一种搅拌摩擦辅助钛合金电弧焊的焊接方法

1.本发明属于焊接领域，涉及一种电弧焊的钛合金焊接方法，具体涉及一种搅拌摩擦辅助钛合金电弧焊的焊接方法。


背景技术：

2.钛合金是二十世纪中叶发展起来的一种重要结构金属，因其具有比强度高、耐热耐腐蚀性优异及生物相容性良好等特点，广泛地应用于航空航天、石油化工、船舶重工等领域。焊接作为生产制造的重要途径，钛合金常用的焊接方法有电子束焊、激光焊，然而这些钛合金焊接方法都各自存在局限性。例如，电子束焊由于快速升温迅速冷却使得接头和母材性能难以实现等强度匹配，尤其是焊缝热影响区冷却速度较快，韧性略低。大功率的电子束焊接使得焊缝金属元素存在严重的烧损现象，焊缝成分的不均匀性对接头组织和性能的影响较大。电子束焊对于工况环境的要求极高，很难实现真空下的大尺寸钛合金构件焊接，还会大大增加生产制造成本。激光焊接技术对待焊接工件加工精度和装配精度要求高，在焊接过程中，激光需要和待焊接位置实现精准校对，以至于焊接设备造价高，焊接成本大。同时，焊接产生的等离子体会对焊接过程造成干扰，影响焊接质量。钛合金表面对激光有很强的反射作用，以至于激光能量利用率低，生产效率不高。
3.电弧焊接技术是一种低成本、易操作、应用广泛的成形连接技术，但是由于电弧焊的热输入大，焊缝高温停留时间长，应用于钛合金易形成粗大柱状晶组织，导致焊缝处晶粒粗化。另外，钛合金施焊过程中，温度在300℃以上时能快速吸氢，450℃以上时能快速吸氧，600℃以上时能快速吸氮。当熔池中侵入这些有害气体后，焊接接头的塑性和韧性都会发生明显的变化，特别是在882℃以上。在焊接时由于钛吸收氢的能力很强，而随着温度的下降氢的溶解度显著下降，所以溶解于液态金属中的氢往往来不及逸出，而形成气孔。再加上析出的氢化物体积膨胀产生的组织应力，导致裂纹产生。由于高温停留时间长，使电弧焊焊缝更易产生初始裂纹和气孔。所以，采用电弧焊接技术得到的焊接接头强度、硬度、塑性和韧性下降，过热倾向严重，接头严重脆化，更容易产生初始裂纹和气孔，使得焊缝接头性能大大降低。
4.搅拌摩擦焊(fsw)是英国焊接学会于20世纪90年代发明的一种先进的新型连接技术。许多研究表明，搅拌摩擦焊成形的焊缝具有以下优点：(1)晶粒细化，提高材料的机械性能；(2)降低残余应力，减少结构变形，且焊缝平整；(3)焊接接头成分均匀，接头内也很少出现气孔和裂纹等缺陷，降低了焊接损失，提高了焊接质量。但是，由于搅拌摩擦焊的热输入低，对于高熔点的钛合金难以实现有效焊接。
5.为突破电弧焊技术应用于钛合金成形制造时的技术瓶颈，打破钛合金主流焊接的技术局限，本专利提出了一种搅拌摩擦焊辅助电弧焊的钛合金焊接方法。该方法通过利用搅拌摩擦焊的成形优点，既能解决了电弧焊在钛合金焊接成形遇到的问题，又突出了电弧焊在钛合金焊接时的显著优势，还打了破钛合金主流焊接的技术局限。


技术实现要素：

6.本发明的目的是突破电弧焊技术应用于钛合金成形制造时的技术瓶颈、打破钛合金主流焊接的技术局限、改善钛合金电弧焊焊接接头的成形质量等问题。优化后的钛合金电弧焊焊缝接头，粗大的柱状晶被明显细化，晶胞的各向异性减小，接头的力学性能增强，且优化后的焊缝接头中的裂纹和气孔明显减少，成形表面平整，残余应力得到有效释放。焊接成形加工过程在氩气气氛室下进行，以保证焊缝质量，对焊缝中氧、氢和氮等含量加以限制，同时，防止气污染。
7.实现本发明的技术方案是：
8.一种搅拌摩擦辅助钛合金电弧焊的焊接方法，在电弧焊对钛合金焊接的同时，在其后方加入搅拌摩擦头，对已经完成了且处于高温停留状态的钛合金电弧焊焊缝，进行搅拌摩擦，其中电弧焊是钛合金的的主要焊接成形手段，而搅拌摩擦作为钛合金电弧焊的辅助强化手段，其旋转牵引机制打破焊缝间粗大柱状晶，进而改善钛合金电弧焊焊缝性能，从而提高整个钛合金工件的电弧焊接成形质量。
9.首先将带焊接表面进行清洗处理，去除表面油污、氧化层等杂质；其次将工件装夹在氩气气氛室中；最后对焊缝进行电弧焊，在距离焊枪20～50mm的位置加入搅拌摩擦装置，同时对刚成形的焊缝进行搅拌摩擦加工；
10.主要工艺参数：在氩气保护气氛室的条件下，以一定速度对钛合金焊缝进行电弧焊，在焊缝高温停留状态温度为1200～1460℃，距离焊枪20～50mm的位置加入搅拌摩擦焊装置，搅拌头转速为100～200r/min，下压量为0.1～1mm，搅拌头前进速度与焊枪速度保持一致，搅拌针长度以实际焊接深度而定；
11.电弧焊焊接电流为40～300a，焊接电压为15～25v，焊接速度为100～400mm/min；
12.搅拌头轴肩直径4～60mm，搅拌头下压量0.1～1mm，搅拌头与焊枪间距20～50mm。
13.与现有技术相比，本发明的创新点和有益效果为：
14.本发明使用的电弧焊焊接方式，是一种低成本、易操作、应用广泛的成形连接技术，可以降低其他主流钛合金焊接方式加工成本、技术要求、工况要求。
15.本发明使用的电弧焊焊接方式，是一种高热输入的焊接成形方式，可以对大厚度的钛合金工件进行焊接，突破其他主流钛合金焊接方式无法对钛合金厚板进行焊接的局限性。
16.本发明在钛合金电弧焊成形加工过程，引入搅拌摩擦焊作为辅助手段，不仅有效的降低了钛合金在电弧焊加工时的显著缺陷，同时电弧焊也解决了搅拌摩擦焊难以应用于钛合金加工过程的问题。
17.本发明利用搅拌摩擦辅助电弧焊，通过搅拌头前端搅拌针对成型后的焊缝进行搅拌，搅拌针将刚形成的粗大柱状晶打碎，使晶粒得到细化，增强钛合金电弧焊焊缝接头力学性能。
18.本发明利用搅拌摩擦的旋转牵引机制，对钛合金电弧焊产生的原始裂纹和气孔进行搅拌，使裂纹和气孔得到重新融合，大大减少了焊缝中的原始缺陷。(均匀焊缝组分)
19.本发明利用搅拌摩擦焊的顶端压力，使钛合金电弧焊成形的焊缝受到外加压力，在外加压力的作用下原本焊缝内的残余应力得到释放，焊缝平整，工件受到的残余拉应力变成压应力，进而提高焊接成形工件的质量。
附图说明
20.图1焊接过程模拟图；
21.图2焊缝内部模拟图。
具体实施方式
22.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
23.实施例1
24.本实施例提供了焊缝深度为15mm的tc4钛合金板材的搅拌摩擦辅助电弧焊的焊接方法，包括以下步骤：
25.步骤1、表面清理，焊接前对两侧各25mm以内的内外表面进行清理，先用机械方法(喷砂、砂轮打磨等)去除表面氧化皮，然后按特定的酸洗条件进行酸洗，最后用清水冲洗并烘干。
26.步骤2、工件装夹，对表面清理完后的钛合金板材进行装夹，确定焊缝的位置；
27.步骤3、焊接路径规划，通过人工编程生成焊接机器人控制程序；
28.步骤4、电弧焊焊接参数确定，利用焊接机器人，采用cmt焊机生成的电弧为热源，在待加工工件上进行焊接，焊丝选用同种tc4钛合金焊丝，焊接机器人的扫描速度为10mm/s，cmt焊机送丝速度5.5/min、电压18.5-20v、电流150-160a；
29.步骤5、搅拌摩擦加工参数确定，在电弧焊后方进行搅拌摩擦，搅拌头距离焊枪20mm，此时焊缝温度为1300-1440℃，搅拌头转速160r/min，搅拌头下压深度为1mm，前进速度为10mm/s，搅拌针长度为14mm；
30.步骤6、通入保护气体，确保保护部位气体的纯度；
31.步骤7、起弧焊接，根据规划好的路径，对钛合金板材进行焊接加工。
32.步骤8、焊接结束后滞后停气，特别是对于保护范围内的高温区，要持续保护到温度降至400℃以下。
33.步骤10、后处理，待整条焊缝焊接完成后，利用铣床将突起飞边毛刺去除，整个钛合金工件的焊接加工就结束了。
34.实施例2
35.本实施例提供了焊缝深度为1.5mm的tb8钛合金板材的搅拌摩擦辅助电弧焊的焊接方法，包括以下步骤：
36.步骤1、表面清理，焊接前对两侧各25mm以内的内外表面进行清理，先用机械方法(喷砂、砂轮打磨等)去除表面氧化皮，然后按特定的酸洗条件进行酸洗，最后用清水冲洗并烘干。
37.步骤2、工件装夹，对表面清理完后的钛合金板材进行装夹，确定焊缝的位置；
38.步骤3、焊接路径规划，通过人工编程生成焊接机器人控制程序；
39.步骤4、电弧焊焊接参数确定，进行钨极氩弧焊时，采用直流正接方式，钨极直径为2.4mm，焊接过程中焊枪、拖罩及板材背面的氩气流量固定为10l/min，焊接速度为12.6m/h，焊接电流和电压的配合分别为85a/7.8v、90a/8.4v或95a/9.0v.
40.步骤5、搅拌摩擦加工参数确定，在电弧焊后方进行搅拌摩擦，搅拌头距离焊枪20mm，此时焊缝温度为1300-1440℃，搅拌头转速80r/min，搅拌头下压深度为0.2mm，前进速度为8mm/s，搅拌针长度为1mm；
41.步骤6、通入保护气体，确保保护部位气体的纯度；
42.步骤7、起弧焊接，根据规划好的路径，对钛合金板材进行焊接加工。
43.步骤8、焊接结束后滞后停气，特别是对于保护范围内的高温区，要持续保护到温度降至400℃以下。
44.步骤10、后处理，待整条焊缝焊接完成后，利用铣床将突起飞边毛刺去除，整个钛合金工件的焊接加工就结束了。
45.以上通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。
46.本发明通过前端带有搅拌针的搅拌头对钛合金电弧焊成形接头进行充分搅拌，使焊缝内原本处于高温停留状态下快速生长的柱状晶被搅拌头打碎细化，阻止了焊缝接头内粗大柱状晶的形成，进一步改善了钛合金电弧焊焊缝的力学性能。
47.本发明通过前端带有搅拌针的搅拌头对钛合金电弧焊成形接头进行充分搅拌，使钛合金电弧焊焊接接头的偏析成分得到重新分布，而实现焊接接头成分均匀，进而增强钛合金电弧焊焊接接头力学性能。
48.本发明通过前端带有搅拌针的搅拌头对钛合金电弧焊成形接头进行充分搅拌，使钛合金在电弧焊过程中，由于氧化及气体析出产生的气孔和裂纹，在搅拌摩擦作用下重新融合，进而减少钛合金电弧焊焊接接头中原始裂纹和气孔的出现，从而提高钛合金电弧焊焊缝的成形质量。
49.本发明利用搅拌摩擦的顶端压力，使原本不平整，且存在较大残余应力的钛合金电弧焊焊缝在顶端压力的作用下，焊缝变平整，残余应力得到改善，原始拉应力转变为压应力，从而减小了由于残余应力导致的电弧焊焊接成形时的钛合金工件变形，进而提高整个工件的成形质量。
50.本发明利用电弧焊的高热输入特性，使原本无法进行有效焊接的钛合金厚板，实现焊接成形；同时，搅拌摩擦对钛合金厚板成形焊缝进行搅拌，使焊缝内的粗大柱状晶被搅拌头打碎细化，阻止了焊缝接头内粗大柱状晶的形成，进一步改善了钛合金厚板电弧焊焊缝的力学性能；该方法同样可以用在合金钢厚板焊接中并提高焊缝质量。
51.本发明电弧焊焊接方式是一种低成本、易操作、应用广泛的成形连接技术，可以解决其他主流钛合金焊接方式加工成本高、技术要求高、工况要求高的问题。
52.综上所述：本发明提供一种搅拌摩擦辅助钛合金电弧焊的方法，电弧焊相较于电子束焊、激光焊等主流钛合金焊接方法具有低成本、易操作、工况要求简单、热输入高等优势。本发明提出了一种利用搅拌摩擦辅助电弧焊改善钛合金电弧焊焊缝组织结构和力学性能的方法。将旋转的搅拌针压入电弧焊焊缝内部，通过搅拌头强烈的搅拌作用使焊缝发生热塑性形变、混合和破碎，使钛合金电弧焊焊缝内部生长的粗大柱状晶被打碎，从而改善焊缝接头的力学性能；同时，消除钛合金电弧焊焊缝存在的初始裂纹和气孔，获得均匀、致密的组织结构，在轴肩顶端压力的作用下，成形的钛合金焊缝受到压力，残余应力得到释放，
残余拉应力变为压应力，成形焊缝平整，便于二次铣削加工，从而提高整个工件的力学性能和成形质量。本方法在合金钢的焊接领域中同样适用。引入搅拌摩擦加工作为辅助手段，不仅有效的减少了钛合金在电弧焊加工时的显著缺陷，同时电弧焊也解决了搅拌摩擦加工难以应用于钛合金加工过程的问题。此外，电弧焊焊接由于其高热输入特点，可以对大厚度钛合金工件进行焊接，突破其他主流钛合金焊接方式无法对钛合金厚板进行焊接的局限性。