鈦合金材料電阻焊工藝控制

孫安全，郭初陽(yáng)，孫小平，賀 韡

(中國(guó)人民解放軍駐西安飛機(jī)工業(yè)公司軍事代表室，陜西 西安 710089)

近幾年，鈦合金零件被越來(lái)越多地應(yīng)用于航空航天、艦船制造等領(lǐng)域。受到成形能力的限制，一些復(fù)雜空間型面的鈦合金零件需要通過(guò)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)。電阻焊是一種利用電流通過(guò)焊件及接觸產(chǎn)生的電阻熱作為熱源將零件局部加熱，同時(shí)加壓進(jìn)行焊接的方法，焊接時(shí)不需要填充金屬，且具有生產(chǎn)效率高、焊件變形小和容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。由于我國(guó)接觸鈦合金材料時(shí)間較短，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用電阻焊焊接鈦合金零件應(yīng)用較少，而且需要使用化學(xué)腐蝕液，因此在制造過(guò)程中應(yīng)對(duì)材料、設(shè)備、制造、測(cè)試和質(zhì)量等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，在確保人員安全的前提下，得到質(zhì)量可靠的產(chǎn)品[1-2]。

1 材料控制

1.1 電極和滾盤

電極和滾盤材料推薦使用的銅合金及其硬度值要求如下：鉻鋁鎂銅合金≥70 HRB；鉻鋯銅合金≥75 HRB；鉻鋯鈮銅合金≥78 HRB。根據(jù)焊件具體情況選用直電極或特形電極，特形電極應(yīng)有足夠的剛度，推薦的電極尺寸見表1。

表1 材料厚度與申報(bào)材料尺寸選擇表

電極用內(nèi)部水冷時(shí)，電極的冷卻面與工作面之間的距離≤20 mm。采用特殊電極使該距離>20 mm時(shí)，需延長(zhǎng)電極冷卻時(shí)間。電極和滾盤的工作表面可以加工成平面或球面，焊接過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常檢查其工作面的形狀和尺寸，當(dāng)電極頭工作面的直徑或滾盤工作面厚度比規(guī)定值>15%時(shí)，則更換或銼修。電極或滾盤的安裝應(yīng)精密配合，并及時(shí)去除配合面上的氧化膜和污物。

1.2 潤(rùn)滑油

石墨潤(rùn)滑油的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))有如下2種：1)銀鱗石墨粉為25%～30%，蓖麻油為70%～75%；2)銀鱗石墨粉為45%～50%，槍炮油為50%～55%。

1.3 腐蝕液

用作低倍組織檢驗(yàn)的腐蝕液按表2配制，也可選用能顯示低倍組織的其他腐蝕液。

表2 組織腐蝕液的配制

1.4 試樣

電阻焊用的焊接試樣應(yīng)與被焊零件同材料、同厚度、同狀態(tài)，并采用相同的表面清理方法。

2 設(shè)備控制

2.1 焊機(jī)選取

鈦合金點(diǎn)焊或滾焊可以在交流焊機(jī)上進(jìn)行，也可以在直流脈沖焊機(jī)上進(jìn)行。焊機(jī)電極臂伸出長(zhǎng)度及電極間的角度應(yīng)符合焊件形狀及尺寸的要求，電極臂應(yīng)有足夠的剛性，當(dāng)施加最大額定壓力時(shí)，在500 mm長(zhǎng)度上彈性撓度應(yīng)≤1.5 mm。采用直電極時(shí)，電極間不允許有滑移。焊機(jī)和電極(或滾盤)應(yīng)有良好的流動(dòng)水冷卻系統(tǒng)，與上電極相連的滑塊和導(dǎo)軌不應(yīng)有過(guò)大間隙，上下電極間同心度應(yīng)≤0.5 mm。焊機(jī)的加壓機(jī)構(gòu)應(yīng)靈活平穩(wěn)易于調(diào)節(jié)，在焊接過(guò)程中壓力保持穩(wěn)定。焊機(jī)次級(jí)回路的可拆卸接合處應(yīng)保持潔凈和良好連接，兩電極或滾盤間斷開時(shí)，次級(jí)回路室溫電阻應(yīng)≤100 μΩ，單個(gè)固定處的電阻應(yīng)≤2 μΩ，單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接處應(yīng)≤20 μΩ，轉(zhuǎn)動(dòng)連接處定期更換石墨潤(rùn)滑劑。焊接工段內(nèi)應(yīng)安裝滿刻度0.78～0.98 MPa的氣壓表，以顯示壓縮空氣管路內(nèi)的壓力，每臺(tái)焊機(jī)應(yīng)安裝電源電壓表。所有點(diǎn)焊和縫焊設(shè)備應(yīng)保證確定的焊接規(guī)范、電極電壓、焊接電流強(qiáng)度、焊接時(shí)間和穩(wěn)定的滾焊速度。

2.2 工具準(zhǔn)備

應(yīng)備有粗銼、細(xì)銼、油光銼、鏨子、鋼絲鉗、活動(dòng)板手、套筒扳手、專用扳手、鋼皮尺、卡尺、球面樣板和角度卡板等專用工具。工具應(yīng)在專用工具箱內(nèi)有序存放。

2.3 設(shè)備維護(hù)

每季度應(yīng)測(cè)量一次焊機(jī)的次級(jí)回路電阻、電極壓力、焊接脈沖時(shí)間和次級(jí)短路電流等參數(shù)，并記入設(shè)備檔案中。焊機(jī)應(yīng)進(jìn)行定期檢修，一般1～2年中度修1次，3～5年大修1次。

3 制造控制

3.1 一般要求

鈦合金點(diǎn)焊和縫焊接頭一般為同牌號(hào)合金，1、2級(jí)點(diǎn)焊接頭組合層數(shù)應(yīng)為2層，一般應(yīng)≤3層，縫焊接頭應(yīng)為2層。接頭組合板材厚度比一般≤2。焊點(diǎn)或焊縫的邊距應(yīng)不小于焊點(diǎn)直徑或焊縫寬度。焊件應(yīng)有良好的開敞性和可達(dá)性，在承受動(dòng)載荷的點(diǎn)焊接頭上，建議采用雙排點(diǎn)焊；當(dāng)組合件上有多種焊接方法時(shí)，應(yīng)先點(diǎn)焊和縫焊。

3.2 焊前準(zhǔn)備

焊前應(yīng)檢查焊機(jī)。要求電極升降平穩(wěn)無(wú)沖擊現(xiàn)象，壓力調(diào)節(jié)可靠，程序控制正常，變壓器級(jí)數(shù)閘刀接觸良好，冷卻水系統(tǒng)良好。

3.3 零件和試樣的表面準(zhǔn)備

零件和試樣的表面應(yīng)沒(méi)有保護(hù)層和污染物，可進(jìn)行酸洗或吹砂清理。吹砂時(shí)應(yīng)根據(jù)材料厚度選擇壓縮空氣壓力和砂粒大小，當(dāng)零件在空氣中經(jīng)過(guò)熱加工成形時(shí)，其表面的變色氧化層應(yīng)進(jìn)行吹砂清理。鈦合金待焊零件從表面處理到焊接應(yīng)≤48 h，否則需進(jìn)行再清理。經(jīng)加工過(guò)的零件，焊接處不應(yīng)有粗糙刀痕，表面粗糙度應(yīng)≤Ra6.3 μm。禁止使用氯化物溶劑或甲醇清洗鈦合金零件，經(jīng)清理后的零件應(yīng)用干凈牛皮紙包裝或覆蓋。

3.4 焊接規(guī)范參數(shù)選定

在選定的焊機(jī)上，根據(jù)焊件的材料、厚度和組合要求，用工藝試樣按表3規(guī)定的內(nèi)容，通過(guò)試驗(yàn)選定焊件的具體焊接規(guī)范參數(shù)。表3中，要求氣密的縫焊接頭、縱向低倍試驗(yàn)至少有2個(gè)包含定位焊點(diǎn)；定位焊點(diǎn)熔核應(yīng)與焊縫良好熔合。

表3 選定焊接規(guī)范參數(shù)的檢驗(yàn)項(xiàng)目及試樣數(shù)量

表3中試驗(yàn)結(jié)果有不合格時(shí)，應(yīng)調(diào)整焊接參數(shù)重新進(jìn)行試驗(yàn)，直至全部合格選出滿意的焊接參數(shù)為止，全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)記錄保存，并按選定的焊接規(guī)范參數(shù)焊接產(chǎn)品。對(duì)于已證明合格的1級(jí)焊縫焊接規(guī)范，自然適用于2級(jí)或3級(jí)焊縫；對(duì)于已證明合格的2級(jí)焊縫焊接規(guī)范，自然適用于3級(jí)焊縫。一臺(tái)焊機(jī)上的焊接規(guī)范，不能使用在另一臺(tái)沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的焊機(jī)上。如果焊接規(guī)范參數(shù)不能焊出滿意的零件，應(yīng)進(jìn)行重新選擇。

3.5 零件的定位焊

裝配中需修合的大型零件應(yīng)按夾具進(jìn)行預(yù)裝配，預(yù)裝配好的零件檢驗(yàn)后拆開，并成套進(jìn)行表面清理。準(zhǔn)備焊接的零件裝配后，其搭接面應(yīng)有良好的貼合，一般在裝配間隙≤1 mm、局部間隙>1 mm的情況下，如用手力可壓合，則允許間隙存在。在生產(chǎn)期間，當(dāng)改變?nèi)魏?個(gè)或更多焊接參數(shù)(焊接電流、電極壓力、所有的時(shí)間控制和縫焊機(jī)的滾焊速度)時(shí)，每個(gè)參數(shù)的最大偏差值應(yīng)≤±5%；當(dāng)改變其中任何一個(gè)焊接參數(shù)時(shí)，最大偏差值應(yīng)≤±10%，但應(yīng)保證獲得滿意的焊接質(zhì)量。

定位焊點(diǎn)的位置分布和順序應(yīng)符合圖樣和技術(shù)文件的規(guī)定，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的剛度，防止變形。一般先焊曲率半徑小或裝配間隙較大的部位，大型零件可以從中間向兩端定位，焊點(diǎn)的間距一般為20～150 mm。定位焊點(diǎn)是全部焊點(diǎn)的一部分，縫焊的定位焊點(diǎn)壓痕直徑應(yīng)為焊縫寬度的60%～80%。零件定位焊后，經(jīng)檢驗(yàn)合格方可焊接。

3.6 零件的焊接

每批焊件的首件應(yīng)采用選定的焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行焊接，檢驗(yàn)合格后方可焊接成批零件。在焊接過(guò)程中應(yīng)注意：焊機(jī)上的氣壓和電源電壓在正常工作范圍內(nèi)，電極頭工作面保持清潔，形狀正常，無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象，一般焊接10～50個(gè)焊點(diǎn)打磨1次；縫焊時(shí)，形成焊縫的各個(gè)焊點(diǎn)應(yīng)相互重疊，有氣密要求的焊縫重疊部分不小于焊點(diǎn)壓痕縱向尺寸的1/3，環(huán)形焊縫的始末搭接處應(yīng)重疊15～20 mm；滾焊時(shí)應(yīng)采用外部水冷卻，焊接過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)立即停工，查清原因并予以排除，然后用試樣驗(yàn)證規(guī)范。

4 測(cè)試控制

4.1 試驗(yàn)測(cè)試

焊件應(yīng)在焊前準(zhǔn)備、定位焊、焊接和缺陷修補(bǔ)等工序進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.1.1 檢驗(yàn)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

制定新的焊接規(guī)范時(shí)，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，并確定規(guī)范參數(shù)。每批焊件焊接開始和結(jié)束、每個(gè)焊接班組生產(chǎn)開始、中間(連續(xù)工作>2 h)和終止以及更換電極時(shí)，均應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)項(xiàng)目及試樣數(shù)量按表4規(guī)定。表4中，如果強(qiáng)度試驗(yàn)有困難，可用低倍檢驗(yàn)代替。X光檢驗(yàn)的焊件數(shù)量為：1級(jí)焊縫應(yīng)100%檢驗(yàn)；2級(jí)焊縫應(yīng)進(jìn)行不小于焊件20%的抽檢，如不合格，則100%檢驗(yàn)。

表4 證明試樣的檢驗(yàn)項(xiàng)目

4.1.2 目視檢驗(yàn)

用≤10倍的放大鏡對(duì)試樣和焊件進(jìn)行100%目視檢驗(yàn)。試樣和焊件上的焊點(diǎn)或焊縫不允許有外部裂紋、燒穿、燒傷、飛濺和板材邊緣的脹裂，所有焊件的板間間隙不大于總厚度的15%或0.15 mm。板間間隙應(yīng)在距熔核中心1.5倍最小熔核直徑處測(cè)量。1、2級(jí)焊縫壓痕深度應(yīng)不超過(guò)單板厚度10%，3級(jí)焊縫不超過(guò)單板厚度15%，厚度比>2的組合零件1、2級(jí)焊縫壓痕深度應(yīng)不超過(guò)薄板厚度15%，3級(jí)焊縫不超過(guò)薄板厚度20%，重復(fù)點(diǎn)焊、縫焊的壓痕深度可再增加5%。焊點(diǎn)分布和焊縫位置尺寸應(yīng)符合圖樣規(guī)定。焊點(diǎn)或焊縫偏移中心線的距離應(yīng)≤1.5 mm，焊縫寬度應(yīng)均勻一致，在100 mm焊縫長(zhǎng)度上，寬度偏差應(yīng)≤1 mm。縫焊或連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)，焊縫上焊點(diǎn)連續(xù)重疊應(yīng)分布均勻。在偏差處的單個(gè)長(zhǎng)度應(yīng)≤20 mm，總長(zhǎng)不超過(guò)焊縫總長(zhǎng)的10%。當(dāng)有氣密要求時(shí)，相鄰焊點(diǎn)的重疊長(zhǎng)度不小于焊點(diǎn)壓痕縱向尺寸的35%。

4.1.3 撕破檢驗(yàn)

用于點(diǎn)焊或縫焊的撕破試樣按圖1和圖2所示制備。

圖1 縫焊撕破試樣

圖2 點(diǎn)焊撕破試樣

撕破檢驗(yàn)焊點(diǎn)和焊縫時(shí)，應(yīng)在一側(cè)板材上撕成孔洞。當(dāng)材料厚度≥2 mm時(shí)，允許一側(cè)板材上撕成深度不小于厚度一半的凹坑。試樣撕破后，檢測(cè)留在一側(cè)板材接合面處凸起的焊點(diǎn)或焊縫，1、2級(jí)焊縫的撕破直徑或?qū)挾炔恍∮谌酆酥睆交驅(qū)挾鹊?5%，3級(jí)焊縫的撕破直徑或?qū)挾炔恍∮谌酆酥睆交驅(qū)挾鹊?5%，撕破試樣不應(yīng)有內(nèi)部飛濺。點(diǎn)焊時(shí)，允許有熔核金屬擠出。縫焊不允許熔核金屬擠出，當(dāng)焊接接頭為3層或3層以上時(shí)，撕破試驗(yàn)可用低倍試驗(yàn)代替。

4.1.4 低倍檢驗(yàn)

低倍檢驗(yàn)焊點(diǎn)和焊縫時(shí)，應(yīng)制備2～3個(gè)試樣。點(diǎn)焊證明試樣上不應(yīng)取第1個(gè)焊點(diǎn)作低倍試樣，縫焊低倍試樣，1個(gè)取縱截面，其余取橫截面。低倍試樣磨光腐蝕后，用≥25倍讀數(shù)放大鏡測(cè)量焊點(diǎn)熔核直徑或焊縫熔核寬度，以及焊透高度，并計(jì)算焊透率。熔核直徑或熔核寬度應(yīng)符合表5規(guī)定，當(dāng)圖樣或?qū)Ｓ梦募?duì)熔核尺寸有明確要求時(shí)，按圖樣或?qū)Ｓ梦募?guī)定檢驗(yàn)。對(duì)于厚度比<2的組合零件，焊透率應(yīng)為30%～80%，對(duì)于厚度比≥2的組合零件，焊透率應(yīng)為20%～80%，對(duì)于3層或3層以上的組合零件，焊透率按兩側(cè)外層板分別計(jì)算。

表5 焊點(diǎn)直徑、焊縫寬度及最小抗剪強(qiáng)度要求

縫焊縱截面試樣上應(yīng)形成連續(xù)重疊的焊點(diǎn)熔核。當(dāng)有氣密要求時(shí)，相鄰熔核的重疊部分應(yīng)不小于熔核縱向尺寸的1/3。試樣進(jìn)行低倍檢驗(yàn)時(shí)，熔核中允許存在<0.5 mm的氣孔和縮孔，但不允許存在裂紋和飛濺。

4.1.5 X光檢驗(yàn)

試樣進(jìn)行X光檢驗(yàn)時(shí)，允許存在<0.5 mm的氣孔和縮孔，但不允許存在飛濺、裂紋。1、2級(jí)焊縫的單個(gè)氣孔和縮孔最大線性尺寸不超過(guò)點(diǎn)焊熔核直徑或縫焊熔核寬度的15%，熔核中所有氣孔和縮孔的總面積不超過(guò)熔核面積的10%，且所有缺陷均不超出熔核中心區(qū)域。焊件的焊點(diǎn)或焊縫接頭中，超出上述各條規(guī)定的缺陷，其允許存在的數(shù)量按表6規(guī)定。表6中，過(guò)深壓痕指深度不超過(guò)單板厚度25%的壓痕；內(nèi)部裂紋指長(zhǎng)度不超過(guò)熔核直徑或?qū)挾?5%的內(nèi)部裂紋；有缺陷面焊點(diǎn)不應(yīng)集中在連續(xù)3個(gè)焊點(diǎn)中；百分?jǐn)?shù)為有缺陷的焊點(diǎn)數(shù)或焊縫長(zhǎng)度占焊點(diǎn)總數(shù)或焊縫總長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。

表6 焊件允許存在和修補(bǔ)的缺陷數(shù)量

4.1.6 強(qiáng)度試驗(yàn)

進(jìn)行焊接接頭的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，每組試樣應(yīng)≥5個(gè)。點(diǎn)焊單點(diǎn)抗剪強(qiáng)度應(yīng)符合表5規(guī)定，縫焊接頭強(qiáng)度系數(shù)按下式計(jì)算：

η=(σb接頭-σb母材(下限))×100%

式中，η是強(qiáng)度系數(shù)，單位為%；σb接頭是縫焊接頭的抗拉強(qiáng)度，單位為MPa；σb母材(下限)是母材的抗拉強(qiáng)度下限，單位為MPa。

不同厚度材料組合焊時(shí)，按薄板計(jì)算接頭強(qiáng)度。相同厚度不同材料組合焊時(shí)，按抗拉強(qiáng)度低的材料計(jì)算。不同厚度不同材料組合焊時(shí)，按承受載荷能力低的材料計(jì)算。

4.2 缺陷修補(bǔ)測(cè)試

允許用氬弧焊、微束等離子弧焊、點(diǎn)焊、縫焊以及銼修打磨的方法修補(bǔ)焊接缺陷，焊件的焊點(diǎn)或焊縫中允許修補(bǔ)的缺陷數(shù)量按表6規(guī)定。焊接缺陷修補(bǔ)后，應(yīng)用原檢驗(yàn)方法對(duì)修補(bǔ)處重新檢驗(yàn)，用熔焊方法補(bǔ)焊后，應(yīng)銼修平整，然后重新檢驗(yàn)，1、2級(jí)點(diǎn)焊和縫焊接頭，同一處允許補(bǔ)焊1次，3級(jí)點(diǎn)焊和縫焊接頭，同一處允許補(bǔ)焊2次。

5 質(zhì)量控制

5.1 人員要求

操作人員應(yīng)經(jīng)過(guò)培訓(xùn)和通過(guò)考試合格，并持有焊工考試委員會(huì)頒發(fā)的合格證書。焊接工人和檢驗(yàn)人員應(yīng)熟悉圖樣和工藝文件，了解被焊件的結(jié)構(gòu)、材料牌號(hào)、材料厚度、焊接組合層數(shù)、點(diǎn)焊或縫焊邊距、點(diǎn)距、焊點(diǎn)核心直徑(焊縫寬度)、焊接接頭等級(jí)及焊接質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

5.2 環(huán)境要求

工作地面和工作臺(tái)上應(yīng)干凈整潔，工作臺(tái)上不應(yīng)有與焊接無(wú)關(guān)的圖樣和試樣材料。網(wǎng)路電壓應(yīng)在額定值的±5%范圍內(nèi)。管道壓縮空氣壓力應(yīng)≥0.49 MPa。室溫應(yīng)≥15 ℃。

5.3 安全防護(hù)

焊工應(yīng)嚴(yán)格遵守技安部門頒發(fā)的有關(guān)技術(shù)安全規(guī)定。用于低倍腐蝕的腐蝕液具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，應(yīng)妥善保管，使用時(shí)務(wù)必小心。所有電器設(shè)備應(yīng)可靠接地。焊工操作時(shí)應(yīng)戴眼鏡和手套，穿工作服和膠鞋，縫焊時(shí)應(yīng)穿防水服和水鞋。