CN104419884A - 深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，在完成电子束焊接后，不对焊接接头做任何处理，直接进行深冷处理，液氮温度为-185—-196℃。本发明的深冷处理方法能够有效减低钛合金电子束焊接接头的残余应力；与其他处理方法相比，操作简单、工艺环保；同时还能够改善接头组织，提高尺寸稳定性。

Description

深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用

技术领域

本发明是属于金属材料的热处理工艺技术领域，更加具体地说，涉及到钛合金电子束焊接接头的热处理，特别涉及到降低钛合金电子束焊接接头残余应力的深冷处理应用。

背景技术

电子束焊接功率密度高，可获得大熔深、小变形、高精度、高洁净度的焊接接头。因此电子束焊接近年来被广泛应用于航空钛合金的焊接。然而，钛合金在焊接过程中，由于高度集中的瞬时热输入和随后的快速冷却，必会在焊接工件上产生相当大的焊接残余应力。残余应力的存在不仅降低了接头的承载能力，引起脆性断裂，而且还会增加接头的应力腐蚀破裂倾向。同时焊接冷却后也存在着各区组织不均匀、疲劳强度较低等问题，这些因素对钛合金整体焊接结构的性能和寿命有重要影响。因此,焊后采取合理处理技术对焊接残余应力进行有效控制,优化组织，大大提高焊接接头的使用寿命具有重要的理论意义和工程应用价值。研究成果可广泛应用于倡导轻质化的飞机机身、发动机风扇机匣、高压压气机转子、导弹、火箭、舰船和深潜器的承力构件及功能构件等领域，能大大提高其综合性能和使用寿命，应用前景广阔。

深冷处理又称超低温处理,是指以液氮为制冷剂,在-130℃以下对材料进行处理而达到给材料改性的一种新方法,它是常规冷处理的一种延伸。深冷处理能使金属组织中的过多残余奥氏体转化成马氏体以部分消除残余应力、细化晶粒、使碳化物在组织中均匀分布。目前,深冷处理不仅用于高速钢、轴承钢、工模具钢的处理,以提高材料的耐磨性和韧性；同时还用于对铝合金、铜合金、硬质合金、塑料和玻璃等材料进行改性,以改善材料的均匀性和提高尺寸稳定性,减少变形和提高其使用寿命等。同样深冷也能够使钛合金中残留β相转化为马氏体α相，析出第二相等，进而能够降低焊接接头中的残余应力和提高组织的均匀性和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钛合金电子束焊接接头深冷处理工艺，减小焊接接头中较高的残余应力，同时改善接头组织均匀性与尺寸稳定性。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，在对钛合金进行电子束焊接之后，不对焊接接头做任何处理，直接进行深冷处理，选择液氮温度为-185—-196℃。

在实施时，可考虑直接将焊接工件置于液氮环境下进行深冷处理，深冷保温时间选择为2—48小时，优选24—48小时。

在实施时，还可先将焊接工件置于液氮的表面上停留以达到预冷效果后，例如30—60min后，再置于液氮环境下进行深冷处理，深冷保温时间选择为2—48小时，优选24—48小时。

在实施时，在完成深冷处理后选择直接将工件置于空气中自然升温至室温（例如20—25℃）即可。

本发明的深冷处理工艺的效果和益处是能够有效减低钛合金电子束焊接接头的残余应力；与其他处理方法相比，操作简单、工艺环保；同时还能够改善接头组织，提高尺寸稳定性。通过表2和表3可以看出，经过24小时深冷处理后，钛合金电子束焊接接头的残余应力大幅减小，并可以看出，随着深冷时间延长，残余应力水平下降，超过24小时后，残余应力不再降低。通过图1到图5中的金相照片可以看出，与未深冷处理的电子束焊接接头相比，深冷处理后的焊接接头在近缝区析出大量的第二相。

附图说明

图1是未深冷处理金相照片（500倍）。

图2是深冷处理2小时金相照片（500倍）。

图3是深冷处理15小时金相照片（500倍）。

图4是深冷处理24小时金相照片（500倍）。

图5是深冷处理48小时金相照片（500倍）。

具体实施方式

下面结合实施例进一步详细说明本发明的技术方案。由OLYMPUS GX51光学显微镜拍摄金相照片；采用盲孔法，依照国家标准CB 3395-1992执行，以测试板件焊缝周围多点的残余应力大小。选择深圳精恒誉模具五金商行提供的钛合金TC4进行电子束焊接，TC4材料成分如下表1所示：

表1  TC4材料成分

选用现有技术中常规电子束焊接工艺对钛合金TC4进行电子束焊接，在完成焊接后，采用的是液体法进行深冷处理，即将接头放入装有温度在-185—-196℃液氮的密封罐中进行深冷处理。

实施例1：

将钛合金板用绳子悬在装有液氮的容器上方，注意不要让焊接接头接触到液氮，悬挂时间30分钟使得接头温度缓慢降低，将整个钛合金板浸入液氮中，然后选择保温时间为2小时，整个保温过程要保证焊接接头一直浸在液氮中。达到保温时间后，将焊接接头取出，置于空气中自然升温至室温状态。采用盲孔法测量板件焊缝周围多点的残余应力大小，得到结果如表2和表3所示，可以看出距焊缝中心线0.5mm处纵向应力大小为468MPa，横向应力为-263.6MPa，与焊后残余应力对比有一定的减小，同样其他点的应力值都比未进行深冷处理前的应力要低。深冷处理后金相照片如图2所示，可以看出在焊缝和熔合线附近析出大量第二相。

实施例2：

将钛合金板用绳子悬在装有液氮的容器上方，注意不要让焊接接头接触到液氮，悬挂时间60分钟使得接头温度缓慢降低，将整个钛合金板浸入液氮中，然后选择保温时间为15小时，整个保温过程要保证焊接接头一直浸在液氮中。达到保温时间后，将焊接接头取出，置于空气中自然升温至室温状态。采用盲孔法测量板件焊缝周围多点的残余应力大小，得到结果如表2和表3所示，可以看出距焊缝中心线0.5mm处纵向应力大小为400.4MPa，横向应力为-197.4MPa，与焊后残余应力对比有一定的减小，同样其他点的应力值都比未进行深冷处理前的应力要低。深冷处理后金相照片如图3所示，可以看出在焊缝和熔合线附近析出大量第二相。

实施例3：

将钛合金板用绳子悬在装有液氮的容器上方，注意不要让焊接接头接触到液氮，悬挂时间40分钟使得接头温度缓慢降低，将整个钛合金板浸入液氮中，然后选择保温时间为24小时，整个保温过程要保证焊接接头一直浸在液氮中。达到保温时间后，将焊接接头取出，置于空气中自然升温至室温状态。采用盲孔法测量板件焊缝周围多点的残余应力大小，得到结果如表2和表3所示，可以看出距焊缝中心线0.5mm处纵向应力大小为381.7MPa，横向应力为-160.8MPa，与焊后残余应力对比有一定的减小，同样其他点的应力值都比未进行深冷处理前的应力要低。深冷处理后金相照片如图4所示，可以看出在焊缝和熔合线附近析出大量第二相。

实施例4：

将钛合金板用绳子悬在装有液氮的容器上方，注意不要让焊接接头接触到液氮，悬挂时间50分钟使得接头温度缓慢降低，将整个钛合金板浸入液氮中，然后选择保温时间为48小时，整个保温过程要保证焊接接头一直浸在液氮中。达到保温时间后，将焊接接头取出，置于空气中自然升温至室温状态。采用盲孔法测量板件焊缝周围多点的残余应力大小，得到结果如表2和表2所示，可以看出距焊缝中心线0.5mm处纵向应力大小为-365.2MPa，横向应力为-165.1MPa，与焊后残余应力对比有很大的减小，但与深冷处理24小时后的试样应力值基本相等，同样其他点的应力值都比未进行深冷处理前的应力要低。深冷处理后金相照片如图5所示，可以看出在焊缝和熔合线附近析出大量第二相。

表2  纵向残余应力测试结果

表3  横向残余应力

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，其特征在于，在对钛合金进行电子束焊接之后，不对焊接接头做任何处理，直接进行深冷处理，选择液氮温度为-185—-196℃。

2.根据权利要求1所述的深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，其特征在于，直接将焊接工件置于液氮环境下进行深冷处理，深冷保温时间选择2—48小时。

3.根据权利要求2所述的深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，其特征在于，深冷保温时间优选24—48小时。

4.根据权利要求1所述的深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，其特征在于，先将焊接工件置于液氮的表面上停留以达到预冷效果后，例如30—60min后，再置于液氮环境下进行深冷处理，深冷保温时间选择为2—48小时。

5.根据权利要求4所述的深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，其特征在于，深冷保温时间优选24—48小时。

6.根据权利要求1所述的深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，其特征在于，在完成深冷处理后选择直接将工件置于空气中自然升温至室温即可。

7.根据权利要求1所述的深冷处理在消除钛合金电子束焊接残余应力中的应用，其特征在于，所述钛合金为TC4材料，由下述元素组成：Al 6.06wt%、V 3.92wt%、Fe 0.3wt%、Si 0.15wt%、C 0.01wt%、N 0.05wt%、H 0.0015wt%、O 0.2wt%、Ti为余量。