[发明专利]一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法

说明书

本发明公开了用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，属于材料成形技术领域。本发明解决焊接方法在制造Ti‑Al基合金等复杂形状热端薄壳构件时高温使用状态下焊缝组织不稳定，材料室温塑性低导致焊接过程中产生缺陷等问题。本发明通过电流辅助加热的方法使待焊接母料表面更快达到材料的塑性变形温度，提高焊接效率的同时有效避免搅拌头达到较高温度时产生的剧烈磨损，获得成形良好、力学性能优良的焊缝。此外，本发明在焊接后还可以通过电流辅助加热实现焊缝的局部去应力退火，降低焊缝残余应力水平，进一步提高接头承载服役性能，实现焊接‑去应力退火一体化制造工艺。

技术领域

本发明涉及一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，属于材料成形技术领域。

背景技术

轻质高温复杂薄壁构件是指利用兼具耐高温(长时使用温度为600～800℃)和质轻特点(密度为5g/cm³左右)的材料制造的可大幅减重且具有高精度复杂薄壁结构的热端构件。

热端薄壳构件是装备中应用广泛的一大类零件，其减重幅度，形状复杂程度及精度均为关系到装备的射程，射速，机动性的关键因素，对新一代装备的研制与开发具有决定性作用。Ti-Al基合金具有较高的比强度、比蠕变强度和比疲劳强度的优势而受到广泛关注，特别是作为极端热环境下的结构或功能部件具有广泛的应用前景。

航天飞行器中热端薄壳构件的数量比例为1/3，但涉及的新型金属间化合物热端构件塑性成形和焊接难度大：塑性变形抗力大、成形温度窗口窄，成形后回弹大；焊缝组织随焊接热输入敏感度高、高温使用状态下焊缝组织不稳定性大、材料室温塑性低导致焊接过程中缺陷产生的倾向性大。现有的成形、焊接与热处理方法在制造新型金属间化合物复杂形状热端薄壳构件方面存在明显的局限性，成为制造新装备的瓶颈之一。

对于焊接工艺而言，传统的熔化焊工艺由于Ti-Al基合金材料的熔焊性能差，极易导致焊接裂纹、组织不均匀等问题。而搅拌摩擦焊是一种固相焊接手段，通过在非熔化状态下对材料进行摩擦产热和材料流动驱动，使得被焊材料进行局部塑性变形、待焊界面破碎实现连接。这种焊接方式避免了材料熔化后的冶金、凝固问题，可以有效避免Ti-Al基合金熔焊时的裂纹缺陷，也避免了接头组织成分的不均匀性带来的力学性能降低问题，是此类材料极具优势的连接手段。但是，由于搅拌摩擦焊需要对材料进行局部拘束锻造，对材料的塑性变形能力有较高要求。因此，对于Ti-Al基高熔点合金的连接，必须在材料处于塑性变形温度区间内实施焊接方能具有较好的连接条件和连接效果。而单纯依靠搅拌头与待焊母材摩擦产热使得材料进入塑性温度区间，将带来搅拌头的剧烈磨损和较高的温度梯度，同时摩擦区域之外的材料仍具有较高的硬度和脆性，使得材料可变形区域不足，焊接工艺窗口狭窄、焊接效率低下。

发明内容

本发明为了解决现有焊接方法在制造Ti-Al基合金等复杂形状热端薄壳构件时高温使用状态下焊缝组织不稳定，材料室温塑性低导致焊接过程中产生缺陷等问题，提供一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法。

本发明的技术方案：

一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法，该方法的操作步骤如下：

步骤一，去除待焊接母料3的对接端面和焊接区表面的油污和氧化皮，获得预处理钛合金板材；

步骤二，在每块预处理钛合金板材靠近焊接区一侧装配加热及保护气输出装置，并将两块装配加热及保护气输出装置的预处理钛合金板材对接后置于电木6上，然后整体固定在搅拌摩擦焊机的待焊区域；

所述的加热及保护气输出装置包括铜电极上板1和铜电极下板4，铜电极上板1和铜电极下板4接入直流脉冲电源，铜电极上板1和铜电极下板4的一侧壁上冲有多个互相平行的保护气通孔7，保护气通孔7所在的轴线位于同一平面，并且在铜电极上板1和铜电极下板4上与该侧壁垂直的另一侧壁上冲有保护气输入孔，保护气输入孔的轴线与保护气通孔轴线互相垂直，并且保护气输入孔将保护气通孔7之间连通，所述的保护气输入孔的孔口处安装有通气管8；