CN102953023A - 一种钛合金焊接接头的表面处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金焊接接头的表面处理工艺，包括如下步骤：将钛合金焊接接头预处理后，对焊缝、焊趾及热影响区域超声冲击和热处理，至它们表面至深度为150μm的区间内晶粒平均尺寸不大于200nm。采用该工艺处理钛合金焊接件焊接接头后，焊接接头表面组织形成稳定的细化层，表面粗糙度低，表面硬度增加，焊趾区域过渡平滑，且处理表面存在很高残余压应力，大大提高了焊接接头的塑性、抗疲劳以及抗磨损强度。

Description

一种钛合金焊接接头的表面处理工艺

技术领域

本发明涉及一种钛合金焊接接头的表面处理工艺。

背景技术

随着产业结构的变化和科学技术的发展，先进的焊接结构是降低材料消耗、减轻结构质量的有效途径。钛及其合金具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性，在航空、航天、造船、化工等工业部门中得到广泛应用。

钛的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、热导率比铝、铁等金属低，所以钛的焊接熔池具有更高的温度、较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低，抗疲劳、抗磨损性能下降。故钛合金工件焊接接头力学性能的提高（特别是抗疲劳、抗磨损强度）对于钛合金焊接件的整体使用性能的提高有着十分重要的意义。

目前现有的超声冲击钛合金焊接接头技术主要是运用的是与传统喷丸类似的原理，处理区由于未形成晶界，而导致处理后的晶粒有慢慢变大的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金焊接接头的表面处理工艺，以解决超声处理后处理区由于未形成晶界而导致处理后的晶粒变大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种钛合金焊接接头的表面处理工艺，包括如下步骤：

a．将钛合金焊接接头预处理后，对焊缝、焊趾及热影响区域超声冲击，至它们表面至深度为150μm的区间内晶粒平均尺寸不大于200nm后，热处理。

焊趾指的是焊缝表面与母材的交界处；热影响区指母材因受热但未熔化而使金相组织和力学性能发生变化的区域，本发明特指焊缝两侧2-3倍焊缝宽度的区域。

本步发明热处理的主要目的是为了使超声冲击后的细化表面再结晶，形成晶界，从而防止处理后的晶粒变大。晶界的形成可使晶粒处于稳定状态。

为了进一步提高焊接接头的力学性能，上述钛合金焊接接头的表面处理工艺，还包括步骤b. 对焊缝、焊趾及热影响区域再次超声冲击至他们的表面压应力不小于150MPa。

上述步骤a中的预处理，采用常规的预处理方法，具体是在钛合金焊接件焊接结束后，首先通过化学、磁力显影、放射线等无损检测手段（常规手段）确认焊接头表面及内部无明显焊接缺陷；然后通过砂轮、砂纸打磨焊缝及焊趾区域去除毛刺光滑焊缝表面；通过砂轮对焊趾部位进行机械加工，使得焊缝与金属母材之间形成平滑过渡，降低应力集中；最后使对焊缝、焊趾及其热影响区（焊缝两侧2-3倍焊缝宽度）表面进行清洁处理（常规去油污清洁）。

上述在对焊趾区域进行机械加工时，本发明为了防止磨削纹路成为疲劳裂纹萌生点，采用磨削方向优选为与加工区域工况下的主应力线方向一致的加工方法。

上述步骤a中，超声冲击频率为不小于21kHz，冲击功率为不小于1.5KW；焊缝和焊趾区域的覆盖率为250-400%，热影响区域的覆盖率为150-350%；焊缝及热影响区域采用至少4针头，焊趾区域采用单针头；超声冲击针与处理表面的夹角为70-90°，移动速度为15-20mm/s。

上述步骤a中，超声冲击频率优选为21-23kHz，冲击功率优选为1.5KW；焊缝和焊趾区域的覆盖率优选为250-300%，热影响区域的覆盖率为150-200%；焊缝及热影响区域采用4针头；超声冲击针与处理表面的夹角优选为90°。

上述步骤a中热处理为在200-300℃条件下保温30-60min后空冷，升温速率优选为1-2℃/s。本发明对热处理的加热方式不做限定，可以为本领域中所用的任何方式。本发明空冷为常温条件下，自然冷却。如果上述步骤a中，一次超声处理后，不能满足焊缝、焊趾及热影响区域的表面至深度为150μm的区间内晶粒平均尺寸不大于200nm，则可以重复超声处理。

上述步骤b中，超声冲击频率不小于15kHz，冲击功率不小于1KW；焊缝、焊趾及热影响区域的覆盖率为100-200%；焊缝及热影响区域采用至少4针头，焊趾区域采用单针头；超声冲击针与处理表面的夹角为 70°-80°，移动速度为20-25mm/s。此步骤进一步平滑了焊趾过渡区域，降低了应力的集中，同时在材料表面形成了高残余压应力的硬化层。

上述步骤b中，超声冲击频率优选为15-20kHz，冲击功率优选为1KW；焊缝及热影响区域优选采用4针头。

经上述步骤后焊缝、焊趾及热影响区域的表面压应力不小于150MPa。

上述覆盖率指：假如作用表面均匀覆盖冲击坑为100%覆盖率，其所用时间为t，则当作用时间为n倍的t时，覆盖率为n乘以100%。

采用该工艺处理钛合金焊接件焊接接头后，焊接接头表面组织形成稳定的细化层，表面粗糙度低，表面硬度增加，焊趾区域过渡平滑，且处理表面存在很高残余压应力，大大提高了焊接接头的塑性、抗疲劳以及抗磨损强度。

附图说明

图1为钛合金焊接接头处理区域说明。

图2为预处理时，对焊趾机械加工的磨削示意图。

图3 为步骤a中对焊缝和热影响区超声冲击的示意图。

图4为步骤a中对焊趾过渡区域超声冲击示意图。

图5 为热处理升温曲线图。

图6为步骤b中对焊缝、热影响区超声冲击示意图。

图7为步骤b中对焊趾超声冲击示意图。

图8为实施例1中热处理后的SEM扫描图片。

图9为图8的放大图。

图1中1指热影响区，2指焊缝，3指焊趾。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

以下实施例中，焊接件及焊接接头都为TA2钛合金，所用焊丝型号为STA2R。

实施例1

如图1至图7所示，将牌号为TA2，厚度为6mm的钛合金，按JB/T4745-2002所述焊接工艺，采用“V”型坡口钨极氩弧焊接而成：钨级直径3.5mm，焊丝直径3mm，焊接电流150A，喷嘴直径14mm，氩气流量14L/min，焊接速度20cm/min,d电弧电压15V，焊缝背面氩气流量为6L/min。加工而成，首先通过化学显影检测手段确认焊接头表面及内部无明显焊接缺陷；然后通过砂轮、砂纸(和关系)打磨焊缝及焊趾区域去除毛刺，光滑焊缝表面，通过砂轮对焊趾部位进行机械加工，使得焊缝与金属母材之间形成平滑过渡，降低应力集中；对焊趾部位进行机械加工时，磨削方向与加工区域工况下的主应力线方向一致；最后使对焊缝、焊趾及其热影响区表面进行清洁处理。对预处理后的焊接件进行超声冲击处理，采用的超声冲击频率为21kHz，冲击功率为1.5KW；冲击时，对于焊缝、焊趾区域采用250%的覆盖率，热影响区（焊缝两侧3倍焊缝宽度）采用150%的覆盖率；焊缝及热影响区域采用4针头，焊趾区域采用单针头处理（图4中，方向垂直纸面向外）；处理过程中超声冲击针垂直作用于处理表面，水平移动速度为15mm/s。所述一次冲击后热处理，冲击后对焊缝热影响区表面加热至200℃，加热时升温速度为1℃/s，保温30min，最后空冷。通过SEM检查确定处理区域表面材料晶粒平均尺寸为200nm，细化层达到150μm，即处理表面至深度为150μm的区间内晶粒平均尺寸为200nm（扫描图片如图8和图9所示）。由图8和图9可看出，处理区热处理后形成了稳定晶界，从而防止了超声后的晶粒慢慢变大的现象。为了进一步加大表面压应力，参见附图6、7，对焊缝、焊趾和热影响区再次超声冲击处理，采用的超声冲击频率为15kHz，冲击功率为1KW；冲击时，对于焊缝焊趾区域及热影响区采用100%的覆盖率；焊缝及热影响区域采用4针头，焊趾区域采用单针头处理（图7中，方向垂直纸面向外）；处理过程中超声冲击针与处理表面成70°（在此角度下，冲击后表面粗糙度最低），移动速度为20mm/s；通过冲击进一步平滑焊趾过渡区域，降低应力集中，同时在材料表面产生高残余压应力的硬化层；冲击处理后通过XRD检测表面压应力达到162MPa，工艺完成。

实施例2

如图1至图7所示，将牌号为TA2，厚度为6mm的钛合金，按JB/T4745-2002所述焊接工艺，采用“V”型坡口钨极氩弧焊接而成：钨级直径3.5mm，焊丝直径3mm，焊接电流150A，喷嘴直径14mm，氩气流量14L/min，焊接速度20cm/min,d电弧电压15V，焊缝背面氩气流量为6L/min。加工而成，首先通过磁力显影检测手段确认焊接头表面及内部无明显焊接缺陷；然后通过砂轮、砂纸(和)打磨焊缝及焊趾区域去除毛刺，光滑焊缝表面，通过砂轮对焊趾部位进行机械加工，使得焊缝与金属母材之间形成平滑过渡，降低应力集中；参见附图2，对焊趾部位进行机械加工时，磨削方向应与工况下的主力线方向一致，否则磨削纹路容易成为疲劳裂纹萌生点；最后使对焊缝、焊趾及其热影响区表面进行清洁处理。参见附图3、4，对预处理后的焊接件进行超声冲击处理，采用的超声冲击频率为23kHz，冲击功率为1.5KW；冲击时，对于焊缝、焊趾区域采用300%的覆盖率，热影响区（焊缝两侧2倍焊缝宽度）采用200%的覆盖率；焊缝及热影响区域采用4针头，焊趾区域采用单针头处理（图b中，方向垂直纸面向外）；处理过程中超声冲击针垂直作用于处理表面，水平移动速度为20mm/s。参见附图5，所述一次冲击后热处理，冲击后对焊缝热影响区表面加热至300℃，加热时升温速度为2℃/s，保温60min，最后空冷。通过XRD检查确定处理区域表面材料晶粒平均尺寸为200nm，细化层达到150μm。参见附图6、7，所述二次超声冲击处理，采用的超声冲击频率为20kHz，冲击功率为1KW；冲击时，对于焊缝焊趾区域及热影响区采用200%的覆盖率；焊缝及热影响区域采用4针头，焊趾区域采用单针头处理（图7中，方向垂直纸面向外）；处理过程中超声冲击针与处理表面成80°（在此角度下，冲击后表面粗糙度最低），移动速度为25mm/s；通过冲击进一步平滑焊趾过渡区域，降低应力集中，同时在材料表面产生高残余压应力的硬化层；冲击处理后通过XRD检测表面压应力达到201MPa，工艺完成。

实施例3：如图1至图7所示，将牌号为TA2，厚度为6mm的钛合金，按JB/T4745-2002所述焊接工艺，采用“V”型坡口钨极氩弧焊接而成：钨级直径3.5mm，焊丝直径3mm，焊接电流150A，喷嘴直径14mm，氩气流量14L/min，焊接速度20cm/min,d电弧电压15V，焊缝背面氩气流量为6L/min。加工而成，首先通过放射线检测手段确认焊接头表面及内部无明显焊接缺陷；然后通过砂轮、砂纸打磨焊缝及焊趾区域去除毛刺，光滑焊缝表面，通过砂轮对焊趾部位进行机械加工，使得焊缝与金属母材之间形成平滑过渡，降低应力集中；参见附图2，对焊趾部位进行机械加工时，磨削方向应与工况下的主应力线方向一致，否则磨削纹路容易成为疲劳裂纹萌生点；最后使对焊缝、焊趾及其热影响区表面进行清洁处理。参见附图3、4，对预处理后的焊接件进行超声冲击处理，采用的超声冲击频率为22kHz，冲击功率为1.5KW；冲击时，对于焊缝、焊趾区域采用280%的覆盖率，热影响区（焊缝两侧2倍焊缝宽度）采用180%的覆盖率；焊缝及热影响区域采用4针头，焊趾区域采用单针头处理（图4中，方向垂直纸面向外）；处理过程中超声冲击针垂直作用于处理表面，水平移动速度为18mm/s。参见附图5，超声冲击后的热处理为：冲击后对焊缝热影响区表面加热至250℃，加热时升温速度为1.5℃/s，保温45min，最后空冷。热处理对处理后细化表面再结晶，通过晶界行核及移动使得一次冲击后细化晶粒得以稳定。通过XRD检查确定处理区域表面材料晶粒平均尺寸为200nm，细化层达到150μm。参见附图6和7，所述二次超声冲击处理，采用的超声冲击频率为18kHz，冲击功率为1KW；冲击时，对于焊缝焊趾区域及热影响区采用150%的覆盖率；焊缝及热影响区域采用4针头，焊趾区域采用单针头处理（图7中，方向垂直纸面向外）；处理过程中超声冲击针与处理表面成70°（在此角度下，冲击后表面粗糙度最低），移动速度为23mm/s；通过冲击进一步平滑焊趾过渡区域，降低应力集中，同时在材料表面产生高残余压应力的硬化层；冲击处理后通过XRD检测表面压应力达到187MPa，工艺完成。

Claims (9)

1.一种钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于包括如下步骤：

a．将钛合金焊接接头预处理后，对焊缝、焊趾及热影响区域超声冲击至它们表面至深度为150μm的区间内晶粒平均尺寸不大于200nm后，热处理。

2.如权利要求1所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于还包括步骤b. 对焊缝、焊趾及热影响区域再次超声冲击至他们的表面压应力不小于150MPa。

3.如权利要求1所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于步骤a中的预处理中，对焊趾区域进行机械加工时，加工方向与加工区域工况下的主应力线方向一致。

4.如权利要求1所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于步骤a中热处理为在200-300℃条件下保温30-60min后空冷。

5.如权利要求4所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于步骤a中热处理的升温速率为1-2℃/s。

6.如权利要求1至5任意一项所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于步骤a中，超声冲击频率为不小于21kHz，冲击功率为不小于1.5KW。

7.如权利要求6所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于步骤a中，超声冲击时，焊缝和焊趾区域的覆盖率为250-400%，热影响区域的覆盖率为150-350%；焊缝及热影响区域采用至少4针头，焊趾区域采用单针头；超声冲击针与处理表面的夹角为70-90°，移动速度为15-20mm/s。

8.如权利要求1至5任意一项所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于步骤b中，超声冲击频率不小于15kHz，冲击功率不小于1KW。

9.如权利要求8所述的钛合金焊接接头的表面处理工艺，其特征在于步骤b中，超声冲击时，焊缝、焊趾及热影响区域的覆盖率为100-200%；焊缝及热影响区域采用至少4针头，焊趾区域采用单针头；超声冲击针与处理表面的夹角为 70°-80°，移动速度为20-25mm/s。

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