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，成為先進焊接技術(shù)發(fā)展的重要研究方向之一。鈦合金由于高的比強度和比剛度、較好的抵抗疲勞裂紋擴展能力、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。目前國內(nèi)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(yè)中推廣應(yīng)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(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五十年代才應(yīng)用于生產(chǎn)的一種先進的高能焊接技術(shù)，它利用會聚的高速電子轟擊工件接縫處，電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，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(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)用開發(fā)中，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)重量、降低成本等方面具有獨特的優(yōu)勢，因此鈦合金焊接方面的研究工作一直被國內(nèi)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(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，操作簡便等特點，目前在制造業(yè)中仍在廣泛應(yīng)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(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(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(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所產(chǎn)生的熱能，使其熔化、冷卻結(jié)晶而進行焊接的方法。電子束是在高真空環(huán)境下通過電子槍產(chǎn)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(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(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽杆偃刍驼舭l(fā)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(nèi)部繼續(xù)撞擊深處的固態(tài)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(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，以達到熔化焊接金屬的目的。

（二）電子束焊接技術(shù)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(shù)量級，同時，電子束特殊的能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，這樣不但可以實現(xiàn)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(guī)弧焊小一個數(shù)量級，對材料的熱影響也相當(dāng)小；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(guān)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(jié)果表明電子束焊接鈦合金Ti-6Al-4V接頭及經(jīng)過局部熱處理的接頭在疲勞試驗中都經(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(jié)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(shù)量較900℃PWHT的少，且更加細小。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過程中均斷裂在母材上。抗拉強度和屈服強度都比未熱處理的母材強度略高，抗拉強度最高為700退火處理對應(yīng)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(yīng)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(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(zhuǎn)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(qū)和母材的相對強度，焊縫和熱影響區(qū)的強度仍然較母材高。一般認為TA15鈦合金是屬于高鋁當(dāng)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(huán)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(qū)和母材三者的相對強度不變化，說明焊縫和熱影響區(qū)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(qū)強度的影響同對母材的影響是不明顯的。

四、結(jié)束語

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)過電子槍的偏轉(zhuǎn)線圈電路上加一個電子束掃描發(fā)生器實現(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運動速度，可達到細化組織、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】

[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.