高温钛合金焊后双重电子束局部热处理方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，清洁节能，节约成本；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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，涉及一种耐高温金属材料焊后双重电子束 局部热处理方法。
技术介绍
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悍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。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。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)。俄罗斯学者在电子束焊后钛合金接头冷却到25'C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81=8(焊缝宽)+ 1 2mm;焊缝根部热处理区的温度为750 80(TC， 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 alloy by the local heat treatment with an electron beam .^^elding Prodution ,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 welded joints in titanium alloys and high strength steels .Welding International ，1994 ，8(8):646 648.)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 chmi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 postweld treatment on the fatigue crack growth rate of electron beam welded AISI4130 . 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 of steels . Journal of Materials Science Letters，1996，15:827 830.)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。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l,即散焦电子束1扫描加热包含悍缝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(90(TC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。
技术实现思路
本专利技术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，持久性能高的耐高温金属材料的焊后双重电子束局部热处理 方法。本专利技术的技术方案是，一、 搭建双重电子束局部热处理工艺平台 (l)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 IOMI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'A (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比达到5: l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。电子束焊接参数枪距工件表面距离H-300 800mm，加速电压U^60 150kV， 束流I产20 100mA,焊接速度V二600 1000mm/min，真空度3X1(T2 8 X10—2Pa，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: l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。C 112(rC;再调整减少束流至50 15mA，保温5 10min;关闭束流，使试件在真空环境下冷却至600'C;(3) 电子束局部退火热处理固溶冷却至60(TC后采用(2)中的束流偏摆扫描方式，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 80(TC，调整 减少束流至10 8mA，保温10 15min;降低束流缓冷至300'C，关闭束 流；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。本专利技术具有的有益效果，本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐高温金属材料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Ｕ↓［ａ］＝６０～１５０ｋＶ，束流Ｉ↓［ｆ］＝２０～１００ｍＡ，焊接速度Ｖ＝６００～１０００ｍｍ／ｍｉｎ，枪距工件表面距离Ｈ＝３００～８００ｍｍ，真空度３×１０↑［－２］～８×１０↑［－２］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℃；再调整减少束流至５０～１５ｍＡ，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）中的束流偏摆扫描方式，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；。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：付鹏飞，付刚，毛智勇，王亚军，唐振云，余伟，
申请(专利权)人：中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]