CN110977137A - Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法 - Google Patents

Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法 Download PDF

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Abstract

Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，包括以下步骤：步骤1，确定焊前预热温度、升温速率、焊后保温温度、保温时间、冷却速率；根据惯性摩擦焊设备主轴和尾座焊接时的最窄间隙，定制设计加热装置；选择合适的焊接参数：转速及惯量；步骤2，安装带焊环形件，并清洗；步骤3，启动加热装置；步骤4，对待焊环形件进行加热；步骤5，焊接待焊环形件；步骤6，焊接完成后，加热装置对焊接组件的焊缝部位加热、缓冷；步骤7，拆卸焊接件工装和加热装置，取出焊接组件。该方法采用了惯性摩擦焊焊接方法，在焊前对焊接件预热，焊后缓冷，有效控制焊接裂纹的产生，细化了焊缝的晶粒，显著增强了焊接接头的组织状态及力学性能。

Description

Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法
技术领域
本发明属于航空发动机转子部件惯性摩擦焊焊接的方法技术领域，具体涉及Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法。
背景技术
Ti2AlNb合金相比TiAl合金，有更好的室温塑性和断裂韧性；相比Ti3Al合金，高温强度大；相比镍基高温合金，具有更高的比强度，同时密度更低，因具有这些优点使其成为极具潜力的航空发动机压气机盘用材料。然而Ti2AlNb合金的焊接工艺窗口较窄，焊缝及各区域显微组织复杂，因此得到满足质量要求的Ti2AlNb合金焊接件一直是航空发动机焊接技术的难题。
国内外现有的Ti2AlNb基合金环形结构件的焊接技术有电子束焊接，激光焊接等，由于焊接接头存在较大的残余应力及焊接裂纹，限制了电子束焊接、激光焊接在Ti2AlNb基合金结构件上的应用。
惯性摩擦焊是一种新型固相焊接方法，目前国内外已广泛采用惯性摩擦焊技术焊接先进航空发动机的核心转子部件，如压气机盘-盘，涡轮盘-盘的焊接，逐步替代了原有的螺栓连接。关于Ti2AlNb基合金环形结构件惯性摩擦焊的研究目前未见报道，相比于电子束焊、激光焊等，惯性焊焊缝晶粒是细晶组织，不是铸态组织，所以接头整体性能具有明显优势，但是惯性摩擦焊在几秒内完成焊接，焊件在极短时间升温到热塑性状态，焊后迅速冷却至室温，因升温及冷却速率过快，接头内较大焊接应力也会导致焊接裂纹。惯性摩擦焊设备主轴和尾座之间的空间狭窄，难以采用常规加热装置进行焊前预热或焊后缓冷，仅仅依靠调整惯性摩擦焊的工艺参数又难以完全避免焊接裂纹。为了解决现有Ti2AlNb基合金结构件的焊接裂纹严重的现状，需探索一种高效、可靠的减少裂纹产生的焊接方法。
发明内容
本发明提供了Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，该方法同时提供一种焊前预热和焊后缓冷工艺，利用定制设计的加热装置对焊接部位进行焊前预热，焊后缓冷，有效控制焊接裂纹发生问题，提高焊接接头的组织和力学性能。
Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据Ti-22Al随Nb合金的垂直截面相图和时间-温度-转变TTT曲线确定焊前预热温度、升温速率、焊后保温温度、保温时间、冷却速率，其中焊前预热温度为400-750℃，升温速率5-20℃/min，焊后保温温度700-850℃范围，保温时间10-30min，冷却速率为3-10℃/min；根据惯性摩擦焊设备主轴和尾座焊接时两者之间的最窄间隙W1、加热装置的宽度W2比最窄间隙W1小10-30mm、加热装置的内径比待焊环形件外径大10-20mm，选择加热装置，加热装置的加热功率2kW，加热速率为0-40℃/min；选择合适的焊接参数：转速及惯量；
步骤2，根据焊接所需的惯量，安装惯性摩擦焊设备的飞轮组，安装工装夹具，调整工装，校准精度；安装待焊环形件，调整待焊接的位置，先用丙酮清洗待焊环形件的焊接位置，去除表面油脂；然后再用酒精清洗零件表面其它杂质；清洗后，立即用压缩空气将零件吹干；
步骤3，启动加热装置，加热装置加热到焊前预热温度为600-750℃时，保持保温状态；
步骤4，将加热装置套在一侧的待焊环形件的焊接部分上，调整加热装置与待焊环形件的相对位置，使加热装置与待焊环形件保持同轴，且加热装置内壁与待焊环形件外壁保持10mm距离；操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件之间的距离为80mm，使加热装置套在另一侧待焊环形件的焊接部分，手动操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件的焊接部分完全进入到加热装置内，当加热装置显示温度在600-750℃范围内时，保温3-30min后，撤去加热装置；
步骤5，通过惯性摩擦焊设备的控制面板输入转速和惯量两个焊接参数，启动惯性摩擦焊设备，完成焊接，形成焊接组件；
步骤6，焊接完成后，立即使用加热装置对焊接组件的焊缝部位加热，焊后保温温度为700-850℃，保温时间10-30min，缓冷，以3-10℃/min的冷却速率冷却至室温；
步骤7，拆卸焊接件工装和加热装置，取出焊接组件。
步骤1所述的加热装置包括控制箱、上体、下体、固定销，所述上体与下体内均布置有电阻丝，上体一端与下体一端通过固定销转动安装组成圆环状加热体，上体另一端与下体另一端通过锁体连接，在上体外圆面部分设置有热电偶，热电偶输出端通过电源线与控制箱连接。
所述控制箱包括箱体、温度显示屏、温度控制程序按钮、电源开关指示灯、电源开关、启动加热指示灯、启动加热开关、停止加热指示灯、停止加热开关；在箱体表面上端设置有温度显示屏，温度显示屏下方箱体上设置有温度控制程序按钮，在温度控制程序按钮下方箱体上从左至右依次设置有电源开关指示灯、启动加热指示灯及停止加热指示灯，在电源开关指示灯下方的箱体上设置有电源开关，在启动加热指示灯下方的箱体上设置有启动加热开关，在停止加热指示灯下方的箱体上设置有停止加热开关。
本发明的有益效果为：
该方法采用了惯性摩擦焊焊接方法，细化了焊缝的晶粒，显著增强了焊接接头的组织状态及力学性能，同时整个焊接过程仅为5-7s，提高了生产效率，具有非常广阔的应用推广价值；其次，采用定制的加热装置焊前预热和焊后缓冷，解决了狭窄空间的焊接件在线加热的难题，同时解决了Ti2AlNb基合金焊接裂纹倾向严重的问题，获得了无裂纹、状态优异的焊接接头，有效提高了Ti2AlNb基合金环形结构焊接零件的可靠性；本发明的方法具有工艺完备、质量可靠、操作简便、应用效果好、可推广应用的特点，此方法为企业带来了良好的经济效益，每台发动机压气机减重40％，对于其他在研究型号，类似材料可推广应用，减少研制周期和费用投入，预估计节省研制费用可达千万以上。
附图说明
图1为本发明Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法的加热装置在惯性摩擦焊设备焊前预热状态的示意图；
图2为本发明Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法的加热装置在惯性摩擦焊设备焊后缓冷状态的示意图；
图3为本发明Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法的加热装置结构示意图；
图4为本发明Ti2AlNb基合金焊接接头的室温拉伸样品的断裂状态示意图；
图5为本发明Ti2AlNb基合金焊接接头的650℃高温拉伸样品的断裂状态示意图；
1-待焊环形件；2-加热装置；201-箱体；202-温度显示屏；203-温度控制程序按钮；204-电源开关指示灯；205-电源开关；206-启动加热指示灯；207-启动加热开关；208-停止加热指示灯；209-停止加热开关；210-电源线；211-上体；212-热电偶；213-锁体；214-电阻丝；215-固定销；216-下体；3-尾座侧夹具；4-主轴侧夹具；5-飞轮组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据Ti-22Al随Nb合金的垂直截面相图和时间-温度-转变TTT曲线确实焊前预热温度、升温速度、焊后保温温度、保温时间、冷却速率，其中焊前预热温度为650℃、升温速率为20℃/min、焊后保温温度为750℃、保温时间为10min、冷却速率为5℃/min；Ti2AlNb基合金待焊环形件1，外径140mm，内径100mm，焊接位置壁厚20mm；根据惯性摩擦焊设备主轴和尾座焊接时两者之间的最窄间隙W1为100mm，待焊环形件1外径为140mm，选择宽度W2为80mm、内径为160mm的加热装置2，加热装置2的加热功率2kW，加热速率为40℃/min；选择焊接参数：转速为480RPM，惯量为140KG·m2；
步骤2，根据焊接所需的惯量140KG·m2，安装惯性摩擦焊设备的飞轮组5，安装工装夹具，调整工装，校准精度；其中一段待焊环形件1安装于尾座侧夹具3上，另一段待焊环形件1安装于主轴侧夹具4上，调整待焊接的位置；首先用丙酮清洗待焊环形件1的焊接位置，去除表面油脂；其次再用酒精清洗待焊环形件1表面其它杂质；清洗后，立即用压缩空气将待焊环形件1吹干；
步骤3，启动加热装置2，加热装置2加热到焊前预热温度为650℃时，保持保温状态；
步骤4，安装加热装置2套在一侧的待焊环形件1的焊接部分上，调整加热装置2与待焊环形件1的相对位置，使加热装置2与待焊环形件1保持同轴，且加热装置2内壁与待焊环形件1外壁保持10mm距离，即保持安全距离，又要保证加热效率；操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件1之间的距离为80mm，使加热装置2套在另一侧待焊环形件1的焊接部分，手动操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件1的焊接部分完全进入到加热装置2内，当加热装置2显示焊前预热温度为650℃时，开始保温，保温10min后，撤去加热装置2；
步骤5，通过惯性摩擦焊设备的控制面板输入转速为480RPM，惯量为140KG·m2，启动惯性摩擦焊设备，完成焊接，形成焊接组件；
步骤6，焊接完成后，立即使用加热装置2对焊接组件的焊缝部位加热，焊后保温温度为750℃，保温时间10min，缓冷，以5℃/min的冷却速率冷却至室温；
步骤7，拆卸焊接件工装和加热装置2，取出焊接组件，如图1和图2所示。
如图3所示，步骤1所述的加热装置2包括控制箱、上体211、下体216、固定销215，所述上体211与下体216内均布置有电阻丝214，上体211一端与下体216一端通过固定销215转动安装组成圆环状加热体，上体211另一端与下体216另一端通过锁体213连接，在上体211外圆面部分设置有热电偶212，热电偶212输出端通过电源线210与控制箱连接。
所述控制箱包括箱体201、温度显示屏202、温度控制程序按钮203、电源开关指示灯204、电源开关205、启动加热指示灯206、启动加热开关207、停止加热指示灯208、停止加热开关209；在箱体201表面上端设置有温度显示屏202，温度显示屏202下方箱体201上设置有温度控制程序按钮203，在温度控制程序按钮203下方箱体201上从左至右依次设置有电源开关指示灯204、启动加热指示灯206及停止加热指示灯208，在电源开关指示灯204下方的箱体201上设置有电源开关205，在启动加热指示灯206下方的箱体201上设置有启动加热开关207，在停止加热指示灯208下方的箱体201上设置有停止加热开关209。
待焊环形件1完成焊接后，对待飞边的焊接组件进行外观目测检查、对机加工去除飞边的焊缝区域进行外观目视检查、着色检测、荧光检测、X射线检查，同时对焊接接头进行金相检查和力学性能测试。外观目视检查结果表明：内外飞边无裂纹、飞边呈连续分布、无中断现象；着色检测结果表明：焊缝区域表面无裂纹缺陷；荧光着色检测结果表明：焊缝区域表面无微小裂纹缺陷；X射线检查结果表明：焊缝内部无未焊上、焊缝区域为裂纹缺陷；金相结果表明：焊接接头的宏观和微观上焊缝各区域无微小裂纹；室温拉伸断裂位置均断在远离焊缝的母材区域，如图4所示；表明焊缝区域无裂纹，屈服强度为945Mpa，占母材的105％，抗拉强度为1025Mpa，占母材的95％，接头性能优异；650℃高温拉伸断裂位置均断在远离焊缝的母材区域，如图5所示，表明焊缝区域无裂纹，屈服强度731Mpa，占母材的97％，抗拉强度为820Mpa，占母材的95％，接头性能优异。
实施例2
Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据Ti-22Al随Nb合金的垂直截面相图和时间-温度-转变TTT曲线确实焊前预热温度、升温速度、焊后保温温度、保温时间、冷却速率，其中焊前预热温度为700℃、升温速率为20℃/min,焊后保温温度为750℃、保温时间为10min、冷却速率为5℃/min；Ti2AlNb基合金待焊环形件1，外径140mm，内径100mm，焊接位置壁厚20mm；根据惯性摩擦焊设备主轴和尾座焊接时两者之间的最窄间隙W1为100mm，待焊环形件1外径为140mm，选择宽度W2为80mm、内径为160mm的加热装置2，加热装置2的加热功率2kW，加热速率为40℃/min；选择焊接参数：转速为580RPM，惯量为140KG·m2；
步骤2，根据焊接所需的惯量140KG·m2，安装惯性摩擦焊设备的飞轮组5，安装工装夹具，调整工装，校准精度；其中一段待焊环形件1安装于尾座侧夹具3上，另一段待焊环形件1安装于主轴侧夹具4上，调整待焊接的位置；首先用丙酮清洗待焊环形件1的焊接位置，去除表面油脂；其次再用酒精清洗待焊环形件1表面其它杂质；清洗后，立即用压缩空气将待焊环形件1吹干；
步骤3，启动加热装置2，加热装置2加热到焊前预热温度为700℃时，保持保温状态；
步骤4，安装加热装置2套在一侧的待焊环形件1的焊接部分上，调整加热装置2与待焊环形件1的相对位置，使加热装置2与待焊环形件1保持同轴，且加热装置2内壁与待焊环形件1外壁保持10mm距离，即保持安全距离，又要保证加热效率；操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件1之间的距离为80mm，使加热装置2套在另一侧待焊环形件1的焊接部分，手动操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件1的焊接部分完全进入到加热装置2内，当加热装置2显示焊前预热温度为700℃时，开始保温，保温10min后，撤去加热装置2；
步骤5，通过惯性摩擦焊设备的控制面板输入转速为580RPM，惯量为140KG·m2，启动惯性摩擦焊设备，完成焊接，形成焊接组件；
步骤6，焊接完成后，立即使用加热装置2对焊接组件焊缝部位加热，焊后保温温度为750℃，保温时间10min，缓冷，以5℃/min的冷却速率冷却至室温；
步骤7，拆卸焊接件工装和加热装置2，取出焊接组件。
步骤1所述的加热装置2包括控制箱、上体211、下体216、固定销215，所述上体211与下体216内均布置有电阻丝214，上体211一端与下体216一端通过固定销215转动安装组成圆环状加热体，上体211另一端与下体216另一端通过锁体213连接，在上体211外圆面部分设置有热电偶212，热电偶212输出端通过电源线210与控制箱连接。
所述控制箱包括箱体201、温度显示屏202、温度控制程序按钮203、电源开关指示灯204、电源开关205、启动加热指示灯206、启动加热开关207、停止加热指示灯208、停止加热开关209；在箱体201表面上端设置有温度显示屏202，温度显示屏202下方箱体201上设置有温度控制程序按钮203，在温度控制程序按钮203下方箱体201上从左至右依次设置有电源开关指示灯204、启动加热指示灯206及停止加热指示灯208，在电源开关指示灯204下方的箱体201上设置有电源开关205，在启动加热指示灯206下方的箱体201上设置有启动加热开关207，在停止加热指示灯208下方的箱体201上设置有停止加热开关209。
待焊环形件1完成焊接后，对待飞边的焊接组件进行外观目测检查、对机加工去除飞边的焊缝区域进行外观目视检查、着色检测、荧光检测、X射线检查，同时对焊接接头进行金相检查和力学性能测试。外观目视检查结果表明：内外飞边无裂纹、飞边呈连续分布、无中断现象；着色检测结果表明：焊缝区域表面无裂纹缺陷；荧光着色检测结果表明：焊缝区域表面无微小裂纹缺陷；X射线检查结果表明：焊缝内部无未焊上、焊缝区域为裂纹缺陷；金相结果表明：焊接接头的宏观和微观上焊缝各区域无微小裂纹；室温拉伸断裂位置均断在远离焊缝的母材区域；表明焊缝区域无裂纹，屈服强度为942Mpa，占母材的105％，抗拉强度为1006Mpa，占母材的93％，接头性能优异；650℃高温拉伸断裂位置均断在远离焊缝的母材区域，表明焊缝区域无裂纹，屈服强度752Mpa，占母材的100％，抗拉强度为817Mpa，占母材的95％，接头性能优异。

Claims (3)

1.一种Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据Ti-22Al随Nb合金的垂直截面相图和时间-温度-转变TTT曲线确定焊前预热温度、升温速率、焊后保温温度、保温时间、冷却速率，其中焊前预热温度为400-750℃，升温速率5-20℃/min，焊后保温温度700-850℃范围，保温时间10-30min，冷却速率为3-10℃/min；根据惯性摩擦焊设备主轴和尾座焊接时两者之间的最窄间隙W1、加热装置的宽度W2小于最窄间隙W1、加热装置的内径大于待焊环形件外径，选择加热装置，加热装置的加热功率2kW，加热速率为0-40℃/min；选择合适的焊接参数：转速及惯量；
步骤2，根据焊接所需的惯量，安装惯性摩擦焊设备的飞轮组，安装工装夹具，调整工装，校准精度；安装待焊环形件，调整待焊接的位置，先用丙酮清洗待焊环形件的焊接位置，去除表面油脂；然后再用酒精清洗零件表面其它杂质；清洗后，立即用压缩空气将零件吹干；
步骤3，启动加热装置，加热装置加热到焊前预热温度为600-750℃时，保持保温状态；
步骤4，将加热装置套在一侧的待焊环形件的焊接部分上，调整加热装置与待焊环形件的相对位置，使加热装置与待焊环形件保持同轴，且加热装置内壁与待焊环形件外壁保持10mm距离；操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件之间的距离为80mm，使加热装置套在另一侧待焊环形件的焊接部分，手动操作惯性摩擦焊设备，使两个待焊环形件的焊接部分完全进入到加热装置内，当加热装置显示温度在600-750℃范围内时，保温3-30min后，撤去加热装置；
步骤5，通过惯性摩擦焊设备的控制面板输入转速和惯量两个焊接参数，启动惯性摩擦焊设备，完成焊接，形成焊接组件；
步骤6，焊接完成后，立即使用加热装置对焊接组件的焊缝部位加热，焊后保温温度为700-850℃，保温时间10-30min，缓冷，以3-10℃/min的冷却速率冷却至室温；
步骤7，拆卸焊接件工装和加热装置，取出焊接组件。
2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，其特征在于：步骤1所述的加热装置包括控制箱、上体、下体、固定销，所述上体与下体内均布置有电阻丝，上体一端与下体一端通过固定销转动安装组成圆环状加热体，上体另一端与下体另一端通过锁体连接，在上体外圆面部分设置有热电偶，热电偶输出端通过电源线与控制箱连接。
3.根据权利要求2所述的Ti2AlNb基合金惯性摩擦焊焊接裂纹控制的方法，其特征在于：所述控制箱包括箱体、温度显示屏、温度控制程序按钮、电源开关指示灯、电源开关、启动加热指示灯、启动加热开关、停止加热指示灯、停止加热开关；在箱体表面上端设置有温度显示屏，温度显示屏下方箱体上设置有温度控制程序按钮，在温度控制程序按钮下方箱体上从左至右依次设置有电源开关指示灯、启动加热指示灯及停止加热指示灯，在电源开关指示灯下方的箱体上设置有电源开关，在启动加热指示灯下方的箱体上设置有启动加热开关，在停止加热指示灯下方的箱体上设置有停止加热开关。
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