一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法

摘要

本发明公开了一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，在钛合金板待焊接位置的背面设置用于在焊接过程中接收从焊缝背面流出的焊缝金属的锁底，在锁底上设置有用于接收焊接过程中产生的气体的排气槽，焊接过程中产生的气体也一同逸出；该设计方法包括如下步骤：先确定锁底上排气槽的形状及位置：排气槽位于锁底上部的中心位置，排气槽的形状为半圆形槽；再确定锁底上排气槽的尺寸；最后确定锁底的固定位置：锁底的中心线与钛合金板焊缝中心线对齐。锁底上排气槽的形状为半圆形槽，既可以保证液态金属的流动，同时也能保证焊缝中的金属蒸汽具有下部逸出通道，保证了焊接过程中焊缝根部熔池的稳定性，同时能够降低排气槽的加工难度。

权利要求

1.一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，在钛合金板待焊接位置的背面设置有用于接收焊接过程中流出的焊缝金属的锁底，在锁底上设置有用于接收焊接过程中产生气体的排气槽；其特征在于，该设计方法包括如下步骤：步骤一、确定锁底上排气槽的形状及位置：排气槽位于锁底上部的中心位置，排气槽的形状为半圆形槽；

步骤二、确定锁底上半圆形槽的尺寸：为保证焊缝中的金属蒸汽可以逸出且焊缝中不会出现缺陷，排气槽半径满足： 其中，R表示排气槽的半径，σ表示钛合金的表面张力，h表示钛合金板的厚度，C、T、ρ分别表示钛合金的比热容、沸点和密度，B表示无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度，S表示焊接时焊缝金属体积膨胀率；

步骤三、确定锁底的固定位置：将锁底点焊于钛合金板的背面，排气槽的延伸方向与钛合金板上焊缝的延伸方向一致，锁底的中心线与钛合金板焊缝中心线对齐，以保证焊接过程中溢出的金属液可以落入锁底的排气槽中。

2.根据权利要求1所述的一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，其特征在于：钛合金板的厚度h为40～120mm，其无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B的范围为6～15mm，焊接时焊缝金属体积膨胀率S为4％。

3.根据权利要求2所述的一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，其特征在于：钛合金板的厚度h为40mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为

6mm，排气槽的半径R为1.7～2mm。

4.根据权利要求3所述的一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，其特征在于：钛合金板的厚度h为40mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为

6mm，排气槽的半径R为2mm。

5.根据权利要求2所述的一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，其特征在于：钛合金板的厚度h为120mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为

15mm，排气槽的半径R为1.5～4.78mm。

6.根据权利要求5所述的一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，其特征在于：钛合金板的厚度h为120mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为

15mm，排气槽的半径R为4.5mm。

说明书

一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大厚度钛合金板电子束焊接技术领域，具体的说是一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法。

背景技术

[0002] 随着科学技术的发展，电子束焊接方法因能量密度高而常用于大厚板的焊接。现有技术中，采用非穿透电子束焊接工艺时，不可避免地将在焊缝根部产生钉尖缺陷，钉尖缺
陷不但减小了焊缝的平均深度，造成局部未焊透，同时还会造成根部的晶界裂纹以及中钉
尖部位出现微小的缩孔，且由于钉尖缺陷的波动性，在焊缝中很容易残留钉尖等焊接缺陷，
从而降低接头质量。因此，大厚板焊接时在焊透的基础上为减小钉尖缺陷，一般会在背部添
加锁底以将这种缺陷引出受力部位，然后再加工掉。目前带锁底结构的零件在进行电子束
焊接时，多采用国际上公认的焊接性能较好的三角波形，但是三角波形虽然可以获得良好
的熔深和焊缝成型，但焊接后容易在焊缝根部出现链状气孔。

[0003] 公开号为CN106271173A的中国发明专利公开了一种椭圆函数焊接工艺，通过搅拌效应来加速金属蒸汽的溢出进而消除钉尖缺陷，但是由于只能依靠正面逸出，因此焊接厚
度相对较薄，一般在20mm以下。公开号为CN102554445A的中国发明专利公开了一种采用圆
波焊接和三角波修饰焊相结合的方法焊接带锁底的零件，以消除根部链状气孔，但是由于
金属蒸汽无法有效的排出，根部钉尖波动情况没有得到控制，仍有可能影响焊缝内部质量。

[0004] 钛合金本身表面张力较大，流动性较差，大厚度(指钛合金板的厚度为30mm～120mm)钛合金板电子束焊接过程中匙孔中的金属蒸汽进一步限制了液态金属的流动，使得
焊缝内部产生冷隔、缩孔等缺陷的倾向增大，钉尖波动也会更加剧烈。为了减少大厚度钛合
金电子束焊接时内部产生缺陷的倾向，急需设计一种钛合金厚板电子束焊接用锁底结构，
有效的提高电子束焊接根部熔池的稳定性，确保获得无焊接缺陷的焊缝。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，以减少大厚度钛合金板电子束焊接过程中焊缝根部的缺陷，保证焊缝
质量的稳定性。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，在钛合金板待焊接位置的背面设置用于在焊接过程中接收从焊
缝背面流出的焊缝金属的锁底，在锁底上设置有用于接收焊接过程中产生的气体的排气
槽，焊接过程中产生的气体也一同逸出；该设计方法包括如下步骤：

[0007] 步骤一、确定锁底上排气槽的形状及位置：排气槽位于锁底上部的中心位置，排气槽的形状为半圆形槽；

[0008] 步骤二、确定锁底上排气槽的尺寸：为保证焊缝中的金属蒸汽可以逸出且焊缝中不会出现缺陷，排气槽半径满足： 其中，R表示排气
槽半径，σ表示钛合金的表面张力，h表示钛合金板的厚度，C、T、ρ分别表示钛合金的比热容、
沸点和密度，B表示无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度，S表示焊接时焊缝金属体
积膨胀率；

[0009] 步骤三、确定锁底的固定位置：将锁底点焊于钛合金板的背面，排气槽的延伸方向与钛合金板上焊缝的延伸方向一致，锁底的中心线与钛合金板焊缝中心线对齐，以保证焊
接过程中溢出的金属液可以落入锁底的排气槽中。

[0010] 进一步地，钛合金板的厚度h为40～120mm，其无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B的范围为6～15mm，焊接时焊缝金属体积膨胀率S为4％。其中，该体积膨胀率指的
是焊缝处(不包含靠近焊缝处的钛合金板)的体积变化值。

[0011] 作为本发明的一个实施例，钛合金板的厚度h为40mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为6mm，排气槽的半径R为1.7～2mm。

[0012] 优选地，钛合金板的厚度h为40mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为6mm，排气槽的半径R为2mm。

[0013] 作为本发明的另一个实施例，钛合金板的厚度h为120mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为15mm，排气槽的半径R为1.5～4.78mm。

[0014] 优选地，钛合金板的厚度h为120mm，无锁底完全焊透钛合金板半厚度处焊缝宽度B为15mm，排气槽的半径R为4.5mm。

[0015] 有益效果：

[0016] 1、在钛合金板待焊接位置的背面设置用于在焊接过程中接收从焊缝背面流出的焊缝金属的锁底，锁底上排气槽的形状为半圆形槽，这样既可以保证液态金属的流动，同时
也能保证焊缝中的金属蒸汽具有下部逸出通道，保证了焊接过程中焊缝根部熔池的稳定
性，同时能够降低排气槽的加工难度。

[0017] 2、通过设计锁底排气槽，增加了匙孔中金属蒸汽的逸出通道，能够有效地控制匙孔内金属蒸汽的压力，改善液态金属的流动，减小金属蒸汽对电子束聚焦的散射作用，减小
钉尖波动，有效地消除了钉尖缺陷；同时匙孔内的液态金属流动可以对排气槽进行有效填
充，将可能的焊接缺陷控制在锁底的排气槽内进而保证焊缝质量的稳定性(焊缝根部无缺
陷)。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。

[0019] 图1是焊缝中溢出金属的受力分析示意图。

[0020] 图2是本发明中锁底结构的示意图。

[0021] 图3是本发明中锁底与钛合金板待焊接位置的固定示意图。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0023] 本发明的核心是提供一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，钛合金板借助于设置在其背面的锁底以实现电子束焊接过程中焊缝根部无缺陷，设计锁底
能够提高焊接质量的稳定性，有效消除了钉尖缺陷，同时金属蒸汽的有效排出使得缩孔、冷
隔等焊接缺陷得到有效控制，焊缝成形效果得到改善，焊缝内部焊接缺陷产生倾向大幅降
低。

[0024] 一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法，以在钛合金板待焊接位置的背面设置锁底为前提，先确定锁底上排气槽的形状及位置：在焊接过程中，焊缝金属
熔化流动，从焊缝背面流出，同时焊接过程中产生的气体也一同逸出，在钛合金板待焊接位
置设置锁底，并在锁底上设置接收逸出的金属液的排气槽。先确定锁底上排气槽的形状及
位置(如图2所示)，大厚度钛合金板电子束焊接工艺用锁底上排气槽的形状为半圆形，排气
槽位于锁底的上部，排气槽的中心线与锁底上表面的中心线一致。

[0025] 然后确定锁底上排气槽的尺寸：如图1所示，为了使焊缝中的金属蒸汽可以逸出，需要使得金属蒸汽的反作用力大于流体静压力和表面张力之和，即：

[0026] FV‑FH‑2Fs≥0；

[0027] FV≥FH+2Fs；

[0028] 式中：Fv表示金属蒸汽反作用力，FH表示流体静压力，Fs表示表面张力。

[0029] 由于FV＝2σCT/h2

[0030] FH＝ρgh

[0031] Fs＝2σ/R

[0032] 故R≥4σh2/(2σCT‑ρgh3)

[0033] 为了保证焊缝中金属液不会大量流入锁底上的排气槽中而造成焊缝中出现冷隔孔洞等缺陷，且焊缝正面不能出现较大的凹陷缺肉情况，因此，锁底上排气槽的体积应不大
2
于焊缝背部溢出的金属液的体积，即h×B×S≥πR

[0034]

[0035] 式中：h为待焊接的钛合金板的厚度，B为无锁底完全焊透时钛合金板半厚度处焊缝宽度，S为焊接时焊缝金属体积膨胀率。

[0036] 综上可知：

[0037] 对于钛合金，其表面张力σ为95mN/m，比热容C为0.52J/(Kg·℃)，沸点温度T为3
3569℃，钛合金的密度ρ为4.51g/cm。

[0038] 最后确定锁底的固定位置(如图3所示)，在钛合金板待焊接位置点焊锁底，锁底中心线与钛合金板待焊接位置的中心线对齐，以保证焊接过程中溢出的金属液可以落入锁底
的排气槽中。

[0039] 实施例1

[0040] 针对40mm厚度的钛合金板电子束焊接，设计背部锁底，通过试验得到钛合金板电子束半厚度处焊缝宽度为6mm，焊接时焊缝金属体积膨胀率为0.04，因此设计排气槽半径不
大于2.0mm。根据钛合金板的上述参数可计算得设计排气槽的半径不小于1.7mm。为了便于
金属蒸汽逸出，同时减小加工难度，使膨胀金属可以有效的得到存放，避免焊缝变形，设计
排气槽半径为2mm。通过点焊固定，将锁底中心线和待焊接位置的中心线对齐，保证焊接过
程溢出的金属液可以落入锁底中心的排气槽中。

[0041] 实施例2

[0042] 针对120mm厚度的钛合金电子束焊接，设计背部锁底，通过试验得到钛合金电子束半厚度处焊缝宽度为15mm，焊接时焊缝金属体积膨胀率为0.04，因此设计排气槽半径不大
于4.78mm。根据钛合金的上述参数可计算得设计排气槽的半径不小于1.5mm。为了便于金属
蒸汽逸出，同时减小加工难度，使膨胀金属可以有效的得到存放，避免焊缝变形，设计排气
槽半径为4.5mm。通过点焊固定，将锁底中心线和待焊接位置的中心线对齐，保证焊接过程
溢出的金属液可以落入锁底中心的排气槽中。

[0043] 通过设计锁底排气槽，增加匙孔蒸汽溢出通道，有效控制匙孔内金属蒸汽压力，改善液态金属流动，有效减小金属蒸汽对电子束聚焦的散射作用，减小钉尖波动。同时排气槽
可以使匙孔中的液态金属进行有效的流动填充，将可能的焊接缺陷控制在锁底内部，保证
焊缝质量的稳定性。因此锁底上排气槽为半圆形，这样既可以保证液态金属的流动，同时也
可以保证金属蒸汽具有下部两侧溢出通道，从而保证了焊接过程中焊缝根部熔池的稳定
性，实现了电子束焊接根部无缺陷的目的。

[0044] 以上对本发明所提供的一种消除大厚度钛合金板电子束焊接根部缺陷的设计方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，
上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术
人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修
饰，均落入本发明的保护范围内。