CN116140784A - 一种消除gh4065a高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法，涉及焊接技术领域。该方法首先设定焊前GH4065A盘锻件交付状态为完全热处理状态；再采用惯性摩擦焊接方法进行焊接，焊接过程中采用“最优压力法”调控焊接能量，达到最优化的焊接缩短量，获得成形良好的焊接接头。其中，最优压力法即确定焊接压力与焊接能量的函数关系，进而通过焊接能量调控焊接压力。该方法可以分段调整焊接压力，使焊接压力随界面温度的变化而调整，处于最优压力水平，减小焊接接头残余应力，从而减小焊缝冷却过程的拘束应力，避免GH4065A摩擦焊接过程中的焊接裂纹。

Description

一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法。

背景技术

随着先进航空发动机推重比不断升高，压气机转子需要采用高温结构材料制造。GH4065A作为一种高合金化的变形高温合金成为了先进航空发动机制造的备选材料。该材料的合金化程度高，强化相达到40％，能够满足先进航空发动机的性能需求。但是在结构件制造过程中，出现了常规焊接方法无法规避的质量问题。如氩弧焊、电子束焊等熔焊方法容易在焊接过程中使焊缝产生成分偏析，导致焊缝组织分布不均匀，焊接接头容易产生焊接裂纹，导致GH4065A材料的焊接结构件成形质量不合格。惯性摩擦焊接方法作为一种固态连接方法，可以大幅度减少焊接过程中的热输入，焊缝组织为锻造组织，可以消除常规熔焊方法导致的成分偏析问题，是解决高合金化高温合金焊接的首选焊接方法。

在焊接过程中，焊接界面金属随着界面温度的不断升高而发生性能变化，金属的变形抗力逐渐降低而塑性逐渐升高。由于焊接压力的施加方向垂直于焊接界面，只有在焊接压力大于等于材料的变形抗力情况下，才能在焊接界面形成质量可靠的焊接接头。但是如果焊接压力过大，会在焊接接头形成残余应力，使焊接接头局部应力过大，导致焊缝冷却过程的拘束应力过大从而使焊缝而产生裂纹。鉴于以上原因，需要在焊接过程中调整焊接压力，使焊接压力随界面温度的变化而动态调整，处于最优压力水平。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法，消除GH4065A高温合金焊接过程产生的焊接裂纹，提高压气机整体叶盘转子的焊接质量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法，包括以下内容：

设定焊前GH4065A盘锻件交付状态为完全热处理状态；

采用惯性摩擦焊接方法进行焊接，焊接过程中采用“最优压力法”调控焊接能量，达到最优化的焊接缩短量，获得成形良好的焊接接头。

优选地，所述最优压力法首先确定焊接压力与界面温度的函数关系，并将界面温度表达为焊接能量的函数，进而将焊接压力与界面温度的函数关系转变为焊接压力与焊接能量的函数关系，实现通过焊接压力调控焊接能量。

优选地，所述确定焊接压力与焊接能量的函数关系的具体内容为：

1)测定GH4065A材料在不同温度下的应力应变关系，得到应力与界面温度的分段函数，如下公式所示：

σ＝Af(ΔT) (1)

其中，σ是焊接界面应力；A是比例常数；ΔT是界面温度变化量；f表示界面温度与应力值的对应关系；

2)根据焊接界面焊接能量与界面温度的关系函数Q＝CmΔT，推导出界面温度与焊接能量的函数，如下公式所述：

ΔT＝Q/Cm (2)

其中，Q是焊接能量，C是焊接材料比热容，m是焊接材料质量；

3)将公式(1)和(2)联立，进一步得出应力与焊接能量的函数：

σ＝A f(Q/Cm) (3)

4)根据最小化焊接压力的原则，用焊接压力替换应力与焊接能量的函数中的应力值，即F＝σ＝Af(Q/Cm)，得到焊接压力与焊接能量的函数，如下公式所示:

F＝Af(Q/Cm) (4)

其中，F是焊接压力；

这样就建立起了焊接压力F随焊接能量变化的“最优压力法”函数。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的最优压力控制法，可以随焊接面温度的升高，分段调整焊接压力，使焊接压力随界面温度的变化而调整，处于最优压力水平，减小焊接接头残余应力，从而减小焊缝冷却过程的拘束应力，避免GH4065A摩擦焊接过程中的焊接裂纹。

附图说明

图1为本发明实施例提供的最优压力法的压力与焊接能量关系的示意图；

图2为本发明实施例提供的高温合金GH4065A焊后飞边示意图；

图3为本发明实施例提供的焊缝飞边加工后的焊接组件示意图；

图4为本发明实施例提供的进行荧光检测的焊接组件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中，一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法，包括以下内容：

设定焊前GH4065A盘锻件交付状态为完全热处理状态；

采用惯性摩擦焊接方法进行焊接，焊接过程中采用“最优压力法”调控焊接能量，达到最优化的焊接缩短量，获得成形良好的焊接接头。

其中，最优压力法首先确定焊接压力与界面温度的函数关系，但是界面温度是一个未知参量，函数存在两个未知参量，无确定解。而一定质量的材料达到某一温度所需要的能量是一定的。因此，将界面温度表达为焊接能量的函数，进而将焊接压力与界面温度的函数关系转变为焊接压力与焊接能量的函数关系，这样压力与温度的函数关系就可以转变为压力与焊接能量的函数关系，而焊接能量是一个已知的可控参量，这样该函数转化为一元方程，可解。就能实现通过焊接压力调控焊接能量。

本实施例中，确定焊接压力与焊接能量的函数关系的具体内容为：

1)测定GH4065A材料在不同温度下的应力应变关系，得到应力与界面温度的分段函数；

本实施例中，测定GH4065A材料在20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃下的应力应变关系，得到应力与温度的分段函数，如下公式所示：

其中，σ是焊接界面应力；A是比例常数；ΔT是界面温度变化量；f表示界面温度与应力值的对应关系；

2)根据焊接界面焊接能量与界面温度的关系函数Q＝CmΔT，推导出界面温度与焊接能量的函数，如下公式所述：

ΔT＝Q/Cm (2)

其中，Q是焊接能量，C是焊接材料比热容，m是焊接材料质量；

3)将公式(1)和(2)联立，进一步得出应力与焊接能量的函数：

σ＝A f(Q/Cm) (3)

4)根据最小化焊接压力的原则，用焊接压力替换应力与焊接能量的函数中的应力值，即F＝σ＝Af(Q/Cm)，得到焊接压力与焊接能量的函数，如下公式所示:

F＝Af(Q/Cm) (4)

其中，F是焊接压力；

这样就建立起了焊接压力F随焊接能量变化的“最优压力法”函数。

本实施例中，实验材料为GH4065A镍基高温合金管材。零件焊前精加工后尺寸：Φ60mm×Φ28mm×200mm。本实施例在采用惯性摩擦焊接方法进行焊接过程中，采用如图1所示“最优压力法”调控焊接能量，具体为：在焊接初始阶段，即焊接界面金属达到热塑性状态之前，使用较小的焊接压力，使焊缝金属缓慢升温，保持一定的焊接时间，并使整个焊接接头部分温度一致升高。在焊接中间阶段，即开始产生大量焊接飞边时，开始使用较大的焊接压力，使焊接接头快速产生轴向缩短，达到最优化的焊接缩短量，获得成形良好的焊接接头。焊接停止后，在焊接接头尚未完全冷却的状态完成焊缝飞边的加工，如图2、图3所示。最后对焊接组件进行荧光检测，显示焊缝表面无裂纹，如图4所示。

本实施例中，焊接后，焊接飞边成型圆滑，如图2所示，飞边边缘有细小裂纹；加工飞边后如图3所示，未发现裂纹；飞边加工后探伤未显示裂纹，如图4所示，说明该裂纹未延伸至母材。由此可以得出，本发明方法对于消除高温合金GH4065A的焊接裂纹具有明显效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法，其特征在于：

设定焊前GH4065A盘锻件交付状态为完全热处理状态；

采用惯性摩擦焊接方法进行焊接，焊接过程中采用“最优压力法”调控焊接能量，达到最优化的焊接缩短量，获得成形良好的焊接接头。

2.根据权利要求1所述的一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法，其特征在于：

所述最优压力法首先确定焊接压力与界面温度的函数关系，并将界面温度表达为焊接能量的函数，进而将焊接压力与界面温度的函数关系转变为焊接压力与焊接能量的函数关系，实现通过焊接压力调控焊接能量。

3.根据权利要求2所述的一种消除GH4065A高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法，其特征在于：

所述确定焊接压力与焊接能量的函数关系的过程为：

1)测定GH4065A材料在不同温度下的应力应变关系，得到应力与界面温度的分段函数，如下公式所示：

σ＝Af(ΔT) (1)

其中，σ是焊接界面应力；A是比例常数；ΔT是界面温度变化量；f表示界面温度与应力值的对应关系；

2)根据焊接界面焊接能量与界面温度的关系函数Q＝CmΔT，推导出界面温度与焊接能量的函数，如下公式所述：

ΔT＝Q/Cm (2)

其中，Q是焊接能量，C是焊接材料比热容，m是焊接材料质量；

3)将公式(1)和(2)联立，进一步得出应力与焊接能量的函数：

σ＝Af(Q/Cm) (3)

4)根据最小化焊接压力的原则，用焊接压力替换应力与焊接能量的函数中的应力值，即F＝σ＝Af(Q/Cm)，得到焊接压力与焊接能量的函数，如下公式所示:

F＝Af(Q/Cm) (4)

其中，F是焊接压力。

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