薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性測試方法
【專利摘要】一種金屬材料焊接性試驗【技術領域】的薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性測試方法，通過首先在圓弧形鈦合金旋壓件沿縱向切取形狀為兩端均有等寬延長的對稱梯形試樣，該旋壓件梯形試樣的小寬度端中部邊緣開有一個矩形缺口以促使焊縫在起焊處產生裂紋，旋壓件梯形試樣的大寬度端固定于夾具上，焊接從小寬度端的延長段的中軸線處開始直至大寬度端，形成連續熔透焊縫，焊接后測量焊縫或熱影響區的熱裂紋長度，將測得的熱裂紋長度除以焊縫總長度得到裂紋率。通過設定裂紋率作為目標值，可選擇相應的焊接規范或焊絲成分。本發明能夠實現薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性的試驗評價。
【專利說明】薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種金屬材料焊接性試驗【技術領域】的方法，具體涉及的是一種薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性測試方法。
【背景技術】
[0002]在現代機械加工中有大量通過金屬旋壓技術制成的無縫回轉零件。在航天航空等領域廣泛應用的鈦合金雖然是一種難加工金屬，但也可用熱強力旋壓技術來進行塑性加工，依靠毛坯厚度變薄來獲得無縫空心錐體、筒體、半球體等薄壁回轉零件。這些鈦合金旋壓件在實際工程應用中還存在相互之間和與其它零件之間的焊接連接需求。激光焊接技術作為先進連接技術在當前鈦合金的焊接生產中得到越來越多的應用。
[0003]鈦合金焊接可能會出現熱裂紋，特別是材料中存在雜質和缺陷時。鈦合金旋壓加工后晶粒會沿金屬流動方向變扁、拉長，晶界變得模糊不清，旋壓件內外表面層中會形成織構。鈦合金金相組織結構的這些變化可能會影響到其焊接熱裂傾向。因此，工程應用時有必要對鈦合金旋壓件進行焊接熱裂敏感性測定。現有的焊接熱裂紋敏感性測試方法有多種，但是都是針對平板材料，沒有專門針對弧形旋壓試件的；且這些測試方法早先是基于電弧焊方法建立起來的。其中可用于鈦合金的焊接熱裂紋敏感性測試方法有十字搭接裂紋試驗法、魚骨狀裂紋試驗法和可調拘束裂紋實驗法。魚骨狀裂紋試驗法，即00111(1(^0代法，是一種簡便易行的自拘束的裂紋試驗，采用的是堆焊形式。魚骨狀裂紋試驗形式雖也適用于激光焊接，但如果照搬原有的試件形狀和尺寸，試驗時激光焊縫中往往不出現熱裂紋，盡管在實際激光焊接接頭中卻會出現熱裂紋。日本學者曾針對鋁合金電子束焊接采取了與抱“如⑶代法相似的梯形平板試樣進行熱裂紋敏感性測評。
[0004]經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號⑶101576459，
【公開日】2009-11-11，公開了一種檢測鋁合金材料焊接熱裂紋傾向的裝置。此技術是基于可調拘束裂紋實驗法并為解決現有檢測鋁合金材料焊接熱裂紋的試驗繁瑣狀態而發明的簡便易行、準確的檢測裝置。此發明采用圓盤形平板試樣，施加熔透型電弧點焊，然后在點焊結束的同時通過杠桿聯動機構使頂頭從下向上頂住圓盤試樣中心，以獲得拉應變場，通過上頂的速度和距離可模擬不同拘束條件的焊接環境，進而評估材料焊接熱裂傾向。但該現有技術不足之處在于:1)其焊接拘束應力不是靠自拘束產生的，而是主要靠人為外加的，所依靠的裝置必須控制好作用時間和上頂力，使裝置仍然有一定的復雜度和操作要求試樣必須是圓盤形平板，無法適應圓筒狀試樣:3)其焊接形式是點焊，無法采用連續長焊縫形式。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于自拘束的薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性測試方法，采用專門設計的試樣形狀和尺寸和配套夾具，實現薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性的試驗評價。
[0006]本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過首先在圓弧形鈦合金旋壓件沿縱向切取出形狀為兩端均有等寬延長的對稱梯形試樣，該旋壓件梯形試樣的小寬度端，即上底的中部邊緣開有一個矩形缺口以促使焊縫在此起焊處產生裂紋，該旋壓件梯形試樣由其大寬度端，即下底的兩個對稱分布圓孔固定于夾具上，焊接從小寬度端的延長段的中軸線處開始直至大寬度端，形成連續熔透焊縫，焊接后測量焊縫或熱影響區的熱裂紋長度，將測得的熱裂紋長度除以焊縫總長度得到裂紋率，通過設定裂紋率作為目標值，選擇相應的焊接規范或焊絲成分。
[0007]由于旋壓件梯形試樣的寬度太小或太大都將不能使熱裂紋產生，會導致測試失敗；而焊縫長度過小將使試驗數據誤差過大，因此所述的旋壓件梯形試樣小寬度端的寬度為8?25mm，兩端的寬度比2?4倍，旋壓件梯形試樣上形成的焊縫長度不小于100mm。
[0008]所述的旋壓件的壁厚t小于等于3mm,曲率半徑Rn大于等于50mm。
[0009]所述的夾具為矩形結構，上表面的結構與旋壓件梯形試樣的圓弧面相適應，上表面的中間開有一條矩形凹槽。
[0010]所述的焊接方法為激光焊接，包括激光自熔焊、激光填絲焊或激光電弧復合焊，并以氬氣或氦氣作為保護氣。
[0011]本發明采用圓弧形橫截面的對稱梯形試樣形狀和上底端開小缺口方式以及配套設計的工裝夾具，可進行多種工藝規范的激光焊接試驗。通過測得的裂紋率實現對不同化學成分或不同制備條件下獲得的薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性的評價。通過設定裂紋率目標值實現鈦合金旋壓件激光焊接工藝規范或焊絲成分的比較選擇。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為實施例1旋壓件的結構示意圖；
[0013]圖2為實施例1夾具的結構示意圖；
[0014]圖3為焊接試驗示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0016]本實施例包括亦以下步驟:
[0017]步驟1，試樣制備:在壁厚t為2mm、曲率半徑Rn為148mm的圓筒形TCll鈦合金旋壓件上通過線切割等方法沿旋壓件縱向切取形狀為兩端均有等寬延長的對稱梯形試樣，如圖1所示。旋壓件梯形試樣I小寬度端寬度Wb為16mm，此端的15mm長的延長段邊緣開有一個深3mm、寬Imm的矩形缺口。旋壓件梯形試樣I大寬度端的寬度We為50mm,大寬度端的15mm長的延長段上對稱地加工有兩個同樣的直徑D為4mm且與邊緣相距7mm的通孔，用于固定旋壓件I。鈦合金旋壓件梯形試樣I總長度Ls為150_。
[0018]步驟2，夾具2制備:為試驗裝夾試樣，采用如圖2所示的專門設計制造的夾具。夾具2的上表面為橫向具有148mm曲率半徑的圓弧柱面,夾具上表面中間開有一條沿縱向分布的寬6mm、深8mm的矩形凹槽。夾具2 —端的靠近凹槽的上表面開有兩個直徑4mm的螺紋孔1，用于旋壓件梯形試樣1大寬度端的固定。
[0019]步驟3，焊接試驗進行:
[0020]如圖3所示，將加工好的旋壓件梯形試樣1放置在夾具2之上，采用螺栓3將旋壓件梯形試樣1的大寬度端固定在夾具2上，避免試驗中旋壓件梯形試樣1的移動。
[0021]采用激光自熔焊工藝焊接。焊接開始時，采用氬氣作為保護氣體從側吹氣管5中吹出，將直徑為0.離焦量為的激光4聚焦光斑置于旋壓件1上底端延長段的中軸線且緊靠矩形小缺口處，在激光4熱作用下使試樣熔化并且熔透。然后，按一定的焊接速度使激光4沿試樣中軸線由旋壓件1的上底端向下底端移動，直至激光4到達旋壓件1的下底端而停止焊接，由此形成連續熔透焊縫。
[0022]焊接中焊縫區的熱裂紋產生后擴展，裂紋的擴展隨著拘束度的下降到一定程度而停止。焊后測量焊縫區的熱裂紋長度，以3個試樣的裂紋長度平均值確定。
[0023]步驟4，裂紋敏感性評價:將測得的裂紋長度除以焊縫總長度可獲得裂紋率指標，依此對鈦合金旋壓件的熱裂紋敏感性做出評定。在焊接速度為2111/111111，激光功率分別為2.81^3.0砑和3.5欣時，測得的焊接裂紋率則分別為0%、24%和67%。如將目標裂紋率設為10%，則可進一步確定合適的激光自熔焊接工藝規范為焊接速度2111/111111，激光功率
2.81^1，離焦量0麵。
【權利要求】
1.一種薄壁鈦合金旋壓件激光焊接熱裂紋敏感性測試方法，其特征在于，通過首先在圓弧形鈦合金旋壓件沿縱向切取出形狀為兩端均有等寬延長的對稱梯形試樣，該旋壓件梯形試樣的小寬度端中部邊緣開有一個矩形缺口以促使焊縫在此起焊處產生裂紋，該旋壓件梯形試樣由其大寬度端的兩個對稱分布圓孔固定于夾具上，焊接從小寬度端的延長段的中軸線處開始直至大寬度端，形成連續熔透焊縫，焊接后測量焊縫或熱影響區的熱裂紋長度，將測得的熱裂紋長度除以焊縫總長度得到裂紋率。通過設定裂紋率作為目標值，可選擇相應的焊接規范或焊絲成分。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的旋壓件梯形試樣小寬度端的寬度為8?25臟，兩端的寬度比2?4倍，該旋壓件梯形試樣上形成的焊縫長度不小于100臟。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的旋壓件的壁厚I小于等于3皿，曲率半徑1?大于等于50111111。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特征是，所述的夾具為矩形結構，上表面的結構與旋壓件的圓弧面相適應，上表面的中間開有一條矩形凹槽。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征是，所述的焊接方法為激光焊接，包括激光自熔焊、激光填絲焊或激光電弧復合焊，并以氬氣或氦氣作為保護氣。
【文檔編號】B23K31/12GK104400244SQ201410503502
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】黃堅, 虞鴻江, 潘麗華, 范如意, 李鑄國, 王勇, 陸韡, 王學峰, 俞翔 申請人:上海交通大學, 上海新力動力設備研究所