柔性薄壁结构电子束焊接的变形控制

中航工业航空动力控制系统研究所 龚荣清 杨锡龙

真空电子束焊接技术以其高功率密度、焊接热输入量小、零件变形小、焊后残余应力小、焊缝深宽比大、焊接接头无氧化、焊缝质量好等特点，广泛应用于航空、航天及原子能等工业领域中。在航空制造业中，电子束焊接技术的应用大大提高了飞机发动机的制造水平[1]。TC4钛合金具有优异的综合力学性能，在航空和航天工业中获得了最广泛的应用[2]。与其他金属相比，TC4 钛合金导热性差、电阻系数大、热容量小，熔焊时应采用能量集中的热源, 因此电子束焊无疑成为TC4 钛合金焊接加工的首选方法之一[3]。

功率分出轴是发动机的传动件，其结构中的柔性薄壁结构使功率分出轴具有一定柔性补偿能力。柔性薄壁结构本身的变形会大大降低功率分出轴的疲劳强度，因此焊缝除了必须符合GJB1718A中Ⅰ级焊缝要求，同时还要求焊接变形尽可能小，图1中δ为柔性薄壁件的壁厚。本文以某型功率分出轴柔性薄壁结构为研究对象，探讨控制电子束焊接变形的方法。

1 试验材料和设备

试验材料为TC4钛合金锻件，退火状态供货，母材化学成分见表1[4]。采用法国泰克米特（TECHMETA）公司的LARA52型60 kV中压电子束焊机进行真空电子束焊接，焊前采用硝酸氢氟酸溶液酸洗，焊后采用WZT-45型真空热处理炉进行接头去应力退火处理，热处理制度为： （620±10）℃，保温2h随炉冷却至200℃以下空冷。

2 试验过程

2.1 工艺参数确定

由于直接在柔性薄壁零件上进行工艺试验费用较高，因此采用与焊缝接口尺寸相同的TC4 钛合金圆管为研究对象，分别为试件1：外径φ52mm，厚度4.5mm的圆管和试件2：外径φ121mm，厚度2.2mm，分析工艺参数对焊缝形状、变形等方面的影响，在工艺参数确定后再在实际的工件上进行焊接。

2.2 变形检测

图1 柔性薄壁结构示意图Fig.1 Diagram of flexible thin-walled structure

在保证焊缝质量条件下，同时解决2#焊缝焊接变形是图1结构焊接的最大难点。采用试件1初步确定焊接工艺参数，再用2#焊缝试焊，焊接变形最小是判断最终焊接工艺参数的标准。

3 变形控制方案

3.1 焊接工艺参数

影响焊接变形的工艺参数主要有加速电压、焊接电流、聚焦电流、焊接速度和工作距离等，经过参数摸索初步确定2组焊接参数，见表2。2组参数均采用表面以下的聚焦方式，焊接线能量计算公式为[5]：

采用参数1和参数2分别焊接2#焊缝，在相同的工作距离和散热条件下，采用参数2焊接的2#焊缝出现变形过大情况，导致外圆侧面熔化的现象，而参数1未出现该现象，见图2。由图可知，焊接线能量越小，焊接变形也就越小。同时焊接速度v=300cm/min试验证明，若要保证焊缝质量，焊接速度越慢，焊接所需线能量也就越大。

3.2 焊接重叠角度和收弧角度

在焊接环焊缝时，为了保证焊接接缝处完全焊透和收弧处焊缝成形，一般焊接时会有一定的焊接重叠角度和收弧角度。重叠焊接和收弧焊接使局部热输入大于其他部位，焊缝收缩量也大于其他部位，从而导致焊接变形过大，见图3。通过采用多次试验，最终确定重叠角度为8°，收弧角度为45°为最合理角度，试验数据见表3。

图2 不同焊接线能量焊接变形示意图Fig.2 Welding deformation diagrams With different welding heat inputs

表1 TC4钛合金化学成分质量分数%

表2 焊接工艺参数

3.3 焊接装配和散热

焊接装配时，每道焊缝分开装配焊接，可以对前后焊接之间进行及时调整。将上一道焊接变形造成的高、低点，在自由状态下相互配合，使零组件在焊接前跳动最小，这样可控制焊接变形的叠加。

TC4钛合金导热性差，焊接时的热量传导容易导致薄壁变截面产生塑性变形。采用热容量大的紫铜作散热工装，可保证散热效果，控制变形。同时工装型面与薄壁变截面型面紧密贴合，可增大散热面积，提高散热效率，控制焊接变形。焊接散热示意图如图4所示。

4 结论

（1） 综合应用最小焊接热输入、减小焊接重叠角度和合理焊接装配及散热相结合的变形控制方法，使电子束焊接功率分出轴柔性薄壁结构变形控制在0.3mm以内。

（2） 电子束焊接方法结合适当的变形控制方法能满足功率分出轴柔性薄壁结构设计要求。

图3 焊接重叠和收弧导致焊接变形Fig.3 Welding deformation due to overlap angle and crater angle

表3 焊接工艺参数

图4 焊接散热工装示意图（mm）Fig.4 Heat dissipation fixture of welding diagram （mm）

（3） 减小焊接热输入，特别是提高焊接速度，可以有效地控制焊接变形，使焊接时超过1mm的变形降低到0.3mm以内。

[1] 《工程材料实用手册》编辑委员会.工程材料实用手册第4卷钛合金·铜合金（第2版）．北京:中国标准出版社,2001.

[2] 康文军,梁养民.电子束焊接在航空发动机制造中的应用.机械制造文摘（焊接分册）,2008(6):72-75.

[3] 宫平，毛智勇. TC4钛合金电子束焊接工艺参数对焊缝形状的影响. 航空制造技术, 2008(6)：72-75.

[4] 《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册第4卷钛合金（第2版） .北京：中国标准出版社,2002:104-131.

[5] 王之康,高永华.真空电子束焊接设备及工艺．北京：原子能出版社，1990．