[发明专利]一种适用于喷射成形7000系铝合金的电子束焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于喷射成形7000系铝合金的电子束焊接方法。

背景技术

铝合金作为一种广泛应用的结构材料，不但要具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，同时还应具有良好的成形工艺性和良好的焊接性。7000系铝合金是时效强化型铝合金。喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金因其超高强度而著称，目前国内外许多大学和研究机构都展开了对喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金组织、性能、加工工艺及热处理制度的研究。为了使材料得到实际应用并推广，材料的焊接性能也是十分重要的因素之一。

电子束焊是指在真空环境中，利用会聚的高能电子流轰击焊接连接部位所产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束焊具有功率密度高，焊缝深宽比大，焊接速度快，热输入低，热影响区窄，焊接变形小；焊缝纯洁度高，接头质量好等优点。电子束焊的诞生最初是为了满足核能工业的焊接需求，由于其优异的焊接特点，现已扩大应用到航空、航天、汽车、电机、电子电器、工程机械、重型机械、造船和能源等工业部门。

电子束焊接过程中，电子束撞击到金属表面，电子的动能转化为热能，使金属迅速熔化，熔化金属排开，使电子束继续撞击深处的固态金属，随着电子束与焊件的相对移动，液态金属逐渐冷却，凝固，形成焊缝；焊缝周围金属受到热的作用，组织也发生变化。电子束是在高真空环境中由电子枪产生，通过电子光学系统把电子束会聚起来，成为密度很高的电子束撞击工件的表面，随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却、凝固、形成了焊缝。真空电子束焊接的基本参数是加速电压、束流、焊接速度、聚焦电流、电子枪与工件的距离。加速电压即焊接电压，其对电子束焊接影响较大，提高加速电压能增加熔深。一般不经常调节，通常在一定的电压下，通过调节其他参数来实现焊接参数的调整。束流即焊接电流，束流增大，熔深将增大，但焊缝宽度也增大。焊接速度也影响热输入，焊速增大，焊缝宽度变窄，熔深减小。为了得到良好的焊接性能，需要合理的匹配工艺参数，影响焊接效果的主要工艺参数有，焊接电压(U)，焊接电流(I)，焊接速度(S)，及扫描频率。

喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金合金在进行电子束焊接时，焊缝区金属发生重熔，以较快的速度冷却凝固；热影响区的金属受热，组织也发生一定程度转变，受热较大的区域发生重熔，形成细晶，其他区域组织介于母材与焊缝组织之间。焊缝区域由于细晶强化作用，焊后硬度值高于母材，并沿着母材方向，硬度呈下降趋势。由于氢在固态与液态金属中溶解度不同，在焊接骤冷过程中，在焊缝中经常会残留气孔，在焊接接头受载过程中成为了裂纹萌生源。同时，由于焊接过程中，各区域温度、冷速不同，形成了不同组织的区域，这些区域存在一定的界面，这也成为焊接接头拉伸受载过程中的弱界面，与焊接气孔等其他缺陷一起，导致了焊接接头的迅速开裂。

在采用传统铸锭冶金及变形加工工艺生产7000系铝合金时，一般控制合金中的主合金元素总含量最高不超过12％-13％，这限制了7000系铝合金的极限抗拉强度。喷射成形技术的出现突破了合金中主合金元素含量的限制，能制备高合金化程度的7000系铝合金。喷射成形技术是从传统的快速凝固粉末冶金RS/PM工艺基础上发展起来的一种快速凝固近终成形材料制坯技术。其基本原理是利用惰性气体将合金熔体雾化成大量细小的液滴，然后沉积到接收基板上，通过控制接收基板的形状和运动方式可以得到不同形状的沉积坯件。采用喷射成形技术制备高合金化的7000系铝合金时，由于凝固速度较快，合金中的晶粒被显著细化、各种宏观和微观偏析受到抑制，可有效控制沉积坯件凝固过程中内部产生热裂的倾向，同时由于凝固速度加快使沉积坯件中各种合金元素的过饱和度提高、后续热处理过程中各种沉淀相的析出更加充分，有利于使材料获得更佳的力学性能。