权利要求
1.一种高性能钛合金厚壁构件的电子束送丝焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在母材焊接的端面加工形成带钝边的陡边V形坡口，打磨，酸浸泡后无水乙醇冲洗;
步骤2、然后固定在焊接平台上，进行多层多道的电子束送丝焊接。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，V形坡口的坡口角为10°～30°，钝边厚度为2mm，间隙≤2mm。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，多层多道电子束焊接工艺参数如下：加速电压为50kV~70kV，束流为50mA~100mA，聚焦电流为950mA~1050mA，焊接速度为400mm/min~1000mm/min，送丝速度为800mm/min~1600mm/min，舱室真空度低于5×10-2Pa;在成形参数方面，单层层高为0.5mm~0.8mm，层宽为10mm~12mm，且道次间重叠宽度控制在1mm~3mm。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，合金丝材直径1.6mm。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，采用前置送丝模式，送丝方向与焊接行进方向呈45°夹角，送丝前端与熔池中心的相对距离控制在1mm~4mm。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于母材为Ti-6Al-4V合金锻态板。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于Ti-6Al-4V合金丝材。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，按质量百分比计，合金丝材的成分为：Al：6wt.%、V：4wt.%，其余为Ti。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，按体积分数计，所用酸洗液是由2%～4%的氢氟酸、30%～40%的硝酸与去离子水配制而成。
10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在使用之前，将合金丝材置于60℃的干燥箱中进行恒温烘干。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于金属材料焊接技术领域，具体地说，涉及一种高性能钛合金厚壁构件的电子束送丝焊接方法。
背景技术
[0002]钛合金凭借其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性能以及良好的焊接适应性，在航空航天、船舶制造、海洋工程、能源装备、生物医疗等领域得到了广泛应用。近年来，随着核潜艇、深潜器、航空飞机等高端装备制造技术的快速发展，对钛合金厚壁结构件的应用需求日益增长，其典型构件厚度已超过10mm，部分关键受力部位甚至达到100mm以上，需通过焊接方式实现可靠连接。然而，厚壁钛合金的焊接过程涉及热输入控制、组织调控及残余应力抑制等多重挑战，传统焊接方法难以满足高性能构件对接头质量、致密性和服役可靠性的严苛要求。因此，开展适用于厚壁钛合金结构的高质量焊接工艺研究，已成为该领域亟需突破的关键技术方向。
[0003]目前，钛合金厚壁焊接常用钨极惰性气体保护焊(TIG)、激光焊(LBW)和电子束焊(EBW)。其中，钨极惰性气体保护焊(TIG)由于需设计较大的坡口角度，焊接过程中热输入较高，易导致较大的焊接变形和残余应力，同时焊缝组织易发生粗化，且存在夹钨等冶金缺陷，焊接效率相对较低，难以满足高质量厚壁结构的连接要求。激光焊(LBW)具有能量密度高、热输入低、焊接速度快等优点，在钛合金薄板焊接中表现良好，但在厚壁构件中穿透能力有限，熔深难以满足单道焊接需求，通常需多层多道焊接，易产生侧壁未熔合、气孔、焊接变形及残余应力集中等问题。同时，激光焊对反射率较高的钛合金表面敏感，加工窗口窄，工艺稳定性较差。电子束焊(EBW)则具有更高的能量密度和优异的深熔能力，能够在低热输入下实现一次性深熔焊接，焊缝狭窄、深宽比大、热影响区小，适用于高性能钛合金构件的精密连接。然而，传统电子束焊多采用自熔方式，焊接过程中存在较大的温度梯度和极高的冷却速率，易导致组织不均匀，且焊缝根部易出现未焊透、气孔等冶金缺陷，从而影响接头的结构完整性与服役性能。此外，由于缺乏外部填充手段，难以实现对熔池成分、凝固过程、晶粒形貌及相组织的有效调控，导致接头组织可控性较差。合金元素偏析，晶粒粗化，形成柱状晶、脆性相等不利组织，严重制约了接头的力学性能与服役可靠性，尤其在厚壁高性能钛合金结构中问题更加突出。
发明内容
[0004]基于上述背景，本发明提出一种高性能钛合金厚壁构件的电子束送丝焊接方法。本发明方法创新性地将可控送丝系统与电子束焊接技术深度融合，充分利用电子束的高能量密度和高真空环境，通过引入精确可调的送丝系统，实现对熔池成分、凝固行为与组织演化过程的协同调控。
[0005]本发明方法有效提高了焊缝成分的均匀性与组织的致密性，有力抑制了焊接过程中易发生的成分偏析、气孔、未焊透等典型冶金缺陷，从而显著提升焊接接头的冶金质量和服役可靠性。本发明方法以Ti-6Al-4V合金锻态板材作为母材，选用与之成分相匹配的Ti-6Al-4V合金丝材作为填充材料，通过精确控制填丝速度和送丝位置，实现焊接过程中的热输入与材料补偿的动态耦合，保证焊接过程中的稳定性和焊缝质量。借助电子束所形成的小型、稳定、高能熔池，本发明方法在提高金属流动性与填充能力的同时，促进了组织的快速凝固与细化。
[0006]通过系统调控加速电压、束流电流、焊接速度、送丝速率及坡口形貌等关键参数，深入研究了各变量对焊缝组织演化与接头力学性能的影响机制，建立了钛合金电子束送丝焊接的工艺-组织-性能关系模型，明确了适用于不同构件结构与厚度范围的最优工艺窗口。值得强调的是，该方法在结构适应性和厚度范围方面表现出优异的灵活性和稳定性，理论上适用于无厚度限制的钛合金焊接，特别适合复杂结构和大型关键构件的连接需求。焊接接头在强度、塑性、韧性、致密性等方面均表现出优异的综合性能，可满足航空航天、船舶制造、
海工装备等对材料连接质量要求极为严苛的应用场景。
[0007]综上所述，本发明所提出的电子束送丝焊接方法，不仅为高性能钛合金厚壁构件的高质量焊接提供了可行且可推广的技术路径，也为焊接过程中组织调控与性能优化提供了理论依据与实践指导，具有重要的工程应用价值与产业推广前景。
[0008]为了实现上述技术问题，本发明采取了以下的技术方案：
本发明的目的在于提供一种高性能钛合金厚壁构件的电子束送丝焊接方法，包括以下步骤：
步骤1、在母材焊接的端面加工形成带钝边的陡边V形坡口，打磨，酸浸泡后无水乙醇冲洗;
步骤2、然后固定在焊接平台上，进行多层多道的电子束送丝焊接。
进一步地限定，V形坡口的坡口角为10°～30°，钝边厚度为2mm，间隙≤2mm。
[0009]进一步地限定，多层多道电子束焊接工艺参数如下加速电压为50kV~70kV，束流为50mA~100mA，聚焦电流为950mA~1050mA，焊接速度为400mm/min~1000mm/min，送丝速度为800mm/min~1600mm/min，舱室真空度低于5×10-2Pa;在成形参数方面，单层层高为0.5mm~0.8mm，层宽为10mm～12mm，且道次间重叠宽度控制在1mm～3mm。
[0010]进一步地限定，合金丝材直径1.6mm。
[0011]进一步地限定，采用前置送丝模式，即丝材位于电子束前方，且两者位于同一水平平面内;送丝方向与焊接行进方向呈45°夹角，送丝前端与熔池中心的相对距离控制在1~4mm。
[0012]进一步地限定，母材为Ti-6Al-4V合金锻态板。
[0013]进一步地限定，Ti-6Al-4V合金丝材。
[0014]进一步地限定，按质量百分比计，合金丝材的成分为：Al：6wt.%、V：4wt.%，其余为Ti。
[0015]进一步地限定，按体积分数计，所用酸洗液是由2%～4%的氢氟酸(HF)、30%～40%的硝酸(HNO3)与去离子水(H2O)配制而成。
[0016]进一步地限定，在使用之前，将合金丝材置于60℃的干燥箱中进行恒温烘干。
[0017]在其中一个实施方式中，本发明方法包括以下步骤：
步骤一：选用尺寸为150mm×50mm×30mm的Ti-6Al-4V合金锻态板材作为母材，其中合金成分为：Al：6wt.%，V：4wt.%，其余为Ti。在焊接前，对母材焊接区域进行数控机床加工，以获得符合电子束送丝焊接要求的坡口形貌。所采用的坡口为带钝边的陡边V形坡口，具体参数如下：坡口角为10°～30°，钝边厚度为0～2mm，间隙≤2mm。该坡口形式有利于熔池稳定形成与填丝充分熔合，同时为避免电子束穿透或未焊透等缺陷提供几何保障。
[0018]步骤二：将经机械加工并已形成坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材进行表面预处理，以进一步去除表面的油污、氧化皮和其他杂质，确保焊接区金属表面清洁、活性良好，有利于获得高质量的焊接接头。具体处理过程包括：首先，采用砂纸对坡口表面及其邻近区域进行均匀打磨，去除表面附着的氧化膜;随后将母材置于酸洗液中进行浸泡处理。所用酸洗液为体积分数为2%～4%的氢氟酸(HF)、30%～40%的硝酸(HNO3)与去离子水(H2O)按体积比配制而成。将母材在该酸洗液中浸泡3min～10min，以彻底去除钛合金表面的油污、氧化皮等污染层。酸洗完成后，立即用无水乙醇对母材表面进行冲洗，以清除残留酸液，待后续焊接使用。
[0019]步骤三：所用填充材料为直径为1.6mm的Ti-6Al-4V合金丝材，合金成分为：Al：6wt.%、V：4wt.%，其余为Ti。在使用之前，将合金丝材置于60℃的干燥箱中进行恒温烘干，烘干时间为4h。该步骤旨在去除合金丝材表面的水分和杂质，确保焊接过程中的填充材料性能稳定，避免因水分引起的焊接缺陷。
[0020]步骤四：首先，使用专用夹具将经过表面处理并带有坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材固定在焊接平台上，确保母材定位准确且无变形。随后，根据工艺要求设置电子束焊接程序，进行多层多道的电子束送丝焊接操作。如图1所示，为高性能钛合金厚壁构件电子束送丝焊接过程的示意图。所采用的多层多道电子束焊接工艺参数如下：加速电压为50kV~70kV，束流为50mA~100mA，聚焦电流为950mA~1050mA，焊接速度为400mm/min~1000mm/min，送丝速度为800mm/min~1600mm/min，舱室真空度低于5×10-2Pa。在成形参数方面，单层层高为0.5mm~0.8mm，层宽为10mm～12 mm，且道次间重叠宽度控制在1mm～3mm。
[0021]本发明所提供的一种高性能钛合金厚壁构件的电子束送丝焊接方法，相比于传统焊接方法(如TIG焊接和激光焊接)，具有显著的优势。电子束送丝焊接通过高能量密度、高真空环境和精确的热输入控制，利用小熔池和快速凝固机制，能够有效避免热影响区过大扩展以及焊缝组织粗大等问题，同时减少了焊接过程中常见的缺陷，如气孔、未焊透和裂纹。这使得焊接接头的冶金质量得到了显著提升，焊缝的致密性和力学性能也得到了改善。此外，与电子束自熔焊接相比，本发明通过引入可控送丝机构，能够精准调控送丝速度和位置，从而灵活选择不同成分的填充丝材，达到成分优化设计和焊缝性能定制化设计的目的。通过采用多道多层焊接路径规划，确保层间与道间的充分熔合，并结合小熔池与快速凝固机制，可有效实现焊缝自上而下组织的细化与均匀分布，显著降低焊缝根部气孔、未焊透等典型缺陷的形成风险，从而全面提升焊接接头的结构完整性与服役可靠性。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1) 依托电子束焊接所具备的高能量密度、高真空环境以及精确的热输入控制，结合小熔池与快速凝固机制，能够有效缩小热影响区范围，抑制焊缝组织粗化，显著降低气孔、未焊透及未熔合等典型缺陷的发生风险，从而提升焊接接头的冶金质量。
[0023](2) 引入精准可控的送丝技术，可灵活选用不同成分的填充丝材，实现焊缝成分的优化调控与性能的定制化设计;该方法理论上适用于各种厚度等级的钛合金焊接，具备优良的工程适应性，尤其适合复杂结构与大型关键构件的高可靠性连接需求。
[0024](3) 采用多道多层焊接工艺，结合小熔池与快速凝固机制，可有效确保焊缝自上而下组织的均匀性，避免焊缝根部产生气孔、未焊透等常见缺陷，进一步提升接头的整体结构质量与长期服役可靠性。
[0025]为深入了解本发明的特征与技术内容，请参考后附的详细说明与附图。需要说明的是，附图仅为说明性目的而提供，非用于限制本发明。
附图说明
[0026]图1为高性能钛合金厚壁构件电子束送丝焊接过程的示意图;
图2为实例1焊接接头的微观形貌;
图3为实例2焊接接头的微观形貌;
图4为实例3焊接接头的微观形貌。
具体实施方式
[0027]以下将结合具体实施例详细说明本发明。这些实施例有助于本领域技术人员进一步理解本发明，但不应视为对本发明的限制。需要指出的是，对于本领域普通技术人员，在未脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些均属于本发明的保护范围。
[0028]本发明所需原料及设备均可通过商业渠道购买获得。
[0029]实施例1：
步骤一：选用尺寸为150mm×50mm×30mm的Ti-6Al-4V合金锻态板材作为母材，其中合金成分为：Al：6wt.%，V：4wt.%，其余为Ti。在焊接前，对母材焊接区域进行数控机床加工，以获得符合电子束送丝焊接要求的坡口形貌。所采用的坡口为带钝边的陡边V形坡口，具体参数如下：坡口角为20°，钝边厚度为2mm。
[0030]步骤二：将经机械加工并已形成坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材进行表面预处理，以进一步去除表面的油污、氧化皮和其他杂质，确保焊接区金属表面清洁、活性良好，有利于获得高质量的焊接接头。具体处理过程包括：首先，采用砂纸对坡口表面及其邻近区域进行均匀打磨，去除表面附着的氧化膜;随后将母材置于酸洗液中进行浸泡处理。所用酸洗液为体积分数为4%的氢氟酸(HF)、40%的硝酸(HNO3)与去离子水(H2O)按体积比配制而成。将母材在该酸洗液中浸泡5min，以彻底去除钛合金表面的油污、氧化皮等污染层。酸洗完成后，立即用无水乙醇对母材表面进行冲洗，以清除残留酸液，待后续焊接使用。
[0031]步骤三：所用填充材料为直径为1.6mm的Ti-6Al-4V合金丝材，合金成分为：Al：6wt.%、V：4wt.%，其余为Ti。在使用之前，将合金丝材置于60℃的干燥箱中进行恒温烘干，烘干时间为4h。该步骤旨在去除合金丝材表面的水分和杂质，确保焊接过程中的填充材料性能稳定，避免因水分引起的焊接缺陷。
[0032]步骤四：首先，使用专用夹具将经过表面处理并带有坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材固定在焊接平台上，确保母材定位准确且无变形。随后，根据工艺要求设置电子束焊接程序，进行多层多道的电子束送丝焊接操作。所采用的焊接工艺参数如下：加速电压为60kV，束流为70mA，聚焦电流为1030mA，焊接速度为600mm/min，送丝速度为1300mm/min，舱室真空度低于5×10-2Pa。在成形参数方面，单层层高为0.8m，层宽为10mm，且道次间重叠宽度控制在2mm。
[0033]本实施例中采用前置送丝模式，即丝材位于电子束前方，且两者位于同一水平平面内。送丝方向与焊接行进方向呈45°夹角，送丝前端与熔池中心的相对距离控制在2mm。
[0034]通过光学显微镜和扫描电子显微镜对焊接接头的微观形貌进行了观察，如图2所示。从焊缝横截面可以看出，焊接质量良好。焊缝区的组织主要由板条马氏体α′相构成，且板条的平均厚度为0.97μm。该焊接接头的屈服强度为841MPa，抗拉强度为897MPa，焊接系数为0.89。
[0035]实施例2：
步骤一：选用尺寸为150mm×50mm×30mm的Ti-6Al-4V合金锻态板材作为母材，其中合金成分为：Al：6wt.%，V：4wt.%，其余为Ti。在焊接前，对母材焊接区域进行数控机床加工，以获得符合电子束送丝焊接要求的坡口形貌。所采用的坡口为带钝边的陡边V形坡口，具体参数如下：坡口角为20°，钝边厚度为2mm。
[0036]步骤二：将经机械加工并已形成坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材进行表面预处理，以进一步去除表面的油污、氧化皮和其他杂质，确保焊接区金属表面清洁、活性良好，有利于获得高质量的焊接接头。具体处理过程包括：首先，采用砂纸对坡口表面及其邻近区域进行均匀打磨，去除表面附着的氧化膜;随后将母材置于酸洗液中进行浸泡处理。所用酸洗液为体积分数为4%的氢氟酸(HF)、40%的硝酸(HNO3)与去离子水(H2O)按体积比配制而成。将母材在该酸洗液中浸泡5min，以彻底去除钛合金表面的油污、氧化皮等污染层。酸洗完成后，立即用无水乙醇对母材表面进行冲洗，以清除残留酸液，待后续焊接使用。
[0037]步骤三：所用填充材料为直径为1.6mm的Ti-6Al-4V合金丝材，合金成分为：Al：6wt.%、V：4wt.%，其余为Ti。在使用之前，将合金丝材置于60℃的干燥箱中进行恒温烘干，烘干时间为4h。该步骤旨在去除合金丝材表面的水分和杂质，确保焊接过程中的填充材料性能稳定，避免因水分引起的焊接缺陷。
[0038]步骤四：首先，使用专用夹具将经过表面处理并带有坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材固定在焊接平台上，确保母材定位准确且无变形。随后，根据工艺要求设置电子束焊接程序，进行多层多道的电子束送丝焊接操作。所采用的焊接工艺参数如下：加速电压为60kV，束流为80mA，聚焦电流为1030mA，焊接速度为600mm/min，送丝速度为1300mm/min，舱室真空度低于5×10-2Pa。在成形参数方面，单层层高为0.6m，层宽为10.5mm，且道次间重叠宽度控制在2mm。
[0039]本实施例中采用前置送丝模式，即丝材位于电子束前方，且两者位于同一水平平面内。送丝方向与焊接行进方向呈45°夹角，送丝前端与熔池中心的相对距离控制在1~4mm。
[0040]通过光学显微镜和扫描电子显微镜对焊接接头的微观形貌进行了观察，如图3所示。从焊缝横截面可以看出，焊接质量良好。焊缝区的组织主要由板条马氏体α′相构成，且板条的平均厚度为0.98μm。该焊接接头的屈服强度为864MPa，抗拉强度为905MPa，焊接系数为0.90。
[0041]实施例3：
步骤一：选用尺寸为150mm×50mm×30mm的Ti-6Al-4V合金锻态板材作为母材，其中合金成分为：Al：6wt.%，V：4wt.%，其余为Ti。在焊接前，对母材焊接区域进行数控机床加工，以获得符合电子束送丝焊接要求的坡口形貌。所采用的坡口为带钝边的陡边V形坡口，具体参数如下：坡口角为20°，钝边厚度为2mm。
[0042]步骤二：将经机械加工并已形成坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材进行表面预处理，以进一步去除表面的油污、氧化皮和其他杂质，确保焊接区金属表面清洁、活性良好，有利于获得高质量的焊接接头。具体处理过程包括：首先，采用砂纸对坡口表面及其邻近区域进行均匀打磨，去除表面附着的氧化膜;随后将母材置于酸洗液中进行浸泡处理。所用酸洗液为体积分数为4%的氢氟酸(HF)、40%的硝酸(HNO3)与去离子水(H2O)按体积比配制而成。将母材在该酸洗液中浸泡5min，以彻底去除钛合金表面的油污、氧化皮等污染层。酸洗完成后，立即用无水乙醇对母材表面进行冲洗，以清除残留酸液，待后续焊接使用。
[0043]步骤三：所用填充材料为直径为1.6mm的Ti-6Al-4V合金丝材，合金成分为：Al：6wt.%、V：4wt.%，其余为Ti。在使用之前，将合金丝材置于60℃的干燥箱中进行恒温烘干，烘干时间为4h。该步骤旨在去除合金丝材表面的水分和杂质，确保焊接过程中的填充材料性能稳定，避免因水分引起的焊接缺陷。
[0044]步骤四：首先，使用专用夹具将经过表面处理并带有坡口的Ti-6Al-4V合金锻态板材固定在焊接平台上，确保母材定位准确且无变形。随后，根据工艺要求设置电子束焊接程序，进行多层多道的电子束送丝焊接操作。所采用的焊接工艺参数如下：加速电压为60kV，束流为90mA，聚焦电流为1030mA，焊接速度为600mm/min，送丝速度为1300mm/min，舱室真空度低于5×10-2Pa。在成形参数方面，单层层高为0.5m，层宽为12mm，且道次间重叠宽度控制在2mm。
[0045]本实施例中采用前置送丝模式，即丝材位于电子束前方，且两者位于同一水平平面内。送丝方向与焊接行进方向呈45°夹角，送丝前端与熔池中心的相对距离控制在2mm。
[0046]通过光学显微镜和扫描电子显微镜对焊接接头的微观形貌进行了观察，如图4所示。从焊缝横截面可以看出，焊接质量良好。焊缝区的组织主要由板条马氏体α′相构成，且板条的平均厚度为1.14μm。该焊接接头的屈服强度为787MPa，抗拉强度为836MPa，焊接系数为0.83。
[0047]表1 焊接接头的室温拉伸性能
[0048]以上对本发明的具体实施例进行了详细阐述。需要说明的是，本发明并不仅限于上述特定实施方式。在不脱离权利要求所限定的保护范围的前提下，本领域技术人员能够进行各种变形或修改，这些变形或修改均属于本发明的技术方案。
说明书附图(4)
声明：
“高性能钛合金厚壁构件的电子束送丝焊接方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：哈尔滨工业大学
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