CN112853081A - 一种大尺寸焊接结构的热处理方法 - Google Patents

一种大尺寸焊接结构的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大尺寸焊接结构的热处理方法，一种大尺寸焊接结构的热处理方法，包括以下步骤：安装模具，在模具的内表面涂绝缘涂层；安装电极，将焊接后待处理的零件放在模具内；铺放隔热绝缘层，在零件表面铺设隔热绝缘层；安装驱动板，将驱动板弯曲后贴附在隔热绝缘层上；安装感应线圈，将感应线圈采用支撑架固定，通过支撑架将感应线圈固定在零件的焊缝区域；局部热处理，通过高能脉冲电流产生的焦耳热效应对零件的焊缝区域进行局部热处理；校形，所述零件达到预设温度后，将感应线圈接通磁脉冲电源，所述感应线圈放电时在驱动板上形成感应电流，所述感应线圈的电磁力通过驱动板传递给零件，通过电磁力对零件进行校形；处理完成。

Description

一种大尺寸焊接结构的热处理方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种大尺寸焊接结构的热处理方法。
背景技术
直升机旋翼桨叶主要由复合材料本体、防除冰加热组件和前缘包边三部分组成，为了确保桨叶的防除冰加热效果，与防除冰加热组件直接胶接的前缘包边通常需要采用整体结构，但桨叶前缘包边具有长度方向尺寸大(长度达5～10米)、壁厚薄(厚度仅为0.5～0.6mm)、弯曲成形精度要求高等特点，目前主要采用不锈钢室温整体弯曲成形和钛合金热成形/激光焊接，与不锈钢包边相比，钛合金焊接整体具有密度低、耐腐蚀性能优异、热成形精度高等优点，但是薄壁钛合金激光焊接过程中会产生变形和焊接应力，影响零件的成形精度和焊缝区材料的力学性能，通常钛合金焊接结构需要放在热处理炉内进行高温热处理，以消除激光焊接引起的应力和变形。
现有技术中，对于大尺寸包边利用加热炉进行热处理，加热炉尺寸至少达到10米以上，设备要求高、零件转运困难、热处理成本高。
因此，发明人提供了一种大尺寸焊接结构的热处理方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种大尺寸焊接结构的热处理方法，通过将高能脉冲电流和电磁力复合，利用高能脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应消除焊接应力，改善焊接接头性能，同时利用电阻热和电磁力的复合作用实现焊接变形区的局部校形，解决了设备要求高、零件转运困难、热处理成本高的技术问题。
(2)技术方案
第一方面，本发明的实施例提出了一种大尺寸焊接结构的热处理方法，包括以下步骤：
安装模具，在模具的内表面涂绝缘涂层；
安装电极，将焊接后待处理的零件放在模具内，通过两电极将零件和脉冲电源连接；
铺放隔热绝缘层，在零件表面铺设隔热绝缘层；
安装驱动板，将驱动板弯曲后贴附在隔热绝缘层上；
安装感应线圈，将感应线圈采用支撑架固定，通过支撑架将感应线圈固定在零件的焊缝区域；
局部热处理，通过脉冲电源对零件的焊缝区域施加高能脉冲电流，通过高能脉冲电流产生的焦耳热效应对零件的焊缝区域进行局部热处理；
校形，所述零件达到预设温度后，将感应线圈接通磁脉冲电源，所述感应线圈放电时在驱动板上形成感应电流，所述感应线圈的电磁力通过驱动板传递给零件，通过电磁力对零件进行校形；
处理完成，步骤局部热处理和步骤校形完成后，断开脉冲电源和磁脉冲电源。
进一步地，步骤安装模具中，所述绝缘涂层的厚度为10μm～100μm。
进一步地，步骤安装电极中，所述零件的壁厚为0.4～1.0mm；所述电极为紫铜板，所述紫铜板的厚度为1～2mm。
进一步地，步骤铺放隔热绝缘层中，所述隔热绝缘层为石棉纸或石棉布，所述石棉纸和石棉布的厚度均为2～6mm。
进一步地，步骤安装驱动板中，所述驱动板为纯铜板，所述纯铜板的厚度为0.5～2mm。
进一步地，步骤安装感应线圈中，所述感应线圈的总长度为50～100mm，所述感应线圈采用横截面积为6～20mm2的纯铜丝绕制，所述感应线圈的匝数5～20。
进一步地，步骤安装感应线圈中，所述感应线圈和驱动板之间的距离为1～10mm。
进一步地，步骤局部热处理中，所述高能脉冲电流的加载时间为60～300s，所述高能脉冲电流密度为103～105A/mm2，所述高能脉冲电流频率为100～2000HZ，所述高能脉冲电流的脉宽50～100μs。
进一步地，步骤局部热处理中，高能脉冲电流的波形为三角波。
进一步地，步骤校形中，通过热电偶检测零件的温度，所述预设温度为550～680℃；
所述磁脉冲电源的放电电压为3～10KV，所述磁脉冲电源的放电能量为10～30KJ。
(3)有益效果
综上，本发明的大尺寸焊接结构的热处理方法中，隔热绝缘层的作用是隔热、绝缘，防止电流传递到驱动板上；
通过在焊缝区域加载高能脉冲电流，高能脉冲电流可在零件的内部产生瞬时高能，高能脉冲电流的瞬时高能改善零件的焊接区域的组织，提高焊接接头的性能，利用该方法处理后焊接接头的力学性能达到母材的90％以上。同时，高能脉冲电流产生的焦耳热效应对局部区域进行加热，利用高能脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应消除焊缝区域的焊接应力，改善焊接接头的性能，实现焊接区域的在线退火，有利于提高后续焊接区校形的贴模度。通过感应线圈对焊缝区域利用无接触电磁力对零件进行局部校形，从而实现焊接应力和焊接变形的同步消除。本发明的大尺寸焊接结构的热处理方法，只需要对焊缝区域进行局部处理，效率高，对设备要求低，不需要转运零件，操作方便，节约能源。
本发明的大尺寸焊接结构的热处理方法，将高能脉冲电流和电磁力复合，利用高能脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应消除焊接应力，改善焊接接头性能，同时利用电阻热和电磁力的复合作用实现焊接变形区的局部校形。本发明的大尺寸焊接结构的热处理方法，效率高，对设备要求低，不需要转运零件，操作方便，节约能源，可有效解决大尺寸钛合金包边焊接整体结构的焊后热处理问题，提高零件的精度和焊接接头性能。本方法适用于钛合金薄壁焊接构件的焊后去应力退火和焊接变形校形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例零件放在模具内时的结构示意图(主视)。
图2是本发明实施例零件放在模具内时的结构示意图(侧视)。
图中：
1-模具；2-电极；3-零件；31-焊缝；4-隔热绝缘层；5-驱动板；6-感应线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参照图1至图2，一种大尺寸焊接结构的热处理方法，包括以下步骤：
安装模具1，在模具1的内表面涂绝缘涂层；
安装电极2，将焊接后待处理的零件3放在模具1内，通过两电极2将零件3和脉冲电源连接；
铺放隔热绝缘层4，在零件3表面铺设隔热绝缘层4；
安装驱动板5，将驱动板5弯曲后贴附在隔热绝缘层4上；
安装感应线圈6，将感应线圈6采用支撑架固定，通过支撑架将感应线圈6固定在零件3的焊缝区域31；
局部热处理，通过脉冲电源对零件3的焊缝区域31施加高能脉冲电流，通过高能脉冲电流产生的焦耳热效应对零件3的焊缝区域31进行局部热处理；
校形，所述零件3达到预设温度后，将感应线圈6接通磁脉冲电源，所述感应线圈6放电时在驱动板5上形成感应电流，所述感应线圈6的电磁力通过驱动板5传递给零件3，通过电磁力对零件3进行校形；
处理完成，步骤局部热处理和步骤校形完成后，断开脉冲电源和磁脉冲电源。
本实施例的大尺寸焊接结构的热处理方法中，隔热绝缘层4的作用是隔热、绝缘，放置电流传递到驱动板5上；
通过在焊缝区域31加载高能脉冲电流，高能脉冲电流可在零件3的内部产生瞬时高能，高能脉冲电流的瞬时高能改善零件3的焊接区域31的组织，提高焊接接头的性能，利用该方法处理后焊接接头的力学性能达到母材的90％以上。同时，高能脉冲电流产生的焦耳热效应对局部区域进行加热，利用高能脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应消除焊缝区域31的焊接应力，改善焊接接头的性能，实现焊接区域的在线退火，有利于提高后续焊接区校形的贴模度。通过感应线圈6对焊缝区域31利用无接触电磁力对零件进行局部校形，从而实现焊接应力和焊接变形的同步消除。本实施例的大尺寸焊接结构的热处理方法，只需要对焊缝区域31进行局部处理，效率高，对设备要求低，不需要转运零件3，操作方便，节约能源。
具体的，请再次参照图1至图2，图1至图2所示的零件3为半块管壁状，零件3为钛合金材质，优选的，零件3为TC4钛合金材质。
感应线圈6缠绕在管状的支撑架上以进行固定。电极2分别位于零件3的两端。本发明及本实施例所指的大尺寸焊接结构中的“大尺寸”是相对而言的，本发明及本实施例当然也适用于“小尺寸”焊接结构和其他形状大尺寸焊接结构，但本发明及本实施例的大尺寸焊接结构的热处理方法应用于大尺寸焊接结构时，优势更为明显。
本实施例的大尺寸焊接结构的热处理方法，将高能脉冲电流和电磁力复合，利用高能脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应消除焊接应力，改善焊接接头性能，同时利用电阻热和电磁力的复合作用实现焊接变形区的局部校形。本实施例的大尺寸焊接结构的热处理方法，效率高，对设备要求低，不需要转运零件3，操作方便，节约能源，可有效解决大尺寸钛合金包边焊接整体结构的焊后热处理问题，提高零件3的精度和焊接接头性能。本方法适用于钛合金薄壁焊接构件的焊后去应力退火和焊接变形校形。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤安装模具1中，所述绝缘涂层的厚度为10μm～100μm。具体的，绝缘涂层为Al2O3陶瓷涂层，绝缘涂层的厚度为20μm。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤安装电极2中，所述零件3的壁厚为0.4～1.0mm；所述电极2为紫铜板，所述紫铜板的厚度为1～2mm，优选的，紫铜板厚2mm。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤铺放隔热绝缘层4中，所述隔热绝缘层4为石棉纸或石棉布，所述石棉纸和石棉布的厚度均为2～6mm，优选的，隔热绝缘层4为石棉纸，石棉纸厚度为2mm。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤安装驱动板5中，所述驱动板5为纯铜板，所述纯铜板的厚度为0.5～2mm，优选的，纯铜板的厚度为0.8mm。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤安装感应线圈6中，所述感应线圈6的总长度为50～100mm，所述感应线圈6采用横截面积为6～20mm2的纯铜丝绕制，所述感应线圈6的匝数5～20。优选的，感应线圈6的总长度为60mm，感应线圈6采用横截面积为10mm2的纯铜丝绕制，匝数5，感应线圈6两端的接头与磁脉冲电源连接。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤安装感应线圈6中，所述感应线圈6和驱动板5之间的距离为1～10mm。优选的，线圈与驱动板5之间距离3mm。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤局部热处理中，所述高能脉冲电流的加载时间为60～300s，所述高能脉冲电流密度为103～105A/mm2，所述高能脉冲电流频率为100～2000HZ，所述高能脉冲电流的脉宽50～100μs。高能脉冲电流密度为104A/mm2，高能脉冲电流的频率为600HZ，高能脉冲电流的脉宽为80μs。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤局部热处理中，高能脉冲电流的波形为三角波。
本实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，步骤校形中，通过热电偶检测零件3的温度，所述预设温度为550～680℃；
所述磁脉冲电源的放电电压为3～10KV，所述磁脉冲电源的放电能量为10～30KJ。优选的，利用热电偶检测零件3温度，温度达到650℃，打开磁脉冲电源。磁脉冲电源的放电电压为3KV，磁脉冲电源的放电能量为20KJ。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
安装模具，在模具的内表面涂绝缘涂层；
安装电极，将焊接后待处理的零件放在模具内，通过两电极将零件和脉冲电源连接；
铺放隔热绝缘层，在零件表面铺设隔热绝缘层；
安装驱动板，将驱动板弯曲后贴附在隔热绝缘层上；
安装感应线圈，将感应线圈采用支撑架固定，通过支撑架将感应线圈固定在零件的焊缝区域；
局部热处理，通过脉冲电源对零件的焊缝区域施加高能脉冲电流，通过高能脉冲电流产生的焦耳热效应对零件的焊缝区域进行局部热处理；
校形，所述零件达到预设温度后，将感应线圈接通磁脉冲电源，所述感应线圈放电时在驱动板上形成感应电流，所述感应线圈的电磁力通过驱动板传递给零件，通过电磁力对零件进行校形；
处理完成，步骤局部热处理和步骤校形完成后，断开脉冲电源和磁脉冲电源。
2.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤安装模具中，所述绝缘涂层的厚度为10μm～100μm。
3.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤安装电极中，所述零件的壁厚为0.4～1.0mm；所述电极为紫铜板，所述紫铜板的厚度为1～2mm。
4.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤铺放隔热绝缘层中，所述隔热绝缘层为石棉纸或石棉布，所述石棉纸和石棉布的厚度均为2～6mm。
5.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤安装驱动板中，所述驱动板为纯铜板，所述纯铜板的厚度为0.5～2mm。
6.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤安装感应线圈中，所述感应线圈的总长度为50～100mm，所述感应线圈采用横截面积为6～20mm2的纯铜丝绕制，所述感应线圈的匝数5～20。
7.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤安装感应线圈中，所述感应线圈和驱动板之间的距离为1～10mm。
8.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤局部热处理中，所述高能脉冲电流的加载时间为60～300s，所述高能脉冲电流密度为103～105A/mm2，所述高能脉冲电流频率为100～2000HZ，所述高能脉冲电流的脉宽50～100μs。
9.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤局部热处理中，高能脉冲电流的波形为三角波。
10.根据权利要求1所述的大尺寸焊接结构的热处理方法，其特征在于，步骤校形中，通过热电偶检测零件的温度，所述预设温度为550～680℃；
所述磁脉冲电源的放电电压为3～10KV，所述磁脉冲电源的放电能量为10～30KJ。
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