CN102107319B

CN102107319B - 一种热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法

Info

Publication number: CN102107319B
Application number: CN 200910248663
Authority: CN
Inventors: 张炳海; 耿强; 黄青松; 曲伸; 刘晓娟
Original assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Current assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-12-23
Also published as: CN102107319A

Abstract

一种热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法：利用电阻焊接原理以及零件本身材料的可电阻焊特性进行热碾压操作；具体是使用滚焊的方法，对焊缝金属施加压力并通电加热来消除气孔的工艺方法。本发明巧妙地解决钛合金钣焊机匣加工过程中熔焊焊缝内部气孔缺陷问题，其本发明可以实现小变形或微变形量焊缝质量修复，并且在热碾压的过程中，由于焊缝部位受热及压力的作用，还有微量校形及消除焊接应力的作用，施工后的零件焊缝质量、结构尺寸和技术条件满足设计要求。如果补焊部位有压痕深度超出工艺标准，还可以采用氩弧焊接表面熔覆工艺处理，采用本发明所述方法缺陷修复合格率100％。

Description

一种热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法

技术领域：

本发明涉及钛合金薄壁焊接零件制造和修复技术，特别提供了一种热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法。

背景技术：

现有技术中，某加力筒体壳体、扩散器壳体设计为钛合金薄壁焊接结构机匣。钛合金钣焊机匣（加力筒体壳体、扩散器壳体）主体上熔焊（氩弧焊）过程中产生气孔的问题一直是严重影响零件焊接质量的难题之一。在钛合金熔焊焊接过程中，气孔是钛合金焊接中最常见的焊接缺陷。钣焊机匣类零件一般规定焊缝质量为关（重）特性，焊缝内部的气孔缺陷按熔焊焊接验收标准为不合格。

按照熔焊工艺说明书和焊接验收标准，对于此类焊接质量问题一般根据焊缝内部缺陷情况和位置，剖开并进行熔焊（氩弧焊）重熔修复，但是在重新修焊之前需要完全清理焊缝缺陷（即挖掉焊缝气孔部位组织），再进行熔焊，由此带来的熔焊焊接收缩和变形无法控制，常常引起修焊部位局部变形大，造成零件结构尺寸变化超差。

因此，人们期望获得一种技术效果明显优于现有技术的修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法。

发明内容：

本发明目的是提供一种技术效果明显优于现有技术的热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法。重点是：解决钛合金钣焊机匣类构件熔焊焊缝内部气孔类质量问题，解决修复焊缝过程中的局部变形大问题。

要解决修复焊缝后变形问题，需要采用一种焊接收缩量小的工艺方案。

针对背景技术中提到的现存技术问题，我们经过试验研究发现，电阻焊接工艺是将两部分以上的材料叠加在一起施以压力和通电，使之在零件内部产生熔核，对于焊接质量有相应的电阻焊接验收标准，因此，我们尝试采用热碾压法类似于电阻焊接原理将存在内部气孔缺陷的焊缝理解为两层钛合金材料，并设计专用电极，按试验参数进行工作，结果符合熔焊焊缝验收标准。我们研究发现，电阻焊接工艺相对熔焊工艺而言其焊接收缩量小，焊接部位变形明显较小，即使在焊缝表面产生轻微的压痕，也可以随后采用小电流熔焊填充修复，完全满足零件设计使用要求；可以解决这一难题。

具体而言，本发明提供了一种热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，其特征在于：利用电阻焊接原理以及零件本身材料的可电阻焊特性进行热碾压操作；具体是使用滚焊的方法，对焊缝金属施加压力并通电加热来消除气孔的工艺方法。

本发明所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，优选要求保护的内容那个如下所述：

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，针对两种典型的专用电阻焊夹具（盘状电极或柱状电极）有两类典型的热碾压操作方法：

方法其一是：将被加工零件上要修复的焊缝缺陷部位放置在两个柱状电极之间，按试验相同参数，施以压力并通电使焊缝内部气孔处重熔为一体。

方法其二是：将待处理的试件置于滚焊机的滚盘间，焊缝对准滚盘的边缘，施加压力，并通过两个电极对在两个电极之间的被加工零件通电流；随着滚盘的转动，零件也随之移动；在此过程中根据楞次-焦耳定律，焊缝内部会产生热量使焊缝处金属重熔，在压力的作用下，气孔被挤到空气中去，从而达到消除焊缝中气孔的目的。热碾压机构简图见图3。

在使用上述两种具体操作方案的同时，还要求对被加工零件表面有深度的压痕处进行小电流熔覆修复操作。

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法中还包含有下述内容：在热碾压修复操作之前，使用焊接试片进行热碾压试验以便选取压力、电流、通电时间的合适参数；所述焊接试片具体为与准备进行修复的零件材料相同、厚度相同的试片。

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法中一个在前的典型的热碾压试验操作过程的具体内容是：

在热碾压啊修复操作之前使用氩弧焊试片进行热碾压试验参数：变速级：8级；脉冲：7-9周；电流：6.0-6.4KA；休止：8-10周；压力：0.23-0.25Mpa；焊接速度：0.3m/min；

所述氩弧焊试片要求是：TC4，δ2.0。

进一步优选要求：碾压过程中采用水冷却；要求达到下述技术要求：压痕深度不大于0.15mm。

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法的具体内容是：

a）扩散器外壁（TC4，δ1.5）环形氩弧焊焊缝修复（如图8），热碾压工艺参数：压力：0.24-0.28Mpa；变压器级数，5；变压比：23；焊接速度：0.3-0.5m/min；焊接电流：5.6-5.8KA；通电时间：0.14-0.18s；冷却时间：0.06-0.08s；休止：0.06-0.08s；

b）加力筒体（TA15，δ1.2）环形氩弧焊焊缝修复（如图9），热碾压工艺参数：压力：0.22-0.26Mpa；变压器级数，5；变压比：23；焊接速度：0.3-0.5m/min；焊接电流：5.0-5.2KA；通电时间：0.12-0.16s；冷却时间：0.05-0.07s；休止：0.04-0.06s；

c）进气机匣前段筒体（TC4，δ2）环形氩弧焊焊缝修复，热碾压工艺参数：压力：0.25-0.29Mpa；变压器级数，5；变压比：23；焊接速度：0.2-0.4m/min；焊接电流：6.0-6.2KA；通电时间：0.14-0.18s；冷却时间：0.07-0.09s；休止：0.06-0.08s。

所述热碾压过程中优选采用水冷却；要求达到下述技术要求：压痕深度不大于0.15mm。

本发明中的相关问题说明如下：

1、气孔的形成的相关问题：钛合金氩弧焊焊缝中气孔中气体的来源，根据资料表明及多年的生产实践，主要是以下几个方面：

a)保护气体—氩气中混有有害杂质；

b)待焊接头处和焊丝存有污物；

c)待焊接头在焊前酸洗工艺参数选择不当，因为酸洗液中存在大量的H+离子；

d)焊接速度过快，气体来不及逸出。

以上四种情况在工艺中可以加以限制，但是根据以往经验和大量的试验，即使有效地控制了上述的情况，还是不能从根本上避免焊缝中产生气孔的现象。图2即是焊接试片焊后进行X射线检查的底片。图中颜色较深的部位是焊缝，颜色较浅的部位是熔合区，在熔合区中的白色小圆点就是气孔。

2、热碾压原理及试验

a）热碾压法就是利用滚焊的工作原理，对焊缝金属进行加压并通电加热来消除气孔的工艺方法。原理大体为：将待处理的试件置于滚焊机的滚盘间，焊缝对准滚盘的边缘，施加压力，并通电流。随着滚盘的转动，零件也随之移动。在此过程中根据楞次-焦耳定律，焊缝内部会产生热量使焊缝处金属重熔，在压力的作用下，气孔被挤到空气中去，从而达到消除焊缝中气孔的目的。热碾压机构简图见图3。

b）热碾压典型试验说明：取氩弧焊试片，TC4，δ2.0。热碾压试验参数：变速级：8级；脉冲：7-9周；电流：6.0-6.4KA；休止：8-10周；压力：0.23-0.25Mpa；焊接速度：0.3m/min。碾压过程中采用水冷却，技术要求：压痕深度不大于0.15mm。

c）热碾压试验结果分析：热碾压后的试片经X射线探伤的结果见图4。从底片中可以清楚地看到经热碾压处理后的焊缝气孔明显减少。符合Q/3B1105-2000中对Ⅱ类焊缝气孔缺陷的要求。

d）光学金相观察：将母材和热碾压后的试样进行抛光、腐蚀处理后在光学显微镜下进行观察，如图5、6所示。

从图5可看出，TC4母材的晶粒较粗大，以α相为主，伴有少量的β相。从图6可看出，焊后的接头处的组织为针状马氏体，晶粒有明显的长大现象。这主要是原组织在受热后的变化。

e）断口分析：拉伸试样的断口形貌特征见图7。从图7中可看出，中间椭圆形的显像便是断口中的气孔。在断面处存在着大量的韧窝，是典型的韧性断裂形貌特征。

f）接头拉伸性能测试：针对一组焊缝经过热碾压处理前、后的试件的拉伸实验，得到以下数据，见表1。

表1 TC4焊接接头拉伸强度测试

从表1中的数据可看出，未经热碾压的接头强度明显低于经过热碾压处理过的接头强度。这也充分地说明了气孔的存在对接头强度有很大的影响。经碾压后的接头强度满足接头强度不低于母材强度下限的85%的要求。由此可见，热碾压消除焊接接头中的气孔确实可以改变接头强度，提高接头质量，是简捷可行的，同时也是有效的一种工艺方法。

3、热碾压工艺实际应用

根据以上的理论分析和实验结论，目前以将热碾压工艺应用在钛合金焊接机匣（扩散器外壁、加力筒体、进气机匣前段筒体）修复氩弧焊焊缝缺陷的实际生产中。经过现场生产实践证明，热碾压方法完全适合消除钛合金薄壁材料焊缝熔合区气孔的需要。既满足了零件的技术要求，也解决了钛合金在焊接过程中出现气孔后如何消除的技术难点。

本发明根据焊缝缺陷的特点，设计专用电阻焊夹具（盘状电极或柱状电极），并进行焊接参数试验，取得合适的参数后，在相同条件下对钛合金焊缝缺陷部位进行修复。

本发明所述热碾压法利用电阻焊接原理以及零件本身材料的可电阻焊特性，通过试验参数控制修复焊缝质量，巧妙地解决钛合金钣焊机匣加工过程中熔焊焊缝内部气孔缺陷问题。

本发明可以实现小变形或微变形量焊缝质量修复，并且在热碾压的过程中，由于焊缝部位受热及压力的作用，还有微量校形及消除焊接应力的作用，施工后的零件焊缝质量、结构尺寸和技术条件满足设计要求。如果补焊部位有压痕深度超出工艺标准，还可以采用氩弧焊接表面熔覆工艺处理，采用本发明所述方法缺陷修复合格率100%。

附图说明：

图1为热碾压原理示意图；

图2为试片X射线探伤后的底片；

图3为热碾压机构简图；

图4为焊缝经热碾压后的X光底片；

图5为TC4母材的显微组织（×25）；

图6为经热碾压处理后并含有气孔处的组织（×50）；

图7为拉伸试样的断口形貌（×50）；

图8为扩散器外壁局部图；

图9为加力筒体局部图。

具体实施方式：

实施例1

一种热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，其利用电阻焊接原理以及零件本身材料的可电阻焊特性进行热碾压操作；具体是使用滚焊的方法，对焊缝金属施加压力并通电加热来消除气孔的工艺方法。

本实施例所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，还包含有如下所述的内容说明：

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法中，在热碾压修复操作之前，使用焊接试片进行热碾压试验以便选取压力、电流、通电时间的合适参数；所述焊接试片具体为与准备进行修复的零件材料相同、厚度相同的试片。

在热碾压啊修复操作之前使用氩弧焊试片进行热碾压试验参数：变速级：8级；脉冲：7-9周；电流：6.0-6.4KA；休止：8-10周；压力：0.23-0.25Mpa；焊接速度：0.3m/min；所述氩弧焊试片要求是：TC4，δ2.0。

碾压过程中采用水冷却；要求达到下述技术要求：压痕深度不大于0.15mm。

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，针对典型的专用电阻焊夹具盘状电极有如下的热碾压操作方法：

将待处理的试件置于滚焊机的滚盘间，焊缝对准滚盘的边缘，施加压力，并通过两个电极对在两个电极之间的被加工零件通电流；随着滚盘的转动，零件也随之移动；在此过程中根据楞次-焦耳定律，焊缝内部会产生热量使焊缝处金属重熔，在压力的作用下，气孔被挤到空气中去，从而达到消除焊缝中气孔的目的。热碾压机构简图见图3。

经过上述的热碾压法的具体修复操作之后，我们按熔焊焊接验标准对修复的焊缝进行质量检验，满足设计要求；修复后合格率达到100%。

实施例2

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，针对专用电阻焊夹具：柱状电极，使用如下的热碾压具体操作方法：

将被加工零件上要修复的焊缝缺陷部位放置在两个柱状电极之间，按试验相同参数，施以压力并通电使焊缝内部气孔处重熔为一体。

Claims

1.一种热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，其特征在于：

利用电阻焊接原理以及零件本身材料的可电阻焊特性进行热碾压操作；具体是使用滚焊的方法，对焊缝金属施加压力并通电加热来消除气孔的工艺方法；

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法具体是使用盘状电极将待处理的试件置于滚焊机的滚盘间，焊缝对准滚盘的边缘，施加压力，并通过两个电极对在两个电极之间的被加工零件通电流；随着滚盘的转动，零件也随之移动；在此过程中焊缝内部会产生热量使焊缝处金属重熔，在压力的作用下，气孔被挤到空气中去，从而达到消除焊缝中气孔的目的；

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法中，要求对被加工零件表面有深度的压痕处进行小电流熔覆修复操作；

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法中还包含有下述内容：在热碾压修复操作之前，使用焊接试片进行热碾压试验以便选取压力、电流、通电时间的合适参数；所述焊接试片具体为与准备进行修复的零件材料相同、厚度相同的试片；

所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法中，在热碾压修复操作之前使用氩弧焊试片进行热碾压试验参数：变速级：8级；脉冲：7-9周；电流：6.0-6.4KA；休止：8-10周；压力：0.23-0.25Mpa；焊接速度：0.3m/min；

所述氩弧焊试片要求是：TC4，δ2.0。

2.按照权利要求1所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，其特征在于：所述热碾压过程中采用水冷却；要求达到下述技术要求：压痕深度不大于0.15mm。

3.按照权利要求1所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，其特征在于：所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法的具体内容是：

达到要求TC4，δ2的进气机匣前段筒体环形氩弧焊焊缝修复，热碾压工艺参数：压力：0.25-0.29Mpa；变压器级数，5；变压比：23；焊接速度：0.2-0.4m/min；焊接电流：6.0-6.2KA；通电时间：0.14-0.18s；冷却时间：0.07-0.09s；休止：0.06-0.08s。

4.按照权利要求3所述热碾压修复钛合金薄板熔焊焊缝气孔缺陷的方法，其特征在于：所述热碾压过程中采用水冷却；要求达到下述技术要求：压痕深度不大于0.15mm。