30CrMnSiNi2A钢环形密闭零件的电子束焊工艺研究

赵　勇，王　伟

(中航飞机起落架有限责任公司 燎原分公司，陕西 汉中 723200)

30CrMnSiNi2A钢环形密闭零件的电子束焊工艺研究

赵勇，王伟

(中航飞机起落架有限责任公司 燎原分公司，陕西 汉中 723200)

摘要：30CrMnSiNi2A钢广泛应用于飞机起落架中，主要为环形零件。环形零件的焊接大多使用工艺衬环对接，可增加焊接稳定性，且利于使用电子束将焊接产生的根部缺陷打压至衬环中，焊后采用机械加工的方法去除焊接衬环。对于某些特殊结构的零件其内腔封闭，工艺衬环无法取出，这种情况下，对真空电子束焊工艺进行了合理的参数优化，保证了焊出合格的焊缝。

关键词：30CrMnSiNi2A钢；环形零件；真空电子束焊；工艺研究

电子束焊接是利用高速定向运动的电子束撞击工件表面所产生的热能，使被焊金属熔化，冷却结晶后形成焊缝[1]。在航空领域，真空电子束焊接技术首先应用于战斗机的制造中。例如，发动机压气机转子、燃烧室等核心机部件焊接，飞机起落架、钛合金承力框、钛合金壁板和机身承力梁等的焊接以及机载精密零部件的焊接。采用电子束焊接技术制造飞机零部件，突出的特点是减重、精度高、强度好，构件的整体化制造水平高[2]。

对于传统的管状零件，真空电子束焊都是在零件对接处加入工艺衬环，在焊接结束后再通过机械加工的方法去除工艺衬环，以消除焊接过程中产生于工艺衬环中的根部缺陷。中航飞机起落架有限责任公司燎原分公司生产的某型机起落架几项关键受力件的焊接方法都采用真空电子束焊方式，并且零件结构特殊，内腔封闭，在焊接结束后工艺衬环无法取出，典型零件如图1所示。研究的难点在于突破经典电子束焊工艺参数的规律进行探索，通过优化参数来消除和减少根部缺陷。本文主要研究电子束工作焦点的选择及焊接束流的选择和优化，其余参数可借鉴传统真空电子束焊接的经验参数。

图1　典型零件图

1试验设备及材料

试件的焊接采用高压真空电子束焊机，其最高电子束束流为200 mA，最大加速电压为150 kV，具有多功能的电子束偏转函数发生器。工作室真空度≤7×10-4mbar，抽真空时间≤30 min，真空室容积为5 m3。

试验采用的典型零件厚度为10 mm，垫板厚度为5 mm。工艺试验分为平板工艺及环形件试验。平板试验可获取基本焊接工艺参数，环形试件可获取尽一步的优化参数。试验材料为30CrMnSiNi2A，具体成分见表1。

表1　30CrMnSiNi2A钢的化学成分(质量分数)　(%)

2初步工艺试验

2.1加速电压的确定(平板试验)

焊缝低倍纵向截面示意图如图2所示。在零件装夹的工作高度为580 mm，零件基体加垫板厚度为(10+5) mm的条件下，确定加速电压分别为90、120、140和150 kV时的低倍相关数值(见表2)。试验按焊接束流能刚好熔透15 mm厚板的情况下进行，按表2的加速电压分别进行4次焊接。加速电压与基体根部熔宽(d)的关系如图3所示。

图2　焊缝低倍纵向截面示意图

加速电压/kVb/mmK/mmd/mm9084.53.51206421405.53.61.515053.21.2

图3　加速电压与焊缝d值的关系

从图3可以看出，当加速电压越大时，焊缝d越小。在实际零件的焊接中，环形件是通过卡盘与尾座顶尖装夹，电子束属定枪，焊接过程中零件旋转，如果实际零件的跳动量较大，当焊缝根部熔宽过窄时，就有可能导致电子束未直接焊在焊缝上，从而出现焊缝未熔合的缺陷。综合上述因素，本次工艺研究选取加速电压为90 kV。

2.2其他工艺参数的确定(环形件试验)

通过90 kV的焊接电压和580 mm的工作距离，确定表面聚焦为1 550 mA。为保证熔透深度，初步选取电子束焊接常用的下焦点，聚焦值为1 570 mA，其余具体参数见表3。

表3　初步工艺参数

按获取的初步工艺参数再次焊接环形试件，并对试件做X光检查和低倍检查，具体检查结果见表4，焊接试件低倍图如图4所示。从表4和图4综合来看，焊接束流从中段开始突然衰减。从初步工艺试验的结果来看，X光检查底片上没有缺陷显示，为合格焊缝；但从焊缝剖面图(见图5)上看，焊缝根部仍存在根部链状缺陷。这主要是X光检查过程中存在X光片灵敏度问题，焊缝的工艺规范仍存在改进空间；并且在焊缝低倍图上可以看到焊缝到中段焊接束流的能量突然衰减，呈钉状。综合低倍与焊缝剖面的缺陷显示，应针对这些现象进行工艺参数的优化。

表4　初步工艺试验的X光检查结果及低倍标值

图4　初步工艺试　　　　　图5　初步工艺试验的　验的低倍图　焊缝剖面图

3工艺参数的优化

通过初步工艺试验的低倍试件效果看，焊缝截面形状不理想，钉状焊缝的存在，使实际零件跳动量较大时，容易造成焊缝根部未熔合的缺陷。综合上述原因，对焊接工艺参数进行优化，将电子束焦点上移至表面，使用表面焦点进行焊接，并且当工作焦点发生变化时，焊接束流也发生相应变化。具体焊接参数见表5。

表5　优化后的工艺参数

按优化后的工艺参数再次焊接环形试件，并对试件做X光检查和低倍检查，具体检查结果见表6，综合表6与图6的试验结果综合来看，焊缝中段束流未发生突然衰减，较优化前有了比较大的改观。优化后工艺试验的焊缝剖面图如图7所示，优化后工艺试验件的力学性能值见表7。

表6　优化后工艺试验的X光检查结果及低倍标值

图6　优化后工艺试　　　图7　优化后工艺试验的　验的低倍图　焊缝剖面图

表7　优化后工艺试验件的力学性能值

从优化后工艺试验的结果来看，X光检查底片上没有缺陷显示，为合格焊缝。从焊缝剖面图上看，焊缝根部链状缺陷消失，焊缝中段焊接束流的能量也不存在突然衰减的现象。

4试验结果综合分析

最初选择工作焦点时曾按典型电子束焊焦点选择方式，即选择下焦点时(在零件基体厚度的1/3处)，在进行X光检查时发现工艺衬环中存在较多的缺陷，经理论分析认为，应采用上焦点或者表面焦点；故上述2次试验分别采用上焦点及表面焦点进行试验。

综合比较2次试验X光检查及低倍试验结果可知，X光检查2次试验结果都是合格的。第1次工艺试验的低倍结果不是很理想，从焊缝形状来看，束流从起始点到中部开始明显减小，焊缝过渡不够平缓，易引起应力集中；并且从低倍试验的结果来看，d值明显比第2次工艺试验时偏小。在使用这样的参数焊接时，在束流焦点对中稍差的情况下很容易造成焊缝底部未融合缺陷的产生。而第2次焊接试验通过焊接焦点及焊接束流的变更，使焊接效果发生了明显的变化。焊缝低倍试验结果表明，焊缝形状的过渡比较平缓，没有到中段突然变小的特征。另外，工艺垫环上的根部缺陷从低倍试片上看也优于第1次试验，没有发现可视性缺陷，说明参数优化效果比较明显，可以应用于产品的焊接。另外，从焊缝机械性能试验结果来看，抗拉强度和冲击强度值都接近于母材的性能，并且从断口上看，有部分试样断口出现在母材上，说明焊缝强度已接近于基体。故此特殊结构的焊缝是合格的。

5结语

通过上述分析，可以得出如下结论。

1)通过工艺试验已摸索出了合理的工艺参数，并完成了该特殊结构的真空电子束焊参数的优化，在高强钢特殊结构上可以获得合格的真空电子束焊缝。

2)通过优化工艺试验发现，该特殊结构的管形零件的电子束的工作焦点在选择近表面焦点时焊接效果最佳。

3)试验数据表明，焊接束流取比穿透束流小3～5 mA时，可以保证焊缝较好的熔透效果。

参考文献

[1] 邹增大.焊接材料、工艺及设备手册[M]. 北京：化学工业出版社,2001.

[2] 毛智勇.电子束焊接技术在大飞机中的应用分析[J]. 航空制造技术,2009(2):92-94.

责任编辑彭光宇

Research on the Welding of 30CrMnSiNi2A Steel Ring-shaped Parts

ZHAO Yong, WANG Wei

(Liaoyuan Branch,AVIC Aircraft Landing Gear Co.,Ltd., Hanzhong 723200, China)

Abstract：Steel 30CrMnSiNi2A is used in aircraft landing gear widely, and especially in ring-shaped part welding. The welding of the ring-shaped part is in butt weld with process ring normally. In order to increase the stability and press the root defects into the process ring with the electron beam welding, then remove the welding ring with maching. The process ring of the cavity closed part can not be removed due to the special structure. In this case, the process parameter of the vacuum electron beam welding process must be optimized to ensure the qualified weld seam.

Key words:steel 30CrMnSiNi2A， ring-shaped part， vacuum electron beam welding， technology research

收稿日期：2014-12-28

作者简介：赵勇(1978-)，男，工程师，主要从事飞机起落架生产过程中焊接及喷丸工艺等方面的研究。

中图分类号：TG 456.3

文献标志码:A