CN111761199A - 一种用于钛合金t型接头的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

一种用于钛合金t型接头的搅拌摩擦焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，将钛合金T型接头的面板通过搭接方式放置在腹板上形成T型结构，通过两个工艺垫块相对的侧面配合夹紧腹板，并使面板放置在两个工艺垫块上，两个工艺垫块上靠近面板和腹板夹角位置的棱角内部均沿长度方向设有供惰性气体流动的焊缝背部保护装置；采用光面锥形搅拌头进行搅拌摩擦焊接，先在面板顶侧的焊缝起始端加工预制孔，然后使搅拌头扎入预制孔，搅拌头扎入到位后使搅拌头继续旋转5～10秒，然后使搅拌头沿焊缝的长度方向运动进行焊接，搅拌头运动至焊缝终止端后，使搅拌头继续旋转5～9秒，然后使搅拌头从面板顶侧拔出，搅拌头完全拔出后停止旋转，焊接完成，焊接过程中通入惰性气体。

Description

一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明涉及钛合金T型接头焊接领域，尤其涉及一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
壁板和地板等为了减重和提高材料的强度和耐蚀性，多采用5mm厚度以下钛合金板材和T型材焊接而成。为了保证结构刚性和稳定性，对焊接T型材以及T型材与壁板焊接的尺寸精度提出了严格的要求，扰度需要控制在2mm以内，若采用电弧熔化焊方法焊接，由于热输入较大，焊后变形较大，控制焊接变形存在较大的难度，同时角焊缝焊接容易发生未熔合等焊接缺陷，严重影响结构安全性。采用搅拌摩擦焊进行固相焊接，可以实现低应力小变形高精度焊接。搅拌摩擦焊主要通过带有搅拌头和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。对于T型角焊缝而言，旋转的轴肩会与焊缝两侧的材料发生干涉，无法进行焊接。
现有技术主要通过增加工艺垫块和采用静止轴肩结构两种方式实现角焊缝的搅拌摩擦焊接。授权公告号CN100413630C《一种搅拌摩擦焊角接外侧焊方法》通过工艺垫块将角焊缝转化为平焊缝，降低焊接难度，但是只能进行单面角焊缝焊接，焊后变形也比较大。授权公告号CN102922125B《填充式搅拌摩擦焊焊接T型接头内侧角焊缝的方法及装置》公开了通过增加工艺垫块，转化为类似平面对接焊接的措施来实现内侧角焊缝焊接，但该方法极易导致焊缝区域出现未焊透、弱连接等缺陷。静轴肩搅拌摩擦焊的轴肩与搅拌头是分体结构，焊接过程中，轴肩不发生旋转，旋转的搅拌头与被焊材料进行摩擦，因此，可以通过设计特殊结构的静轴肩与搅拌头，实现角焊缝的搅拌摩擦焊，如公开号CN205798685U《无倾角静止轴肩搅拌摩擦焊焊接工具》公开了一种静止轴肩的搅拌工具，搅拌头与轴肩为分体式结构，轴肩通过转接套与机床主轴外壳相连，焊接过程保持静止，搅拌头与刀柄连接实现旋转，避免了焊接过程轴肩与工件的干涉，但该装置结构复杂，长时间焊接会出现主轴和轴承过热磨损，影响设备使用安全。而且对于角焊缝适用性较差。综上所述，现有技术中缺少能够对钛合金T型接头进行高效高质量焊接的方法，难以满足生产需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，首次采用搅拌摩擦焊接方式进行钛合金T型接头的焊接，能够对钛合金T型接头进行高效高质量焊接，满足生产需求。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、将钛合金T型接头的面板通过搭接方式放置在腹板上形成T型结构，采用手工焊对面板和腹板进行点焊固定；
步骤二、通过焊接工装对钛合金T型接头进行装夹，所述焊接工装包括两个工艺垫块，通过两个工艺垫块相对的侧面配合夹紧腹板宽度方向的两侧，并使面板的底侧贴合放置在两个工艺垫块上，两个工艺垫块上靠近面板和腹板夹角位置的棱角内部均沿长度方向设有供惰性气体流动的焊缝背部保护装置，使惰性气体能够从工艺垫块的棱角流动至面板和腹板夹角位置；
步骤三、采用光面锥形搅拌头进行搅拌摩擦焊接，先在面板顶侧的焊缝起始端加工预制孔，预制孔的孔径小于搅拌头的小端直径1～2mm，然后将搅拌头的小端对准预制孔，使搅拌头以200～1000rpm的转速旋转，然后使搅拌头扎入预制孔，扎入速度控制为1～60mm/min，直至搅拌头的小端贯穿面板并压入腹板表面0.11～0.20mm，并保证搅拌头扎入到位后，位于腹板和面板相接表面位置的搅拌头直径不小于腹板和面板相接表面宽度的90%；在搅拌头扎入前1～2分钟开始向焊缝背部保护装置内通入惰性气体，气流量控制为5～20L/min；
步骤四、搅拌头扎入到位后，使搅拌头停止位移并继续旋转5～10秒，然后使搅拌头沿焊缝的长度方向运动进行焊接，焊接过程中使搅拌头以300～800rpm的转速旋转，焊接速度控制为20～200mm/min，搅拌头运动至焊缝终止端后，使搅拌头停止位移并继续旋转5～9秒，然后使搅拌头从面板顶侧拔出，搅拌头完全拔出后停止旋转，焊接完成，并在焊接完成后继续通入惰性气体1～3分钟。
优选的，面板的底侧贴合放置在两个工艺垫块的顶面，两个工艺垫块的顶面为相同高度的水平面。
优选的，步骤三中，预制孔的孔径小于搅拌头的小端直径1mm，将搅拌头的小端对准预制孔，使搅拌头以800rpm的转速旋转，然后使搅拌头扎入预制孔，扎入速度控制为10mm/min，直至搅拌头的小端贯穿面板并压入腹板表面0.11mm。
优选的，步骤三中，在搅拌头扎入前2分钟开始向焊缝背部保护装置内通入惰性气体，气流量控制为5L/min。
优选的，步骤四中，搅拌头扎入到位后，使搅拌头停止位移并继续旋转10秒，然后使搅拌头沿焊缝的长度方向运动进行焊接，焊接过程中使搅拌头以600rpm的转速旋转，焊接速度控制为100mm/min，搅拌头运动至焊缝终止端后，使搅拌头停止位移并继续旋转5秒，然后使搅拌头从面板顶侧拔出。
优选的，步骤四中，在焊接完成后继续通入惰性气体1分钟。
优选的，步骤三中，预制孔的孔径小于搅拌头的小端直径1.5mm，将搅拌头的小端对准预制孔，使搅拌头以600rpm的转速旋转，然后使搅拌头扎入预制孔，扎入速度控制为5mm/min，直至搅拌头的小端贯穿面板并压入腹板表面0.20mm。
优选的，步骤三中，在搅拌头扎入前1分钟开始向焊缝背部保护装置内通入惰性气体，气流量控制为10L/min。
优选的，步骤四中，搅拌头扎入到位后，使搅拌头停止位移并继续旋转5秒，然后使搅拌头沿焊缝的长度方向运动进行焊接，焊接过程中使搅拌头以400rpm的转速旋转，焊接速度控制为50mm/min，搅拌头运动至焊缝终止端后，使搅拌头停止位移并继续旋转10秒，然后使搅拌头从面板顶侧拔出。
优选的，步骤四中，在焊接完成后继续通入惰性气体2分钟。
根据上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明可在不改变机床主轴结构的条件下，进行面板和腹板具有不同夹角的钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接，大大降低了搅拌摩擦焊接对于机床主轴结构的复杂程度要求，拓宽了搅拌摩擦焊接设备的应用范围。
2、本发明中明确了焊接过程中搅拌头的形状、转速和运动速度等多项焊接参数，从而保证T型焊接界面处不会产生未熔合等焊接缺陷，保证焊接位置的连接质量。同时在焊接工装上设计了针对钛合金T型接头的焊缝背部保护装置，保证焊接过程中背部焊缝的高温塑性金属不会和空气发生反应，从而通过惰性气体避免空气影响钛合金T型接头的焊接质量的问题。
3、本发明中采用面板和腹板搭接焊接形式，从面板的顶侧单方向制备T型角焊缝，相比于从面板的两侧分别进行角焊缝焊接，大幅降低了焊接变形，而且搅拌摩擦焊作为固相焊接技术焊接变形本身就较小，可以很好的保证钛合金T型接头的尺寸公差要求，并且由于一道焊缝即达到了原有两侧两道角焊缝焊接的效果，因此焊接效率大幅提升。此外，本发明可以实现两侧不同夹角的T型接头的焊接，这是双侧焊接难以很好现实焊接质量和变形控制的难题，扩展了结构设计范围，针对同种复杂T型角焊缝，可以实现自动化焊接，焊接成分大幅降低，焊接效率大幅提升，可以推广使用到其他焊接工艺复杂、工作量大和其他形状的T型结构的焊接上。
附图说明
图1为搅拌头扎入到位后的示意图；
图2为实施例一的焊接工装示意图；
图3为实施例二的焊接工装示意图。
图中标记：1、面板，2、腹板，3、搅拌头，4、工艺垫块，5、焊缝背部保护装置。
具体实施方式
参见附图，具体实施方式如下：
一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、将钛合金T型接头的面板1通过搭接方式放置在腹板2上形成T型结构，采用手工焊对面板1和腹板2进行点焊固定；
步骤二、通过焊接工装对钛合金T型接头进行装夹，所述焊接工装包括两个工艺垫块4，通过两个工艺垫块4相对的侧面配合夹紧腹板2宽度方向的两侧，并使面板1的底侧贴合放置在两个工艺垫块4的顶面，两个工艺垫块4的顶面为相同高度的水平面，两个工艺垫块4上靠近面板1和腹板2夹角位置的棱角内部均沿长度方向设有供惰性气体流动的焊缝背部保护装置5，使惰性气体能够从工艺垫块4的棱角流动至面板1和腹板2夹角位置；
步骤三、采用光面锥形搅拌头3进行搅拌摩擦焊接，先在面板1顶侧的焊缝起始端加工预制孔，预制孔的孔径小于搅拌头3的小端直径1～2mm，然后将搅拌头3的小端对准预制孔，使搅拌头3以200～1000rpm的转速旋转，然后使搅拌头3扎入预制孔，扎入速度控制为1～60mm/min，直至搅拌头3的小端贯穿面板1并压入腹板2表面0.11～0.20mm，并保证搅拌头3扎入到位后，位于腹板2和面板1相接表面位置的搅拌头3直径不小于腹板2和面板1相接表面宽度的90%；在搅拌头3扎入前1～2分钟开始向焊缝背部保护装置5内通入惰性气体，气流量控制为5～20L/min；
步骤四、搅拌头3扎入到位后，使搅拌头3停止位移并继续旋转5～10秒，然后使搅拌头3沿焊缝的长度方向运动进行焊接，焊接过程中使搅拌头3以300～800rpm的转速旋转，焊接速度控制为20～200mm/min，搅拌头3运动至焊缝终止端后，使搅拌头3停止位移并继续旋转5～9秒，然后使搅拌头3从面板1顶侧拔出，搅拌头3完全拔出后停止旋转，焊接完成，并在焊接完成后继续通入惰性气体1～3分钟。
实施例一、
构件为面板和腹板两侧角度相同均为90°的垂直钛合金T型接头。腹板厚度为6mm，面板厚度为4mm，材料均为TA5钛合金。设计光面锥形搅拌头，搅拌头从轴肩向下3.9mm位置处的直径为3.8mm，超过0.9倍的腹板厚度。搅拌头长度为5mm。
将腹板和面板按照需要的角度垂直装配，满足要求后进行手工GTAW点焊固定，分别在端头和角焊缝位置点焊，确保焊接位置的准确。之后将点焊固定好的试件放入工装固定，将腹板夹置于垫高工装中，保证腹板垂直放置在平台上，同时保证面板和腹板紧密接触满足焊接要求，保证面板和腹板的相对位置的准确和固定牢靠，之后采用压块对面板进行压紧固定，避免焊接过程中面板位置发生运动。工件装配完毕达到焊接条件。
焊接前在角焊缝起始点加工预制孔，孔径大小比搅拌头直径小1mm；之后打开惰性保护气2分钟，气流量为5L/min，保证保护气对待焊接位置进行有效的保护；保护气体通过工装上的焊缝背部保护装置到达焊缝背部实现对焊缝背部的有效保护。
焊接时，在扎入阶段，主轴旋转、下移，将搅拌头扎入预制孔中，轴肩表面压入腹板表面0.11mm后，停止下移，停留10s对焊接试板进行预热。扎入参数：旋转速度为800rpm，扎入速度10mm/min。预热完成之后开始焊接，焊接平台或者主轴在平面内或三维空间开始移动，开始进行焊接，焊接参数为600rpm，焊接速度为100mm/min；焊接到达终点后保持搅拌头旋转停留5s，主轴上移拔出工件，完全离开工件后，主轴停止转动，惰性气体在焊接完成后延迟关闭，延迟时间1分钟，焊接完成。获得成形良好质量满足要求的钛合金T型接头。
实施例二、
构件为面板和腹板两侧角度不同的钛合金T型接头，其中角焊缝角度一侧为60°，一侧为120°。腹板厚度为5mm，面板厚度为5mm，材料均为TA31钛合金。设计光面锥形搅拌头，搅拌头从轴肩向下4.8mm位置处的直径为4.8mm，超过0.9倍的腹板厚度。搅拌头长度为6mm。
将腹板和面板按照需要的角度垂直装配，满足要求后进行手工GTAW点焊固定，分别在端头和角焊缝位置点焊，确保焊接位置的准确。之后将点焊固定好的试件放入工装固定，将腹板夹置于垫高工装中，保证腹板垂直放置在平台上，同时保证面板和腹板紧密接触满足焊接要求，保证面板和腹板的相对位置的准确和固定牢靠，之后采用压块对面板进行压紧固定，避免焊接过程中面板位置发生运动。工件装配完毕达到焊接条件。
焊接前在角焊缝起始点加工预制孔，孔径大小比搅拌头直径小1.5mm；之后打开惰性保护气1分钟，气流量为10L/min，保证保护气对待焊接位置进行有效的保护；保护气体通过工装上的焊缝背部保护装置到达焊缝背部实现对焊缝背部的有效保护。
焊接时，在扎入阶段，主轴旋转、下移，将搅拌头扎入预制孔中，轴肩表面压入待焊接试板表面0.2mm后，停止下移，停留5s对焊接试板进行预热。扎入参数：旋转速度为600rpm，扎入速度5mm/min。预热完成之后开始焊接，焊接平台或者主轴在平面内或三维空间开始移动，开始进行焊接，焊接参数为400rpm，焊接速度为50mm/min；焊接到达终点后保持搅拌头旋转停留10s，主轴上移拔出工件，完全离开工件后，主轴停止转动，惰性气体在焊接完成后延迟关闭，延迟时间2分钟，焊接完成。获得成形良好质量满足要求的钛合金T型接头。

Claims (10)

1.一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将钛合金T型接头的面板通过搭接方式放置在腹板上形成T型结构，采用手工焊对面板和腹板进行点焊固定；
步骤二、通过焊接工装对钛合金T型接头进行装夹，所述焊接工装包括两个工艺垫块，通过两个工艺垫块相对的侧面配合夹紧腹板宽度方向的两侧，并使面板的底侧贴合放置在两个工艺垫块上，两个工艺垫块上靠近面板和腹板夹角位置的棱角内部均沿长度方向设有供惰性气体流动的焊缝背部保护装置，使惰性气体能够从工艺垫块的棱角流动至面板和腹板夹角位置；
步骤三、采用光面锥形搅拌头进行搅拌摩擦焊接，先在面板顶侧的焊缝起始端加工预制孔，预制孔的孔径小于搅拌头的小端直径1～2mm，然后将搅拌头的小端对准预制孔，使搅拌头以200～1000rpm的转速旋转，然后使搅拌头扎入预制孔，扎入速度控制为1～60mm/min，直至搅拌头的小端贯穿面板并压入腹板表面0.11～0.20mm，并保证搅拌头扎入到位后，位于腹板和面板相接表面位置的搅拌头直径不小于腹板和面板相接表面宽度的90%；在搅拌头扎入前1～2分钟开始向焊缝背部保护装置内通入惰性气体，气流量控制为5～20L/min；
步骤四、搅拌头扎入到位后，使搅拌头停止位移并继续旋转5～10秒，然后使搅拌头沿焊缝的长度方向运动进行焊接，焊接过程中使搅拌头以300～800rpm的转速旋转，焊接速度控制为20～200mm/min，搅拌头运动至焊缝终止端后，使搅拌头停止位移并继续旋转5～9秒，然后使搅拌头从面板顶侧拔出，搅拌头完全拔出后停止旋转，焊接完成，并在焊接完成后继续通入惰性气体1～3分钟。
2.根据权利要求1所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：面板的底侧贴合放置在两个工艺垫块的顶面，两个工艺垫块的顶面为相同高度的水平面。
3.根据权利要求1所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤三中，预制孔的孔径小于搅拌头的小端直径1mm，将搅拌头的小端对准预制孔，使搅拌头以800rpm的转速旋转，然后使搅拌头扎入预制孔，扎入速度控制为10mm/min，直至搅拌头的小端贯穿面板并压入腹板表面0.11mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤三中，在搅拌头扎入前2分钟开始向焊缝背部保护装置内通入惰性气体，气流量控制为5L/min。
5.根据权利要求3所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤四中，搅拌头扎入到位后，使搅拌头停止位移并继续旋转10秒，然后使搅拌头沿焊缝的长度方向运动进行焊接，焊接过程中使搅拌头以600rpm的转速旋转，焊接速度控制为100mm/min，搅拌头运动至焊缝终止端后，使搅拌头停止位移并继续旋转5秒，然后使搅拌头从面板顶侧拔出。
6.根据权利要求5所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤四中，在焊接完成后继续通入惰性气体1分钟。
7.根据权利要求1所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤三中，预制孔的孔径小于搅拌头的小端直径1.5mm，将搅拌头的小端对准预制孔，使搅拌头以600rpm的转速旋转，然后使搅拌头扎入预制孔，扎入速度控制为5mm/min，直至搅拌头的小端贯穿面板并压入腹板表面0.20mm。
8.根据权利要求7所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤三中，在搅拌头扎入前1分钟开始向焊缝背部保护装置内通入惰性气体，气流量控制为10L/min。
9.根据权利要求7所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤四中，搅拌头扎入到位后，使搅拌头停止位移并继续旋转5秒，然后使搅拌头沿焊缝的长度方向运动进行焊接，焊接过程中使搅拌头以400rpm的转速旋转，焊接速度控制为50mm/min，搅拌头运动至焊缝终止端后，使搅拌头停止位移并继续旋转10秒，然后使搅拌头从面板顶侧拔出。
10.根据权利要求9所述的一种用于钛合金T型接头的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤四中，在焊接完成后继续通入惰性气体2分钟。
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