钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种焊接方法，特别是涉及了钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形 方法。
【背景技术】
[0002] 闪光焊是一种固态焊接，通过闪光在工件的两个焊接端面形成一定的温度场，再 通过顶锻力的作用将工件焊接起来。因此，温度场与顶锻参数的合理配合是实现优质焊接 的关键，合适的温度场能够为金属原子提供合适的扩散激活能，加速顶锻变形过程中两端 原子的相互扩散，同时满足顶锻过程金属塑性变形的需求，而温度场的建立主要由闪光阶 段所决定。通过闪光过程形成的温度场，主要分为两个部分：高温糊状区和高温组织粗化 区。在顶锻过程中，高温糊状区的金属被顶出基体；高温组织粗化区的金属在顶锻力的作用 下发生塑性变形，形成晶粒均匀细小的组织。
[0003] 对于钴基高温合金材料，由于其热传导性差，如果没有足够的时间使闪光过程端 面上产生的热量向内部传递，实际上是很难建立合适的温度场。尤其是对于钴基高温合金 大截面环件的闪光焊成形，正常来说，工件的焊接端面的截面积越大，闪光对焊机所需要提 供的功率也越大。但是在闪光时，工件的焊接端面部位温度最高，是最先被消耗的部位，这 部分金属会伴随着闪光被喷射出去，带走大量的热量。所以当功率越大时，闪光越剧烈，这 时闪光烧损速度高、传热速度小，工件上形成的温度梯度大，顶锻时，可塑性变形区域较小， 从而导致出现虚焊现象（即"焊不实")，而且工件截面面积越大，这一现象越明显。因此，对 于钴基高温合金大截面环件一般需要采用减小闪光强度、延长闪光时间来建立合适的温度 场。但是闪光强度太小、闪光时间太长会导致建立的温度场过于平缓、热影响区较宽，即高 温糊状区以及高温组织粗化区较宽。在顶锻时，由于其顶锻行程是固定的，这些高温糊状区 的金属在有限的顶锻行程内不能被全部顶出基体，这些未被顶出的高温糊状金属在焊接完 成后的冷却过程中的热应力以及在后续校形过程中的胀形力作用下，容易形成裂纹。高温 组织粗化区的金属也会因为得不到足够的变形，不能充分的再结晶，而导致晶粒度不合格， 使工件报废。
[0004] 2012年6月20日公开的中国发明专利说明书CN 102500899 A公开了一种使用 预热闪光对焊生产轴梁的方法，该方法包括工件装夹、预闪光、预热、闪光、顶锻、加热保压 以及拆卸工件等步骤，具体是将工件装夹好后，接通电源进行预闪光，闪光余量达到预设值 后，再以设定的预热脉冲对工件进行预热，然后再分阶段对其进行闪光，每个阶段的闪光速 度和闪光余量都是固定的，之后，立即顶锻，并对工件施加设定的压力进行保压并通电加 热，一段时间后，取出工件。该方法虽然能够实现轴梁的闪光焊成形，但是也仅限于Q345等 普通材料的闪光焊，对于钴基高温合金这类传热速度较慢的材料，不容易形成合适的温度 场，所以这种方法并不适用。
[0005] 2000年4月在中国杂志《电焊机》的第30卷第4期发布了一篇由黄华刚等人撰写 的名为"大截面工件预热闪光焊工艺研宄"的论文，该论文记载了一种大截面工件预热闪光 焊的工艺，工件经过闪平和预热工序后，在工件端面沿轴向建立温度场，在闪光过程中通过 继续输入热量，调整温度场。这种方法虽然能够形成温度场，但是并没有公开具体的工艺参 数，而且该方法采用的是通过断续地预热来建立温度场，闪光过程来调整温度场，因此该过 程是不连续的，形成的温度场不稳定，会对焊接质量造成一定的影响。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种在连续的闪光过程中建立一个稳定、合理的 温度场，保证顶锻过程中高温糊状区的金属能够全部被顶出基体，高温组织粗化区的金属 能够发生充分的塑性变形，通过回复再结晶细化晶粒，从而实现钴基高温合金大截面环件 的闪光焊成形，该方法能够提高焊接质量。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所述钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形方法， 其技术方案包括以下步骤：
[0008] 将带开口的钴基高温合金大截面环坯的左端固定在左夹具上，右端固定在右夹具 上；设定闪光焊机的工作功率为P = 420KVA?980KVA，电流Itl= 45KA?55KA，接通电源， 这时两端开口处存在较大的距离，电流会从环坯的左端经过环坯的背部达到环坯的右端形 成环流，环坯具有电阻，电流经过环坯时，对环坯进行加热，一段时间之后，环坯的左端和右 端均被加热到T tl= 250?300°C，有利于后续闪光过程中形成温度场；
[0009] 调整电流为I = 20KA?30KA，使闪光过程能够保持在低强度持续进行，此时，环坯 的闪光烧损速度Vtl= 〇. 48mm/s?0. 74mm/s ;驱动右夹具使环坯的右端以和环坯的闪光烧 损速度Vci相等的进给速度V向左端靠近，当左、右两端的距离< 8. OOmm时，电流从左端经 过开口处达到右端，此时，在开口处会产生大量的热量，熔化左、右两端面金属，形成液体过 梁并发生爆破后高速向外喷射形成闪光，由于环坯的闪光烧损速度较低，要小于热量传递 速度，闪光产生的热量能够充分沿环坯轴向传递到远端，而右端向左端的进给速度与环坯 的闪光烧损速度相等，所以两端始终保持在< 8. OOmm的距离不变，闪光过程持续t = 6s? 8s ；
[0010] 瞬时将进给速度提升到4. 80mm/s?7. 40mm/s，同时将电流调整为I1= 60KA? 75KA，此时，环还的闪光烧损速度为I. 34mm/s?I. 63mm/s，使开口处发生剧烈的闪光，产生 大量的金属蒸汽，为后续顶锻时形成保护层，该过程反应剧烈，反应时间较短，左、右两端高 温部分被烧损了一段长度为(I tl= 2. 36mm?3. 75mm的金属材料，而闪光产生的热量却来不 及向远端传递，并最终形成顶锻所需的温度场，左、右两端温度高于T1= 1320°C部分的钴基 高温合金呈高温糊状，左、右两端温度在！^= 1150°〇?1\= 1320°C之间时，钴基高温合金 呈高温组织粗化状，闪光过程完成；
[0011] 根据闪光过程形成的温度场可以计算出高温糊状区的长度为Cl1= 6. OOmm? 8. 00_，高温组织粗化区的长度为d2= 10. OOmm?12. 00_，因此可以设定顶锻时的顶锻距 离为D = 8. OOmm?14. OOmm ;在闪光过程完成的瞬间，以30KN?60KN的顶锻力对环坯的 左、右两端进行顶锻，使环坯的左、右两端的高温糊状区的金属完全顶锻出去，并使高温组 织粗化区的金属能够发生20%?50%的变形；
[0012] 所述大截面环件在顶锻力的作用下保压15s?25s后从焊机上拆卸出来。
[0013] 所述闪光过程形成的温度场的数学表达式为：
[0014]
【主权项】
1. 一种钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在于，包括以下步骤： 将带开口的钴基高温合金大截面环坯的左端固定在左夹具上，右端固定在右夹具上； 设定闪光焊机的工作功率为P= 420KVA?980KVA，电流、=45KA?55KA，接通电源，电 流会从环坯的左端经过环坯的背部达到环坯的右端形成环流，对环坯进行加热，一段时间 之后，环坯的左端和右端均被加热到250?300°C; 调整电流为I= 20KA?30KA，使闪光过程能够保持在低强度持续进行，此时，环坯的闪 光烧损速度￥(!= 0. 48mm/s?0. 74mm/s;驱动右夹具使环还的右端以和环还的闪光烧损速 度％相等的进给速度v向左端靠近，当左、右两端的距离< 8. 00mm时，电流从左端经过开口 处达到右端，并且在开口处会产生大量的热量，熔化左、右两端面金属，形成液体过梁并发 生爆破后高速向外喷射形成闪光，此时，环坯的闪光烧损速度较低，要小于热量传递速度， 闪光产生的热量能够充分沿环坯轴向传递到远端，而右端向左端的进给速度与环坯的闪光 烧损速度相等，使两端始终保持在< 8. 00mm的距离不变，闪光过程持续t= 6s?8s; 瞬时将进给速度提升到4. 80mm/s?7. 40mm/s，同时将电流调整为I1= 60KA?75KA， 此时，环还的闪光烧损速度为1. 34mm/s?1. 63mm/s，使开口处发生剧烈的闪光，产生大量 的金属蒸汽，为后续顶锻时形成保护层，该过程反应剧烈，反应时间较短，左、右两端高温部 分被烧损了一段长度为dQ= 2. 36mm?3. 75mm的金属材料，而闪光产生的热量却来不及向 远端传递，并最终形成顶锻所需的温度场，左、右两端温度高于1320°C部分的钴基高温合金 呈高温糊状，左、右两端温度在1150°C?1320°C之间时，钴基高温合金呈高温组织粗化状， 闪光过程完成； 根据闪光过程形成的温度场可以计算出高温糊状区的长度为屯=6. 00mm?8. 00_， 高温组织粗化区的长度为d2= 10. 00mm?12. 00_，因此可以设定顶锻时的顶锻距离为D =8. 00mm?14. 00mm;在闪光过程完成的瞬间，以30KN?60KN的顶锻力对环坯的左、右两 端进行顶锻，使环坯的左、右两端的高温糊状区的金属完全顶锻出去，并使高温组织粗化区 的金属能够发生20%?50%的变形； 所述大截面环件在顶锻力的作用下保压15s?25s后从焊机上拆卸出来。
2. 根据权利要求1所述的钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在于， 所述钴基高温合金为GH188合金。
3. 根据权利要求1或2所述的钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在 于，所述闪光过程形成的温度场的数学表达式为：
其中，T(x)为距离端面x处的温度；n为因闪光而损失的热量比率；P为闪光时的工作 功率；I为闪光时的工作电流；pT为电导率；L为环件的周长；S为环件的横截面积；L为强 闪光时烧损长度；v为弱闪光时的闪光烧损速度；t为弱闪光的时间；A为热导率；L为预 热温度；C为热容；P为材料密度。
4. 根据权利要求1或2所述的钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形方法，其特征在 于，所述顶锻距离的计算公式如下： D= (!，(0? 2 ?0? 5)d2 式中： 屯为高温糊状区的长度；d2为高温组织粗化区的长度。
【专利摘要】本发明公开了一种钴基高温合金大截面环件的闪光焊成形方法，其步骤为：先将带开口的钴基高温合金大截面环坯固定在夹具上，接通电源，使电流从左端经过背部达到右端形成环流，进行预热；再驱动右端向左端靠近，进行弱闪光；再提高进给速度，调整电流，进行强闪光，形成温度场；再根据温度场，计算出高温糊状区和高温组织粗化区的长度，从而确定顶锻距离，进行顶锻；再保压一段时间。该方法能够形成稳定、合理的温度场，并能够保证顶锻过程中高温糊状区的金属能够全部被顶出基体，高温组织粗化区的金属能够发生充分的塑性变形，通过回复再结晶细化晶粒，获得质量优良的闪光焊环件。该方法用于截面积较大环件闪光焊成形。
【IPC分类】B23K11-34, B23K11-04, B23K11-24, B23K11-36
【公开号】CN104607782
【申请号】CN201410777768
【发明人】江飞龙, 占立水, 张钢丰, 高先模, 杨亚平
【申请人】贵州安大航空锻造有限责任公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月15日