柔性薄壁結構電子束焊接的變形控制

中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所 龔榮清 楊錫龍

真空電子束焊接技術以其高功率密度、焊接熱輸入量小、零件變形小、焊后殘余應力小、焊縫深寬比大、焊接接頭無氧化、焊縫質(zhì)量好等特點，廣泛應用于航空、航天及原子能等工業(yè)領域中。在航空制造業(yè)中，電子束焊接技術的應用大大提高了飛機發(fā)動機的制造水平[1]。TC4鈦合金具有優(yōu)異的綜合力學性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應用[2]。與其他金屬相比，TC4 鈦合金導熱性差、電阻系數(shù)大、熱容量小，熔焊時應采用能量集中的熱源, 因此電子束焊無疑成為TC4 鈦合金焊接加工的首選方法之一[3]。

功率分出軸是發(fā)動機的傳動件，其結構中的柔性薄壁結構使功率分出軸具有一定柔性補償能力。柔性薄壁結構本身的變形會大大降低功率分出軸的疲勞強度，因此焊縫除了必須符合GJB1718A中Ⅰ級焊縫要求，同時還要求焊接變形盡可能小，圖1中δ為柔性薄壁件的壁厚。本文以某型功率分出軸柔性薄壁結構為研究對象，探討控制電子束焊接變形的方法。

1 試驗材料和設備

試驗材料為TC4鈦合金鍛件，退火狀態(tài)供貨，母材化學成分見表1[4]。采用法國泰克米特（TECHMETA）公司的LARA52型60 kV中壓電子束焊機進行真空電子束焊接，焊前采用硝酸氫氟酸溶液酸洗，焊后采用WZT-45型真空熱處理爐進行接頭去應力退火處理，熱處理制度為： （620±10）℃，保溫2h隨爐冷卻至200℃以下空冷。

2 試驗過程

2.1 工藝參數(shù)確定

由于直接在柔性薄壁零件上進行工藝試驗費用較高，因此采用與焊縫接口尺寸相同的TC4 鈦合金圓管為研究對象，分別為試件1：外徑φ52mm，厚度4.5mm的圓管和試件2：外徑φ121mm，厚度2.2mm，分析工藝參數(shù)對焊縫形狀、變形等方面的影響，在工藝參數(shù)確定后再在實際的工件上進行焊接。

2.2 變形檢測

圖1 柔性薄壁結構示意圖Fig.1 Diagram of flexible thin-walled structure

在保證焊縫質(zhì)量條件下，同時解決2#焊縫焊接變形是圖1結構焊接的最大難點。采用試件1初步確定焊接工藝參數(shù)，再用2#焊縫試焊，焊接變形最小是判斷最終焊接工藝參數(shù)的標準。

3 變形控制方案

3.1 焊接工藝參數(shù)

影響焊接變形的工藝參數(shù)主要有加速電壓、焊接電流、聚焦電流、焊接速度和工作距離等，經(jīng)過參數(shù)摸索初步確定2組焊接參數(shù)，見表2。2組參數(shù)均采用表面以下的聚焦方式，焊接線能量計算公式為[5]：

采用參數(shù)1和參數(shù)2分別焊接2#焊縫，在相同的工作距離和散熱條件下，采用參數(shù)2焊接的2#焊縫出現(xiàn)變形過大情況，導致外圓側面熔化的現(xiàn)象，而參數(shù)1未出現(xiàn)該現(xiàn)象，見圖2。由圖可知，焊接線能量越小，焊接變形也就越小。同時焊接速度v=300cm/min試驗證明，若要保證焊縫質(zhì)量，焊接速度越慢，焊接所需線能量也就越大。

3.2 焊接重疊角度和收弧角度

在焊接環(huán)焊縫時，為了保證焊接接縫處完全焊透和收弧處焊縫成形，一般焊接時會有一定的焊接重疊角度和收弧角度。重疊焊接和收弧焊接使局部熱輸入大于其他部位，焊縫收縮量也大于其他部位，從而導致焊接變形過大，見圖3。通過采用多次試驗，最終確定重疊角度為8°，收弧角度為45°為最合理角度，試驗數(shù)據(jù)見表3。

圖2 不同焊接線能量焊接變形示意圖Fig.2 Welding deformation diagrams With different welding heat inputs

表1 TC4鈦合金化學成分質(zhì)量分數(shù)%

表2 焊接工藝參數(shù)

3.3 焊接裝配和散熱

焊接裝配時，每道焊縫分開裝配焊接，可以對前后焊接之間進行及時調(diào)整。將上一道焊接變形造成的高、低點，在自由狀態(tài)下相互配合，使零組件在焊接前跳動最小，這樣可控制焊接變形的疊加。

TC4鈦合金導熱性差，焊接時的熱量傳導容易導致薄壁變截面產(chǎn)生塑性變形。采用熱容量大的紫銅作散熱工裝，可保證散熱效果，控制變形。同時工裝型面與薄壁變截面型面緊密貼合，可增大散熱面積，提高散熱效率，控制焊接變形。焊接散熱示意圖如圖4所示。

4 結論

（1） 綜合應用最小焊接熱輸入、減小焊接重疊角度和合理焊接裝配及散熱相結合的變形控制方法，使電子束焊接功率分出軸柔性薄壁結構變形控制在0.3mm以內(nèi)。

（2） 電子束焊接方法結合適當?shù)淖冃慰刂品椒軡M足功率分出軸柔性薄壁結構設計要求。

圖3 焊接重疊和收弧導致焊接變形Fig.3 Welding deformation due to overlap angle and crater angle

表3 焊接工藝參數(shù)

圖4 焊接散熱工裝示意圖（mm）Fig.4 Heat dissipation fixture of welding diagram （mm）

（3） 減小焊接熱輸入，特別是提高焊接速度，可以有效地控制焊接變形，使焊接時超過1mm的變形降低到0.3mm以內(nèi)。

[1] 《工程材料實用手冊》編輯委員會.工程材料實用手冊第4卷鈦合金·銅合金（第2版）．北京:中國標準出版社,2001.

[2] 康文軍,梁養(yǎng)民.電子束焊接在航空發(fā)動機制造中的應用.機械制造文摘（焊接分冊）,2008(6):72-75.

[3] 宮平，毛智勇. TC4鈦合金電子束焊接工藝參數(shù)對焊縫形狀的影響. 航空制造技術, 2008(6)：72-75.

[4] 《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊第4卷鈦合金（第2版） .北京：中國標準出版社,2002:104-131.

[5] 王之康,高永華.真空電子束焊接設備及工藝．北京：原子能出版社，1990．