CN107020447A - 大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺 - Google Patents

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Abstract

大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，先进行薄壁环件单体轧制成形；然后进行壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形，完成第一层第一环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形过程；然后进行薄壁环件单体轴向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第二层的第三薄壁环件单体与第一薄壁环件单体进行轴向叠加焊接；再进行薄壁环件单体径轴向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第二层的第四薄壁环件单体与第二和第三薄壁环件单体进行径轴向焊接；最后进行厚壁筒形件径向、轴向和径轴向复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形，本发明显著提高材料的利用率，降低能源消耗，提高产品的整体性能。

Description

大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺
技术领域
本发明属于大型厚壁筒形件成形技术领域，具体涉及大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺。
背景技术
随着我国石化、核电等大型装备的快速发展，大型化已成为相关领域的关键性发展趋势。大型筒形件是大型锻件中主要种类之一，广泛应用于火电、核电、石化等工业领域，随着这些行业的飞速发展和技术进步，对大型筒形件的需求越来越广泛。而大型筒形件作为这些容器类装备的重要零部件，其综合性能要求也越来越高，加之其尺寸的超大型化，对生产制造提出了更大的挑战。长期以来，我国大型筒形件生产均采用自由锻造工艺，不仅生产效率低，而且形状、壁厚偏差大，耗能耗材严重。由于成形过程需要巨大的成形力来完成，大型锻压设备制造困难、制造成本高，受压力机成形能力和产品成形质量的限制，很难用锻压技术实现其成形。随着铸锭增大凝固速度慢、材料偏析严重、晶粒粗大和裂纹铸造缺陷在后期锻压过程中不能全部消除，导致部分延伸率及强度不能满足设计要求。在实际生产中，极易出现夹皮、型腔充不满、粗晶等现象。而且大型筒形件成功锻造往往是以较多材料损耗，较高能源消耗为代价的。另外，现有的搅拌摩擦焊接容易在焊缝处形成飞边、凹坑和匙孔等缺陷。因此，传统大型厚壁筒形件的加工方法已无法满足市场提出的高效、节能节材、性能优越的制造要求。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，通过该工艺制备出焊缝处金属组织完全形成焊核的高性能大型厚壁筒形件，能够显著提高材料的利用率，降低能源消耗，提高产品的整体性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，包括以下步骤：
1)薄壁环件单体轧制成形：采用径-轴向热轧技术进行薄壁环件制坯，将准备好的金属锭通过下料、制坯、环轧、热处理和机加工工艺制备出搅拌摩擦焊接增材成形所需要的薄壁环件单体；
2)薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：首先，将第一薄壁环件单体1a和第二薄壁环件单体1b以同轴径向层叠对接的形式装夹在焊接工作台上作为待焊工件；然后，通过电磁感应加热器7对焊接线材6进行预热，通过送料器5将预热后的焊接线材6送到待焊工件的焊缝1a-1b处；接着，高速旋转的第一立式搅拌头1扎入待焊工件的接缝，第一立式搅拌头1以逆时针方向自转，同时第一立式搅拌头1沿焊缝1a-1b绕环件圆周逆时针运动，送料器5以与搅拌头自转时相同的切向线速度往焊缝1a-1b处持续输送焊接线材6，焊接线材6同时被第一立式搅拌头1搅入焊缝1a-1b中，第一立式搅拌头1的自转速率大小需要使待焊工件接缝周围的金属和焊接线材6被加热到塑性状态，且控制温度低于金属的熔点，塑化的金属在第一立式搅拌头1的搅拌及挤压作用下，不断填充搅拌针移动后所形成的空腔，并逐渐冷却凝固形成焊缝1a-1b；另外，第一立式搅拌头1搅拌焊接的同时，电磁式激振器8打开，对焊缝1a-1b处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝1a-1b处金属组织形态近似完全形成焊核；第一立式搅拌头1沿焊缝1a-1b向前运动搅拌焊接一周后，第一立式搅拌头1的搅拌速度不变，同时第一立式搅拌头1从待焊工件中缓慢抽出，送料器5继续向匙孔中输送焊接线材6，此时，送料器5继续输送焊接线材6的速率及时间需要和第一卧式搅拌头1的抽出速率及时间相匹配，直到继续输送的焊接线材6发生塑化后填满匙孔为止，完成了第一层第一环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形过程；
3)按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第二层的第三薄壁环件单体2a与第一薄壁环件单体1a进行轴向叠加焊接，由第一卧式搅拌头3、送料器5、焊接线材6、电磁感应加热器7和电磁式激振器8完成；
4)按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第四薄壁环件单体2b与步骤3)中获得的薄壁环件单体焊接件同时进行径向和轴向叠加焊接，其中，第四薄壁环件单体2b的内环面与第三薄壁环件单体2a的外环面通过第二立式搅拌头2进行径向叠加焊接，第四薄壁环件单体2b的下端面与第二薄壁环件单体1b的上端面通过第二卧式搅拌头4进行轴向叠加焊接，由第二立式搅拌头2、第二卧式搅拌头4、送料器5、焊接线材6、电磁感应加热器7和电磁式激振器8完成；
5)厚壁筒形件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：重复步骤2)完成第一层薄壁环件单体径向层叠式增材搅拌摩擦焊，实现第一层的径向尺寸不断扩展；重复步骤3)完成第三、第四、······、第n层的第一环环件单体轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，实现大型厚壁筒形件的轴向尺寸不断扩展；重复步骤4)，完成需要进行双面焊接除第一层和每一层第一环环件之外的其余薄壁环件单体的径轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，从而不断进行径向、轴向和径轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，直到最终加工形成的工件满足产品要求，则完成了大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形。
所述的第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的结构相同，包括第一轴肩A1和第一搅拌针B1，第一轴肩A1是平面型的；第一卧式搅拌头3包括第二轴肩A2和第二搅拌针B2，第二轴肩A2是凹面型的；第二卧式搅拌头4包括第三轴肩A3和第三搅拌针B3，第三轴肩A3是凸面型的。
所述的焊接线材6与待焊工件的材料属性相同。
所述的电磁感应加热器7用于焊接线材6的预热，保证焊接线材6在焊接过程中与待焊工件焊缝处的金属同时达到塑化状态。
本发明具有以下优点：
1.与传统通过自由锻造工艺制备大型厚壁筒形件相比，本发明利用复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺制备的大型厚壁筒形件，由于待焊工件焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b周围金属和焊接线材6在搅拌头的搅拌、挤压作用下，不断发生塑性变形填充到搅拌针移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b，形成的焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b不会出现飞边和凹坑，焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b外观均匀光滑，无缺陷，焊接接头的力学性能优于熔焊。而且搅拌摩擦焊接增材成形过程操作简单，焊前只需用有机溶剂清除接合面油脂，无需开坡口去除氧化膜，焊后无需去除余高，提高了材料利用率和生产效率，降低了能源消耗。
2.搅拌摩擦焊接增材成形过程中，搅拌头沿焊缝向前运动搅拌焊接一周后，搅拌头从待焊工件的焊缝中缓慢抽出的过程中，送料器5继续向匙孔中输送焊接线材6，直到继续输送的焊接线材6发生塑化后填满匙孔为止，因此，所形成的焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b尾端不会形成匙孔缺陷。
3.采用电磁式激振器8分别从待焊工件接合面上下/内外两侧对焊接过程中塑化的金属进行微锻处理，尽可能减小以致避免焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b处热机影响区和热影响区的形成，保证所形成焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b处的金属组织形态近似完全形成焊核，避免出现晶粒粗大和裂纹等缺陷，所获得的焊接接头的力学性能优于现有的搅拌摩擦焊的焊接接头。
附图说明
图1是本发明成形工艺的流程图。
图2是本发明径向层叠成形工艺工作原理示意图。
图3是本发明轴向层叠成形工艺工作原理示意图。
图4是本发明径轴向层叠成形工艺工作原理示意图。
图5是图2中A处的局部放大图。
图6是图3中B处的局部放大图。
图7是图4中C处的局部放大图。
图8是本发明立式搅拌头1和2的结构图，图(a)是主视图，图(b)是左视图。
图9是本发明第一卧式搅拌头3的结构图，图(a)是主视图，图(b)是左视图。
图10是本发明第二卧式搅拌头4的结构图，图(a)是主视图，图(b)是左视图。
图11是本发明加工成形的厚壁筒形件的二分之一剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1～图7，大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)薄壁环件单体轧制成形：采用径-轴向热轧技术进行薄壁环件制坯，将准备好的金属锭通过下料、制坯、环轧、热处理和机加工工艺制备出搅拌摩擦焊接增材成形所需要的薄壁环件单体；
2)薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：首先，将第一薄壁环件单体1a和第二薄壁环件单体1b以同轴径向层叠对接的形式固定在焊接工作台上作为待焊工件；然后，通过电磁感应加热器7对焊接线材6进行预热，通过送料器5将预热后的焊接线材6送到待焊工件的焊缝1a-1b处；接着，高速旋转的第一立式搅拌头1扎入待焊工件的接缝，第一立式搅拌头1以逆时针方向自转，同时第一立式搅拌头1沿焊缝1a-1b绕环件圆周逆时针运动，送料器5以与搅拌头自转时相同的切向线速度往焊缝1a-1b处持续输送焊接线材6，焊接线材6同时被第一立式搅拌头1搅入焊缝1a-1b中，第一立式搅拌头1的自转速率大小需要使待焊工件接缝周围的金属和焊接线材6被加热到塑性状态，且控制温度低于金属的熔点，塑化的金属在第一立式搅拌头1的搅拌及挤压作用下，不断填充搅拌针移动后所形成的空腔，并逐渐冷却凝固形成焊缝1a-1b；另外，第一立式搅拌头1搅拌焊接的同时，电磁式激振器8打开，对焊缝1a-1b处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝1a-1b处金属组织形态近似完全形成焊核；第一立式搅拌头1沿焊缝1a-1b向前运动搅拌焊接一周后，第一立式搅拌头1的搅拌速度不变，同时第一立式搅拌头1从待焊工件中缓慢抽出，送料器5继续向匙孔中输送焊接线材6，此时，送料器5继续输送焊接线材6的速率及时间需要和第一卧式搅拌头1的抽出速率及时间相匹配，直到继续输送的焊接线材6发生塑化后填满匙孔为止，防止焊缝处残留退刀孔洞，保证退刀处焊接接头组织连续和材料性能稳定，完成了第一层第一环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形过程；
3)按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第二层的第三薄壁环件单体2a与第一薄壁环件单体1a进行轴向叠加焊接，由第三卧式搅拌头3、送料器5、焊接线材6、电磁感应加热器7和电磁式激振器8完成；
4)按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第四薄壁环件单体2b与步骤3)中获得的薄壁环件单体焊接件同时进行径向和轴向叠加焊接，其中，第四薄壁环件单体2b的内环面与第三薄壁环件单体2a的外环面通过第二立式搅拌头2进行径向叠加焊接，第四薄壁环件单体2b的下端面与第二薄壁环件单体1b的上端面通过第二卧式搅拌头4进行轴向叠加焊接，由第二立式搅拌头2、第二卧式搅拌头4、送料器5、焊接线材6、电磁感应加热器7和电磁式激振器8完成；
5)厚壁筒形件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：重复步骤2)完成第一层薄壁环件单体径向层叠式增材搅拌摩擦焊，实现第一层的径向尺寸不断扩展；重复步骤3)完成第三、第四、······、第n层的第一环环件单体轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，实现大型厚壁筒形件的轴向尺寸不断扩展；重复步骤4)，完成需要进行双面焊接的薄壁环件单体(除第一层和每一层第一环环件之外的其余薄壁环件单体)的径轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，从而不断进行径向、轴向和径轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，直到最终加工形成的工件满足产品要求，则完成了大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形。
参照图8、图9和图10，所述的第一立式搅拌头1和第二立式搅拌头2的结构相同，包括第一轴肩A1和第一搅拌针B1，第一轴肩A1是平面型的；第一卧式搅拌头3包括第二轴肩A2和第二搅拌针B2，第二轴肩A2是凸面型的；第二卧式搅拌头4包括第三轴肩A3和第三搅拌针B3，第三轴肩A3是凹面型的。搅拌头轴肩的特定类型，可以实现搅拌摩擦焊接增材过程中轴肩始终与待焊工件的接合面相切，从而保证焊缝线材6在搅拌摩擦焊接作用下不断填充到焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b中，防止焊接过程中焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b处出现凹坑，提高焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b的焊接质量，从而实现搅拌摩擦焊接增材成形。
所述的焊接线材6与待焊工件的材料属性相同。
所述的电磁感应加热器7用于焊接线材6的预热，保证焊接线材6在焊接过程中与待焊工件焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b处的金属同时达到塑化状态。
所述的电磁式激振器8分别从待焊工件接合面上下/内外两侧对焊接过程中塑化的金属进行微锻处理，尽可能减小以致避免焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b处热机影响区和热影响区的形成，保证所形成焊缝1a-1b、1a-2a和1b-2a-2b的金属组织形态近似完全形成焊核，避免出现晶粒粗大和裂纹等缺陷，提高焊接接头的力学性能。
参照图11，采用复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺加工的大型厚壁筒形件的二分之一剖面图，以复合层叠三层三环为例，其中大型厚壁筒形件的内径为R1，外径为R2，三层薄壁环件单体分别为第一薄壁环件单体1a、第二薄壁环件单体1b、第三薄壁环件单体2a、第四薄壁环件单体2b、第五薄壁环件单体1c、第六薄壁环件单体2c、第七薄壁环件单体3a、第八薄壁环件单体3b、第九薄壁环件单体3c，搅拌摩擦焊接增材成形获得八条焊缝，分别为焊缝1a-1b、焊缝1a-2a、焊缝1b-2a-2b、焊缝1b-1c、焊缝2b-2c、焊缝2a-3a、焊缝2b-3a-3b、焊缝3b-3c。

Claims (4)

1.大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)薄壁环件单体轧制成形：采用径-轴向热轧技术进行薄壁环件制坯，将准备好的金属锭通过下料、制坯、环轧、热处理和机加工工艺制备出搅拌摩擦焊接增材成形所需要的薄壁环件单体；
2)薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：首先，将第一薄壁环件单体(1a)和第二薄壁环件单体(1b)以同轴径向层叠对接的形式装夹在焊接工作台上作为待焊工件；然后，通过电磁感应加热器(7)对焊接线材(6)进行预热，通过送料器(5)将预热后的焊接线材(6)送到待焊工件的焊缝1a-1b处；接着，高速旋转的第一立式搅拌头(1)扎入待焊工件的接缝，第一立式搅拌头(1)以逆时针方向自转，同时第一立式搅拌头(1)沿焊缝1a-1b绕环件圆周逆时针运动，送料器(5)以与搅拌头自转时相同的切向线速度往焊缝1a-1b处持续输送焊接线材(6)，焊接线材(6)同时被第一立式搅拌头(1)搅入焊缝1a-1b中，第一立式搅拌头(1)的自转速率大小需要使待焊工件接缝周围的金属和焊接线材(6)被加热到塑性状态，且控制温度低于金属的熔点，塑化的金属在第一立式搅拌头(1)的搅拌及挤压作用下，不断填充搅拌针移动后所形成的空腔，并逐渐冷却凝固形成焊缝1a-1b；另外，第一立式搅拌头(1)搅拌焊接的同时，电磁式激振器(8)打开，对焊缝1a-1b处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝1a-1b处金属组织形态近似完全形成焊核；第一立式搅拌头(1)沿焊缝1a-1b向前运动搅拌焊接一周后，第一立式搅拌头(1)的搅拌速度不变，同时第一立式搅拌头(1)从待焊工件中缓慢抽出，送料器(5)继续向匙孔中输送焊接线材(6)，此时，送料器(5)继续输送焊接线材(6)的速率及时间需要和第一卧式搅拌头(1)的抽出速率及时间相匹配，直到继续输送的焊接线材(6)发生塑化后填满匙孔为止，完成了第一层第一环薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形过程；
3)按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第二层的第三薄壁环件单体(2a)与第一薄壁环件单体(1a)进行轴向叠加焊接，由第一卧式搅拌头(3)、送料器(5)、焊接线材(6)、电磁感应加热器(7)和电磁式激振器(8)完成；
4)按照步骤2)的薄壁环件单体径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，将第四薄壁环件单体(2b)与步骤3)中获得的薄壁环件单体焊接件同时进行径向和轴向叠加焊接，其中，第四薄壁环件单体(2b)的内环面与第三薄壁环件单体(2a)的外环面通过第二立式搅拌头(2)进行径向叠加焊接，第四薄壁环件单体(2b)的下端面与第二薄壁环件单体(1b)的上端面通过第二卧式搅拌头(4)进行轴向叠加焊接，由第二立式搅拌头(2)、第二卧式搅拌头(4)、送料器(5)、焊接线材(6)、电磁感应加热器(7)和电磁式激振器(8)完成；
5)厚壁筒形件径向层叠式搅拌摩擦焊接增材成形：重复步骤2)完成第一层薄壁环件单体径向层叠式增材搅拌摩擦焊，实现第一层的径向尺寸不断扩展；重复步骤3)完成第三、第四、······、第n层的第一环环件单体轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，实现大型厚壁筒形件的轴向尺寸不断扩展；重复步骤4)，完成需要进行双面焊接除第一层和每一层第一环环件之外的其余薄壁环件单体的径轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，从而不断进行径向、轴向和径轴向层叠式增材搅拌摩擦焊，直到最终加工形成的工件满足产品要求，则完成了大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形。
2.根据权利要求1所述的大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，其特征在于：所述的第一立式搅拌头(1)和第二立式搅拌头(2)的结构相同，包括第一轴肩(A1)和第一搅拌针(B1)，第一轴肩(A1)是平面型的；第一卧式搅拌头(3)包括第二轴肩(A2)和第二搅拌针(B2)，第二轴肩(A2)是凹面型的；第二卧式搅拌头(4)包括第三轴肩(A3)和第三搅拌针(B3)，第三轴肩(A3)是凸面型的。
3.根据权利要求1所述的大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，其特征在于：所述的焊接线材(6)与待焊工件的材料属性相同。
4.根据权利要求1所述的大型厚壁筒形件复合层叠式搅拌摩擦焊接增材成形工艺，其特征在于：所述的电磁感应加热器(7)用于焊接线材(6)的预热，保证焊接线材(6)在焊接过程中与待焊工件焊缝处的金属同时达到塑化状态。
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