鈷基高溫合金大截面環(huán)件的閃光焊成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊接方法，特別是涉及了鈷基高溫合金大截面環(huán)件的閃光焊成形 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 閃光焊是一種固態(tài)焊接，通過閃光在工件的兩個(gè)焊接端面形成一定的溫度場(chǎng)，再 通過頂鍛力的作用將工件焊接起來(lái)。因此，溫度場(chǎng)與頂鍛參數(shù)的合理配合是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接 的關(guān)鍵，合適的溫度場(chǎng)能夠?yàn)榻饘僭犹峁┖线m的擴(kuò)散激活能，加速頂鍛變形過程中兩端 原子的相互擴(kuò)散，同時(shí)滿足頂鍛過程金屬塑性變形的需求，而溫度場(chǎng)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(chǎng)，主要分為兩個(gè)部分：高溫糊狀區(qū)和高溫組織粗化 區(qū)。在頂鍛過程中，高溫糊狀區(qū)的金屬被頂出基體；高溫組織粗化區(qū)的金屬在頂鍛力的作用 下發(fā)生塑性變形，形成晶粒均勻細(xì)小的組織。
[0003] 對(duì)于鈷基高溫合金材料，由于其熱傳導(dǎo)性差，如果沒有足夠的時(shí)間使閃光過程端 面上產(chǎn)生的熱量向內(nèi)部傳遞，實(shí)際上是很難建立合適的溫度場(chǎng)。尤其是對(duì)于鈷基高溫合金 大截面環(huán)件的閃光焊成形，正常來(lái)說，工件的焊接端面的截面積越大，閃光對(duì)焊機(jī)所需要提 供的功率也越大。但是在閃光時(shí)，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(huì)伴隨著閃光被噴射出去，帶走大量的熱量。所以當(dāng)功率越大時(shí)，閃光越劇烈，這 時(shí)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(shí)，可塑性變形區(qū)域較小， 從而導(dǎo)致出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象（即"焊不實(shí)")，而且工件截面面積越大，這一現(xiàn)象越明顯。因此，對(duì) 于鈷基高溫合金大截面環(huán)件一般需要采用減小閃光強(qiáng)度、延長(zhǎng)閃光時(shí)間來(lái)建立合適的溫度 場(chǎng)。但是閃光強(qiáng)度太小、閃光時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致建立的溫度場(chǎng)過于平緩、熱影響區(qū)較寬，即高 溫糊狀區(qū)以及高溫組織粗化區(qū)較寬。在頂鍛時(shí)，由于其頂鍛行程是固定的，這些高溫糊狀區(qū) 的金屬在有限的頂鍛行程內(nèi)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(yīng)力以及在后續(xù)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(qū)的金屬也會(huì)因?yàn)榈貌坏阶銐虻淖冃?，不能充分的再結(jié)晶，而導(dǎo)致晶粒度不合格， 使工件報(bào)廢。
[0004] 2012年6月20日公開的中國(guó)發(fā)明專利說明書CN 102500899 A公開了一種使用 預(yù)熱閃光對(duì)焊生產(chǎn)軸梁的方法，該方法包括工件裝夾、預(yù)閃光、預(yù)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(jìn)行預(yù)閃光，閃光余量達(dá)到預(yù)設(shè)值 后，再以設(shè)定的預(yù)熱脈沖對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，然后再分階段對(duì)其進(jìn)行閃光，每個(gè)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(duì)工件施加設(shè)定的壓力進(jìn)行保壓并通電加 熱，一段時(shí)間后，取出工件。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)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(duì)于鈷基高溫合金這類傳熱速度較慢的材料，不容易形成合適的溫度 場(chǎng)，所以這種方法并不適用。
[0005] 2000年4月在中國(guó)雜志《電焊機(jī)》的第30卷第4期發(fā)布了一篇由黃華剛等人撰寫 的名為"大截面工件預(yù)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(yù)熱閃光 焊的工藝，工件經(jīng)過閃平和預(yù)熱工序后，在工件端面沿軸向建立溫度場(chǎng)，在閃光過程中通過 繼續(xù)輸入熱量，調(diào)整溫度場(chǎng)。這種方法雖然能夠形成溫度場(chǎng)，但是并沒有公開具體的工藝參 數(shù)，而且該方法采用的是通過斷續(xù)地預(yù)熱來(lái)建立溫度場(chǎng)，閃光過程來(lái)調(diào)整溫度場(chǎng)，因此該過 程是不連續(xù)的，形成的溫度場(chǎng)不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種在連續(xù)的閃光過程中建立一個(gè)穩(wěn)定、合理的 溫度場(chǎng)，保證頂鍛過程中高溫糊狀區(qū)的金屬能夠全部被頂出基體，高溫組織粗化區(qū)的金屬 能夠發(fā)生充分的塑性變形，通過回復(fù)再結(jié)晶細(xì)化晶粒，從而實(shí)現(xiàn)鈷基高溫合金大截面環(huán)件 的閃光焊成形，該方法能夠提高焊接質(zhì)量。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所述鈷基高溫合金大截面環(huán)件的閃光焊成形方法， 其技術(shù)方案包括以下步驟：
[0008] 將帶開口的鈷基高溫合金大截面環(huán)坯的左端固定在左夾具上，右端固定在右夾具 上；設(shè)定閃光焊機(jī)的工作功率為P = 420KVA?980KVA，電流Itl= 45KA?55KA，接通電源， 這時(shí)兩端開口處存在較大的距離，電流會(huì)從環(huán)坯的左端經(jīng)過環(huán)坯的背部達(dá)到環(huán)坯的右端形 成環(huán)流，環(huán)坯具有電阻，電流經(jīng)過環(huán)坯時(shí)，對(duì)環(huán)坯進(jìn)行加熱，一段時(shí)間之后，環(huán)坯的左端和右 端均被加熱到T tl= 250?300°C，有利于后續(xù)閃光過程中形成溫度場(chǎng)；
[0009] 調(diào)整電流為I = 20KA?30KA，使閃光過程能夠保持在低強(qiáng)度持續(xù)進(jìn)行，此時(shí)，環(huán)坯 的閃光燒損速度Vtl= 〇. 48mm/s?0. 74mm/s ;驅(qū)動(dòng)右夾具使環(huán)坯的右端以和環(huán)坯的閃光燒 損速度Vci相等的進(jìn)給速度V向左端靠近，當(dāng)左、右兩端的距離< 8. OOmm時(shí)，電流從左端經(jīng) 過開口處達(dá)到右端，此時(shí)，在開口處會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熔化左、右兩端面金屬，形成液體過 梁并發(fā)生爆破后高速向外噴射形成閃光，由于環(huán)坯的閃光燒損速度較低，要小于熱量傳遞 速度，閃光產(chǎn)生的熱量能夠充分沿環(huán)坯軸向傳遞到遠(yuǎn)端，而右端向左端的進(jìn)給速度與環(huán)坯 的閃光燒損速度相等，所以兩端始終保持在< 8. OOmm的距離不變，閃光過程持續(xù)t = 6s? 8s ；
[0010] 瞬時(shí)將進(jìn)給速度提升到4. 80mm/s?7. 40mm/s，同時(shí)將電流調(diào)整為I1= 60KA? 75KA，此時(shí)，環(huán)還的閃光燒損速度為I. 34mm/s?I. 63mm/s，使開口處發(fā)生劇烈的閃光，產(chǎn)生 大量的金屬蒸汽，為后續(xù)頂鍛時(shí)形成保護(hù)層，該過程反應(yīng)劇烈，反應(yīng)時(shí)間較短，左、右兩端高 溫部分被燒損了一段長(zhǎng)度為(I tl= 2. 36mm?3. 75mm的金屬材料，而閃光產(chǎn)生的熱量卻來(lái)不 及向遠(yuǎn)端傳遞，并最終形成頂鍛所需的溫度場(chǎng)，左、右兩端溫度高于T1= 1320°C部分的鈷基 高溫合金呈高溫糊狀，左、右兩端溫度在！^= 1150°〇?1\= 1320°C之間時(shí)，鈷基高溫合金 呈高溫組織粗化狀，閃光過程完成；
[0011] 根據(jù)閃光過程形成的溫度場(chǎng)可以計(jì)算出高溫糊狀區(qū)的長(zhǎng)度為Cl1= 6. OOmm? 8. 00_，高溫組織粗化區(qū)的長(zhǎng)度為d2= 10. OOmm?12. 00_，因此可以設(shè)定頂鍛時(shí)的頂鍛距 離為D = 8. OOmm?14. OOmm ;在閃光過程完成的瞬間，以30KN?60KN的頂鍛力對(duì)環(huán)坯的 左、右兩端進(jìn)行頂鍛，使環(huán)坯的左、右兩端的高溫糊狀區(qū)的金屬完全頂鍛出去，并使高溫組 織粗化區(qū)的金屬能夠發(fā)生20%?50%的變形；
[0012] 所述大截面環(huán)件在頂鍛力的作用下保壓15s?25s后從焊機(jī)上拆卸出來(lái)。
[0013] 所述閃光過程形成的溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0014]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鈷基高溫合金大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其特征在于，包括以下步驟： 將帶開口的鈷基高溫合金大截面環(huán)坯的左端固定在左夾具上，右端固定在右夾具上； 設(shè)定閃光焊機(jī)的工作功率為P= 420KVA?980KVA，電流、=45KA?55KA，接通電源，電 流會(huì)從環(huán)坯的左端經(jīng)過環(huán)坯的背部達(dá)到環(huán)坯的右端形成環(huán)流，對(duì)環(huán)坯進(jìn)行加熱，一段時(shí)間 之后，環(huán)坯的左端和右端均被加熱到250?300°C; 調(diào)整電流為I= 20KA?30KA，使閃光過程能夠保持在低強(qiáng)度持續(xù)進(jìn)行，此時(shí)，環(huán)坯的閃 光燒損速度￥(!= 0. 48mm/s?0. 74mm/s;驅(qū)動(dòng)右夾具使環(huán)還的右端以和環(huán)還的閃光燒損速 度％相等的進(jìn)給速度v向左端靠近，當(dāng)左、右兩端的距離< 8. 00mm時(shí)，電流從左端經(jīng)過開口 處達(dá)到右端，并且在開口處會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熔化左、右兩端面金屬，形成液體過梁并發(fā) 生爆破后高速向外噴射形成閃光，此時(shí)，環(huán)坯的閃光燒損速度較低，要小于熱量傳遞速度， 閃光產(chǎn)生的熱量能夠充分沿環(huán)坯軸向傳遞到遠(yuǎn)端，而右端向左端的進(jìn)給速度與環(huán)坯的閃光 燒損速度相等，使兩端始終保持在< 8. 00mm的距離不變，閃光過程持續(xù)t= 6s?8s; 瞬時(shí)將進(jìn)給速度提升到4. 80mm/s?7. 40mm/s，同時(shí)將電流調(diào)整為I1= 60KA?75KA， 此時(shí)，環(huán)還的閃光燒損速度為1. 34mm/s?1. 63mm/s，使開口處發(fā)生劇烈的閃光，產(chǎn)生大量 的金屬蒸汽，為后續(xù)頂鍛時(shí)形成保護(hù)層，該過程反應(yīng)劇烈，反應(yīng)時(shí)間較短，左、右兩端高溫部 分被燒損了一段長(zhǎng)度為dQ= 2. 36mm?3. 75mm的金屬材料，而閃光產(chǎn)生的熱量卻來(lái)不及向 遠(yuǎn)端傳遞，并最終形成頂鍛所需的溫度場(chǎng)，左、右兩端溫度高于1320°C部分的鈷基高溫合金 呈高溫糊狀，左、右兩端溫度在1150°C?1320°C之間時(shí)，鈷基高溫合金呈高溫組織粗化狀， 閃光過程完成； 根據(jù)閃光過程形成的溫度場(chǎng)可以計(jì)算出高溫糊狀區(qū)的長(zhǎng)度為屯=6. 00mm?8. 00_， 高溫組織粗化區(qū)的長(zhǎng)度為d2= 10. 00mm?12. 00_，因此可以設(shè)定頂鍛時(shí)的頂鍛距離為D =8. 00mm?14. 00mm;在閃光過程完成的瞬間，以30KN?60KN的頂鍛力對(duì)環(huán)坯的左、右兩 端進(jìn)行頂鍛，使環(huán)坯的左、右兩端的高溫糊狀區(qū)的金屬完全頂鍛出去，并使高溫組織粗化區(qū) 的金屬能夠發(fā)生20%?50%的變形； 所述大截面環(huán)件在頂鍛力的作用下保壓15s?25s后從焊機(jī)上拆卸出來(lái)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷基高溫合金大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其特征在于， 所述鈷基高溫合金為GH188合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈷基高溫合金大截面環(huán)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(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)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(shí)的工作 功率；I為閃光時(shí)的工作電流；pT為電導(dǎo)率；L為環(huán)件的周長(zhǎng)；S為環(huán)件的橫截面積；L為強(qiáng) 閃光時(shí)燒損長(zhǎng)度；v為弱閃光時(shí)的閃光燒損速度；t為弱閃光的時(shí)間；A為熱導(dǎo)率；L為預(yù) 熱溫度；C為熱容；P為材料密度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈷基高溫合金大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其特征在 于，所述頂鍛距離的計(jì)算公式如下： D= (!，(0? 2 ?0? 5)d2 式中： 屯為高溫糊狀區(qū)的長(zhǎng)度；d2為高溫組織粗化區(qū)的長(zhǎng)度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈷基高溫合金大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其步驟為：先將帶開口的鈷基高溫合金大截面環(huán)坯固定在夾具上，接通電源，使電流從左端經(jīng)過背部達(dá)到右端形成環(huán)流，進(jìn)行預(yù)熱；再驅(qū)動(dòng)右端向左端靠近，進(jìn)行弱閃光；再提高進(jìn)給速度，調(diào)整電流，進(jìn)行強(qiáng)閃光，形成溫度場(chǎng)；再根據(jù)溫度場(chǎng)，計(jì)算出高溫糊狀區(qū)和高溫組織粗化區(qū)的長(zhǎng)度，從而確定頂鍛距離，進(jìn)行頂鍛；再保壓一段時(shí)間。該方法能夠形成穩(wěn)定、合理的溫度場(chǎng)，并能夠保證頂鍛過程中高溫糊狀區(qū)的金屬能夠全部被頂出基體，高溫組織粗化區(qū)的金屬能夠發(fā)生充分的塑性變形，通過回復(fù)再結(jié)晶細(xì)化晶粒，獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的閃光焊環(huán)件。該方法用于截面積較大環(huán)件閃光焊成形。
【IPC分類】B23K11-34, B23K11-04, B23K11-24, B23K11-36
【公開號(hào)】CN104607782
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410777768
【發(fā)明人】江飛龍, 占立水, 張鋼豐, 高先模, 楊亞平
【申請(qǐng)人】貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月15日