[发明专利]一种电子束焊接与激光增材制造复合连接方法有效

专利信息
申请号: 201710680001.9 申请日: 2017-08-10
公开(公告)号: CN107498203B 公开(公告)日: 2019-06-14
发明(设计)人: 汤海波;田象军;张述泉;刘栋;李安;李佳;程序;朱言言;何蓓;李卓 申请(专利权)人: 北京煜鼎增材制造研究院有限公司
主分类号: B23K28/02 分类号: B23K28/02
代理公司: 北京辰权知识产权代理有限公司 11619 代理人: 佟林松
地址: 100096 北京市海*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 电子束 焊接 激光 制造 复合 连接 方法
【说明书】:

一种电子束焊接与激光增材制造复合连接方法,包括以下操作步骤:首先,对于截面厚度H≥100mm的零件基材需根据零件尺寸加工剖口,获得开槽的零件;其次,对开槽的零件表面进行清洗、烘干处理;再次,将清洗后的零件固定在电子束焊接腔体中,当真空度达到10‑2Pa后,对其进行电子束深熔焊接;最后,将电子束深熔焊接后的零件固定在激光增材制造腔体中,在惰性气体气氛保护下,以焊接位置为中心进行循环往复式的扫描沉积。本发明的优点在于经过电子束焊接与激光增材制造复合连接的金属构件可在焊接区域获得冶金结合的低热应力焊接区,在增材制造区域获得快速凝固组织,两者导致的热影响区都很小,从而获得力学性能优异的大型金属连接构件。

技术领域

本发明涉及一种电子束焊接与激光增材制造复合连接方法,具体涉及一种 大厚度截面金属构件的电子束焊接与激光增材制造复合连接方法。

背景技术

航空、航天、电力、石化、船舶等现代工业高端装备正向大型化、高参数、 极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展,致使其钛合金、高强钢、 耐热合金等关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高, 对制造技术的要求越来越高、挑战日益严峻,其中关于大型整体复杂构件的高 效连接逐渐成为重大高端装备制造业的基础和核心关键技术之一。

电子束焊接(Electron beam welding,EBW)是利用电子枪中阴极所产生 的电子在阴阳极间的高压(25-300kV)加速电场作用下被拉出,并加速到很高 的速度(0.3-0.7倍光速),经一级或二级磁透镜聚焦后,形成密集的高速电子 流,当其撞击在工件接缝处时,其动能转换为热能,使材料迅速熔化而达到焊 接的目的。与电弧焊等传统焊接技术相比,电子束焊接技术具有能量密度高、 熔透性高、焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接工艺参数容易精确控制、 易于控制、能焊接难熔及异种金属以及重复性和稳定性好等优点,从而在工业 上得到了广泛的应用。近年来,电子束焊接技术迅速发展,在大型零件制造及复杂零件加工等方面都显示出了独特的优越性。

然而,由于高速电子在金属中的穿透能力有限,在设备最大功率条件下, 电子束焊接一次可焊最大厚度钢板约为40mm,钛合金约50mm,铝合金约50mm, 但对于某些大型装备而言,其焊接深度难以满足某些大厚度截面金属材料的连 接需求。目前,现有方法通过在零件表面进行开槽后再进行焊接,但是一方面 开槽会影响零件尺寸和形状的完整性;另一方面,电子束焊接难以进行原位堆 焊,通常会采用手工电弧焊的方式对零件的剖口进行堆焊,但是这种方法会引 入较大的内应力,并且由于人工原因会导致出现未焊合、气孔等缺陷,导致构 件性能较差。

激光增材制造技术(Laser additive manufacturing,LAM)借鉴了快速原 型技术“离散+堆积”的原理,在零件CAD三维实体模型切片数据的指导下, 通过高功率激光熔化同步输送的金属粉末并且在基材表面熔化部分材料,两者 混合形成熔池,激光束扫过后熔池发生快速凝固,从而沉积在已凝固的基材上, 以此逐层堆积,最终得到三维零件。该技术能实现大型复杂结构致密金属零件 的快速、无模具近净成形,是一种先进的金属零件3D打印技术。与传统应用于 大厚度金属零件连接的电弧堆焊技术相比,激光增材制造热输入较小且可控, 能够有效减小热累积导致的热应力;增材制造过程在保护气体保护下进行,由 计算机精确控制的送粉、扫描和沉积过程稳定,能够有效减小未焊合、裂纹和 气孔等缺陷;另外,激光增材制造不受材料种类、零件形状和尺寸等的限制, 能够快速及时完成焊接任务。因此,若能将激光增材制造与电子束焊接复合, 对某些大型/超大型零件进行连接,即对已开剖口的构件先进行电子束焊接,进 而在剖口处进行增材制造,完成零件的连接,必然可实现构件连接,从而实现 最小的材料浪费,获得内应力较小的快速凝固组织。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的,一种电子束焊接与激光增材制 造复合连接方法,包括以下操作步骤:

首先,对于截面厚度H≥100mm的零件基材需根据零件尺寸加工剖口,获得 开槽的零件;

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