基本的工藝參數(shù)保持不變，焊接速度始終為30mm/s。

3.2 多束流電子束焊接方案

在TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接試驗(yàn)中，焊接電子束在前，兩個(gè)輔助熱源對(duì)稱分布在焊接電子束的正后方，以實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金薄板的焊后緩冷，如圖2所示。

在圖2中，輔助熱源FH1和FH2是長(zhǎng)為a、寬為b的長(zhǎng)方形，試驗(yàn)中a為30mm，b為15mm；H為焊接電子束與掃描圖形邊緣的距離，D為焊縫中心與掃描圖形邊緣的距離。

圖2 多束流電子束焊接示意圖Fig.2 Electron beam welding with multi-beam

在多束流電子束焊接試驗(yàn)中，為了保證良好的焊縫成形，始終保持焊接電子束束流的能量不變，即保證焊接電子束束流的等效值為6.3mA。比如當(dāng)輔助熱源FH1和FH2的能量均占總能量的10%時(shí)，電子束束流需要增加到8mA左右。

下面重點(diǎn)研究輔助熱源位置參數(shù)H和D的變化，以及能量分配變化對(duì)TC4鈦合金薄板焊接變形的影響。試驗(yàn)采用單一參數(shù)變化，每個(gè)工藝參數(shù)重復(fù)做3個(gè)試樣，焊后觀察并測(cè)量薄板變形量。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 變形測(cè)量方法

TC4鈦合金薄板焊后變形采用萬(wàn)向節(jié)夾持百分表進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量示意圖如圖3所示。

圖3 萬(wàn)向節(jié)夾持百分表測(cè)量變形Fig.3 Method of measuring deformation by universal clamping indicator

在圖3中，萬(wàn)向節(jié)固定在可以平行移動(dòng)的水平平臺(tái)上，通過(guò)直線移動(dòng)百分表(或者任意方向移動(dòng)焊接試樣)測(cè)出TC4鈦合金薄板焊接試樣的縱向垂直高度變化，以垂直方向的偏移量作為TC4鈦合金薄板焊接變形量。測(cè)量時(shí)，取薄板向上彎曲為正，向下彎曲為負(fù)。

采用表2所示的常規(guī)電子束焊接工藝參數(shù)進(jìn)行TC4鈦合金薄板焊接，采用萬(wàn)向節(jié)夾持百分表測(cè)得的變形量為-19.7mm。

4.2 改變H

當(dāng)掃描圖形尺寸為30mm×15mm，輔助熱源FH1和FH2分配能量為10%，電子束束流為8mA，D=5mm時(shí)，改變H進(jìn)行TC4鈦合金薄板焊接，焊后工件的變形量如表3所示。

從表3可以看出，隨著H的變化，焊接變形量先減小后增大，當(dāng)H為10mm時(shí)，焊接變形為-11.3mm，達(dá)到最小。

4.3 改變D

當(dāng)掃描圖形尺寸為30mm×15mm，輔助熱源FH1和FH2分配能量為10%，電子束束流為8mA，H=10mm時(shí)，改變D進(jìn)行TC4鈦合金薄板焊接，焊后工件的變形量如表4所示。

表3 H值變化時(shí)鈦合金薄板焊接變形

從表4可以看出，隨著D的增加，鈦合金薄板焊接變形先減小后增大，當(dāng)D為5mm時(shí)，焊接變形為-11.3mm，達(dá)到最小。

表4 D值變化時(shí)鈦合金薄板焊接變形

4.4 改變能量分配

當(dāng)掃描圖形尺寸為30mm×15mm，D=5mm，H=10mm時(shí)，改變輔助熱源FH1和FH2能量分配，焊后工件的變形量如表5所示。

從表5可以看出，當(dāng)掃描圖形的分配能量從0～20%逐漸增加時(shí)，電子束束流從6.3mA增加至10.5mA，焊縫成形良好。常規(guī)電子束焊接時(shí)，焊接變形為-19.7mm，向下彎曲；隨著能量分配逐漸增大，焊接變形逐漸減??；當(dāng)電子束束流為9.3mA，分配能量為16.25%時(shí)，薄板開(kāi)始反向即向上彎曲變形；當(dāng)束流為10.5mA，能量分配為20%，焊接變形達(dá)到+19.5。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，適當(dāng)選擇電子束掃描圖形的位置和能量分配，在得到良好焊縫成形的前提下，可以減小焊接變形，比如，當(dāng)掃描圖形尺寸為30mm×15mm，D=5mm，H=10mm時(shí)，輔助熱源FH1和FH2能量分配為16.25%時(shí)，焊接變形為+2.2mm，達(dá)到最小。

表5 改變能量分配時(shí)鈦合金薄板焊接變形

4.5 結(jié)果分析

焊接過(guò)程的非平衡不均勻加熱和冷卻，以及由它引起的局部塑性變形是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。在焊接的同時(shí)增加輔助熱源FH1和FH2對(duì)TC4鈦合金薄板進(jìn)行焊后緩冷，利用輔助熱源產(chǎn)生的熱應(yīng)力與焊接電子束產(chǎn)生的瞬時(shí)焊接應(yīng)力進(jìn)行疊加，可以減小薄板結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力，如圖4所示。

從圖4中可以看出，常規(guī)電子束的瞬態(tài)焊接應(yīng)力與輔助熱源1和輔助熱源2產(chǎn)生的熱應(yīng)力疊加后，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的峰值都減小了，有利于減小薄板結(jié)構(gòu)的焊接變形。輔助熱源的位置和輔助熱源產(chǎn)生熱應(yīng)力的大小不同(即輔助熱源的能量分配不同)，焊件中疊加后的合成應(yīng)力也不相同，由此產(chǎn)生的焊接變形也就不同了。

從表3至表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)輔助熱源離焊縫和焊接熔池較遠(yuǎn)時(shí)，輔助熱源產(chǎn)生的熱應(yīng)力與焊接電子束瞬態(tài)應(yīng)力的抵消效果較弱，但焊接變形有所減?。浑S著掃描區(qū)域距離焊縫和焊接熔池越來(lái)越近，其壓應(yīng)力峰值作用位置漸漸向焊接電子束拉應(yīng)力峰值靠近，應(yīng)力抵消作用逐漸明顯；當(dāng)D=5mm，H=10mm時(shí)，應(yīng)力抵消效果最好，焊接變形最小。

圖4 輔助熱源減小焊接變形的作用機(jī)理Fig.4 Mechanism of reducing welding deformation by auxiliary heat source

從表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著輔助熱源能量分配的增加，輔助加熱區(qū)域的熱輸入增加，溫度升高，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也隨之增加；而此時(shí)焊接電子束的熱輸入保持不變，即瞬態(tài)焊接應(yīng)力大小及分布不變，這樣輔助熱應(yīng)力與瞬態(tài)焊接應(yīng)力疊加后合成應(yīng)力減小，焊接變形減小。當(dāng)焊接束流達(dá)到9.0mA，能量分配為15%時(shí)，向下彎曲的焊接變形減小為-4.5mm。隨著焊接束流繼續(xù)增加到9.3mA，能量分配為16.25%時(shí)，焊件開(kāi)始向上彎曲，焊接變形為+2.2mm，達(dá)到最小。這主要是因?yàn)椋涸诤缚p中心，輔助熱源產(chǎn)生的應(yīng)力與瞬態(tài)焊接應(yīng)力疊加后的合成應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，使薄板開(kāi)始反向變形。隨著電子束束流和能量分配的進(jìn)一步增大，鈦合金薄板向上彎曲的焊接變形也逐漸增大。

上述試驗(yàn)主要研究了輔助熱源的位置和能量分配等工藝參數(shù)與焊接變形的關(guān)系，還需要進(jìn)一步深入研究輔助熱源對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，以更深入地揭示TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接變形控制的機(jī)理。

5 結(jié)論

(1)采用電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描電子束技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多束流電子束焊接，在保證焊縫成形良好的條件下，利用輔助電子束熱源產(chǎn)生的熱應(yīng)力來(lái)改變薄板結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)和近縫區(qū)的應(yīng)力分布，可以減小焊接變形。

(2)輔助熱源的位置和能量分配影響焊接變形的關(guān)鍵工藝參數(shù)，當(dāng)D=5mm，H=10mm，電子束束流為9.3mA，能量分配為16.25%時(shí)，1mm厚的TC4鈦合金薄板焊接變形達(dá)到最小。

(3)為了更深入地揭示TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接變形控制的機(jī)理，還需要進(jìn)一步研究輔助熱源對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。

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