不銹鋼大截面環(huán)件的閃光焊成形方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊接方法，特別是涉及了不銹鋼大截面環(huán)件的閃光焊成形方法。
【背景技術】
[0002] 閃光焊是一種固態(tài)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(shù)的合理配合是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)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(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，形成晶粒均勻細小的組織。
[0003] 對于不銹鋼材料，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(chǎn) 生的熱量向內(nèi)部傳遞，實際上是很難建立合適的溫度場。尤其是對于不銹鋼大截面環(huán)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(qū)域較小，從而導致出現(xiàn) 虛焊現(xiàn)象（即"焊不實"），而且工件截面面積越大，這一現(xiàn)象越明顯。因此，對于不銹鋼大 截面環(huán)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(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，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 也會因為得不到足夠的變形，不能充分的再結(jié)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(fā)明專利說明書CN 102500899A公開了一種使用 預熱閃光對焊生產(chǎn)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?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，對于不銹鋼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(fā)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(jīng)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(xù)輸入熱量，調(diào)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(shù)，而且該方法采用的是通過斷續(xù)地預熱來建立溫度場，閃光過程來調(diào)整溫度場，因此該過 程是不連續(xù)的，形成的溫度場不穩(wěn)定，會對焊接質(zhì)量造成一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種在連續(xù)的閃光過程中建立一個穩(wěn)定、合理的 溫度場，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，通過回復再結(jié)晶細化晶粒，從而實現(xiàn)不銹鋼大截面環(huán)件的閃光 焊成形，該方法能夠提高焊接質(zhì)量。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所述不銹鋼大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其技術 方案包括以下步驟：
[0008] 將帶開口的不銹鋼大截面環(huán)坯的左端固定在左夾具上，右端固定在右夾具上；設 定閃光焊機的工作功率為P = 350KVA?900KVA，電流Itl= 45KA?55KA，接通電源，這時 兩端開口處存在較大的距離，電流會從環(huán)坯的左端經(jīng)過環(huán)坯的背部達到環(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，對環(huán)坯進行加熱，一段時間之后，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；
[0009] 調(diào)整電流為I = 20KA?30KA，使閃光過程能夠保持在低強度持續(xù)進行，此時，環(huán)坯 的閃光燒損速度Vtl= 〇. 72mm/s?I. 12mm/s ;驅(qū)動右夾具使環(huán)坯的右端以和環(huán)坯的閃光燒 損速度Vci相等的進給速度V向左端靠近，當左、右兩端的距離< 7. 〇〇_時，電流從左端經(jīng) 過開口處達到右端，此時，在開口處會產(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)坯軸向傳遞到遠端，而右端向左端的進給速度與環(huán)坯 的閃光燒損速度相等，所以兩端始終保持在< 7. OOmm的距離不變，閃光過程持續(xù)t = 3s? 5s ；
[0010] 瞬時將進給速度提升到7. 20mm/s?11. 20mm/s，同時將電流調(diào)整為I1= 60KA? 75KA，此時，環(huán)坯的閃光燒損速度為2. 02mm/s?2. 46mm/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(Ici= I. 62mm?3. 32mm的金屬材料，而閃光產(chǎn)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= 1350°C部分的不銹 鋼呈高溫糊狀，左、右兩端溫度在T2= 950°C?T 1350°C之間時，不銹鋼呈高溫組織粗化 狀，閃光過程完成；
[0011] 根據(jù)閃光過程形成的溫度場可以計算出高溫糊狀區(qū)的長度為Cl1= 6. OOmm? 8. 00_，高溫組織粗化區(qū)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20KN?40KN的頂鍛力對環(huán)坯的 左、右兩端進行頂鍛，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后從焊機上拆卸出來。
[0013] 所述閃光過程形成的溫度場的數(shù)學表達式為：
[0014]
【主權項】
1. 一種不銹鋼大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其特征在于，包括以下步驟： 將帶開口的不銹鋼大截面環(huán)坯的左端固定在左夾具上，右端固定在右夾具上；設定閃 光焊機的工作功率為P= 350KVA?900KVA，電流、=45KA?55KA，接通電源，電流會從 環(huán)坯的左端經(jīng)過環(huán)坯的背部達到環(huán)坯的右端形成環(huán)流，對環(huán)坯進行加熱，一段時間之后，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度持續(xù)進行，此時，環(huán)坯的閃 光燒損速度￥(!= 0. 72mm/s?1. 12mm/s;驅(qū)動右夾具使環(huán)還的右端以和環(huán)還的閃光燒損速 度％相等的進給速度v向左端靠近，當左、右兩端的距離< 7. 00mm時，電流從左端經(jīng)過開口 處達到右端，并且在開口處會產(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，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)坯軸向傳遞到遠端，而右端向左端的進給速度與環(huán)坯的閃光 燒損速度相等，使兩端始終保持在< 7. 00mm的距離不變，閃光過程持續(xù)t= 3s?5s; 瞬時將進給速度提升到7. 20mm/s?11. 2mm/s，同時將電流調(diào)整為I1= 60KA?75KA， 此時，環(huán)還的閃光燒損速度為2. 02mm/s?2. 46mm/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屯=1. 62mm?3. 32mm的金屬材料，而閃光產(chǎn)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1350°C部分的不銹鋼呈高溫 糊狀，左、右兩端溫度在950°C?1350°C之間時，不銹鋼呈高溫組織粗化狀，閃光過程完成； 根據(jù)閃光過程形成的溫度場可以計算出高溫糊狀區(qū)的長度為屯=6. 00mm?8. 00_， 高溫組織粗化區(qū)的長度為d2= 10. 00mm?12. 00_，因此可以設定頂鍛時的頂鍛距離為D =8. 00mm?14. 00mm;在閃光過程完成的瞬間，以20KN?40KN的頂鍛力對環(huán)坯的左、右兩 端進行頂鍛，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后從焊機上拆卸出來。
2. 根據(jù)權利要求1所述的不銹鋼大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其特征在于，所述不 銹鋼為lCrllNi2W2MoV合金。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的不銹鋼大截面環(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的數(shù)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(huán)件的周長；S為環(huán)件的橫截面積；L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；L為預 熱溫度；C為熱容；P為材料密度。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的不銹鋼大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其特征在于，所述 頂鍛距離的計算公式如下： D= (!，(0? 2 ?0? 5)d2 式中： 屯為高溫糊狀區(qū)的長度；d2為高溫組織粗化區(qū)的長度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種不銹鋼大截面環(huán)件的閃光焊成形方法，其步驟為：先將帶開口的不銹鋼大截面環(huán)坯固定在夾具上，接通電源，使電流從左端經(jīng)過背部達到右端形成環(huán)流，進行預熱；再驅(qū)動右端向左端靠近，進行弱閃光；再提高進給速度，調(diào)整電流，進行強閃光，形成溫度場；再根據(jù)溫度場，計算出高溫糊狀區(qū)和高溫組織粗化區(qū)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(wěn)定、合理的溫度場，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，通過回復再結(jié)晶細化晶粒，獲得質(zhì)量優(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】B23K11-04
【公開號】CN104607781
【申請?zhí)枴緾N201410775562
【發(fā)明人】葉俊青, 王龍祥, 阮宜江, 陳祖祥, 雍國朝
【申請人】貴州安大航空鍛造有限責任公司
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月15日