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      TC4鈦合金薄板多束流電子束焊接變形控制研究

      2015-05-31 00:31:44北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉方軍許海鷹
      航空制造技術(shù) 2015年15期
      關(guān)鍵詞:束流電子束薄板

      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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