掃描波形對電子束焊接接頭成形及組織的影響

高雙勝，楊 爍，曲 伸，金 泉，肖翰林，范月玲

（1.沈陽航空航天大學，遼寧沈陽110136；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽110043）

掃描波形對電子束焊接接頭成形及組織的影響

高雙勝1，2，楊 爍2，曲 伸2，金 泉2，肖翰林1，范月玲1

（1.沈陽航空航天大學，遼寧沈陽110136；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧沈陽110043）

采用圓波和三角波兩種掃描模式，在不同的掃描幅度下對高溫合金GH4169進行電子束焊接試驗，分析焊接接頭的成形情況、焊縫尺寸、接頭橫截面的宏觀形貌和顯微組織。結果表明，圓波比三角波掃描模式焊縫成形差，隨著掃描幅度的增加，兩種掃描模式下焊縫成形均變差。當掃描幅度超過2 mm時，容易產(chǎn)生咬邊缺陷。隨著掃描幅度的增加，焊縫的成形系數(shù)增加。非掃描情況下，焊縫中心兩側(cè)柱狀晶夾角接近180°，而在掃描情況下，焊縫中心兩側(cè)柱狀晶夾角接均小于180°，圓波模式比三角波模式柱狀晶夾角大。

電子束焊接；掃描模式；焊縫成形；顯微組織

0 前言

作為高能束流焊接方法的典型代表，電子束焊具有能量密度高、焊縫深寬比大、焊接熱影響區(qū)小、殘余變形小、焊接速度快、效率高等特點。與其他熔焊方法相比，優(yōu)勢明顯，因此電子束焊在航空航天等領域得到廣泛的應用[1-2]。

電子束的束流直徑小，在焊接過程中為了防止產(chǎn)生焊偏和根部未焊透等缺陷，對接頭的裝配精度提出了較高的要求，增加了焊接難度。為了解決這一問題，可采取增加電子束流直徑的措施，但是這一做法將降低能量密度、削弱甚至喪失了電子束焊

接的優(yōu)勢。另外一種可行的做法是讓電子束通過電磁線圈產(chǎn)生擺動掃描，使電子束焊縫適當加寬，避免產(chǎn)生上述缺陷。擺動掃描方式對焊接接頭成形、顯微組織及性能將產(chǎn)生較大的影響，因此諸多學者對此展開了試驗研究。陳少華[3]研究了三角波、矩形波、鋸齒掃描波形對TC4鈦合金電子束焊接焊縫成形的影響，Wang[4]分析了掃描波形對TC4鈦合金電子束焊接接頭相組成、斷裂模式的影響。本研究以航空發(fā)動機常用材料——高溫合金GH4169為對象，研究了三角波和圓波兩種掃描模式下不同掃描幅度情況下的焊接接頭成形情況、焊縫尺寸、顯微組織等變化。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

高溫合金GH4169是制造航空發(fā)動機的重要材料，具有優(yōu)異的高溫強度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，以及良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，已成為航空發(fā)動機熱端部件不可替代的關鍵材料。航空發(fā)動機零部件結構復雜，為了便于分析和測試，本研究以平板為對象，以期將獲得的試驗規(guī)律應用于航空發(fā)動機的制造中。為了比較不同掃描模式下焊縫的熔深，確定試驗用板厚度10 mm，材料的化學成分如表1所示。

表1 GH4169的化學成分Tab.1Chemical compositions of GH4169％

1.2 試驗方法

采用真空電子束焊在厚度10 mm的高溫合金GH4169平板上堆焊，焊接工藝參數(shù)為：加速電壓150 kV、電子束流14 mA、聚焦電流1 943 mA、焊接速度12 mm/s、掃描頻率200 Hz、真空度1.0×10-2Pa。試驗中分別比較三角波和圓波兩種掃描方式（見圖1），掃描幅度d分別為0 mm、1 mm、2 mm、3 mm，其中掃描幅度為0即無掃描的情況。焊后觀察焊接接頭成形情況，采用線切割剖開焊接接頭，沿橫截面進行金相試驗，分別采用體視顯微鏡和光學顯微鏡觀察焊接接頭的宏觀和微觀形貌。

圖1 掃描方式Fig.1Scanning waveform

2 試驗結果和分析

2.1 焊縫成形

不同掃描波形的焊縫表面形貌如圖2所示，可以看出三角波掃描模式焊縫成形優(yōu)于圓波掃描模式。掃描幅值為1 mm的三角波沿焊縫方向熔寬比較均勻，隨著掃描幅值的增加，焊縫的焊趾處出現(xiàn)了咬邊。掃描模式為圓波時表面成形較差，尤其是當掃描幅度增加到2 mm和3 mm時，焊縫表面較粗糙，飛濺較大，并有下凹的現(xiàn)象。

數(shù)據(jù)計算對比顯示，實驗組中風后吞咽障礙患者護理后護理滿意度評分（90.54±5.51）分，參照組中風后吞咽障礙患者護理后護理滿意度評分（83.24±4.21）分，差異有統(tǒng)計學意義（t=5.5705，P＜0.05）。

a—無掃描；b—三角波幅度1 mm；c—三角波幅度2 mm；d—三角波幅度3 mm；e—圓波幅度1 mm；f—圓波幅度2 mm；g—圓波幅度3 mm。圖2 電子束焊接頭成形情況Fig.2Forming of welded joints

2.2 焊接接頭熔深和熔寬

垂直于焊縫方向?qū)⒑附咏宇^剖開，進行金相試驗。無掃描時焊接接頭斷面呈釘子型，焊縫深寬比大，如圖3a所示。

隨著掃描波形和幅度的變化，焊縫形狀變化較大。如表2所示，隨著掃描幅度的增大，熔寬也隨之增大，熔深逐漸減小。這是因為在其他焊接參數(shù)不變的情況下，隨著掃描幅度的增加，工件上加熱范

圍增大，使得在熱輸入不變的情況下，熱量散失加速，熔深減小。在掃描模式相同的情況下，隨著掃描幅度的增加，焊縫呈明顯的非對稱形狀。當掃描幅度為2 mm和3 mm時，圓波掃描模式比三角波模式產(chǎn)生的咬邊更嚴重。

表2 焊接接頭形狀尺寸Tab.2Size of joint mm

a—無掃描；b—三角波幅度1 mm；c—三角波幅度2 mm；d—三角波幅度3 mm；e—圓波幅度1 mm；f—圓波幅度2 mm；g—圓波幅度3 mm。圖3 電子束焊接頭斷面形貌Fig.3Macrostructure of cross section of joint

焊縫成形系數(shù)（熔寬與熔深的比值）是描述焊縫形貌的一個重要參量。對于電弧焊來說焊縫成形系數(shù)一般都大于1，如埋弧焊時焊縫的成形系數(shù)一般大于1.3，即焊縫的熔寬至少為焊縫熔深的1.3倍。通常電子束焊縫成形系數(shù)較小，易形成窄而深的焊縫，焊接熱影響區(qū)窄，焊接接頭變形小。由圖4可知，隨著掃描幅度的增加，三角波和圓波掃描模式下，焊縫的成形系數(shù)均增大，說明在相同的焊接工藝參數(shù)下，掃描幅度越大，電子束焊縫的“釘子”形貌特征越不明顯。

圖4 掃描幅度與焊縫成形系數(shù)關系Fig.4Form factor of weld

2.3 焊接接頭顯微組織

電子束焊接接頭斷面的顯微組織如圖5所示。圖5a為非掃描模式，焊縫柱狀晶方向非常明顯，垂直于熔合線，由于焊縫寬度較窄，因此柱狀晶尺寸較短，焊縫中心兩側(cè)柱狀晶夾角幾乎呈180°，焊縫中心容易產(chǎn)生區(qū)域偏析而聚集雜質(zhì)，抗熱裂紋性能差，隨著掃描幅度的增加，焊縫兩側(cè)柱狀晶之間的夾角逐漸減小。相比較而言，在其他參數(shù)相同的情況下，圓波模式比三角波模式柱狀晶夾角大。從防止熱裂紋的角度來看，焊縫的形成系數(shù)值不能太小，因此掃描焊接有利于防止焊接熱裂紋缺陷，但掃描幅度不宜過大，否則失去了電子束焊接的優(yōu)勢。

3 結論

（2）在其他焊接參數(shù)不變的情況下，隨著掃描幅度的增加，焊縫的成形系數(shù)增加。

（3）非掃描情況下，焊縫中心兩側(cè)柱狀晶夾角接近180°，易產(chǎn)生區(qū)域偏析，圓波模式比三角波模式柱狀晶夾角大。

[1]張秉剛，吳林，馮吉才.國內(nèi)外電子束焊接技術研究現(xiàn)狀[J].焊接，2004（2）：5-8.

[2]吳會強，馮吉才，何景山.電子束焊接深熔產(chǎn)生機理的研

究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].焊接，2003（8）：5-8.

[3]陳玉華，謝吉林，鄭南松，等.掃描波形對TC4鈦合金電子束焊接焊縫成形的影響[J].南昌航空大學學報，2014，28（7）：39-43.

[4]Shaogang Wang，Xinqiang Wu.Investigation on the microstructureand mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy joint with electron beam welding[J].Materials and Design，2012（36）：663-670.

圖5 焊接接頭顯微組織Fig.5Microstructure of welded joint

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表1 不同焊接方向下的數(shù)據(jù)對比

（2）x方向最大變形位于橫梁和側(cè)梁對接焊縫和U型焊縫交叉區(qū)域；y方向最大變形位于側(cè)梁四個彈簧筒端部；z方向最大變形位于對接焊縫邊緣區(qū)域。

（3）轉(zhuǎn)向架構架焊接收縮變形主要在y方向，其變化率為2.82％。

（4）焊接方向2產(chǎn)生彎曲變形最小。

參考文獻：

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[4]汪建華，陸?zhàn)?焊接殘余應力形成機制與消除原理若干問題的討論[J].焊接學報，2002（03）：75-79.

Influence of scanning waveform on the forming and microstructure of joints with electron beam welding

GAO Shuangsheng1，2，YANG Shuo2，QU Shen2，JIN Quan2，XIAO Hanlin1，F(xiàn)AN Yueling1
（1.ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China；2.AVICShenyangLimingAero-EngineGroupCorporation Ltd.，Shenyang 110043，China）

GH4169 alloy was welded by vacuum electron beam.The circular scanning welding and linear scanning welding were used to weld under different scanning amplitude.forming condition of welded joints，the weld size，joint cross section of macrostructure and microstructure were observed and analyzed.The results show that using linear scanning welding was better than the circular scanning welding on the weld forming.The weld forming is poor in two kinds of scanning welding with the increase of the scanning amplitude. When the scanning amplitude exceeded 2 mm，the bite defect is easy.With the increase of the scanning amplitude，the forming coefficient of the weld was increasing.Using non scanning welding the columnar crystal angle on both sides of the weld center was close to 180°.But using scanning welding the columnar crystal angle on both sides of the weld center was less than 180°.The columnar crystal angle of using circular scanning welding was bigger than using linear scanning welding.

electron beam welding；scanning waveform；weld forming；microstructure

TG456

A

1001－2303（2016）09－0107-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.25

2015-09-07；

2016-08-15

遼寧省自然科學基金資助（2014024009）；遼寧省企業(yè)博士后資助

高雙勝（1974—），男，黑龍江雙城人，講師，博士，主要從事焊接質(zhì)量控制與無損檢測的研究工作。