TC4钛合金电子束焊接焦点动态变化特性研究

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1、万方数据第29卷第4期2009年8月航空材料学报JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSV01．29，No．4August2009TC4钛合金电子束焊接焦点动态变化特性研究付鹏飞1，一，王亚军3，毛智勇2，巩水利2，王春明1(1．华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉430074；2．北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室，北京100024；3．北京航空航天大学机械制造工程与自动化学院，北京100191)摘要：为了探索电子束深熔穿透焊接原理，针对20ram厚TC4

2、钛合金中厚板材开展了电子束焊接工艺实验，分析了电子束焊接过程焦点动态变化特性，研究了焊接速度、工作距离对电子束焊接焦点动态变化特性的影响。结果表明，随着焊接速度增加，临界穿透束流增大，焦点动态变化特征曲线上移；随着工作距离的增加，动态焦点逐渐向下移动；保持其他参数恒定，随着聚焦电流增加，电子柬焦点动态变化，焊缝形貌由钉形向钟罩形过渡。关键词：TC4钛合金；电子束焊接；临界穿透束流；焦点中图分类号：TG456．3文献标识码：A文章编号：1005-5053(2009)04-0038-04电子束焊接技术被广泛应

3、用于航空航天领域，尤其是钛合金铝合金等新型材料关键构件的研制¨。1。电子束焦点状态的调控是影响高精密构件焊接质量的重要手段和措施之一，焊接所采用的电子柬聚焦后束流一般是先收敛后发散，存在着一个最小的截面”“J，如图l所示，这个截面就是电子束的焦点。焦点截面半径最小、电子束能量密度最大。在焦点附近存在截面半径变化较小的活性区，在该区域内束流穿透金属能力和焊接效果非常接近。在电子束焊接动态过程中，金属蒸气及等离子体影响了束流的传输和轨迹形状，汇聚位置和汇聚处束流半径均将发生变化，即影响了电子束焦点；在焊接动态

4、过程中无法测量束流焦点形状，但从焊接效果上看总存在某一聚焦状态使电子束焊接的熔深最大。本文将这种现象称作电子束焊接焦点动态变化特性。针对钛合金板材，本研究通过最小临界穿透束流、聚焦电流等来表征电子束焊接的焦点动态变化特性，将有助于探索航空制造领域中大厚度钛合金电子束焊接原理及工艺优化调控，改善和提高接头的焊接质量，在武器装备制造领域及民用制造业中进一步推广电子束焊接技术的应用。收稿日期：2009-03—15；修订日期：2009-05-20作者简介：付鹏飞(1978一)，工程师，博士研究生，主要从事电子束加

5、工工艺及设备方面的研究，(E-mail)fupengfei97@163．eomo1实验采用厚度为20ram的TC4钛合金热轧平板，化学成分见表1，试板尺寸为200mm×180mm。图1电子束流轨迹形状Fig．1Sketchofelectronbeamtrack表1TC4钛合金化学成分Table1ChemicalcompositionofTC4使用钢丝刷去除TC4钛合金表面氧化膜，再用酒精或丙酮擦拭干净后，放进ZDl50—15A电子束焊机真空室中，沿试板长度方向进行焊接实验，确保试板沿厚度方向焊透，典型的焊

6、接工艺参数见表1。通过改变工作距离、焊接速率等参数，连续调节聚焦电流和输入束流获得临界穿透束流。图2为焦点状态电子束与钛合金材料作用照片。万方数据第4期TC4钛合金电子束焊接焦点动态变化特性研究39表2TC4钛合金焊接工艺参数Table2ProcessingparametersofEBWforTC4AcceleratedBeamcurrentFocuscurrentWeldingspeedvoltageU．／kVlb／mAlr／mAv／(mm／min)图2电子束焦点状态照片Fig．2Photographo

7、felectronbeamfocus切取接头金相试样，通过显微镜观察焊缝整体形貌，分析焦点变化对焊缝形貌的影响。2结果与分析TC4钛合金试板电子束焊缝表面成形良好，试板达到临界焊透。2．1电子束焊接焦点动态特性在加速电压U。=150kV，焊接速率秽=600mm／min条件下，连续调整聚焦电流和焊接束流使试板达到临界穿透，将聚焦电流及其对应焊透试板的临界穿透束流数据进行统计分析，依次连接各数据点形成光滑曲线，建立聚焦电流与临界穿透束流之间的关系，如图3所示。图3电子束聚焦电流与临界穿透束流之间关系Fig．3

8、Relationsbetweenfocuscurrent＆criticalpenetratingcurrent聚焦电流与临界穿透束流曲线中临界穿透束流的大小，反映了焊接过程中随着聚焦电流的变化，电子束焦点位置状态的变化。曲线向下凹且存在一个极小值点，即最小临界穿透束流，称作焦点动态变化特性曲线。极值点状态表示在此聚焦状态下用最小的输入束流可获得最大的熔深，体现了电子束焊接最佳的工作状态。依据文献¨”1，将最小临界穿透束流所对应