CN104625371A - β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法，其步骤为：先将带开口的β相钛合金大截面环坯固定在夹具上，接通电源，使电流从左端经过背部达到右端形成环流，进行预热；再驱动右端向左端靠近，进行弱闪光；再提高进给速度，调整电流，进行强闪光，形成温度场；再根据温度场，计算出高温糊状区和高温组织粗化区的长度，从而确定顶锻距离，进行顶锻；再保压一段时间。该方法能够形成稳定、合理的温度场，并能够保证顶锻过程中高温糊状区的金属能够全部被顶出基体，高温组织粗化区的金属能够发生充分的塑性变形，通过回复再结晶细化晶粒，获得质量优良的闪光焊环件。该方法用于截面积较大环件闪光焊成形。

Description

β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，特别是涉及了β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法。

背景技术

闪光焊是一种固态焊接，通过闪光在工件的两个焊接端面形成一定的温度场，再通过顶锻力的作用将工件焊接起来。因此，温度场与顶锻参数的合理配合是实现优质焊接的关键，合适的温度场能够为金属原子提供合适的扩散激活能，加速顶锻变形过程中两端原子的相互扩散，同时满足顶锻过程金属塑性变形的需求，而温度场的建立主要由闪光阶段所决定。通过闪光过程形成的温度场，主要分为两个部分：高温糊状区和高温组织粗化区。在顶锻过程中，高温糊状区的金属被顶出基体；高温组织粗化区的金属在顶锻力的作用下发生塑性变形，形成晶粒均匀细小的组织。

对于β相钛合金材料，由于其热传导性差，如果没有足够的时间使闪光过程端面上产生的热量向内部传递，实际上是很难建立合适的温度场。尤其是对于β相钛合金大截面环件的闪光焊成形，正常来说，工件的焊接端面的截面积越大，闪光对焊机所需要提供的功率也越大。但是在闪光时，工件的焊接端面部位温度最高，是最先被消耗的部位，这部分金属会伴随着闪光被喷射出去，带走大量的热量。所以当功率越大时，闪光越剧烈，这时闪光烧损速度高、传热速度小，工件上形成的温度梯度大，顶锻时，可塑性变形区域较小，从而导致出现虚焊现象(即“焊不实”)，而且工件截面面积越大，这一现象越明显。因此，对于β相钛合金大截面环件一般需要采用减小闪光强度、延长闪光时间来建立合适的温度场。但是闪光强度太小、闪光时间太长会导致建立的温度场过于平缓、热影响区较宽，即高温糊状区以及高温组织粗化区较宽。在顶锻时，由于其顶锻行程是固定的，这些高温糊状区的金属在有限的顶锻行程内不能被全部顶出基体，这些未被顶出的高温糊状金属在焊接完成后的冷却过程中的热应力以及在后续校形过程中的胀形力作用下，容易形成裂纹。高温组织粗化区的金属也会因为得不到足够的变形，不能充分的再结晶，而导致晶粒度不合格，使工件报废。

2012年6月20日公开的中国发明专利说明书CN 102500899 A公开了一种使用预热闪光对焊生产轴梁的方法，该方法包括工件装夹、预闪光、预热、闪光、顶锻、加热保压以及拆卸工件等步骤，具体是将工件装夹好后，接通电源进行预闪光，闪光余量达到预设值后，再以设定的预热脉冲对工件进行预热，然后再分阶段对其进行闪光，每个阶段的闪光速度和闪光余量都是固定的，之后，立即顶锻，并对工件施加设定的压力进行保压并通电加热，一段时间后，取出工件。该方法虽然能够实现轴梁的闪光焊成形，但是也仅限于Q345等普通材料的闪光焊，对于β相钛合金这类传热速度较慢的材料，不容易形成合适的温度场，所以这种方法并不适用。

2000年4月在中国杂志《电焊机》的第30卷第4期发布了一篇由黄华刚等人撰写的名为“大截面工件预热闪光焊工艺研究”的论文，该论文记载了一种大截面工件预热闪光焊的工艺，工件经过闪平和预热工序后，在工件端面沿轴向建立温度场，在闪光过程中通过继续输入热量，调整温度场。这种方法虽然能够形成温度场，但是并没有公开具体的工艺参数，而且该方法采用的是通过断续地预热来建立温度场，闪光过程来调整温度场，因此该过程是不连续的，形成的温度场不稳定，会对焊接质量造成一定的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在连续的闪光过程中建立一个稳定、合理的温度场，保证顶锻过程中高温糊状区的金属能够全部被顶出基体，高温组织粗化区的金属能够发生充分的塑性变形，通过回复再结晶细化晶粒，从而实现β相钛合金大截面环件的闪光焊成形，该方法能够提高焊接质量。

为解决上述技术问题，本发明所述β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法，其技术方案包括以下步骤：

将带开口的β相钛合金大截面环坯的左端固定在左夹具上，右端固定在右夹具上；设定闪光焊机的工作功率为P＝380KVA～950KVA，电流I₀＝45KA～55KA，接通电源，这时两端开口处存在较大的距离，电流会从环坯的左端经过环坯的背部达到环坯的右端形成环流，环坯具有电阻，电流经过环坯时，对环坯进行加热，一段时间之后，环坯的左端和右端均被加热到T₀＝250～300℃，有利于后续闪光过程中形成温度场；

调整电流为I＝20KA～30KA，使闪光过程能够保持在低强度持续进行，此时，环坯的闪光烧损速度v₀＝0.58mm/s～0.92mm/s；驱动右夹具使环坯的右端以和环坯的闪光烧损速度v₀相等的进给速度v向左端靠近，当左、右两端的距离≤10.00mm时，电流从左端经过开口处达到右端，此时，在开口处会产生大量的热量，熔化左、右两端面金属，形成液体过梁并发生爆破后高速向外喷射形成闪光，由于环坯的闪光烧损速度较低，要小于热量传递速度，闪光产生的热量能够充分沿环坯轴向传递到远端，而右端向左端的进给速度与环坯的闪光烧损速度相等，所以两端始终保持在≤10.00mm的距离不变，闪光过程持续t＝4s～6s；

瞬时将进给速度提升到5.80mm/s～9.20mm/s，同时将电流调整为I₁＝60KA～75KA，此时，环坯的闪光烧损速度为1.63mm/s～2.02mm/s，使开口处发生剧烈的闪光，产生大量的金属蒸汽，为后续顶锻时形成保护层，该过程反应剧烈，反应时间较短，左、右两端高温部分被烧损了一段长度为d₀＝2.12mm～4.40mm的金属材料，而闪光产生的热量却来不及向远端传递，并最终形成顶锻所需的温度场，左、右两端温度高于T₁＝1220℃部分的β相钛合金呈高温糊状，左、右两端温度在T₂＝880℃～T₁＝1220℃之间时，β相钛合金呈高温组织粗化状，闪光过程完成；

根据闪光过程形成的温度场可以计算出高温糊状区的长度为d₁＝6.00mm～8.00mm，高温组织粗化区的长度为d₂＝10.00mm～12.00mm，因此可以设定顶锻时的顶锻距离为D＝8.00mm～14.00mm；在闪光过程完成的瞬间，以25KN～50KN的顶锻力对环坯的左、右两端进行顶锻，使环坯的左、右两端的高温糊状区的金属完全顶锻出去，并使高温组织粗化区的金属能够发生20％～50％的变形；

所述大截面环件在顶锻力的作用下保压15s～25s后从焊机上拆卸出来。

所述闪光过程形成的温度场的数学表达式为：

$T\left(x\right)=\frac{(1-\mathrm{\η})(P-I^2{\mathrm{\ρ}}_T\frac{L}{S})}{4\mathrm{CS\ρ\π\λ}}\exp [-\frac{{(x-\mathrm{vt}-d_0/2)}^2}{4\mathrm{\λt}}]+T_0$

其中，T(x)为距离端面x处的温度；η为因闪光而损失的热量比率；P为闪光时的工作功率；I为闪光时的工作电流；ρ_T为电导率；L为环件的周长；S为环件的横截面积；d₀为强闪光时烧损长度；v为弱闪光时的闪光烧损速度；t为弱闪光的时间；λ为热导率；T₀为预热温度；C为热容；ρ为材料密度。

所述顶锻距离的计算公式如下：

D＝d₁+(0.2～0.5)d₂

式中：

d₁为高温糊状区的长度；

d₂高温组织粗化区的长度。

所述β相钛合金优选为TB2合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法，通过在闪光前，使电流从环坯的左端经过环坯的背部达到环坯的右端形成环流，对环坯的左、右两端进行预热，该预热过程稳定，能够保证后续闪光过程形成稳定、合理的温度场。

经过先弱闪光，再强闪光的闪光方式，在弱闪光时，热量传递速度要大于β相钛合金的闪光烧损速度，热量能够沿环坯的轴向传递到远端，保证形成温度场。该温度场中，当温度大于T₁＝1220℃时，β相钛合金呈高温糊状，将该温度数值代入温度场的数学表达式，可以计算出x₁的数值，并得出高温糊状区的长度为d₁＝6.00mm～8.00mm；当温度在T₂＝880℃～T₁＝1220℃之间时，β相钛合金呈高温组织粗化状，该温度数值代入温度场的数学表达式，可以计算出x₂的数值，并得出高温组织粗化区的长度为d₂＝10.00mm～12.00mm；再根据公式D＝d₁+(0.2～0.5)d₂，最终可以确定顶锻的距离为D＝8.00mm～14.00mm；该顶锻距离能够保证环坯的左、右两端的高温糊状区的金属完全顶锻出去，并使高温组织粗化区的金属能够发生20％～50％的变形，使高温组织粗化区能够充分的回复再结晶，获得组织优良的焊接接口，保证β相钛合金大截面环件的闪光焊质量。

以牌号为TB2的β相钛合金大截面环件为例，经热处理后检测该合金大截面环件焊接部位的室温拉伸性能，其抗拉强度为1056MPa(大于设计使用要求的1023.3MPa)，断后伸长率为10％(大于设计使用要求的9％)。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是环坯预热示意图。

图2是环坯的闪光阶段示意图。

图3是闪光过程结束时的温度场示意图。

具体实施方式

实施本发明所述的β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法需要提供闪光对焊机、机械手等设备。下面以我国材料牌号为TB2的β相钛合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：

该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为：含Mo量4.7％～5.7％、含V量4.7％～5.7％、含Cr量7.5％～8.5％、含Al量2.5％～3.5％、含Fe量≤0.30％、含C量≤0.05、含N量≤0.04％、含H量0.015％、含O量0.15％、余量为Ti、其他元素总和≤0.40。

该合金大截面环件的闪光焊成形工艺步骤如下：

步骤1：预热。将带开口的β相钛合金大截面环坯100的左端121固定在左夹具111上，右端122固定在右夹具112上；设定闪光焊机的工作功率为P＝380KVA～950KVA，电流I₀＝45KA～55KA，接通电源，这时两端开口处存在的距离较大，电流会从环坯100的左端121经过环坯100的背部101达到环坯100的右端122形成环流，如图1所示，由于环坯100中存在电阻，会使环坯100发热，一段时间之后，环坯100的左端121和右端122均被加热到T₀＝250～300℃，有利于后续闪光过程中形成温度场。

步骤2：弱闪光。调整电流为I＝20KA～30KA，使闪光过程能够保持在低强度持续进行，此时，环坯100的闪光烧损速度v₀＝0.58mm/s～0.92mm/s；驱动右夹具112使环坯100的右端122以和环坯100的闪光烧损速度v₀相等的进给速度v向左端121靠近，当左、右两端的距离≤10.00mm时，如图2所示，电流从左端121经过开口120处达到右端122，此时，在开口处会产生大量的热量，熔化左、右两端面金属，形成液体过梁并发生爆破后高速向外喷射形成闪光，由于环坯100的闪光烧损速度较低，要小于热量传递速度，闪光产生的热量能够充分沿环坯100轴向传递到远端，而右端122向左端121的进给速度与环坯100的闪光烧损速度相等，所以两端始终保持在≤10.00mm的距离不变，闪光过程持续t＝4s～6s。

步骤3：强闪光。瞬时将进给速度提升到5.80mm/s～9.20mm/s，同时将电流调整为I₁＝60KA～75KA，此时，环坯100的闪光烧损速度为1.63mm/s～2.02mm/s，使开口120处发生剧烈的闪光，产生大量的金属蒸汽，为后续顶锻时形成保护层，该过程反应剧烈，反应时间较短，左、右两端高温部分被烧损了一段长度为d₀＝2.12mm～4.40mm的金属材料，而闪光产生的热量却来不及向远端传递，并最终形成顶锻所需的温度场，如图3所示，当温度高于T₁＝1220℃时，TB2合金呈高温糊状，当温度在T₂＝880℃～T₁＝1220℃之间时，TB2合金呈高温组织粗化状，即0～x₁之间为高温糊状区，x₁～x₂为高温组织粗化区，闪光过程完成。

步骤4：顶锻。根据闪光过程形成的温度场的数学表达式为：

$T\left(x\right)=\frac{(1-\mathrm{\η})(P-I^2{\mathrm{\ρ}}_T\frac{L}{S})}{4\mathrm{CS\ρ\π\λ}}\exp [-\frac{{(x-\mathrm{vt}-d_0/2)}^2}{4\mathrm{\λt}}]+T_0$

其中，T(x)为距离端面x处的温度；η为因闪光而损失的热量比率；P为闪光时的工作功率；I为闪光时的工作电流；ρ_T为电导率；L为环件的周长；S为环件的横截面积；d₀为强闪光时烧损长度；v为弱闪光时的闪光烧损速度；t为弱闪光的时间；λ为热导率；T₀为预热温度；C为热容；ρ为材料密度。

当温度大于T₁＝1220℃时，TB2合金呈高温糊状，将该温度代入温度场的数学表达式，可以计算出x₁的数值，并得出高温糊状区的长度为d₁＝6.00mm～8.00mm，当温度在T₂＝880℃～T₁＝1220℃之间时，TB2合金呈高温组织粗化状，将该温度代入温度场的数学表达式，可以计算出x₂的数值，并得出高温组织粗化区的长度为d₂＝10.00mm～12.00mm；再根据公式D＝d₁+(0.2～0.5)d₂，可以将顶锻时的顶锻距离设定为D＝8.00mm～14.00mm；在闪光过程完成的瞬间，以25KN～50KN的顶锻力对环坯100的左、右两端进行顶锻，使左、右两端的高温糊状区的金属完全顶锻出去，并使高温组织粗化区的金属能够发生20％～50％的变形。

步骤5：保压。将焊接成形的大截面环件在顶锻力的作用下保持15s～25s，待焊缝充分结合后便可从闪光对焊机上拆卸出来。

采用上述方法焊接成形的TB2合金大截面环件，其轴向截面面积范围为4500mm²以上。

Claims (4)

1.一种β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

将带开口的β相钛合金大截面环坯的左端固定在左夹具上，右端固定在右夹具上；设定闪光焊机的工作功率为P＝380KVA～950KVA，电流I₀＝45KA～55KA，接通电源，电流会从环坯的左端经过环坯的背部达到环坯的右端形成环流，对环坯进行加热，一段时间之后，环坯的左端和右端均被加热到T₀＝250～300℃；

调整电流为I＝20KA～30KA，使闪光过程能够保持在低强度持续进行，此时，环坯的闪光烧损速度v₀＝0.58mm/s～0.92mm/s；驱动右夹具使环坯的右端以和环坯的闪光烧损速度v₀相等的进给速度v向左端靠近，当左、右两端的距离≤10.00mm时，电流从左端经过开口处达到右端，并且在开口处会产生大量的热量，熔化左、右两端面金属，形成液体过梁并发生爆破后高速向外喷射形成闪光，此时，环坯的闪光烧损速度较低，要小于热量传递速度，闪光产生的热量能够充分沿环坯轴向传递到远端，而右端向左端的进给速度与环坯的闪光烧损速度相等，使两端始终保持在≤10.00mm的距离不变，闪光过程持续t＝4s～6s；

瞬时将进给速度提升到5.80mm/s～9.20mm/s，同时将电流调整为I₁＝60KA～75KA，此时，环坯的闪光烧损速度为1.63mm/s～2.02mm/s，使开口处发生剧烈的闪光，产生大量的金属蒸汽，为后续顶锻时形成保护层，该过程反应剧烈，反应时间较短，左、右两端高温部分被烧损了一段长度为d₀＝2.12mm～4.40mm的金属材料，而闪光产生的热量却来不及向远端传递，并最终形成顶锻所需的温度场，左、右两端温度高于1220℃部分的β相钛合金呈高温糊状，左、右两端温度在880℃～1220℃之间时，β相钛合金呈高温组织粗化状，闪光过程完成；

根据闪光过程形成的温度场可以计算出高温糊状区的长度为d₁＝6.00mm～8.00mm，高温组织粗化区的长度为d₂＝10.00mm～12.00mm，因此可以设定顶锻时的顶锻距离为D＝8.00mm～14.00mm；在闪光过程完成的瞬间，以25KN～50KN的顶锻力对环坯的左、右两端进行顶锻，使环坯的左、右两端的高温糊状区的金属完全顶锻出去，并使高温组织粗化区的金属能够发生20％～50％的变形；

所述大截面环件在顶锻力的作用下保压15s～25s后从焊机上拆卸出来。

2.根据权利要求1所述的β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在于，所述β相钛合金为TB2合金。

3.根据权利要求1或2所述的β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在于，所述闪光过程形成的温度场的数学表达式为：

$T\left(x\right)=\frac{(1-\mathrm{\η})(P-I^2{\mathrm{\ρ}}_T\frac{L}{S})}{4\mathrm{CS\ρ\π\λ}}\exp [-\frac{{(x-\mathrm{vt}-d_0/2)}^2}{4\mathrm{\λt}}]+T_0$

其中，T(x)为距离端面x处的温度；η为因闪光而损失的热量比率；P为闪光时的工作功率；I为闪光时的工作电流；ρ_T为电导率；L为环件的周长；S为环件的横截面积；d₀为强闪光时烧损长度；v为弱闪光时的闪光烧损速度；t为弱闪光的时间；λ为热导率；T₀为预热温度；C为热容；ρ为材料密度。

4.根据权利要求1或2所述的β相钛合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在于，所述顶锻距离的计算公式如下：

D＝d₁+(0.2～0.5)d₂

式中：

d₁为高温糊状区的长度；

d₂为高温组织粗化区的长度。