高温钛合金焊后双重电子束局部热处理方法

摘要

本发明属于一种高能束热处理技术，适用于各种高温钛合金、高温合金材料电子束焊接结构的焊后双重热处理，涉及一种耐高温金属材料焊后双重电子束局部热处理方法。本发明的技术方案是，一、搭建双重电子束局部热处理工艺平台，建立测温系统和优化扫描系统；二、双重电子束局部热处理，电子束焊接、电子束局部固溶热处理、电子束局部退火热处理。本发明提高了电子束局部热处理温度，扩展了技术的应用范围，可实现零件的多重热处理加工；在一次真空循环中，完成电子束焊接及焊后双重电子束局部热处理集成加工，提高了生产效率，可以解决高温钛合金发动机构件电子束焊后无法整体热处理的实际问题，改善接头的组织性能，提高接头的持久性能。

权利要求

1.一种高温钛合金焊后双重电子束局部热处理方法，其热处理方法是，一、搭建双重电子束局部热处理工艺平台

(1)测温系统建立

采用氩弧焊及电阻点焊将热电偶焊装于试板背面距焊缝中心小于10mm处，通过补偿导线将热电偶连接到温度记录仪上，实时记录测试位置的温度变化；通过光学测温仪对试板上表面热处理区域温度场进行实时监测；

(2)优化扫描系统

通过微机控制高频扫描线圈，调整扫描方式、扫描面积点阵及最长扫描时间，对包含焊缝的局部区域作电子束扫描热处理，扫描区域沿焊缝长度方向与垂直焊缝宽度方向的比达到5∶1以上；

二、双重电子束局部热处理

(1)电子束焊接

钢丝刷去除材料表面氧化膜后在真空电子束焊机中施焊，电子束焊接参数：加速电压Ua＝60～150kV，束流If＝20～100mA，焊接速度V＝600～1000mm/min，枪距工件表面-2 -2距离H＝300～800mm，真空度3×10 ～8×10 Pa，试件完全深熔穿透；

(2)电子束局部固溶热处理

电子束焊后在焊态真空环境下保持2～5min，采用矩形扫描方式，在扫描系统中设定扫描面积点阵、最长扫描时间、线圈距工件距离，控制扫描系统沿焊缝长度方向的扫描距离与垂直焊缝宽度的扫描距离比达到5∶1以上，通过高频偏摆使电子束面热源覆盖整条焊缝；增加束流至20～50mA，使试件迅速升温到980℃～1120℃；再减少束流至27～15mA，保温5～10min；关闭束流，使试件在真空环境下冷却至600℃；

(3)电子束局部退火热处理

采用(2)中的束流矩形扫描方式，增加束流至8～15mA进行第二重电子束局部退火热处理：升温至700～800℃，调整减少束流至10～8mA，保温10～15min；降低束流缓冷至

300℃，关闭束流。

2.根据权利要求1所述的高温钛合金焊后双重电子束局部热处理方法，其特征是，所述的在扫描系统中设定的扫描面积点阵大于5000点、最长扫描时间为1000s、线圈距工件距离为300～500mm。

说明书

高温钛合金焊后双重电子束局部热处理方法

技术领域

[0001] 本发明属于一种高能束热处理技术，适用于各种高温钛合金、高温合金材料等电子束焊接结构，涉及一种高温钛合金焊后双重电子束局部热处理方法。

背景技术

[0002] 与传统熔焊方法相比较，电子束焊接具有能量密度高，焊接效率高，焊缝窄，深宽比大，变形小，焊接环境优良，工艺适应性强等优点。因此，被广泛应用于航空、航天、武器装备制造及核工业等高科技军事领域，并已扩展到电子、化工、汽车、电力及矿山机械等多个民用行业中；除了传统金属材料，电子束焊接主要用于钛合金、高温合金、铝锂合金及高强钢等多种新材料的加工。由于熔焊固有的特点，焊缝区存在铸态的马氏体组织且分布较高的残余拉应力，因此，焊后采用热处理的方式来改善接头应力分布及组织性能。焊后电子束局部热处理是利用散焦的电子束扫描加热包括焊缝在内的局部区域实现热处理。随着电子束焊接技术的广泛应用，电子束焊后热处理引起了工程技术人员的关注。

[0003] 对于钛合金材料，研究表明焊后电子束局部退火热处理可改善接头应力分布及疲劳性能。对于发动机组件高温钛合金材料，电子束焊接后采用固溶+退火双重热处理方法来改善接头组织及应力分布状态，提高接头持久等力学性能；由于实际零件尺寸精度高、耐高温夹具设计难以及焊后热处理时间间隔短等问题限制，整体真空炉热处理已无法满足使用要求。

[0004] 目前，高温钛合金、高温合金材料电子束焊接后热处理方法有：(1)真空或非真空炉整体热处理(包括退火、固溶+退火双重热处理)；(2)电子束局部热处理(单一退火、单一回火)。

[0005] 俄罗斯学者在电子束焊后钛合金接头冷却到25℃时，采用散焦的电子束沿焊缝扫描进行退火热处理；束流扫描波形为锯齿形，加热斑点宽度：B1＝B(焊缝宽)+1～2mm；焊缝根部热处理区的温度为750～800℃，热处理时间在40秒～3分钟变化；局部热处理后接头冲击强度明显提高。(Lysenkov Yu T.Improving the properties of welded joints in a BT20 alloyby the local heat treatment with an electron beam[J].WeldingProdution，1980，4：7～8)钛合金和高强度钢电子束局部退火热处理后，电子束焊接接头拉伸残余应力峰值及氢含量的峰值明显降低，抗拉强度、拉伸朔性和冲击韧性达到了整体热处理的水平。(Lysenkov Yu T，Feoktistova E M.Electron beam welding and zone heat treatment of weldedjoints in titanium alloys and high strength steels[J].WeldingInternational，1994，8(8)：646～648.)

[0006] 近几年台湾的学者在焊后电子束局部热处理方面做了一些工作。Wang chien chun等学者在电子束焊接后立刻进行低热输入的电子束局部退火热处理；采用微机控制的逐点扫描方式进行扫描，扫描区宽度、扫描速度及热输入可调整。(Wang Chien2Chun，Chang Yin.Effect postweldtreatment on the fatigue crack growth rate of electron beam weldedAISI4130[J].Metallurgical Materials Transactions A，1996，(27A)：3162～3169)T.Sebastiano等学者通过矩形电子束斑点扫描来完成电子束局部热处理，明显降低了焊缝和热影响区显微硬度值，提高了接头的断裂韧性。(Sebatino T，Fabiao N.Electron beam welding and post weld treatments ofsteels[J].Journal of Materials Science Letters，1996，15：827～830.)

[0007] 真空炉整体热处理需要严格控制焊接到焊后热处理的时间间隔；对于高温钛合金、高温合金薄壁零件，当要求较高的热处理温度时，需要设计耐高温夹具以及严格的工艺控制手段，以保证零件的尺寸精度。因此，真空整体热处理的应用受到了一定限制。

[0008] 目前，焊后电子束局部热处理主要为局部退火或局部回火热处理，采用循环扫描加热的方式见图1，即散焦电子束1扫描加热包含焊缝2的局部区域4，试板5循环往复运动。受运动速度与热输入匹配、金属热传导散热等因素影响，热处理区域3温度较低(900℃以下)，热处理均温性较差，无法满足固溶温度的电子束热处理。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种高温钛合金、高温合金电子束焊接接头组织性能好，持久性能高的高温钛合金焊后双重电子束局部热处理方法。

[0010] 本发明的技术方案是，

[0011] 一、搭建双重电子束局部热处理工艺平台

[0012] (1)测温系统建立

[0013] 采用氩弧焊及电阻点焊将热电偶焊装于试板背面距焊缝中心小于10mm处，通过补偿导线将热电偶连接到温度记录仪上，实时记录测试位置温度变化；通过光学测温仪对试板上表面热处理区域温度场进行实时监测；

[0014] (2)优化扫描系统

[0015] 通过微机控制高频扫描线圈，调整扫描方式、扫描面积点阵及最长扫描时间，对包含焊缝的局部区域作电子束扫描热处理，扫描区域沿焊缝长度方向与垂直焊缝宽度方向比达到5∶1以上；

[0016] 二、双重电子束局部热处理

[0017] (1)电子束焊接

[0018] 钢丝刷去除材料表面氧化膜后在真空电子束焊机中施焊。电子束焊接参数：枪距工件表面距离H＝300～800mm，加速电压Ua＝60～150kV，束流If＝20～100mA，焊接-2 -2速度V＝600～1000mm/min，真空度3×10 ～8×10 Pa，试件完全深熔穿透；

[0019] (2)电子束局部固溶热处理

[0020] 电子束焊后在焊态真空环境下保持2～5min，采用矩形扫描方式，在扫描系统中设定扫描面积点阵、最长扫描时间、线圈距工件距离，控制扫描系统沿焊缝长度方向的扫描距离与垂直焊缝宽度的扫描距离比达到5∶1以上，通过高频偏摆使电子束面热源覆盖整条焊缝；增加束流至20～50mA，使试件迅速升温到980℃～1120℃；再减少束流至27～15mA，保温5～10min；关闭束流，使试件在真空环境下冷却至600℃；

[0021] (3)电子束局部退火热处理

[0022] 固溶冷却至600℃后采用(2)中的束流矩形扫描方式，增加束流至8～15mA进行第二重电子束局部退火热处理：升温至700～800℃，调整减少束流至10～8mA，保温10～15min；降低束流缓冷至300℃，关闭束流；

[0023] 所述的扫描系统中设定的扫描面积点阵大于5000点、最长扫描时间为1000S、线圈距工件距离为300～500mm。

[0024] 本发明具有的有益效果，

[0025] 本发明提高了电子束局部热处理温度，扩展了技术的应用范围，可实现零件的多重热处理加工；电子束焊接与电子束局部热处理时间间隔，可避免易裂材料的开裂几率；一次真空循环中，完成电子束焊接及焊后多重电子束局部热处理集成加工，提高了生产效率，清洁节能，节约成本；解决发动机组件高温钛合金的电子束焊后无法整体热处理的实际问题，改善接头的组织和残余应力分布，提高接头持久和疲劳力学性能，为高精密零件结构的研制提供技术储备及技术保障；可用于零件结构的再制造领域，作为焊接修复后零件的热处理方式，延长使用寿命；既可满足结构复杂的大型零件的局部热处理需求，又能实现多品种零件小批量的焊接及焊后热处理生产；将成为整体热处理的一种有益补充。

附图说明

[0026] 图1为现有技术扫描方式示意图；

[0027] 图2为本发明扫描方式示意图；

[0028] 图3为本发明实施例一的效果曲线图；

[0029] 图4为本发明实施例三的效果曲线图。

具体实施方式

[0030] 热处理工艺过程是，

[0031] 1.搭建双重电子束局部热处理工艺平台

[0032] (1)测温系统建立

[0033] 见图2所示，采用氩弧焊及电阻点焊将热电偶6焊装于试板7焊缝8背面，通过补偿导线连接到温度记录仪上，实时记录测试位置温度变化；采用光学测温仪对试板表面进行温度场的监测。

[0034] (2)优化扫描系统及工艺

[0035] 通过微机控制高频扫描线圈1，见图2所示，调整包括扫描方式(圆形、矩形、五角星、环形等)、扫描面积点阵及最长扫描时间等参数，使电子枪2产生3，4位置的电子束，实现局部较大区域5的电子束扫描热处理，扫描区域5沿焊缝6长度方向与垂直焊缝宽度方向比达到5∶1以上。

[0036] 2.双重电子束局部热处理工艺实施

[0037] (1)电子束焊接

[0038] 钢丝刷去除材料表面氧化膜后在电子束焊机中施焊，采用平板堆焊方式焊接，焊接参数：加速电压60～150kV、束流20～100mA、焊接速度600～1000mm/min、枪距工件表-2 -2面距离H＝300～800mm、真空度3×10 ～8×10 Pa，试件完全深熔穿透。

[0039] (2)电子束局部固溶热处理

[0040] 电子束焊后在焊态真空环境下保持2～5min，采用矩形扫描方式，设定扫描点阵5000点以上、最长扫描时间1000s、线圈距工件距离300～500mm，控制扫描系统实现如图
2所示的新型束流扫描运动方式，电子束高频偏摆于3与4之间极限位置，实现完成包含焊缝在内的(25～30)mm×(100～300)mm的局部区域的一重电子束固溶热处理：增加束流至
20～50mA，使试件迅速升温到980℃～1120℃；再减少束流至30～15mA，保温5～10min；
关闭束流，使试件在真空环境下冷却至600℃；

[0041] (3)电子束局部退火热处理

[0042] 固溶热处理冷却至600℃后采用上述(2)中的束流偏摆扫描方式，增加电流至8～15mA进行第二重电子束局部退火热处理：升温至700～800℃，调整束流至10～8mA，保温
10～15min；降低束流缓冷至300℃，关闭束流。

[0043] 实施例一

[0044] 选取尺寸为100×80×6mm板件：

[0045] (1)电子束焊接工艺：

[0046] 参数：加速电压Ua＝60kV、束流Ib＝41mA、聚焦电流If＝772mA、焊接速度V＝-2 -2800mm/min、真空度3×10 ～8×10 Pa、枪距工件表面距离H＝300mm。

[0047] (2)电子束局部固溶热处理：

[0048] 调整电子枪运动系统，使线圈距工件距离Hr＝449mm；加速电压Ua＝60kV，束流：加热升温最大束流Ibmax＝26mA、热处理保温阶段束流Ib＝20mA，聚焦电流If＝797mA，扫描区域：垂直焊缝方向长度Y＝25mm、沿焊缝方向长度X＝130mm。通过光学测温仪监测固溶热处理过程试件表面最高温度Tsmax＝1120℃，电子束局部固溶热处理为980℃保温8min，如图3热循环曲线所示。

[0049] (3)电子束局部退火热处理

[0050] 固溶热处理后冷却至600℃，保持线圈距工件距离Hr＝449mm；加速电压Ua＝60kV，束流Ib＝11mA，聚焦电流If＝797mA，扫描区域：垂直焊缝方向长度Y＝25mm、沿焊缝方向长度X＝130mm。退火过程表面最高温度Tsmax＝800℃，实现了750℃保温10min的电子束局部退火热处理，如图3热循环曲线所示。

[0051] 实施例二

[0052] 选取尺寸为100×80×6mm板件：

[0053] (1)电子束焊接工艺：

[0054] 参数：加速电压Ua＝60kV，束流Ib＝41mA，聚焦电流If＝770mA，焊接速度V＝-2 -2800mm/min，真空度3×10 ～8×10 Pa，枪距工件表面距离H＝300mm。

[0055] (2)电子束局部固溶热处理：

[0056] 调整电子枪运动系统，使线圈距工件距离Hr＝449mm；加速电压Ua＝60kV，束流：加热升温最大束流Ibmax＝22mA、热处理保温阶段束流Ib＝18mA，聚焦电流If＝795mA，扫描区域：沿垂直焊缝方向长度Y＝25mm、沿焊缝方向长度X＝130mm。

[0057] 固溶热处理过程试件上表面最高温度Tsmax＝1100℃，电子束局部固溶热处理为980℃保温8min。

[0058] (3)电子束局部退火热处理

[0059] 固溶热处理冷却至600℃，保持线圈距工件距离Hr＝449mm；加速电压Ua＝60kV，束流Ib＝10mA，聚焦电流If＝795mA，扫描区域：垂直焊缝方向长度Y＝25mm、沿焊缝方向长度X＝130mm。退火过程表面最高温度Tsmax＝800℃，实现了750℃保温10min的电子束局部退火热处理。

[0060] 实施例三

[0061] 选取尺寸为100×80×14mm的板件

[0062] (1)焊接工艺：

[0063] 参数：加速电压Ua＝60kV、束流Ib＝86mA、聚焦电流If＝772mA、焊接速度V＝-2 -2800mm/min、真空度3×10 ～8×10 Pa、枪距工件表面距离H＝300mm。

[0064] (2)电子束局部固溶热处理：

[0065] 调整电子枪运动系统，使线圈距工件距离Hr＝449mm；加速电压Ua＝60kV，束流：加热升温最大束流Ibmax＝40mA、热处理保温阶段束流Ib＝27mA，聚焦电流If＝797mA，扫描区域：垂直焊缝方向长度Y＝25mm、沿焊缝方向长度X＝130mm。试件表面最高温度Tsmax＝1120℃，实现了980℃保温10min的电子束局部固溶热处理，如图4热循环曲线所示。

[0066] (3)电子束局部退火热处理

[0067] 固溶热处理后冷却至600℃，保持线圈距工件距离Hr＝449mm；加速电压Ua＝60kV，束流Ib＝12mA，聚焦电流If＝797mA，扫描区域：垂直焊缝方向长度Y＝25mm、沿焊缝方向长度X＝130mm。退火过程表面最高温度Tsmax＝800℃，实现了750℃保温6min的电子束局部退火热处理，如图4热循环曲线所示。

[0068] 上述实施例中电子束局部固溶热处理温度均达到了预期焊态马氏体分解温度，电子束局部退火满足了完全去应力热处理温度，可以改善焊缝组织及应力状态。