郑岳

【摘 要】電子束焊接技术因具有高能量密度、焊接变形小及生产效率高等优点，成为先进焊接技术发展的重要研究方向之一。钛合金由于高的比强度和比刚度、较好的抵抗疲劳裂纹扩展能力、优良的抗腐蚀性和足够的热稳定性等优异的综合性能而成为航空航天、汽车船舶、化学、生物医学和核工业等许多领域中不可缺少的结构材料。目前国内外对异种钛合金电子束焊接组织和性能的研究较少，尤其是热处理对接头的组织和性能的影响，而其对电子束焊接在航空航天工业中推广应用具有重要的理论意义和实际价值。文章重点就异种钛合金电子束焊接和真空热处理进行研究分析，旨在为业内人士提供一些建议。

【关键词】钛合金；电子束焊接；真空热处理；研究

真空电子束焊接是二十世纪五十年代才应用于生产的一种先进的高能焊接技术，它利用会聚的高速电子轰击工件接缝处，电子的动能转变为热能，使被轰击的材料升温熔化，达到焊接的目的。真空电子束焊接时能量密度高度集中，焊接热效率高，热输入小，工件的焊缝和热影响区窄，焊接变形小，焊接接头化学成分得到净化。

一、钛合金焊接中应用电子束焊接技术的必要性

在钛合金结构件的应用开发中，其结构连接问题日益突出。在连接钛和钛、钛和铝、钛和镁、钛和钢的各种方法中，焊接作为钛合金加工的重要手段，有着提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面具有独特的优势，因此钛合金焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重视。钛合金在保护措施良好的条件下可以采用电子束焊、激光束焊、TIG、MIG及摩擦焊等多种方法进行焊接，传统的焊接技术如TIG焊、MIG焊等，由于它们具有设备成本低，操作简便等特点，目前在制造业中仍在广泛应用并居主流地位。但它们在焊接钛合金等特殊材料时受到一定的限制，这是因为它们存在一些缺点，如能量密度低；焊接速度慢，效率低；焊接参数可控精度差；焊缝深宽比小，厚板工件需采用多层多道焊；焊缝热影响区宽，焊缝性能低；工件变形大，需采用校正措施减少变形；焊缝精度差，重要部件需重新机械加工等。另外，采用TIG、MIG、PAW等方法焊接钛合金时，由于保护气氛及纯度的限制，会使焊接接头的氧、氮、氢的含量增加，焊后易在焊缝区形成脆性相或微气孔，降低焊接接头的塑性和韧性。而电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结构制造中得到了广泛的应用。电子束焊通常是在真空条件下进行，保护条件良好，具有熔宽比高，焊件变形小，焊缝纯洁度高等特点，尤其适用于钛及钛合金等活性金属的焊接，因此具有较大的研究、应用潜力。

二、异种钛合金电子束焊接技术研究

（一）电子束焊接工作原理

电子束焊接技术是高能束焊的一种，是利用汇聚的高速电子束轰击工件表面时所产生的热能，使其熔化、冷却结晶而进行焊接的方法。电子束是在高真空环境下通过电子枪产生的，电子枪一般是由阴极、聚束极和阳极组成。阴极被加热后产生热发射效应，表面发射电子在加速电压并经过电磁透镜会聚呈能量密度很高的电子束，加速飞向工件，高速电子与工件碰撞，将电子的动能转变为热能，迅速熔化和蒸发金属。在高压金属蒸气作用下，熔化的金属被排开，电子束深入工件内部继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊工件上钻出一个锁形小孔，小孔周围被液态金属包围。随着小孔深度的增加，热流作用半径不断减小，最终形成具有很大深宽比的钉状焊缝，使材料升温熔化，以达到熔化焊接金属的目的。

（二）电子束焊接技术特点

电子束作为焊接的热源具有两个特点：第一，功率密度高。电子束焊接时，加速电压范围为30-150kV，电子束流为20-1000mA，电子束焦点直径为0.1-1mm，这样的电子束其功率密度可达106W/cm2以上，比大功率氩弧高2-4个数量级，同时，电子束特殊的能量转换机构具有很高的能量转换效率，这样不但可以实现高速焊接，而且焊接时输送到焊件上的总能量和引起的焊接变形几乎比常规弧焊小一个数量级，对材料的热影响也相当小；第二，精确、快速和可控。由于电子具有极小的质量和一定的负电荷，可以通过电场、磁场对电子束作快速而精确的控制。

三、异种钛合金电子束焊接的真空热处理影响分析

（一）焊后热处理对疲劳性能的影响

相关人员研究了电子束局部热处理对12mm厚Ti-6Al-4V钛合金电子束焊接接头疲劳性能的影响，结果表明电子束焊接钛合金Ti-6Al-4V接头及经过局部热处理的接头在疲劳试验中都经历了软化现象，弹性应变高于塑性应变，经过局部热处理的接头的疲劳寿命增加了30%，因此电子束局部热处理能提高电子束焊接接头的性能；还有一些人员研究摆动电子束焊接对Ti-6Al-4V钛合金焊接接头的疲劳性能的影响，实验结果表明摆动电子束焊接接头的疲劳性能比未摆动电子束焊接接头差，通过金相组织的观察发现在摆动焊接接头中广泛的分布着α相片状组织，同时还对焊接接头进行不同温度（700℃，900℃）的PWHT（焊后热处理），实验结果表明700℃PWHT的试样有更好的疲劳性能，进行700℃PWHT接头组织中的α相片状组织数量较900℃PWHT的少，且更加细小。扫描电镜的观察结果显示，疲劳裂纹都起源于焊缝表面，裂纹扩展形貌粗糙，最后断裂区表现出延展性的微孔形貌。

（二）热处理对接头力学性能的影响

TA15钛合金电子束焊接接头拉伸试样及其相应温度的热处理，接头拉伸试样在拉伸试验过程中均断裂在母材上。抗拉强度和屈服强度都比未热处理的母材强度略高，抗拉强度最高为700退火处理对应的试样组，平均值达到933MPa，仅仅比未热处理时的母材高出1.95%；屈服强度最高为600对应的试样组，平均值达到883.9MPa，比母材高出3.23%，可见退火处理对接头的强度影响不明显。两个塑性指标断面收缩率和延伸率都有一定的改变，同未经热处理的母材相比，各组温度热处理的接头试样的延伸率都有所下降，600下降最多，平均值达到22.41%，750时下降最小，但也达到了7.64%。而断面收缩率则有了良好的转变，在650和800时均有所提高，其中650时同母材比提高了4.35%。热处理温度的变化没有改变TA15钛合金电子束焊接接头焊缝、热影响区和母材的相对强度，焊缝和热影响区的强度仍然较母材高。一般认为TA15钛合金是属于高铝当量的近α型钛合金，其强化机制主要是Al及其它元素的固溶强化，不能通过热处理进行强化。而电子束焊接时未添加任何焊接材料，特殊的焊接过程使电子束焊缝处材料的合金浓度有所提高，即合金元素对焊缝接头部分钛合金的固溶强化效果增强。由于对焊缝进行退火处理时同时也对母材进行了同样的热循环热处理，这样热处理后母材的强度略有增加，而焊缝、热影响区和母材三者的相对强度不变化，说明焊缝和热影响区的强度一定是较母材得到了较大的提高，但是不同温度的热处理对焊缝和热影响区强度的影响同对母材的影响是不明显的。

四、结束语

综上所述，电子束焊接及局部热处理复合技术是在一台电子束设备上，一次抽真空循环内完成焊接及热处理两种工艺，局部热处理的扫描经过电子枪的偏转线圈电路上加一个电子束扫描发生器实现，适当调整电子束的扫描波形、扫描幅值、扫描频率、电子枪和工件的相对运动速度，可达到细化组织、降低焊缝及热影响区残余应力和氢含量，提高疲劳性能等目的。

【参考文献】

[1]旷小聪.超大厚度TA15钛合金电子束焊接及热处理工艺研究[D].南昌航空大学，2017.