钛合金材料电阻焊工艺控制

孙安全，郭初阳，孙小平，贺 韡

(中国人民解放军驻西安飞机工业公司军事代表室，陕西 西安 710089)

近几年，钛合金零件被越来越多地应用于航空航天、舰船制造等领域。受到成形能力的限制，一些复杂空间型面的钛合金零件需要通过焊接来实现。电阻焊是一种利用电流通过焊件及接触产生的电阻热作为热源将零件局部加热，同时加压进行焊接的方法，焊接时不需要填充金属，且具有生产效率高、焊件变形小和容易实现自动化等特点。由于我国接触钛合金材料时间较短，在实际生产过程中，采用电阻焊焊接钛合金零件应用较少，而且需要使用化学腐蚀液，因此在制造过程中应对材料、设备、制造、测试和质量等方面进行严格控制，在确保人员安全的前提下，得到质量可靠的产品[1-2]。

1 材料控制

1.1 电极和滚盘

电极和滚盘材料推荐使用的铜合金及其硬度值要求如下：铬铝镁铜合金≥70 HRB；铬锆铜合金≥75 HRB；铬锆铌铜合金≥78 HRB。根据焊件具体情况选用直电极或特形电极，特形电极应有足够的刚度，推荐的电极尺寸见表1。

表1 材料厚度与申报材料尺寸选择表

电极用内部水冷时，电极的冷却面与工作面之间的距离≤20 mm。采用特殊电极使该距离>20 mm时，需延长电极冷却时间。电极和滚盘的工作表面可以加工成平面或球面，焊接过程中应经常检查其工作面的形状和尺寸，当电极头工作面的直径或滚盘工作面厚度比规定值>15%时，则更换或锉修。电极或滚盘的安装应精密配合，并及时去除配合面上的氧化膜和污物。

1.2 润滑油

石墨润滑油的配方(质量分数)有如下2种：1)银鳞石墨粉为25%～30%，蓖麻油为70%～75%；2)银鳞石墨粉为45%～50%，枪炮油为50%～55%。

1.3 腐蚀液

用作低倍组织检验的腐蚀液按表2配制，也可选用能显示低倍组织的其他腐蚀液。

表2 组织腐蚀液的配制

1.4 试样

电阻焊用的焊接试样应与被焊零件同材料、同厚度、同状态，并采用相同的表面清理方法。

2 设备控制

2.1 焊机选取

钛合金点焊或滚焊可以在交流焊机上进行，也可以在直流脉冲焊机上进行。焊机电极臂伸出长度及电极间的角度应符合焊件形状及尺寸的要求，电极臂应有足够的刚性，当施加最大额定压力时，在500 mm长度上弹性挠度应≤1.5 mm。采用直电极时，电极间不允许有滑移。焊机和电极(或滚盘)应有良好的流动水冷却系统，与上电极相连的滑块和导轨不应有过大间隙，上下电极间同心度应≤0.5 mm。焊机的加压机构应灵活平稳易于调节，在焊接过程中压力保持稳定。焊机次级回路的可拆卸接合处应保持洁净和良好连接，两电极或滚盘间断开时，次级回路室温电阻应≤100 μΩ，单个固定处的电阻应≤2 μΩ，单个转动连接处应≤20 μΩ，转动连接处定期更换石墨润滑剂。焊接工段内应安装满刻度0.78～0.98 MPa的气压表，以显示压缩空气管路内的压力，每台焊机应安装电源电压表。所有点焊和缝焊设备应保证确定的焊接规范、电极电压、焊接电流强度、焊接时间和稳定的滚焊速度。

2.2 工具准备

应备有粗锉、细锉、油光锉、錾子、钢丝钳、活动板手、套筒扳手、专用扳手、钢皮尺、卡尺、球面样板和角度卡板等专用工具。工具应在专用工具箱内有序存放。

2.3 设备维护

每季度应测量一次焊机的次级回路电阻、电极压力、焊接脉冲时间和次级短路电流等参数，并记入设备档案中。焊机应进行定期检修，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

钛合金点焊和缝焊接头一般为同牌号合金，1、2级点焊接头组合层数应为2层，一般应≤3层，缝焊接头应为2层。接头组合板材厚度比一般≤2。焊点或焊缝的边距应不小于焊点直径或焊缝宽度。焊件应有良好的开敞性和可达性，在承受动载荷的点焊接头上，建议采用双排点焊；当组合件上有多种焊接方法时，应先点焊和缝焊。

3.2 焊前准备

焊前应检查焊机。要求电极升降平稳无冲击现象，压力调节可靠，程序控制正常，变压器级数闸刀接触良好，冷却水系统良好。

3.3 零件和试样的表面准备

零件和试样的表面应没有保护层和污染物，可进行酸洗或吹砂清理。吹砂时应根据材料厚度选择压缩空气压力和砂粒大小，当零件在空气中经过热加工成形时，其表面的变色氧化层应进行吹砂清理。钛合金待焊零件从表面处理到焊接应≤48 h，否则需进行再清理。经加工过的零件，焊接处不应有粗糙刀痕，表面粗糙度应≤Ra6.3 μm。禁止使用氯化物溶剂或甲醇清洗钛合金零件，经清理后的零件应用干净牛皮纸包装或覆盖。

3.4 焊接规范参数选定

在选定的焊机上，根据焊件的材料、厚度和组合要求，用工艺试样按表3规定的内容，通过试验选定焊件的具体焊接规范参数。表3中，要求气密的缝焊接头、纵向低倍试验至少有2个包含定位焊点；定位焊点熔核应与焊缝良好熔合。

表3 选定焊接规范参数的检验项目及试样数量

表3中试验结果有不合格时，应调整焊接参数重新进行试验，直至全部合格选出满意的焊接参数为止，全部试验数据应记录保存，并按选定的焊接规范参数焊接产品。对于已证明合格的1级焊缝焊接规范，自然适用于2级或3级焊缝；对于已证明合格的2级焊缝焊接规范，自然适用于3级焊缝。一台焊机上的焊接规范，不能使用在另一台没有经过验证的焊机上。如果焊接规范参数不能焊出满意的零件，应进行重新选择。

3.5 零件的定位焊

装配中需修合的大型零件应按夹具进行预装配，预装配好的零件检验后拆开，并成套进行表面清理。准备焊接的零件装配后，其搭接面应有良好的贴合，一般在装配间隙≤1 mm、局部间隙>1 mm的情况下，如用手力可压合，则允许间隙存在。在生产期间，当改变任何2个或更多焊接参数(焊接电流、电极压力、所有的时间控制和缝焊机的滚焊速度)时，每个参数的最大偏差值应≤±5%；当改变其中任何一个焊接参数时，最大偏差值应≤±10%，但应保证获得满意的焊接质量。

定位焊点的位置分布和顺序应符合图样和技术文件的规定，应保证结构的刚度，防止变形。一般先焊曲率半径小或装配间隙较大的部位，大型零件可以从中间向两端定位，焊点的间距一般为20～150 mm。定位焊点是全部焊点的一部分，缝焊的定位焊点压痕直径应为焊缝宽度的60%～80%。零件定位焊后，经检验合格方可焊接。

3.6 零件的焊接

每批焊件的首件应采用选定的焊接规范参数进行焊接，检验合格后方可焊接成批零件。在焊接过程中应注意：焊机上的气压和电源电压在正常工作范围内，电极头工作面保持清洁，形状正常，无过热现象，一般焊接10～50个焊点打磨1次；缝焊时，形成焊缝的各个焊点应相互重叠，有气密要求的焊缝重叠部分不小于焊点压痕纵向尺寸的1/3，环形焊缝的始末搭接处应重叠15～20 mm；滚焊时应采用外部水冷却，焊接过程中，发现焊接缺陷或设备发生故障时，应立即停工，查清原因并予以排除，然后用试样验证规范。

4 测试控制

4.1 试验测试

焊件应在焊前准备、定位焊、焊接和缺陷修补等工序进行检验。

4.1.1 检验项目及标准

制定新的焊接规范时，应进行试验，并确定规范参数。每批焊件焊接开始和结束、每个焊接班组生产开始、中间(连续工作>2 h)和终止以及更换电极时，均应对试样进行检验。检验项目及试样数量按表4规定。表4中，如果强度试验有困难，可用低倍检验代替。X光检验的焊件数量为：1级焊缝应100%检验；2级焊缝应进行不小于焊件20%的抽检，如不合格，则100%检验。

表4 证明试样的检验项目

4.1.2 目视检验

用≤10倍的放大镜对试样和焊件进行100%目视检验。试样和焊件上的焊点或焊缝不允许有外部裂纹、烧穿、烧伤、飞溅和板材边缘的胀裂，所有焊件的板间间隙不大于总厚度的15%或0.15 mm。板间间隙应在距熔核中心1.5倍最小熔核直径处测量。1、2级焊缝压痕深度应不超过单板厚度10%，3级焊缝不超过单板厚度15%，厚度比>2的组合零件1、2级焊缝压痕深度应不超过薄板厚度15%，3级焊缝不超过薄板厚度20%，重复点焊、缝焊的压痕深度可再增加5%。焊点分布和焊缝位置尺寸应符合图样规定。焊点或焊缝偏移中心线的距离应≤1.5 mm，焊缝宽度应均匀一致，在100 mm焊缝长度上，宽度偏差应≤1 mm。缝焊或连续点焊时，焊缝上焊点连续重叠应分布均匀。在偏差处的单个长度应≤20 mm，总长不超过焊缝总长的10%。当有气密要求时，相邻焊点的重叠长度不小于焊点压痕纵向尺寸的35%。

4.1.3 撕破检验

用于点焊或缝焊的撕破试样按图1和图2所示制备。

图1 缝焊撕破试样

图2 点焊撕破试样

撕破检验焊点和焊缝时，应在一侧板材上撕成孔洞。当材料厚度≥2 mm时，允许一侧板材上撕成深度不小于厚度一半的凹坑。试样撕破后，检测留在一侧板材接合面处凸起的焊点或焊缝，1、2级焊缝的撕破直径或宽度不小于熔核直径或宽度的95%，3级焊缝的撕破直径或宽度不小于熔核直径或宽度的85%，撕破试样不应有内部飞溅。点焊时，允许有熔核金属挤出。缝焊不允许熔核金属挤出，当焊接接头为3层或3层以上时，撕破试验可用低倍试验代替。

4.1.4 低倍检验

低倍检验焊点和焊缝时，应制备2～3个试样。点焊证明试样上不应取第1个焊点作低倍试样，缝焊低倍试样，1个取纵截面，其余取横截面。低倍试样磨光腐蚀后，用≥25倍读数放大镜测量焊点熔核直径或焊缝熔核宽度，以及焊透高度，并计算焊透率。熔核直径或熔核宽度应符合表5规定，当图样或专用文件对熔核尺寸有明确要求时，按图样或专用文件规定检验。对于厚度比<2的组合零件，焊透率应为30%～80%，对于厚度比≥2的组合零件，焊透率应为20%～80%，对于3层或3层以上的组合零件，焊透率按两侧外层板分别计算。

表5 焊点直径、焊缝宽度及最小抗剪强度要求

缝焊纵截面试样上应形成连续重叠的焊点熔核。当有气密要求时，相邻熔核的重叠部分应不小于熔核纵向尺寸的1/3。试样进行低倍检验时，熔核中允许存在<0.5 mm的气孔和缩孔，但不允许存在裂纹和飞溅。

4.1.5 X光检验

试样进行X光检验时，允许存在<0.5 mm的气孔和缩孔，但不允许存在飞溅、裂纹。1、2级焊缝的单个气孔和缩孔最大线性尺寸不超过点焊熔核直径或缝焊熔核宽度的15%，熔核中所有气孔和缩孔的总面积不超过熔核面积的10%，且所有缺陷均不超出熔核中心区域。焊件的焊点或焊缝接头中，超出上述各条规定的缺陷，其允许存在的数量按表6规定。表6中，过深压痕指深度不超过单板厚度25%的压痕；内部裂纹指长度不超过熔核直径或宽度25%的内部裂纹；有缺陷面焊点不应集中在连续3个焊点中；百分数为有缺陷的焊点数或焊缝长度占焊点总数或焊缝总长的百分数。

表6 焊件允许存在和修补的缺陷数量

4.1.6 强度试验

进行焊接接头的抗剪强度试验时，每组试样应≥5个。点焊单点抗剪强度应符合表5规定，缝焊接头强度系数按下式计算：

η=(σb接头-σb母材(下限))×100%

式中，η是强度系数，单位为%；σb接头是缝焊接头的抗拉强度，单位为MPa；σb母材(下限)是母材的抗拉强度下限，单位为MPa。

不同厚度材料组合焊时，按薄板计算接头强度。相同厚度不同材料组合焊时，按抗拉强度低的材料计算。不同厚度不同材料组合焊时，按承受载荷能力低的材料计算。

4.2 缺陷修补测试

允许用氩弧焊、微束等离子弧焊、点焊、缝焊以及锉修打磨的方法修补焊接缺陷，焊件的焊点或焊缝中允许修补的缺陷数量按表6规定。焊接缺陷修补后，应用原检验方法对修补处重新检验，用熔焊方法补焊后，应锉修平整，然后重新检验，1、2级点焊和缝焊接头，同一处允许补焊1次，3级点焊和缝焊接头，同一处允许补焊2次。

5 质量控制

5.1 人员要求

操作人员应经过培训和通过考试合格，并持有焊工考试委员会颁发的合格证书。焊接工人和检验人员应熟悉图样和工艺文件，了解被焊件的结构、材料牌号、材料厚度、焊接组合层数、点焊或缝焊边距、点距、焊点核心直径(焊缝宽度)、焊接接头等级及焊接质量检验标准[3]。

5.2 环境要求

工作地面和工作台上应干净整洁，工作台上不应有与焊接无关的图样和试样材料。网路电压应在额定值的±5%范围内。管道压缩空气压力应≥0.49 MPa。室温应≥15 ℃。

5.3 安全防护

焊工应严格遵守技安部门颁发的有关技术安全规定。用于低倍腐蚀的腐蚀液具有强烈的腐蚀作用，应妥善保管，使用时务必小心。所有电器设备应可靠接地。焊工操作时应戴眼镜和手套，穿工作服和胶鞋，缝焊时应穿防水服和水鞋。