一种电子束焊接方法及设备

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其是涉及一种电子束焊接方法及设备。

背景技术

TC11钛合金为是一种综合性能良好的α+β两相钛合金，不但具有很高的屈服强度和抗拉强度，还具有无磁性、低热膨胀系数、低热导率、易烧结成形等特点。TC11是所有两相钛合金中500℃使用温度下高温强度最好的钛合金，其化学名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，具有良好的焊接性，是制造航空航天发动机的首选材料。

电子束焊接是一种高能量密度的焊接方法，具有真空环境下焊接、焊缝纯净、质量高、控制精度高、生产效率高、深宽比大、变形小等众所周知的诸多优点，成为钛合金焊接的主要技术之一，被广泛应用于航空航天产品的焊接。

然而，在电子束焊接精密度高的零件时，受焊接工艺(包括起收弧的角度、起收弧位置、多条焊缝的焊接次序等)的影响，零件会产生焊接变形，影响产品的使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种电子束焊接方法，能够减小焊接变形，从而制造合格的焊接产品。

本发明的第二个目的是提供一种焊接设备。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了如下方案：

一种电子束焊接方法，包括：

步骤S1：清理工件上待焊接的焊缝，并将所述焊缝进行定位点焊；

步骤S2：焊接所述焊缝，同一个所述焊缝中，所述焊缝的起弧位置与收弧位置关于所围绕的所述工件的轴线对称设置，且围绕所述工件的同一轴线的焊缝中，相邻所述焊缝之间的起收弧方向相反。

在一个具体的实施方案中，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：将所述工件固定在工作台内；

步骤S22：使用电子束对中装置找正所述工件上的焊缝，并转动所述工件，启动所述电子枪对所述焊缝发射电子束，以焊接所述焊缝。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S21中，所述工作台为处于真空室内的电子束焊机工作台，所述工件固定在所述工作台内的三爪卡盘上；

所述步骤S22中，启动电子枪对所述焊缝发射电子束之前还包括：等待所述真空室的真空压强小于预设压强。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S2中，所述焊缝的起弧角度及收弧角度均为180°；

和/或，

所述步骤S2中，所述工件上贴合有散热工装，所述散热工装设置在所述焊缝的两侧，且与所述焊缝相距预设的距离。

在另一个具体的实施方案中，所述工件包括底座、直角转接件、管路部件以及端盖；

所述焊缝包括：所述底座的敞口端与所述直角转接件的第一管之间的第一焊缝，所述直角转接件背离所述底座的一端与所述端盖之间的第二焊缝，以及所述管路部件与所述直角转接件的第二管之间的第三焊缝。

在另一个具体的实施方案中，焊接所述焊缝的顺序为：先焊接所述第二焊缝，再焊接所述第三焊缝，最后焊接所述第一焊缝。

在另一个具体的实施方案中，清理并定位点焊所述焊缝的顺序为：

先清理所述第二焊缝，将所述端盖与所述直角转接件装配在一起，调节所述第二焊缝的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊所述第二焊缝；

待所述第二焊缝焊接完成后，再清理所述第三焊缝，将所述管路部件与所述直角转接件装配在一起，调节所述第三焊缝的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊所述第三焊缝；

待所述第三焊缝焊接完成后，最后清理所述第一焊缝，将所述底座与所述直角转接件装配在一起，调节所述第一焊缝的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊所述第一焊缝。

在另一个具体的实施方案中，将所述底座与所述直角转接件装配在一起具体包括：

将所述底座放置于零件装配工装的底板上开设的定位凹槽内，并将所述零件装配工装上的压板压设所述底座至所述定位凹槽内；

将所述直角转接件装入所述零件装配工装的支撑块上，使得所述第二装配体与所述底座之间形成第一焊缝。

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：

一种焊接设备，包括：

清理工位，所述清理工位上设置有清理工件上待焊接的焊缝的清理装置；

定位点焊工位，所述定位点焊工位设置有将经过所述清理装置清理后的所述焊缝进行定位点焊的定位点焊装置；

焊接工位，所述焊接工位设置有将经过所述定位点焊装置定位点焊后的所述焊缝进行焊接的焊接装置，所述焊接装置焊接所述焊缝时，同一个所述焊缝中，所述焊缝的起弧位置与收弧位置关于所围绕的所述工件的轴线对称设置，且围绕所述工件的同一轴线的焊缝中，相邻所述焊缝之间的起收弧方向相反。

在一个具体的实施方案中，所述定位点焊工位处还设置有用于装配所述工件的零件装配工装，以保证工件焊前的尺寸精度。

和/或，

所述焊接工位处还设置有散热工装，以对所述工件进行散热。

本发明提供的电子束焊接方法，先清理工件上待焊接的焊缝，避免了杂质等进入焊缝影响焊接效果，再对焊缝进行定位点焊，保证了焊缝的位置精度，最后，再焊接焊缝。由于同一个焊缝中，焊缝的起弧位置与收弧位置关于所围绕的工件的轴线对称设置，即采用对称起收弧的焊接方式，减小了因为起收弧位置带来的焊接变形。此外，由于围绕工件的同一轴线的焊缝中，相邻焊缝之间的起收弧方向相反，使得相邻焊缝的焊接变形相互抵消，从而进一步减少了焊接变形。即本发明提供的电子束焊接方法减小了焊接变形，从而提高了焊接产品的合格率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的工件的俯视结构示意图；

图2为图1的剖视结构示意图；

图3为本发明提供的零件装配工装的主视结构示意图；

图4为本发明提供的电子束焊接方法的流程图。

其中，图1-图3中：

工件100、底座101、直角转接件102、管路部件103、端盖104、第一凸台101a、第二凸台101b、主体102a、第一管102b、第二管102c、第一焊缝105、第二焊缝106、第三焊缝107、零件装配工装200、底板201、压板202、支撑块203、容纳槽203a、定位凹槽201a、第一定位台阶202a、第二定位台阶202b。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-图4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

结合图1-图4所示，本发明提供了一种电子束焊接方法，能够减小工件100焊接变形，从而提高焊接产品的合格率。

具体地，如图4所示，电子束焊接方法包括：

步骤S1：清理工件100上待焊接的焊缝，并将焊缝进行定位点焊。

清理焊缝时，可以使用钢丝刷抛刷工件100上焊缝两侧距离焊缝10mm范围内的位置处，以去除表面的氧化膜；并使用无纺布蘸工业丙酮或工业酒精洗抛刷部位，避免杂质存在于焊缝周围造成虚焊等情况。

对焊缝进行定位点焊具体可以是先将工件100待焊接的部分装配在一起，调节好之间的焊缝后，通过氩弧焊点焊，以确保各个部分的位置精度。需要说明的是，焊点要沿着焊缝的周向均匀分布，不添加焊丝，焊点宽度大于或者等于2mm，且小于或者等于3mm。

步骤S2：焊接焊缝，同一个焊缝中，焊缝的起弧位置与收弧位置关于所围绕的工件100的轴线对称设置，且围绕工件100的同一轴线的焊缝中，相邻焊缝之间的起收弧方向相反。

需要说明的是，这里的起收弧方向是指：相邻焊缝的起弧位置分别位于轴线的相对设置的一侧，相邻焊缝的收弧位置分别位于轴线的相对设置的一侧。这里的轴线指的是相邻焊缝共用的轴线。

由于同一个焊缝中，焊缝的起弧位置与收弧位置关于所围绕的工件100的轴线对称设置，即采用对称起收弧的焊接方式，减小了因为起收弧位置带来的焊接变形。此外，由于围绕工件100的同一轴线的焊缝中，相邻焊缝之间的起收弧方向相反，使得相邻焊缝的焊接变形相互抵消，从而进一步减少了焊接变形。即本发明提供的电子束焊接方法减小了焊接变形，从而提高了焊接产品的合格率。

在一些实施例中，为了实现对工件100焊接过程中的降温，以加快焊缝冷却速度，本发明一个实施例中公开了步骤S2中，工件100上贴合有散热工装，散热工装分别安装在焊缝的两侧，且与焊缝相距预设的距离。

步骤S2中，焊接焊缝的焊接参数包括：电子束的加速电压150Kv，聚焦电流2070mA，焊接速度30mm/s，焊接束流8mA。

也就是说，本实施例中，采用小束流、快速焊的方法进行焊接。由于焊接时采用小束流、快速焊的方式，焊接热输入较小，经试验当工件为圆柱或者圆筒形状结构时，弧形铜块的导热已经能够满足零件的散热需求，因此，散热工装的弧形铜块不需要额外的冷却系统。也就是说，本发明公开了散热工装为弧形铜块，安装在焊缝两侧距焊缝3mm位置处，加快焊缝冷却速度，精确控制焊缝熔深。可以理解地，这里的弧形铜块安装在焊缝两侧是指弧形铜块贴合工件100位于焊缝两侧的位置处。

需要说明的是，弧形铜块可以是半圆环形结构，在半圆环形结构的两端分别设置连接翻边，连接翻边上开设紧固孔，使得2个弧形铜块对接，并通过紧固件连接紧固孔即可形成一个与工件100形状相适配的圆环结构。当然，也可以设置2个弧形铜块的一端铰接，另一端通过紧固件紧固连接或者通过卡扣连接等。

还需要说明的是，上述公开的散热工装仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以设置散热工装还包括水冷冷却装置等。

在一些实施例中，步骤S2具体包括：

步骤S21：将工件100固定在工作台内。

以工件100为钛合金推力装置为例，工作台为处于真空室内的电子束焊机工作台，即工件100在真空环境下进行焊接。

工件100固定在工作台内的三爪卡盘上。

需要说明的是，上述公开的工件100类型及工作台类型仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以设置工件100及工作台为其它类型。

步骤S22：使用电子束对中装置找正工件100上的焊缝，并转动工件100，启动电子枪对焊缝发射电子束，以焊接焊缝。

也就是说，焊接焊缝的过程中，电子枪保持不动，工件100通过三爪卡盘带动进行旋转，使得电子枪发射出的电子束能够稳定的对焊缝各处进行均匀焊接。

进一步地，本发明公开了焊缝的起弧角度及收弧角度均为180°，进一步减小了焊接变形。

为了提高焊接质量，本发明一个实施例中公开了步骤S22中，启动电子枪对焊缝发射电子束之前还包括：等待真空室的真空压强小于预设压强。

具体地，预设压强为1×10

在一些实施例中，工件100使用的材料为TC11钛合金，焊缝厚度大于或者等于3mm，且小于或者等于4mm，锁底厚度大于或者等于1mm。

具体地，如图1-图2所示，工件100包括底座101、直角转接件102、管路部件103以及端盖104，其中，底座101为回转体结构，且一端敞口，一端封闭。直角转接件102包括主体102a、第一管102b及第二管102c，主体102a呈筒状结构，且与底座101同轴设置，第一管102b的一端与主体102a同轴且连通，另一端与底座101的敞口一端形成第一焊缝105。端盖104与主体102a同轴设置，且与主体102a背离底座101的一端形成第二焊缝106。第二管102c与第一管102b垂直设置，且第二管102c与主体102a的侧壁连通，第二管102c与管路部件103同轴设置，且两者之间形成第三焊缝107。

也就是说，本实施例中，待焊接的焊缝包括：底座101的敞口端与直角转接件102的第一管102b之间的第一焊缝105，直角转接件102背离底座101的一端与端盖104之间的第二焊缝106，以及管路部件103与直角转接件102的第二管102c之间的第三焊缝107。

进一步地，本发明公开了焊接各个焊缝的顺序为：先焊接第二焊缝106，再焊接第三焊缝107，最后焊接第一焊缝105。也就是说，焊接次序为首先进行端盖104与直角转接件102的焊接，然后，进行管路部件103与直角转接件102的焊接，最后，进行直角转接件102与底座101的焊接。这样可保证在前两条焊缝质量不合格时，以最小的成本更换新的部件重新进行焊接。

在一些实施例中，清理并定位点焊焊缝的顺序为：

先清理第二焊缝106，将端盖104与直角转接件102装配在一起，调节第二焊缝106的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊第二焊缝106；

再清理第三焊缝107，将管路部件103与直角转接件102装配在一起，调节第三焊缝107的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊第三焊缝107；

最后清理第一焊缝105，将底座101与直角转接件102装配在一起，调节第一焊缝105的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊第一焊缝105。

清理第二焊缝106具体包括：采用机械抛刷的方法去除端盖104和直角转接件102对应第二焊缝106位置处的表面氧化膜，并用无纺布蘸工业丙酮或工业酒精擦洗干净，将端盖104和直角转接件102装配到一起，用塞尺测量焊缝间隙小于0.1mm，使用氩弧焊均匀四点定位点焊，不添加焊丝。

清理第三焊缝107具体包括：采用机械抛刷的方法去除管路部件103和直角转接件102对应第三焊缝107位置处的表面氧化膜，并用无纺布蘸工业丙酮或工业酒精擦洗干净，将管路部件103和直角转接件102装配到一起，使用氩弧焊均匀四点定位点焊，不添加焊丝。

清理第一焊缝105具体包括：采用机械抛刷的方法去除底座101和直角转接件102对应第一焊缝105位置处的表面氧化膜，并用无纺布蘸工业丙酮或工业酒精擦洗干净，将底座101和直角转接件102装配到一起，使用氩弧焊均匀四点定位点焊，不添加焊丝。

需要说明的是，可以：在清理并定位点焊第二焊缝106后直接安装到工作台进行第二焊缝106的焊接，在清理并定位点焊第三焊缝107后直接安装到工作台进行第三焊缝107的焊接，在清理并定位点焊第三焊缝107后直接安装到工作台进行第三焊缝107的焊接，以发现任意一焊缝不合格时，能够以最小的成本更换新的部件重新进行焊接；也可以：在完全完成第二焊缝106、第三焊缝107及第一焊缝105的清理及定位点焊后，再安装到工作台进行第二焊缝106、第三焊缝107及第一焊缝105的分别焊接，具体为：先清理第二焊缝106，将端盖104与直角转接件102装配在一起，调节第二焊缝106的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊第二焊缝106；然后，焊接第二焊缝106，再清理第三焊缝107，将管路部件103与直角转接件102装配在一起，调节第三焊缝107的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊第三焊缝107；接着，焊接第三焊缝107，然后，清理第一焊缝105，将底座101与直角转接件102装配在一起，调节第一焊缝105的间隙，使用氩弧焊四点定位点焊第一焊缝105；最后，焊接第一焊缝105。

在一些实施例中，将底座101与直角转接件102装配在一起具体包括：将底座101放置于零件装配工装200的底板201上开设的定位凹槽201a内，并将零件装配工装200上的压板202压设底座101至定位凹槽201a内；将直角转接件102装入零件装配工装200的支撑块203上，使得第二装配体与底座101之间形成第一焊缝105。

具体地，如图3所示，零件装配工装200包括底板201、压板202以及支撑块203，其中，底板201上开设有定位凹槽201a，以定位底座101；压板202安装在底板201上，且压板202上分别设置有第一定位台阶202a及第二定位台阶202b，其中，第一定位台阶202a位于第二定位台阶202b的下方；底座101上分别设置有第一凸台101a及第二凸台101b，第一凸台101a位于第二凸台101b的下方，第一定位台阶202a压设在第一凸台101a上，第二定位台阶202b压设在第二凸台101b上，且第二定位台阶202b上开设有螺纹孔，销钉能够穿过螺纹孔压紧第二凸台101b。为了提高零件装配工装200的通用性，可以设置压板202与底板201可升降连接，此时，可以在底板201上安装齿轮齿条结构等，将压板202安装在齿条上，通过齿条实现升降等。

支撑块203上开设有盛放直角转接件102的容纳槽203a，具体地，支撑块203可以焊接在底板201上，也可以通过类似的齿轮齿条结构可升降安装在底板201上。

在一些实施例中，步骤S2之后还包括步骤S3：检测焊缝的焊接质量。

具体地，检测焊缝的焊接质量包括工件100外观及多余物检测、X射线检测、气密性检测以及三坐标测量。

更具体地，工件100外观及多余物检测包括：工件100外观无咬边、碰伤等缺陷，工件100内部无油污、起皮、毛刺及其他多余物存在。

X射线检测包括：焊缝内部质量满足GJB1718AΙ级要求。

气密性检测包括：工件100进行7MPa±0.5MPa压力测试，保压10min，要求无压降。

三坐标检测包括：符合图纸要求。

通过本发明提供的电子束焊接方法，可实现工件100的高质量焊接，环焊缝熔深精准可控，焊接变形满足图纸要求，工件100通过气密性检测，改变电子束焊接工装形式、焊接参数，可实现不同厚度、不同材料、不同结构的推力装置产品焊接。

在一个具体的实施方式中，如图1及图2所示，以α的尺寸要求为70±0.5°，垂直度⊥为0.2mm为例，焊接前，α为70.085°，垂直度⊥为0.0021mm，通过本发明提供的电子束焊接方法焊接后，α为70.2790°，垂直度⊥为0.0087mm，完全满足使用需求。

本发明第二方面提供了一种电子束焊接设备，其中，电子束焊接设备包括清理工位、定位点焊工位以及焊接工位。

清理工位上设置有清理工件100上待焊接的焊缝的清理装置，清理装置包括对工件100进行钢丝抛刷的抛刷机构以及对工件100进行工业丙酮或工业酒精清洗的清洗机构，需要说明的是，抛刷机构具体可以通过电机等动力件带动钢丝球对工件100进行抛刷，当然，也可以直接人工通过钢丝球进行抛刷。同理，清洗机构可以通过电机等动力件带动无纺布对工件100进行清洗，当然，也可以直接人工通过无纺布对工件100进行清洗。

定位点焊工位设置有将经过清理装置清理后的焊缝进行定位点焊的定位点焊装置，点焊装置具体可以是氩弧焊装置。进一步地，本发明公开了定位点焊工位处还设置有用于装配工件100的零件装配工装200，具体地，零件装配工装200如上述电子枪焊接方法实施例中的零件装配工装200，通过零件装配工装200来保证工件100焊前的尺寸精度.

焊接工位设置有将经过定位点焊装置定位点焊后的焊缝进行焊接的焊接装置，焊接装置焊接焊缝时，同一个焊缝中，焊缝的起弧位置与收弧位置关于所围绕的工件100的轴线对称设置，且围绕工件100的同一轴线的焊缝中，相邻焊缝之间的起收弧方向相反。具体地，焊接装置可以为电子束焊机工作台。

进一步地，本发明公开了焊接工位处还设置有散热工装，以对工件100进行散热。具体地，散热工装如上述电子枪焊接方法实施例中的散热工装，散热工装可以快速传导焊缝热量，减小焊接热输入，从而减小焊接变形。

清理装置用于清理工件100上待焊接的焊缝，定位点焊装置用于焊缝的定位点焊，焊接装置用于焊接焊缝，其中，焊接装置焊接焊缝时，同一个焊缝中，焊缝的起弧位置与收弧位置关于所围绕的工件100的轴线对称设置，且围绕工件100的同一轴线的焊缝中，相邻焊缝之间的起收弧方向相反。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创造特点相一致的最宽的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。