一种焊缝保护冷却装置及解决钛合金铸锭焊后易开裂的方法

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，具体来说涉及一种焊缝保护冷却装置及解决钛合金铸锭焊后易开裂的方法。

背景技术

钛合金作为一种具有比强度高、高低温性能好、耐腐蚀等综合性能优异的金属材料，在航空航天、海洋、能源应用等领域备受青睐，钛合金的应用水平已成为衡量国家发展水平的重要标志之一。熔炼是钛合金制备过程中关键且必要的一道工序，在熔炼过程中，为了满足钛合金使用过程中对较大尺寸的需求和降低生产成本，通常将熔炼过程中多支较小规格的非成品钛合金铸锭进行组拼焊接，并进行后续熔炼，从而生产大规格钛合金铸锭。目前，针对钛合金铸锭组拼焊接的主要方法有真空自耗电弧炉炉内焊接、真空等离子氩弧焊等。

采用上述方法焊接钛合金铸锭时，通常通过增加合金元素种类及含量，进而提高钛合金焊缝的综合性能。然而，随着合金元素种类及含量的增加，钛合金铸锭焊后开裂风险显著增大，导致无法进行后续熔炼。此外，开裂的焊缝极易导致后续熔炼过程中掉块/掉蛋，大幅增加熔炼过程中出现冶金缺陷的风险，甚至引发熔炼重大安全事故。再者，上述方法焊接钛合金铸锭时，由于在钛合金铸锭拼接面进行起弧，起弧温度较高，焊接热输入较大，焊缝在真空炉内降温速率缓慢，待温度降至室温需要数小时，严重降低生产效率，且降温速率较低，促使焊缝处晶粒显著粗化，出现粗大枝晶组织，显著增加裂纹萌生风险。若焊缝温度降低不足，即出炉温度过高，与空气接触后降温速率过大，且易吸氢、吸氧和吸氮，生成脆性氢化物，极易引发焊缝开裂，导致焊接失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊缝保护冷却装置及解决钛合金铸锭焊后易开裂的方法，解决传统焊接钛合金铸锭时焊后降温速率缓慢，生产效率低，焊缝易开裂的问题。

本发明采取的技术方案是一种焊缝保护冷却装置，包括氩气喷嘴、抽真空喷嘴、测温装置、反馈装置；所述氩气喷嘴喷出氩气调节焊缝温度，所述抽真空喷嘴平衡焊缝处真空度；所述测温装置检测焊缝温度；所述反馈装置根据检测到的焊缝温度控制氩气喷嘴及抽真空喷嘴的开启和关闭。

本发明还提供了一种解决钛合金铸锭焊后易开裂的方法，在焊缝处对应位置设置上述的焊缝保护冷却装置，使用真空等离子焊，焊接前设置焊枪与焊缝之间的夹角、焊枪摆动角度，焊接时钛合金铸锭以“脉冲式”转动。

优选地，所述焊缝保护冷却装置设置在真空仓上，绕钛合金铸锭均匀设置数个。

优选地，所述焊枪为摇曳式等离子焊枪，所述摇曳式等离子焊枪的摆动路径为“︶”型。

优选地，所述焊枪的摆动频率是所述钛合金铸锭转动频率的1/4，所述焊枪的摆动角度为

优选地，所述焊枪与焊缝之间的夹角为85～95°。

优选地，所述钛合金铸锭“脉冲式”转动频率为每分钟3～10°，每转动一次停顿1～5s。

优选地，所述焊缝温度的冷却速度为每分钟10～100℃。

优选地，所述焊缝出仓温度小于200℃。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的钛合金铸锭以“脉冲式”转动，可显著增加焊缝饱满度，大幅提升焊缝熔深，提高焊缝强度。

2、本发明的摇曳式等离子焊枪在焊接时以“︶”型摆动，同时控制拼接铸锭面之间的距离减小拼接焊缝，采用等离子焊技术在焊枪与拼接面之间起弧，降低了焊接热输入，避免了晶粒的粗化，减小了焊后残余应力。

3、通过在真空仓周围布置焊缝保护冷却装置，采用即时氩气真空冷却和调节冷却速率，精准调节焊缝冷却速率，获得细小等轴状晶粒，提高焊接强度，大幅缩短焊缝降温时间，避免了焊缝出仓降温速率过高导致裂纹沿粗大晶粒界面开裂的问题，从而提高焊缝强度。

4、本发明工艺可控性高，易实现自动化生产。

附图说明

图1为本发明焊接钛合金铸锭装置截面示意图。

图2为焊缝保护冷却装置示意图。

图3为摇曳式等离子焊枪摆动角度示意图。

图4为本发明的焊接流程示意图。

图中：1、钛合金铸锭，2、摇曳式等离子焊枪，3、真空仓，4、测温装置，5、氩气喷嘴，6、反馈装置，7、抽真空喷嘴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的焊缝保护冷却装置包括：

钛合金铸锭1可转动地放置在真空仓3内部，钛合金铸锭上方设置有可摆动的焊枪，真空仓上设置有焊缝保护冷却装置，焊缝保护冷却装置绕钛合金铸锭均匀设置数个，本发明的焊缝保护冷却装置绕钛合金铸锭等角度均匀设置9个，如图2所示，焊缝保护冷却装置包括氩气喷嘴5、抽真空喷嘴7、测温装置4、反馈装置6；氩气喷嘴喷出氩气调节焊缝温度，抽真空喷嘴平衡焊缝处真空度；测温装置检测焊缝温度；反馈装置根据检测到的焊缝温度控制氩气喷嘴及抽真空喷嘴的开启和关闭。焊缝保护冷却装置用于对焊缝温度进行实时控制，且每个焊缝保护冷却装置均可独立运行，对各自检测焊缝位置可进行不同冷却速率的调控。

本发明的钛合金铸锭工作时以“脉冲式”进行转动，即转动一定角度，停顿一定时间，转动由真空仓内的电机带动；焊枪为摇曳式等离子焊枪2，其在工作时可保持“︶”型摆动。

焊缝保护冷却装置的工作原理如下：当焊缝温度较高时，由测温装置将温度信号传送到反馈装置，随即反馈装置自动调整氩气喷嘴气阀以及抽真空喷嘴的气阀，氩气喷嘴喷氩气进行保护和冷却，同时抽真空喷嘴将真空仓中的氩气抽出，从而保证真空仓中的气压平衡。

如图4所示，本发明的解决钛合金铸锭焊后易开裂的方法具体包括以下步骤：

(1)、将待焊钛合金铸锭放入真空仓中，调整摇曳式等离子焊枪与焊缝之间的夹角，调整钛合金铸锭脉冲式转动频率，调整摇曳式等离子焊枪摆动角度；

(2)、打开焊接电源，同时开启焊缝保护冷却装置，设定焊缝平均冷却速度；

(3)、钛合金铸锭以“脉冲式”旋转形式进行转动的同时，摇曳式等离子焊枪保持“︶”型摆动；

(4)、焊缝保护冷却装置对焊缝温度进行实时监控、调节。

步骤(1)中，待焊钛合金铸锭的对接面距离D为2～5mm。

步骤(1)中，钛合金铸锭脉冲式转动频率为每分钟3～10°，每转动一次停顿1～5s。

步骤(1)中，如图1所示，摇曳式等离子焊枪与焊缝之间的夹角为85～95°，摇曳式等离子焊枪摆动频率是钛合金铸锭转动频率的1/4，如图3所示，摇曳式等离子焊枪摆动角度为

具体来说，在焊接过程中，钛合金铸锭沿逆时以“脉冲式”旋转形式进行转动，当钛合金铸锭转动半周期时，摇曳式等离子焊枪同时也在摆动，当钛合金铸锭转动停顿时，摇曳式等离子焊枪摆动到“︶”一边的1/4位置，当钛合金铸锭转动停顿完成时，摇曳式等离子焊枪摆动到“︶”的靠近另外一边的1/4位置。

步骤(2)中，焊接电流、焊接电压参数在等离子焊接通用参数控制范围内。

步骤(2)中，控制焊缝平均冷却速度为每分钟10～100℃。

步骤(4)中，控制焊缝出仓温度小于200℃。

本发明解决了目前钛合金铸锭焊后易开裂的问题，同时，采用了摇曳式等离子焊枪以及可转动的钛合金金属铸锭，大幅提升了焊缝的质量。

实施例一：

以上实验，包括实验最终得到的结果都只是为了便于理解发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。

选择2支φ560mm的TC4钛合金铸锭，调整摇曳式等离子焊枪与焊缝之间的夹角为90°，TC4钛合金铸锭“脉冲式”转动频率为5°/min，停顿时间为2s，摇曳式等离子焊枪摆动角度为θ＝4°，打开焊接电源，起弧焊接开始；同时开启圆柱形真空仓周围布置焊缝保护冷却装置，对焊缝进行即时保护和降温，设定焊缝平均冷却速度控制在35℃/min，焊接结束焊缝温度130℃；出炉后，铸锭焊缝表现出良好的钛合金光泽，焊缝均匀饱满，无裂纹。

实施例二：

选择2支φ440mm的Ti1023钛合金铸锭，调整摇曳式等离子焊枪与焊缝之间的夹角为92°，Ti1023钛合金铸锭“脉冲式”转动频率为2°/min，停顿时间为4s，摇曳式等离子焊枪摆动角度为θ＝2°，打开焊接电源，起弧焊接开始；同时开启圆柱形真空仓周围布置焊缝保护冷却装置，对焊缝进行即时保护和降温，设定焊缝平均冷却速度控制在50℃/min，焊接结束焊缝温度70℃；出炉后，铸锭焊缝表现出良好的钛合金光泽，焊缝均匀饱满，无裂纹。

实施例三：

选择2支φ560mm的TA15钛合金铸锭，调整摇曳式等离子焊枪与焊缝之间的夹角为90°，TA15钛合金铸锭“脉冲式”转动频率为3°/min，停顿时间为2s，摇曳式等离子焊枪摆动角度为θ＝5°，打开焊接电源，起弧焊接开始；同时开启圆柱形真空仓周围布置焊缝保护冷却装置，对焊缝进行即时保护和降温，设定焊缝平均冷却速度控制在40℃/min，焊接结束焊缝温度120℃；出炉后，铸锭焊缝表现出良好的钛合金光泽，焊缝均匀饱满，无裂纹。

实施例四：

选择2支φ560mm的TA15钛合金铸锭，调整摇曳式等离子焊枪与焊缝之间的夹角为94°，TA15钛合金铸锭“脉冲式”转动频率为9°/min，停顿时间为4s，摇曳式等离子焊枪摆动角度为θ＝5°，打开焊接电源，起弧焊接开始；同时开启圆柱形真空仓周围布置焊缝保护冷却装置，对焊缝进行即时保护和降温，设定焊缝平均冷却速度控制在90℃/min，焊接结束焊缝温度80℃；出炉后，铸锭焊缝表现出良好的钛合金光泽，焊缝均匀饱满，无裂纹。

实施例五：

选择2支φ560mm的TC4钛合金铸锭，调整摇曳式等离子焊枪与焊缝之间的夹角为86°，TC4钛合金铸锭“脉冲式”转动频率为5°/min，停顿时间为2s，摇曳式等离子焊枪摆动角度为θ＝4°，打开焊接电源，起弧焊接开始；同时开启圆柱形真空仓周围布置焊缝保护冷却装置，对焊缝进行即时保护和降温，设定焊缝平均冷却速度控制在20℃/min，焊接结束焊缝温度180℃；出炉后，铸锭焊缝表现出良好的钛合金光泽，焊缝均匀饱满，无裂纹。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。