CN111331310A - 筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，涉及金属材料焊接技术领域，所述大开口的截面呈矩形，矩形的长度方向与钛合金铸件的长度方向一致，包括以下步骤：先确定铸造缺陷的位置，清理铸造缺陷及周边氧化层，再在钛合金铸件上进行加强筋组件固定；然后对铸造缺陷位置进行预热，之后采用熔化焊法进行补焊，补焊完成后对补焊质量进行检查；检查合格后，将钛合金铸件置于热处理炉中进行真空热处理，热处理温度为650~800℃；最后将加强筋组件从钛合金铸件上割除。本发明的修复方法可以有效的修复钛合金铸件在铸造过程中产生的铸造缺陷，通过有效控制焊接变形和焊接缺陷的产生，从而保证修复质量，避免焊接变形。

Description

筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法

技术领域

本发明涉及金属材料焊接技术领域，主要是钛合金铸件的铸造缺陷修复领域，尤其是涉及筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法。

背景技术

目前，航空航天、海洋船舶等领域大量采用高温高强的钛合金制作大开口薄壁零部件以实现结构的减重。但是这些耐高温、高强铸造钛合金制备大型薄壁复杂构件的铸造成型过程中，由于使用的铸造合金中往往含有C、Si、W、稀土等元素，会导致钛合金铸造流动性和充型完整性下降，铸造性能比常用的铸造钛合金明显降低，铸件的变形倾向大、易产生各种铸造缺陷，需要补焊予以消除。但是这些高温高强钛合金成分复杂、强度高、塑韧性较低，大开口和内部加强结构使得铸件补焊后有结构应力，容易引起焊接附加裂纹，而且焊接变形也难以控制，因此造成产品的成品率较低，影响了产品的研制生产进度。

现有的薄壁结构钛合金铸件一般采用氩弧焊或激光焊进行补焊，当采用氩弧焊补焊时，由于氩弧焊功率密度低，补焊时焊接热输入大，直接补焊常常会造成结构焊接变形和焊接裂纹等缺陷的产生。当采用激光焊补焊钛合金薄壁结构时，由于薄壁结构铸造缺陷位置不确定，存在激光头与零件结构干涉，缺乏灵活度。

因此，需要找到一种适合钛合金薄壁零部件的缺陷修复方法，解决这一技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，解决了薄壁大开口钛合金铸件缺陷修复过程中的焊接质量和焊接变形问题，有效的消除了补焊后的附加裂纹倾向，使修复后的钛合金铸件可以满足使用和寿命要求。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，所述的大开口的截面呈矩形，矩形的长度方向与钛合金铸件的长度方向一致，所述修复方法包括以下步骤：

S1、确定铸造缺陷的位置，清理铸造缺陷及周边氧化层

S101、先用着色渗透检测表面缺陷，再通过X射线检测钛合金铸件内部铸造缺陷，确认铸造缺陷的位置和尺寸，进行有效的标识；

S102、采用机械加工方法清理铸造缺陷；

S103、去除铸件上铸造缺陷周边的氧化层；

S2、对钛合金铸件采用加强筋组件进行固定

所述加强筋组件包括多个支撑件和多个连接条，多个呈倒三角形的支撑件沿钛合金铸件的长度方向间隔焊接在钛合金铸件内部，支撑件的两个底角分别焊接在临近大开口沿长度方向两侧边的筒壁上，支撑件的顶角焊接在钛合金铸件中大开口下方的内壁上，所述连接条连接在相邻支撑件上呈对角的底角之间；

S3、对铸造缺陷位置进行预热

利用预热装置对钛合金铸件的铸造缺陷位置进行预热处理，预热温度为200～500℃；

S4、采用熔化焊法进行补焊

补焊时采用与钛合金铸件配套的钛合金焊丝，焊接电流为40～100A，焊接电压为6～12V；每道焊接完成后，采用高频超声冲击以消除应力，超声频率为40～60KHz，最大输出振幅为10～30μm，冲击处理速度为100～200mm/min；

S5、焊后处理

S501、补焊完成后通过着色渗透和X射线对补焊质量进行检查；

S502、检查合格后，将钛合金铸件置于热处理炉中进行真空热处理，热处理温度为650～800℃；

S503、将加强筋组件从钛合金铸件上割除。

优选地，在步骤S3中，当预热温度为300～500℃时，在预热过程中通入惰性气体进行保护。

优选地，在步骤S3中，当铸造缺陷为表层缺陷时，预热温度为200℃；当铸造缺陷为非穿透性缺陷时，预热温度不高于350℃，当铸造缺陷为穿透性缺陷时，预热温度不高于500℃。

优选地，在补焊前，将钛合金铸件的两端部分别置于能够带动其旋转的旋转设备内。

其中，在步骤S4中，所述熔化焊法为钨极氩弧焊或冷弧焊。

有益效果：

如上所述，本发明的筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，具有以下有益效果：

1、本发明中通过加强筋组件的设置提高了钛合金铸件的结构强度，有效的降低了薄壁结构焊接变形的情况，有利于稳定结构的尺寸精度。焊前预热可以降低补焊位置的焊接应力，提高材料的塑性，减少焊接残余应力集中造成应力过高使补焊过程产生拉裂纹的问题，从而保证焊接接头的质量和尺寸精度。通过小线能量的焊接工艺和方法来确保进一步的降低焊接热输入，以减小焊接变形和对铸件材料的影响，从而控制补焊后钛合金铸件整体的性能质量和尺寸精度。在补焊过程中，每道焊接完成后采用高频超声冲击消除应力辅助控制变形，进一步消除焊接残余应力，稳定焊后尺寸精度，提高钛合金铸件的使用性能。

2、本发明的缺陷修复方法可以有效的修复钛合金铸件在铸造过程中产生的缩孔、缩松、裂纹、孔洞等铸造缺陷，通过有效控制焊接变形和裂纹、气孔等焊接缺陷的产生，从而保证修复质量，避免焊接变形，有效控制修复后产品尺寸精度，提高产品成品率，节约成本。

下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是将钛合金铸件置于旋转设备上时的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2中A-A处的剖视图。

图示标记，1、滚轮架，2、滚筒，3、钛合金铸件，4、加强筋组件，5、变位机。

具体实施方式

本发明的核心是提供筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，该缺陷修复方法可以解决筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件3在缺陷修复过程中的焊接质量和焊接变形问题。

需要说明的是，钛合金铸件3上对“大开口”的要求是大开口的宽度平均值d满足

其中，R表示筒体钛合金铸件3的直径，t表示钛合金铸件3的壁厚。

请参考图1，图1为本发明所提供的钛合金铸件3置于旋转设备上时的结构示意图，筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件3，所述大开口的截面呈矩形，矩形的长度方向沿钛合金铸件3的长度方向设置，所述钛合金铸件3中大开口下方的壁体呈向钛合金铸件3轴线方向凹陷的圆弧形。该钛合金铸件3的缺陷修复方法包括以下步骤：

S1、确定铸造缺陷的位置，清理铸造缺陷及周边氧化层

S101、先用着色渗透检测表面缺陷，再通过X射线检测钛合金铸件内部铸造缺陷，确认铸造缺陷的位置和尺寸，进行有效表标识；

S102、采用机械加工方法清理铸造缺陷，

S103、去除铸造缺陷周边的氧化层；

S2、对钛合金铸件采用加强筋组件4进行固定，且加强筋组件4的焊接位置不影响后期的补焊

钛合金铸件3上有大面积开口设计，抗补焊变形刚度较弱，为了提高结构刚性，减小补焊过程中的焊接变形，采用加强筋组件4对钛合金铸件3进行加固，如图1-3所示，所述加强筋组件4包括多个支撑件和连接条，多个支撑件沿钛合金铸件3的长度方向呈倒三角间隔焊接在钛合金铸件3内部(也可以只设置在铸件中大开口下方的空间内)，将支撑件的两个底角分别焊接在临近大开口沿长度方向两侧边的筒壁上，将支撑件的顶角焊接在钛合金铸件3中大开口下方的内壁上，所述连接条的两端分别与相邻支撑件中异侧的底角相连接；

S3、对铸造缺陷位置进行预热

为减小钛合金铸件3的焊接变形和残余应力，提高钛合金铸件3尺寸稳定性，利用圆形预热装置对钛合金铸件3的铸造缺陷位置进行预热处理，预热温度为200～500℃，当预热温度为300～500℃时，在预热过程中通入惰性气体进行保护；需要说明的是，铸造缺陷的深度不同，其预热温度也不同。若铸造缺陷是表层缺陷，一般采用200℃预热到温后实施焊接；若铸造缺陷是非穿透性缺陷(即所述缺陷未穿透筒壁)，预热温度最高为350℃；若铸造缺陷是穿透性缺陷(即所述缺陷穿透筒壁)，预热的最高温度为500℃；

S4、采用熔化焊的方法进行补焊

采用熔化焊补焊时采用与钛合金铸件3配套的直径为1.0mm或1.2mm的钛合金焊丝，焊接电流为40～100A，焊接电压为6～12V，通过有效控制焊接热输入从而实现对焊接质量、焊接残余应力和焊接变形的良好控制；每道焊接完成后，采用高频超声冲击以消除应力，超声频率为40～60KHz，最大输出振幅为10～30μm，冲击处理速度为100～200mm/min；

S5、焊后处理

S501、补焊完成后通过渗透和X射线对补焊质量进行检查；

S502、检查合格后，将钛合金铸件3置于热处理炉中进行真空热处理，热处理温度为650～800℃；

S503、将加强筋组件4从钛合金铸件3上割除，割除时，在钛合金铸件上留有一定余量，然后将余量打磨干净即可。

优选地，在补焊前，将钛合金铸件3的两端部分别置于能够带动其旋转的旋转设备内，以方便将待修复的位置旋转至平焊位置，便于焊接作业和焊接保护。在图1中，所述旋转设备为位于钛合金铸件3一端的变位机5以及位于钛合金铸件3另一端的套筒2以及与套筒2配合的滚轮架1，显然的，也可以使用其他能够使钛合金铸件3旋转的设备。

由图1-3可知，加强筋组件4焊接在钛合金铸件3中大开口下方的空间内，焊接在钛合金铸件3内部的各支撑件所在的平面与钛合金铸件3的长度方向相垂直，且相邻两个连接条交叉设置。当然，也可以选择将相邻两个连接条平行设置。该加强筋组件4的焊接位置简单、效果好。

需要说明的是，加强筋组件4可以分别将各支撑件和连接条焊接在钛合金铸件3内部，也可以先将加强筋组件4中的支撑件与连接条焊接在一起，再将焊接的整体焊接在钛合金铸件3内部，可以根据具体的情况进行选择。

实施例1

对于要进行缺陷修复的大开口薄壁筒体钛合金铸件3首先采用着色渗透检测表面缺陷，之后通过X射线检测铸件内部铸造缺陷，确认铸造缺陷的尺寸和位置，进行有效的标识。采用表面修磨和钻孔等机械加工方法完全清除铸造缺陷，清除后发现该缺陷为非穿透性缺陷；同时对铸造缺陷周围30-50mm范围的氧化层进行去除；采用加强筋组件4对钛合金铸件3进行加固，加强筋组件4一直保留到热处理消除应力之后割除，以使加强筋组件4在缺陷修复过程中最大限度的发挥防止大开口变形作用，将钛合金铸件3的两端分别紧固在变位机5及套筒2内。补焊采用钨极氩弧焊方法，焊前对铸造缺陷位置采用电阻预热装置进行预热，预热温度不高于350℃，焊接电流为80-100A，电压8-12V，通过有效控制焊接热输入从而实现对焊接质量、焊接残余应力和焊接变形的良好控制，每道焊接完成后采用高频超声冲击消除应力辅助控制变形，超声频率为40KHz，最大输出振幅为10μm，冲击处理速度为100mm/min。补焊完成后通过渗透和X射线检查补焊质量，如还有铸造缺陷重复上述过程，之至铸造缺陷完全消除；焊后进行750℃真空热处理消除焊接残余应力，稳定结构尺寸和组织性能。焊接接头强度不低于母材的90％，焊后尺寸变形小于2mm。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：(1)缺陷为穿透性缺陷，补焊采用冷弧焊方法进行，焊前对铸造缺陷位置采用电阻预热装置进行预热的温度为300～500℃，预热过程中通入惰性气体(氩气)进行保护；(2)焊接电流为40-80A，电压6-10V；(3)焊后进行650℃的真空热处理消除焊接残余应力，稳定结构尺寸和组织性能。(4)焊接接头强度不低于母材的90％，焊后尺寸变形小于1.5mm。

采用本发明中的缺陷修复方法修复的钛合金铸件3的质量满足铸件的补焊要求，降低了焊接变形程度，减少了薄壁结构的钛合金铸件3的报废率。

本说明书中各个实施例采取递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，所述的大开口的截面呈矩形，矩形的长度方向与钛合金铸件的长度方向一致，其特征在于，所述修复方法包括以下步骤：

S1、确定铸造缺陷的位置，清理铸造缺陷及周边氧化层

S101、先用着色渗透检测表面缺陷，再通过X射线检测钛合金铸件内部铸造缺陷，确认铸造缺陷的位置和尺寸，进行有效的标识；

S102、采用机械加工方法清理铸造缺陷；

S103、去除铸件上铸造缺陷周边的氧化层；

S2、对钛合金铸件采用加强筋组件进行固定

所述加强筋组件包括多个支撑件和多个连接条，多个呈倒三角形的支撑件沿钛合金铸件的长度方向间隔焊接在钛合金铸件内部，支撑件的两个底角分别焊接在临近大开口沿长度方向两侧边的筒壁上，支撑件的顶角焊接在钛合金铸件中大开口下方的内壁上，所述连接条连接在相邻支撑件上呈对角的底角之间；

S3、对铸造缺陷位置进行预热

利用预热装置对钛合金铸件的铸造缺陷位置进行预热处理，预热温度为200~500℃；

S4、采用熔化焊法进行补焊

补焊时采用与钛合金铸件配套的钛合金焊丝，焊接电流为40~100A，焊接电压为6~12V；每道焊接完成后，采用高频超声冲击以消除应力，超声频率为40~60KHz，最大输出振幅为10~30μm，冲击处理速度为100~200mm/min；

S5、焊后处理

S501、补焊完成后通过着色渗透和X射线对补焊质量进行检查；

S502、检查合格后，将钛合金铸件置于热处理炉中进行真空热处理，热处理温度为650~800℃；

S503、将加强筋组件从钛合金铸件上割除。

2.根据权利要求1所述的筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，其特征在于，在步骤S3中，当预热温度为300~500℃时，在预热过程中通入惰性气体进行保护。

3.根据权利要求1所述的筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，其特征在于，在步骤S3中，当铸造缺陷为表层缺陷时，预热温度为200℃；当铸造缺陷为非穿透性缺陷时，预热温度不高于350℃，当铸造缺陷为穿透性缺陷时，预热温度不高于500℃。

4.根据权利要求1所述的筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，其特征在于，在补焊前，将钛合金铸件的两端部分别置于能够带动其旋转的旋转设备内。

5.根据权利要求1所述的筒壁上具有大开口的薄壁筒体钛合金铸件的缺陷修复方法，其特征在于，在步骤S4中，所述熔化焊法为钨极氩弧焊或冷弧焊。

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