鈦合金材料電阻焊工藝控制

孫安全，郭初陽，孫小平，賀 韡

(中國人民解放軍駐西安飛機工業公司軍事代表室，陜西 西安 710089)

近幾年，鈦合金零件被越來越多地應用于航空航天、艦船制造等領域。受到成形能力的限制，一些復雜空間型面的鈦合金零件需要通過焊接來實現。電阻焊是一種利用電流通過焊件及接觸產生的電阻熱作為熱源將零件局部加熱，同時加壓進行焊接的方法，焊接時不需要填充金屬，且具有生產效率高、焊件變形小和容易實現自動化等特點。由于我國接觸鈦合金材料時間較短，在實際生產過程中，采用電阻焊焊接鈦合金零件應用較少，而且需要使用化學腐蝕液，因此在制造過程中應對材料、設備、制造、測試和質量等方面進行嚴格控制，在確保人員安全的前提下，得到質量可靠的產品[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。根據焊件具體情況選用直電極或特形電極，特形電極應有足夠的剛度，推薦的電極尺寸見表1。

表1 材料厚度與申報材料尺寸選擇表

電極用內部水冷時，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，需延長電極冷卻時間。電極和滾盤的工作表面可以加工成平面或球面，焊接過程中應經常檢查其工作面的形狀和尺寸，當電極頭工作面的直徑或滾盤工作面厚度比規定值>15%時，則更換或銼修。電極或滾盤的安裝應精密配合，并及時去除配合面上的氧化膜和污物。

1.2 潤滑油

石墨潤滑油的配方(質量分數)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與被焊零件同材料、同厚度、同狀態，并采用相同的表面清理方法。

2 設備控制

2.1 焊機選取

鈦合金點焊或滾焊可以在交流焊機上進行，也可以在直流脈沖焊機上進行。焊機電極臂伸出長度及電極間的角度應符合焊件形狀及尺寸的要求，電極臂應有足夠的剛性，當施加最大額定壓力時，在500 mm長度上彈性撓度應≤1.5 mm。采用直電極時，電極間不允許有滑移。焊機和電極(或滾盤)應有良好的流動水冷卻系統，與上電極相連的滑塊和導軌不應有過大間隙，上下電極間同心度應≤0.5 mm。焊機的加壓機構應靈活平穩易于調節，在焊接過程中壓力保持穩定。焊機次級回路的可拆卸接合處應保持潔凈和良好連接，兩電極或滾盤間斷開時，次級回路室溫電阻應≤100 μΩ，單個固定處的電阻應≤2 μΩ，單個轉動連接處應≤20 μΩ，轉動連接處定期更換石墨潤滑劑。焊接工段內應安裝滿刻度0.78～0.98 MPa的氣壓表，以顯示壓縮空氣管路內的壓力，每臺焊機應安裝電源電壓表。所有點焊和縫焊設備應保證確定的焊接規范、電極電壓、焊接電流強度、焊接時間和穩定的滾焊速度。

2.2 工具準備

應備有粗銼、細銼、油光銼、鏨子、鋼絲鉗、活動板手、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。工具應在專用工具箱內有序存放。

2.3 設備維護

每季度應測量一次焊機的次級回路電阻、電極壓力、焊接脈沖時間和次級短路電流等參數，并記入設備檔案中。焊機應進行定期檢修，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

鈦合金點焊和縫焊接頭一般為同牌號合金，1、2級點焊接頭組合層數應為2層，一般應≤3層，縫焊接頭應為2層。接頭組合板材厚度比一般≤2。焊點或焊縫的邊距應不小于焊點直徑或焊縫寬度。焊件應有良好的開敞性和可達性，在承受動載荷的點焊接頭上，建議采用雙排點焊；當組合件上有多種焊接方法時，應先點焊和縫焊。

3.2 焊前準備

焊前應檢查焊機。要求電極升降平穩無沖擊現象，壓力調節可靠，程序控制正常，變壓器級數閘刀接觸良好，冷卻水系統良好。

3.3 零件和試樣的表面準備

零件和試樣的表面應沒有保護層和污染物，可進行酸洗或吹砂清理。吹砂時應根據材料厚度選擇壓縮空氣壓力和砂粒大小，當零件在空氣中經過熱加工成形時，其表面的變色氧化層應進行吹砂清理。鈦合金待焊零件從表面處理到焊接應≤48 h，否則需進行再清理。經加工過的零件，焊接處不應有粗糙刀痕，表面粗糙度應≤Ra6.3 μm。禁止使用氯化物溶劑或甲醇清洗鈦合金零件，經清理后的零件應用干凈牛皮紙包裝或覆蓋。

3.4 焊接規范參數選定

在選定的焊機上，根據焊件的材料、厚度和組合要求，用工藝試樣按表3規定的內容，通過試驗選定焊件的具體焊接規范參數。表3中，要求氣密的縫焊接頭、縱向低倍試驗至少有2個包含定位焊點；定位焊點熔核應與焊縫良好熔合。

表3 選定焊接規范參數的檢驗項目及試樣數量

表3中試驗結果有不合格時，應調整焊接參數重新進行試驗，直至全部合格選出滿意的焊接參數為止，全部試驗數據應記錄保存，并按選定的焊接規范參數焊接產品。對于已證明合格的1級焊縫焊接規范，自然適用于2級或3級焊縫；對于已證明合格的2級焊縫焊接規范，自然適用于3級焊縫。一臺焊機上的焊接規范，不能使用在另一臺沒有經過驗證的焊機上。如果焊接規范參數不能焊出滿意的零件，應進行重新選擇。

3.5 零件的定位焊

裝配中需修合的大型零件應按夾具進行預裝配，預裝配好的零件檢驗后拆開，并成套進行表面清理。準備焊接的零件裝配后，其搭接面應有良好的貼合，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。在生產期間，當改變任何2個或更多焊接參數(焊接電流、電極壓力、所有的時間控制和縫焊機的滾焊速度)時，每個參數的最大偏差值應≤±5%；當改變其中任何一個焊接參數時，最大偏差值應≤±10%，但應保證獲得滿意的焊接質量。

定位焊點的位置分布和順序應符合圖樣和技術文件的規定，應保證結構的剛度，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，焊點的間距一般為20～150 mm。定位焊點是全部焊點的一部分，縫焊的定位焊點壓痕直徑應為焊縫寬度的60%～80%。零件定位焊后，經檢驗合格方可焊接。

3.6 零件的焊接

每批焊件的首件應采用選定的焊接規范參數進行焊接，檢驗合格后方可焊接成批零件。在焊接過程中應注意：焊機上的氣壓和電源電壓在正常工作范圍內，電極頭工作面保持清潔，形狀正常，無過熱現象，一般焊接10～50個焊點打磨1次；縫焊時，形成焊縫的各個焊點應相互重疊，有氣密要求的焊縫重疊部分不小于焊點壓痕縱向尺寸的1/3，環形焊縫的始末搭接處應重疊15～20 mm；滾焊時應采用外部水冷卻，焊接過程中，發現焊接缺陷或設備發生故障時，應立即停工，查清原因并予以排除，然后用試樣驗證規范。

4 測試控制

4.1 試驗測試

焊件應在焊前準備、定位焊、焊接和缺陷修補等工序進行檢驗。

4.1.1 檢驗項目及標準

制定新的焊接規范時，應進行試驗，并確定規范參數。每批焊件焊接開始和結束、每個焊接班組生產開始、中間(連續工作>2 h)和終止以及更換電極時，均應對試樣進行檢驗。檢驗項目及試樣數量按表4規定。表4中，如果強度試驗有困難，可用低倍檢驗代替。X光檢驗的焊件數量為：1級焊縫應100%檢驗；2級焊縫應進行不小于焊件20%的抽檢，如不合格，則100%檢驗。

表4 證明試樣的檢驗項目

4.1.2 目視檢驗

用≤10倍的放大鏡對試樣和焊件進行100%目視檢驗。試樣和焊件上的焊點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。板間間隙應在距熔核中心1.5倍最小熔核直徑處測量。1、2級焊縫壓痕深度應不超過單板厚度10%，3級焊縫不超過單板厚度15%，厚度比>2的組合零件1、2級焊縫壓痕深度應不超過薄板厚度15%，3級焊縫不超過薄板厚度20%，重復點焊、縫焊的壓痕深度可再增加5%。焊點分布和焊縫位置尺寸應符合圖樣規定。焊點或焊縫偏移中心線的距離應≤1.5 mm，焊縫寬度應均勻一致，在100 mm焊縫長度上，寬度偏差應≤1 mm?？p焊或連續點焊時，焊縫上焊點連續重疊應分布均勻。在偏差處的單個長度應≤20 mm，總長不超過焊縫總長的10%。當有氣密要求時，相鄰焊點的重疊長度不小于焊點壓痕縱向尺寸的35%。

4.1.3 撕破檢驗

用于點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 點焊撕破試樣

撕破檢驗焊點和焊縫時，應在一側板材上撕成孔洞。當材料厚度≥2 mm時，允許一側板材上撕成深度不小于厚度一半的凹坑。試樣撕破后，檢測留在一側板材接合面處凸起的焊點或焊縫，1、2級焊縫的撕破直徑或寬度不小于熔核直徑或寬度的95%，3級焊縫的撕破直徑或寬度不小于熔核直徑或寬度的85%，撕破試樣不應有內部飛濺。點焊時，允許有熔核金屬擠出?？p焊不允許熔核金屬擠出，當焊接接頭為3層或3層以上時，撕破試驗可用低倍試驗代替。

4.1.4 低倍檢驗

低倍檢驗焊點和焊縫時，應制備2～3個試樣。點焊證明試樣上不應取第1個焊點作低倍試樣，縫焊低倍試樣，1個取縱截面，其余取橫截面。低倍試樣磨光腐蝕后，用≥25倍讀數放大鏡測量焊點熔核直徑或焊縫熔核寬度，以及焊透高度，并計算焊透率。熔核直徑或熔核寬度應符合表5規定，當圖樣或專用文件對熔核尺寸有明確要求時，按圖樣或專用文件規定檢驗。對于厚度比<2的組合零件，焊透率應為30%～80%，對于厚度比≥2的組合零件，焊透率應為20%～80%，對于3層或3層以上的組合零件，焊透率按兩側外層板分別計算。

表5 焊點直徑、焊縫寬度及最小抗剪強度要求

縫焊縱截面試樣上應形成連續重疊的焊點熔核。當有氣密要求時，相鄰熔核的重疊部分應不小于熔核縱向尺寸的1/3。試樣進行低倍檢驗時，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

試樣進行X光檢驗時，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級焊縫的單個氣孔和縮孔最大線性尺寸不超過點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熔核面積的10%，且所有缺陷均不超出熔核中心區域。焊件的焊點或焊縫接頭中，超出上述各條規定的缺陷，其允許存在的數量按表6規定。表6中，過深壓痕指深度不超過單板厚度25%的壓痕；內部裂紋指長度不超過熔核直徑或寬度25%的內部裂紋；有缺陷面焊點不應集中在連續3個焊點中；百分數為有缺陷的焊點數或焊縫長度占焊點總數或焊縫總長的百分數。

表6 焊件允許存在和修補的缺陷數量

4.1.6 強度試驗

進行焊接接頭的抗剪強度試驗時，每組試樣應≥5個。點焊單點抗剪強度應符合表5規定，縫焊接頭強度系數按下式計算：

η=(σb接頭-σb母材(下限))×100%

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

不同厚度材料組合焊時，按薄板計算接頭強度。相同厚度不同材料組合焊時，按抗拉強度低的材料計算。不同厚度不同材料組合焊時，按承受載荷能力低的材料計算。

4.2 缺陷修補測試

允許用氬弧焊、微束等離子弧焊、點焊、縫焊以及銼修打磨的方法修補焊接缺陷，焊件的焊點或焊縫中允許修補的缺陷數量按表6規定。焊接缺陷修補后，應用原檢驗方法對修補處重新檢驗，用熔焊方法補焊后，應銼修平整，然后重新檢驗，1、2級點焊和縫焊接頭，同一處允許補焊1次，3級點焊和縫焊接頭，同一處允許補焊2次。

5 質量控制

5.1 人員要求

操作人員應經過培訓和通過考試合格，并持有焊工考試委員會頒發的合格證書。焊接工人和檢驗人員應熟悉圖樣和工藝文件，了解被焊件的結構、材料牌號、材料厚度、焊接組合層數、點焊或縫焊邊距、點距、焊點核心直徑(焊縫寬度)、焊接接頭等級及焊接質量檢驗標準[3]。

5.2 環境要求

工作地面和工作臺上應干凈整潔，工作臺上不應有與焊接無關的圖樣和試樣材料。網路電壓應在額定值的±5%范圍內。管道壓縮空氣壓力應≥0.49 MPa。室溫應≥15 ℃。

5.3 安全防護

焊工應嚴格遵守技安部門頒發的有關技術安全規定。用于低倍腐蝕的腐蝕液具有強烈的腐蝕作用，應妥善保管，使用時務必小心。所有電器設備應可靠接地。焊工操作時應戴眼鏡和手套，穿工作服和膠鞋，縫焊時應穿防水服和水鞋。