CN104400244A - 薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属材料焊接性试验技术领域的薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性测试方法，通过首先在圆弧形钛合金旋压件沿纵向切取形状为两端均有等宽延长的对称梯形试样，该旋压件梯形试样的小宽度端中部边缘开有一个矩形缺口以促使焊缝在起焊处产生裂纹，旋压件梯形试样的大宽度端固定于夹具上，焊接从小宽度端的延长段的中轴线处开始直至大宽度端，形成连续熔透焊缝，焊接后测量焊缝或热影响区的热裂纹长度，将测得的热裂纹长度除以焊缝总长度得到裂纹率。通过设定裂纹率作为目标值，可选择相应的焊接规范或焊丝成分。本发明能够实现薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性的试验评价。

Description

薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性测试方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料焊接性试验技术领域的方法，具体涉及的是一种薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性测试方法。
背景技术
在现代机械加工中有大量通过金属旋压技术制成的无缝回转零件。在航天航空等领域广泛应用的钛合金虽然是一种难加工金属，但也可用热强力旋压技术来进行塑性加工，依靠毛坯厚度变薄来获得无缝空心锥体、筒体、半球体等薄壁回转零件。这些钛合金旋压件在实际工程应用中还存在相互之间和与其它零件之间的焊接连接需求。激光焊接技术作为先进连接技术在当前钛合金的焊接生产中得到越来越多的应用。
钛合金焊接可能会出现热裂纹，特别是材料中存在杂质和缺陷时。钛合金旋压加工后晶粒会沿金属流动方向变扁、拉长，晶界变得模糊不清，旋压件内外表面层中会形成织构。钛合金金相组织结构的这些变化可能会影响到其焊接热裂倾向。因此，工程应用时有必要对钛合金旋压件进行焊接热裂敏感性测定。现有的焊接热裂纹敏感性测试方法有多种，但是都是针对平板材料，没有专门针对弧形旋压试件的；且这些测试方法早先是基于电弧焊方法建立起来的。其中可用于钛合金的焊接热裂纹敏感性测试方法有十字搭接裂纹试验法、鱼骨状裂纹试验法和可调拘束裂纹实验法。鱼骨状裂纹试验法，即Houldcroft法，是一种简便易行的自拘束的裂纹试验，采用的是堆焊形式。鱼骨状裂纹试验形式虽也适用于激光焊接，但如果照搬原有的试件形状和尺寸，试验时激光焊缝中往往不出现热裂纹，尽管在实际激光焊接接头中却会出现热裂纹。日本学者曾针对铝合金电子束焊接采取了与Houldcroft法相似的梯形平板试样进行热裂纹敏感性测评。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101576459，公开日2009-11-11，公开了一种检测铝合金材料焊接热裂纹倾向的装置。此技术是基于可调拘束裂纹实验法并为解决现有检测铝合金材料焊接热裂纹的试验繁琐状态而发明的简便易行、准确的检测装置。此发明采用圆盘形平板试样，施加熔透型电弧点焊，然后在点焊结束的同时通过杠杆联动机构使顶头从下向上顶住圆盘试样中心，以获得拉应变场，通过上顶的速度和距离可模拟不同拘束条件的焊接环境，进而评估材料焊接热裂倾向。但该现有技术不足之处在于：1)其焊接拘束应力不是靠自拘束产生的，而是主要靠人为外加的，所依靠的装置必须控制好作用时间和上顶力，使装置仍然有一定的复杂度和操作要求；2)试样必须是圆盘形平板，无法适应圆筒状试样；3)其焊接形式是点焊，无法采用连续长焊缝形式。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于自拘束的薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性测试方法，采用专门设计的试样形状和尺寸和配套夹具，实现薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性的试验评价。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过首先在圆弧形钛合金旋压件沿纵向切取出形状为两端均有等宽延长的对称梯形试样，该旋压件梯形试样的小宽度端，即上底的中部边缘开有一个矩形缺口以促使焊缝在此起焊处产生裂纹，该旋压件梯形试样由其大宽度端，即下底的两个对称分布圆孔固定于夹具上，焊接从小宽度端的延长段的中轴线处开始直至大宽度端，形成连续熔透焊缝，焊接后测量焊缝或热影响区的热裂纹长度，将测得的热裂纹长度除以焊缝总长度得到裂纹率，通过设定裂纹率作为目标值，选择相应的焊接规范或焊丝成分。
由于旋压件梯形试样的宽度太小或太大都将不能使热裂纹产生，会导致测试失败；而焊缝长度过小将使试验数据误差过大，因此所述的旋压件梯形试样小宽度端的宽度为8～25mm，两端的宽度比2～4倍，旋压件梯形试样上形成的焊缝长度不小于100mm。
所述的旋压件的壁厚t小于等于3mm，曲率半径Rn大于等于50mm。
所述的夹具为矩形结构，上表面的结构与旋压件梯形试样的圆弧面相适应，上表面的中间开有一条矩形凹槽。
所述的焊接方法为激光焊接，包括激光自熔焊、激光填丝焊或激光电弧复合焊，并以氩气或氦气作为保护气。
本发明采用圆弧形横截面的对称梯形试样形状和上底端开小缺口方式以及配套设计的工装夹具，可进行多种工艺规范的激光焊接试验。通过测得的裂纹率实现对不同化学成分或不同制备条件下获得的薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性的评价。通过设定裂纹率目标值实现钛合金旋压件激光焊接工艺规范或焊丝成分的比较选择。
附图说明
图1为实施例1旋压件的结构示意图；
图2为实施例1夹具的结构示意图；
图3为焊接试验示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例包括亦以下步骤：
步骤1，试样制备：在壁厚t为2mm、曲率半径Rn为148mm的圆筒形TC11钛合金旋压件上通过线切割等方法沿旋压件纵向切取形状为两端均有等宽延长的对称梯形试样，如图1所示。旋压件梯形试样1小宽度端宽度Wb为16mm，此端的15mm长的延长段边缘开有一个深3mm、宽1mm的矩形缺口。旋压件梯形试样1大宽度端的宽度We为50mm，大宽度端的15mm长的延长段上对称地加工有两个同样的直径D为4mm且与边缘相距7mm的通孔，用于固定旋压件1。钛合金旋压件梯形试样1总长度Ls为150mm。
步骤2，夹具2制备：为试验装夹试样，采用如图2所示的专门设计制造的夹具。夹具2的上表面为横向具有148mm曲率半径的圆弧柱面，夹具上表面中间开有一条沿纵向分布的宽6mm、深8mm的矩形凹槽。夹具2一端的靠近凹槽的上表面开有两个直径4mm的螺纹孔M，用于旋压件梯形试样1大宽度端的固定。
步骤3，焊接试验进行：
如图3所示，将加工好的旋压件梯形试样1放置在夹具2之上，采用螺栓3将旋压件梯形试样1的大宽度端固定在夹具2上，避免试验中旋压件梯形试样1的移动。
采用激光自熔焊工艺焊接。焊接开始时，采用氩气作为保护气体从侧吹气管5中吹出，将直径为0.7mm、离焦量为0mm的激光4聚焦光斑置于旋压件1上底端延长段的中轴线且紧靠矩形小缺口处，在激光4热作用下使试样熔化并且熔透。然后，按一定的焊接速度使激光4沿试样中轴线由旋压件1的上底端向下底端移动，直至激光4到达旋压件1的下底端而停止焊接，由此形成连续熔透焊缝。
焊接中焊缝区的热裂纹产生后扩展，裂纹的扩展随着拘束度的下降到一定程度而停止。焊后测量焊缝区的热裂纹长度，以3个试样的裂纹长度平均值确定。
步骤4，裂纹敏感性评价：将测得的裂纹长度除以焊缝总长度可获得裂纹率指标，依此对钛合金旋压件的热裂纹敏感性做出评定。在焊接速度为2m/min，激光功率分别为2.8kW、3.0kW和3.5kW时，测得的焊接裂纹率则分别为0％、24％和67％。如将目标裂纹率设为10％，则可进一步确定合适的激光自熔焊接工艺规范为焊接速度2m/min，激光功率2.8kW，离焦量0mm。

Claims (5)

1.一种薄壁钛合金旋压件激光焊接热裂纹敏感性测试方法，其特征在于，通过首先在圆弧形钛合金旋压件沿纵向切取出形状为两端均有等宽延长的对称梯形试样，该旋压件梯形试样的小宽度端中部边缘开有一个矩形缺口以促使焊缝在此起焊处产生裂纹，该旋压件梯形试样由其大宽度端的两个对称分布圆孔固定于夹具上，焊接从小宽度端的延长段的中轴线处开始直至大宽度端，形成连续熔透焊缝，焊接后测量焊缝或热影响区的热裂纹长度，将测得的热裂纹长度除以焊缝总长度得到裂纹率。通过设定裂纹率作为目标值，可选择相应的焊接规范或焊丝成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的旋压件梯形试样小宽度端的宽度为8～25mm，两端的宽度比2～4倍，该旋压件梯形试样上形成的焊缝长度不小于100mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的旋压件的壁厚t小于等于3mm，曲率半径Rn大于等于50mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征是，所述的夹具为矩形结构，上表面的结构与旋压件的圆弧面相适应，上表面的中间开有一条矩形凹槽。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的焊接方法为激光焊接，包括激光自熔焊、激光填丝焊或激光电弧复合焊，并以氩气或氦气作为保护气。
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