β相鈦合金大截面環件的閃光焊成形方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種焊接方法，特別是涉及了 β相鈦合金大截面環件的閃光焊成形 方法。
【背景技術】
[0002] 閃光焊是一種固態焊接，通過閃光在工件的兩個焊接端面形成一定的溫度場，再 通過頂鍛力的作用將工件焊接起來。因此，溫度場與頂鍛參數的合理配合是實現優質焊接 的關鍵，合適的溫度場能夠為金屬原子提供合適的擴散激活能，加速頂鍛變形過程中兩端 原子的相互擴散，同時滿足頂鍛過程金屬塑性變形的需求，而溫度場的建立主要由閃光階 段所決定。通過閃光過程形成的溫度場，主要分為兩個部分：高溫糊狀區和高溫組織粗化 區。在頂鍛過程中，高溫糊狀區的金屬被頂出基體；高溫組織粗化區的金屬在頂鍛力的作用 下發生塑性變形，形成晶粒均勻細小的組織。
[0003] 對于β相鈦合金材料，由于其熱傳導性差，如果沒有足夠的時間使閃光過程端面 上產生的熱量向內部傳遞，實際上是很難建立合適的溫度場。尤其是對于β相鈦合金大截 面環件的閃光焊成形，正常來說，工件的焊接端面的截面積越大，閃光對焊機所需要提供的 功率也越大。但是在閃光時，工件的焊接端面部位溫度最高，是最先被消耗的部位，這部分 金屬會伴隨著閃光被噴射出去，帶走大量的熱量。所以當功率越大時，閃光越劇烈，這時閃 光燒損速度高、傳熱速度小，工件上形成的溫度梯度大，頂鍛時，可塑性變形區域較小，從而 導致出現虛焊現象（即"焊不實"），而且工件截面面積越大，這一現象越明顯。因此，對于 β相鈦合金大截面環件一般需要采用減小閃光強度、延長閃光時間來建立合適的溫度場。 但是閃光強度太小、閃光時間太長會導致建立的溫度場過于平緩、熱影響區較寬，即高溫糊 狀區以及高溫組織粗化區較寬。在頂鍛時，由于其頂鍛行程是固定的，這些高溫糊狀區的金 屬在有限的頂鍛行程內不能被全部頂出基體，這些未被頂出的高溫糊狀金屬在焊接完成后 的冷卻過程中的熱應力以及在后續校形過程中的脹形力作用下，容易形成裂紋。高溫組織 粗化區的金屬也會因為得不到足夠的變形，不能充分的再結晶，而導致晶粒度不合格，使工 件報廢。
[0004] 2012年6月20日公開的中國發明專利說明書CN 102500899 A公開了一種使用 預熱閃光對焊生產軸梁的方法，該方法包括工件裝夾、預閃光、預熱、閃光、頂鍛、加熱保壓 以及拆卸工件等步驟，具體是將工件裝夾好后，接通電源進行預閃光，閃光余量達到預設值 后，再以設定的預熱脈沖對工件進行預熱，然后再分階段對其進行閃光，每個階段的閃光速 度和閃光余量都是固定的，之后，立即頂鍛，并對工件施加設定的壓力進行保壓并通電加 熱，一段時間后，取出工件。該方法雖然能夠實現軸梁的閃光焊成形，但是也僅限于Q345 等普通材料的閃光焊，對于β相鈦合金這類傳熱速度較慢的材料，不容易形成合適的溫度 場，所以這種方法并不適用。
[0005] 2000年4月在中國雜志《電焊機》的第30卷第4期發布了一篇由黃華剛等人撰寫 的名為"大截面工件預熱閃光焊工藝研宄"的論文，該論文記載了一種大截面工件預熱閃光 焊的工藝，工件經過閃平和預熱工序后，在工件端面沿軸向建立溫度場，在閃光過程中通過 繼續輸入熱量，調整溫度場。這種方法雖然能夠形成溫度場，但是并沒有公開具體的工藝參 數，而且該方法采用的是通過斷續地預熱來建立溫度場，閃光過程來調整溫度場，因此該過 程是不連續的，形成的溫度場不穩定，會對焊接質量造成一定的影響。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是提供一種在連續的閃光過程中建立一個穩定、合理的 溫度場，保證頂鍛過程中高溫糊狀區的金屬能夠全部被頂出基體，高溫組織粗化區的金屬 能夠發生充分的塑性變形，通過回復再結晶細化晶粒，從而實現β相鈦合金大截面環件的 閃光焊成形，該方法能夠提高焊接質量。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明所述β相鈦合金大截面環件的閃光焊成形方法，其 技術方案包括以下步驟：
[0008] 將帶開口的β相鈦合金大截面環坯的左端固定在左夾具上，右端固定在右夾具 上；設定閃光焊機的工作功率為P = 380KVA~950KVA，電流Itl= 45ΚΑ~55ΚΑ，接通電源， 這時兩端開口處存在較大的距離，電流會從環坯的左端經過環坯的背部達到環坯的右端形 成環流，環坯具有電阻，電流經過環坯時，對環坯進行加熱，一段時間之后，環坯的左端和右 端均被加熱到T tl= 250~300°C，有利于后續閃光過程中形成溫度場；
[0009] 調整電流為I = 20KA~30KA，使閃光過程能夠保持在低強度持續進行，此時，環 坯的閃光燒損速度Vtl= 〇. 58mm/s~0. 92mm/s ;驅動右夾具使環坯的右端以和環坯的閃光 燒損速度Vci相等的進給速度V向左端靠近，當左、右兩端的距離< 10.0 Omm時，電流從左端 經過開口處達到右端，此時，在開口處會產生大量的熱量，熔化左、右兩端面金屬，形成液體 過梁并發生爆破后高速向外噴射形成閃光，由于環坯的閃光燒損速度較低，要小于熱量傳 遞速度，閃光產生的熱量能夠充分沿環坯軸向傳遞到遠端，而右端向左端的進給速度與環 坯的閃光燒損速度相等，所以兩端始終保持在< 10.0 Omm的距離不變，閃光過程持續t = 4s ~6s ;
[0010] 瞬時將進給速度提升到5. 80mm/s~9. 20mm/s，同時將電流調整為I1= 60KA~ 75KA，此時，環坯的閃光燒損速度為I. 63mm/s~2. 02mm/s，使開口處發生劇烈的閃光，產生 大量的金屬蒸汽，為后續頂鍛時形成保護層，該過程反應劇烈，反應時間較短，左、右兩端高 溫部分被燒損了一段長度為d Q= 2. 12mm~4. 40mm的金屬材料，而閃光產生的熱量卻來不 及向遠端傳遞，并最終形成頂鍛所需的溫度場，左、右兩端溫度高于T1= 1220°C部分的β 相鈦合金呈高溫糊狀，左、右兩端溫度在T2=SSiTCwT1= 1220°C之間時，β相鈦合金呈 高溫組織粗化狀，閃光過程完成；
[0011] 根據閃光過程形成的溫度場可以計算出高溫糊狀區的長度為Cl1= 6. OOmm~ 8. 00_，高溫組織粗化區的長度為d2= 10.0 Omm~12. 00_，因此可以設定頂鍛時的頂鍛距 離為D = 8. OOmm~14. OOmm ;在閃光過程完成的瞬間，以25KN~50KN的頂鍛力對環坯的 左、右兩端進行頂鍛，使環坯的左、右兩端的高溫糊狀區的金屬完全頂鍛出去，并使高溫組 織粗化區的金屬能夠發生20%~50%的變形；
[0012] 所述大截面環件在頂鍛力的作用下保壓15s~25s后從焊機上拆卸出來。
[0013] 所述閃光過程形成的溫度場的數學表達式為：
【主權項】
1. ー種e相鈦合金大截面環件的閃光焊成形方法，其特征在于，包括以下步驟： 將帶開ロ的e相鈦合金大截面環坯的左端固定在左夾具上，右端固定在右夾具上；設 定閃光焊機的工作功率為P= 380KVA~950KVA，電流Itl= 45KA~55KA，接通電源，電流會 從環坯的左端經過環坯的背部達到環坯的右端形成環流，對環坯進行加熱，一段時間之后， 環坯的左端和右端均被加熱到Ttl= 250~300°C; 調整電流為I= 20KA~30KA，使閃光過程能夠保持在低強度持續進行，此時，環坯的 閃光燒損速度Vtl= 0. 58mm/s~0. 92mm/s;驅動右夾具使環還的右端以和環還的閃光燒損 速度Vtl相等的進給速度V向左端靠近，當左、右兩端的距離< 10.OOmm時，電流從左端經過 開ロ處達到右端，并且在開ロ處會產生大量的熱量，熔化左、右兩端面金屬，形成液體過梁 并發生爆破后高速向外噴射形成閃光，此時，環坯的閃光燒損速度較低，要小于熱量傳遞速 度，閃光產生的熱量能夠充分沿環坯軸向傳遞到遠端，而右端向左端的進給速度與環坯的 閃光燒損速度相等，使兩端始終保持在< 10.OOmm的距離不變，閃光過程持續t= 4s~6s; 瞬時將進給速度提升到5. 80mm/s~9. 20mm/s，同時將電流調整為I1= 60KA~75KA， 此時，環還的閃光燒損速度為I. 63mm/s~2. 02mm/s，使開ロ處發生劇烈的閃光，產生大量 的金屬蒸汽，為后續頂鍛時形成保護層，該過程反應劇烈，反應時間較短，左、右兩端高溫部 分被燒損了一段長度為dQ= 2. 12mm~4. 40mm的金屬材料，而閃光產生的熱量卻來不及向 遠端傳遞，并最終形成頂鍛所需的溫度場，左、右兩端溫度高于1220°C部分的0相鈦合金 呈高溫糊狀，左、右兩端溫度在880°C~1220°C之間時，0相鈦合金呈高溫組織粗化狀，閃 光過程完成； 根據閃光過程形成的溫度場可以計算出高溫糊狀區的長度為(I1= 6.OOmm~8. 00_， 高溫組織粗化區的長度為d2= 10.OOmm~12. 00_，因此可以設定頂鍛時的頂鍛距離為D =8.OOmm~14.OOmm;在閃光過程完成的瞬間，以25KN~50KN的頂鍛カ對環坯的左、右兩 端進行頂鍛，使環坯的左、右兩端的高溫糊狀區的金屬完全頂鍛出去，并使高溫組織粗化區 的金屬能夠發生20 %~50 %的變形； 所述大截面環件在頂鍛カ的作用下保壓15s~25s后從焊機上拆卸出來。
2. 根據權利要求1所述的e相鈦合金大截面環件的閃光焊成形方法，其特征在于，所 述0相鈦合金為TB2合金。
3. 根據權利要求1或2所述的e相鈦合金大截面環件的閃光焊成形方法，其特征在 于，所述閃光過程形成的溫度場的數學表達式為：
其中，T(X)為距離端面X處的溫度；n為因閃光而損失的熱量比率；P為閃光時的工作 功率；I為閃光時的工作電流；pT為電導率；L為環件的周長；S為環件的橫截面積；Cltl為強 閃光時燒損長度；V為弱閃光時的閃光燒損速度；t為弱閃光的時間；A為熱導率；Ttl為預 熱溫度；C為熱容；P為材料密度。
4. 根據權利要求1或2所述的e相鈦合金大截面環件的閃光焊成形方法，其特征在 于，所述頂鍛距離的計算公式如下： D= 4+(0. 2 ~0? 5)d2 式中： も為高溫糊狀區的長度； (12為高溫組織粗化區的長度。
【專利摘要】本發明公開了一種β相鈦合金大截面環件的閃光焊成形方法，其步驟為：先將帶開口的β相鈦合金大截面環坯固定在夾具上，接通電源，使電流從左端經過背部達到右端形成環流，進行預熱；再驅動右端向左端靠近，進行弱閃光；再提高進給速度，調整電流，進行強閃光，形成溫度場；再根據溫度場，計算出高溫糊狀區和高溫組織粗化區的長度，從而確定頂鍛距離，進行頂鍛；再保壓一段時間。該方法能夠形成穩定、合理的溫度場，并能夠保證頂鍛過程中高溫糊狀區的金屬能夠全部被頂出基體，高溫組織粗化區的金屬能夠發生充分的塑性變形，通過回復再結晶細化晶粒，獲得質量優良的閃光焊環件。該方法用于截面積較大環件閃光焊成形。
【IPC分類】B23K11-34, B23K11-04
【公開號】CN104625371
【申請號】CN201410775531
【發明人】葉俊青, 梁宇, 程治, 蘇榮智, 陳元奎
【申請人】貴州安大航空鍛造有限責任公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月15日