CN105904116A - 提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％～5.0％，钒0.5％～1.5％，锆1.0％～3.0％，硼0.002％～0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。采用本发明焊丝所制备的焊缝熔敷金属具有高强塑性的特点，其强度能与750MPa～950MPa级自行车用钛合金管材匹配，焊接接头具有较高的抗疲劳性能，能满足对所焊山地自行车复杂骑行工况的高强度和高疲劳性能的技术要求。

Description

提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝。
背景技术
钛制山地自行车相对于铝、镁合金结构的自行车而言，具有比强度高、耐高低温、耐腐蚀等众多优点，是理想的比赛或家用山地车类型。采用金属制造的自行车不可避免需采用焊接方式来完成车架中各部件的连接，同任何焊接结构件一样，钛制山地自行车中焊接接头的性能也是决定产品使用寿命的关键。据统计资料表明，疲劳失效是焊接结构的主要破坏形式，焊接接头焊缝部位的应力集中和残余应力的作用使焊接接头的疲劳强度大幅度低于基体金属的疲劳强度。车架作为自行车中最核心的关键部件承担了骑行过程中的各种冲击载荷，车架中应力集中的各焊接接头更是成为主要的疲劳裂纹源，因此提高焊接部位的疲劳性能成为提高山地自行车寿命最行之有效的途径之一。
理想金属的疲劳性能由合金成分、显微组织、晶体取向这三因素决定，通常可采用热处理和加工变形两种方式加以实现，使用其中一种方式或同时使用两种方式均能起到改善合金的组织及取向的作用。目前，国内外关于提高焊接接头疲劳强度的方法主要有表面喷丸、滚压、局部机加、激光冲击、预过载法及根特法等等，以上方法均属于焊后加工变形，并不适用于自行车车架这种精确焊接获得净成品的产品形式；同时，由于车架多选用薄壁无缝管材通过专有焊接工装进行装配焊接，为避免高温受热变形、保证焊后部件的组装及外观尺寸一致，生产者无法采用热处理方式来消除焊接后车架的焊接应力或调节显微组织；资料表明，增加焊接厚度可以使焊接接头强度增大，但是对提高结构疲劳作用并无明显作用。由于自行车车架制备工艺的特殊性，因此在固定焊接工艺和焊接结构的前提下，改善合金成分成为了提高其焊接接头疲劳性能的简单、可行手段。
在熔焊条件下，焊接接头的焊缝区显微组织类型固定为塑性非常差的铸态组织。目前自行车焊接时主要采用焊接基体同种成分的焊丝，焊后接头塑性更低于基体材料，从而使得焊缝与基体收缩不同步，导致焊接残余应力过大，进而造成焊接部位极易发生疲劳断裂。因此，对于特定成分的金属材料需要采用特定成分的焊丝来提高焊接接头疲劳性能，以确保焊缝质量及焊接结构的可靠。
国内外用于制造自行车的钛合金有Ti-3Al-2.5V和“一种山地自行车车架用高疲劳性能钛合金”(ZL 2013 1 0419518.4)，以上两种合金都主要含有Al、V合金，是典型的650MPa～950MPa强度级钛合金，具有良好的加工性。ZL 201310419518.4所述合金作为一种替代Ti-3Al-2.5V使用的新型近α型钛合金，由于添加了大量铁(Fe)、铬(Cr)、钒(V)等β稳定元素，使得其焊接性能变差，不仅严重降低焊缝的塑性和断裂韧性，而且会加快疲劳裂纹扩展速率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝。采用该焊丝与钛合金管材焊接形成的焊缝强度高，能够与750MPa～950MPa级车架用钛合金匹配，焊接接头具有较高的抗拉压疲劳性能，能够显著提高钛制山地自行车的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％～5.0％，钒0.5％～1.5％，锆1.0％～3.0％，硼0.002％～0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％，钒1.5％，锆2.0％，硼0.002％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝4.0％，钒1.0％，锆2.0％，硼0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.5％，钒1.0％，锆1.5％，硼0.003％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝4.5％，钒0.5％，锆3.0％，硼0.003％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％，钒1.0％，锆2.5％，硼0.002％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝5.0％，钒0.5％，锆1.0％，硼0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，所述杂质包括氧，所述钛合金焊丝中氧的质量百分含量不大于0.1％。
本发明的技术特点是：本发明无需加入共析型β稳定元素Fe、Cr，降低了焊接熔合区合金化程度，以避免在温度场和应力场作用下共析反应所导致的合金脆化，提高了焊缝区塑性和韧性，提高了焊接接头铸态组织的抗变形能力，提高了疲劳开裂的门槛值。Al、V元素是本发明中的主要元素，Al元素含量在3.0％～5.0％，目的是为了与同样含有Al、V元素的基体钛合金焊接后形成良好的强度梯度过渡，保证焊接后的焊接接头仍具有与基体相当的强度。由于疲劳裂纹通常在硬度较低、塑性变形抗力较小的软相或软组织中形成，且纯金属的硬度随剪切模量的增大而增加，因此添加微量的硼(B)元素能够在焊缝组织中形成少量的TiB相，可大幅提高焊接接头的弹性模量，从而提高焊接接头硬度，提高裂纹起始系数和门槛值；同时，弹性模量的提高能够增大合金的弹性区间，使得焊缝冷却时造成的残余应力降低，从而减轻残余拉伸应力，提高焊接接头的疲劳性能。金属的疲劳性能不仅需要高的疲劳门槛值，更需要高的疲劳极限，而金属材料的疲劳极限与强度成正比地升高，因此在保证焊接接头塑性不下降的基础上添加锆(Zr)元素能够良好改善合金的屈服强度，从而实现提高焊缝的疲劳极限的目的。
本发明钛合金焊丝的制备方法为常规方法：采用Al-V或Ti-B中间合金、海绵锆、海绵钛、铝豆按设计成份混合压制电极，采用常规真空自耗电弧炉二次熔炼成合金铸锭。合金在经过β相区开坯锻造、α+β两相区终锻制备成棒材，棒材经常规轧制和拉拔生产工艺制备成丝材，经真空热处理后得到提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明焊丝与Ti-3Al-2.5V合金或ZL 201310419518.4所述合金焊接后得到的焊接接头结构具有良好的综合性能，且焊接性能良好，焊接系数大于0.9；
2、本发明所形成的焊缝金属能与抗拉强度750MPa～950MPa级的α钛合金相匹配，尤其适用于Ti-Al-V系列合金；
3、采用本发明焊丝焊接后形成的熔敷金属具有优异的疲劳性能，在水平疲劳加载频率f≤15Hz、拉力F1＝1200N、压力F2＝600N的条件下，其疲劳寿命N≥60000次。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％～5.0％，钒0.5％～1.5％，锆1.0％～3.0％，硼0.002％～0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明钛合金焊丝的成分和性能通过实施例1至6和对比例1来做进一步详述。
本发明实施例1至6及对比例1钛合金焊丝的成分组成见表1。
表1 本发明钛合金焊丝的成分组成
本发明钛合金焊丝的制备过程为：按照上述成分范围配制合金料，原材料可以选用Al-V或Ti-B中间合金、海绵锆、海绵钛、铝豆。按配比成分混料后压制电极，在真空自耗电弧炉中熔炼两次或三次获得合金铸锭。铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、中间多火次变形、锻造或精锻成棒材，最后经轧制、表面修磨、拉拔、酸碱洗及抛光得到规格为Φ2.0mm的钛合金成品丝材，丝材经过合适的真空除氢热处理后可以用于山地车架焊接。所述开坯锻造的加热温度为1100℃～1200℃，反复墩拔的加热温度为合金β转变温度以下30℃～50℃，即(Tβ-50)℃～(Tβ-30)℃；合适的真空除氢热处理工艺是在温度为650℃～750℃的条件下保温1h～3h后随炉冷却。
采用本发明实施例1至6及对比例1所述焊丝制备的熔敷金属在室温下的力学性能见表2。
表2 熔敷金属在室温条件下的力学性能
由表2结果表明，采用实施例1至6所述焊丝制备的熔敷金属试样的抗拉强度保持在750MPa～950MPa，显著高于对比例1。
选用规格为Φ38×1.5mm的Ti-3Al-2.5V和Ti-3Al-2V-2Cr-1Fe(ZL201310419518.4所述实施例2)钛合金管材作为焊接母材，本发明制备的丝材作为焊丝，采用钨极氩弧焊焊接方法将管材进行对焊，具体焊接参数为：焊接电流100～110A，焊接电压12V～14V，氩气纯度大于99.90％，试样对接无坡口。焊接管材剖条检测的室温拉伸性能如表3所示。
表3 焊接接头的室温拉伸性能
表3结果可见，采用实施例1至6成分的焊丝，焊接接头的室温拉伸性能与基体相当，焊接强度>0.9，样品断裂位置均在母材。
将焊接好的管材样品在水平疲劳试验机上进行测试，在频率f＝2Hz、拉力F1＝1200N、压力F2＝600N的条件下考察焊接接头疲劳性能，结果见表4。
表4 焊接接头的水平疲劳性能
由表4结果表明，采用本发明所述焊丝焊接管材的水平疲劳性能优异，实施例4和6由于合金化程度高，其疲劳性能偏低。实施例1适用于Ti-3Al-2.5V和Ti-3Al-2V-2Cr-1Fe(ZL 201310419518.4中所述实施例2)钛合金焊接，实施例5尤其适用于ZL 201310419518.4所述钛合金的焊接。从焊接接头强度、塑性、疲劳性能等角度综合考虑，在焊接抗拉强度750～950MPa级的α钛合金产品时，宜优选实施例1成分焊丝；当焊接母体合金化成分较高的Ti-Al-V系合金时，适宜选用实施例5成分焊丝。
从上述试验可以看出，采用本发明的钛合金焊丝，钛合金管材的焊接接头强度及疲劳性能都达到了不低于采用Ti-3Al-2.5V合金焊丝焊后的水平，同时还能保证较高的塑性。本发明焊丝成分简单、可采用常规的工艺进行生产，适用于目前钛制山地自行车的批量生产，能满足对所焊山地自行车复杂骑行工况的高强度和高疲劳性能的技术要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％～5.0％，钒0.5％～1.5％，锆1.0％～3.0％，硼0.002％～0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％，钒1.5％，锆2.0％，硼0.002％，余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝4.0％，钒1.0％，锆2.0％，硼0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.5％，钒1.0％，锆1.5％，硼0.003％，余量为钛和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝4.5％，钒0.5％，锆3.0％，硼0.003％，余量为钛和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝3.0％，钒1.0％，锆2.5％，硼0.002％，余量为钛和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：铝5.0％，钒0.5％，锆1.0％，硼0.004％，余量为钛和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的提高钛制山地自行车焊接接头疲劳性能的钛合金焊丝，其特征在于，所述杂质包括氧，所述钛合金焊丝中氧的质量百分含量不大于0.1％。
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