CN111390373A - 一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，属于材料成形技术领域。本发明解决焊接方法在制造Ti‑Al基合金等复杂形状热端薄壳构件时高温使用状态下焊缝组织不稳定，材料室温塑性低导致焊接过程中产生缺陷等问题。本发明通过电流辅助加热的方法使待焊接母料表面更快达到材料的塑性变形温度，提高焊接效率的同时有效避免搅拌头达到较高温度时产生的剧烈磨损，获得成形良好、力学性能优良的焊缝。此外，本发明在焊接后还可以通过电流辅助加热实现焊缝的局部去应力退火，降低焊缝残余应力水平，进一步提高接头承载服役性能，实现焊接‑去应力退火一体化制造工艺。

Description

一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明涉及一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，属于材料成形技术领域。
背景技术
轻质高温复杂薄壁构件是指利用兼具耐高温(长时使用温度为600～800℃)和质轻特点(密度为5g/cm3左右)的材料制造的可大幅减重且具有高精度复杂薄壁结构的热端构件。
热端薄壳构件是装备中应用广泛的一大类零件，其减重幅度，形状复杂程度及精度均为关系到装备的射程，射速，机动性的关键因素，对新一代装备的研制与开发具有决定性作用。Ti-Al基合金具有较高的比强度、比蠕变强度和比疲劳强度的优势而受到广泛关注，特别是作为极端热环境下的结构或功能部件具有广泛的应用前景。
航天飞行器中热端薄壳构件的数量比例为1/3，但涉及的新型金属间化合物热端构件塑性成形和焊接难度大：塑性变形抗力大、成形温度窗口窄，成形后回弹大；焊缝组织随焊接热输入敏感度高、高温使用状态下焊缝组织不稳定性大、材料室温塑性低导致焊接过程中缺陷产生的倾向性大。现有的成形、焊接与热处理方法在制造新型金属间化合物复杂形状热端薄壳构件方面存在明显的局限性，成为制造新装备的瓶颈之一。
对于焊接工艺而言，传统的熔化焊工艺由于Ti-Al基合金材料的熔焊性能差，极易导致焊接裂纹、组织不均匀等问题。而搅拌摩擦焊是一种固相焊接手段，通过在非熔化状态下对材料进行摩擦产热和材料流动驱动，使得被焊材料进行局部塑性变形、待焊界面破碎实现连接。这种焊接方式避免了材料熔化后的冶金、凝固问题，可以有效避免Ti-Al基合金熔焊时的裂纹缺陷，也避免了接头组织成分的不均匀性带来的力学性能降低问题，是此类材料极具优势的连接手段。但是，由于搅拌摩擦焊需要对材料进行局部拘束锻造，对材料的塑性变形能力有较高要求。因此，对于Ti-Al基高熔点合金的连接，必须在材料处于塑性变形温度区间内实施焊接方能具有较好的连接条件和连接效果。而单纯依靠搅拌头与待焊母材摩擦产热使得材料进入塑性温度区间，将带来搅拌头的剧烈磨损和较高的温度梯度，同时摩擦区域之外的材料仍具有较高的硬度和脆性，使得材料可变形区域不足，焊接工艺窗口狭窄、焊接效率低下。
发明内容
本发明为了解决现有焊接方法在制造Ti-Al基合金等复杂形状热端薄壳构件时高温使用状态下焊缝组织不稳定，材料室温塑性低导致焊接过程中产生缺陷等问题，提供一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法。
本发明的技术方案：
一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，该方法的操作步骤如下：
步骤一，去除待焊接母料3的对接端面和焊接区表面的油污和氧化皮，获得预处理钛合金板材；
步骤二，在每块预处理钛合金板材靠近焊接区一侧装配加热及保护气输出装置，并将两块装配加热及保护气输出装置的预处理钛合金板材对接后置于电木6上，然后整体固定在搅拌摩擦焊机的待焊区域；
所述的加热及保护气输出装置包括铜电极上板1和铜电极下板4，铜电极上板1和铜电极下板4接入直流脉冲电源，铜电极上板1和铜电极下板4的一侧壁上冲有多个互相平行的保护气通孔7，保护气通孔7所在的轴线位于同一平面，并且在铜电极上板1和铜电极下板4上与该侧壁垂直的另一侧壁上冲有保护气输入孔，保护气输入孔的轴线与保护气通孔轴线互相垂直，并且保护气输入孔将保护气通孔7之间连通，所述的保护气输入孔的孔口处安装有通气管8；
步骤三，向通气管8内持续通入惰性气体，打开直流脉冲电源，控制直流脉冲电源的输出电流使预处理钛合金板材的焊接区温度达到800-1000℃时开始使用搅拌头5进行搅拌摩擦焊；
步骤四，搅拌摩擦焊接完成后，调节直流脉冲电源的输出电流，使焊缝处的温度达到500-650℃，保温1-2h；
步骤五，关闭直流脉冲电源，待焊缝处温度下降至150-200℃时，停止通入惰性气体，自然冷却至80℃以下，取出，完成焊接。
进一步限定，步骤一中去除待焊接母料3的对接端面和焊接区表面的油污和氧化皮的具体操作过程为：依次使用180#、400#和800#碳化硅砂纸进行打磨，直至待焊接母料3的对接端面和焊接区表面光亮，然后在丙酮溶剂中超声清洗5-10min，得到预处理钛合金板材。
进一步限定，铜电极上板1和铜电极下板4均开有螺纹通孔，铜电极上板1和铜电极下板4通过铜垫块2和螺栓装配在预处理钛合金板材上。
进一步限定，步骤三中进行搅拌摩擦焊的参数条件为：搅拌头旋转速度为800-2000r/min，前进速度为60-150mm/min。
进一步限定，搅拌头为结构陶瓷材料，轴肩部分直径为D＝10-25mm。
进一步限定，搅拌头的搅拌针为表面开有螺纹槽的圆锥形结构，搅拌针长度小于待焊接母料3的厚度。
进一步限定，步骤三中向通气管8内持续通入惰性气体的气压为0.2-0.4MPa。
进一步限定，待焊接母料3为Ti2AlNi钛合金板材。
进一步限定，待焊接母料3厚度为1-10mm。
本发明具有以下有益效果：本发明通过电流辅助加热的方法使待焊接母料表面更快达到材料的塑性变形温度，解决了传统的仅依靠搅拌头与待焊接表面摩擦生热很难达到塑性变形温度较高的Ti-Al基合金材料的焊接温度的问题，提高焊接效率的同时可有效避免搅拌头达到较高温度时产生的剧烈磨损，获得成形良好、力学性能优良的焊缝。此外，本发明在焊接后还可以通过电流辅助加热实现焊缝的局部去应力退火，降低焊缝残余应力水平，进一步提高接头承载服役性能，实现焊接-去应力退火一体化制造工艺。
本发明实现了钛合金材料对接的搅拌摩擦焊制备，使金属材料发生良好地塑性变形，在非熔化状态下打碎待焊工件表面残留的的氧化膜，便于材料的相互混合，驱使塑化的金属材料在横向与纵向两个方向上的迁移、流动，同时包拢、压紧塑化的材料，形成致密的固相焊接接头，有效避免熔化焊接引起的裂纹、成分组织不均匀等问题。
附图说明
图1为具体实施方式1的电流辅助热场搅拌摩擦焊的焊接过程示意图；
图2为铜电极上板的结构示意图；
图3为铜电极下板的结构示意图；
图4为具体实施方式1焊接完成后焊缝的宏观示意图；
图5为图4中焊缝的截面的微观示意图；
图中1-铜电极上板，2-铜垫块，3-待焊接母料，4-铜电极下板，5-搅拌头，6-电木，7-保护气通孔，8-通气管。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
具体实施方式1：
(1)通过线切割得到两块Ti2AlNi钛合金板材，Ti2AlNi钛合金板材厚度为5mm，两块Ti2AlNi钛合金板材使用碳化硅砂纸180#、碳化硅砂纸400#、碳化硅砂纸800#对铝合金板材表面进行打磨，至钛合金板材表面光亮，再将钛合金板材在丙酮中超声清洗5min～10min，得到预处理钛合金板材。
(2)在每块预处理钛合金板材靠近焊接区一侧装配加热及保护气输出装置，并将两块装配加热及保护气输出装置的预处理钛合金板材对接后置于电木6上，然后整体固定在搅拌摩擦焊机的待焊区域。
其中，加热及保护气输出装置包括铜电极上板1和铜电极下板4，铜电极上板1和铜电极下板4均开有螺纹通孔，铜电极上板1和铜电极下板4通过铜垫块2和螺栓装配在预处理钛合金板材上，并且铜电极上板1和铜电极下板4接入直流脉冲电源，铜电极上板1和铜电极下板4的一侧壁上冲有多个互相平行的保护气通孔7，保护气通孔7所在的轴线位于同一平面，并且在铜电极上板1和铜电极下板4上与该侧壁垂直的另一侧壁上冲有保护气输入孔，保护气输入孔在轴线与保护气通孔轴线互相垂直，并且保护气输入孔将保护气通孔7之间连通，保护气输入孔的孔口处安装有通气管8，如图2和图3所示。
(3)向铜电极的通气管8中持续通入0.4MPa气压的氩气，打开直流脉冲电源，通过控制通入电流大小控制局部加热温度，当钛板局部温度达到850℃时进行搅拌摩擦焊，搅拌头5旋转速度为1500r/min，前进速度为120mm/min，如图1所示。
其中，搅拌头5为结构陶瓷材料，轴肩部分直径为15mm，搅拌针为圆锥形带平面台结构，搅拌针长度为4.5mm略小于钛板厚度。
(4)搅拌摩擦焊完成后，降低通入电流大小使钛合金板材焊缝附近温度达到600℃，保温1.5h。
(5)关闭直流脉冲电源，待钛合金板材温度降至150℃停止通入氩气，当温度降至80℃以下取出焊接后的钛合金板材，焊缝如图4所示，由图4可知，对接界面两侧金属发生良好的塑性变形，在搅拌头的作用下形成致密且成形性良好的搅拌摩擦焊缝，焊缝表面光滑，弧形纹致密而均匀。图5为焊缝截面的微观形貌，由图5可知，焊接区接头无孔洞、裂纹等缺陷，界面连接良好。

Claims (9)

1.一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下：
步骤一，去除待焊接母料(3)的对接端面和焊接区表面的油污和氧化皮，获得预处理钛合金板材；
步骤二，在每块预处理钛合金板材靠近焊接区一侧装配加热及保护气输出装置，并将两块装配加热及保护气输出装置的预处理钛合金板材对接后置于电木(6)上，然后整体固定在搅拌摩擦焊机的待焊区域；
所述的加热及保护气输出装置包括铜电极上板(1)和铜电极下板(4)，铜电极上板(1)和铜电极下板(4)接入直流脉冲电源，铜电极上板(1)和铜电极下板(4)的一侧壁上冲有多个保护气通孔(7)，保护气通孔(7)所在的轴线位于同一平面且互相平行，并且在铜电极上板(1)和铜电极下板(4)上与该侧壁垂直的另一侧壁上冲有保护气输入孔，保护气输入孔所在轴线与保护气通孔轴线互相垂直，并且保护气输入孔将保护气通孔(7)之间连通，所述的保护气输入孔的孔口处安装有通气管(8)；
步骤三，向通气管(8)内持续通入惰性气体，打开直流脉冲电源，控制直流脉冲电源的输出电流使预处理钛合金板材的焊接区温度达到800-1000℃，使用搅拌头(5)进行搅拌摩擦焊接；
步骤四，搅拌摩擦焊接完成后，调节直流脉冲电源的输出电流，使焊缝处的温度达到500-650℃，保温1-2h；
步骤五，关闭直流脉冲电源，待焊缝处温度下降至150-200℃时，停止通入惰性气体，自然冷却至80℃以下，取出钛合金板材，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的步骤一中去除待焊接母料(3)的对接端面和焊接区表面的油污和氧化皮的具体操作过程为：依次使用180#、400#和800#碳化硅砂纸进行打磨，直至待焊接母料(3)的对接端面和焊接区表面光亮，然后在丙酮溶剂中超声清洗5-10min，得到预处理钛合金板材。
3.根据权利要求1所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的铜电极上板(1)和铜电极下板(4)均开有螺纹通孔，铜电极上板(1)和铜电极下板(4)通过铜垫块(2)和螺栓装配在预处理钛合金板材上。
4.根据权利要求1所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的步骤三中进行搅拌摩擦焊的参数条件为：搅拌头旋转速度为800-2000r/min，前进速度为60-150mm/min。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的搅拌头为结构陶瓷材料，轴肩部直径D为10-25mm。
6.根据权利要求5所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的搅拌头的搅拌针为表面开有螺纹槽的圆锥形结构，搅拌针长度小于待焊接母料(3)的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的步骤三中向通气管(8)内持续通入惰性气体的气压为0.2-0.4MPa。
8.根据权利要求1所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的待焊接母料(3)为Ti2AlNi钛合金板材。
9.根据权利要求1所述的一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的待焊接母料(3)厚度为1-10mm。
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